質(zhì)子交換膜是聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的關(guān)鍵部件之一,要求具有高的電導(dǎo)率,熱、化學(xué)穩(wěn)定性,機(jī)械強(qiáng)度且成本經(jīng)濟(jì)。本論文借鑒全氟磺酸膜材料的含氟疏水主鏈-磺化親水側(cè)鏈的結(jié)構(gòu),選取聚芳醚類聚合物為基體材料,在含氟聚芳醚側(cè)鏈引入磺化萘酚基團(tuán),制備了幾類側(cè)鏈磺化型含氟聚芳醚聚合物,采用溶液澆鑄法制膜并對(duì)膜進(jìn)行了表征和分析。首先,以十氟聯(lián)苯、4,4’-二羥基二苯砜及4,4’-二羥基聯(lián)苯經(jīng)芳香親核取代反應(yīng)制備了含氟聚芳醚砜,再利用聚合物中的剩余氟原子與二磺酸萘酚(2-萘酚-6,8-二磺酸鉀和1-萘酚-3,6-二磺酸鈉)反應(yīng),成功合成了一系列側(cè)鏈磺化型含氟聚芳醚砜質(zhì)子交換膜(sSPFAES)。1H NMR和FTIR表征表明二磺酸萘酚被成功引入含氟聚芳醚砜側(cè)鏈。酸堿滴定結(jié)果表明所制備的sSPFAES膜離子交換容量(IEC)為1.28～1.73 mmol/g,柔韌結(jié)實(shí),楊氏模量均高于1.0 GPa,拉伸強(qiáng)度達(dá)到29～37 MPa,斷裂伸長(zhǎng)率為10～64%；同時(shí)膜的熱、氧化穩(wěn)定性良好,TGA測(cè)試中在320-360℃時(shí)重量損失低于5%,經(jīng)Fenton試劑80℃處理1h后失重率不超過7%。吸水性及膨脹性測(cè)試結(jié)果表明該系列膜具有較低的吸水率和良好的尺寸穩(wěn)定性,在測(cè)試溫度范圍內(nèi)(30-90℃)吸水率為31～68%,尺寸變化率低于17%。該系列膜也表現(xiàn)出較高的電導(dǎo)率水平,在80℃時(shí)質(zhì)子導(dǎo)電率均高于135 mS/cm。其次,以剛性及空間位阻效應(yīng)較大的雙酚芴代替4,4’-二羥基二苯砜,采用相似步驟合成了一系列新型側(cè)鏈磺化型含氟聚芳醚聚合物(sSPFAE)質(zhì)子交換膜。制備的sSPFAE膜經(jīng)酸堿滴定IEC達(dá)到1.27～1.65 mmol/g,均柔韌結(jié)實(shí),楊氏模量超過1.0 GPa,斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)到66-105%,同時(shí)熱穩(wěn)定性良好。在測(cè)試溫度范圍內(nèi)(30-90℃)吸水率為21～51%,尺寸變化率低于7%,經(jīng)在Fenton試劑80℃處理1h后的失重率低于3%,在水中的電導(dǎo)率達(dá)到50～250 mS/cm。同時(shí)該系列膜表現(xiàn)出優(yōu)良的耐水解穩(wěn)定性,經(jīng)140℃高溫水處理16d后,仍保持較高的機(jī)械強(qiáng)度及電導(dǎo)率水平。最后,改變聚芳醚中芳香族二元酚的結(jié)構(gòu)通過相似步驟制備了一系列IEC分別約為1.20和1.50 mmol/g的側(cè)鏈磺化型含氟聚芳醚質(zhì)子交換膜。性能比較研究結(jié)果表明聚合物主鏈柔性越高,得到的膜材料吸水率、尺寸變化率及電導(dǎo)率越高,聚合物主鏈剛性越高,得到的膜材料氧化穩(wěn)定性越好。在滿足燃料電池應(yīng)用中電導(dǎo)率要求的前提下,主鏈中同時(shí)含有雙酚芴及聯(lián)苯單元的膜材料綜合性能最優(yōu)。
【學(xué)位單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2016
【中圖分類】：TB383.2;TM911.4
【文章目錄】：
摘要
Abstract
1 緒論
    1.1 燃料電池
    1.2 質(zhì)子交換膜燃料電池
    1.3 質(zhì)子交換膜燃料電池的核心組件—質(zhì)子交換膜（PEM）
