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一种支化梳型聚芳醚砜、其制备方法和应用技术

技术编号:18953159 阅读:34 留言:0更新日期:2018-09-15 13:55
本发明专利技术提供了一种支化梳型聚芳醚砜、其制备方法和应用,所述支化梳型聚芳醚砜具有式I结构,支化度为2%~8%;式I中,n选自1~400的整数;R‑如式II所示,x选自7~16的整数。本发明专利技术所述的聚合物具有庞大体积的刚性支化结构,支化度为2%~8%;并且具有不同长度的连接咪唑鎓盐基团和聚合物骨架的柔性烷基侧链。本发明专利技术所述支化梳型聚芳醚砜膜材料表现出良好的离子电导率,更具有出色的碱稳定性和机械性能。同时,该聚合物易于制备,成本较低。因此,本发明专利技术所述支化梳型聚芳醚砜用于碱性阴离子交换膜燃料电池中的膜材料,在实际操作中能很好地满足高性能、耐久性及低成本等要求。

【技术实现步骤摘要】
一种支化梳型聚芳醚砜、其制备方法和应用
本专利技术涉及阴离子交换膜燃料电池
,尤其涉及一种支化梳型聚芳醚砜、其制备方法和应用。
技术介绍
随着全球对替代能源的需求不断增长,燃料电池技术有望成为运输和固定应用中更有前途的环保电源之一,其唯一副产物是水。其中,基于电解质的分类,聚电解质膜燃料电池主要分为质子交换膜燃料电池(PEMFC),以及碱性阴离子交换膜燃料电池(AEMFC)等。在过去的几十年里,行业内对PEMFC进行了深入的研究,但耐用性和成本仍然是两个主要挑战,阻碍了其全球商业化。在这些条件下,碱性阴离子交换膜燃料电池正在吸引越来越多的关注。从技术上来说,两种燃料电池比较相似,但阴离子交换膜材料的使用环境是在碱性条件下,OH-阴离子在碱性阴离子交换膜中从阴极传输到阳极。阴离子交换膜(AEM)中OH-的传输主要通过功能性阳离子官能团周围聚集水分子的纳米区域;通常,阴离子交换膜材料需要满足高性能、耐久性及低成本等要求,因为其性能直接影响燃料电池效率。对于制备高性能的阴离子交换膜,最急需解决的问题包括膜材料需具备高离子电导率以及优异的碱稳定性、机械性能等。目前,研究学者们已经提出了许多可以增强阴离子交换膜材料的OH-离子电导率的方法。最常见的方法就是增加膜材料的离子交换容量(IEC),但是,高IEC值的膜材料的机械性能是一个很大的挑战,因为膜材料的溶胀率随着吸水性的增加而增加。此外,改变聚合物分子结构也是一种方法,其目的是加强亲水/疏水相分离并且增加亲水性区域的连接性,已经制备了柔性侧链、多阳离子基团等聚合物作为阴离子交换膜材料。然而,对于在实际操作中能满足高性能、耐久性及低成本等要求的阴离子交换膜材料,目前并没有相关的报道。
技术实现思路
有鉴于此,本申请提供一种支化梳型聚芳醚砜、其制备方法和应用,本专利技术提供的支化梳型聚芳醚砜作为阴离子交换膜材料,具有良好的离子电导率、优异的碱稳定性及机械性能,并且成本较低,易于制备,能很好地满足高性能、耐久性及低成本等要求。本专利技术提供一种支化梳型聚芳醚砜,具有式I结构;所述支化梳型聚芳醚砜的支化度为2%~8%;式I中,n选自1~400的整数;R-如式II所示,其中,x选自7~16的整数;优选地,所述支化梳型聚芳醚砜的支化度为3%~6%;x选自8~12的整数。本专利技术提供如上文所述的支化梳型聚芳醚砜的制备方法,包括:将式III所示的含羟基支化聚芳醚砜与式IV所示的溴代烷基咪唑鎓盐进行反应,得到式I所示的支化梳型聚芳醚砜;n选自1~400的整数;x选自7~16的整数;优选地,所述含羟基支化聚芳醚砜按照以下步骤制备得到:将双酚AF、带甲氧基双酚芴、4,4’-二氟二苯砜和支化单体进行亲核缩聚反应,得到式V所示的含甲氧基支化聚芳醚砜;将所述含甲氧基支化聚芳醚砜去甲基化,得到式III所示的含羟基支化聚芳醚砜;所述支化单体具有式1结构:优选地,所述溴代烷基咪唑鎓盐由1-甲基咪唑与二溴烷烃Br-(CH2)x-Br反应得到。优选地,所述制备方法具体为:将式III所示的含羟基支化聚芳醚砜、式IV所示的溴代烷基咪唑鎓盐、碳酸钾和碘化钾溶于有机溶剂中进行反应,得到式I所示的支化梳型聚芳醚砜。优选地,所述有机溶剂为二甲基亚砜;所述反应的温度为80~120℃,反应时间为10~14h。本专利技术提供如上文所述的支化梳型聚芳醚砜在制备阴离子交换膜中的应用。本专利技术提供一种燃料电池,包括上文所述的阴离子交换膜。本专利技术提供的支化梳型聚芳醚砜的结构如式I所示,该聚合物具有庞大体积的刚性支化结构,支化度为2%~8%;并且具有不同长度的连接咪唑鎓盐基团和聚合物骨架的柔性烷基侧链。本专利技术所述支化梳型聚芳醚砜膜材料表现出良好的离子电导率,更具有出色的碱稳定性和机械性能。