[發明專利]含側基和醚鍵的聚苯并咪唑及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 201310400906.8
• 申請日: 2013-09-05
• 公開（公告）號: CN103435804A
• 公開（公告）日: 2013-12-11
• 發明（設計）人: 劉佰軍;于云武;鳳鵬舉;姜振華
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: C08G73/18
• 分類號: C08G73/18;C08J5/18;H01M8/02
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 王恩遠

技術領域

本發明屬于高分子材料及其合成的技術領域，具體涉及含側基和醚鍵的聚苯并咪唑及其制備方法與應用。

背景技術

聚苯并咪唑（PBI）是一類具有優異的熱穩定性、機械性能和阻燃性能的特種工程塑料，可作為高溫結構膠粘劑、高強度纖維、泡沫材料、耐焰織物、耐熱薄膜和增強塑料等廣泛應用于航空航天工業等高技術領域。近年來，磺化或磷酸摻雜聚苯并咪唑在高溫燃料電池用質子交換膜領域的應用研究也獲得了重要進展。但PBI具有制備工藝復雜、加工困難及價格昂貴等缺點，使這類高性能材料的應用受到了限制。

聚苯并咪唑分子結構的高強度及其分子間較強的氫鍵作用，使其在有機溶劑中的溶解性很差，從而導致加工困難，限制了聚苯并咪唑作為薄膜和涂層等材料的應用。在剛性的聚苯并咪唑的分子結構中引入醚鍵等柔性鏈段或破壞分子鏈規整性的側基，可以制備具有良好的溶解性和熱穩定性的聚苯并咪唑，同時聚合物也具有較好的成膜性和很高的力學強度。

發明內容

本發明要解決的技術問題是，聚苯并咪唑分子在有機溶劑中溶解性很差限制其作為薄膜和涂層等材料的應用的缺陷。本發明提供了一種含側基和醚鍵的聚苯并咪唑及其制備方法與應用。

本發明的技術方案是，首先合成具有側基和醚鍵結構的二酸單體，再與四胺單體縮聚，在聚苯并咪唑主鏈結構中引入側基和醚鍵，制得含側基和醚鍵的聚苯并咪唑；將所述的含側基和醚鍵的聚苯并咪唑溶解于有機溶劑中，制得聚苯并咪唑薄膜；或將所述的含側基和醚鍵的聚苯并咪唑與磺化聚醚醚酮通過溶液共混制得了具有不同聚苯并咪唑含量的磺化聚醚醚酮/聚苯并咪唑共混薄膜作為高性能質子傳導膜。

本發明的具體技術方案如下。

一種含側基和醚鍵的聚苯并咪唑，其結構式如下：

其中，n=3～500；可以是以下任意一種或者多種：

一種含側基和醚鍵的聚苯并咪唑的制備方法，由以下步驟組成：

（1）將含有側基的雙酚化合物用有機溶劑溶解并加入無水碳酸鉀，于150℃回流1～3小時，加入對鹵苯甲腈，于160℃反應3～24小時后用丙酮重結晶得到含有側基和醚鍵的二腈單體；其中含側基的雙酚化合物、無水碳酸鉀，對鹵苯甲腈及有機溶劑的摩爾比為1∶2～2.5∶2～2.5∶32～33；所述有機溶劑優選N,N-二甲基甲酰胺（DMF），二甲基亞砜（DMSO），N,N-二甲基乙酰胺（DMAc），N-甲基吡咯烷酮（NMP）和丙酮中的一種或多種；

（2）將所述含有側基和醚鍵的二腈單體溶解于乙醇-水混合溶劑中，并加入氫氧化鉀進行水解，水解完全后，用鹽酸調節溶液的pH值為1～6后用1,4-二氧六環重結晶，得到含有側基和醚鍵的二酸單體；其中含有側基和醚鍵的二腈單體、氫氧化鉀、乙醇和水的摩爾比為1∶5～50∶0.9～1∶3～3.1；

（3）在氮氣保護下，將所述含有側基和醚鍵的二酸單體和3,3’-二氨基聯苯胺單體溶解于五氧化二磷-甲烷磺酸溶液中，于80～120℃持續1～3小時后，再于130～180℃反應3～4小時，得到黏稠溶液；將所述黏稠溶液倒入冰水中得到細絲狀聚合物；所述細絲狀聚合物經粉碎、洗滌后在質量分數為10%的碳酸氫鈉溶液中浸泡48小時，用去離子水洗滌至中性后先于80℃真空干燥24小時，再于120℃真空干燥12小時，得到含有側基和醚鍵的聚苯并咪唑；含有側基和醚鍵的二酸單體、3,3’-二氨基聯苯胺單體、五氧化二磷和甲烷磺酸的摩爾比為1∶1∶16∶2.3～2.4。

所述含有側基的雙酚化合物的結構式為：

其中可以是以下任意一種或者多種：

所述對鹵苯甲腈優選對氟苯甲腈或對氯苯甲腈。

含側基和醚鍵的二酸單體的合成反應式如下：

聚合反應式如下：

一種含側基和醚鍵的聚苯并咪唑的應用，用于制備燃料電池質子傳導膜。

所述的制備燃料電池質子傳導膜，可以用含側基和醚鍵的聚苯并咪唑溶于有機試劑制膜；還可以用含側基和醚鍵的聚苯并咪唑與磺化聚醚醚酮通過溶液共混制膜。