酸碱侧链型芳香族质子交换膜的制备及性能研究

来源 :兰州大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:LUXU_ZHANG
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磺化芳香族聚合物具有热、化学稳定性优异,力学强度高,化学组成种类多以及制造成本低廉等优点,被认为是能够取代全氟磺酸膜的质子交换膜材料。但此类聚合物由于亲水和疏水域之间没有良好的微观相分离结构,致使其质子传导率低于全氟磺酸膜。可通过设计聚合物的化学结构来促使微相分离,改善离子传输通道,从而提高其质子传导率。本文通过设计侧链型聚合物的结构,在改善膜的亲水与疏水的微相分离来提高质子传导率的同时,通过碱性基团的引入,形成酸碱交联的结构,以期降低所得膜的甲醇透过率。具体内容如下:(1)合成了一种新型含吡啶磺化二胺单体,通过一步法高温缩聚获得主链含有吡啶环,磺酸基在脂肪族侧链的聚酰亚胺材料。所得质子交换膜中,碱性吡啶环与酸性磺酸基之间形成了酸碱离子交联的结构;同时,具有较大自由体积的磺化脂肪族侧链诱导形成了耐自由基的微观相分离结构。所得磺化聚酰亚胺膜具有较高的化学稳定性,良好的抗氧化能力以及优异的机械性能。80℃时,膜的吸水率为15.82%-30.2%,而溶胀率仅仅为2.48%-6.94%。室温、完全水合条件下离子交换容量为0.74 mequiv g-1的磺化聚酰亚胺膜SPI-80的质子传导率为1.01×10-2S cm-1,达到了应用要求。其甲醇渗透系数为1.22×10-7cm2 s-1,低于Nafion117的12.22×10-7cm2 s-1。(2)基于一种二酚单体,3,3’,5,5’-四甲基-4,4’-联苯二酚(TMBP),成功制备了局部磺酸基稠密型聚芳醚酮。通过点击反应将酸性磺酸和碱性三氮唑基同时接到聚合物链。用红外和核磁等相关表征确认了聚合物的化学结构。利用透射电镜(TEM)证实该材料具有良好的微相分离结构,亲水的离子簇大小为2-15nm。完全水合条件下,80℃时膜的质子传导率为0.082-0.113 S cm-1,甲醇渗透系数为4.07×10-7-8.65×10-7cm2 s-1。
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