新型聚苯并咪唑类质子交换膜的制备与性能研究

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1、北京化工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。话者签名：i釜墨鳌关于论文使用授权的说明学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和

2、磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在土年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。作者签名：导师签名：徐熬蕺日期：兰!!盘苎璺三三里日期：型!三：至：12'—中图分类号0631．5学科分类号150．20论文编号1001020131082密级无学位授予单位代码10010学位授予单位名称北京化工大学作者姓名徐燕燕学号2010001082获学位专业名称理学硕士获

3、学位专业代码0703课题来源国家自然科学基金研究方向功能有机材料论文题目新型聚苯并咪唑类质子交换膜的制备与性能研究聚苯并咪唑，3，3’，4，4'-N氨基二苯硫醚，微波辅助合成，质子交换关键词膜，质子传导率论文答辩日期2013年5月24日掌论文类型基础研究学位论文评阅及答辩委员会情况姓名职称工作单位学科专长指导教师汪中明副教授北京化工大学功能有机、应用化学评阅人1朱红教授北京化工大学有机化学、应用化学评阅人2于书平副教授北京化工大学应用化学评阅人3评阅人4评阅人5徽员蝴许家喜教授北京化工大学有机化学答辩委员1吕超教授北

4、京化工大学分析化学答辩委员2刘海梅教授北京化工大学无机化学答辩委员3杨作银副教授北京化工大学物理化学答辩委员4常铮副教授北京化工大学无机化学答辩委员5注：一．论文类型：1．基础研究2．应用研究3．开发研究4．其它二．中图分类号在《中国图书资料分类法》查询。三．学科分类号在中华人民共和国国家标准(GB／T13745—9)《学科分类与代码》中查询。四．论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。摘要新型聚苯并咪唑类质子交换膜的制备与性能研究质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为新一代能源系统为解决全球能源紧缺的现状做出了贡

5、献，作为其核心组件之一的质子交换膜受到研究者们的高度重视。迄今为止，已商业化的Nation膜(杜邦公司)因具有成本较高，运行过程中一的传递严重依赖于水的存在(低温下会造成水／热管理复杂，催化剂中毒)等缺陷使其应用范围受限。因此，价格低廉且能应用于高温、低湿条件下的非氟耐高温聚合物膜材料的研究被提上日程。其中，聚苯并咪唑(PBI)树脂因具有出色的热／化学稳定性、机械性能且与磷酸复合后还具有很好的质子传输性能而使其在PEMFC中具有较好的应用前景。但目前关于PBI的研究存在一些技术难题。首先，采用常规加热法制备PBI的制

6、备工艺繁琐、耗时，聚合物性能不佳；其次，PBl分子链的高度刚性使其溶解困难，成膜性能较差；再者，制各的PBI膜的各种性能有待进一步改进。因此，如何提高聚合反应效率，改善PBI树脂及膜的性能成为PEMFC领域研究的切入点。基于此，本论文制备出一系列含柔性链与杂环结构的新型PBI类质子交换膜并对膜的结构与性能进行了研究。具体成果如下：(1)从分子设计角度出发，制备了一种新型的含硫四胺单体．3，3’，4，4’．四氨基二苯硫醚。合成以5．氯．2．硝基苯胺和硫化钠为原料，用硫化钠法T北京化工大学硕士学位论文经亲核取代、还原、中

7、和三步反应得到。通过傅里叶红外光谱(FTIR)、核磁共振氢谱(1H．NMR)、质谱(Ms)和熔点测试对产物进行了结构表征，通过对合成条件的探索确定了最优制备工艺。该单体的合成为制备可加工性能与抗氧化性优异的PBI树脂及其膜材料提供了思路。(2)采用微波聚合法，以3，3’，4，4’．四氨基二苯硫醚、联苯四胺、己二酸、2,6一吡啶二甲酸、均苯三酸为单体，通过共聚、共混等方法高效地制备了一系列含有柔性链、硫醚键以及吡啶杂环结构的新型聚苯并咪唑类树脂。对产物进行了红外、热重、溶解性、分子量及成膜性能测试与表征，对交联体系进行

8、了探索。聚合物主链结构的根本性改变使聚合物及膜的性能大幅改善成为可能。(3)采用流延成膜法成功制备了含有柔性链、硫醚键以及吡啶杂环结构的新型聚苯并咪唑类质子交换膜。对磷酸掺杂膜(磷酸浓度为80wt％)的酸掺杂量、机械性能、热稳性能、抗氧化性及质子传导性能等进行了测试。结果表明，无水条件下，采用两电极法测得的膜在160℃时质子传导率的值均大于10