一类侧链型磺化聚芳醚砜质子交换膜的合成及表征

以4,4'-二氟二苯砜和N-溴代丁二酰亚胺为起始原料,经两步有机反应设计并合成了一种新型活性二氟砜单体:3,3'-双(苯氧基苯基)-4,4'-二氟二苯砜,并由该单体与4,4'-二氟二苯砜、4,4'-二羟基二苯甲酮经亲核缩聚合成了侧链型聚芳醚砜聚合物(PAES-xx).通过较温和的后磺化反应,制得了一系列磺化聚芳醚砜质子交换膜(SPAES-xx).对所制侧链型聚芳醚砜质子交换膜的结构和性能分别进行了表征分析.结果表明,该类质子交换膜具有适中的吸水率和较好的尺寸稳定性,80℃时最高质子传导率达0.16 S/cm.此外,该类质子交换膜还具有良好的热稳定性和机械性能,起始分解温度约为250℃;膜的拉伸强度为29.5~42.0MPa,拉伸模量为0.62~1.23 GPa,断裂伸长率在9.0%~31.9%.磺化膜优良的综合性能主要归因于侧链磺化结构的引入和相分离结构的形成.     

侧链型磺化聚芳醚酮质子交换膜材料的制备

本文通过对聚合物的结构设计, 采用均聚的途径将柔顺的大侧基(甲氧基苯基)引入聚芳醚酮侧链, 然后通过室温后磺化的方法成功制备出侧链型磺化聚芳醚酮材料. 此类材料表现出较好的热稳定性; 力学性能优异; 聚合物的质子传导率比报道过的类似材料有较大程度的提高; 于80 ℃时的质子传导率在0.190 S/cm以上, 超过了Nafion 117 薄膜的传导率(0.175 S/cm). 因此这类材料有望在质子交换膜领域得到应用.     

一类含多磺酸结构侧链型聚芳醚酮质子交换膜材料的合成及性能研究

为进一步改善芳香型磺化聚合物质子交换膜材料的离子传导率、尺寸稳定性和耐化学氧化稳定性,从聚合物结构设计出发,首先利用9,9-双(3-苯基-4-羟基)苯基芴与4,4′-(六氟异亚丙基)二苯酚、1,4-二(4-氟苯甲酰基)苯经芳香亲核缩聚合成了一系列含芴和苯侧基结构新型聚芳醚酮聚合物(4-PAEK-xx),进一步通过温和的后磺化反应,制备了一系列含多磺酸结构侧链型聚芳醚酮质子交换膜(4-SPAEK-xx).对所制备的侧链型聚芳醚酮质子交换膜的结构和性能分别进行了表征分析.结果表明,该类质子交换膜具有适中的吸水率和较低的溶胀率,80°C时的吸水率和溶胀率分别在21%~51.2%和7.4%~17.2%.该类聚芳醚酮质子交换膜展现出了良好的离子传导性,80°C时的离子传导率在115~171 mS/cm,其中4-PAEK-45膜(离子交换容量为2.12 mequiv/g)的离子传导率已经超过了商品化的Nafion膜.此外,所制备的侧链型聚芳醚酮质子交换膜还表现出了良好的热稳定性、力学性能和耐化学氧化性.磺化膜优良的综合性能主要归因于侧链多磺酸结构和长尺寸含氟疏水结构单元的同时引入,其中侧链多磺酸结构的引入降低了主链磺化结构单元的比例,同时使亲水性的磺酸基团与分子主链分隔开来;而长尺寸含氟疏水性结构单元的引入进一步提高了膜材料的尺寸稳定性和耐氧化稳定性.     

