功能材料小论文.doc

聚芳醚类离子交换膜简介 离子交换膜简介 离子交换膜是一种含离子基团的、对溶液的的离子具有选择透过功能的膜，一般是由高分子材料制成。因为通常在应用时主要是利用它的离子选择透过性，所以也称为离子选择透过性膜。 离子子交换膜可以看作是一种高分子电解质,他的高分子母体是不溶解的,而连接在母体上的带电基团带有电荷和可解离离子相互吸引着,他们具有亲水性。例如，由于阳膜带负电荷,虽然原来的解离阳离子受水分子作用解离到水中,但在膜外我们通电通过电场作用,带有正电荷的阳离子就可以通过阳膜,而阴离子因为同性排斥而不能通过,所以具有选择透过性。 阳离子交换膜是对阳离子具有选择透过性。阳离子膜通常是磺酸型的。阴离子交换膜对阴离子具有选择透过性。一般以-NH3+、-NR2H+或者-PR3+等阳离子作为活性交换基团。 离子交换膜的材料主要有：聚乙烯均相阴阳膜、聚苯醚均相阳膜、聚砜型均相阴膜、聚氟乙烯-多胺型阴膜、偏氟乙烯阳膜、甲基丙烯酸均相阳膜、聚三氟氯乙烯阳膜。 2质子交换膜燃料电池 质子交换膜燃料电池(PEMFC)在原理上相当于执行水电解的“逆”过程。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为传递氢离子的介质，只允许氢离子通过。工作时相当于一个直流电源，阳极即电源负极，阴极即电源正极。 质子交换膜燃料电池以离子交换膜为电解质，以Pt、 C为氧化剂，氢气或重整气为燃料，空气或氧气为氧化剂工作温度一般在60 ~100 摄氏度的一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化成电能 的发电装置是一种高效节能安全可靠的新型环保电池，适用于交通、电站、可移动电源及潜艇等多种用途具有广阔的市场前景9已引起越来越多的国家和企业的重视都纷纷斥巨资于这一项目9目前已接近于商业化应用[1]。 氢燃料电池阳极和阴极之间由质子交换膜隔开，它是该电池的核心部件，在电池中充当固态电解质，分隔燃料和氧化剂以及传递反应离子和水，对电池的性能起着关键作用。因此，要求作为质子交换膜材料的聚合物应具有良好的质子传导性、机械强度及电化学稳定性。目前，使用较多的质子交换膜是全氟类的共聚物（如 Nafion 膜），但是由于其价格高，在高温时质子传导率低和甲醇渗透性高等缺点，限制了其广泛使用，因此，迫切需要开发新型质子交换膜材料。将磺酸基团引入芳香族聚合物 （如聚醚醚酮、聚醚砜和聚苯并咪唑）是制备高性能离子交换膜的有效途径， 特种工程塑料聚芳醚砜具有良好的机械性能、热稳定性及化学稳定性. 磺化聚芳醚砜可用于制备质子交换膜，在进行磺化聚合物制备时采用磺化单体直接聚合法，可以避免聚合物的降解和交联，叔丁基对苯二酚结构单 元简单，且叔丁基具有较大自由体积，易形成较宽的离子通道，有利于质子传递[2]。 3聚芳醚类材料 聚芳醚主要包括聚芳醚酮（PAEK），聚芳醚醚腈(PEEN)，聚芳醚砜（PES），聚芳硫醚等。聚芳醚聚合物具有良好的热氧化和化学稳定性以及优异的机械性能，而且制备的成本比较低廉，结构容易修饰，所以是离子交换膜研究的重点之一，此类聚合物的典型化学结构如图1所示[3]。 表 2是该类聚合物膜在室温时的机械性能，数据显示它们具有良好的机械性能，可以应用于比较苛刻的操作条件[4]。 磺化芳香族聚合物有优异的的化学稳定性，耐热性，和良好的机械性能，成本又低，近年来正在研究作为全氟磺酸膜的替代材料，相关的改善其离子交换性能的工作也在进行。 聚芳醚酮：聚芳醚酮是一类具有独特的耐热性、耐疲劳性、耐辐射性、化学稳定性、阻燃性和介电性等诸多 优异性能的工程塑料广泛应用于航天、军事、电子、 信息、 核能和精密仪器等领域，具有不同性 质并有不同应用特性的聚芳醚酮的研究已有报道，将甲基、 苯基和叔丁基等不同取代基引入到聚芳醚酮中可提高溶解性改善加工性能其中引入一些功能型侧基也可实现聚芳醚酮的功能化[5]。 聚芳醚醚腈：是一种线性芳香高分子化合物，其大分子主链上含有大量的芳环，侧链上为氰基，赋予聚合物以耐热性和力学强度以及和粘接性能；另外，大分子中含有大量的醚键，又赋予聚合物以韧性。 聚芳砜酰胺：聚芳砜酰胺(Polysulfonamide，PSA)是以4,4’·二氨基二苯基砜(4，4’-DDS)， 3，3 7．二氨基二苯基砜(3，3-DDS)，对苯二甲酰氯(TPC)为单体，通过低温溶液缩聚反应而成。由于分子主链上引入强吸电子的砜基(．S02．)基团，通过苯环季铵化改性聚芳砜酰胺碱性阴离子交换膜的研究的双键共轭作用，使得酰胺基上氮原子的电子云密度下降，使它拥有更好的耐热和阻燃性能[6]。 4一些新型聚芳醚离子交换膜及其制备 4.1磺化聚芳醚酮 聚芳醚酮是一类性能优良的材料，具有耐热等级高、力学性能好、尺寸稳