LDHs基薄膜材料的組裝及其氣體阻隔-離子傳導(dǎo)性能研究.pdf

1、層狀雙金屬氫氧化物（水滑石，LDHs）是一類典型的二維無機材料，具有層板金屬元素可調(diào)、層間陰離子可交換、形貌可調(diào)控等結(jié)構(gòu)特點，已在吸附/分離、催化、能量轉(zhuǎn)換與存儲、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域顯示出優(yōu)異的性能。近年來，LDHs在氣體阻隔領(lǐng)域的探索引起了研究者的廣泛關(guān)注:將LDHs與聚合物基質(zhì)進行復(fù)合得到氣體阻隔薄膜材料，用于食品/藥品包裝、電子器件封裝等領(lǐng)域，顯示出潛在的應(yīng)用前景。但是，該類材料在制備和應(yīng)用過程中存在如下問題:(1)如何調(diào)控二維LDH

2、s的形貌（如寬高比）以提升其氣體阻隔性能;(2)如何提升LDHs與聚合物界面的相容性，抑制在無機/有機界面處產(chǎn)生的自由體積;(3)如何獲得兼具氣體阻隔和離子傳導(dǎo)的雙功能材料，以拓展其在燃料電池隔膜的使用。為了解決上述問題，本論文開展了如下研究工作:
　　1、LDHs/丁腈膠乳復(fù)合薄膜材料的制備及其氧氣阻隔性能研究
　　采用一種簡便快捷的共沉淀法合成了具有較大寬高比的超薄LDH納米片(U-LDH)，采用非離子表面活性劑聚乙烯吡

3、咯烷酮(PVP)對其進行表面改性，得到超薄改性LDH納米片(U-mLDH);進一步將其作為構(gòu)筑基元與丁腈膠乳(NBR)經(jīng)旋涂方法組裝得到薄膜材料，研究了薄膜的氣體阻隔性能。研究發(fā)現(xiàn):該薄膜具有優(yōu)異的氧氣阻隔性能，與前人報道的其他橡膠氣密材料相比，該薄膜具有更低的氣體透過率(P=1.35×10-16 cm3 cm cm-2 s-1 Pa-1)和更小的氣體阻隔因子(P/P0=0.08)。進一步研究了該薄膜材料的結(jié)構(gòu)與其氣體阻隔性能之間的關(guān)聯(lián)

4、:由于U-mLDH具備較大的寬高比，與丁腈膠乳復(fù)合后形成的二維有序結(jié)構(gòu)顯著增加了氣體的擴散路徑;此外，LDHs表面改性增強了其與聚合物之間的界面相互作用，降低了自由體積，從而提升了氧氣阻隔能力。該薄膜材料在輪胎氣密層、器件封裝等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。
　　2、LDHs/聚砜復(fù)合薄膜材料的組裝及其氧氣阻隔/離子傳導(dǎo)雙功能研究
　　首先利用成核/晶化隔離法制備了CoAl-LDH膠體溶液;同時采用氯甲基化和季銨化的方法對聚砜(P

5、SF)進行離子基團的修飾，制備了接枝型聚砜(QCMPSF);然后采用層層組裝法將CoAl-LDH與QCMPSF制備得到復(fù)合薄膜材料。氣體透過率測試顯示該復(fù)合薄膜表現(xiàn)出良好的氣體阻隔性能，氧氣透過率(O2TR)為～2.35 cm3 m-2day-1 atm-1。電化學(xué)阻抗測試表明該薄膜具有優(yōu)異的離子傳導(dǎo)性能，離子傳導(dǎo)率（σ）為7.252 mS cm-1;比單純聚合物QCMPSF薄膜的離子傳導(dǎo)率增加了169％，滿足燃料電池隔膜的使用要求。進