本文關(guān)鍵詞：含高密度季銨基團的嵌段離聚物陰離子交換膜的制備與性能研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：陰離子交換膜(AEM)是堿性陰離子交換膜燃料電池(AEMFC)的重要組成部分,其性能很大程度上直接決定了堿性陰離子交換膜燃料電池的性能。目前,陰離子交換膜還存在著諸如離子傳導(dǎo)率偏低、機械性能差、化學穩(wěn)定性不足等一些問題亟待解決。本文從離聚物化學結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度出發(fā),通過分子設(shè)計合成了一系列含有高密度季銨基團的嵌段型離聚物陰離子交換膜,并對其離子傳導(dǎo)率、吸水率和溶脹率、機械性能、熱穩(wěn)定性和堿穩(wěn)定性等各項性能進行了測試評價,探討了AEM的化學結(jié)構(gòu)與性能的聯(lián)系,為后續(xù)開發(fā)具有更好性能的新型陰離子交換膜提供了一些有益借鑒。具體內(nèi)容如下:1.利用Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)合成了帶有四個側(cè)鏈苯甲基的單體3,3?-二(3?,5?-二甲基苯基)-4,4?-二氟二苯砜(DDMPDFDPS),將其與9,9-二(4-羥苯基)芴共聚制備出了氟封端的親水齊聚物鏈段,將4,4?-二氟二苯砜(DFDPS)與雙酚A(BPA)共聚制備出了羥基封端的憎水齊聚物鏈段。然后經(jīng)過共聚、溴化、澆膜、季銨化、堿化等官能化過程得到了親水鏈段含有高密度的芳香共軛側(cè)鏈型季銨基團和芴基單元的嵌段型離聚物陰離子交換膜。我們對其離子交換容量(IECm和IECvwet)、離子傳導(dǎo)率、吸水率和溶脹率、機械性能、熱穩(wěn)定性和堿穩(wěn)定性等性能指標進行了測試,并應(yīng)用原子力顯微鏡(AFM)對膜的表面形貌進行了分析,應(yīng)用SAXS對膜的內(nèi)部微相分離情況進行了表征,證明其內(nèi)部形成了明顯的微相分離和離子團簇結(jié)構(gòu)。該系列AEM具有突出的離子傳導(dǎo)能力,在相對較低的IECm值(1.28 meq/g)條件下表現(xiàn)出相當高的離子傳導(dǎo)率(85.0 mS/cm)。同時,吸水率和溶脹率適中,機械性能良好,具有較好的耐堿穩(wěn)定性。我們推測該系列良好的性能歸因于以下幾個方面:(1)嵌段型鏈段結(jié)構(gòu)可以提供有序的親水相/憎水相結(jié)構(gòu),進一步加強了側(cè)鏈型AEM內(nèi)微相分離行為,有利于建筑高效離子傳輸通道;(2)區(qū)域高密度的離子基團分布有利于離子團簇和親水區(qū)域的形成;(3)包含芴基的親水鏈段呈現(xiàn)螺旋狀的立體構(gòu)象,使季銨基團的體積密度更高,促進離子團簇的形成;(4)剛性的芴基基團具有較大的體積,可以增大聚合物鏈段之間的距離,提供一定的體積來容納水分子,從而減小膜性能的溫度依賴性。2.通過均苯三酚與甲苯發(fā)生取代反應(yīng)合成帶有側(cè)鏈苯甲基的單體4?-甲基苯基-3,5-苯二酚(MBPD),將其與3,3?-二(4?-甲基苯基)-4,4?-二氟二苯砜(DMPDFPS)聚合制備氟封端的親水段齊聚物,然后與1中制備的憎水段齊聚物共聚,獲得了親水段含有高密度的芳香共軛側(cè)鏈型季銨基團的嵌段離聚物陰離子交換膜。通過分子結(jié)構(gòu)設(shè)計巧妙地將芳香共軛側(cè)鏈型季銨基團集中到嵌段AEM的親水片段。制備的QMPAESs系列AEM具有較高的離子電導(dǎo)率,其中,QMPAES-X7Y10(IECm=1.20 meq/g)在80?C的離子傳導(dǎo)率達到67.0 mS/cm,優(yōu)于相對于我們之前報道的無規(guī)共聚型PAES-Q和其它一些具有相近或更高IECm值的AEM。對比不同AEM的化學結(jié)構(gòu)和性能可以發(fā)現(xiàn),通過聚合物分子設(shè)計將嵌段結(jié)構(gòu)、芳香共軛側(cè)鏈型陽離子基團和高密度離子簇等有利因素結(jié)合起來,能夠有效改善AEM的性能。
【關(guān)鍵詞】：陰離子交換膜 多嵌段 高密度季銨基團 微相分離
