[發明專利]嵌段型磺化聚酰亞胺-聚苯并咪唑質子交換膜材料的合成方法

有效

• 申請號: 201310649112.5
• 申請日: 2013-12-06
• 公開（公告）號: CN103724630A
• 公開（公告）日: 2014-04-16
• 發明（設計）人: 潘海燕;浦鴻汀;江斌;常志宏
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: C08G81/00
• 分類號: C08G81/00;C08G73/18;C08G73/10;C08J5/22;H01M2/16
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 張磊

技術領域

本發明屬于功能高分子材料和電化學技術領域，具體涉及嵌段型磺化聚酰亞胺-聚苯并咪唑質子交換膜材料的合成方法。本發明的質子交換膜材料可應用于燃料電池材料。

背景技術

聚合物電解質膜燃料電池(PEMFC)通過氧化還原反應高效地將化學能轉化成電能，可作為交通運輸、發電站及便攜電源的能量源。在過去30年里，以杜邦公司的Nafion^?為代表的全氟磺酸膜因具有較高的電導率、優異的抗氧化性及化學穩定性而被廣泛使用。然而全氟磺酸膜具有高成本、低尺寸穩定性以及低的力學性能等缺點。近年來，開發高性能、低成本的新型聚合物質子交換膜成為研究的熱點。

磺化聚酰亞胺因其具有優異的機械性能、尺寸穩定性、熱性能以及較好的質子電導率，近年來得到了較廣泛的關注[S.?Faure,?US?Pat?6245881]。然而，磺化聚酰亞胺仍然存在耐水解性能不佳，以及電導率對濕度敏感，高溫下由于膜材料脫水導致電導率急劇下降等缺點，造成磺化聚酰亞胺型質子交換膜還未商業化生成。

聚苯并咪唑(PBI)是一類具有優良性能(如優異的機械性能、尺寸穩定性以及熱性能等)的氮雜環類聚合物。其主鏈上的咪唑基團在無水條件下仍具有傳遞質子的能力。摻雜磷酸之后的PBI具有良好的非水質子導電性能，可以用作中高溫非水質子交換膜，得到了較為廣泛的研究[Li?Qingfeng,?etc,?J.?Applied?Electrochemistry,?31:773-779,?2001]。然而，PBI在摻雜磷酸之后也存在力學性能下降和磷酸在電池運行過程中隨產生的水而流失的問題，從而導致電池使用壽命降低。

基于嵌段型磺化聚酰亞胺-聚苯并咪唑的質子交換膜結合了磺化聚酰亞胺和聚苯并咪唑兩者的優點，既保留了磺化聚酰亞胺低溫高濕度條件下的電導率，又能夠提高高溫低濕度條件下的電導率。磺化聚酰亞胺中磺酸基團與聚苯并咪唑中的咪唑基團之間的氫鍵網絡能夠進一步提高膜的機械性能以及尺寸穩定性[Zhai?Yunfeng,etc.?Journal?of?Power?Sources,?169:?257-264,?2007；Zhang?Haiqiu,etc.?Journal?of?Membrane?Science,?308:?66-74,?2008]。

發明內容

本發明的目的在于提供一種嵌段型磺化聚酰亞胺-聚苯并咪唑質子交換膜材料的合成方法。以克服磺化聚酰亞胺耐水解性能差以及電導率對濕度敏感高溫下電導率急劇下降等缺點。?

本發明選擇以磺化聚酰亞胺和聚苯并咪唑作為嵌段制備嵌段聚合物質子交換膜材料，旨在提高質子交換膜材料在高溫條件下的電導率。

化學反應過程如下：

其中磺化二胺為4,4'-二氨基二苯基-2,2'-二磺酸、4,4'-二氨基-3,3'-二甲基二苯甲烷-2,2'-二磺酸、4,4'-二氨基-2,2',3,3'-二甲基二苯甲烷-2,2'-二磺酸、4,4'-二氨基-2,2'-二甲基聯苯-2,2'-二磺酸、4,4'-二氨基-3,3'-二甲基聯苯-2,2'-二磺酸、4,4'-二氨基聯苯-3,3'-二磺酸、2,6'-二氨基-1,3,5-三甲基苯磺酸、3,5-二氨基苯磺酸、4,4'-二氨基二苯醚-2,2'-二磺酸、3,4'-二氨基二苯醚-2,3'-二磺酸、4,4'-二氨基-1'',3''二苯氧基苯-5''-磺酸、3,3'-二氨基-1'',3''-二苯氧基苯-5''-磺酸、9,9'-雙(4-氨基苯基)芴-2,7'-二磺酸、4,4'-二氨基-4'',4'''-二苯氧基聯苯-3'',3'''-二磺酸、4,4'-二氨基-4'',4'''-二苯氧基-二苯基異丙烷-5'',5'''-二磺酸或4,4'-二氨基-1'',4''-二苯氧基-苯-2''-磺酸等中任意一種，但不僅限于此。