聚吡咯離子交換樹脂

『壹』 高中化學中燃料電池為什麼要用質子交換膜質子交換膜的作用是什麼用了它之後和沒用相比有什麼好處謝

高中化學中燃料電池為什麼要用質子交換膜？質子交換膜的作用是什麼？用了它之後和沒用相比有什麼好處？謝
還有，陽離子交換膜和陰離子交換膜在什麼時候用啊？他們的原理是什麼，有什麼用途？這些膜我有沒弄懂！謝謝各位哥哥姐姐啦，我馬上要高考了，急啊！！謝謝O(∩_∩)O謝謝
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陽離子交換膜和陰離子交換膜作用是讓陽離子或陰離子通過，形成電流，同事阻隔正負極的氧化劑和燃料，防止正負極氧化劑和燃料直接接觸，其原理是離子交換膜的選擇透過性。質子交換膜的作用是讓質子通過，形成電流，同事阻隔正負極的氧化劑和燃料。
wenming... 推薦於：2017-09-18
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其他回答（3）
離子交換膜是一種選擇性透過的膜，比如陽離子交換膜，就只能有陽離子通過，陰離子就不行。
他的原理是通過成膜材料上面的基團，通過對離子的結合和分離，形成一條條離子通道。比如質子交換膜，通常會有一些易於質子結合的強電解質基團，比如磺酸根，質子很容易和基團結合，也很溶液分離，使得質子順利通過膜。而驅動力可能是膜兩側的壓力差、濃度差或者電勢差等。用途一般是電化學上的應用，比如燃料電池。氯鹼工藝。
燃料電池要用質子交換膜這個不準確，目前只有pemfc和dmfc是用質子交換膜的。它的原理上面簡單說過了，你可以配合圖看看書。他的作用是讓質子通過，形成電流，同事阻隔正負極的氧化劑和燃料。用了他和沒有用比有什麼好處，這個問題只能說它是燃料電池的一個必須的組成部分，沒有它電池根本都不工作。
有問題再問我吧
bluecat... 2011-04-27
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質子交換膜是只允許水和質子（或稱水合質子，H3O+）穿過的膜。
原理簡單說就是：水合質子同質子交換膜中的磺酸基結合，然後從一個磺酸基到另一個磺酸基，最終到達另一邊。理論上只允許水和質子通過，但實際上一些陽離子、小分子有機物也可能會通過
質子交換膜膜材料的改進及應用
質子交換膜燃料電池具有工作溫度低、啟動快、比功率高、結構簡單、操作方便等優點，被公認為電動汽車、固定發電站等的首選能源。在燃料電池內部，質子交換膜為質子的遷移和輸送提供通道，使得質子經過膜從陽極到達陰極，與外電路的電子轉移構成迴路，向外界提供電流，因此質子交換膜的性能對燃料電池的性能起著非常重要的作用，它的好壞直接影響電池的使用壽命。
迄今最常用的質子交換膜（PEMFC）仍然是美國杜邦公司的Nafion®膜，具有質子電導率高和化學穩定性好的優點，目前PEMFC大多採用Nafion®等全氟磺酸膜，國內裝配PEMFC所用的PEM主要依靠進口。但Nafion®類膜仍存在下述缺點：(1)製作困難、成本高，全氟物質的合成和磺化都非常困難，而且在成膜過程中的水解、磺化容易使聚合物變性、降解，使得成膜困難，導致成本較高；(2)對溫度和含水量要求高，Nafion®系列膜的最佳工作溫度為70～90℃，超過此溫度會使其含水量急劇降低，導電性迅速下降，阻礙了通過適當提高工作溫度來提高電極反應速度和克服催化劑中毒的難題；(3)某些碳氫化合物，如甲醇等，滲透率較高，不適合用作直接甲醇燃料電池(DMFC)的質子交換膜。
因此，為了提高質子交換膜的性能，對質子交換膜的改進研究正不斷進行著。從近兩年的文獻報道看，改進方法可採用以下幾種方法：
（1）有機/無機納米復合質子交換膜，依靠納米顆粒尺寸小和比表面積大的特點提高復合膜的保水能力，從而達到擴大質子交換膜燃料電池工作溫度范圍的目的；
（2）對質子交換膜的骨架材料進行改進，針對目前最常用的Nafion®膜的缺點，或在Nafion®膜基礎上改進，或另選用新型骨架材料；
（3）對膜的內部結構進行調整，特別是增加其中微孔，以使成膜方便，並解決催化劑中毒的問題。
另外，除了這3種改進，現有的許多研究都或多或少的採用了納米技術，使材料更小，性能更佳。
以下對採用這三種方法的文獻進行簡要介紹。
（1）有機/無機納米復合質子交換膜
2003年12月4日公開的Columbian化學公司世界專利WO2003100884揭示了一種磺酸導體聚合物接枝碳材料。其製作工藝為將含雜原子的導體聚合物單體在碳材料中氧化聚合，並磺化接枝，該方法也可進一步金屬化聚合物接枝的碳材料。含碳材料可以是碳黑、石墨、納米碳或fullerenes等。聚合物為聚苯胺、聚吡咯等。其質子電導率為8.9×10-2S/cm（採用Nafion-磺酸聚苯胺測試）。
國內較多專利均採用類似方法。如2003年6月公開的清華大學中國專利CN1476113，將膜基體含磺酸側基的芳雜環聚合物加到溶劑中，形成均勻混合物後，加入無機物，形成懸浮物。通過納米破碎技術對該懸浮物進行破碎，得到分散均勻的漿料，用澆注法制膜。其形成的膜結構均勻、相當緻密。它不但能良好地抗甲醇滲透，還具有良好的化學穩定性和質子傳導性，甲醇滲透率小於5％。
（2）對膜骨架聚合物材料進行改進
《Journal of Membrane Science》雜志2005年刊登了香港大學發表的論文，其採用原位酸催化聚合法，將Nafion和聚糠醇共聚，由該材料制備的質子交換膜明顯改善了還原甲醇流量，其質子電導率為0.0848S/cm。
2004年公開的中山大學中國專利CN1585153，介紹了一種直接醇類燃料電池的改性質子交換膜的制備方法。所述制備方法是以市售的磺化樹脂為原料，並加入無機納米材料，通過流延法、壓延法、塗漿法或浸膠法等成膜方法來制備質子交換膜。
（3）對膜的內部結構進行調整
《Elctrochimica Acta》雜志2004年刊登了韓國Gwangju科技學院的論文，其採用了選擇改進型聚合物為質子交換膜，其選用了磺化聚苯乙烯-b-聚（乙烯-γ-丁烯）-b-聚苯乙烯共聚物（SSEBS），在微觀形態下觀察，呈現出納米結構離子通道，這種質子交換膜的電抗性比普通質子交換膜更優異。
2001年公開的由華中科技大學申請的中國發明專利CN1411085，其在一塊厚度h≤1mm的陶瓷薄膜構上有序分布有若干微孔，其孔徑n≤2mm，微孔遍布整個陶瓷薄膜，在所述陶瓷薄膜的微孔內填充有高電導率的電解質。孔徑n最好為納米數量級。該質子交換膜的制備方法為：首先在厚度h≤1mm金屬薄膜上制備有序微孔；再用電化學方法或其它方式氧化成陶瓷薄膜；然後在陶瓷薄膜的微孔中填充高電導率的電解質。這種方法成膜容易，製造成本低的特點，並且可以通過提高質子交換膜的工作溫度解決催化劑中毒的問題。
此外，近期國外報道的一些質子交換膜製造方法還有：
WO200545976為Renault公司於2005年5月19日申請的有關離子導體復合質子交換膜的專利，其揭示了一種離子導體復合膜的製造方法，包括a）組合電子和離子性非導體聚合物，或在溶液或熔融狀態下將低熔點鹽與至少兩種聚合物混合；b）與硅土水解類有機前驅體結合；c）與相適合的雜多酸有機溶液混合，鑄造成膜，特別是成薄膜狀，厚度為5～500微米，具有平滑表面，離子導體孔道為納米級。其中聚合物選擇為聚碸類和聚醯亞胺樹脂。最終質子電導率為433k，100%RH條件下測試，達到（1.1～3.8）×10-2S/cm。
2005年3月10日公開的SABANCI大學世界專利WO200521845，使用了一種金屬塗層的納米纖維，此外還涉及電子紡紗納米纖維的金屬塗層工藝。
表1和表2分別列出了以上新方法所採用的材料、質子電導率及最終燃料電池的性能。
但目前對新方法的研究還未成熟，有一些缺點還有待進一步完善。例如：在添加無機物後復合膜會變脆且硬，成膜性變差，所以復合膜中有機物與無機物之間的適當比列變得尤其重要，這也是今後研究方向之一，此外，加入納米粒子後，在膜的綜合性能，如納米粒子的分散性能、控制反應能量方面的研究也值得進一步關注。
ht19891... 2011-04-27
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燃料電池中才會用到，使得陽離子或者陰離子單項通過，使反應能夠持續進行。
jun9209... 2011-04-27