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TQ425.236;TM911.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 緒論12-36
• 1.1 燃料電池12-13
• 1.2 陰離子交換膜燃料電池（AEMFC）13-14
• 1.3 陰離子交換膜（AEM）14-20
• 1.3.1 陰離子交換膜的傳輸機理及性能要求14-16
• 1.3.2 陰離子交換膜的主鏈骨架及陽離子基團16
• 1.3.3 陰離子交換膜的降解16-20
• 1.4 陰離子交換膜的制備及改性方法20-34
• 1.4.1 嵌段共聚20-23
• 1.4.2 引入側(cè)鏈型陽離子基團23-24
• 1.4.3 引入憎水性或親水性鏈段24-27
• 1.4.4 構(gòu)建區(qū)域高密度離子簇27-28
• 1.4.5 引入芴基或酚酞基大體積結(jié)構(gòu)單元28-30
• 1.4.6 交聯(lián)30-33
• 1.4.7 雜化33-34
• 1.5 本論文的研究目的、內(nèi)容及意義34-36
• 第二章 實驗試劑和原料及測試方法36-42
• 2.1 實驗所用試劑36
• 2.2 分析測試及表征方法36-38
• 2.2.1 核磁共振（~1H NMR）分析36
• 2.2.2 凝膠滲透色譜（GPC）測試36
• 2.2.3 機械性能測試36
• 2.2.4 熱重分析（TGA）36-37
• 2.2.5 重量離子交換容量（IEC_m）的測定37
• 2.2.6 吸水率（WU）和溶脹率（SR）測定37
• 2.2.7 結(jié)合水分子數(shù)（λ）37
• 2.2.8 離子電導(dǎo)率（σ）測定37-38
• 2.2.9 原子力顯微鏡（AFM）分析38
• 2.2.10 小角X射線散射（SAXS）分析38
• 2.3 單體的合成與表征38-42
• 第三章 親水段含有高密度季銨基團和芴基單元的嵌段陰離子交換膜的制備與表征42-59
• 3.1 引言42-43
• 3.2 實驗部分43-45
• 3.2.1 氟封端的親水段齊聚物（oligomer-F）的合成43
• 3.2.2 羥基封端的憎水段齊聚物（oligomer-OH）的合成43-44
• 3.2.3 嵌段聚芳醚砜（MPAESs）的合成44
• 3.2.4 嵌段聚芳醚砜（MPAESs）的溴化44
• 3.2.5 嵌段聚芳醚砜陰離子交換膜的制備44-45
• 3.3 實驗結(jié)果與討論45-58
• 3.3.1 嵌段聚合物的合成及官能化45-49
• 3.3.2 AEM的微觀形態(tài)49-50
• 3.3.3 AEM的離子交換容量（IEC_m），體積離子交換容量（IECv_(wet)），結(jié)合水數(shù)（λ），吸水率（WU）和溶脹率（SR）50-52
• 3.3.4 AEM的離子電導(dǎo)率52-55
• 3.3.5 AEM的機械性能和熱穩(wěn)定性55-56
• 3.3.6 AEM的耐堿穩(wěn)定性56-58
• 3.4 本章小結(jié)58-59
• 第四章 含有高密度季銨基團的嵌段陰離子交換膜的制備與表征59-71
• 4.1 引言59
• 4.2 實驗部分59-62
• 4.2.1 氟封端的親水段齊聚物的合成59-60
• 4.2.2 嵌段聚芳醚砜的合成60
• 4.2.3 嵌段聚芳醚砜的溴化60-61
• 4.2.4 嵌段聚芳醚砜陰離子交換膜的制備61-62
• 4.3 實驗結(jié)果與討論62-70
• 4.3.1 嵌段聚合物的合成及官能化62-64
• 4.3.2 AEM的微觀形態(tài)64-65
• 4.3.3 AEM的離子交換容量（IEC_m），吸水率（WU），溶脹率（SR）及結(jié)合水數(shù)（λ ）65
• 4.3.4 AEM的離子電導(dǎo)率65-67
• 4.3.5 AEM的機械性能67-68
• 4.3.6 AEM的熱穩(wěn)定性68-69
• 4.3.7 AEM的耐堿穩(wěn)定性69-70
• 4.4 本章小結(jié)70-71
• 結(jié)論71-73
• 參考文獻73-83
• 攻讀碩士學位期間取得的研究成果83-84
• 致謝84-85
• 附件85

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本文編號：500800