具有互穿网络结构的聚乙烯醇/聚乙烯亚胺系列共混阴离子交换膜表面分子链移动性、结构和性能

以聚乙烯醇为基体聚合物，聚乙烯亚胺系列为聚合物电解质，采用半互穿网络技术制备阴离子交换膜。表征膜的形态结构、机械性能、热稳定性、化学稳定性等，测试膜用于直接甲醇燃料电池的重要参数：甲醇渗透性及电导率。测定膜表面侧向力、含不同长度侧链的互穿网络聚合物的玻璃化温度、膜晶体结构，研究膜表面分子链段移动性。测定不同温度、不同侧链长度的离子交换膜表面接触角，通过研究动态接触角变化探索膜表面分子链段移动性和聚集态对膜亲水性影响。通过调节互穿网络聚合物侧链长度，从而改变离子交换膜表面分子链移动性和分子链的重组，进而改善膜的亲水性能。为解决较低相对湿度下离子交换膜仍能保持较高含水率问题提供指导。测定水和OHˉ离子在膜中的扩散系数(面内扩散系数D‖和贯通面扩散系数D⊥)，通过比较扩散系数比值D‖/D⊥随侧链长度的变化，探索扩散性能和膜微相结构的关系。为制备电导率高、阻醇性能良好的阴离子交换膜提供借鉴。

本项目利用半互穿聚合物网络(s-IPN)技术制备直接甲醇燃料电池(DMFCs)阴离子交换膜。以1,2-双(三乙氧基硅基)乙烷(BTESE) 杂化改性的聚乙烯醇(PVA)为聚合物基底，以溴化聚乙烯亚胺(BPEI)为阳离子聚电解质，然后两者共混，使BPEI贯穿于交联PVA网络中形成s-IPN聚合物，制备阴离子交换膜。以PVA为聚合物基体，季胺化聚乙烯亚胺(QPEI)为阴离子聚电解质。为改进膜的性能，用BTESE为前驱体制备一系列有机/无机杂化膜。对含水率、离子交换容量及膜的形态进行了考察，并测试了膜的电导率及甲醇渗透率以研究其在直接甲醇燃料电池中的应用。测试结果表明，BPEI质量分数在40wt%时，PVA与BPEI相容性较好，无明显相分离现象产生。BPEI质量分数为20wt%的阴离子交换膜具有较好的综合性能，其在30 C下的电导率和甲醇渗透率分别为1.32×10-2 S/cm和7.88×10-7 cm-2 s-1。.采用戊二醛(GA)做交联剂，交联过程发生在PVA与BPEI充分共混后，同时加入正硅酸乙酯(TEOS)以改善膜性能，最后将聚合物与聚四氟乙烯 (PTFE)多孔膜复合制备阴离子交换膜。为克服氯甲基化效率低的困难，直接采用带有氯甲基基团的聚环氧氯丙烷(PECH)作为聚合物基底。采用N,N,N’,N’–四甲基–1,6–己二胺(TMHDA)作为季铵化试剂，以期提高季铵基团的稳定性。为了解决季铵化PECH溶胀的问题，采用PTFE膜作为支撑层，制备季铵化PECH/PTFE复合阴离子交换膜，提高膜的稳定性。.本项目开发了一条简单、经济、绿色、快速的制膜路径，可以批量制备薄膜。聚乙烯醇作为一种商业化高分子材料具有强亲水性和良好的成膜性，阻醇性能良好。制备了聚乙烯醇/铜络合物溶液，通过使用铜圈及化学纤维，利用溶液表面张力，制备了超薄型新型阴离子交换膜。使用GA进行交联，控制膜的溶胀度、含水率。络合物的形成也是一种交联。使用铜圈制备薄膜可以制备相对于目前AEM来说，厚度超薄的膜，厚度为1μm甚至达到几百nm。膜表现出了良好的电导率和低甲醇渗透率，分别为10-2 S×cm-1和10-7 cm-2×s-1数量级。但是膜的热稳定性有待进一步改善。