侧链磺化型聚砜质子交换膜的设计与制备及其性能研究

在制备氯甲基化聚砜(CMPSF)的基础上,以对羟基苯磺酸钠(HBSS)和羟基苯二磺酸钠(HBDSS)为亲核试剂,通过亲核取代反应,在聚砜(PSF)主链上分别键联了以苯磺酸根(BSS)和苯二磺酸根(BDSS)基团为末端基的侧链,制得了亲水磺酸根基团与疏水主链"微相分离"结构的2种侧链型磺化聚砜PSF-BSS和PSF-BDSS,并优化了制备条件.在对磺化聚砜产物进行充分表征(FTIR和1H-NMR谱)的基础上,采用流延成膜法制备了质子交换膜,测定了质子交换膜的基本性能,重点考察了质子交换膜"芳香性"主链和亲疏水微区"相分离"这2种结构因素对交换膜性能的影响.实验结果表明,在极性较强的溶剂中,CMPSF与羟基苯磺酸钠可顺利地发生亲核取代反应,于100℃经40 h反应可制得磺酸根键合量分别为2.07 mmol/g和2.11 mmol/g的磺化聚砜PSF-BSS和PSF-BDSS.所制备的质子交换薄膜具有较高的质子传导率(PSF-BDSS交换膜室温为4.7×10-2S/cm,80℃为8.1×10-2S/cm),优良的尺寸稳定性(室温溶胀率为8.6%,80℃溶胀率为30%),且具有良好的热稳定性与抗氧化稳定性.     

侧链末端为磺酸根基团的磺化改性聚砜的制备及其阳离子交换膜的基本性能

采用两步一锅法,在聚砜(PSF)主链上键联了末端基为磺酸根基团的侧链,获得了疏水主链与磺酸根基团"微相分离"结构的磺化改性PSF。以氯乙基异氰酸酯(CEIC)为亲电试剂,使PSF主链上的苯环发生付-克烷基化反应,制得侧链含有活性基团—NCO的中间产物聚合物PSFeic;通过活性基团—NCO与对羟基苯磺酸钠(HBSAS)生成氨基甲酸酯的较快速的反应,获得了侧链末端为磺酸根基团的磺化改性聚砜PSF-sas。采用FT-IR、1 H-NMR及紫外分光光度法对目标产物聚合物PSF-sas的化学结构进行了表征。以PSF-sas为膜材,采用流延法制备了PSF阳离子交换膜,测定了交换膜的基本性能,包括离子交换容量、吸水率及质子传导率。研究结果表明,在路易斯酸催化剂作用下,CEIC与PSF主链上苯环之间的付-克烷基化反应可顺利进行,生成中间聚合物产物PSF-eic;以强极性的二甲基乙酰胺(DMAC)为溶剂,反应24h,PSF-eic分子链中乙基异氰酸酯(eic)的键合量可达2.43mmol/g。在此基础上进行第2步反应,可得到磺酸根基团含量为2.23mmol/g的目标产物PSF-sas,所制备的阳离子交换膜,具有高的离子交换容量,适当的吸水率与高的质子传导率。     

侧链结构对侧链型磺化聚砜质子交换膜性能的影响

以双酚A型聚砜(PS)为基础,与自制的1,4-二氯甲氧基丁烷反应制备氯甲基化聚砜(CPS),接着与2-萘酚-6,8-二磺酸钾(NSK)进行亲核取代反应制备萘磺酸型侧链磺化聚砜(PS-NS)。采用溶液浇注法制备相应的质子交换膜(PEMs),结合前期研究的脂肪磺酸型侧链磺化聚砜(PS-ES)和苯磺酸型侧链磺化聚砜(PS-BS) PEMs,考察侧链结构对PEMs的吸水率、吸水溶胀率和尺寸稳定性的影响关系。结果表明,与主链型芳香聚合物PEMs相比,3种侧链型磺化聚砜PEMs由于亲水基团远离疏水主链,能够形成类似于Nafion膜的相分离结构,在高吸水率下保持更好的尺寸稳定性;在相同的离子交换膜容量(IEC)下,PS-ES、PS-BS和PS-NS膜随着侧链刚性苯环数目的增加,侧链的运动能力减弱,导致PEMs的尺寸稳定性增加,相应的质子传导率减小; PS-ES膜在25℃和85℃的质子传导率分别达到0. 072和0. 141 S/cm,PS-NS在25℃和85℃的尺寸溶胀性仅为21. 8%和51. 5%,性能与商业化的Nafion115膜十分接近。     

基于一锅法的磺化聚砜质子交换膜的性能

以双酚A型聚砜(PSF)为基质材料,通过傅-克烷基化反应在PSF主链引入—NCO活性基团,制备乙基异氰酸化聚砜(PS-SA)。 在制备PS-SA的基础上,采用两步一锅法,PS-SA与2-萘酚-6,8-二磺酸钾通过亲核取代反应,制备一种侧链含有萘环的萘磺酸型磺化聚砜PS-NS,充分表征聚合物的化学结构,以溶液浇注的方法制备质子交换膜,研究了温度对PS-NS膜的吸水率(WU,Water Uptaking)、吸水溶胀性(Swelling Ratio)、质子传导率(Proton Conductivity)等基本性能的影响。 结果表明,PS-NS膜由于亲水基团距离较远,能够很容易形成相分离结构,所制备的质子交换膜高WU下尺寸稳定性仍然很高,其中PS-NS-4膜(磺酸基团键合量为1.42 mmol/g)在25和85 ℃的WU高达27.2%和40.3%,但是相应的吸水溶胀性仅为25.2%和57.2%,与相同条件下Nafion115膜的性能十分接近。     

燃料电池用侧链型磺化聚砜质子交换膜的性能

在制备氯甲基化聚砜(CPS)的基础上,以1,2-二羟基苯-3,5-二磺酸钠为试剂,通过亲核取代反应制备一种侧链末端为磺酸基团的侧链型磺化聚砜(PS-BDS),并采用溶液浇注法制备相应的质子交换膜(PEM),研究温度对PEM性能的影响规律。 结果表明,由于亲水基团远离疏水聚合物主链,该PEM能够形成亲水微区远离疏水微区的相分离结构,亲水区域对主链的影响较小,该PEM在高磺化度下仍能保持较好的尺寸稳定性,随着温度的升高,PEM的吸水率(WU)、吸水溶胀率(SW)和质子传导率(PC)升高,其中PS-BDS-4(离子交换容量为1.57 mmol/g)在25和85 ℃时的SW仅为22.1%和55.0%,甲醇的渗透率(DK)仅为10.17×10^-7 cm²/s,低于商业化的Nafion115(16.8×10^-7 cm²/s)和Nafion117(23.8×10^-7 cm²/s),表现出很好的综合性能。