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近年来，磺化聚酰亚胺由于其优异的成膜性、耐溶剂性、热稳定性、机械性能及其低的气体和甲醇透过性作为质子交换膜材料受到广泛关注。但是，磺化聚酰亚胺耐水解稳定性差，在燃料电池的高温高湿环境下，聚合物容易降解，影响膜的使用寿命。国内外针对磺化聚酰亚胺的水解稳定性和质子导电率问题进行了大量研究。到目前为止，该类聚合物的研究几乎都集中在对磺化二胺的改性上，对二酐结构对磺化聚酰亚胺材料性能的研究未见报道。本论文以4-氯-1，8-萘酐为原料制备联萘二酐和磺化的联萘二酐，并以此为原料制备了两类聚合物：磺化聚酰亚胺和磺化聚吡咙作为质子交换膜材料，主要针对以下方面开展研究工作：
1、合成了一系列基于联萘二酐和磺化二胺的含有碱性苯并咪唑基团的磺化聚酰亚胺，该聚合物显示了良好的溶解性和成膜性。研究表明，与基于商品化的萘二酐的磺化聚酰亚胺质子交换膜相比，基于联萘二酐结构的膜具有优异的水解稳定性，在90℃水中稳定性大于1000小时，远远的优于基于萘二酐的膜的水解稳定性(仅为4小时)，这可能是由于萘二酐的萘环上具有四个吸电子基团，而联萘二酐的萘环上只有两个，导致联萘二酐中羰基的电子云密度更高，抑制了酰亚胺环的水解，提高膜的水解稳定性。此外，碱性的咪唑基团与磺酸形成强的酸碱作用，提高聚合物分子链间作用力，因此降低了膜的溶胀率和甲醇透过率。
2、合成了一种磺酸在侧链的、全芳香结构的磺化二胺，与联萘二酐聚合制备了一系列全芳香结构的侧链型磺化聚酰亚胺。磺酸在具有吸电子基团的侧链苯环上，提高了磺酸的酸性，使膜在低IEC值时具有较高的导电率，同时全芳香的缺电子聚合物链赋予该膜优异的氧化稳定性，这是因为·OH或·OOH自由基容易进攻聚合物链中具有高电子云密度的键(如醚键等)。
3、首次合成了磺化联萘二酐及其相应的磺化聚酰亚胺，该聚合物具有优异的溶解性，能很好的溶于极性有机溶剂。与基于磺酸接在具有推电子基团的二胺的磺化聚酰亚胺相比，磺酸接在吸电子基团的二酐上的膜具有高的热稳定性，但是水解稳定性却较差，这可能是由于磺酸的吸电子效应降低了二酐中羰基的电子云密度，使得酰亚胺环容易受到水分子的进攻。此外，磺酸接在二酐单体上的膜在高温条件下的导电率较高，在120℃时该类膜的导电率大于0.35 S cm-1，大于基于磺化二胺的膜(0.282 S cm-1)，几乎是Nafion117的两倍(0.184 S cm-1)。
4、利用磺化联萘二酐和磺化二胺制备了一系列的新型的嵌段磺化聚酰亚胺，和传统的亲水嵌段由磺化单体和非磺化单体组成的嵌段磺化芳香聚合物不同，该类嵌段聚合物的亲水部分由磺化二酐和磺化二胺组成，增加了亲水嵌段的亲水性，缩小磺酸之间的距离。研究结果表明，嵌段共聚物膜的离子簇比无规共聚物密度更好、更加规整、尺寸更小，这些规整的、小的离子簇有利于质子在膜中的传输，因此嵌段共聚物的质子导电率远远高于相应的无规共聚物，尤其是在低湿度条件下(70℃，50％ RH)，质子导电率几乎是无规共聚物的20倍。
5、首次通过磺化联萘二酐和芳香四胺高温溶液聚合合成了高分子量的半梯形磺化聚吡咙，该聚合物能很好的溶于极性有机溶剂中，如DMSO、NMP等，得到的膜具有优异的机械性能、热氧化稳定性和水解稳定性，膜在140℃的水中测试12天，性能无明显变化。碱性吡咙环与磺酸的酸碱相互作用，降低了膜的甲醇透过率和溶胀率，膜在100℃的水中的溶胀率仅为9％，远远的小于Nafion117的溶胀率(21.5％)。膜在140℃时的质子导电率为0.19 Scm-1，而Nafion117在此温度由于失去机械性能。结果表明，磺化聚吡咙是一类优异的质子交换膜材料。