侧链型磺化聚芳醚质子交换膜材料的制备及其性能研究

论文摘要

几十年来人们对磺化芳香型聚合物质子交换膜材料的研究结果表明,磺酸基团连接在聚合物侧链上有利于聚合物形成更稳固的内部相形态,减小聚合物的水溶胀,提高质子传导能力。本论文依托本中心对PEEK,PES等聚合物的多年研究背景,从分子设计角度出发成功的制备了几个系列不同链结构的侧链型磺化聚芳醚质子交换膜材料。考察了所制备聚合物的热性能,吸水性能,质子传导性能等。所有的聚合物展示了良好的热化学稳定性,高的质子传导能力。通过对不同主侧链结构聚合物性能的比较我们发现:聚合物主链疏水型越强,侧链柔顺性越强对聚合物质子传导率提高越有利。较强疏水性的主链能够提供聚合物较稳固的疏水相形态,而侧链越柔顺越有利于聚合物中磺酸基团的聚集形成好的亲水相。聚合物有了稳固的相分离形态能够降低其水溶胀率,提高聚合物传导率。同时,侧链型聚合物膜的质子传导率对温度的依赖性较低,在较宽的温度范围内具有相对稳定的质子传导性能。此类侧链型磺化聚芳醚材料在质子交换膜领域有较好的应用前景。在完成博士论文的工作和学习过程中,较深入的了解了有关质子传导膜材料方面的知识。掌握了磺化聚芳醚质子交换膜材料的合成方法。能够独立地设计,制备和研究聚芳醚质子交换膜材料及其他类型质子交换膜材料。

论文目录

• 提要
• 第一章 绪论
• 1.1 燃料电池概述
• 1.1.1 燃料电池发展简史
• 1.1.2 燃料电池的种类
• 1.2 质子交换膜燃料电池（PEMFC）
• 1.2.1 质子交换膜燃料电池的概述
• 1.2.2 质子交换膜燃料电池的电极反应
• 1.3 质子交换膜燃料电池的关键组件质子交换膜（PEM）
• 1.3.1 全氟磺酸质子交换膜
• 1.3.2 全氟磺酸型膜的改进
• 1.3.3 芳香型质子交换膜材料
• 1.3.4 其他类型质子交换膜材料
• 1.3.5 质子交换膜的结构与性能之间的关系
• 1.3.6 侧链磺化芳香型质子交换膜材料
• 1.3.6.1 含有磺化芳香侧链的芳香型质子交换膜材料
• 1.3.6.2 含有磺化脂肪族侧链的芳香型质子交换膜材料
• 1.4 本论文的设计思想
• 第二章 药品和测试仪器
• 2.1 药品和试剂
• 2.2 测试手段与表征方法
• 第三章 短磺化芳香侧链型聚芳醚质子交换膜材料的制备和性能研究
• 引言
• 3.1 短磺化芳香侧链型聚芳醚酮均聚物的合成及性能研究
• 3.1.1 单体的合成及表征
• 3.1.2 聚合物的合成及结构表征
• 3.1.3 聚合物的性能测试
• 3.1.3.1 聚合物的热性能
• 3.1.3.2 聚合物的吸水率，溶胀率和质子传导率
• 3.1.3.3 聚合物的机械性能
• 3.2 短磺化芳香侧链型聚芳醚酮共聚物的制备和性能研究
• 3.2.1 含磺化甲氧基苯基侧基聚芳醚酮共聚物的合成及结构表征
• 3.2.2 含磺化甲氧基苯基侧基聚芳醚酮共聚物的性能研究
• 3.2.2.1 聚合物的热稳定性
• 3.2.2.2 聚合物的抗氧化稳定性
• 3.2.2.3 聚合物的吸水性和溶胀性
• 3.2.2.4 聚合物的质子传导性能
• 3.2.2.5 聚合物的形态学测试
• 3.2.2.6 聚合物的机械性能
• 3.3 短磺化芳香侧链型聚芳醚质子交换膜材料的性能比较
• 本章小结
• 第四章 较长磺化芳香侧链型聚芳醚质子交换膜材料的制备和性能研究
• 引言
• 4.1 较长芳香侧链磺化聚芳醚材料的合成及结构表征
• 4.1.1 单体的制备及结构表征
• 4.1.2 单体的结构表征
• 4.1.3 聚合物的合成及聚合物膜的制备
• 4.1.4 侧链型磺化聚芳醚（SC-SPAE）的结构表征
• 4.2 聚合物膜的制备及性能研究
• 4.2.1 聚合物膜的热性能研究
• 4.2.2 磺化聚合物膜的吸水性和溶胀性
• 4.2.3 聚合物的质子传导率
• 4.2.4 聚合物的甲醇渗透性
• 4.2.5 聚合物的形态学
• 4.2.6 聚合物的力学性能
• 本章小结
• 第五章 多磺化芳香侧链型聚芳醚质子交换膜材料的合成和性能研究
• 引言
• 5.1 多磺化芳香侧链型聚芳醚质子交换膜合成及结构表征
• 5.1.1 单体的合成
• 5.1.2 聚合物的合成
• 5.1.3 聚合物的结构表征
• 5.2 多磺化芳香侧链型聚芳醚质子交换膜材料的性能研究
• 5.2.1 聚合物的热性能
• 5.2.2 聚合物的抗氧化稳定性和尺寸稳定性
• 5.2.3 聚合物膜的吸水性能
• 5.2.4 聚合物膜的电导率
• 5.2.5 侧链上磺酸基团密度对聚合物性能的影响
• 本章小结
• 第六章 磺化脂肪族侧链型聚芳醚质子交换膜材料的合成和性能研究（I）
• 引言
• 6.1 含柔顺的磺化烷基侧基聚合物的合成及结构表征
• 6.1.1 单体的合成及结构表征
• 6.1.2 聚合物的合成
• 6.1.3 聚合物的结构表征
• 6.2 含柔顺磺化烷基侧基的聚合物的性能研究
• 6.2.1 聚合物的热性能研究
• 6.2.2 聚合物的吸水性能
• 6.2.3 聚合物的抗氧化稳定性
• 6.2.4 聚合物的质子传导性能
• 6.2.5 聚合物的甲醇渗透性能
• 6.2.6 聚合物的机械性能
• 6.2.7 主链结构对聚合物性能的影响
• 6.2.8 聚合物的形态学测试
• 本章小结
• 第七章 磺化脂肪族侧链型聚芳醚质子交换膜材料的合成和性能研究（II）
• 引言
• 7.1 含柔性烷氧基磺酸聚合物的合成及结构表征
• 7.1.1 单体的合成及表征
• 7.1.2 聚合物的合成
• 7.1.3 聚合物的结构表征
• 7.2 含柔性烷氧基磺酸的聚合物的性能表征
• 7.2.1 聚合物的热稳定性
• 7.2.2 聚合物的吸水率和溶胀率
• 7.2.3 聚合物的抗氧化稳定性
• 7.2.4 聚合物的质子传导率
• 7.2.5 聚合物的形态学
• 7.2.6 侧链柔性对聚合物性能的影响
• 本章小结
• 第八章 结论
• 参考文献
• 发表文章
• 致谢
• 作者简历
• 中文摘要
• ABSTRACT