『貳』 聚吡咯的應用范圍

聚吡咯可用於生物、離子檢測、超電容及防靜電材料及光電化學電池的修飾電極、蓄電池的電極材料。此外，還可以作為電磁屏蔽材料和氣體分離膜材料，用於電解電容、電催化、導電聚合物復合材料等，應用范圍很廣。具體如下：
（1）離子交換樹脂：相比於傳統的離子交換樹脂,這種材料把電化學和離子交換結合在一起,能方便的再生和減小能耗、降低污染。
（2）生判轎散物材料：PPy具有良好的生物相容性，在電刺激下導電聚合物可以調節細胞的貼附、遷移、蛋白質的分泌與DNA的合成等過程，使其在生物醫學領域有著廣泛的應用前景。
（3）質子交換膜：質子交換膜作為質子交換膜燃料電池的核心部件，直接決定著燃料電池的性能。將PPy引入其中制備復合掘氏型質子交換膜有助於提高復合膜的熱穩定性、阻醇性和溶脹性等。
（4）電催化：PPy膜具有獨特的摻雜和脫摻雜性能，可以有針對性的摻雜進許多具有對反應物有催化作用的分子或離子，提供電催化效率和實際應用價值。
（5）二次電池的電極材料：PPy具有較高的電導率、環境穩定性好、可逆的電化學氧化還原特性以及較強的電荷貯存能力，是一種理想的聚合物二次電池的電極材料
（6）金屬防腐：PPy膜對金屬的保護起到鈍化和屏蔽作用，提高了金屬帆殲基體的腐蝕電位，降低了腐蝕速率。

『叄』 高分子材料化學基礎詳細資料大全

《高分子材料化學基礎(2版)》以高分子化學為主線，把無機化學、有機化學和物理化學中必需的知識整合在一起。

基本介紹

• 書名 ：高分子材料化學基礎
• 作者 ：郭建民
• ISBN ：9787122049278
• 定價 ：33元
• 出版社 ：化學工業出版社
• 出版時間 ：2009年05月
• 開本 ：16開

內容簡介,圖書目錄,

內容簡介

全書共十一章，包括物質結構的基本知識，有機物和高聚物的基本概念，烴和碳鏈高聚物——飽和烴、不飽和烴、脂環烴、芳香烴和鹵代烴，含氧（硫）有機物及其高聚物——醇、酚、醚、醛、酮、羧酸及其衍生物，含氮（矽）有機物及其高聚物——胺、腈、異腈、異氰酸酯，含氮雜鏈高聚物和含矽化合物及其高聚物，構象異構和對映異構，雜環化合物，物理化學基礎知識，表面現象與分散體系，高聚物的叢燃合成反應，高聚物的化學反應。本教材內容豐富，難易程度適中，每章附有學習目標和習題。

