新型磺化聚苯并咪唑及其交聯(lián)雜化膜的制備與性能研究.pdf

1、燃料電池是一種能夠將反應中的化學能直接轉化為電能的設備。它能有效地將化學能轉換為電能，而不會對環(huán)境造成破壞。質子交換膜（PEM）是燃料電池的核心部件，在質子交換膜的研究工作中，雜化交聯(lián)型質子交換膜是研究的重點方向之一。雜化交聯(lián)型質子交換膜具備如下優(yōu)點：1.制備過程較為簡便；2.通過不同物質進行雜化交聯(lián)，得到的雜化交聯(lián)膜可能會兼?zhèn)涠喾N不同的優(yōu)點；3.某些優(yōu)點可能會因為協(xié)同作用而放大。
　　本文通過雜化交聯(lián)的方法來提高質子交換膜的性能

2、。同時，希望通過引入特殊基團和無機粒子，在盡量不損害電導率的情況下，降低質子交換膜的溶脹率，提高其綜合性能。具體提出了兩條路徑解決上述問題，（1）引入3-巰丙基三乙氧基硅烷（KH580）這種自身帶有磺化基團并能自交聯(lián)的無機粒子，這樣可以減少因為引入磺酸基帶來的溶脹率增加的問題；（2）以電導率較高的超支化聚合物為基體，通過引入磺化聚苯并咪唑作為增強體，通過化學交聯(lián)及離子交聯(lián)來提高雜化交聯(lián)膜的機械性能，并降低溶脹率。
　　在第三章中，

3、合成了兩種較為常見的聚苯并咪唑（OPBI和NH2-OPBI），通過發(fā)煙硫酸或濃硫酸對其進行磺化，隨后將它與KH580進行雜化交聯(lián)，并采用硅烷偶聯(lián)劑（KH560）作為交聯(lián)劑對體系進行化學交聯(lián)。表面結構和掃描電鏡測試表明磺化聚苯并咪唑（FS-NH2OPBI和S-NH2OPBI）與KH580具備良好的相容性，其相容性與磺化程度有密切的關系，隨著磺化程度的提升，二者相容性逐漸改善。另外，含氨基的聚苯并咪唑的相容性要好于普通的聚苯并咪唑，這是因為

4、氨基對KH580的分散有一定的貢獻作用。加入KH580后，質子交換膜的電導率有了顯著的提升，當KH580含量達到33 wt％時,雜化交聯(lián)膜的電導率已經基本與Nafion相當。
　　為了進一步提高雜化交聯(lián)膜的綜合性能。第四章合成了2，6-二(5-腈基苯氧基)苯(mBCPOB-CN)，2，6-二(5-羧基苯氧基)苯(mBCPOB-COOH)和1，2-二（3’，4’-二氨基-3,4-咪唑基聯(lián)苯）-5-氨基苯（BAIPAP）三種單體。成功

5、將mBCPOB-COOH與DAB、BAIPAP及DCDPE進行了無規(guī)共聚并進行了磺化。所制備的雜化交聯(lián)膜均未出現相分離，KH580與新制備的新型含氧聚苯并咪唑相容性良好。雜化交聯(lián)膜的溶脹率和抗氧化性能依然能夠得到有效地提高。電導率方面，通過提高基體IEC的方法，成功降低了KH580在雜化交聯(lián)體系中的含量，當KH580含量達到25 wt%時,雜化交聯(lián)膜的電導率已經基本與Nafion112相當。由于體系中KH580的含量減少，體系的機械性能

6、有所提高。
　　在第五章中，將上述思路引入到了有機-有機的雜化交聯(lián)體系中。成功制備了4,4’-(9,9-亞芴基)雙（4-苯氧基-1,8-萘酐）（FBPNA），三（4-氨基苯基）胺（TAPA）兩種單體和4-苯氧基-1,8-萘酐（PNA）封端劑。并成功通過 A2+B3法制備了超支化聚酰亞胺。為了進一步提高 IEC，用PNA對合成的超支化聚合物進行了封端，制備了PNA修飾超支化聚酰亞胺（HBPI-PNA50）。通過后磺化制備了SHBPI

7、-PNA50。通過加入交聯(lián)劑（KH560和BADGE）進行共價交聯(lián)，成功制備了CSHBPI-PNA50自支撐質子交換膜。CSHBPI-PNA50具備較高的IEC和電導率，然而其機械性能較差。引入FS-NH2OPBI作為增強材料，FS-NH2OPBI與SHBPI-PNA50具有良好的相容性，雜化交聯(lián)膜并未出現宏觀相分離。電導率方面，不同種類的交聯(lián)劑對雜化交聯(lián)膜的電導率有較大的影響，使用KH560作為交聯(lián)劑的雜化交聯(lián)膜，其電導率要稍高于以環(huán)