磺化聚酰亞胺-二氧化硅復合膜的制備及其質(zhì)子交換性能研究.pdf

1、質(zhì)子交換膜是燃料電池的關(guān)鍵部件之一,其性能的好壞直接影響到電池的使用壽命和效率。目前商業(yè)化產(chǎn)品主要采用全氟磺酸膜,雖然其具有化學穩(wěn)定性好、質(zhì)子電導率高、使用壽命長等優(yōu)點,但是卻存在著成本較高、尺寸穩(wěn)定性差、低濕及高溫下質(zhì)子傳導率下降、甲醇滲透率高等缺點,已不能滿足直接甲醇燃料電池(DMFC)技術(shù)向高溫發(fā)展的要求。因此,研究開發(fā)在高溫下具有優(yōu)異的耐熱穩(wěn)定性、高尺寸穩(wěn)定性、高質(zhì)子電導率、低甲醇滲透性的新型質(zhì)子交換膜材料變得至關(guān)重要。磺化聚酰

2、亞胺(SPI)質(zhì)子交換膜材料具有優(yōu)異的耐熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性、良好的機械性能、以及突出的阻醇性,有望作為新型耐高溫DMFC質(zhì)子交換膜材料得到應用。
　　 本論文研究工作采用溶膠-凝膠法將納米二氧化硅粒子引入到磺化聚酰亞胺樹脂體系中,制備了具有不同硅含量的磺化聚酰亞胺／二氧化硅復合膜(SPI／SiO2),利用二氧化硅強親水性的特點以提高薄膜的吸水性,增加其高溫時的保水能力。此外,二氧化硅的引入可以同時賦予薄膜良好的耐熱性和尺寸穩(wěn)定

3、性。系統(tǒng)研究了二氧化硅的引入對復合膜的耐熱性能、力學性能、尺寸穩(wěn)定性、抗氧化穩(wěn)定性以及耐水解穩(wěn)定性的影響規(guī)律,并對其質(zhì)子傳導率和甲醇滲透率進行了評價。
　　 本論文的研究內(nèi)容主要包括以下兩個方面:
　　 1.通過親電取代反應合成了磺化二胺4,4'-雙(4-氨基苯氧基)二苯基-3,3'-二磺酸(BAPBDS),與1,4,5,8-萘四甲酸二酐(NTDA)和非磺化二胺4,4'-雙(4'-氨基-2'-三氟甲基苯氧基)聯(lián)苯(6FB

4、AB)共聚制備磺化聚酰亞胺樹脂,在此基礎上采用溶膠-凝膠法制備了不同硅含量的磺化聚酰亞胺／二氧化硅復合膜,通過FT-IR、29Si-NMR、TEM、XRD對復合膜的結(jié)構(gòu)和形態(tài)進行表征。結(jié)果表明,SiO2納米粒子在復合膜中以2-10nm的平均粒徑均勻分散,隨著SiO2含量的增加其平均粒徑有所增加且分布變寬,但無明顯團聚。
　　 2.系統(tǒng)研究了二氧化硅的加入對復合膜的耐熱性能、力學性能、尺寸穩(wěn)定性、抗氧化穩(wěn)定性以及耐水解穩(wěn)定性的影響

5、規(guī)律,并對其質(zhì)子傳導率和甲醇滲透率進行了評價。結(jié)果表明,二氧化硅的引入使復合膜的耐熱穩(wěn)定性、抗氧化穩(wěn)定性、尺寸穩(wěn)定性均得到明顯改善；復合膜表現(xiàn)出優(yōu)異的阻醇特性,其甲醇滲透率僅為Nation115膜的1／5到1／3左右；雖然SiO2的引入使復合膜質(zhì)子傳導率有所降低,但是其中SPI／SiO2-2復合膜表現(xiàn)了較突出的高溫質(zhì)子傳導特性。此外,由于復合膜阻醇性能的顯著提高,其選擇透過性大大高于Nafion115膜,表現(xiàn)了良好的綜合性能,有望在直接