温度对侧链型磺化聚砜质子交换膜的性能的影响

以聚砜(PSF)为基质,采用后磺化的方法,制备一种侧链末端为磺酸基团的侧链型磺化聚砜(PSF-ES),在用红外光谱和核磁氢谱对它进行结构表征的基础上,制备相应的质子交换膜(PEM),研究了温度对PEM的性能的影响,随着温度的升高,侧链磺酸基团的运动增强,导致PEM的吸水率、质子传导率以及吸水溶胀率升高。25℃时,该质子交换膜吸水率达到23.8%,质子传导率达到了0.042S/cm,但是相应的溶胀率仅为12.8%,表现出较好的尺寸稳定性。     

基于后磺化的萘磺酸型磺化聚砜质子交换膜的性能

以环氧氯丙烷（EPO）为试剂,通过烷基化反应在聚砜（PSF）主链引入环氧基团制备环氧化聚砜（OPSF）,紧接着OPSF与2萘酚6,8二磺酸钾（NSK）通过反应制备一种萘磺酸型侧链磺化聚砜（PSF-NS）,PSF-NS的化学结构用红外光谱（FTIR）和核磁氢谱（1H-NMR）进行充分表征。同时采用溶液浇注的方法制备相应的质子交换膜（PEM）,研究温度对PEM的性能包括离子交换容量、吸水率、溶胀率和质子传导率等的影响。结果表明,相比于一些主链型磺化芳香聚合物PEM,PSF-NS在高吸水率下保持很好的尺寸稳定性;随着温度的升高,PSF-NS膜的吸水率、溶胀率和质子传导率增大,其中PSF-NS-4（磺酸基团键合量为1.43 mmol/g）在25 ℃和85 ℃的吸水率分别是29.6 % 和43.1 %,相应的溶胀率是25.2 % 和 56.2 %,甲醇渗透率为16.8×10-7 cm2/s,甲醇渗透率低于Nafion115膜在相同条件下的性能。     

基于烷基化反应的磺化聚砜的制备及质子交换膜性能

以聚砜为基质材料,通过Friedel-Crafts烷基化反应引入环氧基团,然后与对羟基苯磺酸钠(HBS)反应,制备一种侧链型磺化聚砜,记为PS-BS。利用红外光谱(FT-IR)和核磁氢谱(1HNMR)对其结构进行表征,利用流延成膜法制备相应的质子交换膜(PEMs),初步研究温度对PEMs性能的影响规律。结果表明,在适宜的条件下,环氧基团键合量达到2. 28 mmol/g,磺酸基团键合量达到1. 43 mmol/g,由于亲水基团远离聚合物主链,能够形成明显的"微相分离"结构,该侧链型PEMs保持较好的尺寸稳定性、吸水率和质子传导率,PS-BS-4膜在25℃和80℃的溶胀率仅为15. 2%和44. 3%,低于商业化的Nafion115膜。同时,随着温度升高,磺酸基团的运动能力增强,PEMs的吸水率、吸水溶胀率和质子传导率增大。     

相分离程度对质子交换膜质子传导率的影响

采用后磺化的方法制备两种侧链长度不同的苯磺酸型侧链磺化聚砜,根据侧链碳原子数目不同,分别记为2PS-BS和4PS-BS,在充分表征后制备相应的质子交换膜(PEM),重点研究相分离程度对PEM质子传导率的影响。研究结果表明:两种PEM具备良好的质子传导率,4PS-BS和2PS-BS膜在25℃的质子传导率达到了0.049S·cm~(-1)和0.042S·cm~(-1),同时在相同的IEC下,随着侧链长度的增加,侧链的柔性增强,相分离程度增强,导致PEM的质子传导率增加。     

苯磺酸型侧链磺化聚砜质子交换膜的制备及性能研究

以环氧氯丙烷为小分子试剂,通过烷基化反应将环氧基团引入双酚A型聚砜(PSF)主链,制备侧链含有环氧基团的改性聚砜(OPSF),以OPSF为基础制备苯二磺酸型磺化聚砜(PSF-BDS),通过红外、紫外吸收光谱和核磁氢谱表征化学结构,通过溶液浇注法制备了相应的薄膜,探索了膜材的性能与温度之间的关系。结果表明:PSF-BDS被成功制备,亲水基团远离PSF主链,利于微相分离结构的形成,使之在高磺化度下的尺寸稳定性好。在25～85℃的温度范围内,该质子交换膜的吸水率(WU)、吸水溶胀性(SW)和质子传导率与温度呈线性关系,PSF-BDS-3(磺酸基团键合量为1.45 mmol/g)膜在室温和85℃的SW仅为25.5%和46.6%,相应甲醇渗透率(DK)仅为10.53×10~(-7) cm~2/s,在相同条件下,性能优于Nafion115(16.8×10~(-7) cm~2/s)和Nafion117(23.8×10~(-7) cm~2/s)。     

