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改性聚偏氟乙烯接枝共混聚2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸膜的研制

作　者: 寇沙沙
导　师: 安胜利；郭贵宝
学　校: 内蒙古科技大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 电化学气体传感器 质子导体 聚偏氟乙烯(PVDF) 2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


电化学气体传感器由于具有检测气体种类多、浓度范围宽、体积小、价格低、测量精度高等优点,在环境监测与安全生产等领域中得到广泛应用。但这类传感器也存在着一定的问题,即使用寿命较短。为了解决这个问题,同时也为适应一些特殊行业对气体传感器性能的要求,人们将研究重点集中到新型固体电解质的研究开发,希望能延长传感器的使用寿命并实现其微型化。目前,使用最广的是Nafion膜,但是由于其电导率受环境湿度影响大,不易保水而致使传感器的性能不稳定,加之Nafion膜的成本高,限制了这种传感器在实际中的应用。因此,解决聚合物固体电解质的保水性问题,以及使用性能优良、价格便宜的Nafion膜的替代膜成为全固态气体传感器的难点技术之一。本文以具有优良物理化学性质的聚偏氟乙烯(PVDF)为基底,采用向PVDF中掺杂原硅酸钠,接枝共混具有强酸性、高热稳定性、强质子导电性与化学稳定性的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)的方法,制备一种新型的固体聚合物电解质:改性聚偏氟乙烯接枝共混聚2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸膜(PVDF-g-PAMPS膜),用于提高质子交换膜的保水性和导电性。通过研究溶剂量、引发剂量、烘膜条件等制膜参数对膜性能的影响,优化性能优良聚合物膜的制备条件为:N-甲基吡咯烷酮的量固定在20ml左右(即0.20gPVDF/ml NMP);过硫酸铵浓度为0.4g/100ml;烘干温度80oC,保温时间4小时。用红外光谱分析法、热重分析法、扫描电镜等分析PVDF-g-PAMPS膜结构及形貌特征,结果表明复合膜表面平整、结构致密;AMPS已接枝到膜上,AMPS中的磺酸根均匀分布在整个膜内。制备的PVDF-g-PAMPS膜保水性和电导率均高于Nafion117,膜的机械性能良好,从制膜成本、膜的导电性、膜的机械性能和膜的保水性等均具有优良的性能。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-10
引言  10-11
1 文献综述  11-26
  1.1 电化学气体传感器介绍  11-13
    1.1.1 CO 电化学气体传感器工作原理  11-12
    1.1.2 电化学气体传感器对膜的要求  12-13
  1.2 质子交换膜(固体聚合物电解质)  13-19
    1.2.1 电解质的发展过程  13-14
    1.2.2 固体聚合物电解质  14-16
    1.2.3 质子交换膜的改性  16-19
  1.3 新型质子交换膜—改性PVDF 电解质膜  19-24
  1.4 问题的提出和立论基础  24-26
2 实验部分  26-33
  2.1 实验材料及分析仪器  26-28
    2.1.1 实验材料  26-27
    2.1.2 设备及分析仪器  27-28
  2.2 PVDF-g-PAMPS 膜的制备  28-29
  2.3 膜参数的测定  29
    2.3.1 溶剂量的确定  29
    2.3.2 引发剂量的确定  29
    2.3.3 烘膜条件的确定  29
  2.4 膜性能的测定  29-33
    2.4.1 电导率的测定  29-30
    2.4.2 相对湿度对PVDF-g-PAMPS 膜电导率的影响  30-31
    2.4.3 相对湿度对PVDF-g-PAMPS 膜含水量的影响  31
    2.4.4 热重测定  31
    2.4.5 红外光谱测定  31
    2.4.6 扫描电镜测定  31-32
    2.4.7 机械性能测试  32-33
3 结果与讨论  33-51
  3.1 PVDF-g-PAMPS 膜制备原理  33-34
  3.2 PVDF-g-PAMPS 膜参数的确定  34-36
    3.2.1 PVDF-g-PAMPS 膜的颜色  34
    3.2.2 溶剂量的确定  34-35
    3.2.3 引发剂量的确定  35-36
    3.2.4 烘膜条件的确定  36
  3.3 PVDF-g-PAMPS 膜的性能  36-51
    3.3.1 PVDF-g-PAMPS 膜的电导率  36-42
    3.3.2 相对湿度对PVDF-g-PAMPS 膜电导率的影响  42-45
    3.3.3 相对湿度对PVDF-g-PAMPS 膜含水量的影响  45
    3.3.4 热重分析  45-47
    3.3.5 红外光谱分析  47
    3.3.6 膜形貌及膜中硫和硅的分布  47-49
    3.3.7 机械性能测试  49-51
结论  51-52
参考文献  52-59
在学研究成果  59-60
致谢  60

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化元件、部件 > 发送器（变换器）、传感器
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