微相可控的磺化聚苯并咪唑嵌段聚酰亚胺质子交换膜的设计及性能研究

This project is about the design and preparation of a novel sulfonated polybenzimidazole-block-polyimide with controlled microphase separation structure, and studies its application in proton exchange membrane.The research contents include: Synthesis of the sulfonated polybenzimidazole-block-polyimide copolymer. The parameters of the chemical composition, block length and the volume fraction of each block are designed and adjusted by theoretical calculation. Optimize the membrane preparation process and introduce the external electric field in order to control the microphase separation structure of the block copolymer in the film state. Study the influence mechanism of the microphase separation structure, proton transport channel construction and proton conduction performance to get the relationship between microphase separation structure and properties of proton exchange membranes.The project combines the molecular engineering and polymer engineering, pre-designs the block copolymer with possible microphase separation structure by theoretical calculation. On the one hand, the obtained proton exchange membrane can exhibit the advantages of polybenzimidazole and polyimide; on the other hand, the formation of the controlled microphase separation structure is conducive to building the proton transfer channel. The combination of the material and structure can improve the mechanical property, hydrolytic stability, and electrical property of the proton exchange membrane. This study will provide a research idea for the proton exchange membrane with controlled and special morphology, and the prepared membrane has important application value.

本项目设计并制备一种新型的具有可控微相分离结构的磺化聚苯并咪唑嵌段聚酰亚胺共聚物，并研究其在质子交换膜中的应用。研究内容是将磺化聚苯并咪唑与聚酰亚胺嵌段共缩聚，共聚物的化学组成、嵌段长度和各嵌段的体积分数等参数通过理论计算预先设计并调整，同时优化成膜工艺和外加电场，以此控制制备的共聚物在薄膜状态时的微相分离结构；研究不同的微相分离结构与质子传输通道的构建以及质子传导性能的影响机制，建立微相分离结构与质子交换膜性能的关系。本项目结合分子工程与聚合物工程，通过理论计算的方法预先设计出可能的嵌段共聚物的微相分离结构，得到的质子交换膜一方面能将聚苯并咪唑与聚酰亚胺的优点相结合；另一方面可控微相分离结构的形成，有利于质子传输通道的构建；材料与结构的结合可以提高质子交换膜的机械性能、水解稳定性、导电性能等。本研究将为控制合成具有特定微观形态的质子交换膜提供一个研究思路，且制备的膜材料有重要的应用价值。

本项目立足于“微相可控的磺化聚苯并咪唑嵌段聚酰亚胺质子交换膜的设计及性能研究”这一研究目标，研究内容主要包括利用理论计算，结合具体的实验结果，设计一系列的具有可控微相分离结构的磺化聚苯并咪唑与聚酰亚胺的嵌段共聚物，并控制嵌段聚合物的分子参数，从而控制质子交换膜的微相分离的结构形态，研究不同的微相分离结构与质子传输通道的构建以及质子传导性能的影响机制，建立微相分离结构与质子交换膜性能的关系，进而研究其在质子导电膜中的应用。. 项目执行过程中，通过控制亲水链段和疏水链段的结构（五元环结构、六元环结构或吡啶结构）、链段长度（40:40,40:30等）、嵌段方式（两嵌段、三嵌段）以及成膜工艺（成膜温度、退货等）来控制制备的质子交换膜的微相分离结构，成功合成并制备了三个体系的嵌段共聚物，研究了分子参数、成膜工艺对嵌段共聚物膜微相分离结构的影响，并研究了具有不同微相分离程度的嵌段聚合物质子交换膜的力学性能、尺寸稳定性和含水率、离子交换容量、热稳定性能、质子传导率等性能。得到的嵌段共聚物质子交换膜材料具有以下优点：力学性能优异，机械强度在80-130MPa；热稳定性高，热分解温度达到350 oC；化学稳定性好，耐水解和抗氧化稳定性高；尺寸稳定性好，溶胀度在2.8%-4.8%之间。微相分离结构对质子传导率等导电性能影响显著，微相分离程度最高的磺化聚苯并咪唑嵌段聚酰亚胺质子交换膜的质子传导率达到10-2S/cm，而掺杂磷酸后在非水体系中能达到10-1 S/cm，具有较高的质子传导率。已成功实现了本项目“微相可控的磺化聚苯并咪唑嵌段聚酰亚胺质子交换膜的设计及性能研究”所涉及的各个关键研究内容。. 本项目制备出的磺化聚苯并咪唑嵌段聚酰亚胺质子交换膜能够在含水体系的燃料电池系统中得以应用，更有望在高温非水体系的燃料电池中有一定的应用价值。