用于质子交换膜燃料电池的交联型聚合物膜材料的制备与研究

论文摘要

采用熔融和溶液两种聚合方式合成聚苯并咪唑,对反应条件做优化选择,并对产物进行基本性能测试。为提高磷酸掺杂型聚苯并咪唑膜材料在高磷酸含量下的耐用性,以四甲基联苯二酚型环氧树脂为交联剂,制备了交联型聚苯并咪唑膜材料,在提高磷酸含量的同时,显著地增强了膜的机械性能和抗氧化稳定性。利用交联改性方式,将苯并咪唑结构引入到磺化聚醚醚酮中,交联结构的引入提高了膜的机械性能、热和尺寸稳定性,以及阻醇性能。同时,苯并咪唑独特的两性结构,对膜材料质子传导性能的提高也起到了十分显著的作用。进一步研究了简单复合膜和交联膜,以及不同的交联方式(半互穿网络和共价交联)和交联剂的结构对交联膜材料微观相分离和宏观性能的影响。

论文目录

• 内容提要
• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 引言
• 1.1 燃料电池概述
• 1.1.1 燃料电池的发展简史
• 1.1.2 燃料电池的基本构造以及工作原理
• 1.1.3 燃料电池的种类
• 1.1.4 燃料电池的特点
• 1.2 质子交换膜燃料电池（PEMFC）
• 1.3 质子交换膜
• 1.3.1 全氟磺酸型质子交换膜
• 1.3.2 部分氟化质子交换膜材料
• 1.3.3 非氟结构质子交换膜材料
• 1.3.4 膜材料的改性
• 1.4 聚苯并咪唑
• 1.5 本论文的设计思想
• 第二章 聚苯并咪唑的合成与表征
• 引言
• 2.1 实验原料与试剂
• 2.3 结构表征技术与性能测试方法
• 2.3.1 结构表征技术
• 2.3.2 性能测试手段
• 2.4 聚苯并咪唑的熔融聚合
• 2.4.1 熔融聚合反应机理
• 2.4.2 熔融聚合PBI反应过程及结构表征
• 2.4.3 熔融聚合PBI的粘度和溶解性测试
• 2.4.4 熔融聚合PBI的热性能测试
• 2.5 聚苯并咪唑的溶液聚合
• 2.5.1 溶液聚合PBI反应过程
• 2.5.2 溶液聚合PBI与熔融聚合PBI的红外测试比较
• 2.5.3 溶液聚合PBI与熔融聚合PBI的溶解性能比较
• 2.5.4 溶液聚合PBI与熔融聚合PBI的热性能比较
• 2.6 本章小结
• 第三章 磷酸掺杂-交联型聚苯并咪唑质子交换膜的制备与性能研究
• 引言
• 3.1 实验原料与试剂
• 3.2 结构表征技术与性能测试方法
• 3.2.1 结构表征技术
• 3.2.2 性能测试手段
• 3.3 四甲基联苯二酚型环氧树脂,4,4’-diglycidy（3,3’,5,5’-tetramethylbiphenyl）epoxy resin,（TMBP）的合成与表征
• 3.3.1 TMBP的合成
• 3.3.2 TMBP的结构表征和热性能
• 3.4 PBI-TMBP交联膜的制备
• 3.4.1 咪唑环与环氧基团交联反应机理
• 3.4.2 PBI-TMBP交联温度的选择
• 3.4.3 PBI-TMBP交联膜的制备
• 3.5 PBI-TMBP交联膜交联结构的判定
• 3.5.1 PBI-TMBP交联膜的红外表征
• 3.5.2 PBI-TMBP交联膜的溶解性测试
• 3.6 PBI-TMBP交联膜的性能测试
• 3.6.1 PBI-TMBP交联膜的磷酸含量和机械性能
• 3.6.2 PBI-TMBP交联膜的热稳定性
• 3.6.3 PBI-TMBP交联膜的抗氧化稳定性
• 3.6.4 PBI-TMBP交联膜的质子传导率
• 3.7 本章小结
• 第四章 磺化聚醚醚酮/聚苯并咪唑齐聚物/环氧树脂半互穿网络交联膜的制备与性能研究
• 引言
• 4.1 实验原料与试剂
• 4.2 结构表征技术与性能测试方法
• 4.2.1 结构表征技术
• 4.2.2 性能测试手段
• 4.3 高磺化度磺化聚醚醚酮（SPEEK）的合成与结构表征
• 4.3.1 SPEEK（Ds=1.4）的合成
• 4.3.2 SPEEK的结构表征
• 4.4 PBI齐聚物的合成与结构表征
