钛酸钡掺杂磺化聚醚酮质子膜的制备与性能
王文娟, 陈沛, 安忠维, 陈新兵*
陕西师范大学 应用表面与胶体化学教育部重点实验室 材料科学与工程学院 西安 710119
通讯联系人:陈新兵,教授; Tel:029-81530702; Fax:029-81530719; E-mail:chenxinbing@snnu.edu.cn; 研究方向:聚合物电解质薄膜材料
摘要

将纳米钛酸钡(BT)在环己烷中超声分散制得均匀的悬浊液后,与磺化聚醚酮的二甲亚砜溶液均匀混合,然后采用流延法制备了掺杂质子交换膜。 通过环镜扫描电子显微镜表征发现BT在膜中分散均匀,通过吸水率、溶剂吸收率、尺寸变化、电导率、甲醇透过率、力学性能及稳定性等测试发现掺杂膜虽然电导率有所下降,但是其抗溶胀性、稳定性和力学性能显著提高。

关键词: 纳米钛酸钡; 磺化聚醚酮; 质子交换膜
中图分类号:O632.7 文献标志码:A 文章编号:1000-0518(2015)01-0071-05
Synthesis and Properties of Sulfonated Polyether Ketone/Barium Titanate Proton Exchange Membrane
WNAG Wenjuan, CHEN Pei, AN Zhongwei, CHEN Xinbing*
Key Laboratory of Applied Surface and Colloid Chemistry of Ministry of Education, School of Materials Science and Engineering,Shaanxi Normal University,Xi'an 710119,China
Corresponding author:CHEN Xinbing, professor; Tel:029-81530702; Fax:029-81530719; E-mail: chenxinbing@snnu.edu.cn; Research interests:polymer electrolyte membrane materials
Abstract

To prepare sulfonated polyether ketone/barium titanate(SPAEK/BT) hybrid membrane, the mixture containing BT suspension in cyclohexane obtained under ultrasonic condition and dimethyl sulfoxide solution of SPAEK was casted onto the glass plates. The uniform dispersion of BT in the hybrid membrane was confirmed via SEM. The properties of the corresponding hybrid membranes, such as water uptake, solvent uptake, size change, proton conductivity, methanol permeability, mechanical properties, and stabilities were investigated. Compared to blank membrane, the anti-swelling, thermal stability, and oxidative stability of hybrid membranes are improved respectively. The water stability and mechanical properties are also improved, whereas the proton conductivity of the hybrid membrane is decreased in some extent.

Keyword: barium titanate; sulfonated polyether ketone; proton exchange membrane

质子交换膜(PEMs)作为聚合物电解质膜燃料电池的核心部件一直受到关注, PEM主要分为全氟磺酸膜(Nafion膜)及非氟磺酸质子交换膜两大类, 非氟系列膜由于其成本低和电导率高等优点成为近年来的热点研究领域[1]。 PEM中, 磺化聚醚酮膜(SPAEKs)由于具有良好的化学和热稳定性以及高的电导率等优点而备受关注, 但其存在离子交换容量(IEC)高时溶胀率大(有时甚至全部溶解)、水稳定性和氧化稳定性差的问题[2, 3]。 掺杂作为一种有效的改性手段, 已被用于制备新型PEM。 亲水性或磺化的无机纳米材料, 如二氧化硅、二氧化锆、二氧化钛等常用于改性掺杂, 通过掺杂纳米粒子可提高机械强度、热稳定性和化学稳定性[4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]。 然而在高IEC时, 亲水性掺杂材料对PEM的改性效果并不理想。 如在SPEEK中掺杂带有磺化基团的二氧化硅可有效改善高温低湿下膜的导电能力, 但其抗溶胀性能、阻醇性能以及可使用温度均不及掺杂二氧化硅凝胶的SPEEK膜[11]。 疏水性无机纳米材料掺杂磺化聚合物后, 应该有助于强化PEM中相分离结构, 进而对PEM性能有显著影响, 然而鲜见文献报道。 BT作为一类介电材料, 广泛地应用于制造陶瓷敏感元件、多层陶瓷电容器、记忆材料等。 本文以BT为掺杂物制备了SPAEK/BT复合膜, 研究了掺杂BT对质子交换膜电导率、甲醇透过率、吸水溶胀率、力学性能以及稳定性的影响规律。

