具交聯結構之磺酸化聚醚醚酮(酮)
高分子質子傳導膜之開發與製備

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化學學系

論文名稱

具交聯結構之磺酸化聚醚醚酮(酮) 高分子質子傳導膜之開發與製備
(Branch-shaped sulfonated poly(ether ketone)s as proton exchange membranes )

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摘要(中)

本研究利用有機反應合成一系列具有四醇基酮之聚醚醚酮高分
子，將直鏈結構之聚醚醚酮變化為交聯結構狀，並引進不同具有磺酸
基團之單體，期望將親疏水相分離，藉此得到最適合應用於燃料電池
的質子交換膜。
此一系列交聯高分子在不失去其優良的熱穩定性、物理性質與機
械強度情況下，交聯狀結構成功的降低了聚醚醚酮在高濕度下水膨潤
與尺寸變化率過高的情況，並在操作溫度 25oC 下可得到平均
10-2S/cm 的傳導度，並且於 70oC 高溫下更可進一步達到10-1S/cm
的表現。其中 B-Np-SPEEKK 在 80oC 之熱水中，尺寸變化率只有
29% ，並且傳導度更可達到 0.12S/cm 的水準。因此交聯狀聚醚醚
酮具有成為新型燃料電池之質子交換膜的潛力。

摘要(英)

A series of branched and cross-linked poly(ether ketone)s were
synthesized by aromatic nucleophilic substitution reaction. The branching
and cross-linking were effective to improve the dimensional stability
under wet condition without losing their high thermal, oxidative, and
hydrolytic stability. The membranes exhibited high conductivity of 10-1
S/cm at 70oC、100% RH, and 10-2S/cm at 25oC、100% RH equally.
Especially B-Np-SPEEKK membrane exhibited low swelling ratio (29%
deformation), and exhibited high conductivity of 0.12S/cm at 70oC、
100RH. The results exhibited these branched and cross-linked ionomer
membranes are possible to become new type proton exchange membranes
in fuel cell.

關鍵字(中)

★ 質子交換
★ 聚醚醚酮
★ 磺酸化
★ 交聯

關鍵字(英)

★ branch
★ crosslink
★ proton exchange

論文目次

中文摘要………………………………………………………………Ⅰ
英文摘要………………………………………………………………Ⅱ
謝誌……………………………………………………………………Ⅲ
目錄……………………………………………………………………IV
表目錄………………………………………………………………VIII
圖目錄………………………………………………………………IX
Scheme…………………………………………………………………XII
Equation……………………………………………………………XIII
附錄目錄………………………………………………………………XIV
第一章緒論…………………………………………………………1
1-1 前言………………………………………………………………………2
1-2 燃料電池簡介……………………………………………… …3
1-3 燃料電池種類……………………………………………… …7
第二章文獻回顧………………………………………………………13
2-1 質子交換膜簡介…………………………………… …………14
2-2 質子交換膜種類……………………………………… ………15
2-2-1 碳氟系高分子質子交換膜……………………………………15
2-2-2 碳氫系高分子質子交換膜……………………………………22
2-3 研究動機………………………………………………… ……29
第三章實驗技術及原理………………………………………………31
3-1 實驗藥品………………………………………………………32
3-1-1 實驗所使用之化學藥品………………………………………32
3-1-2 實驗所使用之溶劑……………………………………………34
3-1-3 溶劑除水的部分………………………………………………34
3-2 實驗儀器及技術原理……………………………………………35
3-2-1 核磁共振光譜儀 (Nuclear Magnetic Resonance)…………35
3-2-2 熱重量分析儀 (Thermal Gravimetric Analyzer)……………36
3-2-3 微差熱掃描卡計 (Differential Scanning Calorimeter)………36
3-2-4 交流阻抗儀 (Alternating Current Impedance)………………37
3-2-5 吸水膨潤比 (Water Uptake) 與尺寸變化率 (Swelling Ratio)…………………………39
3-2-6 離子交換容量 (Ion Exchange Capacity；IEC)………………40
3-2-7 薄膜氧化穩定性測試 (Fenton’s Test)………………………40
3-3 高分子合成後處理………………………………………………………………41
3-3-1 後磺酸化製備…………………………………………………41
3-3-2 薄膜的製備……………………………………………………41
3-4 薄膜的酸化………………………………………………………………………41
3-5 合成步驟………………………………………………………………………42
3-5-1 Me-ph-quinone (1) 的合成…………………………………………………………42
3-5-2 Me-ph-dioH (2) 的合成………………………………………………….43
3-5-3 2-(4-Bromobutyl)-1,4-dimethoxybenzene (3) 的合成…………………………44
3-5-4 2-(4-Bromobutyl)-1,4-dihydroxybenzene (4) 的合成…………………………45
3-5-5 2-(4-butylNa)-1,4-dihydrobenzene (5) 的合成...……….…………………………46
3-5-6 (2-Phenylethyl)-1,4-dimethoxybenzene (6) 的合成…………………………47
3-5-7 (2-Phenylethyl)-1,4-dihydrobenzene (7) 的合成…………………………48
3-5-8 B-Ph SPEEK (8) 的合成………………………………………………………………49
3-5-9 B-Me-Ph SPEEK (9) 的合成…………………………………50
3-5-10 B-Np SPEEKK (10) 的合成…………………………………………………………51
3-5-11 B-Ph SPEEKK (11) 的合成……………………………………52
3-5-12 B-Me SPEEKK (12) 的合成…………………………………53
3-5-13 B-L SPEEKK (13) 的合成……………………………………54
第四章結果與討論………………………………………………………………………55
4-1 合成結果探討………………………………………………………………………56
4-1-1 1H核磁共振光譜結構探討……………………………………………………57
4-2 吸水膨潤比 (WU) 與尺寸變化率 (SW)………………………..64
4-3 熱重量分析儀 (TGA)…………………………… …………………………………70
4-4 微差掃描熱卡計分析(DSC)…………………………………… ……75
4-5 交流阻抗儀 (AC Impedance) 分析…………………………. ……77
4-6 氧化穩定性分析 (Fenton’s Test)…………………………………80
第五章結論………………………………………………………….82
參考文獻……………………………………………………………85
附錄……………………………………………………………………89

參考文獻

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電工程學所碩士論文，93年6月.
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指導教授

陳銘洲(Ming-chou Chen)

審核日期

2009-7-17

推文