【摘要】：全氟離子交換膜(PFIEM)是質(zhì)子交換燃料電池和離子膜氯堿工業(yè)的關(guān)鍵材料,在燃料電池、氯堿行業(yè)、釩電池等方面應(yīng)用廣泛,是目前無可替代的關(guān)鍵部件之一。它的結(jié)構(gòu)與性能直接關(guān)系著電池或電解槽的性能好壞。熱處理作為一種傳統(tǒng)工藝過程,簡便易行,廣泛用于全氟離子交換膜性能的研究。從離子膜的不同性能出發(fā),分別闡述了熱處理對質(zhì)子電導(dǎo)率、甲醇透過率、力學(xué)性能、選擇滲透性等性能的影響,并總結(jié)了目前這方面研究的特點(diǎn)與發(fā)展方向。
【圖文】：

撬嶗胱詠換荒さ奈侍狻?將全氟磺酸離子交換樹脂和全氟羧酸離子交換樹脂熔融擠出制備的復(fù)合膜可以同時(shí)得到較低的膜電阻和較高的電流效率，目前一直沿用這種方法［5］。雖然全氟離子膜有著其它高分子材料無法比擬的結(jié)構(gòu)與性能，但由于含氟化合物的合成需要繁瑣的合成步驟，且樹脂的合成方法長期被美國與日本壟斷，研究者們主要集中于對Nafion膜性能的改善，比如提高全氟磺酸膜的質(zhì)子電導(dǎo)率、降低甲醇透過率等。Nafion膜在燃料電池領(lǐng)域的研究早已成為熱點(diǎn)［6-10］，但對氯堿行業(yè)而言，離子膜的研究則相對很少。圖1Nafion樹脂(a)與Flenmion樹脂(b)的分子結(jié)構(gòu)示意圖Fig1ThemolecularstructureofNafionresin(a)andFlenmionresin(b)熱處理是一種簡便易行的方法，且對高聚物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)及性能有著重要的影響11-15］。比如，熱處理可以使纖維材料的部分鏈段解取向，從而獲得賦予纖維彈性。許多科研工作者對全氟離子交換膜也進(jìn)行了熱處理研究［16-17］。例如，H型Nafion膜玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)為109℃［18-19］，當(dāng)加熱到Tg以上，膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。在Nafion涂覆膜存有膠束，磺化交換位點(diǎn)位于膠束的外部，熱處理可以使內(nèi)部結(jié)構(gòu)重新排布，膠束發(fā)生倒轉(zhuǎn)，磺化位點(diǎn)位于膠束內(nèi)部［20］。Thomas等［21］對此作了類似報(bào)道，當(dāng)加熱到玻璃化溫度以上時(shí)，涂覆膜的內(nèi)部微膠束結(jié)構(gòu)可以發(fā)生倒轉(zhuǎn)。反相后的涂覆膜，使原先位于微膠束外部的磺酸基團(tuán)倒置在微膠束內(nèi)部(如圖2所示)，減小孔洞體積，導(dǎo)致離子電荷密度增加，從而增加涂覆膜的物理穩(wěn)定性與選擇性能。本文從熱處理對全氟離子交換膜性能角度出發(fā)，總結(jié)近些年國內(nèi)外研究者對這方面的科研工作，重點(diǎn)闡述熱處理對質(zhì)子電導(dǎo)率、甲醇透過率、力學(xué)性能、選擇滲?

