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.     

磺化聚芳醚砜/磺化聚酰亚胺复合质子交换膜的制备与性能研究

利用溶液浇铸法制备了一系列双磺化型磺化聚芳醚砜/磺化聚酰亚胺(SPAES/SPI)复合质子交换膜.扫描电子显微镜(SEM)结果显示复合膜不存在明显的相分离,表明二者具有很好的相容性.由于SPI的引入,复合膜在甲醇中稳定性较纯SPAES具有大幅的提高,比Nafion112低得多的甲醇吸收率表明了这些复合膜具有比后者更低的甲醇透过率.复合膜显示了与单组分膜相类似的高温分解稳定性,磺酸基团的分解温度达到了290℃以上.复合膜显示出远高于纯SPAES膜的尺寸稳定性能,在130℃高温中200h处理后,所有的复合膜均保持了高的机械性能,而此时纯SPAES膜已经溶解于水中.而且由于两种磺化聚合物间的复合,复合膜维持了较高的IEC水平,显示了较高的质子导电率,在80%相对湿度时的质子导电率与Nafion112相近,而在水中的质子导电率均高于Nafion112.     

含氨基磺化聚芳醚酮砜质子交换膜的制备与性能

通过四元缩聚的方法合成了带有氨基的磺化度可控的磺化聚芳醚酮砜共聚物(Am-SPAEKS). 采用红外光谱和核磁共振谱表征了Am-SPAEKS共聚物的结构. 该共聚物膜具有较好的热性能、尺寸稳定性、较高的质子传导率和阻醇能力. 在80℃时Am-SPAEKS-1膜的质子传导率达到0.0894 S/cm, 而其甲醇渗透系数在25℃时为0.24×10^-6 cm²/s, 低于相同温度下SPAEKS膜(0.87×10^-6 cm²/s)和Nafion膜(2×10^-6 cm²/s). 结果表明, Am-SPAEKS膜能够满足质子交换膜燃料电池(PEMFC)的使用要求.     

磺化聚芳醚酮砜/ZrO2复合型质子交换膜的制备与性能

通过溶胶-凝胶法制备了纳米ZrO2无机粒子,再通过溶胶共混法制备了不同ZrO2含量的磺化聚芳醚酮砜(SPAEKS)复合膜,红外光谱显示复合膜中存在Zr-O-Zr吸收峰,扫描电镜照片显示纳米ZrO2无机粒子能够均匀地分散在SPAEKS聚合物基体中,未发生团聚现象.通过对复合膜的性能测试发现,纳米ZrO2无机粒子的引入提高...     

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.     

含氟磺化双三蝶烯型聚芳醚砜质子交换膜的制备及性能

利用3,3,4,4-四氟二苯砜、十氟联苯、6F-双酚A及6,13-双三蝶烯二酚,通过亲核取代共聚及后磺化方法制备了2个系列不同磺化度的磺化双三蝶烯型聚芳醚砜,并通过氢核磁共振波谱(1H NMR)对其化学结构进行了表征.研究发现,所得磺化聚芳醚砜均表现出了优异的热稳定性.此类膜材料具有优良的机械性能、尺寸稳定性、氧化稳定性及高温低湿度条件下高的质子传导率.透射电子显微镜的结果表明,聚合物主链中大量氟原子的引入显著改善了聚合物的相分离结构,并且随着聚合物主链中氟含量的增加,亲水区域明显增大.这也是含氟磺化双三蝶烯型聚芳醚砜质子交换膜材料在高温低湿度条件下具有高质子传导率的主要原因.     

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.     

侧链磺化型含氟聚芳醚质子交换膜的制备及性能

在含氟聚芳醚侧链引入磺化萘酚基团,制备了一类侧链磺化型含氟聚芳醚(s SPFAE),采用溶液浇铸法制膜并对膜进行了表征和分析.制备的膜材料离子交换容量达到1.42~2.03 mmol/g,均透明柔韧,杨氏模量高于1.0 GPa,拉伸应变达到66%~105%.吸水性及膨胀性测试结果表明该系列膜具有较低的吸水率和良好的尺寸稳定性,在测试温度范围内(30~90℃)吸水率为21%~51%,尺寸变化率低于7%.s SPFAE膜具有良好的热稳定性及氧化稳定性,TGA测试中320~360℃时的重量损失低于5%,在Fenton溶液中80℃处理1 h后的失重率小于2%.同时,该系列膜表现出较高的电导率水平,如SPFAE-0.8膜(IEC=2.03 mmol/g)在80℃时电导率达到217 m S/cm.     

