多嵌段型磺化聚芳醚砚质子交换膜的制备及性能研究

摘要

成功制备了一系列新型的多嵌段型磺化聚芳醚砜聚合物(bSPAES)，并通过bSPAES与磺化聚酰亚胺(SPI)复合，制备了具有双磺化结构的复合膜。对它们的离子交换容量(IEC)，吸水率(WU)，尺寸变化，质子导电率(σ)及水稳定性进行了详细的研究。
　　 在K2CO3的存在下，通过溶液缩聚的方法合成了具有亲水/疏水链段的多嵌段型磺化聚芳醚砜共聚物(SN-bSPAES)。利用1H NMR对低聚体以及多嵌段聚合物的结构进行了验证。SN-bSPAES膜都具有良好的高温水稳定，如IEC高达2.42 meq/g的M(6/4)-b(12/8)膜在100℃水中放置24h后，仍表现了较高的机械强度。SN-bSPAES膜在水中的质子导电率都明显高于Nafion112，M(4/6)-b(8/12)在60℃水中的质子导电率为0.208S/cm，是相同条件下Nafion112(0.142S/cm)的约1.5倍。当IEC相似时，它们的质子导电率和吸水率受链段长度影响，随着链段长度的增加，质子导电率和吸水率也随着增加。
　　 合成了具有高磺化/低磺化链段的多嵌段型磺化聚芳醚砜共聚物(SS-bSPAES)。SEM谱图显示所有嵌段膜的横断面没有出现明显相分离区域。SS-bSPAES膜都具有良好的水稳定性，尽管IEC达到了2.08 meq/g，在100℃水中放置200h后，仍保持很好的力学性能。当相对湿度达到60％以上时，SS-bSPAES膜的质子导电率要明显高于Nafion112膜。
　　 利用溶液浇注法成功制备了一系列的双磺化型SN-bSPAES/SPI复合膜。复合膜质地均匀，表面光滑平整。SEM谱图显示复合膜没有存在明显的相分离，表明两者具有很好的相溶性。由于SPI的引入，与纯的SN-bSPAES膜相比，复合膜的尺寸稳定性和高温水稳定性方面有了很大的提高。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：缩略词表

声明

1绪论

1.1燃料电池

1.1.1燃料电池的分类及特点

1.1.2燃料电池的发展

1.2质子交换膜燃料电池

1.2.1质子交换膜

1.2.2 PEMFC的结构及工作原理

1.2.3 PEMFC的优缺点

1.3质子交换膜的研究进展

1.3.1全氟磺酸质子交换膜

1.3.2部分氟化质子交换膜

1.3.3磺化聚芳环系列质子交换膜

1.4质子交换膜的改性

1.4.1提高质子导电率

1.4.2改善膜的水稳定性

1.4.3减少甲醇渗透率

1.5非氟型质子交换膜的改性方法

1.5.1嵌段共聚

1.5.2共混改性

1.6本文设计思想

2实验材料与实验方法

2.1实验仪器设备及实验原料

2.1.1实验仪器设备

2.1.2实验原料与试剂

2.2表征方法

2.2.1核磁共振分析

2.2.2扫描电子显微镜观察

2.2.3高效液相色谱分析

2.3聚合物及质子交换膜的性能测试

2.3.1粘度测试

2.3.2离子交换容量测量

2.3.3吸水率和尺寸变化

2.3.4高温水稳定性

2.3.5质子导电率

3亲水/疏水型嵌段共聚磺化聚芳醚砜质子交换膜的制备及性能研究

3.1前言

3.2实验部分

3.2.1聚合物合成

3.2.3质子交换

3.3结果与讨论

3.3.1聚合物的合成与表征

3.3.2离子交换容量(IEC)、吸水率(WU)

3.3.3尺寸变化

3.3.4高温水稳定性

3.3.5质子导电率

3.4本章小结

4高磺化/低磺化型嵌段共聚磺化聚芳醚砜质子交换膜的制备及性能研究

4.1前言

4.2实验部分

4.2.1高磺化/低磺化型嵌段共聚磺化聚芳醚砜质子交换膜的合成

4.3结果与讨论

4.3.1聚合物的合成与表征

4.3.2膜外观

4.3.3膜的微观形貌分析

4.3.4粘度、离子交换容量(IEC)、吸水率(WU)

4.3.5尺寸变化

4.3.6高温水稳定性

4.3.7质子导电率

4.4本章小结

5嵌段共聚型磺化聚芳醚砜/磺化聚酰亚胺复合质子交换膜的制备及性能研究

5.1前言

5.2实验部分

5.2.1亲水/疏水型嵌段型磺化聚芳醚砜聚合物(SN-bSPAES)的合成

5.2.2磺化聚酰亚胺(SPI)的合成

5.2.3 SN-bSPAES/SPI复合膜的制备

5.3结果与讨论

5.3.1 SN-bSPAES/SPI复合膜的形貌分析

5.3.2离子交换容量(IEC)、吸水率(WU)

5.3.3尺寸变化和水稳定性

5.3.4质子导电率

5.4本章小结

结 论

参考文献

致 谢

附录