用于燃料电池质子交换膜的含萘及氮杂环结构的新型磺化聚酰亚胺的合成及性能

将自制的4,4'-二氨基二苯醚-2,2'-二磺酸基(ODADS)、 含氮杂环芳香二胺1,2-二氢-2-(4-氨基苯基)-4-[4-(4-氨基苯氧基)-苯基]-二氮杂萘-1-酮(DHPZ-DA)和1,4,5,8-萘四甲酸二酐(NTDA)进行直接缩合聚合反应, 通过改变磺化二胺单体的含量来改变聚合物的磺化度, 成功地合成了一系列高分子量的不同磺化度的六元环聚酰亚胺(SPIs), 其特性粘度在0.55-1.47 dL/g. 采用FTIR和 1H NMR技术表征了聚合物的结构. 研究了经溶液浇铸成磺化聚合物膜的理化性质. 结果表明, 随着聚合物磺化度的增大, 膜的含水率和离子交换能力增大, 尺寸稳定性、 对水的稳定性以及抗氧化性降低.     

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.     

含全氟联苯结构的磺化聚二氮杂萘酮醚氧膦质子交换膜的制备与性能

将全氟联苯、 二(4-氟苯基)苯基氧膦与4-(4′-羟基)苯基-2,3-二氮杂萘酮共聚, 合成了含全氟联苯结构的聚二氮杂萘酮醚氧膦, 再经磺化反应, 制备了含全氟联苯结构的磺化聚二氮杂萘酮醚氧膦(sPEPOF-x, x为含氟重复单元的摩尔分数)质子交换膜. 由于强疏水全氟联苯结构促进了聚合物膜的亲水/疏水微相分离, 提高了质子电导率, 降低了溶胀率, sPEPOF质子交换膜表现出优良的综合性能. 在80 ℃下, sPEPOF-25质子交换膜的溶胀率仅为10%, 约为Nafion 117的一半, 而其电导率为0.099 S/cm, 约为Nafion 117的1.2倍, 且耐氧化稳定性好, 热稳定性高, 具有潜在的应用前景.     

磺化侧苯基杂萘联苯聚醚酮酮的合成与性能

以4-(3-苯基-4-羟基苯基)-2,3-二氮杂萘-1-酮(DHPZ-P)、 4-(4-羟基苯基)-2,3-二氮杂萘-1-酮(DHPZ)和1,4-二(4'-氟苯甲酰基)苯(BFBB)为原料, 经溶液亲核取代缩聚反应, 通过调节DHPZ-P和DHPZ的比例, 合成了一系列侧苯基杂萘联苯聚醚酮酮(PPEKK-P), 然后以浓硫酸为磺化剂, 制备出一系列磺化侧苯基杂萘联苯聚醚酮酮(SPPEKK-P). 利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和氢核磁共振谱(¹H NMR)对聚合物结构进行表征, 结果表明, 磺酸基团引入到聚合物链的侧苯基上. 采用溶液浇铸法制备SPPEKK-P质子交换膜. SPPEKK-P膜的吸水率、 溶胀率和质子传导率均随离子交换容量(IEC)的增加而增加, 且具有较好的耐氧化性. IEC最高的SPPEKK-P-100膜的质子传导率在95℃能达到7.44×10^-2 S/cm, 且甲醇渗透系数为5.57×10^-8 cm²/s, 阻醇性能优于Nafion117膜.     

