Nafion的物理和化学特性

 Nafion的物理和化学特性

背景知识

Nafion®是杜邦公司的Walther Grot博士通过改变Teflon®材料,在20世纪60年代末开发的材料。Nafion是有史以来第一种人工合成的具有离子特性的聚合物,它开启了一种全新的聚合物种类,称为离子交联聚合物。 Nafion的离子特性是通过增加磺酸基至聚合物矩阵上形成的,磺酸基是有着非常强的离子性的化学成分。 Nafion结合了Teflon基础材料的物理和化学特性,还有它的离子性特性为最终材料提供以下几种特性: 

1.    像Teflon一样,Nafion极抗化学侵蚀。据杜邦公司,只有金属性的碱金属(尤其是钠)可以在常温和常压下直接攻击Nafion。这意味着Nafion不会释放碎片或降解产物到周围介质中。

1.    像Teflon一样,与许多聚合物相比Nafion有相对高的工作温度。Nafion可以被用于温度高达190℃的应用。.

2.    和Teflon不同, Nafion具有很高的离子导电性。它可以用作阳离子交换聚合物。

3.    Nafion是一种超强酸催化剂。因为Nafion的Teflon基架上的磺酸基附着在巨大的聚合物矩阵上,磺酸基有极强的质子交换功能。

4.    Nafion对水非常有选择性且高渗透性。Nafion中的磺酸基有很高的水化性,所以它们非常有效的吸收水分。磺酸基的内在连接使得水可以很快的转移。

应用

Nafion的特殊的性能可以应用于四个主要应用中:

1.    Nafion用来制造离子交换膜用于生产氯气体和碱(氢氧化钠),通过电解盐水。

2.    Nafion被用来有选择性的干燥或加湿气体。这个应用最大的部分涉及在麻醉呼吸中的干燥和加湿,呼吸护理或容积描记法,但是许多应用是在实验室和工业领域。

3.    Nafion可以用来做燃料电池聚合物电极内的质子交换膜。

4.    Nafion可以用于精细化学品的生产的酸催化剂。

物理外观

Nafion初始是在磺酸基被中和形成盐的形式下被生产的。在这种形式下,Nafion具有热塑性(使用热和压力塑型和成型),但没有化学活性。一旦塑成最后的形式(通常层或管),Nafion就与具有了化学活性,能把盐的形式转化为酸的形式。在这一阶段,Nafion是一种半透明的塑料,外观类似Teflon,但更清澈,少了些乳白色。

一旦有了活性,Nafion就会开始和周围环境起反应。水分被吸收然后和周围转换。当暴露在Nafion的强酸催化活性下,周围空气中的活性有机气体化合物可能会遭受化学变化。这些有机气体可结合形成较大的液体或固体的化合物。随着时间的推移,这些有机残渣在Nafion上形成沉淀物。 Nafion的颜色逐渐变化,从原来的半透明变为黄色、然后褐色,甚至黑色。

Nafion本身的化学性能通过这个过程不会被改变。Nafion没有直接被攻击,性能也没有退化。它的对水渗透性、离子交换和酸催化的性能没有受到直接影响。

对于Nafion传输水(干燥或加湿气体),水必须能够达到Nafion表面的活性部位。在极端情况下,有机残渣的沉淀物可以累积并堵塞Nafion表面,这就降低了Nafion的功能。当发生这种情况, Nafion严重变色,变为黑色而不是仅仅是黄色或棕色。即使在这些极端情况下,Nafion仍然能起作用,只是失去效率。由于局部的堵塞使之损失所有性能中的一小部分,这意味着性能是循序渐进的下降,并不是灾难性的失败。

在典型的储存或者运行条件下,1年内Nafion会变得有点黄色,3-5年有些会变成棕色。即使是变成棕色后,Nafion仍然功能齐全,性能效率的损失有可能待观察。

在周围的空气中这些未期待的化学反应会受到光照和升高的温度的刺激。在黑暗中用密封袋贮藏将延长Nafion的原貌。

初始的Nafion有清晰的外观,可以通过清洁恢复。如果需要也可运用各种清洗剂,通常是非极性溶剂,如正己烷。最有效的清洁方法(博纯在干燥器服务程序中使用的)是在强酸中煮沸Nafion材料。在这些程序下Nafion不会被破坏,但变色表面的残留物被去除了。