交联嵌段磺化聚芳醚砜质子交换膜的制备及性能

为提高磺化聚芳醚砜(SPAES)质子交换膜的质子传导率及稳定性, 制备了一系列交联嵌段SPAES质子交换膜(cbSPAES). 采用嵌段共聚方法, 在P₂O₅存在下, 利用磺酸基团与聚合物主链上活泼氢的脱水反应进行交联改性合成嵌段聚合物. 采用电化学阻抗谱技术测定了cbSPAES膜的质子传导率, 通过测试水中膜平面及厚度方向的尺寸变化率评价膜的尺寸稳定性, 通过加速老化试验评价膜的水解稳定性. 结果表明, 与未交联膜相比, cbSPAES膜的尺寸稳定性及水解稳定性明显提高; 在交联程度相同时, cbSPAES膜的吸水率和质子传导率随着磺化链段长度的增加呈上升的趋势. 如cbSPAES(30/10)-10膜在60 ℃水中的吸水率为65%, 平面方向和厚度方向的尺寸变化率分别为0.16和0.18, 质子传导率达到163 mS/cm.     

多磺化侧链型聚芳醚的合成及性能

本文通过对聚合物的结构设计,采用亲和取代的途径制备了含有甲氧基侧链的聚芳醚聚合物,然后去醚化得到了侧链含有羟基的聚芳醚材料,最后通过接枝的方法将磺酸基团引入聚合物成功的制备出多磺化侧链型聚芳醚质子交换膜材料。此类材料表现出好的热化学稳定性, 80 oC时的质子传导率可达到0.192 S/cm,超过了Nafion 117 薄膜的传导率.同时此类材料表现出低的尺寸稳定性。因此此类材料很有希望在质子交换膜领域得到应用     

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

将磺化二氯二苯砜(SDCDPS)、二氯二苯砜(DCDPS)与4,4′-联苯酚(BP)通过亲核缩聚反应得到一系列具有不同磺化度的磺化聚芳醚砜(SPAES)共聚物.通过FT-IR,TGA和DSC等分析方法对其结构及性能进行表征.并用透射电镜对其内部形态进行分析,建立了结构与性能之间的关系.研究了不同磺化度对膜性能的影响.结果表明,聚合物中磺酸基团的增多导致了磺化聚芳醚砜膜的吸水率、离子交换容量、质子传导率和甲醇渗透系数的增加.通过对膜的综合性能评价发现,磺化度为0.8的磺化聚芳醚砜膜在80℃时的质子传导率为0.116S/cm,100℃时的质子传导率为0.126S/cm,均高于Nafion117膜(0.114S/cm和0.117S/cm),且甲醇渗透系数为8.4×10-7cm2/s,远远低于Nafion117膜(2.1×10-6cm2/s).     

新型直接交联磺化聚芳醚砜燃料电池用质子交换膜的合成及性能

以4,4′-二氟二苯砜、4,4′-联苯二酚、3,3′-二磺化-4,4′-二氟二苯砜二钠盐和三羟基苯为原料, 经高温溶液缩聚反应, 制备了一系列不同磺化度的新型交联磺化聚芳醚砜(CSPAES). 利用1H NMR和FTIR对聚合物结构进行表征. 采用溶液浇铸法制备了聚合物膜. 对膜的离子交换容量、吸水率、尺寸变化、机械性能和质子导电率进行了分析. 结果表明, 通过交联处理的磺化聚芳醚砜的水溶胀性明显降低, 当IEC为2.43时, CSPAES膜M(6/4-5)在水中的质子导电率达到260.5 mS/cm, 约为相同条件下Nafion112的2倍.     

质子交换膜用磺化聚芳醚的合成与性能研究

合成了一种用于质子交换膜的新型磺化聚芳醚. 由于特殊单体结构的设计, 在聚合物主链上引入取代基对主链进行保护, 用氯磺酸直接磺化方法在聚芳醚高分子侧基上引入磺酸功能基, 实现了聚合物磺化结构的可控定位合成, 得到了稳定性较好的磺化聚芳醚. 用溶液浇膜法制备了质子交换膜, 考察了质子交换膜的各种性能. 结果表明, 这种膜具有良好的成膜性, 水解性稳定性和优异热稳定性能, 5%的热失重温度为362.3 ℃. 氧化稳定性在80 ℃的Fenton’s试剂(3%的过氧化氢和2 mg/L的FeSO₄)中进行, 膜在69 min时才开始变碎, 表现出良好的氧化稳定性.     

