均相离子交换膜膜,质子交换膜和均相离子交换膜树脂的区别

全氟磺酸复合膜加工性能研究--《北京化工大学》2009年硕士论文
全氟磺酸复合膜加工性能研究
【摘要】:
本文针对其转型前全氟磺酰树脂的各种性能参数进行了深入的研究,根据其特有的加工流动性能,采用符合该树脂的熔融挤出流延成膜工艺,复合制备全氟磺酸离子交换薄膜。
本实验选取了几种不同离子交换容量(IEC值)的氟型全氟磺酸离子交换树脂(PFSR),分别利用热失重分析(TGA)、熔体流动速率仪(MFI)、毛细管流变仪、哈克扭矩流变仪、X射线衍射(XRD)和红外透射光谱(IR)对不同树脂的熔融加工稳定性、熔体流变性能及挤出树脂的结晶性能进行了全面的分析研究。实验表明,树脂在380℃以下静态稳定性都很好,但当温度升高后随IEC值的升高而下降。低剪切速率下PFSR熔融温度随IEC的升高而明显降低。通过流变学测试得出PFSR树脂为剪切变稀型非牛顿流体,其表观粘度对加工剪切速率敏感。PFSR树脂在高剪切速率下的动态热稳定性能明显下降,当达到240℃以上树脂中会出现微小气泡,其加工和动态热稳定温度随IEC值的降低而增加。通过XRD测试得出PFSR树脂为一种低结晶型聚合物,其结晶能力主要受其IEC值影响,并随其增加而下降。
强碱条件下水解生成离子交换基团(—SO_3Na),成为全氟磺酸离子交换树脂。对转型前后树脂各项性能指标进行对比测试,其红外透射光谱(IR)发生了很大改变,热稳定性、结晶性能和熔融加工性能大幅下降,但是力学强度明显增加。
在实验中改善全氟磺酸离子交换膜的制备工艺,采用熔融流延挤出方法来制备不同IEC值的全氟磺酸离子交换薄膜,并对加工设备、模具选择。
【关键词】:
【学位授予单位】:北京化工大学【学位级别】:硕士【学位授予年份】:2009【分类号】:TQ320.721【目录】:
ABSTRACT6-15
第一章 绪论15-49
1.1 引言15-16
1.2 全氟磺酸离子膜概况16-29
1.2.1 全氟磺酸离子交换薄膜发展历程16-18
1.2.2 全氟磺酸离子交换膜结构18-21
1.2.2.1 离子交换树脂的化学结构18-20
1.2.2.2 全氟离子交换树脂微观结构20-21
1.2.3 全氟磺酸离子树脂交换原理21-24
1.2.4 全氟磺酸离子交换薄膜的各项特性24-25
1.2.5 全氟磺酸离子交换树脂的各项特性25
1.2.6 全氟磺酸离子交换薄膜的交换性能25-29
1.2.6.1 离子交换容量26-27
1.2.6.2 离子膜的含水率影响因素27-28
1.2.6.3 离子膜的电导度影响因素28-29
1.3 全氟磺酸离子交换膜应用29-44
1.3.1 全氟离子膜在氯碱工业中的应用29-37
1.3.1.1 离子膜在氯碱工业中的发展29-30
1.3.1.2 全氟磺酸离子膜电解制碱特点30-33
1.3.1.3 全氟磺酸离子膜电解制碱原理33-34
1.3.1.4 电解制碱用全氟磺酸离子膜组成构造34-35
1.3.1.5 氯碱工业用离子膜的性能要求35-37
1.3.2 离子膜在燃料电池中的应用(PEMFC)37-42
1.3.2.1 质子交换膜燃料电池的发展37-38
1.3.2.2 燃料电池的分类38-39
1.3.2.3 全氟磺酸质子交换电池工作原理39-41
1.3.2.4 全氟磺酸质子交换膜的特性41-42
1.3.3 全氟磺酸离子膜在电化学合成中的应用42
1.3.4 离子膜在气体分离领域的应用42
1.3.5 离子交换膜在光能催化领域的应用42-43
1.3.6 离子交换树脂在分析化学中的应用43-44
1.3.7 离子交换薄膜在污水处理中的应用44
1.4 全氟磺酸离子交换膜的成型方法44-45
1.4.1 全氟磺酸膜的熔融挤出法成型44
1.4.2 全氟磺酸膜的溶液浇注法成型44-45
1.4.3 全氟磺酸膜的铸模法成型45
1.5 全氟磺酸离子交换膜的增强与复合45-47
1.5.1 全氟磺酸离子交换膜的增强45-46
