《季銨鹼含氟聚合物的自由基聚合合成方法及性能研究》是依託中國科學技術大學，由白如科擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：季銨鹼含氟聚合物的自由基聚合合成方法及性能研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：白如科
- 依託單位：中國科學技術大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
甲醇燃料電池極具套用前景而引起了科學家廣泛的研究興趣，其中聚電解質膜成為研究的關鍵問題之一。由於氫氧根離子交換膜能有效克服傳統的質子交換膜（如Nafion膜）甲醇透過率高和使用鉑催化劑的缺點，因而近來備受關注。針對氫氧根離子交換膜研究中存在的問題，本項目從分子結構出發，設計、合成出一系列新的、含季銨基團的功能單體，並與含氟烯烴（六氟丙烯和三氟氯乙烯）進行自由基共聚，深入考察單體的結構與共聚行為之間的規律性，從而建立結構相對精確的季銨鹼含氟聚合物的合成方法；並通過對聚合物性能與組成、結構關係的深入研究，為設計製備性能優異的氫氧根離子交換膜材料提供理論依據和實驗方法。季銨鹼含氟聚合物不僅能夠用於甲醇燃料電池，在其他領域（如催化反應、分離純化等）也有廣泛的用途。因此，本項目不但在季銨鹼含氟聚合物的合成方面，而且在氫氧根離子交換膜及甲醇燃料電池的研究發展方面都具有重要的理論及實際意義。
結題摘要
本項目按照所計畫的研究內容進行，取得了一系列具有重要意義的研究成果，達到了預期的研究目標。含氟聚合物具有良好的熱穩定性和化學穩定性，是氫氧根離子交換膜中具有發展前景的候選骨架材料之一。我們採用氟烯烴與功能單體進行自由基聚合，獲得了含氟聚合物。實驗結果表明，得到的這類聚合物的分量低，成膜性能較差。雖然未能獲得足夠高分子量的含氟聚合物，但發展了一種既便捷又環保的合成胍基和季胍基苯乙烯功能單體的方法，而且成功地實現了氯甲基苯乙烯功能單體與三氟氯乙烯的自由基共聚合反應，這對於含氟功能聚合物的製備和研究具有重要意義。隨著鹼性離子交換膜研究工作的深入發展，如何提高鹼性離子交換膜的電導率和鹼穩定性成為了該領域急需解決的關鍵問題。因此，我們調整了部分研究計畫，選擇以力學性能優異、易進行化學修飾的聚苯醚為骨架，從聚合物結構和功能的關係出發，對於聚合物主鏈結構和功能團進行了最佳化設計，製備了出了導電性能好、熱穩定性和化學穩定高、力學性能優異的氫氧根離子交換膜。首先，將聚苯醚進行化學修飾，製備了季胍聚苯醚陰離子交換膜。這種膜具有良好的導電性能和力學性能，同時具有較好的鹼穩定性。其次，利用性能優異的碳納米管，將其進行離子液體功能化，然後與咪唑鹽功能化的聚苯醚進行複合，製備了一種高電導率和高強度的新型陰離子交換膜。實驗結果表明碳納米管的加入不僅提高了膜的機械性能，而且提高了膜的電導率。微相分離被認為能有效地提高離子交換膜的性能，據此我們設計合成了三嵌段的聚苯醚，製備了季銨化三嵌段離子交換膜。與均聚物相比，三嵌段聚合物膜呈現出清晰的相分離形貌，且具有優異的導電性能和力學性能。為了更加有效地促進膜的微相分離，我們提出了離子簇的概念，設計合成了三季銨基苯化合物，並把它引入聚苯醚側鏈，獲得了一種新的聚合物膜。這種膜與傳統的季銨聚苯醚膜相比，具有高電導率和低含水率。在聚合物結構設計上的這些新理念，對於設計和製備高性能的氫氧根離子交換膜具有重要意義。因為測試條件不同，關於聚合物膜鹼穩定性的文獻報導往往相互矛盾。為此，我們從結構與化學性質的關係出發，合成了一系列季胍和季銨小分子化合物，系統地考察了它們的鹼穩定性。實驗結果表明，季銨的穩定性高於季胍，季銨的穩定性與取代基的結構、電子效應和位阻效應有關。這些結果為氫氧根離子交換膜的設計和製備提供了理論和實驗依據。
