By radiation-chemical grafting to the polymer matrix of styrene and sulfonation PVDF film obtained proton-exchange membrane for fuel cells. The influences of kinetics of accumulation of styrene in the polymer film, and the transport properties of the samples

Мысаханов, М. А.

Electronic archive of Tomsk Polytechnic University

XIV МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ, АСПИРАНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК» 234  Россия, Томск, 25-28 апреля 2017 г. Том 1. Физика  РАДИАЦИОННО-ПРИВИВОЧНАЯ ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ ПЛЕНОК ПОЛИВИНИЛИДЕНТФТОРИДА М.А. Мысаханов Научный руководитель: ассистент кафедры общей физики Н.А. Дуброва Национальный исследовательский Томский политехнический университет,  Россия, г. Томск, пр. Ленина, 30, 634050 E-mail: mysahanov@gmail.com  RADIATION GRAFT POLIMERIZATION OF POLY(VINYLIDEN FLUORIDE) FILMS  M.A. Myssakhanov Scientific Supervisor: assistant of department of general physics N.A. Dubrova Tomsk Polytechnic University, Russia, Tomsk, Lenin str., 30, 634050 E-mail: mysahanov@gmail.com   Abstract. By radiation-chemical grafting to the polymer matrix of styrene and sulfonation PVDF film obtained proton-exchange membrane for fuel cells. The influences of kinetics of accumulation of styrene in the polymer film, and the transport properties of the samples.  Введение.  Полимерная мембрана является наиболее важным компонентов ТЭ, которая виляет на выбор материалов для электродов, рабочий диапазон температур и т. д. В настоящее время коммерческие мембраны удовлетворяют всем требованиям, предъявляемые в процессе работы топливного элемента. Одной из лидирующих мембран на сегодняшний момент является мембрана Nafion, разработанная компанией DuPont. Однако процесс синтеза этих мембран является дорогостоящим из-за сложности синтеза [1]. В связи с этим возникает необходимость в поиске альтернативных аналогов полимерных мембран, которые подходят на роль протон-проводящей мембраны. Альтернативным и относительно дешевым способом синтеза протонообменных мембран (ПОМ) для ТЭ является метод прививки ионногенных групп к полимерной матрице. Образцы получают на основе готовых коммерческих мембран в два этапа. На первом пленки облучают в растворе мономера, а после сульфируют [2]. Целью данной работы является синтез и исследование пленок поливинилиденфторида (ПВДФ) модифицированных радиационно-химическим методом, с последующим сульфированием пленок. Экспериментальная часть.  Образцы пленки поливинилиденфторида (ПВДФ) толщиной 20 мкм, помещались в контейнеры с прививочным раствором (стирол-толуол 2:1) для последующего облучения. Облучение пленок проводили на циклотроне P-7M ионами гелия. Энергия пучка ионов составляла 27 МэВ, ток пучка – 0,01 мкА/см-2 . Время облучение варьировалось от 30 секунд до 2,5 минут. После облучения образцы сульфировались в концентрированной серной кислоте при 950С в течении 70 часов. Результаты.  На рисунке 1 представлены данные по кинетике прививки стирола в пленке ПВДФ. Как видно, с увеличением флюенса происходит полимеризация стирола в матрице ПВДФ. При значениях флюенса 2 *1013-2,5*1013 ион/см2 возможно внедрить в пленку ПВДФ до 5-7 масс. % стирола.  На рисунке 2 представлены УФ – спектры пленок после облучения в растворе стирола. По литературным данным полоса поглощения стирола (C8H8) находиться в интервале длин волн 240 – 260 нм XIV МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ, АСПИРАНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК» 235  Россия, Томск, 25-28 апреля 2017 г. Том 1. Физика  [3], что хорошо согласуется с экспериментальными данными. И можно заметить, что при увеличении флюенса увеличивается интенсивность линии, по которым можно судить о количественном содержании стирола в пленке.   Рис.1. Кинетика накопления стирола в полимерной матрице ПВДФ  Рис. 2. УФ – спектры (поглощение) пленок после облучения в растворе стирола  В таблице 1 представлены значения протонной проводимости синтезированных мембран, сопоставленные со, степенью сульфирования, флюенсом и водопоглощением. Сульфирование привитого стирола к полимерной матрице придает пленкам ПВДФ гидрофильность и способность набухать в воде, что приводит к увеличению массы до 10%. Если сравнить значение обменной емкость с содержанием сульфо-групп в полимерной пленке, то можно увидеть, что при увеличении количества сульфо-групп в полимере происходит незначительное уменьшение значения обменной емкости, что можно объяснить постепенным увеличением части стирола не допустимой для сульфирования в условиях применяемой методики.  Таблица 1. Значения флюенса, степени прививки стирола, сульфирования и протонной проводимости синтезированных пленок ПВДФ. Флюенс, ион/см2, 1013 Сульфирование, % Водопоглащение, % Протонная проводимость, См/см * 10-5 0,469 3,17 0,97 -- 1,406 3,56 4,36 2,532 1,875 3,89 8 17,123 2,344 4,34 8,59 66,313  Если сравнить значение обменной емкость с содержанием сульфо-групп в полимерной пленке (рисунок 3), то можно увидеть, что при значении степени сульфирования 4% наблюдается незначительный спад обменной емкости, что можно объяснить увеличением части стирола не допустимой для сульфирования. XIV МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ, АСПИРАНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК» 236  Россия, Томск, 25-28 апреля 2017 г. Том 1. Физика    Рис. 3. Зависимость обменной емкости от степени сульфирования  Вывод.  В результате проведенных исследовании была изучена кинетика накопления стирола в полимерной пленке. Установлено, что при значениях флюенса 2 *1013-2,5*1013 ион/см2 возможно внедрить в пленку ПВДФ до 5-7 масс. % стирола. Показано, что водопоглащение синтезированных мембран заметно растет с увеличением степени сульфирования. Значения протонной проводимости синтезированных мембран составляет 1,2*10-5-66,3*10-5 См/см, что хорошо согласуется со значениями водопоглощения.  СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ  1. Галлямов М.О. Топливные элементы с полимерной мембраной: Материалы к курсу по основам топливных элементов / М.О. Галлямов, А.Р. Хохлов. - М.: Физический факультет МГУ, 2014. - 72 с. 2. Dargaville T. R. et al. High energy radiation grafting of fluoropolymers //Progress in Polymer Science. – 2003. – Т. 28. – №. 9. – С. 1355-1376. 3. Гулиев К. Г. и др. Ультрафиолетовые спектры поглощения 2-замещенных-1-(п-винилфенил) циклопропанов //Журнал структурной химии. – 2009. – Т. 50. – №. 4. – С. 720-722. 

Radiation graft polimerization of poly (vinyliden fluoride) films

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Electronic archive of Tomsk Polytechnic University