新型磺化聚芳醚砜嵌段聚丁二烯質子交換膜的研究.pdf

1、燃料電池是一種非常有前途的將化學能轉化為電能的電化學裝置。在眾多類型的燃料電池中，質子交換膜燃料電池由于其具有高能量密度、快速啟動、清潔、便攜等特點被廣泛應用在多種電化學裝置中，如電動汽車和便攜電池等。因為質子交換膜是質子交換膜燃料電池的關鍵組件之一，所以眾多科研工作者在開發(fā)聚合物電解質材料方面投入了大量的精力。雖然，目前在質子交換膜燃料電池方面應用廣泛的全氟磺酸質子交換膜(如Nafion膜)，其化學穩(wěn)定性優(yōu)異、電導率高，但是高昂的價格

2、和性能上的一些缺陷限制了它們的應用范圍。因此，整個領域又投入價格便宜、性能優(yōu)異的新型Nafion替代膜的研發(fā)工作。 眾所周知，象Nafion(R)、DOW(R)這類全氟磺酸質子交換膜由于結構中高度的相分離，使其在離子交換容量較低的情況下仍然具有很好的電導率。因此，薄膜的微觀結構被認為是決定質子交換膜電導率的一項重要因素。而近來的研究發(fā)現，嵌段共聚是一種實現這種相分離結構的很好途徑，因為它不僅將親水鏈段限制在一個特定的區(qū)域而且可以

3、保持疏水區(qū)域的聚集狀態(tài)。 在本論文中，我們通過縮聚反應合成了基于聚芳醚砜嵌段聚丁二烯的新型嵌段聚合物，然后用乙?；撬嶂瑢θ嵝缘木鄱《╂湺芜M行選擇性的磺化，最后用溶液流延涂膜的方法制備質子交換膜。反應的中間體和最終磺化聚合物的結構用紅外和核磁氫譜進行了表征。用差示掃描量熱法和熱重分析測量了薄膜的玻璃化轉變溫度、熔融峰溫度和熱降解溫度。薄膜的透射電子顯微鏡和X射線衍射分析發(fā)現不同磺化度的質子交換膜具有不同的微觀結構。交流阻抗譜分析

4、發(fā)現，這種新型的聚芳醚砜嵌段磺化聚丁二烯(PAES-b-SPB)質子交換膜即使在較低的磺化度(11.5﹪)情況下，25℃時的電導率仍達到了0.0302S/cm。通過對磺化共聚物質子交換膜的結構和性能的關系研究發(fā)現，分子結構中高柔性的磺化鏈段有利于富離子區(qū)域的形成，從而有利于提高薄膜的質子電導率。 為了消除以上合成的部分磺化的PAES-b-PB嵌段共聚物主鏈中仍然存在的不飽和雙鍵、改善薄膜的穩(wěn)定性，我們對薄膜進行了本體的環(huán)氧改性。

5、用紅外光譜研究PAES-b-SPB質子交換膜環(huán)氧改性的動態(tài)過程和不同磺化度薄膜的環(huán)氧改性結果。同時我們還詳細地研究了環(huán)氧改性對薄膜的微觀結構、表面形貌、熱穩(wěn)定性、吸水率和溶脹性能、機械強度以及質子電導率的影響。 嵌段共聚物的相分離結構是通過聚合物鏈段的團聚而實現的，它使兩個不相容的相相互共存，而其微觀結構的形貌又受其組成和薄膜的制備過程影響。不同的聚合物組成會引起薄膜微觀結構的變化，并且最終影響薄膜的物理化學性能。因此，我們通過

6、制備了一系列具有不同鏈段組成的PAES-b-SPB質子交換膜來研究鏈段組成對質子交換膜的微觀結構、熱性能、氧化穩(wěn)定性以及質子電導率的影響。 基于以上的一些結論，我們進一步合成了一系列同時磺化硬段與軟段的PAES-b-PB嵌段共聚物(SPAES-b-SPB)，并用紅外和核磁氫譜對它的分子結構進行了確認，用透射電子顯微鏡觀察了這類新型質子交換膜微觀結構的變化。另外，我們還研究了分子鏈中磺化硬段和磺化軟段之間的相互作用對質子交換膜性能