分子链含POSS芳香族聚合物质子交换膜的制备及性能研究

发布时间：2017-04-15 09:06

  本文关键词：分子链含POSS芳香族聚合物质子交换膜的制备及性能研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：笼型聚倍半硅氧烷(POSS)由于其特殊的有机-无机双重性质,可通过自下而上(bottom-up)的合成设计,通过POSS或功能化的POSS和有机聚合物进行掺杂,进而得到与高分子具有良好相容性和分散性的杂化高分子材料,与聚合物形成真正意义的分子级复合,并赋予聚合物耐高温、耐氧化等无机物性质。近期的一些研究工作表明,将少量笼型倍半硅氧烷掺杂到质子交换膜当中,可提高质子交换膜的质子传导率、耐水解性能、耐氧化性和机械性能,降低透醇率。但由于POSS大的比表面积及大的表面能,以物理混合方式将POSS掺杂到磺化芳香族聚合物的传统方法易造成POSS的团聚现象,阻碍了POSS复合膜的质子传导率以及机械性能的进一步提升。将POSS通过共价键引入聚合物,其一,可以使POSS基团以共价键形式更稳定地分散于高分子膜中,提高材料的长期使用稳定性;其二,POSS中的硅氧结构可赋予膜材料好的热稳定性,并促进磺化聚合物主链形成有序的有机-无机微相分离结构。并且,POSS较大的体积(1-3 nm)使质子交换膜疏水相自由体积变大,促进了离子通道的形成,在提高质子传导率的同时,减小磺化聚合物膜的溶胀率和透醇率,增强耐水解性能和机械性能,提高使用寿命;其三,在制备质子交换膜过程中,可直接通过调控POSS单体的含量来调整质子交换膜的化学、物理性质,制备方法更加简单易应用。本文从将POSS以共价键方式引入到磺化聚合物设计出发,制备了分子链含POSS高性能芳香族聚合物质子交换膜,并对其质子传导性能、稳定性、机械性能进行了研究。具体研究内容如下:1、将二胺基POSS引入聚酰亚胺主链,制备了主链含POSS磺化聚酰亚胺质子交换膜。结果表明,较传统掺杂POSS制备质子交换膜,该方法所得材料具有更为优异的质子传导率和稳定性。通过微观结构表征分析,阐明了POSS以共价键引入高分子主链对质子传递通道和材料稳定性的促进作用。2、通过聚合、接枝及后磺化等方法成功制备了侧链含磺化POSS梳状磺化聚芳醚砜(PAES-sPOSS-x)复合膜,使磺化POSS具有更大的自由体积,从而更有利于形成连续的质子传输通道,在保证聚合物机械性能、耐热性能和化学稳定性的同时,极大地提高了质子传导率。3、鉴于梳状高分子在增大磺酸基自由体积的同时,溶胀率增大的缺点,我们又将对羟基苯磺酸和八环氧基POSS引入主链含羟基的聚醚醚酮,制备了侧链含磺化POSS交联型磺化聚醚醚酮质子交换膜。该方法一方面将交联结构和侧链通过一步法同时引入聚醚醚酮;另一方面,直接将磺酸基团通过对羟基苯磺酸中的羟基引入聚合物,避免了后磺化过程聚合物易降解、磺化度不易控制的问题。结果表明,所得材料在保证具备较高质子传导率的同时,具备了较低的溶胀率,优异的机械性能和较低的甲醇透过率。
【关键词】：质子交换膜 燃料电池 笼型聚倍半硅氧烷 磺化芳香聚合物膜
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM911.4;TB383.2
【目录】：

