商用质子交换膜（PEMs）的理化特性与热降解行为研究及其对新型膜材料开发的启示

这篇综述系统评价了两种商用质子交换膜（Nafion与Aquivion）的理化性质、热稳定性及燃烧特性，通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、扫描电镜（SEM/EDS）、热重分析（TGA）及差示扫描量热法（DSC）等技术揭示了其结构-性能关系。研究创新性地结合Flynn-Wall-Ozawa（FWO）方法与热解燃烧流式量热（PCFC）技术，首次量化了膜的活化能（Ea）与燃烧参数，为开发环保型非氟化聚烯烃基膜材料提供了关键基准。

　　

ABSTRACT

研究聚焦商用全氟化质子交换膜（PEMs）的构效关系，通过多尺度表征技术解析Nafion与Aquivion的差异。FT-IR光谱显示二者在1150 cm^?1（CF₂振动）和970 cm^?1（C-O-C键）处特征峰相似，但SEM/EDS证实Aquivion的硫原子浓度是Nafion的4.5倍，暗示其更高的磺酸基团密度。

热降解与燃烧行为

TGA数据显示，升温速率从5°C min^?1升至60°C min^?1时，Aquivion的起始降解温度（324°C）显著高于Nafion（313°C）。PCFC测试进一步揭示Aquivion的热释放容量（HRC=39 J g^?1 K^?1）和总热释放量（THR=3.2 kJ g^?1）均低于Nafion，表明短侧链结构赋予更优热稳定性。通过FWO方法计算的活化能（E_a）显示，Aquivion（156 kJ mol^?1）略高于Nafion（151 kJ mol^?1），与降解需更高能量屏障的结论一致。

水相互作用特性

接触角测量（约103°）证实二者表面疏水性相近，但溶胀实验显示Nafion的吸水率（119%）略高于Aquivion（117%）。DSC曲线在90-110°C的微弱拐点提示玻璃化转变（T_g），而480-490°C的放热峰对应PTFE主链分解，与TGA失重阶段吻合。

结论与展望

研究证实短侧链设计的Aquivion在热稳定性与阻燃性上更具优势，为开发非PFAS（全氟烷基物质）膜材料指明方向——即通过优化侧链长度与磺化度平衡性能。未来可基于此构建聚烯烃骨架的新型膜，兼具环境友好性与工程适用性。