聚酰亞胺復合質子交換膜的制備與性能研究.pdf

1、聚酰亞胺（polyimide，PI）是主鏈上含有酰亞胺環的一類聚合物，價格較低，具有優良的電性能、機械性能、熱穩定性、抗氧化性、以及很好的耐溶劑性、尺寸穩定性和加工流動性等，這些優點正是質子交換膜所需要的。然而，為了獲得較高的質子傳導效率，過高的磺化度使得磺化聚酰亞胺膜的阻醇性變差，膜過度溶脹甚至溶解，材料的機械性能也明顯降低。
　　 為了克服這一矛盾，本文將具有高質子傳導率的聚（2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸）（PAMPS-b

2、APS）運用到聚酰亞胺復合質子交換膜的制備中。聚酰亞胺作為膜的主體材料，起到阻醇、增強，提高復合膜尺寸穩定性等作用。通過分子設計，利用聚合物鏈間作用力制備綜合性能優良的復合質子交換膜。
　　 本文首先以4-氯硝基苯為原料，通過還原，取代，偶合等步驟合成調聚劑二硫二（對氨基）苯（BAPD）。利用調聚劑二硫二（對氨基）苯，在偶氮二異丁腈（AIBN）引發下對AMPS進行自由基調聚反應，得到以氨基封端的聚（2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸

3、），研究了調聚反應機理并通過FTIR、1HNMR、元素分析等實驗手段對合成的二硫二（對氨基）苯和PAMPS-bAPS的結構進行確認與表征，采用烏氏粘度計對PAMPS-bAPS的特性粘度、黏均分子量進行了考察。研究發現聚合溫度為75℃，反應時間為12h，AIBN：BAPD配比為1:30，單體濃度為0.476g/mL，反應介質為N，N-二甲基甲酰胺時聚合收率較高，且結果可重復獲得，產物分子量12000±10％g/mol。
　　 其次

4、，以聯苯四甲酸二酐（BPDA），柔性二胺4，4’-二氨基二苯醚（ODA）為原料進行縮聚反應，得到聚酰胺酸，與高分子質子導體PAMPS-bAPS復合，然后采用玻璃板澆膜，在高溫下完成熱酰亞胺化，得到一系列不同PAMPS-bAPS含量的復合薄膜AMPS-i（i=1-5），經過酸化得到質子交換膜。本文分別對不同PAMPS-bAPS含量復合質子交換膜的質子傳導率、甲醇滲透率、吸液性、溶脹度、熱性能、機械性能、抗氧化性能和微觀形貌等進行了研究。結

5、果表明復合膜的質子傳導率隨著磺化度的增大和溫度的升高而增大，當PAMPS-bAPS的含量大于32.0wt％，溫度為80℃，相對濕度為100％時，復合膜質子傳導率均達到10-2S-cm-1，且AMPS-5質子傳導率σ達到了2.77×10-2S.cm-1。復合膜的甲醇滲透系數為0.021×10-6-0.33x10-6cm2-s-1，比Nafion（）117膜（2.36×10-6cm2-s-1）降低了1-2個數量級，具有優異的阻醇性能。AMP

6、S-3、AMPS-4、AMPS-5復合膜的拉伸強度為42.2-55.8MPa，楊氏模量為0.98-3.21GPa，顯示出優異的機械性能，滿足質子交換膜的使用要求。膜在空氣中失重5％時的熱分解溫度范圍為225.7℃-302.4℃，抗氧化時間為21h-104h，顯示出復合膜優異的熱穩定性和抗氧化性。從復合膜斷面掃描電鏡分析得出，低AMPS含量膜中有類似滲透網絡狀的形態存在。隨著AMPS含量的增加，AMPS-3復合膜開始出現的微相分離，親水性