• 中文摘要3-5
• Abstract5-12
• 第一章 绪论12-33
• 1.1 引言12
• 1.2 燃料电池12-15
• 1.2.1 燃料电池简介12-13
• 1.2.2 燃料电池的分类13-14
• 1.2.3 燃料电池的工作原理14
• 1.2.4 燃料电池的特点14-15
• 1.3 质子交换膜燃料电池15-16
• 1.4 直接甲醇燃料电池16
• 1.5 质子交换膜16-17
• 1.5.1 质子交换膜的研究进展16-17
• 1.5.2 质子交换膜的要求17
• 1.5.3 质子交换膜质子传导机理17
• 1.6 直接甲醇燃料电池用质子交换膜17-27
• 1.6.1 Nafion(?)膜的掺杂改性研究18-20
• 1.6.2 酸-碱性聚合物质子交换膜的研究20-22
• 1.6.3 磺化芳香类聚合物结构再设计研究。22-25
• 1.6.4 有机芳香类聚合物-无机纳米掺杂质子交换膜的研究25-27
• 1.7 本论文设计思想及主要工作27-28
• 参考文献28-33
• 第二章 主链含POSS磺化聚酰亚胺复合膜的合成及性能研究33-52
• 2.1 前言33
• 2.2 实验部分33-38
• 2.2.1 实验试剂33-34
• 2.2.2 主要仪器34
• 2.2.3 聚合物单体的合成34-35
• 2.2.4 聚合物合成35
• 2.2.5 薄膜的制备及酸化35-36
• 2.2.6 膜的性能表征36-38
• 2.3 结果与讨论38-49
• 2.3.1 单体结构表征38-39
• 2.3.2 薄膜制备及结构表征39-41
• 2.3.3 热性能和机械性能分析41-42
• 2.3.4 膜的微观结构42-44
• 2.3.5 IEC、吸水率和溶胀性能分析44-45
• 2.3.6 氧化稳定性和水解稳定性测试45-47
• 2.3.7 质子传导率及其稳定性、甲醇渗透率及相对选择性测试47-49
• 2.4 结论49
• 参考文献49-52
• 第三章 侧链含磺化POSS基梳状磺化聚芳醚砜复合膜的合成及性能研究52-71
• 3.1 前言52
• 3.2 实验部分52-58
• 3.2.1 实验试剂52-53
• 3.2.2 主要仪器53
• 3.2.3 聚合物的单体合成53-54
• 3.2.4 聚合物合成54-56
• 3.2.5 PAES-sPOSS-x酸化膜的制备56
• 3.2.6 膜的性能表征56-58
• 3.3 结果与讨论58-68
• 3.3.1 单体结构表征58-59
• 3.3.2 POSS基梳型局部磺酸基密集型聚芳醚砜合成及结构表征59-60
• 3.3.3 热性能和机械性能分析60-62
• 3.3.4 膜的微观结构62-63
• 3.3.5 IEC、吸水率和溶胀性能评价63-66
• 3.3.6 氧化稳定性66
• 3.3.7 质子传导率及其稳定性、甲醇渗透率及相对选择性测试66-68
• 3.4 结论68-69
• 参考文献69-71
• 第四章 一锅法制备侧基含磺化POSS聚醚醚酮（PEEK）交联膜及性能研究71-87
• 4.1 前言71
• 4.2 实验部分71-76
• 4.2.1 实验试剂71-72
• 4.2.2 主要仪器72
• 4.2.3 单体合成72
• 4.2.4 聚合物合成72-73
• 4.2.5 交联膜的制备及酸化73-74
• 4.2.6 膜的性能表征74-76
• 4.3 结果与讨论76-84
• 4.3.1 单体结构表征76-79
• 4.3.3 热性能和机械性能分析79-80
• 4.3.4 膜的微观结构80-81
• 4.3.5 IEC、吸水率和溶胀性能评价81-82
• 4.3.6 氧化稳定性82-83
• 4.3.7 质子传导率及其稳定性、甲醇渗透率及相对选择性测试83-84
• 4.4 结论84-85
• 参考文献85-87
• 第五章 主要结论87-88
• 研究成果88-90
• 致谢90

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 肖带丽;;无氟质子交换膜的研究和进展[J];广东化工;2010年07期

2 李琼;李薇;张海宁;潘牧;;聚合物质子溶剂在质子交换膜中的应用[J];电源技术;2011年04期

3 张增英;;氟离子交换膜[J];杭州化工;1991年04期

4 孙红;栾丽华;吴铁军;唐玉兰;王逊;;质子交换膜中的传质分析[J];工程热物理学报;2012年02期

5 艾明欢;李海滨;;超薄CsH_2PO_4/SiO_2复合质子交换膜的制备[J];材料导报;2012年04期

6 杨萌;相艳;王慕冰;康思聪;徐惠彬;;化学与生物改性合成质子交换膜[J];化学进展;2009年01期

7 吴魁;解东来;;高温质子交换膜研究进展[J];化工进展;2012年10期

8 石倩茹;陶慷;章勤;薛立新;张尧剑;;离子液体在质子交换膜中的应用研究进展[J];膜科学与技术;2013年03期

9 罗居杰;宋艳慧;崔培培;谢小玲;;接枝磺酸基质子交换膜的制备及性能研究[J];化工新型材料;2014年03期

10 王盎然;包永忠;翁志学;黄志明;;丙烯腈-对苯乙烯磺酸共聚物质子交换膜的合成与性能[J];高校化学工程学报;2010年05期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 张燕梅;方军;伍永彬;;用于碱性直接甲醇燃料电池的新型含氟阴离子交换膜的制备及表征[A];中国化学会第十一届全国氟化学会议论文摘要集[C];2010年

