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新型聚芳醚质子交换膜材料分子设计及结构和性能关系的研究

李雪峰  
【摘要】:针对传统磺化聚芳醚类质子交换膜材料存在传导率和机械性能难以平衡的不足之处,本文从分子结构设计角度出发,研制了两类具有优势结构的磺化聚芳醚材料。首先,考虑到传统磺化聚芳醚材料的磺酸基团酸性较弱的特点,将具有强酸性的全氟磺酸链段引入聚芳醚材料的侧链,制备类Nafion膜结构的磺化聚芳醚材料。力图通过提高磺酸酸性,在合理的磺化度范围内来提高聚合物聚芳醚聚合物的质子传导率。实验结果显示该类膜材料在低磺化度时表现出高的质子传导率。证实了依靠提高磺化聚芳醚膜材料酸性的方式来提高膜传导率的途径可行。其次,在不改变磺化聚芳醚芳香型碳氢结构的基础上,通过设计聚合物结构的方法,调整聚合物微结构的手段来提高聚合物质子传导率和力学性能。通过对聚合物疏水链段的设计,将大分子量的疏水结构通过直接共聚的方法引入聚合物主链结构,在高磺化度情况下促使聚合物疏水链段紧密堆砌形成稳固的疏水相。由此来提高材料的传导率和机械强度。实验结构显示所设计的聚合物在高温显示出非常优越的性能:传导率高于商品化的膜材料Nafion膜,且在低湿度下仍然具有较高的质子传导率。为了进一步调整材料的磺化度我们制备了含大分子量疏水链段的共聚型聚芳醚材料,并且将极性的腈基基团引入聚合物进一步提高聚合物的链段间作用,提高材料力学强度。实验结果显示我们制备含有大分子量疏水链段的聚芳醚材料在高的质子传导率情况下保持了良好的机械性能。同时材料的高温、低湿条件下表现出优越全氟磺酸膜材料和传统磺化聚芳醚材料的特性。 综上,本文从聚合物结构设计出发设计、合成了两类新型聚芳醚质子交换膜材料。并对材料进行的详尽的性能评价,结果显示磺化聚芳醚材料的酸性和微相结构是影响材料性能的关键因素。本文的研究对优化聚芳醚质子交换膜材料提供了有利的借鉴。对磺化聚芳醚质子交换膜材料的广泛应用提供了研究基础。


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