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质子交换膜作为燃料电池中的关键材料,扮演着极其重要的角色。目前,众多研究着眼于开发高性能的磺化聚合物(Sulfonated Polymers,SPs)来代替商业化的Nafion膜,制备复合膜是一种常见的方法。许多研究均表明,由静电纺丝法制备的纳米纤维可解决膜的尺寸稳定性,近年来的研究还发现,以SPs纳米纤维作为增强相,可利用纺丝过程中纤维中形成的快速质子传输通道来提升复合膜的质子电导率。然而,前人的研究多集中于无纺纳米纤维膜复合质子交换膜。近几年来,虽然取向纳米纤维(aligned nanofibers,ANFs)掺杂质子交换膜也有报道,但均集中于沿膜的平面方向,对于ANFs沿膜垂直方向的掺杂作用还未见报道。众所周知,垂直膜方向的质子传导比平面方向的质子传导更具实际意义,因此,研究SPs ANFs对于垂直方向的质子传导的影响十分重要。基于此,本文以电纺五元环磺化聚酰亚胺(Sulfonated polyimides,SPI)ANFs为掺杂相,Nafion或六元环SPI为基质制备了复合膜,对复合膜的结构及性能进行表征,研究内容及结果如下:(1)以4,4’-(六氟亚异丙基)邻苯二甲酸酐(6FDA)为二元酸酐,4,4’-双氨基联苯胺-2,2’-二磺酸(BDSA)及2,2’-双[4-(4-氨基苯氧基)苯基]六氟丙烷(HFBAPP)为二胺单体,经高温一步法制备了五元环SPI。采用红外及核磁测试确定了其分子结构;磺化度70%时溶液浇铸膜的质子电导率可达0.0889 S/cm(90℃98%RH);TEM表征其离子团簇平均大小为10.54 nm;机械性能测试发现其拉伸强度可达61 MPa。(2)选取上述制备的五元环SPI为电纺丝前驱体,结合改进接收装置制备出了直径在100~120 nm的平面ANFs,并经处理得到了垂直ANFs,然后与Nafion进行复合制备了复合膜。研究发现:平面ANFs复合膜(30wt%)沿取向方向上的电导率提高到0.248 S/cm,且随ANFs直径的减小或含量的增加而逐渐增大,最大可达0.26 S/cm(50 wt%);而50 wt%的垂直ANFs掺杂时沿取向方向最大可达0.206 S/cm。ANFs的掺杂提升了复合膜的机械性能及尺寸稳定性。(3)鉴于前述五元环SPI耐水解性不佳,通过提升分子链柔性及将磺酸基引入非氨基连接的苯环来设计了一种以1,4,5,8-萘四甲酸二酐(NTDA)为二元酸酐,4,4-二(4-氨基苯氧基)-3,3二磺酸(BAPBDS)和4,4’-二氨基二苯醚(ODA)为二胺单体的六元环SPI。以该SPI作为基质,制备了一种五元环SPI ANFs掺杂的复合膜。相比于(2)中Nafion复合膜,ANFs与该六元环SPI具有更好的相容性。含50 wt%平面ANFs的复合膜(NTDA/6FDA-PANFs-50)沿纤维取向方向电导率在90℃98%RH时可达0.3 S/cm;对于50 wt%垂直ANFs掺杂的复合膜(NTDA/6FDA-VANFs-50)来说,在90℃98%RH沿其取向方向的电导率为0.189 S/cm,高于纯SPI膜。其耐水解性试验表明,相比于(2)中纯五元环SPI膜,五元/六元环复合膜的耐水解性能大大提高。