1.5.2 全氟磺酸离子交换膜的复合成型46-47
1.6 论文选题的目的及意义47-49
第二章 实验部分49-53
2.1 实验原料与试剂49-50
2.2 实验主要仪器与设备50
2.3 实验方法50-51
2.3.1 氟型全氟磺酸薄膜的制备50-51
2.3.2 氟型全氟磺酸薄膜的转型51
2.4 测试与表征51-53
第三章 结果与讨论53-79
3.1 流延挤出全氟磺酰氟树脂性能测定53-65
3.1.1 TGA测试分析54-56
3.1.2 熔融指数测试56-57
3.1.3 流变学性能57-62
3.1.3.1 毛细管流变学性能测试57-60
3.1.3.2 哈克扭矩流变仪测试60-62
3.1.4 XRD扫描测试62-64
3.1.5 IR扫描测试64-65
3.2 水解转型前后全氟磺酸树脂性能65-73
3.2.1 IR扫描测试65-67
3.2.2 XRD扫描测试67-69
3.2.3 TGA热性能测试69-70
3.2.4 DSC性能测试70-71
3.2.5 力学性能测试71-73
3.3 流延薄膜加工设备及工艺的选择73-79
3.3.1 挤出机的选择73-74
3.3.2 挤出机头的的选择74-76
3.3.3 熔融流延挤出成膜工艺的选择76-79
3.3.3.1 树脂预处理76
3.3.3.2 原树脂直接熔融挤出工艺76-77
3.3.3.3 双螺杆造粒后流延挤出工艺77-79
第四章 结论79-81
参考文献81-87
研究成果及发表的学术论文89-91
导师及作者简介91-92
硕士研究生学位论文答辩委员会决议书92-93
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第28卷第3期膜科学与技术Vol,28No.32008年6月MEMBRANE!℃IENCEANDTECHNOUmYJun.2008文章编号:1007―8924(2008)03―0001―04全氟离子交换膜的研究和应用张永明(上海交通大学化学化工学院,上海200240)摘要:概述全氟离子交换膜的制备及该膜的微观结构,讨论其在氯碱工业、燃料电池工业上的应用,并探讨全氟离子膜的研究和开发的方向.关键词:全氟离子膜;氯碱工业;燃料电池中图分类号:TQ028.8文献标识码:A全氟类离子交换树脂的发展起始于全氟磺酸离(PEM】陀)中,在清洁能源方面的应用取得了突破性子交换树脂,它是以聚四氟乙烯结构为分子骨架,以进展.从此,国内外学者对全氟离子交换树脂和膜产含磺酸基团的全氟乙烯基醚为支链(图1)的全氟磺生了很大的兴趣.酸聚合物.由于碳一氟键键长短,键能高,并且富电全氟磺酸离子交换树脂涉及基础化学工业和子的氟原子体积比氢原子大,可极化度小,通过分子21世纪新能源等重要领域,是新时代具有重大战略的链旋转,氟原子紧密覆盖在碳一碳主链的周围,从影响意义的一类极其重要的功能材料.而对碳一碳键形成了很好的保护层,因此具有优良的热稳定性和化学稳定性.支链上的磺酸基团在水1全氟离子交换膜的合成及制备中完全解离,具有优良的离子传到特性【1,2I.全氟离子交换树脂前驱体的合成如图2所示.七cF2cF2)z―cFcF2一自从全氟离子交换树脂问世以来,国内外公司都在◇一CF2~研卜_0CF2CFz--SK-)3M积极研发薪的合成路线和合成新的单体(全氟乙烯CF3基醚CF2一C卜0卜_RF中的烷基基团一RF如表1其中M为H或者K、Na等碱金属所示).表中同时列出了这些乙烯基醚的分子量图i全氟磺酸离子交换树脂结构示意图(MW),分子量可以简单的区分这些乙烯基醚单体.Fig.1TheschematicstructureofCF2一C卜。一R奢+nCFz―CF2―+perfluorosulfonatedacidionomer、-(--CF2CF2)。一(CF2一CF)。一全氟离子交换膜是20世纪60年代美国杜邦公O.