同时,该聚合物易于制备,成本较低。因此,本专利技术所述支化梳型聚芳醚砜用于碱性阴离子交换膜燃料电池中的膜材料,在实际操作中能很好地满足高性能、耐久性及低成本等要求。附图说明图1为本专利技术实施例所制备的不同链长的溴代烷基咪唑鎓盐的核磁谱图;图2为本专利技术实施例所述含甲氧基支化聚芳醚砜的核磁谱图;图3为本专利技术实施例所述含羟基支化聚芳醚砜的核磁谱图;图4为本专利技术实施例4所得支化梳型聚芳醚砜的核磁谱图;图5为本专利技术实施例5所得支化梳型聚芳醚砜的核磁谱图;图6为本专利技术比较例1所得支化梳型聚芳醚砜的核磁谱图;图7为本专利技术比较例2所得支化梳型聚芳醚砜的核磁谱图;图8为比较例1侧链长度为4的BPES-4-Im膜的AFM相图;图9为比较例2侧链长度为6的BPES-6-Im膜的AFM相图;图10为实施例4侧链长度为8的BPES-8-Im膜的AFM相图;图11为实施例5侧链长度为12的BPES-12-Im膜的AFM相图;图12为实施例和比较例所得BPES-x-Im膜不同温度下的吸水率;图13为实施例和比较例所得BPES-x-Im膜不同温度下的静态水接触角;图14为实施例和比较例所得BPES-x-Im膜不同温度下的溶胀率;图15为实施例和比较例所得BPES-x-Im膜的热失重曲线;图16为实施例和比较例所得BPES-x-Im膜的离子电导率随温度变化的曲线图;图17为实施例和比较例所得BPES-x-Im膜的阿伦尼乌斯曲线图;图18为实施例和比较例所得BPES-x-Im膜的离子电导率随时间变化的曲线图;图19为实施例和比较例所得BPES-x-Im膜碱液浸泡后的电导率保持率。具体实施方式下面对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本专利技术保护的范围。本专利技术提供了一种支化梳型聚芳醚砜,具有式I结构;所述支化梳型聚芳醚砜的支化度为2%~8%;式I中,n选自1~400的整数;R-如式II所示,其中,x选自7~16的整数;本专利技术提供的支化梳型聚芳醚砜可以作为高性能的阴离子交换膜材料,其耐久性好,成本低,利于实际操作和大规模化工业生产等。在本专利技术中,所述支化梳型聚芳醚砜的结构如式I所示。该聚合物主链为梳型聚芳醚骨架,具有刚性芳香族结构,含有醚键(C-O-C);该聚合物主链结构稳定性较好。本专利技术所述支化梳型聚芳醚砜具有体积庞大的刚性支化结构,其主要可以增加膜内的自由体积,并且能够发展较好的相分离而促进离子传输通道的形成。本专利技术所述支化梳型聚芳醚砜的支化度为2%~8%,优选为3%~6%。此处,所述支化度指代的是支化结构单体和所有羟基单体但物质的量的比值。本专利技术提供的支化梳型聚芳醚砜含有一定长度碳链的柔性烷基侧链咪唑鎓盐基团,其结构如式II所示。其中,x选自7~16的整数,优选选自8~12的整数。在本专利技术的优选实施例中,所述支化梳型聚芳醚砜的支化度为6%,x为8或12。本专利技术所述聚合物为不同长度柔性烷基侧链咪唑鎓盐型的支化梳型聚芳醚砜,其具有合适的支化度和烷基侧链长度,利于膜材料达到较优的综合性能,易于制备、加工和应用。本专利技术式I中,n为聚合度,可选自1~400的整数。在本专利技术的实施例中,所述支化梳型聚芳醚砜室温下粘度为30-50mPa.s。式I中的弯曲波浪短线具体代表聚合物主链,和已经画出来那段是一样的;本专利技术对支化基团等的连接并本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种支化梳型聚芳醚砜,具有式I结构:

【技术特征摘要】
1.一种支化梳型聚芳醚砜,具有式I结构:所述支化梳型聚芳醚砜的支化度为2%~8%;式I中,n选自1~400的整数;R-如式II所示,其中,x选自7~16的整数;2.根据权利要求1所述的支化梳型聚芳醚砜,其特征在于,所述支化梳型聚芳醚砜的支化度为3%~6%;x选自8~12的整数。3.如权利要求1或2所述的支化梳型聚芳醚砜的制备方法,包括:将式III所示的含羟基支化聚芳醚砜与式IV所示的溴代烷基咪唑鎓盐进行反应,得到式I所示的支化梳型聚芳醚砜;其中,n选自1~400的整数;x选自7~16的整数。4.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述含羟基支化聚芳醚砜按照以下步骤制备得到:将双酚AF、带甲氧基双酚芴、4,4’-二氟二苯砜和支化单体进行亲核缩聚反应,得到式V所示的含甲氧基支...

【专利技术属性】
技术研发人员:王雷刘东黎嘉敏
申请(专利权)人:深圳大学
类型:发明
国别省市:广东,44

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