侧链结构对磺化聚芳醚性能及微观形貌的影响

比较了3种主链结构相同而侧链结构不同的磺化聚芳醚(SPAE)材料的性能. 分析了侧链结构对聚合物的吸水、 溶胀及质子传导行为的影响. 结果表明, 在相同的离子交换容量(IEC)条件下, 具有柔顺脂肪族侧链的聚芳醚材料具有较高的质子传导率. 其原因是由于柔顺的脂肪族侧链比刚性的芳香族侧链更易运动, 有利于侧链末端磺酸基团的聚集, 进而形成离子簇. 3种聚合物微观形貌的分析结果表明, 含柔顺侧链结构的聚合物薄膜具有更大的质子传输通道, 其结果与聚合物的宏观吸水和传导现象相吻合.     

磺化聚醚醚酮酮/氨基封端超支化聚酰亚胺复合膜的制备

正质子交换膜燃料电池因具有能量转换效率高及对环境无污染等优点,而受到广泛关注.燃料电池的核心部件是质子交换膜,其性能对燃料电池的使用性能有直接的影响[1,2].目前具有工业化水平的是Nafion~膜,但是其价格高,运行温度低,因而人们希望研制能够替代Nafion~的非全氟磺酸型质子交换膜[3,4].研究发现,磺化聚芳醚酮等芳香型聚合物膜在实现了高质子传导率的同时,往往会牺牲其在高温和高湿度下的尺寸稳定性和力学强度[5,6].超支化聚合物通常具有椭球形的分子结构和良好的溶     

复合型季铵化聚醚砜碱性聚合物电解质膜的制备及性能

利用4,4?-二氟二苯砜(DFDPS)、9,9?-双(4-羟苯基)芴(BHPF)、2,2?-二(4-羟基苯基)丙烷(双酚A)及4,4?-(六氟异丙叉)双酚(双酚AF)为原料,制备了2类具有不同主链刚性的聚醚砜材料.以聚醚砜及其氯甲基化产物按一定质量比采用溶液浇铸法,制备了2类新型共混阴离子交换膜,并避免了成膜过程中的相分离现象.在高分子主链上通过引入双酚芴(BQPAES系列)及双酚A(BQPES系列)结构调整主链的刚性,探讨了主链刚性对性能的影响;表征了共混膜的离子交换容量(IEC)、吸水及溶胀特性与离子电导率,并考察了它们的耐水解和耐碱稳定性.结果表明:2种聚合物相容性良好,共混膜质地均一,柔韧透明,吸水率和溶胀率适中,均随着温度的升高逐渐增加、随着聚醚砜含量增加逐渐减小;在90?C时,离子电导率最高达到89 m S/cm.经过沸水处理24 h后,均保持高机械强度,失重率低于5%;经2 mol/L的Na OH溶液30?C处理168~240 h后离子电导率仍可保持65%~80%.由于含双酚芴结构的高分子主链具有更高的刚性,在类似IEC条件下,BQPAES膜显示了比BQPES膜更好的尺寸稳定性和化学稳定性,同时维持了较高的电导率水平.由此表明,复合处理及适度提高高分子主链的刚性,有利于提高膜的性能.     

含甲基磺化杂萘联苯聚醚砜酮质子交换膜材料的合成与性能

以4-(3,5-二甲基-4-羟基苯基)2,3-二氮杂萘-1-酮,3,3′-二磺酸钠-4,4′-二氟苯甲酮和4,4′-二氯二苯砜为原料,利用亲核缩聚反应,通过改变磺化单体的含量,制备出一系列不同磺化度的杂萘联苯聚醚砜酮(SPPESK-DM).采用FTIR、1H-NMR表征了聚合物的结构,热失重分析仪研究了聚合物的耐热稳定性,以N-甲基-2-吡咯烷酮为溶剂采用溶液浇铸法成膜研究该系列聚合物膜的性能.结果表明,SPPESK-DM磺酸基的热分解温度在260℃以上,主链分解温度在410℃以上;膜的吸水率、溶胀率、离子交换容量和质子传导率均随着磺化度的增大而增大,磺化度为1.0的SPPESK-DM50的质子传导率达到1.08×10-2S/cm(85℃),且甲醇渗透系数为2.06×10-7cm2/s,低于Nafion117膜的甲醇渗透系数(2×10-6cm2/s).此系列膜的耐氧化性比较优异,可望用于质子交换膜燃料电池中.     

