辐照三嵌段聚苯乙烯-丁二烯-4-乙烯基吡啶共聚物离子交换膜性能的研究——Ⅰ.季铵化、磺化试剂、反应温度对膜性能的影响

 本文分别研究了以氯磺酸、浓硫酸为磺化试剂及一碘甲烷、二碘甲烷为季铵化试剂所制备的辐照聚笨乙烯-丁二烯-4-乙烯基吡啶离子交换膜的膜交换当量、吸水率,膜电位及膜电导率的性能。研究表明以氯磺酸为磺化试剂所制备的离子交换膜其离子交换当量比以浓硫酸寿磺化试剂的要高。以一碘甲烷为季铵化试剂制备的离子交换膜其离子交换当量要比以二碘甲烷为季铵化试剂的要高,但机械强度差。在相同条件下,提高反应温度,有利于膜的季铵化反应,而不利于膜的磺化反应。所制备的阴、阳离子交挟膜膜交换当量、膜电导率、吸水率及膜电位四者的关系是膜交换当量高则膜电导率、含水率高,而膜电位则下降。     

聚砜阴离子交换膜的制备及结构与性能研究

以1,4-二氯甲氧基丁烷(BCMB)为氯甲基化试剂,使聚砜(PSF)发生氯甲基化反应,制得了氯甲基化聚砜(CMPSF),考察了主要因素对聚砜氯甲基化反应的影响,并使用FTIR及1H-NMR等法对CMPSF的化学结构进行了表征.采用三乙胺(TEA)、三丙胺(TPA)及三丁胺(TBA)等3种叔胺对CMPSF进行了季铵化反应,并以4,4′-联吡啶为交联剂实施了交联反应,制备了聚砜阴离子交换膜(PSFAEM).测定了交换膜PSFAEM的主要性能,包括离子交换容量(IEC)、含水量(WC)及膜电阻(Rm).实验结果表明,使用BCMB,聚砜的氯甲基化反应可顺利进行,以氯仿为溶剂,以SnCl4为Lewis酸催化剂,可制得氯甲基化程度为1.75mmol/g的CMPSF.交换膜PSFAEM的IEC、WC及Rm与季铵化反应时间及叔胺的种类密切相关.季铵化反应时间相同时,采用烷基中碳原子数少的叔胺TEA所制备的交换膜具有高的IEC与WC,低的Rm;使用同一种叔胺时,随季铵化反应时间的增长,交换膜的IEC与WC增大,Rm减小.     

侧链末端为磺酸根基团的磺化改性聚砜的制备及其阳离子交换膜的基本性能

采用两步一锅法,在聚砜(PSF)主链上键联了末端基为磺酸根基团的侧链,获得了疏水主链与磺酸根基团"微相分离"结构的磺化改性PSF。以氯乙基异氰酸酯(CEIC)为亲电试剂,使PSF主链上的苯环发生付-克烷基化反应,制得侧链含有活性基团—NCO的中间产物聚合物PSFeic;通过活性基团—NCO与对羟基苯磺酸钠(HBSAS)生成氨基甲酸酯的较快速的反应,获得了侧链末端为磺酸根基团的磺化改性聚砜PSF-sas。采用FT-IR、1 H-NMR及紫外分光光度法对目标产物聚合物PSF-sas的化学结构进行了表征。以PSF-sas为膜材,采用流延法制备了PSF阳离子交换膜,测定了交换膜的基本性能,包括离子交换容量、吸水率及质子传导率。研究结果表明,在路易斯酸催化剂作用下,CEIC与PSF主链上苯环之间的付-克烷基化反应可顺利进行,生成中间聚合物产物PSF-eic;以强极性的二甲基乙酰胺(DMAC)为溶剂,反应24h,PSF-eic分子链中乙基异氰酸酯(eic)的键合量可达2.43mmol/g。在此基础上进行第2步反应,可得到磺酸根基团含量为2.23mmol/g的目标产物PSF-sas,所制备的阳离子交换膜,具有高的离子交换容量,适当的吸水率与高的质子传导率。     