圖書目錄

緒論1 一、本課程內容簡介1 二、本課程在本專業中的地位和作用1 三、本課程的學習方法2 第一章 物質結構基礎3 第一節 原子結構和元素周期律3 一、原子的組成3 二、原子核外電子的運動狀態4 三、元素周期律7 四、元素基本性質變化的周期性8 第二節 分子結構和分子間力、氫鍵10 一、離子鍵10 二、共價鍵11 三、分子間作用力15 四、氫鍵17 第三節 晶體結構18 一、離子晶體18 二、分子晶體18 三、原子晶體19 四、金屬晶體19 五、晶體缺陷20 習題20 第二章有機化合物和高聚物的基本概念22 第一拿指節有機化合物的基本概念22 一、有機化合物及其特性22 二、有機化合物的結構23 三、均裂反應和異裂反應24 四、親電試劑和親核試劑24 五、有機化合物的分類25 第二節高聚物的基本概念26 一、高聚物的定義26 二、高聚物的基本特性26 三、高聚物的聚合度與相對分子質量27 四、高聚物的幾何形狀28 習題29 第三章烴和碳鏈高聚物30 第一節飽和烴30 一、烷烴的通式和同分異構30 二、烷烴的命名31 三、烷烴的結構33 四、烷烴的物理性質34 五、烷烴的化學性質35 第二節不飽和烴38 一、不飽和烴的結構38 二、不飽和烴的同分異構現象40 三、不飽和烴的命名41 四、不飽和烴的物理性質43 五、不飽和烴的化學性質43 六、二烯烴49 七、重要的烯烴及高聚物51 第三節脂環烴52 一、環烷烴52 二、環烯烴53 第四節芳香烴54 一、單環芳烴54 二、稠環和多環芳烴60 三、重要的芳烴及高聚物61 第五節鹵代烴62 一、鹵代烷烴62 二、鹵代烯烴和鹵代芳烴66 三、重要的鹵代烴及高聚物67 習題68 第四章含氧（硫）有機化合物與雜鏈高聚物71 第一節醇、酚、醚71 一、醇71 二、酚77 三、醚83 第二節醛和酮87 一、醛、酮的分類、同分異構和命名87 二、醛、酮的物理性質89 三、醛、酮的化學性質89 第三節羧酸及其衍生物97 一、羧酸97 二、羧酸衍生物104 習題110 第五章含氮（矽）有機化合物與雜鏈高聚物116 第一節胺116 一、胺的分類和命名116 二、胺的物理性質118 三、胺的化學性質119 四、重要的胺及高聚物123 第二節腈與異氰酸酯124 一、腈124 二、異氰酸酯125 三、重要的腈及高聚物126 第三節重氮和偶氮化合物127 一、重氮化合物127 二、偶氮化合物130 第四節含氮雜鏈高聚物131 一、聚醯胺131 二、聚丙烯醯胺132 三、聚醯亞胺133 四、聚氨酯133 五、脲醛樹脂135 第五節含矽化合物和元素有機高聚物135 一、矽及重要的矽化合物136 二、有機矽高聚物139 習題140 第六章構象異構和對映異構143 第一節構象異構143 一、乙烷的構象143 二、正丁烷的構象144 三、直鏈烷烴的平面鋸齒形構象145 第二節對映異構145 一、物質的旋光性145 二、對映異構147 習題149 第七章雜環化合物151 第一節雜環化合物的分類和命名151 一、雜環化合物的分類151 二、雜環化合物的命名152 第二節雜環化合物的物理性質153 第三節雜環消鄭配化合物的化學性質153 一、呋喃及其衍生物153 二、吡咯155 三、噻吩156 四、吡啶157 五、喹啉158 習題159 第八章物理化學基礎161 第一節基本概念161 一、體系與環境161 二、狀態與狀態函式162 三、熱力學標准態163 四、熱力學能164 五、焓及其性質164 第二節熱力學第一定律165 一、熱力學第一定律165 二、熱力學第一定律的套用166 第三節熵與熵變168 一、自發過程及其特徵168 二、熱力學第二定律169 三、混亂度和熵170 第四節吉布斯函式173 一、吉布斯函式及其判據式173 二、吉布斯函式的物理意義174 三、標准生成Gibbs函式175 第五節化學平衡和化學反應速率176 一、化學平衡177 二、化學平衡體系的計算180 三、化學平衡的移動181 四、化學反應速率183 第六節溶液與相平衡187 一、稀溶液的兩個經驗定律187 二、相律189 三、單組分體系192 四、二組分雙液體系194 習題196 第九章表面現象與分散體系200 第一節表面現象200 一、物質的表面特性200 二、吸附203 第二節分散體系206 一、分散體系的分類206 二、溶膠的光學性質207 三、溶膠的動力學性質207 四、溶膠的電性質208 五、溶膠的熱力學不穩定性質211 習題212 第十章高聚物的聚合反應214 第一節概述214 一、按單體和聚合物在組成和結構上 發生的變化分類214 二、按聚合機理或動力學分類215 第二節逐步聚合反應215 一、概述215 二、縮聚反應216 三、線型縮聚反應218 四、體型縮聚反應224 五、縮聚反應的實施方法228 第三節連鎖聚合反應229 一、概述229 二、自由基聚合232 三、陽離子型聚合239 四、陰離子聚合241 五、定向聚合243 六、連鎖聚合反應的實施方法247 第四節共聚合反應252 一、共聚合反應與共聚物252 二、共聚反應機理與共聚物組成方程253 三、競聚率的意義255 四、其他共聚合反應255 習題257 第十一章高聚物的化學反應259 第一節概述259 一、研究高聚物化學反應的意義259 二、高聚物化學反應的特點260 三、高聚物化學反應的分類262 第二節高聚物的官能團反應263 一、纖維素的化學處理263 二、聚醋酸乙烯酯的水解264 三、烯類聚合物的氯化及脫氯反應264 四、環化反應265 第三節功能高分子265 一、離子交換樹脂266 二、高分子葯物267 三、高分子試劑268 四、高分子催化劑269 五、具有光、電、磁性能的功能 高分子270 第四節高聚物的交聯與擴鏈反應272 一、高聚物的交聯反應272 二、高聚物的擴鏈反應274 第五節高聚物的降解反應275 一、研究高聚物降解的意義275 二、高聚物的降解機理276 三、降解反應的類型277 第六節高聚物的老化與穩定280 一、高聚物的老化現象280 二、引起高聚物老化的因素280 三、高聚的防老化281 習題282 附錄一在100kPa、298K時一些單質和化合物的熱力學函式283 附錄二常見物理和化學常數（1986年國際推薦值）286 參考文獻287

