溶剂对溶液浇注法制备的SPEEK膜结构与性能的影响

摘要

磺酸化聚醚醚酮(SPEEK)由于成本低、环境污染小，具有良好的热稳定性、较好的机械性能、相对高的质子电导率已受到普遍重视，是目前研究得最为广泛深入的芳香烃类聚合物质子交换膜之一。
　　 目前提高SPEEK膜质子电导率的方法无一例外是引入其他材料，以共混、化学反应等手段对纯SPEEK膜进行改性。与纯SPEEK膜的制备相比，这些方法需要更多种类的原材料，经历更复杂的成膜过程，要求更苛刻的成膜条件，伴随着更多的环境污染问题，而且改性效果并不理想。
　　 本研究从目前质子交换膜的主要制备手段——溶液浇注法入手，以溶剂为主要研究对象，对SPEEK成膜的结构与性能做了细致、严谨的探究。分别研究了PEEK的磺酸化动力学、成膜溶剂种类、干燥温度、溶剂残留率、成膜湿度对SPEEK质子交换膜结构与性能的影响，并借助表征手段从微观角度对此做出了解释。
　　 本研究的主要结论如下:
　　 1.颗粒状PEEK的磺酸化反应是一个3级反应，其反应常数为0.0213L2mol-2(25℃);而粉末状PEEK的反应是一个二级反应。
　　 2.成膜溶剂种类对SPEEK膜的性能有很大影响。其中NMP制备的SPEEK膜的质子电导率最高，这和溶剂的极性以及与聚合物之间形成的氢键有很大关系。
　　 3.干燥温度对SPEEK膜的性能有很大影响。干燥温度越高，电导率、吸水率、甲醇渗透率越低。以DMSO为溶剂制备的SPEEK膜在160℃干燥，相邻磺酸根会发生交联反应，降低SPEEK的质子电导率。
　　 4.溶剂残留率对SPEEK膜的性能有很大影响。残留率越高，质子电导率越高，由SEM可以看出，这主要是由于SPEEK膜内的微观相分离造成的。
　　 5.成膜湿度对SPEEK膜的性能有很大影响。湿度越高，质子电导率越高，由SEM可以看出，湿度高时，膜内形成磺酸根聚集的离子簇区，且磺酸根会被溶剂分子定向牵引到纳米颗粒表面，使得有效磺酸根数量大大增加，提高质子电导率。XPS则验证了这种定向牵引效应。

目录

声明

学位论文数据集

摘要

第一章 绪论

1．1 直接甲醇燃料电池的发展现状

1．2 质子交换膜的研究现状

1．2．1 DMFC质子交换膜的性能要求与分类

1．2．2 全氟磺酸膜

1．2．3 非含氟型磺酸膜

1．3 溶剂对溶液浇注法制备的SPEEK膜的结构与性能的影响

1．3．1 SPEEK膜的一般改性方法

1．3．2 溶剂对于SPEEK膜影响的研究现状

1．4 课题目的及意义

第二章 实验部分

2．1 实验原料和试剂

2．2 实验仪器及设备

2．3 SPEEK的制备与成膜

2．3．1 SPEEK的制备

2．3．2 不同溶剂SPEEK膜的制备

2．3．3 不同干燥温度SPEEK膜的制备

2．3．4 不同溶剂残留率SPEEK膜的制备

2．4 测试与表征

2．4．1 PEEK的磺化度(DS)的测定

2．4．2 电导率的测定

2．4．3 吸水率的测定

2．4．4 甲醇渗透率的测定

2．4．5 溶剂残留率的测定

2．4．6 扫描电子显微镜

2．4．7 接触角

2．4．8 差式扫描热分析

2．4．9 1H谱核磁测试

2．4．10 红外光谱测试

第三章 PEEK的磺酸化动力学

3．1 PEEK的磺酸化过程

3．2 IEC、磺化度与磺化时间的关系

3．3 对于PEEK磺酸化动力学的假设及计算结果

第四章 不同溶剂制备的SPEEK膜的性能与表征

4．1 不同溶剂SPEEK膜的制备

4．2 不同溶剂SPEEK膜的性能测试

4．3 不同溶剂SPEEK膜的表征

第五章 不同干燥温度制备的SPEEK膜的性能与表征

5．1 不同干燥温度SPEEK膜的制备

5．2 不同干燥温度SPEEK膜的性能测试

5．3 不同干燥温度SPEEK膜的性能测试表征

第六章 不同溶剂残余率的SPEEK膜的性能与表征

6．1 不同溶剂残余率SPEEK膜的制备

6．2 不同溶剂残余率SPEEK膜的性能测试

6．3 不同溶剂残余率SPEEK膜的表征

第七章 不同成膜湿度的SPEEK膜的性能与表征

7．1 不同成膜湿度SPEEK膜的制备

7．2 不同成膜湿度SPEEK膜的性能测试

7．3 不同成膜湿度SPEEK膜的表征

第八章 单电解质体系下的电化学改性历程研究

8．1 简介

8．2 实验方法

8．3 实验结果与讨论

8．3．1 炭纤维及其复合材料力学性能分析

8．3．2 XPS分析

8．3．3 Raman光谱分析

8．4 小结

第九章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者及导师简介

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