納米晶纖維素-磺化聚合物復(fù)合質(zhì)子交換膜的制備及性能研究.pdf

1、聚芳醚酮（PAEK）是一種性能優(yōu)良、價(jià)格低廉的聚芳醚酮類聚合物。其磺化后可用來制備DMFC質(zhì)子交換膜。高質(zhì)子傳導(dǎo)率要求磺化聚芳醚酮(SPAEK)具有較高的磺化度，但高磺化度會(huì)使膜的尺寸穩(wěn)定性變差。為解決這個(gè)問題，需要對(duì)SPAEK進(jìn)行改性。
　　納米晶體纖維素（NCC）是一種新型的生物質(zhì)基納米材料，因具有高結(jié)晶度、高楊氏模量、高強(qiáng)度等特性，適于作為復(fù)合材料的填充物。NCC表面富含羥基，對(duì)其進(jìn)行化學(xué)功能化改性，可被賦予更多的性能，也使

2、其顯現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。
　　本研究主要對(duì)微米纖維素采用酸水解的方法制備了表面含有羥基及磺酸基的磺化納米晶纖維素，將其復(fù)合到經(jīng)過我們分子設(shè)計(jì)制備得到的磺化聚芳醚酮中，制備綜合性能優(yōu)異的納米復(fù)合質(zhì)子交換膜。
　　本研究首先以9,9-雙（4-羥苯基）芴和4,4’-二氟三苯二酮為原料合成了含芴聚醚醚酮酮（FPEEKK），經(jīng)后磺化得到磺化含芴聚醚醚酮酮（SFPEEKK）。然后通過溶液共混，流延鋪膜制備了不同含量 sNCC的磺化納米晶

3、纖維素/磺化含芴聚醚醚酮酮復(fù)合質(zhì)子交換膜，得到的納米復(fù)合膜具有較高的質(zhì)子傳導(dǎo)率。80℃下，SFPEEKK5/sNCC-5質(zhì)子傳導(dǎo)率為0.242 S cm-1，高于Nafion膜（0.116 S cm-1）。
　　為了提高納米復(fù)合質(zhì)子交換膜的力學(xué)性能，本研究選擇以4,4’-二氟三苯二酮和2,5-二羥基聯(lián)苯為原料，制備了磺化聚醚醚酮酮（Ph-SPEEKK）。然后與 sNCC進(jìn)行溶液復(fù)合，制備了不同 sNCC含量的磺化納米晶纖維素/磺化

4、聚醚醚酮酮復(fù)合質(zhì)子交換膜。該膜的拉伸強(qiáng)度、質(zhì)子傳導(dǎo)率隨sNCC含量的增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，當(dāng)sNCC含量為4%時(shí)，拉伸強(qiáng)度最大，可達(dá)35.9 MPa。在80℃下，其質(zhì)子傳導(dǎo)率為0.115 S cm-1，較純膜提高了47%。
　　為了進(jìn)一步提高納米復(fù)合質(zhì)子交換膜的綜合性能，本研究還對(duì)sNCC進(jìn)行了進(jìn)一步的硅烷氨基化，以期利用氨基的親水性及其與磺酸基之間的正負(fù)離子作用，提高sNCC的親水性及其與基體之間的界面作用。選用N-氨乙基

5、-γ-氨丙基三甲氧基硅烷對(duì)sNCC表面進(jìn)行改性，成功制備氨基化納米晶纖維素（Am-sNCC）。將 Am-sNCC與Ph-SPEEKK溶液共混，用溶液流延法制得聚合物膜，經(jīng)加熱后，得到離子交聯(lián)膜。由于 Am-sNCC上的-NH2與聚合物鏈上的-SO3H之間的離子鍵作用，該膜呈現(xiàn)優(yōu)異的力學(xué)性能。Am-sNCC表面上富含親水性基團(tuán)，交聯(lián)膜的吸水率及質(zhì)子傳導(dǎo)能力均提高。80℃下，Am3-sNCC-5的質(zhì)子傳導(dǎo)率高達(dá)0.14 S cm-1，較純膜