一种聚苯并咪唑-聚硅氧烷嵌段共聚物及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及一种嵌段共聚物领域，尤其是涉及一种聚苯并咪唑‑聚硅氧烷嵌段共聚物及其制备方法与应用。本发明专利技术设计并合成出一种化学键结合的聚苯并咪唑‑聚硅氧烷(PBI‑PDMS)嵌段共聚物。所述嵌段共聚物具有两亲性，所述嵌段共聚物由于是PDMS的软段与PBI的硬段、PDMS的疏水段与PBI的亲水段结合从而形成软‑硬、亲‑疏的相分离结构，通过两种链段的相分离结构构筑质子传输通道，另外，PBI的结构能够容纳更多的磷酸，最终获得高质子电导率、高质子电导率保持率和高储能模量的嵌段共聚物。

【技术实现步骤摘要】
一种聚苯并咪唑-聚硅氧烷嵌段共聚物及其制备方法与应用
本专利技术涉及一种嵌段共聚物领域，尤其是涉及一种聚苯并咪唑-聚硅氧烷嵌段共聚物及其制备方法与应用。
技术介绍
苯并咪唑类聚合物(PBIs)是一类主链结构中含有苯并咪唑环的聚合物，它具有优良的化学稳定性、热稳定性、阻燃性和机械性能等物理化学性质，广泛应用于耐高温织物、防火阻燃材料和工业品过滤材料等。随着燃料电池研究的兴起，常用的全氟磺酸质子交换膜因存在在高温、低湿度条件下质子电导率和力学性能下降等缺陷而不能满足燃料电池在高温、低湿度条件下的运行，研究者们开始寻找和研究新型质子交换膜材料。PBIs由于其优异的化学和热稳定性而受到青睐，研究者们发现，尽管PBIs不导质子，但由于其特定的咪唑环结构使PBIs表现为碱性，与无机酸尤其是磷酸(PA)发生质子化作用形成离子对而出现一定的离子导电性。在高温质子交换膜领域，PBIs基质子交换膜的质子电导率严重依赖于其磷酸掺杂水平(ADL，每摩尔聚合物重复单元中所结合的磷酸摩尔数目)，要使这类膜具有高的质子电导率需要掺入大量的磷酸，这将导致膜的机械性能明显下降，为此需要兼顾质子电导率与机械性能的平衡；另外，较多的磷酸也容易在使用过程中随着阴极产生的水而流失，将降低膜的质子电导率。针对上述问题常规的解决方法有交联，掺入磷酸锆、杂多酸、离子液体等质子载体，或引入SiO2、TiO2、黏土、沸石和蒙脱石等氧化物。现有技术中曾报道过以聚苯并咪唑为聚合物骨架，以三氮唑类离子液体基聚乙烯为交联剂，通过自交联形成交联型高温质子交换膜。但是还是存在诸多不足，因此仍旧存在极大的研究和创新空间。
技术实现思路
研究发现，目前苯并咪唑类聚合物作为质子交换膜材料存在在磷酸掺杂水平较低的条件下获得较高的质子电导率以及磷酸流失导致的电导率下降的问题。而聚硅氧烷(PDMS)是一种具有良好的耐热性和疏水性的聚合物材料。PDMS的玻璃化转变温度低，同时也是一种典型的柔性材料。将PDMS和PBI结合则有助于提高PBI的柔性，利于加工，但是PBI与PDMS的物理结合存在一定的相容性问题。为此，本专利技术设计并合成出一种化学键结合的聚苯并咪唑-聚硅氧烷(PBI-PDMS)嵌段共聚物。所述嵌段共聚物具有两亲性，所述嵌段共聚物由于是PDMS的软段与PBI的硬段、PDMS的疏水段与PBI的亲水段结合从而形成软-硬、亲-疏的相分离结构，通过两种链段的相分离结构构筑质子传输通道，另外，PBI的结构能够容纳更多的磷酸，最终获得高质子电导率、高质子电导率保持率和高储能模量的嵌段共聚物。本专利技术目的是通过如下技术方案实现的：一种嵌段共聚物，所述嵌段共聚物是聚苯并咪唑-聚硅氧烷嵌段共聚物；所述嵌段共聚物是由含羧基的苯并咪唑类聚合物与含双端氨基的聚硅氧烷反应得到的。根据本专利技术，所述含羧基的苯并咪唑类聚合物与含双端氨基的聚硅氧烷的质量比为60-95:40-5。根据本专利技术，所述含羧基的苯并咪唑类聚合物与含双端氨基的聚硅氧烷的摩尔比为1:0.4～1:3。根据本专利技术，所述嵌段共聚物为两嵌段共聚物、三嵌段共聚物或多嵌段共聚物。示例性地，所述嵌段共聚物包括聚苯并咪唑嵌段和聚硅氧烷嵌段，形成聚苯并咪唑嵌段-聚硅氧烷嵌段的两嵌段共聚物。