磺化聚芳醚酮砜类质子交换膜材料的制备与性能研究

论文摘要

以质子交换膜燃料电池用质子交换膜材料为目标,从分子设计的角度出发,利用亲核缩聚反应,合成了两个系列具有不同磺化度的磺化聚芳醚酮砜和磺化聚芳醚酮酮砜共聚物。对其结构和形态进行了表征和分析,对膜的各项性能进行了综合测试和分析,得到了较好的性能指标,初步建立了结构与性能你的关系。为了掌握膜的应用和加工条件,对其降解动力学进行了详细研究。为了降低膜的甲醇渗透系数和提高膜的使用温度,通过原位聚合法,制备了磺化聚芳醚酮砜/聚吡咯复合膜,通过溶胶-凝胶法,制备了磺化聚芳醚酮砜/二氧化钛复合膜。结果表明:两个系列的复合膜在质子传导率降低不明显的情况下,显著改善了膜的阻醇能力和提高了膜的使用温度,展示了好的应用前景。

论文目录

• 提要
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 燃料电池的概况
• 1.2.1 燃料电池的发展
• 1.2.2 燃料电池的基本原理
• 1.2.3 燃料电池的特点
• 1.2.4 燃料电池的种类
• 1.3 质子交换膜燃料电池
• 1.3.1 质子交换膜燃料电池的概述
• 1.3.2 质子交换膜燃料电池的工作原理
• 1.4 直接甲醇燃料电池
• 1.4.1 直接甲醇燃料电池的工作原理
• 1.4.2 直接甲醇燃料电池的优势与现存问题
• 1.5 质子交换膜
• 1.5.1 质子交换膜的种类及其研究现状
• 1.5.2 磺化聚芳醚类质子交换膜的制备方法
• 1.6 质子交换膜结构与性能之间的关系
• 1.7 聚合物的降解动力学
• 1.7.1 热分解反应动力学基本理论
• 1.7.2 研究热分解反应动力学的常用方法
• 1.8 本文设计思想
• 1.9 参考文献
• 第二章 磺化聚芳醚酮砜的合成、表征及性能研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验原料与化学试剂
• 2.3 测试与表征方法
• 2.3.1 粘度
• 2.3.2 红外光谱（FT-IR）
• 2.3.3 核磁氢谱（1H-NMR）
• 2.3.4 热重分析（TGA）
• 2.3.5 示差扫描量热法（DSC）
• 2.3.6 气相色谱
• 2.3.7 离子交换容量（IEC）
• 2.3.8 吸水率和溶胀比率
• 2.3.9 膜中水的脱附系数
• 2.3.10 质子传导率
• 2.3.11 机械性能
• 2.3.12 甲醇渗透系数
• 2.3.13 氧化稳定性
• 2.4 磺化单体的制备及表征
• 2.5 磺化聚芳醚酮砜共聚物的合成及表征
• 2.6 聚合物的溶解性
• 2.7 聚合物的热性能
• 2.7.1 聚合物的热稳定
• 2.7.2 聚合物的玻璃化转变温度（Tg）
• 2.8 磺化聚芳醚酮砜膜性能研究
• 2.8.1 聚合物膜的制备
• 2.8.2 SPAEKS膜的离子交换容量
• 2.8.3 SPAEKS膜的吸水性
• 2.8.4 SPAEKS膜的机械性能和氧化稳定性
• 2.8.5 膜的微观形态
• 2.8.6 SPAEKS膜的质子传导率
• 2.8.7 膜的传输性质
• 2.8.8 膜的甲醇渗透系数
• 2.9 本章小结
• 2.10 参考文献
• 第三章 磺化聚芳醚酮酮砜共聚物的合成、表征与性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验原料与试剂
• 3.3 测试手段与表征方法
• 3.4 磺化聚芳醚酮酮砜（SPAEKKS）的合成及表征
• 3.5 聚合物的溶解性
• 3.6 聚合物的热性能
• 3.6.1 聚合物的热稳定性
• 3.6.2 SPAEKKS共聚物的玻璃化转变温度
• 3.7 SPAEKKS膜的力学性能和抗氧化稳定性
• 3.8 膜的吸水率和尺寸稳定性
• 3.9 聚合物膜的微观结构
• 3.10 SPAEKKS膜中水的脱附系数
• 3.11 SPAEKKS膜的质子传导率
• 3.12 SPAEKKS膜的甲醇渗透系数
• 3.13 本章小结
• 3.14 参考文献
• 第四章 磺化聚芳醚酮砜的降解动力学研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验原料
• 4.3 测试仪器和分析方法
• 4.4 SPAEKS 共聚物在不同升温速率下的热降解行为
• 4.5 SPAEKS的热降解动力学
• 4.5.1 Kissinger方法
• 4.5.2 Flynn-Wall-Ozawa方法
• 4.6 不同气氛对 SPAEKS 降解行为的影响
• 4.6.1 在氮气氛围下的降解行为
• 4.6.2 在空气氛围下的降解行为
• 4.7 热降解温度方程的建立
• 4.7.1 气氛对热降解温度的影响
• 4.8 SPAEKS-4 中磺酸基团的降解反应动力学
• 4.8.1 Kissinger 方法
• 4.8.2 Flynn-Wall-Ozawa 方法
• 4.9 寿命方程的建立
• 4.10 本章小结
• 4.11 参考文献
• 第五章 磺化聚芳醚酮砜/聚吡咯复合膜的制备与性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验原料及仪器
• 5.2.1 实验药品与化学试剂
• 5.2.2 实验仪器
• 5.3 复合膜的制备
• 5.4 复合膜的表征
• 5.5 复合膜的形貌
• 5.6 复合膜的热性能
• 5.7 复合膜的吸水率和保水能力
• 5.8 复合膜的甲醇的渗透性和质子传导性
• 5.9 本章小结
• 5.10 参考文献
• 第六章 磺化聚芳醚酮砜/二氧化钛复合膜的制备与性能研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验原料与化学试剂
• 6.3 纳米二氧化钛溶胶的制备
• 2 复合膜的制备'>6.4 SPAEKS/TiO₂复合膜的制备
• 2 复合膜的表征'>6.5 SPAEKS/TiO₂复合膜的表征
• 2 复合膜的形貌'>6.6 SPAEKS/TiO₂复合膜的形貌
• 6.7 复合膜的性能测试
• 6.7.1 复合膜的热性能
• 6.7.2 复合膜的吸水率和保水能力
• 6.7.3 复合膜的质子传导性能和甲醇的渗透性
• 6.8 本章小结
• 6.9 参考文献
• 第七章 结论
• 致谢
• 作者简介
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