萘磺酸型侧链磺化聚砜质子交换膜的性能

以聚砜(PS)和自制的1,4-二氯甲氧基丁烷(BCD)为氯甲基化试剂通过Fridel-Crafts烷基反应制备氯甲基化聚砜(CPS),紧接着氯甲基与2-萘酚-6,8-二磺酸钾(NSK)试剂通过亲核取代反应制备一种萘磺酸型磺化聚砜(PS-NS),在用红外和核磁氢谱充分表征的基础上制备一系列磺酸基团键合量不同的PS-NS质子交换膜(分别为PS-NS-1,PS-NS-2,PS-NS-3)重点研究温度对质子交换膜性能的影响规律。研究结果表明:由于亲水基团与疏水主链距离较远,能够形成类似于Nafion膜的微相分离结构,使得该质子交换膜在高磺化度下仍能保持高的尺寸稳定性,同时随着温度升高,质子交换膜的吸水率、溶胀性以及质子传导率增加,PS-NS-3在25℃和85℃的吸水率为21. 3%和42. 7%,但是溶胀率仅为22. 2%和50. 3%,与商业化Nafion115膜(24. 9%和55. 0%)的性能十分接近,表现出很好的尺寸稳定性。     

交联聚4-乙烯基吡啶及其季铵盐负载钯催化剂对丙烯酸甲酯加氢反应的研究

制备了交联聚4-乙烯基吡啶及碘甲烷,溴乙烷季铵化的聚4-乙烯基吡啶负载钯催化剂,考察了它们催化丙烯酸甲酯加氢反应的性能。对碘甲烷季铵化聚4-乙烯基吡啶负载钯催化剂,其催化加氢活性随载体季铵化程度的增加而减小,并且当载体季铵化程度低于80％时,其催化加氢活性比聚4-乙烯基吡啶负载催化剂高。实验结果表明催化剂制备条件对催化性能有很大影响。     

用于碱性膜燃料电池的新型聚苯醚阴离子交换膜的制备与性能

以2,6-二甲基聚苯醚(PPO)为原料, 经溴代及N-甲基咪唑季铵化反应, 制备了N-甲基咪唑季铵化PPO, 并进行了红外光谱(FTIR)和氢核磁共振波谱(¹H NMR)表征.所得季铵化产物与聚乙烯醇(PVA)按不同比例共混后用戊二醛交联成膜, 在碱性液中浸泡转化为OH^-型, 得到一系列阴离子交换膜.通过扫描电子显微镜(SEM) 、交流阻抗(AC)、拉伸实验和热重分析(TGA)等手段考察了膜的微观形貌及电导率、力学性能、热稳定性及耐碱性等性能.结果表明, 膜的外观形貌平整均一; 含水率为50.4%~151.2%; 溶胀度为79.2%~164.2%; 离子交换容量为0.47~1.52 mmol/g; 90℃时, M4膜的电导率高达49.1 mS/cm; 断裂伸长率达到128%, 极大改善了PPO膜应力易裂的状况.同时, N-甲基咪唑鎓基团分解温度达到170℃, 高于常用的阴离子交换膜中的季铵基团(120℃).在2 mol/L的NaOH溶液中浸泡192 h后, 电导率仅下降19%, 具备良好的耐碱性能力.     

交联型季铵聚芳醚砜阴离子交换膜的制备

采用简便环保的方法制备了具有低溶胀、高离子交换容量(IEC)的交联型季铵聚芳醚砜阴离子交换膜.随着交联度的提高,膜的吸水率和溶胀率降低,说明交联可以抑制膜的溶胀.20℃时所有交联膜的离子传导率均达0.045 S/cm以上,拉伸强度在50.1 MPa以上,表明在高IEC值下,交联膜仍具有良好的力学性能和较高的离子传导能力.同时,交联度提高会加强膜的甲醇阻隔性能.     

