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为了进一步提高质子交换膜燃料电池的性能,加速其商业化进程,应尽快开发出低成本、高性能、环境友好的质子交换膜。
本文采用热性能、电性能、化学性能、成膜性能等综合性能优良的工程塑料聚苯醚(PPO)为基本原料,以氯磺酸为磺化剂制备了一系列不同磺化度的磺化聚苯醚(SPPO),探讨了反应时间和磺化剂用量对产物磺化度的影响。以FTIR和1HNMR证实了聚苯醚的磺化,并采用电导滴定法和1HNMR谱图确定了产物的磺化度及IEC值。采用基团估算法估算出了PPO及SPPO的Hildebrand溶度参数和Hansen溶度参数及其色散分量、极化分量和氢键分量,计算结果与SPPO在不同溶剂中的溶解行为基本符合。热分析结果表明磺化之后热稳定性有所下降,磺酸基团在220-340℃区间发生降解,但主链的降解温度基本不变;SPPO的玻璃化转变温度(Tg)较PPO明显升高。
通过溶液浇铸法制备了SPPO膜,并对膜的性能进行了表征。膜密度随着IEC值的增加几乎呈线性增加。PPO在磺化之后,亲水性增加,且IEC值越高,膜越易被水润湿;同时膜的含水率随着IEC值和温度的增加而增加,但在80℃时的含水率均有所下降。采用电子拉力机分别测量了PPO和SPPO膜在干态和湿态时的拉伸强度,并与Nation112膜进行了对比,结果表明随着IEC值的增加,拉伸强度呈较明显的下降趋势,且湿膜较干膜的强度有所下降,但是与Nation112膜相比仍具有较高的强度,这表明SPPO膜能在湿度较大的环境中使用。PPO磺化之后,使原来聚集态结构的有序性有所降低,随着IEC值的增加,呈现出很明显的两相结构,当IEC值增加到一定值后,离子簇形成连续的带状,此时的电导率达到了2.16×10-2S/cm,比Nation115膜的电导率(6.7×10-3S/cm)高出将近一个数量级。