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聚酰亚胺（polyimide，PI）是主链上含有酰亚胺环的一类聚合物，价格较低，具有优良的电性能、机械性能、热稳定性、抗氧化性、以及很好的耐溶剂性、尺寸稳定性和加工流动性等，这些优点正是质子交换膜所需要的。然而，为了获得较高的质子传导效率，过高的磺化度使得磺化聚酰亚胺膜的阻醇性变差，膜过度溶胀甚至溶解，材料的机械性能也明显降低。
为了克服这一矛盾，本文将具有高质子传导率的聚（2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸）（PAMPS-bAPS）运用到聚酰亚胺复合质子交换膜的制备中。聚酰亚胺作为膜的主体材料，起到阻醇、增强，提高复合膜尺寸稳定性等作用。通过分子设计，利用聚合物链间作用力制备综合性能优良的复合质子交换膜。
本文首先以4-氯硝基苯为原料，通过还原，取代，偶合等步骤合成调聚剂二硫二（对氨基）苯（BAPD）。利用调聚剂二硫二（对氨基）苯，在偶氮二异丁腈（AIBN）引发下对AMPS进行自由基调聚反应，得到以氨基封端的聚（2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸），研究了调聚反应机理并通过FTIR、1HNMR、元素分析等实验手段对合成的二硫二（对氨基）苯和PAMPS-bAPS的结构进行确认与表征，采用乌氏粘度计对PAMPS-bAPS的特性粘度、黏均分子量进行了考察。研究发现聚合温度为75℃，反应时间为12h，AIBN：BAPD配比为1:30，单体浓度为0.476g/mL，反应介质为N，N-二甲基甲酰胺时聚合收率较高，且结果可重复获得，产物分子量12000±10％g/mol。
其次，以联苯四甲酸二酐（BPDA），柔性二胺4，4’-二氨基二苯醚（ODA）为原料进行缩聚反应，得到聚酰胺酸，与高分子质子导体PAMPS-bAPS复合，然后采用玻璃板浇膜，在高温下完成热酰亚胺化，得到一系列不同PAMPS-bAPS含量的复合薄膜AMPS-i（i=1-5），经过酸化得到质子交换膜。本文分别对不同PAMPS-bAPS含量复合质子交换膜的质子传导率、甲醇渗透率、吸液性、溶胀度、热性能、机械性能、抗氧化性能和微观形貌等进行了研究。结果表明复合膜的质子传导率随着磺化度的增大和温度的升高而增大，当PAMPS-bAPS的含量大于32.0wt％，温度为80℃，相对湿度为100％时，复合膜质子传导率均达到10-2S-cm-1，且AMPS-5质子传导率σ达到了2.77×10-2S.cm-1。复合膜的甲醇渗透系数为0.021×10-6-0.33x10-6cm2-s-1，比Nafion（）117膜（2.36×10-6cm2-s-1）降低了1-2个数量级，具有优异的阻醇性能。AMPS-3、AMPS-4、AMPS-5复合膜的拉伸强度为42.2-55.8MPa，杨氏模量为0.98-3.21GPa，显示出优异的机械性能，满足质子交换膜的使用要求。膜在空气中失重5％时的热分解温度范围为225.7℃-302.4℃，抗氧化时间为21h-104h，显示出复合膜优异的热稳定性和抗氧化性。从复合膜断面扫描电镜分析得出，低AMPS含量膜中有类似渗透网络状的形态存在。随着AMPS含量的增加，AMPS-3复合膜开始出现的微相分离，亲水性离子簇相互贯穿，通道直径由几十纳米到几百纳米。浇膜初始温度为60℃时，薄膜亲水区颗粒状结构分布均匀，结构致密，直径约为40nm；当初始温度为80℃时，薄膜亲水区颗粒分布不均匀，直径分布较大，且出现明显的空隙。