司(DuPont)为阿波罗计划所用燃料电池而开发的,RF其商用名为Nafion*.1975年,由日本旭硝子(Asahi图2全氟离子交换树脂前体的合成Glass)公司开发出新的商品名为Flemioff"的全氟羧Fig.2Synthesisofperfluorosulfonatedresinprecursor酸离子交换树脂和膜之后,全氟离子交换膜才被成目前,全氟磺酸离子交换膜的制备方法有两种:功应用于氯碱工业,促进了全球氯碱工业朝着低能热熔融挤出成膜法和溶液浇铸成膜法.熔融挤出成耗、无污染的方向发展.膜法适合于连续化生产,并且由于成膜过程不使用20世纪80年代初,加拿大Ballard公司将全氟溶剂,因而不会对环境造成危害,但是这种方法对设磺酸离子交换膜用于聚合物电解质膜燃料电池备和工艺条件的要求很高,挤出成膜后还需要将膜收稿日期:2008―04―29作者简介:张永明(1960~),男,河南开封市人,博士,教授,从事功能材料与功能膜研究.(ym_zklngcn@yahoo.OOITI.Cl"1)万 方数据?2?膜科学与技术第28卷水解转型,膜在转型过程中较难保持平整度.溶液成膜首先要在较高的温度和压力下配置成全氟离子交换树脂相应的溶液,然后在平面模板上浇铸,刮平,挥发溶剂成膜…3.通过溶液方法成膜,可以得到更薄的离子交换膜.磺酸树脂溶解时既可以选用低沸点的溶剂如水、乙醇、异丙醇等单一溶剂或者混合溶剂,也可以用乙二醇、N,N一二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、N一甲基吡咯烷酮等较高沸点的溶剂.全氟离子膜的合成和制备综合示意图如图3所示.2全氟离子膜的微观结构对于全氟离子交换膜的微观结构,国内外很多学者利用SAXS(Small―AngleX―rayScattering)、WAXD(Wide―AngleX―rayDiffraction)、SANS(Small―AngleNeutronScattering)、TEM(Trans.missionElectronMicroscopy)等工具广泛地研究了全氟离子交换膜的微观形态,并且提出了很多结构模型,主要有:反向离子胶束网络模型【4J、核一壳模型[5]5、局部有序模型[6|、层状模型[7|、三明治模型[8]以及棒状模型等引9.目前,得到大家普遍认可的是离子簇和碳氟骨架结构.。3全氟离子交换膜的应用3.1在氯碱工业上的应用,离子膜法制碱是全氟磺酸离子交换膜应用最早、工业化技术最成熟的领域.离子膜法与传统的隔膜法和水银法相比具有总能耗低、环境污染低、操作方便等优点.目前,离子膜法烧碱工艺以其优异的综合性能成为全球氯碱行业中的主导技术,其中最关H+型颗粒H+型薄膜键的材料就是全氟离子交换膜.全氟离子交换膜是由全氟磺酸膜、全氟羧酸膜、聚四氟乙烯增强网布复合而成,并且在膜的两面附有亲水性涂层,其断面结f型薄膜lH+型薄膜图3各种不同类型的全氟离子聚合物膜的制备步骤Fig.3Stepsinthemanufactureofvariousperfluorinatedioncrnerproducts构示意图如图4所示.3.2在燃料电池工业上的应用全球经济快速发展和人口增长导致了环境污染加剧以及化石能源日益枯竭,开发清洁、高效、可再生的新能源动力技术已成为十分紧迫的任务.燃料万方数据 第3期张永明:全氟离子交换膜的研究和应用?3?嫩层一羧酸层潍撇涂层层』If_-T..。―..卜亲水图4全氟磺酸/全氟羧酸复合膜的截面示意图Fig.4Schematicdiagramaboutthecrosssurfaceofo:lmpositemembraneofperfluorosutfonatedacid/periluorocarboxylicacid电池具有高效、环境友好、安静、可靠性高等特点.几十年的研究表明,全氟质子膜具有最好的综合性能.质子交换膜燃料电池(PEMFC)又因其功率大,能量效率高,工作温度低,启动速度快,特别适于动力电池,而倍受科技及工业界关注.PEMFC主要由膜电极、集流板和冷却板等组成.