新型离子聚合物金属复合材料的制备及其性能研究

基体材料是离子聚合物金属复合（Ionic Polymer Metal Composite, IPMC）材料的核心组件之一，其性能优劣直接决定着IPMC材料的性能。目前广泛使用的Nafion基体材料单一的结构严重限制了IPMC材料的发展。而磺化聚酰亚胺基体材料具有结构单元丰富、合成方法简便、磺化度可控等优点。因此，本项目利用磺化聚酰亚胺基体材料在结构修饰上的优势，将其用于新型IPMC材料的制备中。项目包括不同结构磺化聚酰亚胺基体材料的制备及相应电镀工艺的选择、IPMC材料的性能测试等研究内容。其中，重点探讨基体材料的结构与IPMC材料的电致动性能（电形变力，最大电形变及电形变速度）之间的关系。在此基础上，通过基体材料结构的调整，实现对IPMC材料性能的优化和调控。最终，得到电致动性能优异的新型IPMC材料。

首先，探讨了交联对磺化聚酰亚胺性能的影响。在这基础上，制备了一系列离子聚合物金属复合（Ionic polmer-metal composite, IPMC）材料，测试了外电场条件下的形变性能。此外，进行了金属有机框架材料（MOF）在聚酰亚胺基体材料上的负载，制备了新型复合材料。主要研究工作如下：.1、合成了含氮杂环二胺-[2-((4-氨基)苯基)-5-氨基嘧啶]，并制备了酸-碱离子交联型磺化聚酰亚胺 （SPI-1-X）。与类似结构磺化聚酰亚胺（SPI-3-X）相比，这类膜的膜的水稳定性有了明显提高。同时，这类膜表现出较高的热稳定性和较好的机械性能。值得注意的是这类SPI的质子传输率随磺化度的减小，表现出先降后升的变化规律。这种反常现象是不符合理论IEC的变化规律，但完全符合实验IEC的测试结果。对此，我们认为因为这是含N-杂环二胺的引入使这类膜在离子交换过程中吸收外界的硫酸引起的。这一推论得到了硫元素分析结果的支持。.2、以Co60 为辐射源，对磺化聚酰亚胺样品膜（SPI-4-60）进行辐射12 h, 36 h, 24 h和48 h得到了新型磺化聚酰亚胺膜SPI-4-60-12h, SPI-4-60-24h, SPI-4-60-36h和SPI-4-60-48h。GPC分析结果证明这类膜发生交联。值得注意的是与辐照前的膜SPI-4-60相比，SPI-4-60-24h膜表现出与其相当的质子传输率，同时在水、氧稳定性方面有了很大的提高。总之，适度的辐射是提高SPI综合性能的有效方法之一。.3、以不同磺化度的磺化聚酰亚胺（SPI-5）作为基体材料制备了新型离子聚合物金属复合材料（IPMC）。利用化学沉积法，先后将金属铂和金属银电镀到其表面得到了高表面电导率的复合材料。SEM照片显示基体表面连续较为均匀的被金属（铂和银）覆盖。在低直流电场下的形变测试中，发现IPMC材料的最大形变角随基体材料磺化度增加而增大，最高可达130度。这些实验结果表明磺化聚酰亚胺是非常好的IPMC用基体材料。.4、将ZIF-8分别负载到柔顺的聚酰亚胺膜和聚酰亚胺纳米纤维纸上。扫描电镜图片显示ZIF-8晶体表现出很好的菱形十二面体形态。由于聚酰亚胺的高热稳定性和低热膨胀系数，这类材料可高温活化。所得到的材料在丙二腈与芳醛的Knievengel反应中表现出很好的催化活性。