高温质子交换膜材料—聚（2，2’-（间亚苯基）-5，5’-二苯并咪唑）膜的制备及其性能研究

论文摘要

质子交换膜燃料电池具有高效、无污染、无电解液流失等优点。质子交换膜是其中的核心部件之一。近年来,耐高温（120-200℃）的膜材料研究取得一定进展,有良好的应用前景。其中,聚（2,2’-（间亚苯基）-5,5’-二苯并咪唑）（PBI）以其良好的热稳定性以及化学稳定性,受到广泛关注。PBI本身的质子传导率很低,室温下仅为10-7S/cm,可通过掺酸、掺碱、磺化以及与其他聚合物电解质和无机材料复合等方式改性。聚（2,5-苯并咪唑）（ABPBI）是另一种结构较为简单的苯并咪唑聚合物。ABPBI膜掺酸后,可呈现较高的电导率。本文利用微波辅助加热的方法合成了PBI和ABPBI。将PBI的合成时间由常规液相合成的二十多个小时缩短至三个小时以内。利用溶液浇铸法制备PBI膜,通过红外分析、拉力试验、电导率测定等对膜的理化性能进行了表征。由于聚合物的聚合度越高,膜的机械性能越好,因而在合成上期望得到高聚合度的PBI,而高的聚合度又会使PBI的溶解变得更为困难。为此,本文利用PBI/H3PO4的热可逆凝胶性质,直接制备了磷酸掺杂的PBI膜,缩短实验周期,解决了PBI难以溶解这一难题。利用该方法,可直接制备磷酸掺杂的PBI膜,且磷酸的掺杂水平大于20（磷酸的掺杂水平定义为每摩尔PBI重复单元中含有的磷酸的物质的量）。通过红外分析、拉力试验、电导率测定和XRD谱图分析等研究了PBI膜的性能。室温下,磷酸掺杂水平为3.0的PBI膜的拉伸强度为13.05 MPa。200℃下,酸掺杂水平为21.7的PBI膜在不加湿的条件下的电导率为0.22 S/cm。同时,利用该方法制备了PBI/ABPBI复合膜。在不影响机械性能的前提下,与相同磷酸掺杂水平的PBI膜相比,PBI/ABPBI复合膜的电导率有一定程度的提高。本文利用对二氯甲基苯将PBI膜交联改性。在较低的磷酸掺杂水平（<5）下,与没有交联的PBI膜相比,交联后的PBI膜机械性能提高,溶胀率降低。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 PEMFC特点及其发展与应用
• 1.2.1 PEMFC的特点
• 1.2.2 PEMFC的发展与应用
• 1.3 PEM研究进展
• 1.3.1 PEM的分类
• 1.3.2 高温质子交换膜材料的研究意义
• 1.4 PBI研究进展
• 1.4.1 PBI类聚合物的合成
• 1.4.2 PBI膜的制备
• 1.4.3 PBI膜在质子交换膜燃料电池中的应用
• 1.4.4 ABPBI膜在质子交换膜燃料电池中应用的研究概况
• 1.5 选题的依据
• 第二章 PBI及ABPBI的微波合成
• 2.1 引言
• 2.2 实验仪器
• 2.3 试剂及实验材料
• 2.4 实验部分
• 2.4.1 PBI的微波合成
• 2.4.2 ABPBI的微波合成
• 2.4.3 聚合物PBI及ABPBI的表征
• 2.4.3.1 粘度测定
• 2.4.3.2 红外表征
• 2.5 结果与讨论
• 2.5.1 PBI微波合成
• 2.5.2 ABPBI的微波合成
• 2.6 本章小结
• 第三章 PBI膜及PBI/ABPBI复合膜的制备及性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验仪器
• 3.3 试剂及实验材料
• 3.4 实验部分
• 3.4.1 PBI膜的制备及表征
• 3.4.1.1 PBI膜的制备
• 3.4.1.2 PBI膜的红外表征
• 3.4.1.3 PBI膜磷酸掺杂水平
• 3.4.1.4 PBI膜机械性能测定
• 3.4.1.5 PBI膜电导率的测定
• 3.4.1.6 PBI膜XRD结构表征
• 3PO₄热可逆凝胶性质制备PBI/ABPBI复合膜及其表征'>3.4.2 利用PBI/H₃PO₄热可逆凝胶性质制备PBI/ABPBI复合膜及其表征
• 3.4.2.1 PBI/ABPBI复合膜的制备
• 3.4.2.2 PBI/ABPBI复合膜的性能表征
• 3.5 结果与讨论
• 3.5.1 PBI膜性能表征
• 3.5.1.1 用溶液浇铸法制备的PBI膜的性能表征
• 3PO₄体系的热可逆胶性质制备的PBI膜性能表征'>3.5.1.2 利用PBI/H₃PO₄体系的热可逆胶性质制备的PBI膜性能表征
• 3.5.2 PBI/ABPBI复合膜性能表征
• 3.6 本章小结
• 第四章 PBI膜的交联
• 4.1 引言
• 4.2 实验仪器
• 4.3 试剂及实验材料
• 4.4 实验部分
• 4.4.1 PBI与对二氯甲基苯的交联
• 4.4.2 PBI膜性能表征
• 4.4.3 PBI膜在Fenton试剂中的降解
• 4.5 结果与讨论
• 4.5.1 红外表征
• 4.5.2 PBI粘度测定
• 4.5.3 PBI膜溶胀率测定
• 4.5.4 PBI膜在Fenton试剂中的降解
• 4.5.5 PBI膜机械性能测定
• 4.5.6 PBI膜电导率的测定
• 4.6 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文