燃料电池交联型聚砜阴离子交换膜的性能研究

以聚砜为基础材料,基于后磺化法构筑一种具有较长侧链的交联型聚砜阴离子交换膜,并通过FT-IR对其结构进行表征,研究了阴离子交换膜的吸水率、质子传导率和尺寸稳定性等性能与温度之间的变化关系。结果表明,由于亲水季铵基距离主链较远,强化了阴离子交换膜的相分离结构,同时形成一种三维网状结构,使得所制备的聚砜阴离子交换膜在高质子传导率下仍能保持很好的尺寸稳定性和耐碱性,其中IEC为1.56 mmol/g的CPS-HN-3膜在室温和85℃的吸水率达到了39.6%和61.6%,高于商业化Nafion115和Nafion117膜,但是吸水溶胀性仅为5.1%和11.7%,氢氧根离子传导率达到了38 mS/cm和89 mS/cm,该膜在强碱中浸泡600 h的传导率保留量达到了83.9%。     

萘磺酸型磺化聚砜的制备及质子交换膜基本性能

以1,4-二氯甲氧基丁烷(BCD)为氯甲基化试剂,通过Fridel?Crafts烷基反应在双酚A型聚砜主链上引入氯甲基基团,制备氯甲基化聚砜(CPS);以2-萘酚-6,8-二磺酸钾(HNS)为小分子试剂,通过大分子反应制备了侧链含萘环的磺化芳香聚合物 PS-NS,对其结构进行了红外光谱和核磁氢谱表征,优化了反应条件。通过注膜方法制备功能聚合物质子交换膜PEMs,考察了PS-NS膜的吸水率和质子传导率。结果表明,合成反应是单分子亲核取代反应,极性大的二甲基亚砜为适宜的溶剂,在100℃下反应40 h,磺酸基团键合量可达1.51 mmol/g。由于亲水基团远离疏水主链,强化了相分离结构,使PEMs具有较好的吸水率和质子传导率,随磺酸基团含量增加,PEMs的吸水率和溶胀率增加,室温时的吸水率和质子传导率最高达21.3%和0.049 S/cm,满足燃料电池的实际应用要求,与商业化Nafion117膜的性能十分接近。     

具有柔性侧链的脂肪磺酸型磺化聚砜质子交换膜的制备及性能研究

以氯丁酰氯(CBC)为小分子试剂,通过傅-克酰基化反应在双酚A型聚砜主链引入可交换氯,制备了氯乙酰基化聚砜(CBPS),然后以羟乙基磺酸钠(HES)为试剂,与氯甲基通过亲核取代反应制备了一种具备较长柔性侧链的一种侧链脂肪磺酸型磺化聚砜(PS-ES),采用红外光谱和核磁氢谱标表征了它们的化学结构,并采用溶液浇注的方法制备了相应的聚砜阳离子交换膜(PSCEM),探索了PSCEM性能和温度之间的关系。结果表明:随着温度的升高,侧链末端的磺酸基团运动能力增强,导致PSCEM的吸水率(WU)、吸水溶胀性(SW)和质子传导率(PC)增加,由于制备的PS-ES膜材具备很长的柔性侧链,使相应PSCEM的亲水基团远离疏水聚合物主链,吸收的水分子被限制在亲水区域,降低了亲水部分对疏水主链的影响,使PS-ES膜在高磺化度下仍具备一定的尺寸稳定性,其中磺酸键合量为1.50mmol/g的PS-ES-3膜在25℃和85℃的吸水率分别是27.6%和43.6%,但是相应的吸水溶胀性仅为25.5%和55.7%,其中PS-ES-3在85℃的质子传导率达到了0.149S/cm,与商业化Nafion115的性能非常接近,表现出很好的综合性能。     

基于Friedel-Crafts酰基化反应制备萘磺酸型磺化聚砜质子交换膜

基于Friedel-Crafts酰基化反应制备氯乙酰基化聚砜(APS),APS与2-萘酚-6,8-二磺酸钾(NSK)通过亲核取代反应制备一种萘磺酸型磺化聚砜(APS-NS)。用FT-IR和1 H NMR进行表征,研究了对亲核取代反应影响的主要因素,采用溶液浇注方法制备APS-NS质子交换膜(PEM),初步研究PEM的基本性能(包括吸水率、尺寸稳定性和质子传导率)。研究结果表明:该反应属于SN1反应,强极性的反应溶剂有利于反应的进行,以二甲基亚砜(DMSO)为溶剂,在100℃下反应36h,萘磺酸键含量为1.55mmol/g。该PEM在高磺化度下表现出很好的尺寸稳定性,其中APS-NS-4膜在25℃的吸水率为29.2%,吸水溶胀率仅为23.6%,低于Nafion 115在相同条件下的吸水溶胀性。