PVDF/PVA复合膜的制备与性能研究

作者:赵世怀;张翠翠;杨紫博;张旭平;郭云露; 刊名:化工新型材料 上传者:郑盛鼎

【摘要】聚偏氟乙烯(PVDF)是一种良好的成膜材料,化学稳定性好,可用于直接醇类燃料电池,但是由于PVDF膜本身的疏水性,使PVDF膜水通量降低,从而限制了它在直接乙醇燃料电池的应用。通过在PVDF膜中加入亲水性较强且阻醇性较好的聚乙烯醇(PVA)对PVDF膜进行改性,制备出高性能的PVDF/PVA复合膜,以纯PVDF膜为参考,对复合膜的微观形貌、含水量、亲水性和乙醇渗透率等性能进行了考察。结果表明:随着浸泡时间的延长,PVA溶液能够很好地掺杂到PVDF结构中,含水量和亲水性得到了显著的提高,降低了乙醇渗透率,PVDF基阴离子交换膜的性能得到了提高。

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随着科学技术的飞速发展,人类对能源的需求量大幅度增加,资源枯竭、环境污染等问题也随之日趋严峻[1-3]。寻找一种适应未来社会需求的清洁、高效、经济、安全的能源体系迫在眉睫。目前,聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)是研究和应用较为广泛的种类之一,聚合物电解质膜材料主要包括质子交换膜和阴离子交换膜[4-7]。Nafion膜是最典型的质子交换膜,具有优异的热稳定性、机械稳定性和电化学性能,但其成本较高。阴离子交换膜大多采用甲醇为原料,由于其毒性大、阻醇性小,因此限制了它的发展。而乙醇毒性小、能量密度高且来源十分广泛,可通过生物发酵过程大量产生,被公认是一种环境友好型燃料。直接乙醇燃料电池使用乙醇为燃料,结构简单、能量密度高,同时燃料的携带与储存方便安全,在作为便携式、移动和固定电源的可持续动力方面有广阔的前景。但是目前限制乙醇燃料电池发展的主要障碍还有很多,其中高效的阴离子交换膜的设计就是一大难题[8-10]。聚偏氟乙烯(PVDF)是性能优良的膜材料,然而,由于其本身的疏水性,使PVDF膜水通量很低,限制了它在直接乙醇燃料电池的应用,所以对PVDF膜进行亲水改性的研究备受关注。本研究通过对PVDF膜的改性制备出高性能的PVDF/聚乙烯醇(PVA)复合膜[11-14]。首先通过流延法制备出PVDF膜,然后将其浸泡在PVA溶液中制得PVDF/PVA复合膜。对复合膜的含水率、溶胀率、接触角和乙醇渗透率进行测试,对其微观形貌进行表征。研究PVDF膜和PVDF/PVA复合膜的不同之处,考察浸泡时间对PVDF/PVA复合膜的影响。1实验部分1.1试剂与仪器PVA,重均分子量为(8.9~9.8)×104,醇解度99%,Sigma Aldrich公司;PVDF,重均分子量为5.34×105,Sigma Aldrich公司;N,N-二甲基甲酰胺(DMF,分析纯),天津市科密欧化学试剂有限公司;戊二醛(GA,25%水溶液),天津市科密欧化学试剂有限公司;无水乙醇(C2H5OH,分析纯),天津市北方天医化学试剂厂;盐酸(HCl,分析纯),天津市禹达化学试剂科技发展有限公司;硝酸(HNO3,分析纯),天津市北方天医化学试剂厂;氢氧化钾(KOH,分析纯),天津市风船化学试剂科技有限公司。扫描电子显微镜(SEM,S-4800),日本日立公司;恒温磁力搅拌器(DF-101S),巩义市予华仪器有限责任公司;电热鼓风干燥箱(101-2AB),天津市泰斯特仪器有限公司;全自动接触角测定仪(DSA255),德国KRUSS仪器公司。1.2 PVDF/PVA复合膜的制备1.2.1 PVDF膜的制备将质量分数为12%的PVDF粉末溶于有机溶剂DMF中,密封,用恒温磁力搅拌器在60℃、一定转速下搅拌2h,使两组分充分反应,得到透明黏稠的PVDF铸膜液。将PVDF铸膜液在室温放置一定时间进行熟化脱泡。利用流延法将铸膜液在干燥洁净的玻璃板上进行流延,之后将玻璃片置于一定倾斜角放置24h得到PVDF膜。将形成的膜揭下来,用剪刀将膜剪成正方形,在2mol/L的KOH中浸泡24h。之后用去离子水将膜清洗多次,在一定量的去离子水中浸泡24h。在60℃烘箱中烘24h待用,以便进行后续的表征与测量。1.2.2 PVA溶液的制备将一定量的PVA粉末溶于去离子水中,在90℃下磁力搅拌2h,制得质量分数为10%的PVA水溶液,冷却并静置脱泡。待温度降到30℃时,分别缓慢滴加一定量提前配制好的水相正硅酸乙酯(TEOS)溶液(SiO2和PVA的质量比为0.1∶1),制得PVA-TEOS溶液,然后滴加适量的质量分数为5%的

参考文献

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