化学稳定的磺化聚酰亚胺质子交换膜的合成及其表征

摘要

质子交换膜存在的最大问题是膜的水稳定性问题（包括水解稳定性、尺寸稳定性和溶解稳定性），对于磺化聚酰亚胺膜来说，由于存在酰亚胺环，因此他最大的问题是水解稳定性问题。基于这些问题，本文合成了一系列的化学稳定的（水、氧化和热稳定）磺化聚酰亚胺用做质子交换膜材料，所有的聚合物都表现出良好的成膜性、机械性能和热稳定性。首先，联萘二酐（BTDA）的引入，大大的提高膜的水解稳定性，例如Ⅰa-90在90℃的水中1000h还能保持原有的机械性能，而以NTDA为基础的膜24h就失去了原有的机械性能。同时，在分子链中引入碱性的二胺基团，例如，苯并咪唑等；碱性的基团和磺酸基团形成聚合物盐，增强了分子链间的相互作用，降低了膜的吸水率，提高了尺寸稳定性。例如Ⅰa-90和Ⅰc-90具有相近的IEC值，但是由于聚合物中碱性基团和磺酸形成的分子间作用力，Ⅰa-90的吸水率（65％）低于Ⅰc-90（79％）；吸水率的降低，同时也降低了膜的甲醇透过率。在保持这些优良性能的同时，为了提高膜的氧化稳定性和质子导电率，以新型的全芳香结构的磺化二胺（2，2′-BSBB）合成了一系列的不同磺化度的磺化聚酰亚胺（Ⅱ），所得聚合物具有良好的成膜性，在保持良好的机械性能、高热稳定性等的前提下，由于全芳香磺化二胺的引入，大大的提高了膜的氧化稳定性；尤其是Ⅱa-611 0膜，开始溶解的时间大于40h，远大于其它类型的SPI膜（〈30h）；由于2，2′-BSBB的刚性结构和大的侧链基团，Ⅱ膜具有较高的质子导电率；Ⅱa-80的质子导电率在20℃条件下为0．112S／cm，在相同测试条件下，大于Nafion 117的0．09 S／cm，也远远大于相似IEC值的Ⅰc-70的0．044S／cm。因此，该膜有望作为一种新型的性能优良的质子传输膜材料应用于燃料电池。