磷酸化交联双酚A型环氧树脂(DGEBA)/聚乙烯醇(PVA)质子交换膜的制备及其性能表征

摘要

为解决质子交换膜的高质子传导率对湿度的过分依赖、在高温下膜的热稳定性的问题以及小分子酸掺杂到膜中易随电极反应生成的水而流失等问题,本论文选用一种新型的交联试剂双酚A型环氧树脂(DGEBA),以热交联的方式对聚乙烯醇(PVA)进行交联,采用溶液浇铸法成膜后用多聚磷酸(PPA)处理,制备了新型的磷酸化交联质子交换膜。论文从交联DGEBA/PVA膜的制备和性能表征以及磷酸化交联DOEBA/PVA膜的制备和性能表征两个方面展开,探讨了磷酸化交联DGEBA/PVA.膜在高温低湿环境中实际应用的可能性。
　　 以二甲基亚砜(DMSO)为溶剂,DGEBA为交联试剂对PVA进行交联。分别采用傅立叶红外(FTIR)、X射线衍射(XRD)以及溶解性测试对交联膜进行了表征,证实成功实现了交联。系统表征了交联DGEBA/PVA膜的热稳定性、力学性能、氧化稳定性以及表面形貌。结果表明:交联DGEBA/PVA膜具有优异的热稳定性和力学稳定性,其降解温度均达到200℃以上,拉伸强度最大达到37.45MPa,足以满足质子交换膜的使用要求;交联DGEBA/PVA膜还表现出良好的氧化稳定性,在Fenton's试剂中浸泡60h后,交联DGEBA/PVA膜的残存质量是未交联PVA膜的7倍。由扫描电镜(SEM)相图可见膜的表面很平整,断面没有出现分相并且结构致密。
　　 以PPA为酸化试剂,使磷酸以共价键的形式锚固在交联膜基体上,以解决质子交换膜电导率过分依赖环境湿度和高温下不稳定等问题。通过傅立叶红外(FTIR)和元素分析对磷酸膜进行了表征,证实成功地实现了磷酸化。系统表征了磷酸化交联DGEBA/PVA膜的热性能、氧化稳定性、表面形貌、亲水相尺寸大小、吸水率、尺寸稳定性、膜中水的状态和电导率。结果表明:磷酸化交联DGEBA/PVA膜具有优异的热稳定性和抗氧化稳定性,其降解温度均达到200℃以上;通过小角X射线散射的方法测出了膜亲水相尺寸的大小为81.38nm;当膜的吸水率保持在较高水平(120％)时依然具有很好的尺寸稳定性(＜60％);通过低温DSC测出膜中键合水的的含量最高可以达到60.05％;电导率在高温(150℃)无水的条件下可以达到2.51×10-3S/cm。