『肆』 聚吡咯優良的電化學性能是指什麼

用一句話簡單的說，就是聚吡咯可以導電。以下是詳細解釋

聚吡咯的性質：
研究和使用較多的一種雜環共軛型導電高分子，通常為無定型黑色固體,以吡咯為單體，經過電化學氧化聚合製成導電性薄膜，氧化劑通常為三氯化鐵、過硫酸銨等。或者用化學聚合方法合成,電化學陽極氧化吡咯也是制備聚吡咯的有效手段。是一種空氣穩定性好，易於電化學聚合成膜的導電聚合物，不溶不熔。它在酸性水溶液和多種有機電解液中都能電化學氧化聚合成膜，其電導率和力學強度等性質與電解液陰離子、溶劑、pH值和溫度等聚合條件密切相關。導電聚吡咯具有共軛鏈氧化、對應陰離子摻雜結構，其電導率可達102～103S/cm，拉伸強度可達50～100MPa及很好的電化學氧化-還原可逆性。導電機理為：PPy結構有碳碳單鍵和碳碳雙鍵交替排列拆悄成的共軛結構，雙鍵是由σ電子 和π電子構成的，σ電子被固定住無法自由移動，在碳原子間形成共價鍵。共軛雙鍵中的2個π電子並沒有固定在某個碳原子上，它們可以從一個碳原子轉位到另一個碳原子上，即具有在整個分子鏈上延伸的傾向。即分子內的π電子雲得重疊產生了為整個分子共有的能帶，π電子類似於金屬導體中的自由電子。當有電場存在時，組成π鍵的電子可以沿著分子鏈移動。所以，PPy是可以導電的。在聚合物中，逗山吡咯結構單元之間主要以α位相互聯接，當在α位有取代基時聚合反應不能進行。用電化學氧化聚合方法可以在電極表面直接生成導電性薄膜，其電導率可以達到102S/cm，且穩定性好於聚乙炔。聚吡咯的氧化電位比其單體低約1V左右，呈黃色，摻雜後呈棕色。聚吡咯也可以用化學摻雜法進行摻雜，摻雜後由於反離子的引入，具有一定離子導電能力。聚吡咯除了作為導電材料使用，如作為特種電極等場合外，還用於電顯示材料等方面，作為線性共軛聚合物，聚吡咯還具有一定光導電性質。小陰離子摻雜的聚吡咯在空氣中會緩慢老化，導致其電導率降低。大的疏水陰離子摻雜的聚吡咯能在空氣中保存數年而無顯著的變化。

應用范圍:
（1）離子交換樹脂：相比於傳統的離子交換樹脂,這種材料把電化學和離子交換結合在一起,能方便的再生和減小能耗、降低污染。
（2）生物材料：PPy具有良好的生物相容性，在電刺激下導電聚合物可以調節細胞的貼附、遷移、蛋白質的分泌與DNA的合成等過程，使其在生物醫學領域有著廣泛的應用前景。
（3）質子交換膜：質子交換膜作為質子交換膜燃料電池的核心部件，直接決定著燃料電池的性能。將PPy引入其中制備復合型質子交換膜有助於提高復合膜的熱穩定性、阻醇性和溶脹性等。
（4）電催化：PPy膜具有獨特的摻雜和脫摻雜性能，可以有針對性的摻雜進許多具有對反應物有催化作用的分子或離子，提供電催化效率和實際應用價值。
（5）二次電池的電極材料：PPy具有較高的電導率、環境穩定性好、可逆的電化學氧化還原特性以及較強的電荷貯存能力，是一種理想的聚合物二次電池的電極材料
（6）金屬防腐：PPy膜對金屬的保護起到鈍化和屏蔽作用，提高了金屬基體的旅指渣腐蝕電位，降低了腐蝕速率。

『伍』 ppy是什麼意思

ppy是聚吡咯。

聚吡咯是一種常見的導電聚合物。純吡咯單體常溫下呈現無色油狀液體，是一種C，配中蘆N五元雜環分子，沸點是129.8℃，密度是0.97g/cm3，微溶於水，無毒。

用途：

聚吡咯可用於生物、離子檢測、超電容及防靜電材料及光電化學電池的修飾電極、蓄電池的電極材料。此外，還可以作為電磁屏蔽材料和氣體分離膜材料，用於電解電容、電催化、導電聚合物復合材料等，應用范圍很廣。具體如下：

（1）離子交換樹脂：相比於傳統的離子交換樹脂,這種材料把電化學和離子交換結合在一起,能方便的再生和減小能耗、降低污染。

（2）生物材料：PPy具有良好的生物相容性，在電刺激下導電聚合物可以調節細胞的貼附、遷移、蛋白質的分泌與DNA的合成等過程，使其在生物醫學領域有著廣泛的應用前景。

（3）質子交換膜：質子交換膜作為質子交換膜燃料電池的核心部件，直接決定著燃料電池的性能。將PPy引入其培坦中制備復合型質子交換膜有助於提高復合膜的熱穩定性、阻醇性和溶脹性等。