• 4.4.1 PBI齐聚物的合成
• 4.4.2 PBI齐聚物的结构表征
• 4.5 SPEEK/o-PBI/TMBP交联膜的制备
• 4.5.1 o-PBI与TMBP发生交联反应的机理
• 4.5.2 SPEEK/o-PBI/TMBP交联膜的制备
• 4.6 SPEEK/o-PBI/TMBP交联膜的结构表征
• 4.6.1 SPEEK/o-PBI/TMBP交联膜的红外表征
• 4.6.2 SPEEK/o-PBI/TMBP交联膜的凝胶度测试
• 4.7 SPEEK/o-PBI/TMBP交联膜的性能研究
• 4.7.1 SPEEK/o-PBI/TMBP交联膜的热稳定性
• 4.7.2 SPEEK/o-PBI/TMBP交联膜的IEC、吸水率和溶胀率
• 4.7.3 SPEEK/o-PBI/TMBP交联膜的抗氧化稳定性
• 4.7.4 SPEEK/o-PBI/TMBP交联膜的机械性能
• 4.7.5 SPEEK/o-PBI/TMBP交联膜的质子传导率
• 4.7.6 SPEEK/o-PBI/TMBP交联膜的甲醇渗透和选择性
• 4.8 本章小结
• 第五章 新型含苯并咪唑基团聚合物交联剂的分子设计及其在质子交换膜研究中的应用（Ⅰ）
• 引言
• 5.1 实验原料与试剂
• 5.2 结构表征技术与性能测试方法
• 5.2.1 结构表征技术
• 5.2.2 性能测试方法
• 5.3 后磺化聚醚醚酮（SPEEK）的制备和结构表征
• 5.3.1 SPEEK的制备
• s） 的确定'>5.3.2 SPEEK的结构表征及磺化度（D_s） 的确定
• 5.4 羧基封端苯并咪唑三聚体（rigid-BI）的合成与结构表征
• 5.4.1 rigid-BI的合成
• 5.4.2 rigid-BI的结构表征
• 5.5 SPEEK-BI复合膜和cross-linked SPEEK-BI交联膜的制备
• 5.6 SPEEK-BI复合膜和cross-linked SPEEK-BI交联膜的性能研究
• 5.6.1 SPEEK-BI复合膜和cross-linked SPEEK-BI交联膜的热稳定性
• 5.6.2 SPEEK-BI复合膜和cross-linked SPEEK-BI交联膜的IEC、溶解性、吸水率和溶胀率
• 5.6.3 SPEEK-BI复合膜和cross-linked SPEEK-BI交联膜的机械性能
• 5.6.4 SPEEK-BI复合膜和cross-linked SPEEK-BI交联膜的质子传导率和微观结构
• 5.6.5 SPEEK-BI复合膜和cross-linked SPEEK-BI交联膜的甲醇渗透、活化能和选择性
• 5.7 本章小结
• 第六章 新型含苯并咪唑基团聚合物交联剂的分子设计及其在质子交换膜研究中的应用（Ⅱ）
• 引言
• 6.1 实验原料与试剂
• 6.2 结构表征技术与性能测试方法
• 6.2.1 结构表征技术
• 6.2.2 性能测试方法
• 6.3 羧基封端苯并咪唑三聚体（alkyl-BI）的合成
• 6.3.1 alkyl-BI的合成
• 6.4 c-SPEEK-Xs交联膜的制备
• 6.5 c-SPEEK-Xs交联膜交联结构的表征
• 6.5.1 c-SPEEK-Xs交联膜的红外表征
• 6.5.2 c-SPEEK-Xs交联膜的溶解性测试
• 6.6 c-SPEEK-Xs交联膜的性能研究
• 6.6.1 c-SPEEK-Xs交联膜的热稳定性
• 6.6.2 c-SPEEK-Xs交联膜的IEC、吸水率和溶胀率
• 6.6.3 c-SPEEK-Xs交联膜的机械性能
• 6.6.4 c-SPEEK-Xs交联膜的抗氧化稳定性
• 6.6.5 c-SPEEK-Xs交联膜的质子传导率、甲醇渗透率和透射电镜
• 6.6.6 c-SPEEK-Xs交联膜的活化能和选择性
• 6.7 本章小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 作者简历
• 攻读学位期间发表的论文