磺化杂萘联苯聚醚酮酮醚酮质子交换膜材料的合成与表征

以1,4-二(3-磺酸钠-4-氟代苯甲酰基)苯(SBFBB)和4,4’-二氟二苯酮(DFK)为二卤单体,与杂萘联苯类双酚进行溶液亲核缩聚反应,通过调控SBFBB与DFK的比例,制备了一系列具有不同磺化度的高分子量磺化杂萘联苯聚醚酮酮醚酮(SPPEKKEKs)。采用红外光谱、核磁共振谱、示差扫描量热分析等对SPPEKKEKs的结构和性能进行了表征,随着磺化度增加,SPPEKKEKs的玻璃化转变温度增大。以氮甲基吡咯烷酮为溶剂制备质子交换膜,随着SPPEKKEKs的磺化度增加,质子交换膜的含水率和质子传导率增加,95℃时,质子交换膜的质子传导率均达到10-2S.cm-1,SPPEKKEKs质子交换膜具有较好的耐氧化性能。     

化学稳定的磺化聚酰亚胺质子交换膜的合成及其表征

质子交换膜存在的最大问题是膜的水稳定性问题（包括水解稳定性、尺寸稳定性和溶解稳定性），对于磺化聚酰亚胺膜来说，由于存在酰亚胺环，因此他最大的问题是水解稳定性问题。基于这些问题，本文合成了一系列的化学稳定的（水、氧化和热稳定）磺化聚酰亚胺用做质子交换膜材料，所有的聚合物都表现出良好的成膜性、机械性能和热稳定性。首先，联萘二酐（BTDA）的引入，大大的提高膜的水解稳定性，例如Ⅰa-90在90℃的水中1000h还能保持原有的机械性能，而以NTDA为基础的膜24h就失去了原有的机械性能。同时，在分子链中引入碱性的二胺基团，例如，苯并咪唑等；碱性的基团和磺酸基团形成聚合物盐，增强了分子链间的相互作用，降低了膜的吸水率，提高了尺寸稳定性。例如Ⅰa-90和Ⅰc-90具有相近的IEC值，但是由于聚合物中碱性基团和磺酸形成的分子间作用力，Ⅰa-90的吸水率（65％）低于Ⅰc-90（79％）；吸水率的降低，同时也降低了膜的甲醇透过率。在保持这些优良性能的同时，为了提高膜的氧化稳定性和质子导电率，以新型的全芳香结构的磺化二胺（2，2′-BSBB）合成了一系列的不同磺化度的磺化聚酰亚胺（Ⅱ），所得聚合物具有良好的成膜性，在保持良好的机械性能、高热稳定性等的前提下，由于全芳香磺化二胺的引入，大大的提高了膜的氧化稳定性；尤其是Ⅱa-6^11 0膜，开始溶解的时间大于40h，远大于其它类型的SPI膜（〈30h）；由于2，2′-BSBB的刚性结构和大的侧链基团，Ⅱ膜具有较高的质子导电率；Ⅱa-80的质子导电率在20℃条件下为0．112S／cm，在相同测试条件下，大于Nafion 117的0．09 S／cm，也远远大于相似IEC值的Ⅰc-70的0．044S／cm。因此，该膜有望作为一种新型的性能优良的质子传输膜材料应用于燃料电池。     

用于质子交换膜的磺化聚酰亚胺的合成与性能研究

从分子设计的角度出发, 合成了一种新型的磺化二胺单体, 通过聚合反应制备了磺酸基在侧链上的质子交换膜. 由于特殊结构的设计, 这种质子交换膜的水解稳定性和氧化稳定性均得到提高.     

含3,5-二甲基二氮杂萘酮联苯结构聚醚酰亚胺的合成与性能

由4-[(3,5-二甲基-4-羟基)苯基]-2,3-杂萘-1-酮与4-氯-N-苯基邻苯酰亚胺通过亲核取代反应、水解反应和脱水反应合成了一种新型不对称含二氮杂萘联苯结构的二酐单体,并对其进行结构表征.由新型二酐单体与市售的二胺单体通过“一步法”溶液聚合反应合成了5种含二氮杂萘酮联苯结构的聚醚酰亚胺.通过FTIR和¹HNMR方法研究了聚合物的结构及性能.结果表明,该类聚合物既具有较高的耐热性能,又可以在室温下溶解于非质子极性溶剂,如N-甲基吡咯烷酮和间甲酚等.     