（4）電催化：PPy膜具有獨特的摻雜和脫摻雜性能，培帶可以有針對性的摻雜進許多具有對反應物有催化作用的分子或離子，提供電催化效率和實際應用價值。

（5）二次電池的電極材料：PPy具有較高的電導率、環境穩定性好、可逆的電化學氧化還原特性以及較強的電荷貯存能力，是一種理想的聚合物二次電池的電極材料

『陸』 求論文開題報告

開題報告填寫事項
一、填寫必須實事求是，字跡要端正、清楚。
二、本報告的第一至第六部分由研究生本人填寫（字數不少於2000字）。其餘部分由指導教師、開題報告評議小組、教研室（研究室）主任、院長、研究生處填寫。
三、碩士研究生開題報告日期規定為進校後第三學期完成。
四、開題報告評議小組由學院統一集中組織，對開題報告通不過者要在1至2個月內補做，重新審核合格後，才允許正式進入課題，否則取消進入論文階段資格。
五、此表留存研究生處學位辦一份。
本課題所涉及的內容（包括實驗數據、計算機程序、導師未公開發表的研究成果及心得等），除在畢業論文中所發表的以外，本人保證：未經導師正式同意，五年內不以任何形式向第三方公開。

研究生（簽字）
導 師（簽字）
年 月 日
一、課題的來源及意義
本課題主要來源於導師的研究課題。
現代科學技術發展使得復合化成為材料發展的必然規律。近年來，納米復合材料的研究發展迅速，無論是從學術研究角度考慮，還是從工業生產實際出發，人們都已開展了大量的實驗研究工作。所謂納米復合材料（Nanocomposites）是80年代初由Roy等人提出的，是指復合材料中分散相尺度至少有一維小於100nm的復合材料。由於納米粒子具有小尺寸效應、大的比表面產生的界面效應、量子效應等特殊性能，故能賦予納米復合材料許多特殊的性能，為設計和制備高性能、多功能新材料提供了新的機遇。納米復合材料被譽為「21世紀最有前途的材料」，成為材料科學研究的熱點之一。
聚合物/層狀硅酸鹽（Polymer/Layered Silicate，PLS）納米復合材料是納米復合材料領域重要研究方向之一。PLS納米復合材料既具有高分子材料的質輕、耐腐蝕、絕緣性好、易加工等特點，又具有無機材料的高強度、高模量、高耐熱性等優點，有著廣闊的發展前景。PLS納米復合材料除具有一般納米復合材料的性能外，還因其特有的納米尺度上的片層結構使得復合材料的耐熱性、尺寸穩定性、氣體阻隔性及阻燃性等得到明顯提高。PLS納米復合材料的研製與開發為提高傳統聚合物材料性能、拓寬聚合材料的應用范圍起到了極大的促進作用。
根據復合物的微觀結構，可以把復合物分成四類：相容性差的粒子填充復合物；普通的微粒填充復合物；插層型納米復合材料；剝離型納米復合材料。只有第三、第四類復合物實現了納米尺度上的插層復合，且第四類復合物即剝離型納米復合材料由於無機物在聚合物基體中實現了充分均勻的分散，其納米尺度效應顯著、界面結合強度更高。此類復合材料具有優異的力學性能和耐熱性，並且材料的阻隔性均有所提高，是當前研究的主方向。
PLS納米復合材料以其優良的性能越來越受到廣泛地重視。目前，PLS納米復合材料已從基礎研究階段向工業化生產階段發展，日本的豐田公司（TOYOTA）、宇部公司（Unitsika）、美國的南方粘土（Southernay）等已經研製開發出PLS納米復合材料的商業化產品。
本課題利用省內層狀硅酸鹽礦物（膨潤土）和高分子原料，對聚合物原料進行改性，對膨潤土原料進行深加工處理。研究聚合物、層狀硅酸鹽二者之間的復合機理、結晶過程、界面特徵以及結構性能之間的關系，研究加工制備工藝過程對PLS納米復合材料性能的影響以及最佳制備工藝參數的確定。用合理的加工技術方法，制備出性能優良的剝離型納米復合材料。這既是本課題的特色和創新之處也是納米復合材料的研究發展趨勢所在。

