近日，我院2021级本科生雷林通过SRTP项目《面向无内衬储氢气瓶的树脂低温力学与透气性研究》（指导教师：严岩）在全复合材料液氢容器研究方向取得进展，相关研究成果以“Improve the gas-barrier and mechanical performance of epoxy resin by co-modification from montmorillonite and polyethylene glycol”为题发表在氢能领域顶级期刊之一《International Journal of Hydrogen Energy》。该期刊为JCR分区Q1区，最新影响因子为7.2。
图1.本研究论文截图
氢存储容器经历了从全金属容器到碳纤维包裹容器的转变。目前最先进的储氢容器为无内衬全复合材料（Ⅴ型）储氢气瓶，但依然面临着氢气泄漏和低温下环氧树脂力学性能下降两大问题，但鲜有对两类问题共同改良的研究。论文在团队前期对于环氧树脂的阻气性和力学性能的研究基础上进行联合改性，在文中阐述了两种改性物之间互相影响的机理，为Ⅴ型储氢气瓶用环氧树脂进一步优化提供新的改性路线。
论文通过添加比表面积较高的蒙脱土（MMT）作为阻氢材料，将氢气分子在环氧树脂中的扩散路径延长，降低其气体扩散系数，如图2(a) 所示。但蒙脱土团聚体形式与环氧树脂不相容，这会导致环氧树脂的力学性能大幅下降。因此，进一步添加聚乙二醇（PEG）作为改良剂，以提高树脂的力学性能。
实验结果如图2(b)所示。添加聚乙二醇使得树脂基体的综合力学性能有所改良，且少量的聚乙二醇会提升环氧树脂的结晶度，使其气体扩散系数下降；但随着聚乙二醇含量的增加，阻气性能反而下降。整体而言，MMT-25（蒙脱土质量分数25%）、MMT25-PEG5（蒙脱土、聚乙二醇质量分数分别为25%和5%）和MMT25-PEG10（蒙脱土、聚乙二醇质量分数分别为25%和10%）试件的气体扩散系数满足ISO19881-2018规定的标准值1.24×10-15 mol/(m·s·Pa)。
这一现象可通过蒙脱土在树脂和聚乙二醇基体中不同的存在形式得到解释。如图2(c)所示，亲水性较强的蒙脱土将会以剥落、插层和团聚形式存在环氧树脂中，但其在聚乙二醇中主要以团聚体形式存在。一般认为，剥落的纳米颗粒具有更高的无序性和更好的气体阻隔性能。随着聚乙二醇含量的增加，蒙脱土的团聚体量增加，在环氧树脂基体中的分散形式发生改变，进而影响树脂基体的阻气性能。
经过改性后的环氧树脂更适合于Ⅴ型储氢气瓶，有利于减少气瓶在使用过程中的氢气泄漏及环氧树脂产生微裂纹的风险，对促进V型储氢气瓶的商业化具有一定的价值。
图2. 论文获得主要成果
论文的通讯作者为我院严岩副教授。这项工作得到国家重点研发计划项目(2023YFC3010301)、江苏省碳达峰碳中和科技创新专项资金(BE2022001-2)的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.04.037