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聚偏氟乙烯(PVDF)/聚苯乙烯磺酸(PSSA)/TiO2复合膜的制备

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维普资讯 http://www.cqvip.com 周浩然等:聚偏氟乙烯(PVDF)/聚苯乙烯磺酸(PSSA)/'riO2复合膜的制备 聚偏氟乙烯(PVDF)/聚苯乙烯磺酸(PSSA)/TiO2复合膜的制备木 周浩然,王洪波,刘新刚,赵德明,林 飞 (哈尔滨理工大学材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨150040) 摘 要: 制备了聚偏氟乙烯(PVDF)/聚苯乙烯磺酸 (PSSA)共混膜,并通过溶胶.凝胶法向共混膜中掺杂无 机TiO2粒子制得有机.无机复合膜。利用傅立叶变换红 外光谱(FT-IR)、扫描电子显微镜(SEM)、差热分析 阻醇、非导电的聚偏氟乙烯(PVDF)与具有离子导电性 能的聚苯乙烯磺酸(PSSA)溶液共混制膜,并通过溶胶一 凝胶法向共混膜中添加无机粒子,以期望得到低成本、 高阻醇、又具有一定质子传导能力的复合膜。 (DTA)、热重分析(TG)对复合膜的结构、表面形貌、热 稳定性分别进行了研究。结果表明,PVDF与PSSA通 过溶液共混可以得到混合均匀的共混膜;TiO2粒子通过 溶胶.凝胶法能够与共混膜结合并均匀地分散到共混膜 2 实验 2.1 聚苯乙烯磺酸的制备催化剂的制备 2.11.催化剂的制备 在冰水浴中,将一定量的乙酸酐分散在1,2.二氯 中;热分析结果表明,TiO2粒子与共混膜之间已形成了 氢键. 乙烷中,搅拌下逐滴加入硫酸制得催化剂乙酰硫酸酯。 2.1.2聚苯乙烯磺酸的制备 称取一定量的聚苯乙烯(PS,分子量:20万)溶于约 凝胶;二氧化钛 关键词: 直接甲醇燃料电池;有机.无机复合膜;溶胶. 中图分类号:063;TB332 文献标识码:A 文章编号:1001.9731(2007)增刊.1485.04 5倍Ps质量的1,2.二氯乙烷中,加热至50℃左右使 之完全溶解,然后缓慢加入一定量的预先制得的催化 剂。50℃左右反应lh后,加入一定量的乙醇终止反应。 2.1.3聚苯乙烯磺酸的提纯 (1)反应产物经水蒸气蒸馏,以洗去未反应的催 化剂、酸、乙醇等。 (2)将蒸汽清洗过的产物倒入透析袋中透析,直 1 引 言 质子交换膜燃料电池是继碱性燃料电池、磷酸型燃 料电池、熔融碳酸盐燃料电池以来的第四代燃料电池。 它以工作温度低、启动快、比功率高、结构简单、操作 方便等优点被认为是电动汽车、固定发电站的首选能源。 直接以甲醇为燃料的质子交换膜燃料电池通称为直接甲 醇燃料电池。与氢氧燃料电池相比,直接甲醇燃料电池 的优点是甲醇来源丰富,价格便宜。甲醇水溶液易于携 带和储存,具有较高的能密度(甲醇的能密度约为氢气的 5倍),并且可以利用现有的燃料供应系统。因此,直接 至其pH值显示中性为止。 (3)将透析后的产物放入烘箱在70"C左右烘干, 即得PSSA。 2.2聚偏氟乙烯.聚苯乙烯磺酸(PVDF/PSSA)共混膜 的制备 甲醇燃料电池特别适用于作为各种用途的可移动动力 PVDF和PSSA在加热搅拌下溶于N,N.二甲基甲酰 胺制成质量分数为10%的溶液。将溶液在玻璃板上流延 成膜,并在真空烘箱中于50、80、110"(2分别处理1.5h、 1、2h,真空环境下冷却至室温,放入蒸馏水中浸泡。 将膜从玻璃板上揭下,再将膜置于真空烘箱中除去水后 备用。 2.3 有机.无机复合膜的制备 源,已成为20世纪90年代以来研究和开发的热点【卜 。 然而,直接甲醇燃料电池的商业化所面临的一个重 要问题是甲醇对质子交换膜的渗透,这在传统的全氟磺 酸质子交换膜中尤为严重。直接穿透Nation膜而流失 的甲醇量占燃料总量的比例高达40%,这将导致燃料 转化率大大降低,同时,通过Nation膜渗透到阴极的 甲醇不仅可毒化阴极催化剂,而且会在阴极上产生混合 将10ml钛酸四丁脂和40ml无水乙醇的混合液在剧 烈搅拌下缓慢滴入10ml无水乙醇、10ml水和2ml硝酸 的混合液水解、搅拌,并用超声波振荡3h形成溶胶。 此时将PVDF/PSSA共混膜加入到混合液中搅拌,lh后 电位(降低电池输出电压) ”】。由此可见,要想提高 DMFC的性能和效率,解决甲醇渗透问题至关重要。 在非导电聚合物中加入一定量的导电离子材料,同 时加入纳米氧化物无机粒子,利用无机粒子小尺寸及具 取出,用蒸馏水清洗至表面无附着二氧化钛为止。 2.4复合膜性能测试 2.4.1结构性质 利用德国BRUKER公司生产的EQUINOX55型傅 有较大表面积的特性,来提高复合膜的保水能力,可使 共混膜的导电性能大大加强[1 引。为此,我们将具有高 ・收到稿件日期:2007.07.02 通讯作者:周浩然 作者简介:周浩然(1963一),男,研究员,在读博士,主要从事功能材料的研究和应用。 维普资讯 http://www.cqvip.com

