Исследование влияния ионизирующего излучения высокоэнергетических ионов гелия на процессы формирования протон-проводящих свойств полимерных фторсодержащих функциональных трековых мембран
РЕФЕРАТ 8
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 9
ВВЕДЕНИЕ 13
1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 15
1.1 Перспективы и проблемы развития топливных элементов 15
1.2 Основные принципы работы ТЭ 17
1.3 Мембранно-электродный блок топливного элемента 18
1.4 Роль полимерной мембраны, характеристики мембран 19
2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ МОДИФИКАЦИИ 21
2.1 Полимерные материалы для протон-проводящих мембран 21
2.2 Мономеры, применяемые для модификации мембран 23
2.3 Выбор метода модификации полимеров 24
2.4 Особенности радиационно-прививочной полимеризации 27
2.5 Источники ионизирующего излучения, применяемые для радиационнохимических технологий 28
2.5 Протон-проводящие допанты и механизм протонной проводимости в полимерной мембране 30
3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 34
3.1 Модель, методы и оборудование исследования 34
3.3 Облучение образцов 36
3.4 Оценка значений пробега альфа-частиц в эксперименте 37
3.5 Расчет поглощенной в пленке дозы при облучении ионным пучком 42
3.6 Радиационно-прививочной полимеризации на матрицу ПВДФ 43
3.7 Сульфирование привитых образцов 44
3.7 Определение характеристик ППМ 45
3.7.1 Гравиметрический метод 45
3.7.2 Измерение краевого угла смачивания водой 45
3.7.3 Трибологические исследования 46
3.8 Определение физико-химических свойств мембран 47
3.8.1 Измерение обменной емкости ППМ 47
3.8.2 Измерение проводимости образцов 47
4 РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОВЕДЕННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ 50
4.1 Модификация ПВДФ мембраны и сульфирование привитых образцов 50
4.2 Инфракрасная и ультрафиолетовая спектроскопия образцов 52
4.3 АСМ и метод РОР 54
4.4 Микроэлектронный анализ 56
4.5 Поверхностные свойства модифицированных мембран 58
4.6 Проводимость сульфированной ПВДФ 59
6 СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ 62
6.1 Анализ вредных и опасных факторов, создаваемые объектом исследования 62
6.2 Обоснование мероприятий по защите исследователя от действия опасных и
вредных факторов 64
6.2.1 Организационные мероприятия 64
6.2.2 Технические мероприятия 64
6.2.3 Условия безопасной работы 66
6.3 Химическая безопасность 68
6.4 Радиационная безопасность 70
6.5 Электробезопасность 73
6.6 Пожарная и взрывная безопасность 75
ВЫВОДЫ 78
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 79
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ 80
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 84
ПРИЛОЖЕНИЕ А 89
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 106
Современные химические исследования все больше базируются на решение проблем экологии. Вследствие антропогеновой деятельности окружающая среда значительно загрязняется, поэтому на первый план рассматриваются такие проблемы, как экологическая безопасность производств, обезвреживание отходов, в том числе сточных вод. Другая основная задача - поиск и создание новых источников энергии. [1, 2]. Решение этих проблем во многом связано с применением мембранных материалов и твердых электролитов, которые обычно используют для очистки вод, изготовления газовых и жидкостных сенсоров, а также всевозможных электрохимических устройств [3].
Общей особенностью твердых электролитов является высокая ионная проводимость, благодаря которому их широко используют в электрохимии, в основном как тонкие пластины, применяемые при изготовлении топливных элементов. Часто эти пластины имеют низкую ионную проводимость, а также высокую газопроницаемость. Таких минусов лишены полимерные ионообменные мембраны. При их использовании в водородной энергетике проявляются сложности: необходимость увлажнения и регулирования температуры, происходит химическая разрушаемость мембраны и т.д. [4]. Исходя из этого определяется необходимость поиска новых твердых электролитов и мембран. Но круг соответствующих материалов не очень широк. В последние годы получено лишь небольшое число новых твердых протон- проводящих элеткролитов или мембран, причем все они имеют такие же недостатки и по своим свойствам уступают перфторированным мембранам типа Нафион, разработанным для совершенно других целей (электрохимического производства хлора) [3,4]. Именно поэтому главное внимание исследователей привлекает синтез композиционных материалов, имеющих ряд преимещуств по сравнению с однофазными образцами [5, 6].
Следует учесть, что речь идет о получении нанокомпозитов. Изменение свойств композитов обусловлены в первую очередь явлениями, протекающими
на границе раздела фаз. Уменьшение среднего размера частиц способствует увеличению поверхности границы раздела, соответственно, и к изменению свойств материалов. Именно поэтому всевозможные исследования в области композиционных материалов с ионной проводимостью имеют прямое отношение к наноматериалам [7, 8].
Основная цель диссертационной работы заключается в получении полимерных протон-проводящих мембран путем радиационно-химической модификации стирола в матрицу ПВДФ с последующим сульфированием полученного полимерного композита.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
- Выбор исходного материала и мономера для проведения полимеризации;
- Модификация полимера методом радиационно-прививочной
полимеризации;
- Сульфирование привитых образцов;
- Исследование влияния дозы облучения ионов при прямом способе реакции на степень прививки;
- Исследование поверхностных, электрохимических свойств, а также микроструктуры модифицированных мембран;
- Создание модели технологического процесса получение ПОМ.
В заключении следует отметить, что результаты представленные в работе позволяют рассматривать радиационно-прививочную полимеризацию при облучении ионами гелия, как принципиальную возможность получения предельной прививки мономера стирола в образцах фторполимера ПВДФ с толщинами от 10 до 180 мкм. Закрепленный таким образом мономер стирола в полимере, являющийся допантом, при последующем сульфировании придает полимерной матрице протонопроводящие свойства. Следует также отметить, что изменяя энергию ионов при облучении, можно создать регулируемый по глубине и толщине слой со свободными радикалами.
Это позволяет рассматривать протон-проводящие мембраны в качестве материалов будущего, создание которых особенно актуально для развития наукоемких направлений, связанных с разработкой новых источников энергии, высокочувствительных сенсоров и т.д. А это напрямую связано с решением сложнейшей задачи, приобретающей в последние годы все большее значение, - защиты окружающей среды.
