Constructing Anhydrous Proton Conductive Aramid Membranes through Grafting Kevlar Micro-fibrils with Phosphoric Acid

芳纶 材料科学 凯夫拉 电导率 磷酸 质子 复合材料 高分子化学 化学工程 聚合物 无水的 纤维 有机化学 化学 复合数 工程类 物理 物理化学 冶金 量子力学 生物化学
作者
Jing Zhao,Xiangqing Duan,Di Song,Jing Jia,Ning Wang,Yangyang Jing,Quantong Che
出处
期刊:Fibers and Polymers [Springer Science+Business Media]
卷期号:22 (6): 1502-1510 被引量:10
标识
DOI:10.1007/s12221-021-0441-z
摘要

Polyparaphenylene terephthalamide (PPTA) is a para-aramid polymer and it has been widely used as the ultra-light functional material in the fields of energy storage and transformation, military and aviation owing to some merits of strength, stability and lightweight, etc. The aim of this work is to propose a facile strategy of constructing anhydrous proton conductive aramid membranes through grafting Kevlar micro-fibrils with phosphoric acid (PA). In the prepared Kevlar-PA structure, PA molecules functioned as bridges to link the neighboring molecular chains through the formed intermolecular hydrogen bonds. More PA molecules were doped while Kevlar-PA membranes were immersed into (100−50) wt.% PA solutions with the formation of (Kevlar-PA)/(100%−50%)PA membranes. Successful construction of Kevlar-PA structure could guarantee fine performance on proton conduction in (Kevlar-PA)/(100%−50%)PA membranes. Specifically, (Kevlar-PA)/100%PA membranes showed the anhydrous proton conductivity of 2.68×10−1 S/cm at 160 °C and the stable value of 2.25×10−1 S/cm at 120 °C in a 300-hour non-stop test. The similar proton conduction resistance could be revealed from the invariable activation energy (Ea) values. Higher proton conductivity thus signified more proton conduction carriers participating the proton conduction processes. The introduction of PA molecules in Kevlar micro-fibrils that was substantially more effective at constructing conductive aramid membranes comparing to the strategies of treating the surface of Kevlar fibers. This research is expected to provide a facile and promising strategy to construct anhydrous proton conductive aramid membranes through grafting micro-fibrils of aramid nanofibers (ANFs), showing a great promise in the preparation of membrane electrolytes from ANFs.
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