含羧基磺化聚芳醚酮砜類質(zhì)子交換膜材料的制備與性能研究.pdf

1、近年來，質(zhì)子交換燃料電池(PEMFC)成為一種新興能量轉(zhuǎn)化裝置而被廣泛研究，這是因為它的操作步驟十分簡單、啟動速度十分迅速、燃料利用率相對來說較高并且沒有污染物排放。質(zhì)子交換膜(PEM)是PEMFC的“心臟”，它的各方面性能直接影響著PEMFC的應(yīng)用?，F(xiàn)在被廣泛應(yīng)用的是DuPont公司的Nafion系列膜，它具有良好的化學穩(wěn)定性、機械性能以及低溫下高的質(zhì)子傳導率，但是由于它的高昂成本、高溫下較差的質(zhì)子傳導率和高的甲醇滲透性等主要因素阻礙

2、了它的進一步發(fā)展。因此，開發(fā)出一種綜合性能優(yōu)異并且成本較為低廉的PEM材料成為廣大科研工作者的目標。
　　作為特種工程塑料的磺化聚芳醚酮砜類膜材料是目前研究的較為廣泛的PEM材料，該類膜材料具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性和較Nafion膜相比十分低的價格。然而，這類材料卻有一個極為致命的缺點，那就是在高磺化度下其尺寸穩(wěn)定性急劇下降，并且還會導致其甲醇滲透系數(shù)急劇增大，最終喪失應(yīng)用價值。因此，對這類膜材料加以改性從而提升其應(yīng)用價值就

3、顯得十分重要。
　　本文首先利用親核縮聚的方法制備了不同磺化度的含羧基磺化聚芳醚酮砜(C-SPAEKS)膜。通過測試發(fā)現(xiàn)，該膜具有較好的熱力學穩(wěn)定性以及尺寸穩(wěn)定性，在20℃時C-SPAEK-20（1.21×10-7 cm2 s-1）和C-SPAEK-80(9.15×10-7 cm2 s-1)的甲醇滲透系數(shù)均遠遠低于Nafion(@)117膜的22.9×10-7 cm2s-1。此外，在80℃時C-SPAEK-80的質(zhì)子傳導率為0.1

4、19 S/cm，高于Nation(@)117膜的0.095 S/cm。
　　為了提高膜的阻醇性能，我們將聚乙烯醇(PVA)與C-SPAEKS進行復合，制備了C-SPAEKS/PVA交聯(lián)膜。利用羥基與羧基之間的交聯(lián)反應(yīng)來降低膜的甲醇滲透系數(shù)。通過測試發(fā)現(xiàn)，C-SPAEKS/PVA交聯(lián)膜的吸水率、溶脹率、熱穩(wěn)定性以及膜的甲醇滲透系數(shù)均有所提高。C-SPAEKS/PVA-40交聯(lián)膜在80℃時的溶脹率僅為8.1，要明顯低于C-SPAEKS

5、的13.9。并且其在60℃時的甲醇滲透系數(shù)為2.21×10-7 cm2 s-1僅為相同測試條件下C-SPAEKS膜（24.17×10-7 cm2 s-1）的十分之一。
　　為了在降低膜的甲醇滲透的同時提高膜的質(zhì)子傳導率，我們將PVA進行磺化。制備出磺化的PVA即為SPVA。并將SPVA與C-SPAEKS進行交聯(lián)，制備了C-SPAEKS/SPVA交聯(lián)膜。通過測試發(fā)現(xiàn)，該膜具有較好的熱力學穩(wěn)定性以及優(yōu)異的阻醇性能。SPVA的引入大大降