聚苯并咪唑基质子交换膜中显微红外分析检测方案(红外光谱仪)

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SHIMADZUAPPLICATION NEWS光谱分析http：//www.shimadzu.com.cn上海(021)64156604 广州(020)87108613岛津应用技术咨询电话(分析中心) 北京(010)85252416/2417/2352 NO.FTIR-002 岛津分析应用报告 聚苯并咪唑基质子交换膜的显微红外分析 摘要由原位混合和共混两种方法制得磺化聚醚醚酮(SPEEK)和聚苯并咪唑(PBI)共混膜。用FTIR显微红外分析共混膜中两种聚合物的混合状态，分析结果表明用原位混合方法制得的膜形成了盐结构，而用共混方法并未得到此结构，并通过改变一系列光阑尺寸、，大小进行分析，得到PBI与 SPEEK在共混膜中的分布状况。 SPEEK用于直接甲醇燃料电池(DMFC)中作为质子交换膜时，存在在甲醇溶液中过度溶胀，力学性能下降的缺点。为了解决这个问题，实验中加入PBI以提高机械性能和耐甲醇渗透性。PBI的含量及其分布对共混膜的电性能影响很大。 随着FTIR仪器的发展，在高聚物结构的研究中，红外光谱法成为极为重要的手段之一，可用于高聚物结晶、取向、共混等结构及动态过程的研究。很多情况下，有机共混高聚物中各组分元素基本相同，其间主要差异是官能基团的不同，红外可以对共混共聚物中特定基团进行定性定量的分析，显微红外则可以得到特定基团在共混高聚物中的分布信息。本文通过显微红外分析[1.2]由原位混合和共混两种方法制得的SPEEK与 PBI共混膜中的两种组分的混合状态；通过改变一系列光阑大小分析PBI在共混膜中的分布形态。通过对比不同膜的红外谱图，发现原位混合制得的共混膜中形成了期望所得的铵盐，在2014 cm²处出现对应亚铵盐的特征峰，而共混制得的共混膜中并未得到这种结构(如图2)。根据红外谱图，对成盐样品进行红外显微测试，SPEEK选取对应共轭羰基C=O伸缩振动的1654 cm1峰或对应磺酸基中O=S=O伸缩振动的1078 cm²1峰做为特征峰； PBI选取对应 亚铵盐2014 cm1峰做为特征峰。 图1样品1，2， SPEEK， PBI红外光谱图(750~4000cm-1) 图22样品1，2，SPEEK、PBI红外光谱图(1500~3000cm1) 先采用400×400cm大光阑，在3500×3500cm二维区域中扫描，得到立体图(图3a)。在其差异度相对小的平滑区，选择一个400×400cm的分区作为固定对象进行测试，将光阑由大至小调节，得到各扫描图像，以光阑为15om为例，所选步长X，Y方向各为25cm，17×17点扫描，其形貌分布立体图(图3b)。 图3中，对一系列光阑变化后结果取比值峰最大值Max与最小值Min，以相对差异值： Diff=(Max-Min)/Max与光阑大小的变化相结合找到变化趋势，得到组分分布信息。 图3的结果显示出对任一种制法所得的膜，其不均匀的差异度在测试范围随光阑减小而增大，并且通过相对差异值随光阑变化的对比发现，其峰值变化范围相对值也随光阑减小而增大。大光阑观测会使局部基团聚集差异被大区域平均化，使总体差异度减小且趋于平滑。随光阑减小，其结果更能细致反映出其基团聚集。在400×400ccm光阑下得到的二维分布图内仍有大区域的平滑区域，如图3a，即分布相对均匀的区。而到100×100cm光阑后，分布出现明显聚集区，如图3b。 无论以羰基还是磺酸基为基准，其差异变化相对值都在50~100cm光阑开始出现明显上升，其分散尺寸的均匀度在此范围出现明显变化，说明有这个尺度的宏观聚集。并且在所选最小测试光阑15×15cm以后，这种组分分布不均匀性更趋明显。 综上所述，通过红外光谱的分析和显微红外光谱的观察，不但得到了共混膜中PBI和SPEEK的分布状况，而且证实了直接共混制成的膜不能成盐，而原位混合制得的膜可以成盐的实验结果，为合成制备性能良好的共混膜奠定了基础。 a：400×400cm光阑，步长在X， Y方向：430cm， 7×7点扫描 图3 原位共混膜显微红外测试图(2014 cm/1654 cm1峰高比值的二维分布) ( 参考文献： ) ( 1.K.ARTYUSHKOVA， B. WALLetal. Applied Spectroscopy， 2000，54(11)：1549-1558 ) 2.吴瑾光 近代傅里叶变换红外光谱技术及应用，科学技术文 献出版社，1994 岛津国际贸易(上海)有限公司