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新型燃料电池用质子交换膜的合成和性能研究

窦志宇  
【摘要】:本论文通过亲核取代反应路线合成了含有醚酮结构的磺化聚酰亚胺系列质子交换膜材料。并对聚合物膜的热性能、溶解性能、力学性能、电性能、阻醇性能进行研究,证明我们所制备的聚合物符合质子交换膜材料的使用要求。聚合物具有良好的成膜性,说明我们得到了较高分子量的磺化聚酰亚胺。所得聚合物具有较高的热分解温度和玻璃化转变温度,满足质子交换膜的热稳定性要求;所得聚合物可溶于有机溶剂中,保证了聚合物成膜;膜的拉伸强度、拉伸膜量等力学性能数据说明了所合成的聚合物膜能够达到质子交换膜燃料电池的使用要求;聚合物膜具有良好的质子传导性能,磺化度为1.0的SPEK-PI膜的质子传导率接近于NATION膜;所合成的聚合物膜的阻醇性能优于NATION膜。以上性能测试的结果表明我们制备的聚合物膜将会具有很好的应用前景。 无机粒子具有很好的亲水性,它们可以增加聚合物膜对水分子的约束力,增强水合作用,确保在高温条件下质子交换膜内仍保持一定的湿度,从而在高温时提高质子传导速率。我们以本课题组合成的磺化聚醚醚酮为有机物基质制备了分散均匀的SPEEK/纳米二氧化钛复合膜。复合膜具有良好的热性能、机械性能,可以满足质子交换膜的使用要求。无机纳米粒子的加入使复合膜的吸水率明显高于纯的磺化聚醚醚酮;高温下复合膜的保水能力优于纯聚合物;复合膜的阻醇能力增强;相同磺化度的复合膜,在相同温度下,随着纳米二氧化钛含量的增加,膜的质子传导率呈现了现上升后下降的趋势,这是由于纳米粒子的加入一方面提高了膜的吸水率和保水能力,另一方面堵塞了水合质子自由传输的孔道,当前者占优势时则表现为质子传导率的升高,而当后者的影响占优势时,则导致质子传导率的降低。可以看到,适当控制无机纳米粒子的含量可以提高膜的综合性能,具有较好的应用前景。


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