        1.3.1 全氟磺酸質(zhì)子交換膜
        1.3.2 改性全氟磺酸質(zhì)子交換膜
        1.3.3 芳香烴類質(zhì)子交換膜材料
        1.3.4 側(cè)鏈型磺化聚合物
        1.3.5 質(zhì)子交換膜的的改性
    1.4 本論文的設(shè)計(jì)思想及主要內(nèi)容
2 實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)方法
    2.1 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備
    2.2 實(shí)驗(yàn)藥品及試劑
    2.3 藥品純化及試劑精制
    2.4 實(shí)驗(yàn)表征方法
1H NMR）'>        2.4.1 核磁共振分析（¹H NMR）
r）'>        2.4.2 黏度（η_r）
        2.4.3 紅外光譜（FTIR）
        2.4.4 熱重分析（TGA）
        2.4.5 離子交換容量（IEC）
        2.4.6 吸水率（WU）和尺寸變化（SR）
        2.4.7 水解穩(wěn)定性
        2.4.8 氧化穩(wěn)定性
        2.4.9 質(zhì)子導(dǎo)電率
        2.4.10 機(jī)械性能
3 側(cè)鏈型含氟聚芳醚砜質(zhì)子交換膜的制備與性能
    3.1 引言
    3.2 實(shí)驗(yàn)部分
        3.2.1 含氟聚芳醚砜（PFAES）聚合物的合成
        3.2.2 側(cè)鏈型含氟磺化聚芳醚砜的合成
        3.2.3 側(cè)鏈型含氟磺化聚芳醚砜質(zhì)子交換膜的制備
    3.3 結(jié)果與討論
        3.3.1 質(zhì)子交換膜的制備
        3.3.2 IEC、吸水率和尺寸變化
        3.3.3 質(zhì)子導(dǎo)電率
        3.3.4 熱重分析和抗氧化穩(wěn)定性
        3.3.5 機(jī)械性能
        3.3.6 水解穩(wěn)定性
    3.4 本章小結(jié)
4 側(cè)鏈型含氟磺化聚芳醚質(zhì)子交換膜的制備及性能
    4.1 引言
    4.2 實(shí)驗(yàn)部分
        4.2.1 含氟聚芳醚聚合物（PFAE）主鏈的合成
        4.2.2 側(cè)鏈磺化型含氟聚芳醚（sSPFAE）的合成
        4.2.3 側(cè)鏈磺化型含氟聚芳醚質(zhì)子交換膜的制備
    4.3 結(jié)果與討論
        4.3.1 質(zhì)子交換膜的制備
        4.3.2 IEC、吸水率和尺寸變化
        4.3.3 質(zhì)子導(dǎo)電率
        4.3.4 熱重分析和抗氧化穩(wěn)定性
        4.3.5 機(jī)械性能
        4.3.6 水解穩(wěn)定性
    4.4 結(jié)論
5 主鏈結(jié)構(gòu)對(duì)側(cè)鏈型磺化聚芳醚質(zhì)子交換膜性能影響
    5.1 引言
    5.2 實(shí)驗(yàn)部分
    5.3 結(jié)果與討論
        5.3.1 側(cè)鏈型質(zhì)子交換膜的制備
        5.3.2 IEC、吸水率以及尺寸變化
        5.3.3 質(zhì)子導(dǎo)電率
        5.3.4 聚合物的抗氧化穩(wěn)定性
        5.3.5 聚合物的機(jī)械性能
    5.4 本章小結(jié)
6 結(jié)論與展望
致謝
參考文獻(xiàn)
附錄

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