磺化聚芳醚酮砜/聚芳醚砜噁二唑复合型质子交换膜的制备与性能

为了降低质子交换膜(PEM)的甲醇渗透系数和改善PEM在中高温(80~120 ℃)时的质子传导率, 以自制的磺化度(SD)为100%的磺化聚芳醚酮砜(SPAEKS)与聚芳醚砜噁二唑(PAESO)为原料, 采用溶液共混法制备了SPAEKS/PAESO复合膜, 并用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和热重分析(TGA)对其进行了表征. 结果表明, 该复合膜具有较好的化学稳定性和热稳定性. 扫描电子显微镜(SEM)照片显示, 复合膜具有较好的致密结构, 其甲醇渗透系数为3.9×10^-7~6.6×10^-7 cm²/s, 低于SPAEKS的8.7×10^-7 cm²/s. 在100 ℃时复合膜的质子传导率达到0.074 S/cm, 高于SPAEKS膜的0.066 S/cm.     

Synthesis and characterization of multiblock partially fluorinated hydrophobic poly(arylene ether sulfone)‐hydrophilic disulfonated poly(arylene ether sulfone) copolymers for proton exchange membranes

Hydrophobic‐hydrophilic sequence multiblock copolymers, based on alternating segments of phenoxide terminated fully disulfonated poly(arylene ether sulfone) (BPS100) and fluorine‐terminated poly(arylene ether sulfone) (6FBPS0) were synthesized and evaluated for application as proton exchange membranes. By utilizing mild reaction conditions the ether–ether interchange reactions were minimized, preventing the randomization of the multiblock copolymers. Tough, ductile, transparent membranes were solution cast from the block copolymers and were characterized with regard to intrinsic viscosity, morphology, water uptake, and proton conductivity. The conductivity values of the 6FBPS0‐BPSH100 membranes were compared to Nafion 212 and a partially fluorinated sulfonated poly(arylene ether sulfone) random copolymer (6F40BP60). The nanophase separated morphology was confirmed by transmission electron microscopy and small angle X‐ray scattering, and enhanced proton conductivity at reduced relative humidity was observed with longer block lengths. © 2013 Wiley Periodicals, Inc. J Polym Sci Part A: Polym Chem, 2013     

含蒽醌结构聚芳醚砜的合成及表征

以4,4'-二氟二苯砜,4,4'-联苯二酚及1,5-二氯蒽醌为原料,采用亲核缩聚方法将具有良好热稳定性的蒽醌生色团分子以共价键方式引入到聚芳醚砜体系中,制备出了蒽醌含量分别为10%、20%及30%的热分解温度在500℃以上的新型耐高温有机高分子染料.该系列聚合物具有较高的分子量和良好的溶解性.利用红外光谱(FTIR)、核磁共振(1H-NMR)等表征方法确定了聚合物的结构;利用紫外-可见光谱测试(UV-Vis)初步研究了聚合物的光谱学特性;利用差示扫描量热测试(DSC)和热失重分析测试(TGA)研究了聚合物的热性能.     

新型燃料电池质子交换膜──含叔丁基的磺化聚芳醚砜

以3,3'-二磺酸钠基-4,4'-二氯二苯砜(SDCDPS)、叔丁基对苯二酚(TBHQ)、二氟二苯酮(DFBP)为原料,利用亲核缩聚反应,通过调整磺化单体(SDCDPS)和非磺化单体(DFBP)的比例与叔丁基对苯二酚(TBHQ)共聚,合成了不同磺化度的聚芳醚砜.聚合物成膜后的研究结果表明,该膜具有良好的机械性能和电化学性能,可能在质子交换膜燃料电池中得到应用.     

