侧链结构对磺化聚芳醚性能及微观形貌的影响

doi:10.7503/cjcu20131222

高等学校化学学报 ›› 2014, Vol. 35 ›› Issue (6): 1343.doi: 10.7503/cjcu20131222

侧链结构对磺化聚芳醚性能及微观形貌的影响

张振鹏¹, 王岩¹, 张静静², 张晓菲³, 庞金辉¹(), 姜振华¹

1. 吉林大学特种工程塑料教育部重点实验室, 长春 130012
2. 中国空间技术研究院, 北京 100094
3. 赤峰学院化学化工学院, 赤峰 024000

收稿日期:2013-12-12 出版日期:2014-06-10 发布日期:2014-03-11
作者简介:联系人简介: 庞金辉, 男, 博士, 副教授, 主要从事高分子功能膜材料研究. E-mail:pangjinhui@jlu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(批准号: 51103060)资助

Effect of Side Chain Structure on Properties of Side Chain-style Sulfonated Poly(arylene ether)^†

ZHANG Zhenpeng¹, WANG Yan¹, ZHANG Jingjing², ZHANG Xiaofei³, PANG Jinhui^1,^*(), JIANG Zhenhua¹

1. Key Laboratory of Super Engineering Plastics, Ministry of Education, Jilin University, Changchun 130012, China
2. China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China
3. College of Chemistry and Chemical Engineering, Chifeng University, Chifeng 024000, China

Received:2013-12-12 Online:2014-06-10 Published:2014-03-11
Contact: PANG Jinhui E-mail:pangjinhui@jlu.edu.cn
Supported by:
† Supported by the National Natural Science Foundation of China(No.51103060)

摘要/Abstract

摘要：

比较了3种主链结构相同而侧链结构不同的磺化聚芳醚(SPAE)材料的性能. 分析了侧链结构对聚合物的吸水、溶胀及质子传导行为的影响. 结果表明, 在相同的离子交换容量(IEC)条件下, 具有柔顺脂肪族侧链的聚芳醚材料具有较高的质子传导率. 其原因是由于柔顺的脂肪族侧链比刚性的芳香族侧链更易运动, 有利于侧链末端磺酸基团的聚集, 进而形成离子簇. 3种聚合物微观形貌的分析结果表明, 含柔顺侧链结构的聚合物薄膜具有更大的质子传输通道, 其结果与聚合物的宏观吸水和传导现象相吻合.

关键词: 磺化聚芳醚, 质子交换膜, 燃料电池

Abstract:

Three kinds of sulfonated poly(arylene ether)(SPAE) with the same backbone and different side chains were prepared from the new difluoride monomer and other commercial monomers by nucleophilic substitution reaction. The relationship between structures and properties of these polymers were investigated. As a result, sulfonated polymers with flexibility aliphatic side chains exhibited high proton conductivity and low swelling ratio than that with aromatic ones at the same IEC level. Because the sulfonic acid groups located at the end of aliphatic side chain have better motility than located aromatic ones, which helps for aggregation of sulfonic acid and forming ionic clusters in the membranes. The microphase-separation morphology of the three polymers were analized by SAXS, The results indicate that polymers with more flexible side chains(SPAE-Ⅲ) have large phase separation size. Combined proton conductivity and water swelling data, SPAE-Ⅲ membranes are the most suitable one for proton exchange membrane application.

Key words: Sulfonated poly(arylene ether), Proton exchange membrane, Fuel cell

中图分类号:

O631

TrendMD:

张振鹏, 王岩, 张静静, 张晓菲, 庞金辉, 姜振华. 侧链结构对磺化聚芳醚性能及微观形貌的影响. 高等学校化学学报, 2014, 35(6): 1343.

ZHANG Zhenpeng, WANG Yan, ZHANG Jingjing, ZHANG Xiaofei, PANG Jinhui, JIANG Zhenhua. Effect of Side Chain Structure on Properties of Side Chain-style Sulfonated Poly(arylene ether)^†. Chem. J. Chinese Universities, 2014, 35(6): 1343.

图/表 6

Scheme 1 Syntheses of difluoride monomers Ⅰ, Ⅱ and Ⅲ

Scheme 2 Syntheses of sulfonated poly(arylene ether sulfone) copolymer SPAE-Ⅰx, SPAE-Ⅱx, SPAE-Ⅲx

Table 1 IEC and proton conductivity(σ, at 80 ℃) of the fum of polymer

Polymer	IEC/(mmol·g^-1)					σ/(mS·cm^-1)
Polymer	x=50	x=60	x=70	x=80	x=90	x=50	x=60	x=70	x=80	x=90
SPAE-Ⅰx	0.96	1.22	1.36	1.50	1.61	0.9	3.7	13.1	35.2	54.8
SPAE-Ⅱx	1.09	1.28	1.47	1.65		6.0	36.0	66.0	91.0
SPAE-Ⅲx	1.07	1.26	1.43	1.60		7.4	31.2	68.9	99.4

Fig.1 Relationship between water swelling ratio and IEC of SPAE-Ⅰ(a), SPAE-Ⅱ(b) and SPAE-Ⅲ(c) at 20 ℃(A), 80 ℃(B) and 100 ℃(C)

Fig.2 Relationship between proton conductivity and IEC of SPAE-Ⅰ(a), SPAE-Ⅱ(b) and SPAE-Ⅲ(c) at 20 ℃(A), 80 ℃(B) and 100 ℃(C)

Fig.3 SAXS profiles of polymer

参考文献 12

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