磺化聚偏氟乙烯接枝苯乙烯离子交换膜的制备与性能研究

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本文对PVDF膜的各种改性方法的研究现状进行了概述,提出了强碱处理、苯乙烯接枝及浓硫酸磺化的制膜方法,制得性能优良的磺化聚偏氟乙烯接枝苯乙烯膜(PVDF-g-PSSA),并对自制的磺化膜关于阳离子的选择透过性进行了探索,研究了碱处理、接枝和磺化等制膜过程的各种影响因素。用带有相转移催化剂四丁基溴化铵(TBAB)的强碱溶液对PVDF膜进行碱处理改性。实验发现,随着KOH溶液浓度的增加,反应温度的提高,反应时间的延长以及TBAB加入量的增加,碱处理后的PVDF膜强度下降。FTIR谱图表明,碱处理后的PVDF膜表面有羟基、碳碳双键等基团生成。用SEM对膜断面的微观形貌进行观察,发现碱处理前后膜的结构变化不大,仅是表面变粗。用过氧化苯甲酰(BPO)为引发剂,苯乙烯为接枝单体,进行接枝共聚反应,制备了聚偏氟乙烯接枝苯乙烯(PVDF-g-PS)膜。碱处理条件对接枝率影响很大。实验发现,随着KOH溶液浓度的增加及反应时间的延长,接枝率先增加后下降;随着反应温度的提高及TBAB加入量的增加,接枝率随之增加。通过考察碱处理条件对PVDF膜的强度及接枝率的影响,确定最佳碱处理条件为:T=60℃,t=15min,ρ(TBAB)=3mg/ml,c(KOH)=1.0mol/L。此条件下制得的膜的接枝率=35%。FTIR谱图表明苯乙烯接枝到聚偏氟乙烯上。SEM分析说明了膜结构发生了变化,进一步验证了接枝共聚物的存在。用浓硫酸对PVDF-g-PS膜进行磺化处理,使苯乙烯基转化成带有磺酸基团的苯环,制得PVDF-g-PSSA膜。实验发现,磺化度对膜性能影响显著。随着磺化度的提高,离子交换容量、含水率、溶胀度、电导率都有所提高,选择透过性随着磺化度的提高先升后降,而磺化膜的强度则随着磺化度的升高而降低。通过考察磺化反应条件对PVDF-g-PSSA膜性能的影响,确定磺化反应的最佳条件为:T=70℃,t=90min。此条件下制得的膜性能如下:离子交换容量=1.54mmol/g,含水率=28.8%,溶胀度=7.26%,选择透过度=0.89,电导率=0.052S/cm,磺化度=1.98mmol/L,强度(干膜)=18.4MPa。用FTIR、SEM等检测手段验证了磺酸基团的存在。该膜对强酸和有机溶剂具有较好的化学稳定性,且在40℃~120℃有一定的热稳定性,说明所制备的膜有较好的化学稳定性及热稳定性。自制PVDF-g-PSSA膜对几种不同阳离子以及在不同浓度下的选择透过性实验发现,在相同浓度时,高价离子的选择透过性较好。同种离子随着溶液浓度的增大,选择透过性下降,不同阳离子下降的程度不一样。
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