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磺化芳香聚合物由于其优异的稳定性，耐热性，良好的力学性能，低成本等优势，近年来作为替代全氟磺酸膜的质子交换膜材料被广泛研究。由于磺化芳香聚合物磺酸弱的酸性以及差的相分离结构，这类聚合物的性能还不能完全满足燃料电池的需要。本论文以提高聚芳醚离子交换膜的性能为目标，通过分子设计成功得到了一系列高性能的离子交换膜，包括磺化烷基侧链cardo聚醚砜质子交换膜，脂肪侧链cardo聚醚酮质子交换膜和阴离子交换膜，磺酸集中的cardo聚醚砜质子交换膜以及含全氟磺酸侧链的质子交换膜材料。表征和测试了其性能，并讨论了不同结构对聚合物稳定性，相分离结构以及质子传导率的影响，主要包含以下几方面内容:
1.用含NH官能团的双酚单体与二氟二苯砜或四氟二苯砜聚合得到含NH的cardo聚醚砜。在NaH催化的条件下，将磺酸内酯或溴代烷基磺酸与聚合物NH官能团反应，很容易地将磺化烷基侧链引入cardo聚醚砜，制备了一系列含有不同长度磺化脂肪侧链的cardo聚醚砜。得到的侧链型质子交换膜形成了良好的相分离结构，具有较低的吸水率，溶胀率以及良好的导电率。FSPES-3的IEC为1.45mequiv.g-1，100℃质子导电率达到0.152S/cm，溶胀率仅为9.1％。有高IEC短侧链的聚合物的导电率要高于低IEC长侧链的聚合物，说明IEC对质子导电率的贡献要大于侧链长度的影响。在主链引入氟原子，能增加聚合物主链的疏水性，从而进一步改善质子交换膜的性能。
2.在前一章，我们提供了一种很简捷地将磺化烷基侧链引入聚合物的方法。将该方法进行扩展，从同一种cardo聚芳醚酮母体聚合物PEK-NH出发，很容易地分别将磺化烷基侧链和季胺烷基侧链引入PEK-NH中，制备了侧链型质子交换膜SPEK和侧链型阴离子交换膜QPEK。这两种离子基团在侧链的聚芳醚酮离子交换膜都能形成较好的相分离结构，具有较低的吸水率和溶胀率以及更高的导电率。SPEK具有很好的热稳定性和耐氧化稳定性，QPEK具有很好的热稳定性和碱稳定性。两者的性能都要优于IEC接近的主链型离子交换膜。
3.利用酚酞与芳胺的缩合反应，制备了三种侧链含有不同数量苯环的二酚单体。用这三种芳胺取代的二酚与4，4-二氟二苯砜和4，4-二羟基二苯砜共聚，并用氯磺酸磺化，得到了一系列磺酸集中程度不同的cardo聚醚砜SPES-x。它们都具有很高的导电率，在全湿态条件的导电率高于Nafion117的导电率。SPES-3室温导电率达到了0.105Scm-1，而Nafion117为0.08Scm-1。从SPES-1到SPES-3，导电率呈上升的趋势，吸水率和溶胀率也呈现增加的趋势。这说明随着磺酸集中程度的增加，质子交换膜具有更好的性能。这是因为聚合物形成了更好的相分离结构，出现了更加密集，更加连通的离子导电通道。这点与TEM的结果一致。SPES-0由于其磺酸基全部分布在主链上，导致其吸水率和溶胀率最高，导电率却较低，因为过度吸水，磺酸基的浓度被稀释了。SPES-2和SPES-3具有比另外两种聚合物更好的水稳定性。
4.利用酚酞与对甲氧基芳胺的缩合反应，制备了含甲氧基的二酚单体。用该二酚单体与4，4-二氟二苯砜或2，6-二氟苯腈聚合得到一系列含甲氧基的cardo聚芳醚。通过脱甲基，用生成的酚羟基与全氟磺酸内酯反应，制备了一系列含全氟磺酸侧链的cardo聚醚砜。得到的质子交换膜具有低的吸水率和溶胀率，引入氰基，能起到抑制吸水率和溶胀率的作用;具有较高的导电率，高于结构相似的非氟磺化侧链聚合物。含氰基的FSPES-2导电率最高(0.074S/cm)，达到了与Nafion117相当的程度。