Synthesis and properties of hydroxide conductive polymers carrying dense aromatic side-chain quaternary ammonium groups

A series of hydroxide conductive polymers QTBMs carryingdense aromatic side-chain quaternary ammonium groups has been synthesized by using a new monomer of 3,3′-di(3′′,5′′-dimethylphenyl)-4,4′-difluorodiphenyl sulfone and other commercial monomers via polycondensation reaction, and subsequent bromination, quaternization and alkalization.The chemical structures of the ionomers were confirmed by ~1H-and ~(13)C-NMR spectroscopy. Water uptake, swelling ratio, hydroxide conductivity, the number of bonded water per ammonium group(λ), volumetric ion exchange capacity(IEC_(Vwet)), mechanical and thermal properties, and chemical stability were systematically evaluated for the series of QTBMs membranes. QTBMs showed IECs ranging from1.02 meq·g~(-1)to 2.11 meq·g~(-1); in particular, QTBM-60 membrane with the highest IEC(2.11 meq·g~(-1)) had very high hydroxide ion conductivity of 131.9 m S·cm~(-1) at 80 °C, which was attributed to the well assembled nano-channels with distinct phase separation evidenced by small-angle X-ray scattering(SAXS). It was found that the hydrated QTBMs membranes were mechanically stable with moderate water uptakes and swelling ratios, high chemical stability under the harsh alkaline conditions. This work provides a facile way to prepare anion exchange membranes(AEMs) with high performances for the application in alkaline fuel cells.     

Synthesis of sulfonated poly(imidoaryl ether sulfone) membranes for polymer electrolyte membrane fuel cells

New sulfonated poly(imidoaryl ether sulfone) copolymers derived from sulfonated 4,4′‐dichlorodiphenyl sulfone, 4,4′‐dichlorodiphenyl sulfone, and imidoaryl biphenol were evaluated as polymer electrolyte membranes for direct methanol fuel cells. The sulfonated membranes were characterized with Fourier transform infrared spectroscopy, thermogravimetric analysis, and proton nuclear magnetic resonance spectra. The state of water in the membranes was measured with differential scanning calorimetry, and the existence of free water and bound water was discussed in terms of the sulfonation level. The 10 wt % weight loss temperatures of these copolymers were above 470 °C, indicating excellent thermooxidative stability to meet the severe criteria of harsh fuel‐cell conditions. The proton conductivities of the membranes ranged from 3.8 × 10^?2 to 5 × 10^?2 S/cm at 90 °C, depending on the degree of sulfonation. The sulfonated membranes maintained the original proton conductivity even after a boiling water test, and this indicated the excellent hydrolytic stability of the membranes. The methanol permeabilities ranged from 1.65 × 10^?8 to 5.14 × 10^?8 cm²/s and were lower than those of other conventional sulfonated ionomer membranes, particularly commercial perfluorinated sulfonated ionomer (Nafion). The properties of proton and methanol transport were discussed with respect to the state of water in the membranes. © 2005 Wiley Periodicals, Inc. J Polym Sci Part A: Polym Chem 43: 5620–5631, 2005     

侧链含有全氟磺酸的聚芳醚砜质子交换膜材料的制备及性能

利用含溴苯侧基的聚芳醚砜(PES-Br)和1,1,2,2-四氟-2-(1,1,2,2-四氟-2-碘乙氧基)乙烷磺酸钾(PSA-K)进行Ullman偶联反应, 制备了新型含全氟磺酸侧链的聚芳醚砜(PES-PSA), 全氟磺酸的引入量为50%. 在离子交换容量(IEC)为0.907 meq./g, 80 ℃, 相对湿度为100%时, PES-PSA质子传导率达到0.039 S/cm, 表现出较高的质子传导能力. 其较低的IEC值使膜材料表现出良好的热稳定性和尺寸稳定性.