磺化聚苯醚酮质子交换膜的制备与表征

设计、合成了一种含氰基双氯单体,其结构特点是氰基分布在3个以间位醚键相连的苯环上。以此单体和2,5-二氯-3'-磺酸钠二苯甲酮为原料,利用Ni(0)催化偶联反应制备了微嵌段型质子交换膜材料(中等长度磺化聚苯-三氰基聚苯醚酮共聚物(m-SPP-co-PAEK 3CN x),x代表聚合物的离子交换容量)。结果表明,与相同离子交换容量的磺化聚合物相比,该类聚合物膜表现出较低的吸水、溶胀率和较低的甲醇渗透性能。以离子交换容量2.16为例,80℃下,m-SPP-co-PAEK 3CN 2.16的吸水率、溶胀率分别为29.7%、28.2%,而SPP-co-PAEK MO 2.33的吸水率、溶胀率分别为80.2%、37.2%。25℃下,二者的甲醇渗透系数分别为2.38和7.20。聚合物骨架结构中存在丰富的氰基基团,导致膜具有良好的尺寸稳定性和较低的甲醇渗透性能。基于这些优异的性能,新制备的膜材料在燃料电池领域显示了潜在的应用前景。     

聚三氟苯乙烯的磺化反应

聚三氟苯乙烯(PTFS)经磺化反应后,生成的聚三氟苯乙烯磺酸树脂(PTFSSA),可以制成耐氧化、耐腐蚀的离子交换膜(SF-1膜)。我们自1969年7月开始在实验室进行有关磺化反应条件的研究,实验结果表明,随氯磺酸用量的增多,磺化程度也随着提高,在氯磺酸用量固定的情况下将反应温度升高,磺化程度也可提高。(磺化程度的大小,我们用交换当量来表示,即IEC,其单位为毫克当量/克。)作为制试剂碱电解隔膜的SF-1膜,它的IEC值在1.30～1.50之间较好。 1974年前实验室内进行的磺化反应条件如表1所示。     

“点击化学”离子化聚砜对磺化聚醚醚酮/聚砜共混膜性能的影响研究

为制备氢离子/二价金属离子渗透选择性优异的阳离子交换膜，探究功能基团(季铵基团、羧基)含量对膜性能的影响规律，采用“点击化学”反应，在聚砜(PSF)侧链接枝季铵基团和羧基获得离子化PSF，将其与磺化聚醚醚酮(SPEEK)共混制备阳离子交换膜，分别通过离子化PSF添加量、功能化度和侧链阴阳离子比例调控共混膜中季铵基团含量，探究其对膜性能的影响规律.膜对氢离子和亚铁离子的渗透选择性随着离子化PSF含量和功能化度的增加均呈现先升高后降低的趋势，当离子化PSF的季铵与羧基比例为1:1时，共混膜的渗透选择性最佳.季铵基团与磺酸基形成离子对有利于抑制膜溶胀，通过Donnan排斥和尺寸筛分效应提高阳离子交换膜的渗透选择性；但当季铵基团的含量超过一定值，离子簇的形成导致其在膜内分布不均，膜的渗透选择性有所降低.羧基则通过形成氢键减小膜的氢离子渗透性降低幅度.     

磺化聚乙烯离子交换膜渗透汽化分离二氧六环／水混合物研究

本文用非均相光化学氯磷化反应制得了亲水的耐有机溶剂耐酸碱的磺化聚乙烯离子交换膜．膜截面离子基因密度与反应程度有关．该膜对近恒沸组成的二氧六环／水混合液显示出很高的渗透汽化分离系数和透过速率．研究了对离子、离子交换容量、料液浓度和温度对分离性能的影响．通过膜内水合离子形成“水通道”模型讨论了渗透机理．膜内离子基团密度估计及水的表观渗透活化能的大小支持“水通道”的存在．     