含砜基和二氮杂萘酮结构的聚酰亚胺无规共聚物的合成与性能

芳香聚酰亚胺是重要的高性能工程塑料品种之一 ,但是大多数刚性棒状分子链的全芳聚酰亚胺不溶于普通的有机溶剂 ,而且直至其分解温度也不熔 ,这给聚酰亚胺的加工带来困难 ,因此 ,限制了它的使用[1 ] .提高聚酰亚胺的可加工性并能保持其优异的耐热性能是目前研究的热点 .为了提高聚酰亚胺的溶解性能 ,基于分子设计的基本原则[2 ] ,合成了一种鲜见报道的非对称的含二氮杂萘酮结构的新型二酐单体 ,其结构为 :ＯＯＯＯＮＮＯＯＯＯ　　本文以 4,4′ 二氨基二苯醚和 4,4′ 二氨基二苯砜为共缩聚型聚酰亚胺的二胺单体 ,与等当量的该二酐单体利用“…     

化学稳定的磺化聚酰亚胺质子交换膜的合成及其表征

质子交换膜存在的最大问题是膜的水稳定性问题(包括水解稳定性、尺寸稳定性和溶解稳定性),对于磺化聚酰亚胺膜来说,由于存在酰亚胺环,因此他最大的问题是水解稳定性问题.基于这些问题,本文合成了一系列的化学稳定的(水、氧化和热稳定)磺化聚酰亚胺用做质子交换膜材料,所有的聚合物都表现出良好的成膜性、机械性能和热稳定性.首先,联萘二酐(BTDA)的引入,大大的提高膜的水解稳定性,例如Ia-90在90℃的水中1000 h还能保持原有的机械性能,而以NTDA为基础的膜24 h就失去了原有的机械性能.同时,在分子链中引入碱性的二胺基团,例如,苯并咪唑等;碱性的基团和磺酸基团形成聚合物盐,增强了链间的相互作用,降低了膜的吸水率,提高了尺寸稳定性.例如Ia-90和Ic-90具有相近的IEC值,但是由于聚合物中碱性基团和磺酸形成的分子间作用力,Ia-90的吸水率(65%)低于Ic-90(79%);吸水率的降低,同时也降低了膜的甲醇透过率.在保持这些优良性能的同时,为了提高膜的氧化稳定性和质子导电率,以新型的全芳香结构的磺化二胺(2,2'-BSBB)合成了一系列的不同磺化度的磺化聚酰亚胺(Ⅱ),所得聚合物具有良好的成膜性,在保持良好的机械性能、高热稳定性等的前提下,由于全芳香磺化二胺的引入,大大的提高了膜的氧化稳定性;尤其是Ⅱa-6110膜,开始溶解的时间大于40 h,远大于其它类型的SPI膜(＜30 h);由于2,2'-BSBB的刚性结构和大的侧链基团,Ⅱ膜具有较高的质子导电率;Ⅱa-80的质子导电率在20℃条件下为0.112 S/cm,在相同测试条件下,大于Nafion 117的0.09 S/cm,也远远大于相似IEC值的Ic-70的0.044 S/cm.因此,该膜有望作为一种新型的性能优良的质子传输膜材料应用于燃料电池.     

SYNTHESIS AND PROPERTIES OF SULFONATED POLY(ETHER KETONE)S CONTAINING 3,5-DIMETHYL PHTHALAZINONE MOIETIES AS PROTON EXCHANGE MEMBRANE MATERIALS

Sulfonated poly（ether ketone）s containing 3,5-dimethyl phthalazinone moieties（SPPEK-DMs）with different degrees of sulfonation（DS）were synthesized via direct polycondensation from 4-（3,5-dimethyl-4-hydroxyphenyl）-2,3- phthalazinone,4,4’-difluorobenzophenone and 3,3’-disulfonate-4,4’-difluorobenzophenone.The chemical structure of SPPEK-DMs was characterized by FTIR and ¹H-NMR.Thermal stability of SPPEK-DMs was characterized by the thermogravimetric analysis.The membranes prepared from SPPEK-DMs exhibited ion exchange capacities（IEC）ranging from 0.93 mmol·g^-1to 1.86 mmol·g^-1.Water uptake,swelling,oxidative stability and methanol permeability of SPPEKDMs membranes were investigated.SPPEK-DMs membranes exhibited high oxidative stability.The methanol permeability values of SPPEK-DMs membranes were in the ranee 5.15×10^-8-6.61×10^-7cm s,which was much lower than those of Nafionl 17.The proton conductivity of SPPEK-DM40 membranes was 1.1×10^-2Scm^-1at 70℃.     

