高性能高支化磺化聚芳醚膜材料的制备与性能研究

发布时间：2017-11-05 17:13

  本文关键词：高性能高支化磺化聚芳醚膜材料的制备与性能研究

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【摘要】：质子交换膜燃料电池(PEMFCs)是一种高效清洁的发电装置,质子交换膜是质子交换膜燃料电池的重要组件之一,其性能将直接影响燃料电池的总体性能和寿命。目前,人们广泛使用的质子交换膜主要是全氟磺酸型膜,如Nafion膜,其具有高的质子电导率和氧化稳定性等优点,但也存在价格高、甲醇渗透率高和低的工作温度等缺点。磺化聚芳醚凭借其良好的热稳定性和高质子电导率,被认为是Nafion膜最有前途的替代材料之一。但其氧化稳定性较低,相比于Nafion膜,装入电池后仅能运行较短的时间。交联是一种能有效提高膜材料氧化稳定性的方法,但交联后的膜不再溶解,难以重复使用。相比于交联,支化后的膜材料既有良好的溶解性,也具有优异的氧化稳定性。在本课题组前期的工作中,合成出两种系列的支化聚合物,但最高支化度仅为4%。为了更进一步研究支化对膜材料性能的影响,在本论文中制备出不同类型支化磺化聚芳醚。具体研究内容与结果如下:1)以磺化二氟酮、双酚芴、二氟酮和B3单体为原料制备出高支化的磺化聚芳醚酮砜。刚性强且具有长支链的B3单体有利于减少支化聚合物交联,得到最高支化度为10%的支化膜。支化膜的质子电导率和氧化稳定性都随着支化度的提高而增加,支化度为10%的膜材料表现出最高的质子电导率(0.42 S cm-1)和氧化稳定性(327 min)。2)为了提高支化膜的机械性能,通过 两步一锅法‖合成出两种不同嵌段结构的支化星型聚合物。嵌段支化膜P1的结构是疏水基团包围亲水基团,其展示出较高的质子电导率和尺寸稳定性。嵌段支化膜P2的结构是亲水基团包围疏水基团,具有优异的质子电导率。嵌段支化膜P1和P2的机械性能均优于支化无规膜。3)为了提高膜材料的综合性能,进一步制备了一系列支化磺化聚芳醚/聚丙烯腈复合膜。由于磺化聚芳醚和聚丙烯腈之间的酸碱作用,复合膜展示出较高的拉伸强度(16.4 23.0 MPa)。此外复合膜的氧化稳定性和尺寸稳定性均随着聚丙烯腈的掺杂量增加而提高。4)通过将支化聚合物和表面活性剂的混合溶液浇铸在聚四氟乙烯薄膜上制得复合膜BSPAEK/PTFE,具有优异的氧化稳定性和尺寸稳定性。而且BSPAEK/PTFE-5的最高功率密度达到69.70 mW cm-2,高于支化膜,复合膜BSPAEK/PTFE将会是一种有前途的质子交换膜,可运用在燃料电池中。
【学位授予单位】：深圳大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ317;TM911.4

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 张妮;刘惠玲;李君敬;夏至;王向宇;;用于燃料电池的磺化聚芳醚砜质子交换膜材料的直接合成与性能研究[J];高分子学报;2009年04期

2 冯少广;谢晓峰;尚玉明;靳豪;徐景明;周其凤;;磺化嵌段型共聚物在质子交换膜燃料电池中的应用[J];化学进展;2008年01期

3 刘建平;郑玉斌;杜杰;;燃料电池用质子交换膜的研究进展[J];膜科学与技术;2005年06期

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本文编号：1145122