磺化聚乙烯中空纤维离子交换膜渗透汽化分离异丙醇/水混合液研究

离子交换膜作为醇/水和其他有机水溶液的渗透汽化分离膜有很好的选择性^[1-3]。其中尤以磺化聚乙烯离子交换膜最为显著。用磺化聚乙烯离子膜分离恒沸组成的异丙醇/水和乙醇/水(85:15wt%)混合物^[4]、近恒沸组成的二氧六环/水混合物^[5],透过物中水含量大于99%,而且保持了较高的渗透通量。但上述实验均使用的平板型膜,大型平板膜组件的加工制造昂贵而困难,况且膜在分离运行过程中会随料液浓度的变化发生溶胀与收缩,使固定的平面膜起皱在收缩时又可能被拉破。为了提高单位组件内的膜面积(中空纤维组件的膜装填密度为平板式的60-100倍),发展中空纤维型膜及其组件势在必行。本文首次报道磺化聚乙烯中空纤维阳离子交换膜对异丙醇/水的渗透汽化性能。     

mCMC-PEG/mCS-PEG双极膜的制备与表征

以Fe3+改性羧甲基纤维素(mCMC)和聚乙二醇(PEG)共混为阳膜;以戊二醛改性壳聚糖(mCS)和聚乙二醇共混为阴膜,制备了mCMC-PEG/mCS-PEG双极膜.以FTIR测定了膜红外光谱,以扫描电镜观察了膜表面和界面层的形态,以TG进行膜的热重分析.测定了mCMC-PEG和mCS-PEG不同比例共混膜的含水率、离子交换容量、溶胀度,及mCMC-PEG/mCS-PEG双极膜的电性能.研究结果表明,在双极膜材料中引入亲水性的聚乙二醇后,因分子间的相容性增大,故而提高了双极膜的离子交换容量,并减小了膜的溶胀性.当CMC∶PEG质量比等于10∶1和CS∶PEG质量比等于2∶1时所制得的双极膜具有良好的电化学性能,在酸碱溶液中机械强度高、溶胀小.     

磺化聚芳醚砜/磺化聚酰亚胺复合质子交换膜的制备与性能研究

利用溶液浇铸法制备了一系列双磺化型磺化聚芳醚砜/磺化聚酰亚胺(SPAES/SPI)复合质子交换膜.扫描电子显微镜(SEM)结果显示复合膜不存在明显的相分离,表明二者具有很好的相容性.由于SPI的引入,复合膜在甲醇中稳定性较纯SPAES具有大幅的提高,比Nafion112低得多的甲醇吸收率表明了这些复合膜具有比后者更低的甲醇透过率.复合膜显示了与单组分膜相类似的高温分解稳定性,磺酸基团的分解温度达到了290℃以上.复合膜显示出远高于纯SPAES膜的尺寸稳定性能,在130℃高温中200h处理后,所有的复合膜均保持了高的机械性能,而此时纯SPAES膜已经溶解于水中.而且由于两种磺化聚合物间的复合,复合膜维持了较高的IEC水平,显示了较高的质子导电率,在80%相对湿度时的质子导电率与Nafion112相近,而在水中的质子导电率均高于Nafion112.     

Studies on synthesis and property of novel acid-base proton exchange membranes

Sulfonated poly(phthalazinone)s (SPPENK, SPPESK and SPPBEK) were prepared by direct polymerization reaction from sulfonated monomers. The novel acid-base membranes were composed of sulfonated polymers as the acidic compounds, and polyetherimide (PEI) as the basic compounds, casting from their N-methylpyrrolidone (NMP) solution directly onto clean glass plates at 60℃ aiming at enhancing membrane toughness and other relative properties. The resulted acid-base composite membranes had excellent resistance to swelling, thermo-stability, hydrolysis resistance and oxidative resistance properties with highly ion-exchange capacity (IEC).     

