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。

无溶剂磺酸/羧酸型水性聚氨酯的制备及性能

采用一步法合成了一系列磺酸/羧酸型水性聚氨酯(WPU),通过调节异氰酸根基团与羟基的物质的量比(R值)、磺酸/羧酸亲水扩链剂的用量复配比例降低预聚体黏度,实现了无溶剂型WPU的制备。本研究以聚醚、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)为主要原料,双羟甲基丙酸(DMPA)、N,N-双(2-羟乙基)-2-氨基乙磺酸钠(BES-Na)为亲水扩链剂合成一系列WPU,并研究了R值、中和度、亲水扩链剂含量(亲水扩链剂质量占预聚体总质量的百分数)及比例(磺酸型扩链剂物质的量占扩链剂总物质的量的百分数)对水性聚氨酯乳液及成膜性能的影响。结果表明,随着扩链剂总量的增大,乳液固含量降低,胶膜硬度增大,吸水率上升。磺酸/羧酸的复配使用赋予了WPU良好的性能,本研究所制备WPU的5%失重温度均高于300℃,固含量均高于38%,乳液粒径显示良好的多峰分布趋势。其中,当R=1.5,中和度100%,扩链剂总量为3.55%,BES-Na占比6%时,WPU乳液平均粒径为310.6 nm,乳液粒径呈良好的双峰分布,大/小粒子粒径之比为7.8,WPU胶膜拉伸强度3.9 MPa,断裂伸长率为631.1%,WPU胶膜硬度达到5 H,附着力等级为0级,综合性能最佳。