示例性地，所述嵌段共聚物包括聚苯并咪唑嵌段和聚硅氧烷嵌段，形成聚苯并咪唑嵌段-聚硅氧烷嵌段-聚苯并咪唑嵌段的三嵌段共聚物。示例性地，所述嵌段共聚物包括聚苯并咪唑嵌段和聚硅氧烷嵌段，形成聚硅氧烷嵌段-聚苯并咪唑嵌段-聚硅氧烷嵌段的三嵌段共聚物。示例性地，所述嵌段共聚物包括聚苯并咪唑嵌段和聚硅氧烷嵌段，形成聚硅氧烷嵌段-聚苯并咪唑嵌段-聚硅氧烷嵌段-聚苯并咪唑嵌段-……-聚硅氧烷嵌段-聚苯并咪唑嵌段的多嵌段共聚物。示例性地，所述嵌段共聚物包括聚苯并咪唑嵌段和聚硅氧烷嵌段，形成聚苯并咪唑嵌段-聚硅氧烷嵌段-聚苯并咪唑嵌段-聚硅氧烷嵌段-……-聚苯并咪唑嵌段-聚硅氧烷嵌段的多嵌段共聚物。根据本专利技术，所述嵌段共聚物包括如下式(1)所示的结构单元和/或式(2)所示的结构单元：式(1)和式(2)中，X选自不存在、-S-、-O-、卤素取代或未取代的C1-6烷基；n为100-5000之间的整数；R选自卤素取代或未取代的C1-8亚烷基、卤素取代或未取代的C6-20亚芳基；R1为C1-6亚烷基，m＝10～5000之间的整数。根据本专利技术，所述含羧基的苯并咪唑类聚合物选自下述式(II)～式(VI)结构中的至少一种：式(II)～式(VI)中，X、n、R的定义如上所述。根据本专利技术，所述含双端氨基的聚硅氧烷选自如下式(VII)所示的结构：式(VII)中，R1、m的定义如上所述。本专利技术还提供一种质子交换膜，其包括上述的嵌段共聚物。根据本专利技术，所述质子交换膜中还掺杂有磷酸。根据本专利技术，所述磷酸的掺杂水平ADL小于10。本专利技术还提供上述质子交换膜在燃料电池，液流电池等领域中的应用。应该理解，本专利技术的上述技术特征和在下文中具体描述的各个技术特征之间可以相互结合，从而构成新的或优选的技术方案。本专利技术的有益效果：本专利技术提供一种聚苯并咪唑-聚硅氧烷嵌段共聚物及其制备方法与应用，由于PBI与PDMS的化学键结合提高了两者的相容性，并且形成微观相分离结构，促进质子传输通道的形成，最终获得高质子电导率、高质子电导率保持率和高储能模量的嵌段共聚物。具体实施方式[嵌段共聚物及其制备方法]如上所述，本专利技术提出了一种嵌段共聚物，所述嵌段共聚物是聚苯并咪唑-聚硅氧烷嵌段共聚物；所述嵌段共聚物是由含羧基的苯并咪唑类聚合物与含双端氨基的聚硅氧烷反应得到的。具体的，所述嵌段共聚物是由含羧基的苯并咪唑类聚合物中的羧基与含双端氨基的聚硅氧烷中的氨基进行反应得到的。具体的，所述含羧基的苯并咪唑类聚合物与含双端氨基的聚硅氧烷的质量比为60-95:40-5，例如为60:40、65:35、70:30、75:25、80:20、85:15、90:10或95:5。具体的，所述含羧基的苯并咪唑类聚合物与含双端氨基的聚硅氧烷的摩尔比为1:0.4～1:3，例如为1:0.5、1:0.6、1:0.7、1:0.8、1:0.9、1:1、1:1.1、1:1.2、1:1.3、1:1.4、1:1.5、1:1.6、1:1.7、1:1.8、1:1.9、1:2、1:2.1、1:2.2、1:2.3、1:2.4、1:2.5、1:2.6、1:2.7、1:2.8、1:2.9、1:3。具体的，所述嵌段共聚物为两嵌段共聚物、三嵌段共聚物或多嵌段共聚物。示例性地，所述嵌段共聚物包括聚苯并咪唑嵌段和聚硅氧烷嵌段，形成聚苯并咪唑嵌段-聚硅氧烷嵌段的两嵌段共聚物。示例性地，所述嵌段共聚物包括聚苯并咪唑嵌段和聚硅氧烷嵌段，形成聚苯并咪唑嵌段-聚硅氧烷嵌段-聚苯并咪唑嵌段的三嵌段共聚物。示例性地，所述嵌段共聚物包括聚苯并咪唑嵌段和聚硅氧本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种嵌段共聚物，其特征在于，所述嵌段共聚物是聚苯并咪唑-聚硅氧烷嵌段共聚物；所述嵌段共聚物是由含羧基的苯并咪唑类聚合物与含双端氨基的聚硅氧烷反应得到的。/n

