Nafion的物理和化學特性

?Nafion的物理和化學特性

背景知識

Nafion?是杜邦公司的Walther Grot博士通過改變Teflon?材料,在20世紀60年代末開發的材料。Nafion是有史以來第一種人工合成的具有離子特性的聚合物,它開啟了一種全新的聚合物種類,稱為離子交聯聚合物。?Nafion的離子特性是通過增加磺酸基至聚合物矩陣上形成的,磺酸基是有著非常強的離子性的化學成分。?Nafion結合了Teflon基礎材料的物理和化學特性,還有它的離子性特性為最終材料提供以下幾種特性:?

1.??? 像Teflon一樣,Nafion極抗化學侵蝕。據杜邦公司,只有金屬性的堿金屬(尤其是鈉)可以在常溫和常壓下直接攻擊Nafion。這意味著Nafion不會釋放碎片或降解產物到周圍介質中。

1.??? 像Teflon一樣,與許多聚合物相比Nafion有相對高的工作溫度。Nafion可以被用于溫度高達190℃的應用。.

2.??? 和Teflon不同, Nafion具有很高的離子導電性。它可以用作陽離子交換聚合物。

3.??? Nafion是一種超強酸催化劑。因為Nafion的Teflon基架上的磺酸基附著在巨大的聚合物矩陣上,磺酸基有極強的質子交換功能。

4.??? Nafion對水非常有選擇性且高滲透性。Nafion中的磺酸基有很高的水化性,所以它們非常有效的吸收水分。磺酸基的內在連接使得水可以很快的轉移。

應用

Nafion的特殊的性能可以應用于四個主要應用中:

1.??? Nafion用來制造離子交換膜用于生產氯氣體和堿(氫氧化鈉),通過電解鹽水。

2.??? Nafion被用來有選擇性的干燥或加濕氣體。這個應用最大的部分涉及在麻醉呼吸中的干燥和加濕,呼吸護理或容積描記法,但是許多應用是在實驗室和工業領域。

3.??? Nafion可以用來做燃料電池聚合物電極內的質子交換膜。

4.??? Nafion可以用于精細化學品的生產的酸催化劑。

物理外觀

Nafion初始是在磺酸基被中和形成鹽的形式下被生產的。在這種形式下,Nafion具有熱塑性(使用熱和壓力塑型和成型),但沒有化學活性。一旦塑成最后的形式(通常層或管),Nafion就與具有了化學活性,能把鹽的形式轉化為酸的形式。在這一階段,Nafion是一種半透明的塑料,外觀類似Teflon,但更清澈,少了些乳白色。

一旦有了活性,Nafion就會開始和周圍環境起反應。水分被吸收然后和周圍轉換。當暴露在Nafion的強酸催化活性下,周圍空氣中的活性有機氣體化合物可能會遭受化學變化。這些有機氣體可結合形成較大的液體或固體的化合物。隨著時間的推移,這些有機殘渣在Nafion上形成沉淀物。?Nafion的顏色逐漸變化,從原來的半透明變為黃色、然后褐色,甚至黑色。

Nafion本身的化學性能通過這個過程不會被改變。Nafion沒有直接被攻擊,性能也沒有退化。它的對水滲透性、離子交換和酸催化的性能沒有受到直接影響。

對于Nafion傳輸水(干燥或加濕氣體),水必須能夠達到Nafion表面的活性部位。在極端情況下,有機殘渣的沉淀物可以累積并堵塞Nafion表面,這就降低了Nafion的功能。當發生這種情況, Nafion嚴重變色,變為黑色而不是僅僅是黃色或棕色。即使在這些極端情況下,Nafion仍然能起作用,只是失去效率。由于局部的堵塞使之損失所有性能中的一小部分,這意味著性能是循序漸進的下降,并不是災難性的失敗。

在典型的儲存或者運行條件下,1年內Nafion會變得有點黃色,3-5年有些會變成棕色。即使是變成棕色后,Nafion仍然功能齊全,性能效率的損失有可能待觀察。

在周圍的空氣中這些未期待的化學反應會受到光照和升高的溫度的刺激。在黑暗中用密封袋貯藏將延長Nafion的原貌。

初始的Nafion有清晰的外觀,可以通過清潔恢復。如果需要也可運用各種清洗劑,通常是非極性溶劑,如正己烷。最有效的清潔方法(博純在干燥器服務程序中使用的)是在強酸中煮沸Nafion材料。在這些程序下Nafion不會被破壞,但變色表面的殘留物被去除了。

 

江苏十一选五任八