2 徐维林;陆天虹;邢巍;;低甲醇透过质子交换膜的研究[A];第十二届中国固态离子学学术会议论文集[C];2004年

3 刘盛洲;张兴鹏;印杰;;嵌段长度对磺酸基嵌段共聚物质子交换膜性能的影响研究[A];2006年全国高分子材料科学与工程研讨会论文集[C];2006年

4 石守稳;陈旭;;浸泡质子交换膜力学性能及其微观变形机理的研究[A];中国力学大会——2013论文摘要集[C];2013年

5 冯庆霞;张冬芳;严六明;;纳米复合H_3PO_4-BPO_4-ABPBI高温质子交换膜的制备与表征[A];中国化学会第27届学术年会第10分会场摘要集[C];2010年

6 李林繁;于洋;邓波;虞鸣;谢雷东;李景烨;陆晓峰;;辐射接枝法制备质子交换膜的研究[A];中国核科学技术进展报告——中国核学会2009年学术年会论文集（第一卷·第8册）[C];2009年

7 王博;王新东;王文红;张红飞;陈玲;;燃料电池质子交换膜电导率的测试方法研究[A];冶金研究中心2005年“冶金工程科学论坛”论文集[C];2005年

8 薛松;尹鸽平;;磺化聚醚醚酮／磷钨酸复合质子交换膜[A];第十三次全国电化学会议论文摘要集（上集）[C];2005年

9 朱靖;邵柯;那辉;;基于静电纺丝技术的纳米纤维质子交换膜材料[A];2009年全国高分子学术论文报告会论文摘要集（上册）[C];2009年

10 纪晓波;严六明;陆文聪;马和平;;酸碱质子交换膜中质子动力学行为及协同效应[A];中国化学会第27届学术年会第14分会场摘要集[C];2010年

中国重要报纸全文数据库 前1条

1 本报记者 李香才;质子交换膜燃料电池技术取得进展[N];中国证券报;2013年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 袁森;燃料电池用新型聚酰亚胺及聚硫醚砜基质子交换膜的研究[D];上海交通大学;2014年

2 刘鑫;燃料电池用磺酸化聚醚醚酮质子交换膜的制备与改性研究[D];北京化工大学;2015年

3 付凤艳;聚磷腈类质子交换膜的制备与表征[D];北京理工大学;2015年

4 乔宗文;侧链型磺化聚砜质子交换膜的制备、微相分离结构与性能的研究[D];中北大学;2016年

5 吴斌;质子交换膜微观结构调控研究[D];天津大学;2015年

6 王晓恩;复合质子交换膜机械增强与温湿度响应特性[D];武汉理工大学;2011年

7 钟双玲;直接甲醇燃料电池用新型质子交换膜的制备与性能研究[D];吉林大学;2008年

8 曾松军;新型聚倍半硅氧烷基酸—碱无水质子交换膜的制备与性能研究[D];湖南大学;2011年

9 纪晓波;质子交换膜中甲醇迁移及其机理的分子动力学模拟研究[D];上海大学;2009年

10 张海秋;复合型质子交换膜的结构与性能研究[D];吉林大学;2009年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 陈骏;金属双极板质子交换膜燃料电池内阻研究[D];武汉理工大学;2014年

2 韩澍;含羧基磺化聚芳醚酮砜类质子交换膜材料的制备与性能研究[D];长春工业大学;2015年

3 梁宇;交联型直接甲醇燃料电池质子交换膜的制备及性能研究[D];兰州大学;2015年

4 薛童;磺化嵌段聚醚砜质子交换膜的制备与改性[D];南京理工大学;2015年

5 袁祖凤;磺化聚芳酸砜类侧链型质子交换膜的制备及改性[D];南京理工大学;2015年

6 胡玉涛;咪唑摀化聚砜共混氢氧根交换膜的制备与性能[D];大连理工大学;2015年

7 修凤羽;半超支化半交联磺化聚酰亚胺复合质子交换膜制备及性能研究[D];大连理工大学;2015年

8 孙成刚;直接甲醇燃料电池用高性能含硅无皂乳液的制备及性能研究[D];吉林农业大学;2015年

9 李亚婷;带有稳定侧链的接枝型质子交换膜制备及性能研究[D];大连理工大学;2015年

10 李憧;质子交换膜燃料电池的自抗扰控制研究[D];北京化工大学;2015年

  本文关键词：分子链含POSS芳香族聚合物质子交换膜的制备及性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：308054