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研究生: 陳泰安
Tai-an Chen
論文名稱: 合成新型含苯咪唑側基之聚醯亞胺與含苯並唖唑側基之聚苯咪唑及其性質研究
Synthesis and Characterization of New Polyimides Containing Pendent Benzimidazoles Groups and Polybenzimidazoles Containing Pendent Benzoxazole Groups
指導教授: 陳燿騰
Yaw-Terng Chern
口試委員: 蕭勝輝
Sheng-Huei Hsiao
劉貴生
Guey-Sheng Liou
陳志堅
Jyh-Chien Chen
蔡大翔
Dah-Shyang Tsai
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 化學工程系
Department of Chemical Engineering
論文出版年: 2014
畢業學年度: 102
語文別: 中文
論文頁數: 143
中文關鍵詞: 苯並咪唑苯並唖唑聚苯咪唑聚醯亞胺質子傳導膜
外文關鍵詞: Benzimidazole, Benzoxazole, Polyimides, Polybenzimidazoles, proton exchange membrane
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Part 1
本研究成功合成具有benzimidazole側基之PI 共聚物,其固有黏度範圍在 0.96~1.20dL/g 之間,均可塗佈成具有韌性之薄膜,這些共聚物有好的熱安定性,於氮氣下10 %裂解溫度皆有500℃以上、以及高軟化溫度(Ts約在 300 ℃左右),聚合物尚未摻雜磷酸的抗張強度大於132 MPa,但是當摻雜磷酸後,薄膜受到磷酸的膨潤,致使機械強度會大幅下降,經由甲基側基進行交聯反應,在高的質子傳導度能維持好的機械性質,本研究所開發PI很有潛力應用於中溫型燃料電池。
質子傳導度隨溫度與磷酸摻雜量增加而增加,本研究所合成PI共聚物的質子傳導度幾乎都比m-PBI高,這結果顯示導入benzimidazole環在側基比在主鏈更有利於提高質子傳導度,例如交聯前後之BPBI8mBI1F0.5DMB0.5在160℃時之質子傳導度都高於m-PBI (52.0 mS/cm)分別為75.4 mS/cm與78.4 mS/cm。
因此這些具有benzimidazole側基之 PI 薄膜皆具有高磷酸摻雜量、高質子傳導度和好的熱安定性,經由交聯結構的形成,使得PI薄膜在高的磷酸摻雜量下,仍保有良好的機械性質,與高的質子傳導
度,很有潛力成為中溫型燃料電池中質子交換膜材料。
Part 2
本研究成功合成具有benzoxazole側基之 PBI 共聚物,其固有黏度範圍在 0.85~2.4dL/g 之間,均可塗佈成具有韌性之薄膜,這些共聚物隨著側基比例的提升,共聚物的溶解度也增加,且有好的熱安定性,於氮氣下10% 裂解溫度皆為470℃以上、以及高玻璃轉換溫度與軟化溫度( Tg和Ts大約在 300 ℃左右),它的抗張強度大於70 MPa,但是當摻雜磷酸後,薄膜受到磷酸的膨潤,致使機械強度會大幅下降,經由甲基側基交聯,形成交聯 PBI 共聚物,交聯後 PBI 共聚物因受交聯鍵結,產生高分子鏈堆積緊密,導致磷酸摻雜量下降,雖然質子傳導度有稍微降低,但機械性質比起原先未交聯之 PBI 共聚物,其抗張強度增加了 1~2倍。
質子傳導度隨溫度與磷酸摻雜量增加而增加,其中 PBI-3-3在160℃(低濕度的環境下),磷酸摻雜量為322 wt%,質子傳導度為 60.2 mS/cm 高於m-PBI(52.0 mS/cm),至於交聯後之 PBI 薄膜 C-PBI-3-3在160℃(低濕度的環境下),磷酸摻雜程度達305 wt%,質子傳導度為51 mS/cm,但摻雜磷酸後膜的抗張強度增加1倍從5 Mpa提高至11 Mpa。
因此這些含benzoxazole側基之 PBI 薄膜具有高磷酸摻雜量、高質子傳導度和好的熱安定性,與氧化安定性,經由交聯結構的形成,使得PBI薄膜在高的磷酸摻雜量下,仍保有良好的機械性質,與高的質子傳導度,是很有潛力成為中溫型燃料電池中質子交換膜材料。


Part 1
A series of new polyimides (PIs) with pendant benzimidazole had been synthesized. They had inherent viscosities in the range of 0.96~1.20 dLg-1, and they could form tough and flexible films. The PIs exhibited high thermal stability with 10% decomposition temperature more than 500℃ in nitrogen, and their and soft temperature around 300℃. These films exhibited good mechanical properties with tensile stress exceeded 132 MPa.However,the mechanical properties of phosphoric acid doped PI significantly decreased. The mechanical properties of crosslinked polyimides (C-PI) were improved via crosslinking reaction of methyl group.
The proton conductivity of phosphoric acid doped PBI was dependent on doping PA level and temperatures. The proton conductivity of BPBI8mBI1F0.5DMB0.5 and C5-BPBI8mBI1F0.5DMB0.5 were 75.4 and 78.4 mS/cm at 160℃,respectively.The proton conductivity of PI and C-PI were significantly higher than m-PBI (52.0 mS/cm).Thus, these polyimides (PIs) with pendant benzimidazole membranes could be the promising materials alternative to m-PBI membrane for medium-temperature fuel cells applications because they had high proton conductivity,and good thermal stability.