含甲基磺化杂萘联苯聚醚砜酮质子交换膜材料的合成与性能

以4-(3,5-二甲基-4-羟基苯基)2,3-二氮杂萘-1-酮,3,3′-二磺酸钠-4,4′-二氟苯甲酮和4,4′-二氯二苯砜为原料,利用亲核缩聚反应,通过改变磺化单体的含量,制备出一系列不同磺化度的杂萘联苯聚醚砜酮(SPPESK-DM).采用FTIR、1H-NMR表征了聚合物的结构,热失重分析仪研究了聚合物的耐热稳定性,以N-甲基-2-吡咯烷酮为溶剂采用溶液浇铸法成膜研究该系列聚合物膜的性能.结果表明,SPPESK-DM磺酸基的热分解温度在260℃以上,主链分解温度在410℃以上;膜的吸水率、溶胀率、离子交换容量和质子传导率均随着磺化度的增大而增大,磺化度为1.0的SPPESK-DM50的质子传导率达到1.08×10-2S/cm(85℃),且甲醇渗透系数为2.06×10-7cm2/s,低于Nafion117膜的甲醇渗透系数(2×10-6cm2/s).此系列膜的耐氧化性比较优异,可望用于质子交换膜燃料电池中.     

含杂萘联苯结构聚合物膜的直接甲醇燃料电池性能

质子交换膜是直接甲醇燃料电池(DMFC)的关键组成部分. 通过磺化制备了磺化杂萘联苯聚醚酮(SPPEK)、磺化杂萘联苯聚醚砜(SPPES)和磺化杂萘联苯聚醚砜酮(SPPESK)三种含杂萘联苯结构的新质子交换膜, 测试了其热稳定性、质子导电性和甲醇透过性能. SPPESK的热分解温度比相近离子交换容量(IEC)的SPPEK和SPPES约低100 ℃, 三种膜均具有良好的导电和阻醇性能; 分别以三种膜为电解质组装DMFC考察了其性能, DMFC的开路电压随膜的阻醇性的提高而增大, 三种膜的开路电压均高于Nafion115膜, 但在较高电流密度的区域三种新膜的性能均比Nafion115膜差.     

Isolation of lysozyme from hen egg albumen using glass fiber-based cation-exchange membranes

In this study, porous glass fiber membranes were coated with monophenyl trimethoxysilane (MPh) and then sulphonated by chlorosulphonic acid to prepare the cation-exchange membranes with sulphonic acid groups. Different MPh-coating times were tested and the properties of the resulting membranes such as contact angle, FTIR spectrum, conductivity, and ion-exchange capacity were measured. It was found that the optimal MPh-coating time was 60 min and the related ion-exchange capacity was 49.5 μequiv./disc. The modified membrane under the optimal MPh-coating condition was adopted for lysozyme isolation. The results were compared with those for the commercial cation-exchange membrane with sulphonic acid groups (ICE 450 unsupported membrane). Although the prepared membrane exhibited less adsorption capacity than ICE 450 unsupported membrane in the batch lysozyme adsorption experiment, it showed lower non-specific binding ratio under higher salt concentration. In the flow process isolating lysozyme from hen egg albumen, the purification effectiveness obtained using the prepared cation-exchange membrane was superior to the ICE 450 unsupported membrane.     

Synthesis of the block sulfonated poly(ether ether ketone)s (S-PEEKs) materials for proton exchange membrane

To improve the proton conductivity of sulfonated poly(ether ether ketone)s (SPEEK) with low sulfonated degrees, a series of block SPEEK copolymers were prepared by a two-stage one pot process: first the hydrophobic block was prepared with the desired length, then the monomers for the hydrophilic block were added to the first reactive flask to form block copolymers. Membranes were cast from their DMF solutions, and characterized by determining the ion-exchange capacity, water uptake, proton conductivity and mechanical properties. Block-3 with the longer hydrophobic chain shows enhanced performance than the random one in usage for PEM. SAXS was employed to investigate the microstructure effects on the above properties. Larger ionic cluster size and larger proton transport channel in block-3 SPEEK membranes are detected from the result of SAXS. It is believed that this microstructure feature attributes to the enhanced proton conductivity values of block-3 membrane at low IEC.