[發(fā)明專利]一種高強(qiáng)度堿性陰離子聚合物交聯(lián)膜及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011577765.3
• 申請(qǐng)日: 2020-12-28
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112759778B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-10-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 莊林;胡梅雪;彭漢青
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 武漢大學(xué)
• 主分類號(hào): C08J5/22
• 分類號(hào): C08J5/22;C08J3/24;C08L65/00;H01M8/103;H01M8/1067;H01M8/1072
• 代理公司: 武漢科皓知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 楊宏偉

本發(fā)明公開(kāi)了一種高強(qiáng)度堿性陰離子聚合物交聯(lián)膜及其制備方法，首先合成具有不同官能團(tuán)側(cè)鏈的聚合物；其次將獲得改性后的聚合物分別溶解于有機(jī)溶劑中配成一定濃度的膜溶液；最后將兩種膜溶液在常溫條件下進(jìn)行充分混合，得到均勻的混合膜溶液置于合適的高溫條件下進(jìn)行熱交聯(lián)成膜，即得到高強(qiáng)度的堿性陰離子聚合物交聯(lián)膜。本發(fā)明采用間接交聯(lián)的方法，獲得高機(jī)械強(qiáng)度的堿性陰離子聚合物膜，采用間接的化學(xué)交聯(lián)方法，通過(guò)該方法得到的堿性陰離子聚合物交聯(lián)膜，具有高的機(jī)械強(qiáng)度和優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性。這一類堿性陰離子聚合物交聯(lián)膜以其優(yōu)異的物理化學(xué)性能，其應(yīng)用于堿性聚合物膜燃料電池中具有良好的電池性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于材料領(lǐng)域，涉及一種離子聚合物膜制備技術(shù)，具體涉及一種高強(qiáng)度堿性陰離子聚合物交聯(lián)膜的制備方法。

背景技術(shù)

21世紀(jì)是能源的世紀(jì)。如何高效，綠色的利用能源是可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要話題。燃料電池作為繼火電、水電、核電之后的第四代發(fā)電方式，是能源利用的一個(gè)重要方式。被譽(yù)為21世紀(jì)清潔、高效的動(dòng)力源，受到人們廣泛的關(guān)注，燃料電池技術(shù)近些年也在飛速地發(fā)展。質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，應(yīng)用到車載動(dòng)力體系。層出不窮的燃料電池汽車，客車等逐漸進(jìn)入大眾的視野。但是這類燃料電池強(qiáng)酸性的條件只能依賴貴金屬如Pt作為催化劑，而且隔膜材料全氟磺酸膜造價(jià)昂貴，一直是制約這類燃料電池發(fā)展的重要因素。相比之下，堿性陰離子聚合物膜燃料電池具有極大優(yōu)勢(shì)。堿性的工作環(huán)境既可以擺脫對(duì)貴金屬的依賴，陰離子聚合物膜的制備也具有廉價(jià)和多樣化的特點(diǎn)。

經(jīng)過(guò)這近二十年的發(fā)展，堿性陰離子聚合物膜已經(jīng)形成了一個(gè)基本完整的體系。追求在高溫強(qiáng)堿下穩(wěn)定的主鏈以及穩(wěn)定的陽(yáng)離子結(jié)構(gòu)是目前大家普遍關(guān)注的。但是除了材料的化學(xué)穩(wěn)定性之外，優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度也是電池長(zhǎng)壽命的保障。開(kāi)發(fā)一類化學(xué)穩(wěn)定性好，而且具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性的堿性陰離子聚合物膜，成為了未來(lái)堿性陰離子聚合物膜燃料電池發(fā)展的一個(gè)重大挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，本發(fā)明為了獲得高機(jī)械強(qiáng)度的堿性陰離子聚合物膜，采用間接的化學(xué)交聯(lián)方法，將含不同官能團(tuán)側(cè)鏈的兩條聚合物鏈?zhǔn)褂没瘜W(xué)鍵連接起來(lái)，達(dá)到化學(xué)交聯(lián)效果，可以有效限制聚合物膜的尺寸變化，提高聚合物膜的機(jī)械強(qiáng)度。通過(guò)這種化學(xué)交聯(lián)得到的堿性陰離子聚合物交聯(lián)膜，具有高的機(jī)械強(qiáng)度和優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性。這一類堿性陰離子聚合物交聯(lián)膜以其優(yōu)異的物理化學(xué)性能，在未來(lái)很有望應(yīng)用于堿性聚合物膜燃料電池，滲透，二氧化碳電還原，堿性水體系水電解等領(lǐng)域。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種高強(qiáng)度堿性陰離子聚合物交聯(lián)膜的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1、將芳基哌啶共聚物A與第一烷基化劑反應(yīng)，得到具有短側(cè)鏈的中間聚合物B，所述第一烷基化劑為二鹵代物；

步驟2、將芳基哌啶共聚物A與第二烷基化劑反應(yīng)，得到胺基短側(cè)鏈的中間聚合物C，所述第二烷基化劑為叔胺化鹵代物；

步驟3、將步驟2中得到的中間聚合物C與堿液進(jìn)離子交換反應(yīng)得到中間聚合物D；

步驟4、將步驟1中的得到的中間聚合物B與胺基化劑反應(yīng)，得到具有叔胺短側(cè)鏈的中間聚合物E；

步驟5、將步驟1中得到的中間聚合物B與中間聚合物C、中間聚合物E或中間聚合物D進(jìn)行側(cè)鏈交聯(lián)反應(yīng)得到高強(qiáng)度堿性陰離子聚合物交聯(lián)膜。

具體的，本發(fā)明還提供一種芳基哌啶共聚物A的制備方法，包括以下步驟：

將聯(lián)苯和哌啶酮利用有機(jī)溶劑溶解，在水浴條件下加入三氟甲磺酸與三氟乙酸的混合酸，產(chǎn)物在碳酸鉀溶液中沉淀，并用去離子水充分洗滌，在烘箱中干燥，得到初始聚合物原料PPP。

將初始聚合物原料PPP利用吡咯烷酮溶解，之后加入一定量的碘甲烷反應(yīng)，得到季銨化的聚合物，反應(yīng)完成后在乙醚中沉淀得到黃色的粉末狀固體，用乙醚反復(fù)洗滌沉淀。得到部分季銨化的離子聚合物QAPPP，即為芳基哌啶共聚物A。