【技术特征摘要】
1.一种嵌段共聚物，其特征在于，所述嵌段共聚物是聚苯并咪唑-聚硅氧烷嵌段共聚物；所述嵌段共聚物是由含羧基的苯并咪唑类聚合物与含双端氨基的聚硅氧烷反应得到的。


2.根据权利要求1所述的嵌段共聚物，其特征在于，所述含羧基的苯并咪唑类聚合物与含双端氨基的聚硅氧烷的质量比为60-95:40-5。


3.根据权利要求1或2所述的嵌段共聚物，其特征在于，所述含羧基的苯并咪唑类聚合物与含双端氨基的聚硅氧烷的摩尔比为1:0.4～1:3。


4.根据权利要求1-3任一项所述的嵌段共聚物，其特征在于，所述嵌段共聚物为两嵌段共聚物、三嵌段共聚物或多嵌段共聚物；和/或，
所述嵌段共聚物包括聚苯并咪唑嵌段和聚硅氧烷嵌段，形成聚苯并咪唑嵌段-聚硅氧烷嵌段的两嵌段共聚物；和/或，
所述嵌段共聚物包括聚苯并咪唑嵌段和聚硅氧烷嵌段，形成聚苯并咪唑嵌段-聚硅氧烷嵌段-聚苯并咪唑嵌段的三嵌段共聚物；和/或，
所述嵌段共聚物包括聚苯并咪唑嵌段和聚硅氧烷嵌段，形成聚硅氧烷嵌段-聚苯并咪唑嵌段-聚硅氧烷嵌段的三嵌段共聚物；和/或，
所述嵌段共聚物包括聚苯并咪唑嵌段和聚硅氧烷嵌段，形成聚硅氧烷嵌段-聚苯并咪唑嵌段-聚硅氧烷嵌段-聚苯并咪唑嵌段-……-聚硅氧烷嵌段-聚苯并咪唑嵌段的多嵌段共聚物；和/或，
所述嵌段共聚物包括聚苯并咪唑嵌段和聚硅氧烷嵌段，形成聚苯并咪唑嵌段-聚硅氧烷嵌段-聚苯并咪唑嵌段-聚硅氧烷嵌段-……-...

【专利技术属性】
技术研发人员：莫肇华，李素丽，李俊义，徐延铭，
申请(专利权)人：珠海冠宇电池股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44