1 实验部分
1.1 仪器和试剂

Quanta 2000型环镜扫描电子显微镜(美国FEI公司); SDT-Q600型热重分析仪(美国TA公司); OCA 20型接触角经视频光学接触角测量仪(德国Dataphysics公司); Hioki 3532-80型阻抗仪(日本日置公司); GC-2014C型气相色谱(日本岛津公司)和RGT-10型电子万能材料试验机(上海协强仪器公司)。 4, 4'-联苯二酚(BP)购于Sigma-Aldrich; 4, 4'-二氟二苯酮(DFBP)购于Aladdin; 3, 3'-二磺酸钠-4, 4'-二氟二苯甲酮(CBFBS)是以DFBP、发烟硫酸为原料在160 ℃发生磺化反应制得; 2, 6-二氟苯偶酰(DFB)、BT (单分散的四方状颗粒, 颗粒尺寸为10 nm左右)以及磺化聚酰亚胺(标记为R, IEC=1.78)参照文献[12-13]方法合成, 其余试剂均采购于国药集团化学试剂有限公司, 试剂均为分析纯。

1.2 膜的制备

1.2.1 SPAEK的合成参照文献[14]方法, 向装有分水器的三口烧瓶中加入0.5009 g(1.1862 mmol)CBFBS和6.2 mL二甲亚砜, N2气气氛下室温搅拌使CBFBS完全溶解, 然后加入0.2915 g(1.1862 mmol)DFB、0.4417 g(2.3724 mmol)BP、0.3770 g(2.7281 mmol)K2CO3 及3 mL甲苯, 140 ℃反应4 h, 分水器中甲苯由混浊变澄清, 缓慢升温至160 ℃反应23 h, 当溶液粘度达到最大时, 停止反应, 自然冷却至室温, 将反应液缓慢倒入去离子水中80 ℃洗涤, 抽滤、真空干燥后得到纤维状磺化聚合物(SPAEK)。 其结构式如Scheme 1所示。

Scheme 1 The structure of SPAEK

图1 SPAEK的1H NMR谱图Fig.1 1H NMR spectra of SPAEK in DMSO-d6

聚合物(SPAEK)的结构氢谱(图1)确认正确, 其相对分子质量大小经凝胶渗透色谱(GPC:Waters-Breeze)测量:Mn=101293, Mw=116686, Mz=131065; 相对分子质量分布:Mw/Mn=1.15。

1.2.2 SPAEK膜的制备 将溶有SPAEK的二甲亚砜溶液(7%质量分数)倾倒在培养皿中, 在100 ℃干燥12 h后, 在水中40 ℃浸泡48 h, 再将膜置于1 mol/L HCl溶液中50 ℃浸泡48 h, 二次水中洗涤至中性, 自然晾干, 在120 ℃真空干燥15 h后待测, 膜厚一般均为50 μ m。

1.2.3 复合膜的制备 分别称取质量分数为30%、40%的BT于环己烷中超声(频率:100 Hz)6 h制得分散均匀的BT环己烷悬浊液, 将SPAEK的DMSO溶液(7%质量分数)混入, 100 ℃下磁力搅拌2 h使二者混合均匀后铺膜, 膜的制备及后处理过程与上述SPAEK膜相同, 将所制得膜分别标记为SPAEK-BT30、SPAEK-BT40。

2 结果与讨论
2.1 形貌分析

图2 膜的SEM照片Fig.2 SEM images of SPAEK(A, surface), SPAEK-BE30(B, surface), SPAEK-BT40(C, surface), SPAEK-BT30(D, cross-section) and SPAEK-BT40(E, cross-section) membranes

图2为膜的SEM照片。 从图2可以看出, 与SPAEK膜(A)相比, 掺杂膜(B, C, D, E)中BT分散性良好, 掺杂的BT分布比较均匀。

图3 SPAEK-BT30膜的扫描电子显微镜能谱Fig.3 EDS patterns of SPAEK-BT30

SPAEK-BT30膜的表面成分分析见图3。 由图3可知, 膜的主要成分是C元素, 其次是O、S, 这是由SPAEK本身的分子结构所决定的, Au是制样过程中对样品镀金引起的, 除此以外还有Ba、Ti元素的存在, 从各元素所占质量分数推测可知, Ba、Ti、O是以BaTiO3形式存在于SPAEK膜中。