其中质子膜是PEMFC的核心部分.由于全氟磺酸离子膜具有导电率高、力学性能好和化学稳定性高等优点,被广泛应用于燃料电池和燃料电池的研究.其在质子交换膜燃料电池上的工作原理如图5所示.Il负载l电解质e‘N,‘、H,0鍪霈、匿02流场H2----2W+2e02+2W+2e----H20图5质子膜燃料电池的工作原理№.5Sc_rmmficdiagr缸noftheqxratingprincipleinPEMFC由于氢气中含有少量的co,会导致贵金属电极的中毒,从而最终影响电池的寿命和性能.研究结果表明:高温下电极对CO的吸附行为明显减弱,从而能够减弱CO对电极的影响,但是高温下Naiion膜的含水率严重下降,导电性能显著变差.因此,研究高温下导电聚合物离子膜成为质子交换膜燃料电池研究中的一个重要课题,许多研究人员对Nation膜进行改性并进行了有益的尝试.Savinell等[10]将Nafion*全氟磺酸离子交换膜用磷酸处理,得到的膜在150℃的电导率为50mS/万 方数据ClTI.因为磷酸具有自离解和自脱水能力,所以在缺水的条件下仍然具有较高的质子传导能力,在较高的温度下也能与磺酸基团作用释放出质子,保持较高的质子传导能力.Malhotra[11J等用磷钨酸处理Nafionll7全氟磺酸离子交换膜,发现使用温度可以提高到110℃.而对于全氟离子交换膜在直接甲醇燃料电池(DMFC)应用领域的一个制约瓶颈是该膜对甲醇的透过性.实验证明大约有40%的甲醇可以透过未经改性的全氟离子交换膜而被浪费掉,除此之外,透过的甲醇会在阴极上氧化,使阴极产生混合电位,降低电池性能,而且目前常用的阴极催化剂是Pt,透过的甲醇氧化后产生Co也会使催化剂中毒,所以研制阻醇性能好的离子交换膜也是一个重要的课题.很多的学者对其进行了大量的研究,如对未改性的膜进行退火处理【12J、掺加纳米粒子(如SiOz[13J等)和高分子聚合物(如聚3,4一乙烯二氧噻吩【14J等)共混,以降低该全氟离子膜的透醇性.4全氟离子膜的发展趋势4.1氯碱工业用全氟离子膜的发展趋势继续研发新的全氟功能单体,改进树脂合成的聚合方法和聚合体系,得到端基稳定、分子量高、链结构分布均一的全氟离子交换树脂;降低原料制造成本,促使其大规模应用于各个行业,在深入研究离子膜结构与性能的基础上,完善离子膜成膜技术;提高增强网布组成材料与膜的相容性,增大复合离子膜的强度,延长使用寿命,以进一步降低单位氯碱产量的膜消耗;开发薄型复合离子膜,提高电流效率、电流密度,降低槽电压;研制均一复合膜,克服多层膜复合的困难,消除多层复合固有的缺陷;研制低电耗膜,降低能耗仍然为氯碱工业的主要研究方向;改善离子膜对各种杂质的敏感性,目前膜对盐水和电解操作条件的要求比较高,要求盐水中ca2+、M92+离子的质量分数小于2×10-8以下.但是,经过几十年的研究和应用,氯碱工业全氟离子膜技术已经接近了理论水平,没有太大的发展空间.4.2燃料电池工业用全氟离子交换膜的发展趋势装配有Nation系列的全氟磺酸离子膜的燃料电池电动车已经相继问世,在一些国家已经有燃料电池公交大巴开始运营.这一全氟离子膜的优异特?4?膜科学与技术第28卷melnbranes[J].JMembr性是其他非氟离子膜所不能达到的,这是因为非氟质子膜在苛刻的电池工作环境中很快会降解破坏.由于美国杜邦公司Nation系列的全氟磺酸质子膜难以在100℃以上使用、透醇性过大等缺点,目前国内外科学家都在努力开展对纯膜进一步改性的研究.然而研究者更倾向于寻找新结构的全氟磺酸树脂制备新的质子膜,以下两类结构的全氟磺酸膜被认为具有很好的发展前景:NafionperfluorirmtedSci,1983,13(3):307―326.[5]FujimuraM,HashimotorayscatteringstudyT,KawaiH.Small―angleX―ofperfluorinatedionomermembranes.2.Modelsforionicscatteringmaximunl[J].Macro―molecules,1982,15(1):136―144.