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.     

质子交换膜燃料电池用含氨基磺化聚芳醚酮砜交联膜的制备与性能研究

利用亲核缩聚方法合成出带有氨基的磺化度可控的磺化聚芳醚酮砜共聚物(Am-SPAEKS),并在180℃下制备了C-Am-SPAEKS交联膜.红外和氢核磁图表明氨基已被引入到SPAEKS共聚物中,而且AmSPAEKS聚合物中的磺酸基团与氨基反应生成磺酰胺键而形成共价交联.通过对C-Am-SPAEKS膜性能测试发现,氨基与磺酸基团之间发生的共价交联反应使交联膜的致密性增加,从而使膜的甲醇渗透系数显著降低,膜的溶胀性、热稳定性和膜的保水能力都得到了提高.在120℃时C-Am-SPAEKS膜的质子传导率达到了0.0883 S/cm,而其甲醇渗透系数在25℃时为0.5×10-7cm2/s,明显低于SPAEKS膜的8.9×10-7cm2/s和Nafion膜的2×10-6cm2/s.实验结果表明,C-Am-SPAEKS膜能够满足质子交换膜燃料电池(PEMFC)的使用要求,有望在中高温和直接甲醇燃料电池中得以应用.     

侧链磺化聚芳醚质子交换膜的研究进展

燃料电池是以氢气、甲醇等作为燃料的一种新型能量转化装置,其中质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）凭借其能量功率高、启动速度快和使用寿命长等优点已经在移动电源、潜艇和电动汽车等领域得到了广泛应用。质子交换膜（Proton Exchange Membrane, PEM）对PEMFC的性能影响最大,高效的PEMFC需要PEM具有高的质子电导率、良好的热稳定性和机械性能、低燃料渗透率以及优异的物理化学稳定性等。目前市面上多数使用的均是具有优异质子电导率的Nafion系列膜,但其存在制备困难、成本昂贵、质子电导率严重依赖湿度等缺点,在一定程度上限制了其发展。为了让PEM有更多的选择,科学家一直专注于使用新材料替代Nafion膜。近年来,科学家们模拟Nafion结构,通过合成各种侧链含磺酸基团的聚芳醚结构,使得亲水基团磺酸基和疏水基团之间形成微相分离结构,从而获得了一系列具有优异综合性能的PEM。本文将重点对侧链烷基磺化型、侧链磺化嵌段型、侧链局部密集磺化型、侧链磺化交联型和侧链磺化复合型这几种常见策略的合成方法及性能进行了综述,最后展望了侧链磺化聚芳醚在PEM领域的优势及发展前景。     

填充型具有微孔结构的磺化聚芳醚砜/聚醚砜复合质子交换膜的制备及性能

制备了基于磺化聚芳醚砜(SPAES)及聚醚砜(PES)的填充型复合质子交换膜, 研究了其吸水率、 尺寸变化、 热-机械特性、 质子电导率、 甲醇透过性及稳定性等性能. 通过浸入沉淀相转化法, 采用磺化度分别为30%(S30), 40%(S40)及50%(S50)的SPAES与PES制备了系列微孔型复合质子交换膜 Sx-y(x为SPAES的磺化度, y为SPAES的质量分数); 然后利用真空抽滤法在微孔中填充S50制备了相应的填充型复合质子交换膜Sx-y+F50. 结果表明, 由于微孔的引入及皮层结构的存在, Sx-y膜在低离子交换容量(IEC)条件下仍具有较高的电导率、 优良的机械强度、 优异的化学稳定性及较低的甲醇透过性. 经S50填充后, Sx-y+F50膜的IEC及电导率明显提升, 甲醇透过率大幅下降, 但机械强度及化学稳定性未见劣化. 其中S30-40+F50膜(IEC=0.69 mmol/g)的综合性能最佳, 其质子电导率在90 ℃水中达到50.4 mS/cm; 经140 ℃水处理24 h后失重率仅为8.2%, 质子电导率降低仅9%; 经过芬顿试剂(3% H₂O₂, 20 mg/L FeSO₄, 80 ℃, 1 h)处理后失重率仅为0.66%; 甲醇透过率仅为6.8×10^-8 cm²/s.     