子膜，分別在150～230℃溫度下熱處理，緩慢冷卻后得到樣品。研究發(fā)現(xiàn)，隨著熱處理溫度的升高，離子膜的質(zhì)子電導(dǎo)率也同時(shí)升高。這是因?yàn)闊崽幚砜梢源偈乖劝裨谥麈溁\形結(jié)構(gòu)中的磺酸基團(tuán)遷移出來，從而側(cè)鏈之間可進(jìn)一步通過靜電作用力聚集形成離子簇，與此同時(shí)，側(cè)鏈的自由運(yùn)動(dòng)可以使離子簇有序化程度提高。溫度越高，所形成的離子通道愈寬闊，更便于質(zhì)子通過，最終導(dǎo)致質(zhì)子電導(dǎo)率升高。圖2全氟離子交換膜微膠束結(jié)構(gòu)隨溫度變化示意圖Fig2Aschematicrepresentationofthechangeofmicellarstructureofperfluorinatedionexchangemembraneswithannealingtemperatureincreasing但在Jung等［23］研究工作中并沒有得出隨熱處理溫度升高，質(zhì)子電導(dǎo)率一直升高的結(jié)論，而是存在一個(gè)合適的臨界溫度。在溫度高于該值時(shí)，電導(dǎo)率反而開始下降。Jung等主要使用Nafion117制得膜電極組件，并將Nafion117膜分別在110，130，150和200℃溫度下進(jìn)行熱處理，在130℃時(shí)出現(xiàn)電導(dǎo)率最大值。因?yàn)闇囟壬哂兄诜肿渔溸\(yùn)動(dòng)，從而有利于離子簇的形成。與此同時(shí)，聚合物的結(jié)晶度也將隨之增大，結(jié)晶會(huì)限制分子鏈的運(yùn)動(dòng)，從而出現(xiàn)一個(gè)峰值。根據(jù)Jung等的研究，該溫度出現(xiàn)在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度附近，此時(shí)離子膜表現(xiàn)出最強(qiáng)的電導(dǎo)性能。Hensley等［24］則通過熱處理方法對Nafion膜不同批次以及不同厚度的樣品進(jìn)行了研究。研究表明，熱處理提高了所有樣品的質(zhì)子電導(dǎo)率，減小了所測樣品的電導(dǎo)率標(biāo)準(zhǔn)差，并且各種樣品電導(dǎo)率趨于一個(gè)平均值(90．4mS/cm)，各種全氟離子膜之間的差異在減小，說明熱處理有助于離子膜達(dá)到一種均衡的狀態(tài)。在燃料電池實(shí)際應(yīng)用中，較薄的離子膜可以保證從陰極到陽極之間有充足的水分逆擴(kuò)散，從而有利于水分的平衡，而且有著較高的離子?

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 劉樹奇;全氟離子交換膜的再生及應(yīng)用[J];膜科學(xué)與技術(shù);2000年04期

2 ;我國研制出化工高端產(chǎn)品“全氟離子交換膜”[J];新材料產(chǎn)業(yè);2005年11期

3 ;我全氟離子交換膜實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化科技部撥2000萬元提高研發(fā)速度[J];有機(jī)硅氟資訊;2005年07期

4 ;我國研制出“全氟離子交換膜”[J];有機(jī)硅氟資訊;2005年11期

5 ;全氟離子交換膜實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化[J];有機(jī)硅氟資訊;2006年09期

6 ;全氟離子交換膜攻關(guān)列入“863”計(jì)劃[J];有機(jī)硅氟資訊;2004年12期

7 ;全氟離子交換膜工程技術(shù)研究項(xiàng)目通過驗(yàn)收[J];精細(xì)與專用化學(xué)品;2011年03期

8 王德山;;全氟離子交換膜特性參數(shù)的測試方法[J];材料開發(fā)與應(yīng)用;2011年03期

9 鄔志良;;氯堿工業(yè)用全氟離子交換膜[J];含氟材料;1987年02期

10 朱敬鏞;旭化成全氟離子交換膜的最近進(jìn)展[J];氯堿工業(yè);1994年10期

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前4條

1 ;我國研制出化工高端產(chǎn)品“全氟離子交換膜”[N];中國高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)導(dǎo)報(bào);2005年

2 記者 關(guān)世太;全氟離子交換膜攻關(guān)列入“863”計(jì)劃[N];中國化工報(bào);2004年

3 本報(bào)記者 單保江　通訊員 張珂 李偉;山東八成規(guī)模以上企業(yè)已與高校建立產(chǎn)學(xué)研合作關(guān)系[N];經(jīng)濟(jì)日報(bào);2010年

4 本報(bào)記者 李二南 徐勐 通訊員 宗子凱;科技引領(lǐng)未來[N];淄博日報(bào);2010年

本文編號(hào)：2725831