Введение к работе
Актуальность темы: Требования современной техники, ставят перед наукой много задач, для решения которых необходимо разрабатывать и внедрять новые технологии, в частности это касается вопросов создания возобновляемых источников энергии. Для решения этих проблем, становится возможным, что со временем будут использоваться топливные элементы. Первоначально применявшиеся лишь в космической отрасли, в настоящее время топливные элементы все активней используются в самых разных областях — как стационарные электростанции, автономные источники тепло- и электроснабжения зданий, двигатели транспортных средств, источники питания ноутбуков и мобильных телефонов. Часть этих устройств является лабораторными прототипами, часть проходит предсерийные испытания или используется в демонстрационных целях, но многие модели уже выпускаются серийно и применяются в коммерческих проектах.
Среди множества типов топливных элементов наибольший интерес представляют системы с протонпроводящими электролитными мембранами, которые должны обладать следующими эксплуатационными характеристиками:
высокая термическая стабильность от 150 до 180С;
высокая ионообменная емкость, достаточная для достижения проводимости порядка 10_1См/см - 10"3См/см при температурах, близких к 50С;
высокая протонная проводимость при температурах выше 150 и ниже 0С;
электрофизическая и механическая стабильность при работе в жестких условиях в течение длительного времени;
помимо этого частицы катализатора должны легко наноситься на ионообменную пленку.
Пока не созданы мембраны, которые полностью удовлетворяли бы этим
требованиям. Считаем, что в качестве мембран для топливных элементов
перспективно использовать полиамидобензимидазолы (ПАБИ) и композиты на их
основе. Для получения полимерных композиций используют линейный полимер
полиамидобензимидазол, а в качестве трехмерной сетки - полиаминоимидная
смола (ПАИС), при этом композитах полиамидобензимидазол/полиаминоимидная
смола существенно компенсируются следующие недостатки:
полиамидобензимидазол - высокая себестоимость, полиаминоимидная смола -невысокая механическая прочность при динамических нагрузках.
Актуальными задачами при исследовании композитов, является изучение термодинамических характеристик (энергия Гиббса, энтальпия, энтропия и параметры термодинамического взаимодействия Флори-Хаггинса). Поскольку компоненты полимерных композиций взаимодействуют между собой, это несомненно отражается на термодинамических параметрах смешения и на микроструктурных характеристиках и позволяет значительно сократить время на поиск оптимальных рецептур композитов с наилучшими физико-механическими и электрофизическими свойствами.
Цель работы: изучение термодинамических и электрофизических свойств полимерных композиций на основе линейного полимера полиамидобензимидазола и реактопласта полиаминоимидной смолы.
В соответствии с этим были поставлены следующие задачи:
детальное исследование термодинамических параметров взаимодействия при различном соотношении полиамидобензимидазола и полиаминоимидной смолы. Рассчитать параметры термодинамического взаимодействия Флори-Хаггинса и термодинамические функции: энтальпия, энтропия и энергия Гиббса;
установить влияние термодинамических параметров смешение на эксплуатационные свойства получаемых композитов и выбор оптимальных составов композиционных материалов, подобрать оптимальные составы композиционных материалов с улучшенными механическими и электрофизическими свойствами;
модифицировать полиамидобензимидазол путем введения сульфированных групп для повышения ионообменной емкости. Установить в зависимости от продолжительности и температурных режимов условия синтеза;
изучение физико-механических и электрофизических свойств композитов.
Научная новизна полученных результатов заключается в том, что в диссертационной работе впервые:
получены композиционные материалы на основе полиамидобензимидазола и полиаминоимидной смолы и всесторонне изучены их термодинамические характеристики;
изучены термические, физико-механические и электрофизические свойства композиционных материалов в зависимости от соотношения исходных компонентов.
предложен состав композита, которые по своему термодинамическому качеству позволяет получать материалы с улучшенными свойствами в отличие от составляющих компонентов;
впервые показана возможность синтеза сульфированного полиамидобензимидазола на основе сульфированного мономера;
получены протонпроводящие мембраны на основе композитов и измерены их протонные проводимости, которые удовлетворяют требованиям, выдвигаемые к мембранам топливных элементов.
Практическая значимость работы. Результаты изучения композиционных материалов, а также сведения о составе новых соединений, их физические характеристики являются востребованными материалами для получения на их основе протонпроводящих полимерных мембран.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
Результаты расчетов термодинамических параметров термодинамического взаимодействия Флори-Хаггинса и термодинамических функций: энтальпия, энтропия и энергия Гиббса;
Состав пленок на основе полиамидобензимидазола и полиаминоимидной смолы с улучшенными электрофизическими и физико-
механическими свойствами с учетом данных исследований термодинамических параметров;
Оптимальные условия синтеза сульфированных полиамидобензимидазолов (СПАБИ) в зависимости от продолжительности синтеза, исходных концентраций мономеров и температурных режимов для получения полимеров с наибольшей приведенной вязкостью (Г|пр).
Протонные проводимости полимерных композиции, которые обеспечивают более эффективный протонный транспорт в протонпроводящих мембранах.
Достоверность полученных результатов подтверждается
использованием многократно проверенных теоретических и эмпирических методик и зависимостей.
Личный вклад автора состоял в разработке и проведении экспериментов, анализе и обобщении полученных результатов. Вклад соискателя признан всеми соавторами.
Апробация работы и публикации. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научной конференции преподавателей, научных работников и аспирантов ВСГТУ (Улан-Удэ, 2008); Всероссийской конференции по макромолекулярной химии (Улан-Удэ, Сухая, 2008); научной сессии БИП СО РАН, посвященный Дню науки (Улан-Удэ, 2009, 2011); научно-практической конференции преподавателей и сотрудников БГУ (Улан-Удэ, 2009, 2011); V школе-семинаре молодых ученых России «Проблемы устойчивого развития региона» (Улан-Удэ, 2009); XLVIII Международной научно-студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 2010); Международной конференции «Ion transport in organic and inorganic membranes» (Туапсе, 2009, 2010); Международная конференция ЮНЕСКО «Глобальные и региональные проблемы устойчивого развития мира» (Улан-Удэ, 2010).
Публикации. Основное содержание работы изложено в 17 публикациях, из них 4 статьи в журналах рецензированных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов, списка цитируемой литературы и приложения. Работа изложена на страницах 130. включает 20 рисунков и 15 таблиц. Список использованной литературы включает 137 наименований.
