含唑环的多面体低聚硅氧烷复合膜的制备与性能研究

作     者：刘晓阳 

作者单位：河北工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：丁会利

授予年度：2021年

学科分类：0808[工学-电气工程] 07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：酸碱相互作用 质子传递性能 磺化聚醚醚酮 复合质子交换膜 交联网络 

摘      要：质子交换膜燃料电池(PEMFC)由于其燃料来源广泛以及能量转化效率高等诸多优点,受到了广泛关注。其中,质子交换膜(PEM)作为PEMFC的核心部件,起到分隔两极和传递质子的重要作用,其性能将会对燃料电池的性能以及使用寿命产生极大的影响。市面上广泛使用的Nafion膜虽然化学稳定性以及热稳定性较高,但其生产工艺复杂以及成本较高,并且在由于操作温度升高导致水分蒸发所造成的低湿度环境中,质子传递通道会大量收缩坍塌,导致膜的质子传导性能急剧下降,因此探索一种可良好适应低湿度环境的质子交换膜显得至关重要。基于此,本文设计了一种由笼型低聚倍半硅氧烷(POSS)作为交联点构造的含唑环的碱性交联型有机-无机复合填料,将其与磺化聚醚醚酮(SPEEK)膜基体共混制备复合质子交换膜,使其可以通过酸碱相互作用形成新的质子传递通道,以此降低膜对水的依赖性;同时,由于填料自身具有的交联结构以及与SPEEK基体之间的酸碱相互作用形成的离子交联协同构建双重交联网络结构,优化质子交换膜在低湿度条件下的质子传导性能,以及使其在完全水和环境中的尺寸稳定性与机械性能得到良好的提升。主要研究结果如下:1.通过控制实验反应时长,来控制含唑环的低聚硅氧烷有机-无机复合材料(PGA)中甲基丙烯酸缩水甘油酯-氨基三唑[p(GMA-Atri)]的分子链长度,制备了p(GMA-Atri)链长不同的PGA填料,以相同质量的掺杂比例制备SPEEK/PGA-X(X为聚合时间)复合膜,探究填料中p(GMA-Atri)的链长对质子交换膜性能的影响。结果表明,PGA自身的交联结构以及与酸碱相互作用形成的协同双交联体系,可提升复合膜的机械性能,改善复合膜的质子传导性能以及在水中的尺寸稳定性,其中,SPEEK/PGA-1.5h的质子传导率在40℃和60%RH(相对湿度)下达到了0.018 S/cm。2.通过改变合成填料在SPEEK聚合物基体中的掺杂质量,来探究PGA与SPEEK膜基体的共混比例对复合膜性能的影响。选取在上一章中表现最优异的填料,适宜添加量的填料与膜基体之间的酸碱相互作用形成了连续的质子传递通道,有效的增加了复合膜的保水能力以及质子传导性能。其中,SPEEK/PGA-7.5在40℃和100%RH的条件下,质子传导率达到了0.0368 S/cm。