磺化聚醚醚酮酮/氨基封端超支化聚酰亚胺复合膜的制备

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].

基于半互穿聚合物网络的高温质子交换膜的制备

通过构筑基于含不饱和双键的磺化聚芳醚酮(Allyl-SPAEK)与芳醚型聚苯并咪唑(PBI)的半互穿聚合物网络(IPN),获得综合性能优异的可用于高温质子交换膜燃料电池的PBI/Allyl-SPAEK复合膜材料.在对Allyl-SPAEK和PBI的分子进行设计和合成的基础上,采用溶液共混-浇铸方法,基于UV辐照交联,获得了由丙烯基生成的共价键和咪唑基-磺酸基形成的强酸碱相互作用组成的IPN新体系,并系统研究了新型复合膜的热、机械性能和质子传导率.结果表明,具有PBI/Allyl-SPAEK半互穿聚合物网络的复合膜具有较高的质子传导率和力学性能,在同等磷酸吸附水平和测试条件下优于PBI膜.在磷酸吸附水平为13.0左右时,PBI/Allyl-SPAEK复合膜的最大拉伸强度达到12.1 MPa,杨氏模量达到131.5 MPa,是同等磷酸吸附水平下PBI膜的2.04倍.在200℃时,两种PBI/Allyl-SPAEK复合膜的质子传导率均达到200 mS/cm以上,比PBI膜传导率提高了38%.

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.

低熔体黏度聚醚醚酮的合成与性能

高性能聚合物及其复合材料因优异的热性能和机械性能备受关注[1-4]．高性能聚合物分子链的芳香性结构使其具有优异的性能，但分子链的刚性结构导致热塑性高性能聚合物具有很高的熔体黏度，限制了其应用．聚醚醚酮连续纤维增强复合材料因熔体黏度高而难以预浸[5-8]．为了降低聚醚醚酮的熔体黏度，人们进行了大量的实验探索．

基于聚苯并咪唑/超支化聚合物的交联共混体系的高温质子交换膜

在可溶性高分子量芳醚型聚苯并咪唑(OPBI)基体中引入超支化聚对氯甲基苯乙烯(H-VBC),通过便捷的溶液共混-浇铸法,制备了基于聚苯并咪唑/超支化聚合物的新型交联体系(OPBI/H-VBC-1和OPBI/H-VBC-2),并对膜进行季铵盐化处理(OPBI/H-VBC-QA-1和OPBI/H-VBC-QA-2),实现了复合膜综合性能的提升.与原始OPBI膜相比,交联型复合膜表现出优异的尺寸稳定性和"抗塑化"能力.在85%磷酸中浸泡72 h后,OPBI/H-VBC-2和OPBI/H-VBC-QA-2的体积膨胀率只有184.2%和152.4%,而OPBI的体积膨胀率达到336.5%;OPBI/H-VBC-2和OPBI/H-VBC-QA-2的最大拉伸强度分别达到36.3和21.9 MPa,比单一OPBI膜的10.9 MPa提高了56%-233%.研究发现,季铵盐化的复合膜具有更高的质子传导率(在200℃下的质子传导率分别达到151.5和103.4 mS/cm)与磷酸吸收水平比值.对比研究发现,所制备的交联型复合膜比已报道大多数高温质子交换膜(HT-PEM)具有更优异的质子传导率与力学强度平衡能力.