HDPE前驱膜结晶度对所得辐射接枝阴离子交换膜性能的影响

《RSC Applied Polymers》：The effect of crystallinity of HDPE precursor film on the properties of the resultant radiation-grafted anion-exchange membranes

辐射接枝阴离子交换膜（AEM）的结晶度控制对性能影响显著，商用HDPE薄膜结晶度在74%-91%间波动，导致接枝度（DoG）、离子交换容量（IEC）和导电性（σ）呈现负相关（Pearson's R分别为-0.5、-0.4、-0.6）。当结晶度超过81%时，DoG、IEC和σ的变异系数显著降低，表明结晶度阈值对性能一致性起关键作用。值得注意的是，结晶度与AEM吸水率（WU）呈正相关（R=+0.7），提示结晶结构特征（如晶粒尺寸和分布）可能通过调控亲水通道影响水吸收行为。

　　在本研究中，科学家们探讨了商业供应的高密度聚乙烯（HDPE）薄膜的结晶度对辐射接枝阴离子交换膜（AEMs）性能的影响。研究背景表明，AEMs是用于多种新兴技术的关键材料，包括碱性膜燃料电池（AEMFC）、阴离子交换膜电解槽（用于氢气生成和二氧化碳电还原）以及（反向）电渗析。这些膜通过在聚合物基材上接枝特定的官能团，如氯乙烯苯基氯（VBC）和后续的季铵化处理（如使用三甲胺，TMA）来实现其功能。为了推动AEMs的大规模生产，研究者需要了解如何通过优化基材薄膜的制造过程，使最终的AEMs性能更加稳定和可预测。

本研究采用了一种非破坏性的方法，即通过密度测量来评估商业HDPE薄膜的结晶度。这一方法能够提供较大的样品量，从而更准确地反映薄膜整体的结晶度分布。研究结果显示，商业供应的10米长HDPE薄膜在不同位置的结晶度存在显著变化，甚至在同一批次的薄膜之间也存在差异，最大变化可达17%。这种结晶度的不一致性可能会影响后续的辐射接枝反应，进而影响AEMs的性能参数，如接枝度（DoG）、离子交换容量（IEC）和导电性。

进一步的分析表明，结晶度与DoG、IEC和导电性之间存在负相关关系，相关系数分别为?0.5、?0.6。这意味着随着结晶度的增加，这些性能参数会有所下降。然而，研究还发现了一个关键的阈值效应，当结晶度超过81%时，这些性能参数的变化幅度显著减小，从而使得最终的AEMs性能更加一致。这一发现对于实现AEMs的工业化生产至关重要，因为只有在结晶度达到这一阈值以上时，才能确保膜的性能在批量生产过程中保持稳定和可重复。

值得注意的是，结晶度与水吸收（WU）之间的关系却呈现出正相关，相关系数为+0.7。这一现象与预期相反，因为通常认为较高的结晶度会减少膜的水吸收能力。然而，研究者指出，这可能是由于结晶度的变化不仅影响了膜的整体结构，还可能影响了结晶区的尺寸和分布，从而对膜内部的水合通道形态产生了影响。更大的结晶区可能促进了更广泛的水合通道形成，进而提高了膜的水吸收能力。这种现象表明，在考虑结晶度对AEMs性能的影响时，还需要进一步研究结晶区的尺寸和分布等因素。

研究还指出，由于商业聚合物的制造过程通常是保密的，因此难以获得详细的制造参数和添加剂信息。这给研究带来了挑战，但同时也凸显了对制造工艺进行标准化和优化的重要性。通过本研究，科学家们希望为未来的AEMs大规模生产提供理论依据和技术指导，特别是在确保膜性能一致性和可预测性方面。

此外，研究者还讨论了不同制造工艺对AEMs性能的影响。例如，通过调整结晶度，可以显著改善膜的性能。在辐射接枝过程中，结晶度的高低直接影响了接枝反应的均匀性和效率。较高的结晶度可能会限制接枝反应的进行，从而影响膜的离子交换能力和导电性。然而，当结晶度超过81%时，这些性能参数的变化变得不显著，这为实现高质量、一致性的AEMs提供了可能。

本研究还强调了未来需要进一步探索的方向。例如，结晶度与水合通道形态之间的关系，以及不同结晶度对膜性能的具体影响机制。这些研究不仅有助于理解AEMs的微观结构如何影响其宏观性能，还可能为开发新的AEMs材料和优化现有材料的制造工艺提供重要的理论支持和技术指导。

总之，这项研究通过详细分析商业HDPE薄膜的结晶度变化及其对AEMs性能的影响，为推动AEMs的工业化生产提供了关键的科学依据。研究结果表明，通过控制HDPE薄膜的结晶度，特别是在制造过程中确保其达到81%以上，可以显著提高AEMs的性能一致性。这一发现对于未来的AEMs研究和应用具有重要的意义，尤其是在需要高稳定性和高一致性的场景中。