Part 2
A series of new polybenzimidazoles (PBIs) with pendant benzoxazole had been synthesized. They had inherent viscosities in the range of 0.85~2.4 dLg-1, and they could form tough and flexible films. , The PBIs exhibited high thermal stability with 10% decomposition temperature more than 470 ℃ in nitrogen, and their glass transition temperature and soft temperature around 300℃. These films also exhibited good mechanical properties with tensile stress exceeded 70 MPa.
However, the mechanical properties of phosphoric acid doped PBI significantly decreased. This is the study that improved mechanical properties of proton exchange membranes via crosslinking reaction of methyl groups.The tensile strength of cross-linked PBI was a approximately twice as strong as uncross-linked PBI.
The proton conductivity of phosphoric acid doped PBI was dependent on doping PA level and temperatures. The proton conductivity of PBI-3-3 was 60.2 mS/cm at 160 ℃.The proton conductivity of PBI-3-3
was higher than m-PBI (52.0 S/cm). The proton conductivity of C-PBI-3-3 was 51.7 mS/cm at 160℃,the tensile strength of crosslinked C-PBI-3-3 was about double.Thus, these polybenzimidazoles (PBIs) with pendant benzoxazole membranes could be the promising materials alternative to m-PBI membrane for medium-temperature fuel cells applications because they had high proton conductivity,and good thermal stability.

摘要 I Abstract IV 目錄 VI 圖索引 X 表索引 XIII 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 燃料電池的介紹 3 1.2.1 燃料電池的發展 3 1.2.2 燃料電池的特色2 5 1.2.3 燃料電池的種類2~4 7 1.2.4 燃料電池的原理及應用6 11 1.3 直接甲醇燃料電池介紹 (DMFC) 13 1.3.1 直接甲醇燃料電池的原理及構造 14 1.3.2 直接甲醇燃料電池的核心 15 1.4中溫型燃料電池簡介 17 1.4.1 中溫型 (150~250 ℃) 燃料電池的優點 18 1.4.2 聚苯咪唑薄膜摻雜磷酸的質子傳導機制 19 1.5 交聯劑介紹 21 1.6 文獻回顧 25 第二章New polyimides Containing Pendent Benzimidazole groups 34 2.1 研究動機 35 2.2研究內容 39 第三章 實驗 40 3.1 實驗藥品 40 3.2 聚醯亞胺共聚物實驗程序 42 3.2.1 單體合成 42 3.2.2 合成聚醯亞胺共聚物(PIs) 45 3.3 聚合物之物性與化性分析 47 第四章 結果與討論 53 4.1 單體與 PIs 的合成 53 4.2 固有黏度測試 61 4.3 溶解度測試 62 4.4證明交聯反應 64 4.4.1 DSC 量測與溶解度證明 64 4.4.2 FT-IR分析 67 4.5 熱性質測試 69 4.6 PI共聚合物組成對磷酸摻雜量的效應 73 4.7膨潤度的測試 77 4.8 質子傳導度分析 78 4.8.1 PI的化學構造對質子傳導度的效應 78 4.9 機械性質量測 81 4.9.1 未摻雜磷酸薄膜機械性質量測 81 4.9.2摻雜磷酸薄膜機械性質量測 83 4.10 氧化安定性測試 85 第五章 結論 86 第六章New Polybenzimidazoles Containing Pendent Benzoxazole groups 89 6.1 研究動機 90 6.2 研究內容 92 第七章 實驗 93 7.1 實驗藥品 93 7.2 聚苯咪唑 (Polybenzimidazole) 共聚物實驗程序 95 7.2.1 單體合成 95 7.2.2 合成聚苯咪唑共聚物 (PBIs) 99 第八章 結果與討論 101 8.1單體與 PBIs 的合成 101 8.2固有黏度測試 108 8.3 溶解度測試 109 8.4證明交聯反應 111 8.4.1 DSC 量測與溶解度證明 111 8.5 熱性質測試 115 8.6 PBI共聚合物組成對磷酸摻雜量的效應 120 8.7膨潤度的測試 124 8.8 質子傳導度分析 125 8.8.1 溫度對質子傳導度的效應 125 8.8.2 PBI的化學構造對質子傳導度的效應 129 8.9 機械性質量測 131 8.9.1 未摻雜磷酸薄膜機械性質量測 131 8.9.2摻雜磷酸薄膜機械性質量測 133 8.10 氧化安定性測試 137 第九章 結論 139 第十章 參考文獻 141

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無法下載圖示 全文公開日期 2019/07/31 (校內網路)
全文公開日期 本全文未授權公開 (校外網路)
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