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质子交换膜燃料电池(PEMFC)重量轻、效率高、废气排放低,在汽车、固定和便携式电源等领域受到广泛关注,质子交换膜是PEMFC中的不可或缺的组分。其中,全氟磺酸膜如Nafion?具有优异的化学和物理稳定性同时具有高质子传导率,因而被视为最先进的PEMFC之一。然而,成本高、燃料渗透率高以及高温不可用性限制了Nafion?的应用。磺化聚酰亚胺膜(SPI)作为全氟磺酸膜的替代材料,具有高热稳定性、高机械稳定性、低燃料渗透及高质子传导率。然而SPI膜的耐水解稳定性较差,高磺化度膜在水中会过度吸水导致溶胀,严重影响机械性能。本论文针对SPI性能上的不足,从膜材料的化学结构入手,在SPI的分子主链中引入含氟基团,制备系列新型含氟磺化聚酰亚胺薄膜(FPI),系统研究氟含量对薄膜的热稳定性、尺寸稳定性、质子传导率、甲醇渗透率以及耐水解稳定性的影响规律。为了保证实验的可行性,在展开实验前使用Materials Studio 8.0软件对不同氟含量的聚酰亚胺进行分子动力学(MD)模拟。构建模型,能量和几何优化、动力学平衡以确保模型的可用性,预测不同氟含量的磺化聚酰亚胺的力学性能和质子电导率,为试验提供依据。预测得到随着含氟基团-CF3的引入,拉伸模量、剪切模量和体积模量减小,-CF3增加分子间距离使分子间作用力变弱。预测氟含量为10%时,得到的质子电导率最大。以1,4,5,8-萘四甲酸二酐(NTDA)作为六元环二酐单体,采用2,2’-联苯胺二磺酸(BDSA)作为磺化二胺单体,采用2,2’-双(三氟甲基)-4,4’-二氨基联苯(TFMB)作为含氟二胺单体。改变BDSA和TFMB的摩尔比,合成不同氟含量的FPI,探究氟含量对FPI性能的影响。热分析和力学性能测试表明合成的FPI膜具有良好的热稳定性和机械性能。FPI拉伸强度范围为87.56-137.26 MPa,高于Nafion?117的23MPa。在30℃下FPI的质子电导率范围为0.054-0.131S/cm,除了FPI50外,FPI的质子传导率均高于Nafion?117,这是膜中的磺酸基团与引入的含氟基团协同作用的结果。随着氟含量增加,膜的尺寸稳定性、抗自由基氧化稳定性、耐水解稳定性增加,质子电导率稍有下降,这一结果也与分子动力学模拟的预测结果一致。为探究进一步的提高PEM质子电导率的方式,利用MS 8.0软件构建碳纳米管(CNTs)复合FPI模型,预测CNTs添加量对于PEM的力学性能和质子电导率的影响。预测在一定含量范围内,CNTs的加入可以增加膜的力学强度和模量,且在2 wt%时,模型的拉伸模量达到最大。预测除CNTs掺杂量为5.0%的复合膜,所有质子传导率值均高于不添加CNTs模型的质子传导率值。