助 立叶变换红外光谱及拉曼光谱仪对复合膜的结构进行 分析。 对 许 2007年增刊(38)卷 2.4.2表面形貌分析 利用荷兰菲利普公司的FEI sirion EDAX型扫描 ‘ C 3 三 电子显微镜对复合膜表面形貌进行观测分析。 2.4.2热性能 利用PE公司Diamond TG.DTA6300型热分析仪对 复合膜的热稳定性进行分析。 2.4.3阻醇性能 图2拉曼光谱谱图 Fig 2 Experimental results for the intensity as a function 膜的阻醇性能用甲醇透过系数P(cm2/s)来表征。甲 醇透过率用隔膜扩散池测得。膜池由两个对称的玻璃半 室构成,膜夹在两半室间。开始时,一侧室中加入甲醇, 另一侧室中加入纯水。用日本岛津GC一14A型气相色谱 测量纯水侧室中甲醇浓度,由此数据计算不同比例复合 膜的甲醇透过系数。 2.5膜吸水性测试 取准备测试的膜剪成1.5 cmx1.5cm,放在电子天平 上称重后,分别放入盛有蒸馏水的烧杯中,确保膜全部 浸入到蒸馏水中。放置24h,取出后用滤纸将表面吸附 的水吸干,称重,计算吸水率。 3结果与讨论 3.1复合膜的红外及拉曼光谱分析 图1中a为未掺杂的PVDF/PSSA原膜红外光谱谱 图;b为PVDF/PSSA/TiO2复合膜红外光谱谱图。由图 l(a)可见,1402.52cm0处为C~F键的伸缩振动峰, 1071.97cm。处为S—O键的对称伸缩振动峰。877.24、 836.5lcm 处为C—F键的弯曲振动峰,674.73 cm- 处 为苯环中c—H弯曲振动。图2中(a)为未掺杂的 PVDF/PSSA原膜拉曼光谱谱图;(b)为PVDF/PSS O2 复合膜拉曼光谱谱图。图2中650、440 cm 处的峰为 TiO 的特征吸收峰。红外光谱说明了复合膜中既含有聚 偏氟乙烯成分又含有聚苯乙烯磺酸成分。拉曼光谱表明 了TiO 粒子已组装到复合膜表面。 Fig 1 Experimental results for the transmission as a function of wavelength at IR frequencies of raman shift at RM frequencies 3.2复合膜的扫描电镜分析 图3为PVDF/PSSA共混膜的扫描电镜照片,图4 为PVDF/PSSA/TiO2共混膜的扫描电镜照片。 图3 PVDF/PSSA复合膜扫描电镜图 Fig 3 The SEM of the composite films about PVDF/PSSA 图4 PVDF/PSSA/TiO2复合膜扫描电镜图 Fig 4 The SEM of the composite films about PVDF/ PSSA/TiO2 由图3及图4可见PVDF/PSSA共混膜混合均匀, 其连续相为PVDF,分散相为PSSA。膜中的微孔可能 是由于PSSA吸附溶剂,在成膜的过程中,溶剂挥发而 造成孔隙。掺杂后TiO2粒子填充到微孔中,膜中微孔 完全消失。并且有较大的TiO2颗粒附着在膜的表面。 维普资讯 http://www.cqvip.com

周浩然等:聚偏氟乙烯(PVDF)/聚苯乙烯磺酸(PSSA)/TiO2复合膜的制备 3.3 复合膜的热稳定性分析 如图5所示,l80℃左右的吸收峰为聚苯乙烯磺酸 的熔融吸收峰。曲线l在350 ̄450℃之间的两个吸收 峰为偏氟乙烯熔融吸收峰。曲线2在350 ̄450℃区间 内没有吸收峰是因为掺杂TiO2后复合膜的晶型发生了 变化,由晶态转变为非晶态。 图6中曲线2在300℃处开始分解,但下降速率相 对较小,而曲线l在350*(2处才开始分解,但下降速率 相对较大。这说明掺杂后复合膜的热分解起始温度下 降,但分解速率降低了,当温度超过450℃时,掺杂后 复合膜的热稳定性较原膜提高,且热分解率也降低了。 15 10 5 > 0 。l一5 一10 o一15 .20 .25 —30 Temperature/oc 图5复合膜的DTA图 Fig 5 The results of the composite films at TGA 暑 萋 图6复合膜的TG图 Fig 6 The results of the composite films at TG 3.4 PVDF/PSSA/TiO2复合膜的阻醇性能 膜的甲醇渗透率采用隔膜扩散池法测得 钔,并利用 气相色谱测试了透过侧甲醇浓度随时间的变化情况,用 式: P:S旦 AG0 计算得到PVDF/PSSA共混膜及PVDF/PSSA/TiO2 复合膜对甲醇溶液的透过系数P分别为3.7x10 和 8.6x10~cm2/s。实验表明TiO2粒子的引入有助于提高共 混膜阻醇性。 3.5复合膜吸水率 质子膜吸水饱和时的质量与干膜的质量比称为膜 的吸水率(水/干膜,g/g)。计算公式如下: 吸水率= X 100% 其中 :膜吸水饱和时的质量,g;Wv干膜的质 量,g。 复合膜吸水率见表1。 表l复合膜吸水率 复合膜类型 干膜(g) 吸水后(g) 吸水率(%) 溶胶.凝胶膜 0.1483 0.1589 7.10 原膜 0.O946 0.1029 8.80 如表l所示,用溶胶.凝胶法制得的复合膜吸水率 较原膜略有下降。这可能是由于PVDF/PSSA膜中的聚 苯乙烯磺酸具有较强的吸水能力,溶胶.凝胶复合膜吸 水率较原膜的吸水率低是由于溶胶.凝胶法复合膜中二 氧化钛的含量较高,聚苯乙烯磺酸的磺酸基团已与二氧 化钛成键,因而吸水能力降低。但复合膜仍有7.10%的 吸水率,在保证质子交换能力的同时,又保证了复合膜 的尺寸稳定。 4结论 (1)PVDF与PSSA通过溶液共混可以得到混合 均匀的共混膜。 (2)TiO2粒子通过溶胶一凝胶法能够与共混膜结合 并均匀地分散到共混膜中。 (3)热分析结果表明,TiO2粒子与共混膜之间已 形成了氢键。 (4)TiO2粒子的引入有助于提高共混膜阻醇性。 参考文献: [1】 王伟,蒋柏泉,陈敬军.[J】.江西化工,2004,1:1. [2】 李 磊,宋文生,王宇新.[J】_膜科学与技术,2004,24:53. [3】 Sundmacher K,Schultz Zhou S,et a1.【J】.Chemical Engineering Science,2001,56:333. [4】 卢婷利,梁国正,等.[J】_化工新型材料,2002,30:9. 【5】 任学佑.【J].有色金属,2003,5535. [6】 于景荣,衣宝廉,等.[J】.电化学,2001,7:385. [7】 王 进,祝方明,刘金成,等.[J】_高分子学报,2001,2: 250. [8】Makowski H S,Lundberg R D.【P】.U S Pat,3870841, 1975. [9】 吴洪,王宇新,王世昌.[J】.功能高分子学报,2002,15:6. [10】张海峰,衣宝廉,侯 明,等.[J】_电源技术,2003,27:129. [1 1】张华民,明平文,等.[J】_当代化工,2001,30:7. 【12】吴洪.【D】.学位论文,天津大学,2000. [13】Choi C W Kim D J,Woo I S.[J】_J Power Sources,2001, 96:4l1. [14】吴翠明,徐铜文,杨伟华.[J】.无机材料学报,2002,17:641. [15】Mauritz KA.【J】.Mater Sci Eng:C,1998,6:121. [16】Mauritz K A,Stefanithis I D,Davis S V’et a1.【J】.J Appl Polym Sci,1995,55:181. [17】Apichatachutapan W Moore R B,Mauritz K A.[J].J Appl Polym Sci,1996,62:417. [18】Siuzdak D A,Mauritz K A.[J】_J Pdym Sci Part B:PMym Phys,1999,37:143. 维普资讯 http://www.cqvip.com 1488 助 材 许 2007年增刊(38)卷 Preparation of the p0lyVinylidene luorifde/polystyrene sulfonic acid/TiO2 composite membranes ZHOU Hao.ran, rA NG Hong.bo,LIU Xin.gang,ZHAO De.ruing,LIN Fei (College of Materials Science&Engineering,Harbin Institute of Technlolgy,Harbin l 50040,China) Abstract:PolyVinyHdene lfuoride(PVDF)/polystyrene sulfonic acid(PSSA)membranes were prepared,and TiO2 particle were introduced into the blend membranes to form the inorganic—organic composite membranes used for direct methanol fuel cell(DMFC)by the sol—gel process.The structure,the morphology,and the thermal stability of the composite membrnes were ainvestigated by Fourier rtnsfaorm infrared spectroscopy(FT4R),scanning electron microscopy(SEM), differential thermal analysis(DTA)and thermogravimetry(TG),respectively.The SEM results indicated that the even PVDF/PSSA membranes were prepared by solution casting using the PVDF and PSSA blending solution.And the TiO2 particles were well dispersed into the composite membranes by the sol—gel process.Thermal analysis indicated that the hydrogen bond has been formed between the ZiO2 particles and the PVDF/PSSA membranes. Key words:DMFC;inorganic-organic composite membranes;sol-gel Ti02 

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