二、簡述該領域目前的國內外研究水平和發展趨勢

聚合物/層狀硅酸鹽納米復合材料是當今眾多無機納米粒子改性復合材料中最有潛力的一類納米復合材料，也是目前研究最多、最有希望工業化生產的聚合物納米復合材料。自從1987年日本豐田公司的研究開發中心首次報道用插層聚合的方法制備了尼龍6/粘土納米復合材料以來，由於聚合物/粘土納米復合材料實現了納米相分散、強界面作用和自組裝並具有較常規聚合物/無機填料復合材料無法比擬的優點（如優異的力學、熱學性能和氣體阻隔性能等），因此倍受關注。
據報導，預計今後PLS納米復合材料的產值每年會增長約100%。到2009年，產值會達到15億歐元/年，產量會達到50萬噸/年。PLS納米復合材料將會遍及人們生活的各個方面，飛機、汽車、包裝、電子電器、建材、傢俱等產業將廣泛受益於這種新型材料。
1、 國外PLS納米復合材料研究現狀
自從20世紀80年代末期，Okada等人報道了PA6/層狀硅酸鹽納米復合材料以來，迄今這一領域已得到長足的發展，成為目前聚合物材料的一個新熱點。到目前為止，日本豐田研究中心、美國康耐爾大學、密歇根大學以及中國科學院化學研究所國內外眾多研究單位都在這一領域進行深入的科學研究。
1987年，豐田中心研究和發展公司的Fukushima和Inagaki仔細地研究了聚合物/層狀硅酸鹽復合材料後，用季銨鹽取代粘土片層間的無機離子，成功地改善了粘土與聚合物基體的相容性，研製出PLS型尼龍6/硅酸鹽納米復合材料，材料的熱變形溫度較純尼龍6有大幅度提高，同時力學性能與阻隔性能均有不同程度的提高。豐田中心研究和發展公司的Usuki、Fukushima用已內醯胺的原位聚合法制備了剝離型的尼龍6/蒙脫土納米復合材料（季銨鹽改性的蒙脫土事先被均勻地分散於已內醯胺中），並制備出聚醯亞胺/蒙脫土納米復合材料，發現只需添加2%（質量分數）的粘土，材料的氣體阻隔性及線脹系數顯著降低，適合PI在微電子領域的應用，這極大地引起了材料科學家的關注。
美國Comell大學的R A Vaia和E P Giannelis等對聚合物熔體插層進行了熱力學分析，認為該過程是焓驅動的，因而必須加強聚合物與粘土間的相互作用以補償整個體系熵值的減少。在此理論的指導下，他們通過聚合物熔體插層制備出PS/粘土，聚氧乙烯/粘土納米復合材料，並對層間聚合物的受限運動行為進行了研究。Usuki等人深入研究了有機插層劑對插層復合的影響，並制備出一系列PLS納米復合材料，並首先報道了「兩步法」制備聚醯胺6/蒙脫土納米復合材料，即先用12~18烷基氨基酸作插層劑對鈉基蒙脫土進行陽離子交換處理，然後將陽離子交換後的蒙脫土與ε-己內醯胺復合，在常規條件下聚合，得到聚醯胺6/粘土納米復合材料。西歐一些國家也先後制定了發展納米復合材料研究的計劃。一些國外的大公司特別是生產聚合物的廠家紛紛加入聚合物納米材料的開發應用。
目前，豐田汽車公司已成功地將Nylon 6/clay納米復合材料應用於汽車上。由於層狀硅酸鹽是納米尺度分散於聚合物基體中，可以成膜、吹瓶和紡絲。在成膜和吹瓶過程中，硅酸鹽片層平面取向形成阻擋層，因此可用於高性能包裝和保鮮膜。
2、國內PLS納米復合材料研究現狀
我國的PLS納米復合材料研究開始於90年代，現已取得了許多成果，並已列入國家「863規劃」和「九五計劃」的重點研究開發課題。中科院化學所對聚合物基粘土納米復合材料的研究，發明了「一步法」制備Nylon 6/粘土納米復合材料（nc-PA6），即將蒙脫土陽離子交換、己內醯胺單體插層以及單體聚合在同一個分散體系中完成，在不降低產品性能的前提下縮短了工藝流程，降低了成本。黃銳等利用剛性粒子對聚合物改性的研究在學術界極有影響；另外，四川大學高分子科學與工程國家重點實驗室發明的磨盤法、超聲波法制備聚合物基納米復合材料也是一種很有前景的制備手段。
中科院化學所工程塑料國家重點實驗室取得的成就有：單體插層縮聚制備了尼龍6/粘土納米復合材料，可大幅度提高其熱變形溫度，擴大了材料的應用范圍，並對插層劑的碳鏈長度與有機蒙脫土的層間距的關系進行了研究，在此基礎上開發了PET/粘土、PBT/粘土納米復合材料，提高了材料的熱性能和阻隔性，其中PET/粘土納米復合材料的結晶速度較PET提高了約5倍。此外還通過聚合物溶液插層及熔體插層分別制備出硅橡膠/蒙脫土及PS/粘土納米復合材料，其中硅橡膠/蒙脫土納米復合材料具有良好的耐磨性，各項物理、力學性能指標得到很大提高，可代替氣相白炭黑填充硅橡膠，具有實用前景。相信在不久的將來，PLS納米復合材料將會廣泛應用於高分子材料及其它領域。
3、存在的問題及研究發展趨勢
PLS納米復合材料的不斷涌現以及大量研究結果的報道，讓我們看到了這類復合材料具有的優異特性，使得層狀無機物插層改性聚合物制備高性能納米復合材料成為國際上最新技術熱點之一，但也存在以下幾個問題。
① PLS納米復合材料的研究盡管十分熱門，但由於其插層復合機理復雜、結構與界面特徵復雜，微區尺寸小，再加上量子效應、表面效應等，對它的研究還不夠深入，特別是運用熱力學、動力學和結晶學知識研究不夠。對其結構、形態特徵與材料性能的關系研究較少，合成方法大多基於合成宏觀材料上的改進，存在著一定局限性；
② 剝離型PLS納米復合材料比其它類型的復合材料具有更優異的性能，但對原材料加工處理、制備方法要求嚴格，對其制備工藝及過程研究不夠；
③ 高聚物與納米材料的混合、分散缺乏專業設備，用傳統的設備往往使納米粒子得不到良好的分散，要研究出新的混合分散技術方法及設備。

三、課題所要研究的內容及實施方案

(主要研究內容及預期成果，擬採用的研究方法、技術路線、實驗方案的可行性分析。)
1、研究內容
（1）了解相應聚合物的物理化學性質，合成方法，用途及研究現狀；了解PLS納米復合材料所具備的優良性能，熟悉國內外PLS納米復合材料的應用現狀、研究進展、存在的問題及解決的措施；
（2）研究層狀硅酸鹽（膨潤土）礦物學特徵和納米結構特徵（層間距、層面特徵和邊緣特徵），熟悉測試表徵方法；並掌握對測試結果分析的技術方法；
（3）深入研究膨潤土提純、鈉化、有機化的各種方法、反應機理；了解鈉基土及有機土的應用價值和研究現狀；制定合理的實驗方案，對膨潤土進行提純，通過實驗選擇合適的反應條件和合適的鈉化劑和表面修飾劑進行鈉化、有機化，制備出親油或親水親油的納米膨潤土；
（4）了解剝離型PLS納米復合材料制備方法及性能特點，從動力學、熱力學、結晶學、流變學等方面探討納米材料復合過程和機理；
（5）選擇聚對苯二甲酸丁二醇酯（PBT）、聚氨酯（PU）兩種聚合物，對其進行改性（接枝方法和離子化方法）制定合理的加工制備方案、確定最佳實驗流程及實驗參數，制備出剝離型PLS納米復合材料；
（6）從制備方法、表面改性劑的選擇、加入第三組分等方面研究有機膨潤土在聚合物中的分散形態；並探討多相體系中物相界面結構特徵，制備出剝離型納米復合材料。
（7） 研究PLS納米復合材料結構和性能之間的關系。進行產品結構分析、力學性能和阻燃性能對比測試分析。
2、預期成果
（1）制備出優良的有機膨潤土，制備出改性性能良好的聚合物；
（2）制備出剝離型PLS納米復合材料；
（3）預期在核心期刊發表2篇論文或申報1項發明專利；
（4）完成畢業論文的編寫，順利通過答辯。
3、研究方法及技術路線
（1）實驗研究流程圖