2.2 吸水率、溶剂吸收率及尺寸变化

分别测试了膜的吸水率(WU)、溶剂吸收率(SU)、厚度及直径变化(Δ tc、Δ lc), 结果见表1。 IEC数据表明, 测定IEC达到了理论值的90%以上, 说明质子交换完全。 WU和尺寸变化随着温度的升高而增大; 而在同一温度下, WU和尺寸变化随着BT掺杂量的增大而减小, 推测有两方面原因:一是因为增加BT导致IEC减小而引起吸水率下降, 尺寸变化减小; 二是由于疏水性BT的掺杂, 使得膜的亲水性降低, 这与接触角测试实验结果(图4)完全一致。 此外, SU随着BT掺杂量的增大而增大, 进一步说明BT的掺杂增加了膜的疏水性(即亲油性)。

表1 膜的基本数据 Table 1 Basic properties of membranes

图4 膜的视频光学接触角测试照片Fig.4 Contact angles of distilled water pictures of membranes

为验证我们的结论, 对比了钛酸钡掺杂磺化聚酰亚胺(R1R2分别是质量分数30%和40%的BT掺杂)的结果发现, BT的引入同样有效地增加了膜的亲油性。

2.3 稳定性和力学性能

抗氧化性在80 ℃的Fenton试剂(3%质量分数H2O2+2× 10-6 mg/L FeSO4, 其中m(H2O2)∶ m(FeSO4)=1.5× 1010∶ 1)中测试。 由表2可知, τ 1随BT掺杂量增加而增大, 说明掺杂BT提高了膜的抗氧化性。

力学性能研究表明, 与掺杂前相比, BT掺杂膜的杨式模量(YM)和最大应力(MS)显著增加, 而弹性形变(EB)则明显减小, 总体而言, 掺杂BT有助于增强膜的力学强度。

表2 膜的电导率、抗氧化性、甲醇吸收率、力学性能和水稳定性数据 Table 2 Proton conductivity, oxidative stability, methanol uptake, methanol permeability, mechanical property and water stability of membranes

热稳定性结果见图5, 150 ℃以下的失重主要是由膜失水引起的; 大于150 ℃时, 质子交换膜均出现两个阶段的失重:第一个阶段250~400 ℃应归属于聚合物链上磺酸基团的降解; 第二个阶段大于400 ℃是聚合物主链的降解。 由图5可以看出, 掺杂膜的主链降解温度明显高于纯SPAEK膜, 且随着掺杂量的增加而增加。 说明掺杂BT提高了膜的热稳定性。

水稳定性测试后, 掺杂BT的膜失重小、形变小且强度基本无变化, 表明掺杂BT有助于提高膜的水稳定性。

图5 膜的热失重曲线Fig.5 TGA curves of membranes

图6 膜的电导率Fig.6 Proton conductivity of membranes

2.4 电导率、甲醇吸收率及甲醇透过率

图6表明质子交换膜的电导率随着温度的升高而增大, 这可能是由于高温下质子传输通道畅通且质子迁移率大而导致。 而随着BT掺杂量的增加, 电导率降低, 这主要归因于IEC和WU的减小。

表2中甲醇吸收率(MU)随着掺杂量的增加而增加, 同样说明BT掺杂增加了疏水性。 甲醇透过率(PM)也随掺杂量的增加而增加, 一方面是由于膜的疏水性增大而引起, 另一方面掺杂的BT在微观尺度上团聚易形成微孔也造成透过率增加。

3 结 论

本研究证实掺杂BT能有效改善磺化聚醚酮及磺化聚酰亚胺的抗溶胀性能, 提高膜的力学性能以及热、抗氧化和水稳定性。 与纯SPAEK膜相对比, 掺杂膜的尺寸减小了50%~75%, 抗氧化性增大了1.9~2.3倍, 热分解温度提高了30~50 ℃。 虽然BT掺杂膜的电导率有所降低, 但BT掺杂方法为高性能燃料电池用质子交换膜的研究提供了一个参考思路。

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