SEBS基自交联及复合碱性阴离子交换膜研究

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燃料电池是在当今环境污染严重,能源逐渐枯竭的大环境下产生的一种新型能量转化装置,包括碱性阴离子交换膜燃料电池(AEMFC)等。碱性阴离子交换膜(AEM)是AEMFC的核心部件之一,应具有高导电率,优异的化学稳定性和机械性能等。氢化苯乙烯丁二嵌段聚合物(SEBS),具有优良的化学稳定性,且其侧苯基易于进行化学修饰引入季铵功能基团而制备AEM。在本课题组前期研究基础上,本论文通过化学交联构建聚合物网络以及制备复合膜两个途径,提出两步铵化工艺,以期进一步提高SEBS基碱性膜的导电率和化学稳定性。通过对SEBS进行氯甲基化反应,加入苄基四甲基胍(BTMG)进行门秀金铵化反应,接着与聚四氟乙烯(PTFE,下同)微孔膜进行复合,制备SEBS-BTFE/PTFE复合膜。为进一步提高导电率,将制得的SEBS-BTMG/PTFE复合膜与三甲胺进行二次铵化反应,制备化学稳定性高,机械性能好的复合膜(SEBS-BTMG-TMA/PTFE)。利用1H-NMR对氯甲基化SEBS的化学结构进行表征,利用FT-IR对SEBS-BTMG,SEBS-BTMG/PTFE及SEBS-BTMG-TMA/PTFE三种碱性膜的化学结构进行了表征。其中SEBS-BTMG-TMA/PTFE碱性膜拉伸强度为60.2 MPa,比复合前SEBS-BTMG的拉伸强度提高了2.98倍。将SEBS-BTMG-TMA/PTFE复合膜浸入80℃Fenton试剂(4ppm FeSO4,10%H2O2)浸泡9h之后,保持75%的剩余质量和75%的导电率,而SEBS-BTMG碱性膜在浸泡3h以后,即发生破裂,故复合膜的抗氧化稳定性显著提高。SEBS-BTMG-TMA/PTFE复合膜在80℃1 mol/L NaOH溶液中浸泡888h之后,仍保持92.8%的导电率,耐碱稳定性优异。SEBS氯甲基化反应后,加入苄基四甲基胍(BTMG)和二正丁胺(DBA)进行铵化反应,制备了一类含胍阳离子自交联SEBS-BTMG-DBA碱性膜。后将其与三甲胺进行二次铵化反应,成功制备一类高导电率、高化学稳定性的SEBS-TMA碱性膜。对二次铵化时间进行了探究,确定最佳7h。SEBS-BTMG,SEBS-BTMG-DBA及SEBS-TMA三种碱性膜的化学结构分别用FT-IR进行了表征。二次铵化后SEBS-TMA-7h膜的离子交换容量(IEC)为1.41 mmol/g,导电率80℃为51.5 mS/cm,而二次铵化前SEBS-BTMG膜的IEC是0.39 mmol/g,导电率是31.8 mS/cm,表明二次铵化工艺使该碱性膜的IEC和离子传导率显著提高。SEBS-TMA-7h膜在80℃1 mol/L NaOH中510h后保持90%以上的导电率,耐碱稳定性优异。
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