Synthesis and properties of novel sulfonated polyimides containing phthalazinone moieties for PEMFC

A novel sulfonated diamine, 1,2-dihydro-2-(3-sulfonic-4-aminophenyl)-4-[4-(3-sulfonic-4-aminophenoxy)-phenyl]-phthalazin-1-one(S-DHPZDA), was successfully synthesized and two series of six-membered sulfonated polyimides (SPIs) were prepared from 1,4,5,8-naphthalenetetracarboxylic dianhydride (NTDA), S-DHPZDA, and nonsulfonated diamines DHPZDA or 4,4′-diaminodiphenyl ether (ODA). The chemical structure of the S-DHPZDA and the SPIs were characterized by ¹H NMR and FT-IR. Tough, brownish and transparent membranes were cast from SPIs’ solution in NMP. The water uptake, swelling ratio, chemical and thermal stability, hydrolytic and oxidative stability as well as proton conductivity of these new polymers were investigated systematically. Compared with Nafions, the obtained SPI membranes have onset decomposed temperatures of these two series SPIs were above 318 °C and decomposed temperature of main chain were 565 °C and excellent dimension stabilities on similar IECs. Introduction of phthalazinone moieties had improved the copolyimides’ solubility in polar aprotic organic solvents like m-cresol, NMP, DMSO, DMF etc. The SPIs had high proton conductivity (σ) in the order of magnitude of 10⁻³ to 10⁻² S cm⁻¹ depending on the degree of sulfonation (DS) of the polymers.     

磺化聚醚酮酮的合成和表征

研究了以硫酸为磺化剂由聚醚酮酮来合成磺化聚醚酮酮的方法，探讨了硫酸浓度、反应温度、反应时间和聚醚酮酮在硫酸中的浓度等因素对聚醚酮酮的磺化度和离子交换容量的影响，制得了磺化度为１５５ｍｍｏｌ／ｇ、离子交换容量为１５７ｍｍｏｌ／ｇ的磺化聚醚酮酮．用红外光谱表征了其结构，用Ｘ 射线进行了结晶度的分析，用ＤＳＣ进行了热分析     

P(VDF-co-TrFE-co-CTFE)-g-SPS共聚物的合成表征

采用商业聚(偏氟乙烯-co-三氟氯乙烯)(P(VDF-co-CTFE)为原料,结合氢化反应、ATRP和磺化反应系统合成了一系列聚(偏氟乙烯-co-三氟乙烯-co-三氟氯乙烯)-g-磺化聚苯乙烯(P(VDF-co-TrFE-co-CTFE)-g-SPS)共聚物.重点研究了测试环境(如温度和相对湿度)、聚合物微观结构(接枝密度,接枝长度等)对聚合物形貌、吸水率和质子传导率的影响.研究表明,在接枝量相同的情况下,随着接枝密度的降低,聚合物的相分离更加明显,亲水相从孤岛型逐渐转变为部分连续型;聚合物的吸水率随磺酸基摩尔含量增加而提高;聚合物的质子传导率随着温度的提高和湿度的降低而降低;在较低温度下,聚合物的电导率随接枝密度的增加而降低,而在较高温度下,聚合物的电导率随接枝密度的增加而升高.组成优化的P(VDF-co-TrFE-co-CTFE)-g-SPS共聚物在30～120℃和高湿度条件下,其质子传导率明显优于Nafion112膜.     

