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聚苯并咪唑(PBI)因具有优异的耐热性、机械性能和耐化学腐蚀性,在航空航天、电子电气和汽车机械等行业具有广阔的应用前景。然而,传统PBI难溶解亦难熔融,加工成型困难,限制了其在质子交换膜燃料电池等领域的应用。本文将扭曲、非共平面的杂萘联苯结构引入到PBI的主链中,旨在获得既耐高温又可溶解的新型聚苯并咪唑,进而制备其质子交换膜,研究其质子交换膜的性能。以4-[4-(4-羧基苯氧基)苯基]-2-(4-羧基苯基)二氮杂萘-1-酮(CPPBC)和联苯四胺(DAB)为单体,以多聚磷酸(PPA)为溶剂合成了主链含杂萘联苯结构的聚苯并咪唑PPBI。通过对模型化合物的波谱分析和分子模拟,展现了PPBI重复结构单元的扭曲结构。所合成PPBI的特性粘度达到1.78dL/g,易溶于DMSO、NMP和DMAc等极性非质子有机溶剂,其溶解性优于传统的间苯型m-PBI和对苯型p-PBI。广角X射线衍射(WAXD)测试结果表明PPBI呈无定形态。PPBI具有优异的热稳定性,玻璃化转变温度为402℃,5%的热失重达550℃,在800℃的残碳率为58.3%。以DAB、CPPBC和对苯二甲酸(TPA)为单体,PPA为溶剂,设计合成了一系列主链含杂萘联苯结构和对苯结构的聚苯并咪唑p-PPBI三元共聚物。采用红外光谱与核磁共振表征了聚合物结构,WAXD测试结果表明p-PPBI呈无定形结构。p-PPBI的特性粘度可达3.43dL/g,在NMP、DMAc和DMSO中具有良好的溶解性。p-PPBI具有优异的热性能,玻璃化转变温度高达426℃,5%的热失重高达564℃,800℃的残碳率高达75.7%。p-PPBI拉伸强度可达98.8MPa。为赋予PBI质子传导性能,以DAB、CPPBC和5-磺酸钠间苯二甲酸(SIPN)为单体,PPA为溶剂,合成并制备了一系列磺化度可控的含杂萘联苯结构磺化聚苯并咪唑SPPBI质子交换膜。由红外光谱与核磁共振表征了SPPBI的结构。WAXD测试表明SPPBI呈无定形态。SPPBI膜具有较低的吸水率和溶胀率,离子交换容量(IEC)可达0.76meq/g,80℃水中的质子传导率可达1.3×10-2S/cm,甲醇渗透系数可低至5.46×10-10cm2/s,拉伸强度可达48.2MPa。SPPBI膜在Feton试剂中经过120h测试均未出现破裂,耐水解性测试后依然保持良好的机械强度。与Nafion(?)117相比,SPPBI膜具有更优异的拉伸强度和阻醇性能(甲醇渗透系数比Nafion(?)117低约4个数量级)。其吸水率、溶胀率、IEC值和质子传导率随着磺化度的增大而增大,其阻醇性能、耐氧化性和耐水解性随着杂萘联苯结构含量的增大而增强,可通过调节SPPBI的结构,实现对膜性能的调控。为制备高温使用具有高质子传导率的含杂萘联苯结构PBI质子交换膜,将PPBI与p-PPBI膜进行磷酸掺杂,制备了磷酸掺杂含杂萘联苯结构聚苯并眯唑膜,并对其性能进行了研究。考察了磷酸浓度、掺杂温度和掺杂时间对膜性能的影响,优化了掺杂条件。此系列膜在14.7mol/L磷酸中180℃下掺杂30h以上能获得掺杂度高达15.2molH3PO4的磷酸掺杂膜。所得掺杂膜的质子传导率随掺杂度的增大而增大,PPBI膜的质子传导率在高温无水的条件下可达0.13S/cm。掺杂后此系列膜拉伸强度可达26.1MPa,在Feton试剂中开始破裂时间可长达81h。为制备具有更好质子传导性能和耐氧化性的磷酸掺杂含杂萘联苯结构PBI膜,以DAB、CPPBC和2,5-羟基对苯二甲酸(TPA-OH)为单体,PPA为溶剂,合成了一系列含羟基和杂萘联苯结构的聚苯并咪唑PPBIOH。经反应溶液直接铺膜法制备了其磷酸掺杂膜,并优化了制膜工艺。PPBIOH能溶解在浓硫酸和NMP中,特性粘度可达2.10dI/g。PPBIOH膜在高温无水条件下质子传导率可高达0.22S/cm,在Feton试剂中的开始破裂时间可长达155h,其拉伸强度能够满足质子交换膜的应用要求。