聚砜基氫氧根離子交換膜制備及性能.pdf

1、陰離子交換膜是氫氧燃料電池的核心部件，研發(fā)高離子傳導(dǎo)率、優(yōu)良化學(xué)、機(jī)械性能的高性能陰離子交換膜成為現(xiàn)階段氫氧燃料電池研究的重點(diǎn)?，F(xiàn)有研究思路主要集中在設(shè)計(jì)聚合物主鏈及堿性功能基團(tuán)側(cè)鏈兩個(gè)方面，如功能化單體聚合形成嵌段聚合物以及強(qiáng)堿性、穩(wěn)定性好的堿性功能基團(tuán)的改性研究。本文以性能優(yōu)良的熱塑性工程塑料聚砜為主鏈，提出三甲胺均相季銨化，以及烏洛托品、長支鏈醚鍵咪唑作為新型堿性功能基團(tuán)的方法，制備性能優(yōu)良的聚砜基陰離子交換膜。
　　針對非

2、均相法制備的陰離子交換膜反應(yīng)不均勻、離子傳導(dǎo)率不高的問題，開發(fā)混合溶劑，實(shí)現(xiàn)氯甲基化聚砜與三甲胺的均相季銨化反應(yīng)，成功制備了一系列三甲胺聚砜陰離子交換膜。均相法和非均相法制備的膜，離子交換容量分別可達(dá)到0.52-1.13 mmol g-1和0.56-1.28 mmol g-1。與非均相膜相比，均相季銨化膜中季銨基團(tuán)更多（離子交換容量，IEC約增加10％），膜的含水量約提高8.8％，氫氧根傳導(dǎo)率的提高程度遠(yuǎn)大于離子交換容量和含水量的提高程

3、度，常溫下離子傳導(dǎo)率最大可提高29.3％，透射電鏡(TEM)顯示均相法制備的膜具有更好的微觀相分離結(jié)構(gòu)。
　　盡管均相法制備聚砜膜電導(dǎo)率有一定程度提高，但沒能解決提高季銨基團(tuán)數(shù)量造成過度溶脹和高溫強(qiáng)堿下降解問題。針對上述問題，選用含有四個(gè)氮、金剛烷結(jié)構(gòu)的烏洛托品作為新的季銨化試劑，成功合成烏洛托品季銨化聚砜陰離子交換膜(CPSF-QuOH)，通過核磁共振確定了季銨化程度及交聯(lián)度。CPSF-QuOH膜的離子交換容量從1.39-2.2

4、3mmol g-1，交聯(lián)度在15-26％，水吸收率和溶脹度分別保持在30％和20％以下，30℃時(shí)離子傳導(dǎo)率從18.2 mS cm-1增大到40 mS cm-1，表明CPSF-QuOH膜具有較高的氫氧根離子傳導(dǎo)率和良好的機(jī)械穩(wěn)定性。CPSF-QuOH膜初始分解溫度高達(dá)204℃，具有良好的熱穩(wěn)定性;60℃下1M KOH強(qiáng)堿溶液中浸泡7天，離子傳導(dǎo)率衰減很?。ㄗ畲笏p14.4％），測試證明具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性。
　　為進(jìn)一步提高陰離子交

5、換膜的穩(wěn)定性，首先合成氯化1-（2-羥乙基）-3-甲基咪唑鎓鹽為季銨化試劑，然后通過威廉姆森成醚反應(yīng)，成功合成了醚鍵接枝咪唑鎓化聚砜(EPSF-ImCl)，進(jìn)而澆鑄成膜，制備了理論IEC為1.37-1.95mmol g-1的EPSF-ImOH膜。20℃時(shí)，EPSF-ImOH1.22（理論IEC為1.95mmol g-1）的氫氧根離子傳導(dǎo)率達(dá)到27.4 mScm-1，60℃時(shí)升高到72 mS cm-1。EPSF-ImOH膜初始分解溫度16