一种杂环磺化聚芳醚腈酮质子交换膜材料的合成及表征

用含二氮杂萘酮结构类双酚DHPZ,3,3′-二磺酸钠基-4,4′-二氟二苯酮,2,6-二氯苯腈以及4,4′-二氟二苯酮,通过缩合共聚合反应合成了一系列不同磺化度、高分子量的磺化聚芳醚腈酮.聚合物特性粘数为0·58~2·0dL/g.用红外光谱(FT-IR),核磁共振谱(1H-NMR)表征了聚合物结构.用差示扫描量热仪(DSC)和热重分析仪(TGA)研究了聚合物的耐热性能,研究表明其玻璃化温度(Tg)可达352℃,5%热失重温度大于500℃.以N-甲基吡咯烷酮为溶剂,溶液浇铸法制备了聚合物膜,并测定了膜的溶胀率以及质子交换能力.结果表明,与Nafion膜相比,磺化聚芳醚腈酮膜在相同的质子交换能力条件下,溶胀率显著降低.     

SYNTHESIS,CHARACTERIZATION, AND PERFORMANCE OF SULFONATED POLYETHERSULFONE NANOFILTRATION MEMBRANES

ABSTRACT

TGA/DTA data. Membranes were prepared from sulfonated polymer and performance characteristics in terms of permeate flux and solute separation are reported. The effects of the casting solution composition on performance of both PES & SPES membranes, effect of feed concentration and separation of different inorganic salts are also included. Separation of multivalent cation (Ca²⁺) was studied in presence of PAA of different concentration and as a function of pH.     

磺化聚醚醚酮/磷钨酸复合膜的导电和甲醇渗透性能

通过磺化反应制备了磺化聚醚醚酮,1H-NMR测试表明其磺化度分别为0.65和0.73.用共混的方法制备了磺化聚醚醚酮/磷钨酸复合质子交换膜.研究了磺化聚醚醚酮的磺化度和磷钨酸的含量对复合膜的吸水性能?电导率,甲醇渗透性能的影响.随着磺化度和磷钨酸含量的增加,电导率逐渐增大,最高达到1.36×10-2S/cm(20℃),高于相同测试条件下NafionR○117膜的电导率(1.0×10-2S/cm).对复合膜的横向和纵向电导率进行了测试和比较,两者相差接近一个数量级.磷钨酸的掺杂虽然没有降低复合膜的甲醇渗透系数,但是仍然都低于相同条件下测得的NafionR○117膜的甲醇渗透系数.     

含芴和双酚AF型氮杂萘酮的两亲嵌段聚芳醚砜酮离聚物的合成与性能

采取"二锅二步"的聚合方法以双酚芴、4,4'-二氯二苯砜、双酚AF型二氮杂萘酮、二氟二苯酮磺酸钠为原料制备了含芴-聚芳醚砜憎水链段和双酚AF型二氮杂萘酮-磺化聚芳醚酮亲水链段的两亲嵌段聚芳醚砜酮离聚物,通过调整4种单体的比例以及预聚合、再缩合聚合工艺制备了一系列具有不同链段尺寸的芴-双酚AF型氮杂萘酮-两亲嵌段聚芳醚砜酮离聚物质子交换膜材料.通过黏度测试、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、氢谱(1H-NMR)、热失重(TGA)等分析方法,对离聚物的结构和性能进行了表征,用蒸发溶剂法制备了质子交换膜,并考察膜的各种性能.实验结果表明,该系列离聚物的结构可控,热稳定性良好,5 wt%热失重温度均高于250℃;由其制备的质子交换膜具有良好的耐醇性和耐甲醇渗透性能、优异的抗氧化性和水解稳定性、以及适当的质子导电率和吸水率,室温下该系列膜的甲醇渗透率在0.23×10-6～0.28×10-6cm2/s,比Nafion 117具有更好的耐甲醇渗透性能;80℃下该系列膜的质子导电率与30℃时相比呈现倍增趋势,离聚物8e膜的质子导电率在80℃下达到了1.83×10-3S/cm.