（2）實驗研究過程（方案）
① 層狀硅酸鹽的選擇及改性處理
目前為止，能夠在PLS納米復合材料中得到應用的有膨潤土、高嶺土、海泡石等少數幾種屬於層狀硅酸鹽的礦物質。這其中最根本的原因是絕大多數的層狀無機礦物質無法利用插層處理的方式擴張其片層之間的重復間距。因此，雖然他們具有層狀的結構，各相鄰的片層之間也具有一定的空間，但卻不足以容納旋轉半徑為上百埃的聚合物分子鏈插入到各片層之間，形成所謂的插層復合材料；而僅僅允許離子、小分子等小的介質進入其中。對於膨潤土、高嶺土等粘土礦物， 由於他們具有較大的初始間距以及可交換的層間陽離子，使得我們可以利用離子交換的方式將他們的層間距擴大到允許聚合物分子鏈插入的程度，從而可以利用它們制備出性能優異的插層納米復合材料。
本課題利用省內礦產資源優勢膨潤土，其主要成分為蒙脫石。蒙脫石的基本結構單元是有一片鋁氧八面體夾在兩片硅氧四面體之間靠共用氧原子而形成的層狀結構，屬於2：1型層狀硅酸鹽。每個結構單元的尺度為1nm厚、長寬均為100nm的片層，層間有可交換性陽離子，如Na+、Ca2+、Mg2+等金屬離子，因此容易與烷基季銨鹽或其他有機陽離子進行交換反應生成有機膨潤土。由於膨潤土本身的親油性較差，聚合物的單體或分子鏈又多為親油性物質。因此，膨潤土使用前必須經過有機化改性處理。
膨潤土改性處理方案。
A、膨潤土的提純
實驗方案：將膨潤土與水（固液比為1：10）配成懸浮液，再經高速旋轉的離心機沉降分離，並且加入適量的分散劑（六偏磷酸鈉），進一步分離粒度較細的碎屑礦物（長石、碳酸鹽等），得到粒度小於5µm的膨潤土漿料或懸浮液，再將該懸浮液抽濾、洗滌、乾燥、打散解聚，即可得到高純度的膨潤土產品。測其吸藍量，CEC，膨脹倍，膠質價等性能指標。
B、鈣基膨潤土的鈉化
鈉化原理：當膨潤土-水系統中存在兩種離子時，就存在一個動態的吸附-解吸平衡，即離子吸附與交換過程。如當膨潤土-水系統中同時含有Ca2+、Na+時就會發生如下離子交換平衡：
Ca-膨潤土+2Na+ 2Na-膨潤土+Ca2+
鈉化劑的選擇、用量、鈉化溫度及鈉化時間對鈉化效果都有一定的影響，通過實驗，確定最佳反應條件。
C、膨潤土的有機化
在制備PLS納米復合材料時，常採用有機陽離子（插層劑）進行離子交換而使層間距增大，並改善層間微環境，使粘土內外表面由親水轉變為疏水，降低硅酸鹽表面能，以利於單體或聚合物插入粘土層間形成PLS納米復合材料。因此插層劑的選擇是制備PLS納米復合材料的關鍵步驟之一。它必須符合以下幾個條件：（1）容易進入層狀硅酸鹽晶片（001面）間的納米空間，並能顯著增大粘土晶片間層間距；（2）插層劑分子應與聚合物單體或高分子鏈具有較強的物理或化學作用；（3）價廉易得，最好是現有的工業品。
在不同用量、酸鹼性、反應溫度等條件下，選擇陽離子（十六烷基三甲基溴化銨）、陰離子（十二烷基硫酸鈉）及陰陽雙離子為插層劑，制備有機土，通過測試確定最佳反應條件。
② 聚合物改性
③ PLS納米復合材料的制備
A、復合材料的類型
從微觀結構上看，復合材料可分為四類，如下圖。在第一類復合物中（a），蒙脫土顆粒分散在聚合物基體中，但聚合物與蒙脫土的接觸僅限於蒙脫土的顆粒表面，聚合物沒有進入蒙脫土顆粒中。第二類復合物（b）中，聚合物進入蒙脫土顆粒，但沒有插層進入硅酸鹽片層中。在插層型復合物（c）中，聚合物不僅進入蒙脫土顆粒，而且插層進入硅酸鹽片層間，使蒙脫土的片層間距明顯擴大，但還保留原來的方向，片層仍然具有一定的有序性。在剝離型復合物（d）中，蒙脫土的硅酸鹽片層完全聚合物打亂，無規則地分散在聚合物基體中，此時蒙脫土片層與聚合物實現了納米尺度上的均勻混合。四類復合材料中只有後兩種才算是納米復合材料，而且第四類剝離型復合材料比第三類插層型復合材料具有更理想的性能，是眾多材料科學家追求的目標，也是本課題研究的重點。

B、制備方法
插層復合法（Intercalation Compounding）是制備PLS納米復合材料的方法。按照復合的過程，插層復合法可分為兩大類。（1）插層聚合法（Intercalation Polymerization），即先將聚合物單體分散、插層進入層狀硅酸鹽片層中，然後原位聚合，利用聚合時放出的大量熱量，克服硅酸鹽片層間的庫侖力，使其剝離（exfoliate），從而使硅酸鹽片層與聚合物基體以納米尺度相復合；（2）聚合物插層（Polymer Intercalation），即將聚合物熔體或溶液與層狀硅酸鹽混合，利用力化學或熱力學作用使層狀硅酸鹽剝離成納米尺度的片層並均勻分散在聚合物基體中。
從制備方法來看，PLS納米復合材料的制備可分為單體插層原位聚合與大分子直接插層；從實施途徑來說有溶液法和熔體法。它們互相組合成四種具體制備過程：大分子熔體直接插層；大分子溶液直接插層；單體熔體插層原位本體聚合；以及單體溶液插層原位溶液聚合。制備PLS納米復合材料流程圖如下：