含氨基聚芳醚酮/磺化聚芳醚酮砜中高温质子交换复合膜的制备与性能研究

以自制的高磺化度磺化聚芳醚酮砜(SPAEKS)和含有氨基的聚芳醚酮(Am-PAEK)为原料,通过共溶剂涂膜法制备了不同重量比例的Am-PAEK/SPAEKS复合膜.通过高温(160℃)处理使氨基和磺酸基团在复合膜内形成交联,制得交联型复合膜.复合膜的热性能、尺寸稳定性、阻醇性能有所提高,而且交联型复合膜中的Am-PAEK/SPAEKS-C-3质子传导率在120℃时达到了0.0892 S/cm,高于在相同测试条件下SPAEKS膜的0.0654 S/cm和Nafion膜的0.062 S/cm,而其甲醇渗透系数在25℃时达到0.14×10-6cm2/s,低于SPAEKS膜的0.85×10-6cm2/s和Nafion膜的2×10-6cm2/s.实验结果表明,Am-PAEK/SPAEKS交联型复合膜有望在中高温质子交换膜燃料电池中得到应用.     

大侧基链接剂制备嵌段磺化聚芳醚砜质子交换膜及其性能研究

以含苯侧基的对二(苯羰基四氟苯)为链接剂,以4,4’-二氟二苯砜分别与4,4’-二羟基二苯砜和4,4’-联苯二酚作为疏水和亲水嵌段前体,合成一系列高分子量的有序和无序的嵌段磺化聚芳醚砜(SPAES).¹H-NMR显示所制备的嵌段型SPAES的磺化位点和预测的一致,且离子交换容量(IEC)的滴定值是理论值的95%以上,说明磺化位置和磺化度精确可控. SPAES质子交换膜的杨氏模量、拉伸应力和断裂伸长率高达1.92 GPa、75 MPa和58%. TGA结果表明嵌段SPAES具有两段失重,分别对应320℃左右磺化基团脱出,以及500℃以上聚合物骨架分解.相似IEC,具有苯环大侧基链接剂的SPAES的吸水率随温度变化要明显小于无链接剂SPAES,在膜面方向尺寸变化率两者相当,均为8%左右.具有相似IEC的有链接剂的有序嵌段型SPAES,如MB9 (IEC=1.68 mmol·g^-1)的质子传导率为无链接剂嵌段型SPAES B2 (IEC=1.70 mmol·g^-1)的1.2倍以上.这是由于链接剂苯环侧链结构使得膜内自由体积增加...     

用于燃料电池质子交换膜材料的磺化聚芳醚酮砜的合成与性能研究

以叔丁基对苯二酚(TBHQ)为双酚单体,1,4-二(4′-氟苯甲酰基)苯,3,3′-二磺酸钠基-4,4′-二氧二苯砜(SDCDPS)为原料,采用亲核缩聚反应,通过调整磺化单体和非磺化单体的比例与叔丁基对苯二酚共聚,合成了一系列具有不同磺化度的聚芳醚酮砜.通过红外光谱(FTIR),TGA,DSC等分析方法对其结构及性能进行了表征.并用TEM对其内部形态进行了研究,建立了结构与性能之间的关系.通过对膜进行综合性能评价发现,磺化度为0.8的磺化聚芳醚酮砜膜的质子传导率在80℃时达到了0.061 S/cm接近了Nafion 117,而且其甲醇渗透系数为3.4×10-7cm2/s远低于Nafion 117,在质子交换膜燃料电池(PEMFC)和直接甲醇燃料(DMFC)电池中表现出了好的应用前景.     

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).     

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.     

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.     

新型共混交联磺化聚醚醚酮/部分氟化磺化聚芳醚砜质子交换膜的制备与表征

制备了基于磺化聚醚醚酮(SPEEK)/部分氟化磺化聚芳醚砜(SPFAES)的共混交联型质子交换膜(CMB), 研究了其吸水率、 尺寸变化、 力学性能、 热性能、 质子电导率、 化学稳定性及电池性能等. 通过在溶液浇铸过程中加入脱水剂诱导高温脱水反应, 在共混体系内构建了交联结构. 结果表明, 由于SPEEK与SPFAES之间良好的相容性、 分散性和聚合物链的重排及交联作用, CMB膜在干态下均表现出出色的力学强度, 且物化稳定性得到大幅提升. 在低离子交换容量(1.21~1.51 mmol/g)条件下, CMB膜的质子电导率达到122~219 mS/cm(80 ℃), 在氢氧单电池中, CMB4膜的最大功率密度达到530.5 mW/cm²(80 ℃).