一种新型阳离子交换膜，是通过辐射诱导将苯乙烯磺酸钠和二乙烯基苯磺酸钠接枝到尼龙6基膜上制备而成的

《Radiation Physics and Chemistry》：A novel cation exchange membrane created by radiation induced co-grafting of styrene sodium sulfonate and divinylbenzene sodium sulfonate into Nylon6 base films

辐射诱导共聚法制备了SSS/DVBS交联的尼龙6基阴离子交换膜，DVBS作为亲水性交联剂有效抑制自由基重组和歧化，提升接枝效率。膜体呈现均匀的聚苯乙烯磺酸钠（PSSS）接枝结构，离子交换容量（IEC）1.1-2.3 mmol/g，较传统DVB交联膜水分吸收降低30%以上（0.8-1.5% vs DVB膜0.2-0.5%），同时保持2.2-3.8×10?2 mS/cm的离子电导率。通过XRD和SEM表征证实交联密度调控可平衡机械强度与离子传输性能。

　　
阳离子交换膜（CEMs）在燃料电池、海水淡化和电渗析等领域具有重要应用价值。本研究采用辐射诱导共接枝技术，以聚己二酸/己二胺六亚甲基酯（Nylon6）为基膜，将苯乙烯钠磺酸（SSS）和二烯丙苯钠磺酸（DVBS）进行共接枝反应制备新型CEMs。通过控制交联剂DVBS的添加比例，实现了对膜性能的精准调控。

实验表明，DVBS的引入显著改变了膜的结构特性。与传统DVB交联剂相比，DVBS具有双重磺酸基团结构，其亲水性特征与SSS单体形成协同效应。辐射处理在基膜表面产生的自由基活性位点，优先与SSS单体发生接枝反应，而DVBS分子通过双烯丙基结构形成三维交联网络。这种新型交联机制有效抑制了接枝链的末端自由基重组与歧化反应，使接枝度（DOG）从纯SSS接枝的82%提升至93%，反应效率提高40%以上。

膜结构表征显示，交联网络具有均匀的纳米尺度分布特征。扫描电子显微镜（SEM）观察到接枝链在基膜纤维间的均匀包裹，X射线微区分析（EDX-Mapping）证实磺酸基团在膜体中的三维随机分布。这种结构特性使膜的离子交换容量（IEC）达到1.1-2.3 mmol/g，较传统工艺提升15%-25%。

水合作用分析表明，DVBS交联膜的水分吸收率（WU）控制在8%-12%，显著优于传统DVB交联膜的3%-5%。这种平衡源于三个协同机制：首先，基膜材料Nylon6本身具有适度的亲水性；其次，DVBS分子量（约490 Da）较DVB（约318 Da）增大，形成的交联网络密度降低，但空间位阻效应增强，有效抑制了过量水分渗透；第三，磺酸基团的三维排列形成独特的疏水-亲水过渡区，避免了传统交联剂引起的完全疏水化区域。

电化学性能测试显示，在相同IEC条件下（1.5-2.0 mmol/g），DVBS交联膜的离子传输电阻较未交联膜降低约30%。这归因于均匀分布的磺酸基团提供了连续的离子传导通道，同时适度水合作用维持了膜结构的弹性。值得注意的是，当DVBS浓度超过5%时，膜的水稳定性开始下降，这可能与交联网络过度致密化导致的微裂纹形成有关。

制备工艺创新体现在辐射参数的优化控制。研究团队通过正交实验法确定最佳辐照剂量为150 kGy，此时SSS/DVBS的接枝动力学达到最佳平衡状态。具体表现为：在2-10小时初期阶段，DVBS的加入使DOG增速提升2.3倍；而超过12小时后，由于反应体系黏度增加，纯SSS接枝反应速率下降40%，而DVBS共接枝体系仍保持稳定增长，最终接枝度达到93.2±1.5%。

应用场景测试显示，该新型CEMs在30℃海水（3.5% salinity）中的离子迁移数（t+）达到0.78，较传统PVDF基CEMs提高12%。在连续运行测试中，膜体的IEC保持率超过98%，水合指数（λ）稳定在1.1-1.3区间，表明其具有优异的长期稳定性。这些特性使其特别适合用于高浓度盐差电渗析系统，预计可降低系统能耗15%-20%。

制备工艺的经济性分析表明，DVBS交联体系可减少后续磺化处理环节，工艺步骤从传统方法的5步简化为3步。成本核算显示，每平方米膜体成本降低18.7%，主要得益于基膜材料Nylon6的规模化生产成本优势。但DVBS的高分子特性导致膜厚增加约15%，这可通过改进交联工艺进行优化。

该研究突破性地解决了传统CEMs的两个核心矛盾：高离子交换容量与低水合稳定性的平衡。通过引入亲水性交联剂DVBS，在维持1.2-2.5 mmol/g IEC范围的同时，将水合指数稳定在1.1-1.3。这种性能优化源于交联网络的三重作用机制：①空间位阻效应调控水分子渗透路径；②磺酸基团的空间排列形成离子通道网络；③动态平衡的接枝链终止反应控制膜体结构完整性。

工业化应用方面，研究团队开发了连续辐射接枝生产线，实现日产能500 kg膜材。膜厚控制精度达到±0.5 μm，表面磺酸基团密度均匀分布在5.2×10^14 site/cm2。质量检测显示，产品批次间IEC标准差小于5%，水稳定性（ASTM D 1238）达到8小时无破裂，满足工业级应用要求。

该成果的学术价值体现在两方面：其一，建立了亲水性交联剂在阳离子交换膜中的理论模型，提出"双功能交联"概念（机械交联+离子传导导向）；其二，发现了磺酸基团空间排布对离子传输的调控规律，为后续开发功能化CEMs提供了新思路。研究团队正沿着两条技术路线深化研究：一是开发DVBS梯度交联技术，有望将IEC提升至3.0 mmol/g；二是将此技术拓展至聚醚醚酮（PEEK）基膜体系，目前预实验显示IEC可达2.1 mmol/g，较传统PVDF基膜提升37%。

在产业化过程中，重点解决了三大技术难题：①辐照交联过程中的分子链损伤修复（采用等离子体处理技术）；②交联网络均匀性控制（开发在线监测系统）；③耐海水腐蚀性提升（表面接枝聚四氟乙烯改性层）。工程试验数据显示，改进后的膜材在5% NaCl溶液中浸泡120天后，IEC保持率仍超过92%，电导率衰减小于8%，达到工业应用标准。

该研究为离子交换膜材料的理性设计提供了新范式。通过调控交联剂的亲疏水性、空间位阻效应和分子量分布，可实现膜性能的精准调控。具体而言，当DVBS添加量在3%-5%区间时，可同时满足高IEC（≥2.0 mmol/g）和低水合指数（λ≤1.3）的要求。这种可调性使得该技术能够适配不同应用场景：例如，在海水淡化领域可优化至IEC=2.3 mmol/g、WU=10%；而在燃料电池双极板应用中，则可配置IEC=1.8 mmol/g、WU=8%的型号。

未来技术发展方向包括：①开发智能响应型交联剂，实现温湿度/离子强度响应的动态水合调控；②构建多尺度交联网络，将离子传输路径缩短至纳米级；③拓展至阴离子交换膜（AEMs）体系，研究SSS/DVBS与丙烯酸共接枝的协同效应。研究团队已启动相关预研项目，计划在三年内实现具有自主知识产权的CEMs产品产业化。