[6]DreyfusB,GebelG,AldebertP,eta1.Distributionofthe“micelles”inhydratedperfluorinatedionomermel-n―branesfromSA卜|Sexperiments[J].JdePhysiqueI七CF2C=F"2)厂哑cFv――~0(R耐S),1990,51(12):1341―1354.[7]LittMH.AreevaluationofNationmorphology[J].PolymerPreprints(AmericanⅡChemicalSociety,Division七CF2CF2),一CF2ak―――一0CF'2CF2--S02FofPolymerChemistry),1997,38(1):踟一81.[8]HaubotdtureHG,VadT,JungbluthH,ela/.NaltOstruc,ofNation:aSAXSstudy[J].ElectrochimicaActa,CF2CF2CF2CF2--S02F2001,46(10):1559―1563.前一种是陶氏化学公司开发的,但是由于成本太高未能走出实验室.目前的工作是设计新的合成技术改变高成本的缺陷,使其能够大规模应用.东岳神舟新材料有限公司和比利时索威(。cx31vay)公司分别采用不同的途径已经在实验室中制被了这类聚合物.第二种是3M公司研发的,也可望成为新一代的全氟磺酸质子膜.因此,以上两种结构的全氟磺酸质子膜已经成为全球关注和竞争的重点.参考文献[1]栾英豪,张恒,张永明,等.全氟磺酸离子交换膜的制备与性能研究[J].功能高分子学报,2005,18(1):62―66.[2]MauritzK[9]RubatatL,R011etgatedAL,GebelG,ela1.Evidenceofelon,aggregatesinpolymericNation[J].Macro―molecules,2002,35(10):4050―4055.[10]SavinellR,YeagerE,TrykD,ela/.Apolymerdec―attrolyteforoperationtemperaturesupto200℃[J].JElectrochemSoc,1994,141(4):L46一L48.[11]MalhotraS,DattaR.Membrane―supportednonvohtileacidicelectml”esallowhigherproton―exchangetemperatureoperationofmembranefuelcells[J].JElee?trochemSOc,1997,144(2):L23一L26.[12]L岫nYH,ZhangYM,ZhangH,ela1.Annealingef―onfectofperfluorosulfonatedionomermelTlbranesconductivityandmethanolprotonpermeability[J].JAppla1.Sol―gdderivedsul―Polym[13]YenSei,2008,107(1):396―402.CY,LeeCH,LinYF,etA,MooreRB.Stateofunderstandingofformted――silica/Nafioncompositemethanolfuel36―44.membranefordirectNation[J].ChemRev,2004,104(10):4535―4585.cell[J].JPowerSources,2007,173(1):ofNation[3]knYH,ZhangH,ZhangYM,eta1.Studyontttralevolutionofperfluorosulfonicionomerfromtratedstrut―concen―[14]LiL,ZhangYM.ChemicalmodificationDMF―basedsolutiontomembranes[J].JMembrmembranewith3,4一ethylenedioxythiophenefordirectmethanolSci,(2008),doi:10.1016乃.m印lsci.2008.03.05414JHsufuelcellapplication[J].JPowerSources,WY,GierkeTD.Iontransportandclusteringin2008,175(1):256―2(m.StudyandapplicationofperfluorinatedionomermembranesZHANGYongming(SchoolofCh日nistryandCh日nicalTechnok科,ShanghaiJiaotongaUniversity,Shanghai200240,Oaina)Abstract:Perfluorinatedionomermembranewaskindofspecialmaterial.whichpossessedsuperionconductiv―ityandsuperstabilityproperties.Thenqanufactureandmicrostructureoftheperfluorinatedionomermembraneswerereviewed.Themainapplicationsinbothchlor―alkalicellsandfuelcellswerediscussed.theirdevelopmentthedirectionofthestudyanddevelopnx班taix)uttheperfluofinatedionorr抡rWB¥suggested.industry;fuelcellstrends、^mprt即ected,andKeywords:perfluorinatedionomermembrane;chlor―alkali万方数据 三亿文库包含各类专业文献、应用写作文书、专业论文、幼儿教育、小学教育、外语学习资料、中学教育、75全氟离子交换膜的研究和应用(1)等内容。 
 技术,从而相得益彰,使杜邦公司的全氟离子交换 膜真正进入氯碱工业大规模应用的...旭化成公司对氯碱生产用离子膜的研究始于 1966 .年,1975 年建成了世界第一家...  分别论述了太阳能电 池背板用 PVDF 膜和全氟磺酸离子交换膜的制作、应用以及...无机和无机-有机杂化膜)自20世纪80年代诞生 以来,已快速发展成为一个新的研究...  中国氟离子交换膜行业市场前景调查及投融资战略研究报告
年 前言 企业...及应用领域 第二节 氟离子交换膜产业链供应商联系方式 一、氟离子交换膜原料...  应用示范工程项目; 5、现代中药产业发展专项; 6、创新能力建设(国家工程研究中心...氯碱用全氟离子交换膜行业发展预测分析报告 资金申请报告编制大纲 第一章 氯碱用...  “十三五”规划重点-氯碱用全氟离子交换膜项目建议书...目前广泛应用于项目的国家立项审批工作中。 项目建议...建议书(代可行性研究报告) ,两个阶段合为一阶段。...  “十三五”重点项目-氯碱用全氟离子交换膜项目申请报告_调查/报告_表格/模板_...首先确 1 定任务的方案和侧重点,根据不同的需要,提出不同的研究提纲、确 定...  杜邦全氟离子交换膜全氟膜的安全操作和使用(中文)介绍编写该手册的目的是为了给...聚四氟乙 烯是疏水性最强的物质之一, 而全氟膜是亲水性最强的物质之一。 ...   年中国全氟离子交换膜 行业市场深度调查评估及投资方向 研究报告(目录) 华经情报网
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