C、有機土加入量的選取
有機土加入量的多少直接影響著製品的質量和性能，有機土的加入量過高時，體系的粘度增大，很難脫泡及澆注；有機土加入量過低時，有機土在體系中的分散不好，起不到增強和增韌的效果。對於有機土加入量的多少，在研究領域內眾口不一。我們採用不同含量（2-5%）的有機土進行插層復合，尋找最佳加入量。
D、實驗方案
以PBT、PU聚合物為例，選用合適的插層方法，在不同的配料比下插層復合，測其力學性能、阻燃性能、熱穩定性能等，從熱力學、動力學等方面研究復合機理及影響復合過程的因素，得到性能優良的剝離型PLS納米復合材料。
（3）PLS納米復合材料主要性能測試與表徵
① 甲醛容量法測膨潤土陽離子交換容量（CEC），測吸藍量計算膨潤土中蒙脫土的含量，帶塞量筒測其膨脹倍、膠質價；
② 掃描電鏡（SEM）測聚合物及PLS納米復合材料的微觀形貌；
③ 傅立葉轉換紅外光譜(FTIR)分析，根據譜圖的吸收峰判斷有機化改性效果及插層效果；
④ X射線衍射分析儀（XRD）測試膨潤土的層間距和復合材料的剝離程度；根據譜圖用Jade軟體確定蒙脫土的化學成分及含量；
⑤ 差熱-熱失重分析儀（TG-DTA）測定膨潤土的轉化溫度及復合材料的熱穩定性；
⑥ 電子萬能實驗機測拉伸強度和斷裂伸長率，判斷聚合物及PLS納米復合材料的力學性能。
4、實驗研究方案的可行性分析
（1）實驗室有一系列的實驗儀器：如真空泵、磁力攪拌器、恆溫水浴鍋、高溫爐、乾燥箱、開練機、雙螺桿機和造粒機等；學校測試中心有掃描電鏡、X-射線衍射儀、傅立葉轉換紅外光譜儀、差熱-熱失重分析儀、原子力顯微鏡等測試用儀器；
（2）導師長期從事這一領域的研究工作，有扎實的理論基礎和豐富的實踐經驗，有師生組成的研究團隊；
（3）學校圖書館可以查到大量的中外文文獻資料和學術專著，可供參考；
（4）與企業合作，有豐富的實踐基地和廣闊的應用前景；
（5）已做了一些實驗前期工作，製得的復合材料力學性能顯著提高，且熱穩定性很好；
（6）實驗方案敘述合理，技術路線可行，理論基礎清楚明了，實驗研究條件基本具備，加上前期研究工作的進展，故本實驗研究方案是可行的。

四、課題研究的創新之處

(研究內容、擬採用的研究方法、技術路線等方面有哪些創新之處。)
（1）PLS納米復合材料作為一個嶄新的研究領域，對其研究尤其剝離型復合材料的研究可以說仍處於初級階段，理論上不夠成熟，制備技術不夠完善，對材料的復合機理，材料的結構及結構與性能間的關系等方面還有待於進一步探索。本課題從熱力學、動力學等方面研究聚合物與層狀硅酸鹽（膨潤土）復合的界面特徵、內部結合機理，並探討復合過程、材料結構對其力學性能、阻隔性能、流變性能、結晶性能等的影響。
（2）剝離型PLS納米復合材料的發展水平仍處在實驗研究或專利階段，工業化項目極少，在高性能工程塑料、高性能樹脂基體中的研究報道還較少。本課題從表面改性劑的選擇、加入第三組分、高性能納米膨潤土的制備、聚合物的改性、合理制備方法的選擇等方面進行系統實驗研究，制備出性能優異的剝離型納米復合材料。

五、工作量及工作進度安排(包括文獻查閱、方案設計與實現、計算與實驗、論文書寫等)
起止日期 課題階段工作進程
2007.2~2007.9

2007.10~2007.12
2008.1~2008.2

2008.3~2008.4

2008.5~2008.6

2008.7~2008.8

2008.9~2008.10

2008.11~2008.12

2009.1~2009.3

查閱文獻資料、學術專著、參考書等，同時做了大量實驗前期工作及一定的實驗研究工作；
寫開題報告並進行答辯，准備實驗所需試劑和儀器；
研究鈉基土、有機土的結構及結構與性能的關系，設計實驗方案；通過實驗和性能表徵確定鈉化、有機化過程最佳反應條件；在最佳反應條件下制備大量有機土，用XRD、FTIR、TG-DTA等表徵，做好實驗記錄；
以PBT、PU聚合物為例，了解其物理化學性能、合成機理、合成方法及應用現狀；選擇合適的反應裝置、合成方法，用單體合成所需要的聚合物；
查閱大量當前最新的中外文文獻，了解納米復合材料的研究現狀及先進的制備方法；選擇不同的有機土加入量（2-5%），用聚合物熔融插層法，聚合物熔液插層法，單體插入原位聚合法等不同的方法，控制反應條件，制備PLS納米復合材料；
對製品進行力學性能、熱學性能、阻隔性能等方面的測試，確定有機土的最佳加入量，找出即使製品性能優異、成本低又環保的制備方法；
用SEM測試產品的形貌，證實其剝離程度；用XRD測試有機土的層間距，分析其改性效果；復合材料中界面層的性質可以用示差掃描量熱法（DSC）來表徵；熱失重分析（TGA）可以研究有機物對蒙脫土的改性程度及納米復合材料的耐熱性；
選擇最好的制備方法，將聚合物與有機土進行復合，研製出納米復合材料製品並詳細表徵其各種性能；
撰寫論文，准備答辯。

六、國內外主要參考文獻（列出作者、論文名稱、期刊名稱、出版年月）

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1、 至少列舉國內外參考文獻20篇；
2、 教科書、工具書不能作為參考文獻；
3、 專著等參考書的數量小於總數量的三分之一；
4、 近五年出版的參考書數量不小於總數量的三分之一；
5、 外文參考文獻的數量不小於總數量的三分之一。