高季铵含量的交联型聚砜阴离子交换膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了高季铵含量的交联型聚砜阴离子交换膜及其的制备方法，具体为：首先，利用氯甲基化聚砜和3

【技术实现步骤摘要】
高季铵含量的交联型聚砜阴离子交换膜及其制备方法


[0001]本专利技术属于碱性燃料电池阴离子交换膜制备
，具体涉及高季铵含量的交联型聚砜阴离子交换膜，还涉及该交联型聚砜阴离子交换膜的制备方法。

技术介绍

[0002]燃料电池是洁净、高效的新型能源物质，能高效率的将物质化学能转化为电能，且在工作过程中只产生水和少量二氧化碳，具有很好的发展前途。作为第一个实用化的燃料电池，碱性燃料电池使用非铂金属作为催化剂，具有成本低、电极反应速度快和一氧化碳耐受性强等优点。作为其核心部件之一，阴离子交换膜为OH
‑
的传导提供一个通道，同时能有效隔绝燃料气和氧气。
[0003]高性能的燃料电池很大程度上取决于高性能阴离子交换膜的开发，当前，高性能阴离子交换膜的开发面临氢氧根离子传导率、尺寸稳定性和耐碱性难以平衡的突出难题，为了获得高的传导率就要牺牲尺寸稳定性和耐碱性，这将会严重影响了燃料电池的使用寿命。聚砜(PS)是一种主链含有砜基的高性能聚合物，具有优越的抗氧化稳定性、耐热性、耐酸碱腐蚀性等，以PS作为基础材料，在侧链引出链段，键合季铵基团制备一种具有较高季铵基团的季铵化聚砜，同时通过化学交联反应形成一种具有三维网状结构的高季铵含量的聚砜阴离子交换膜，其具有高离子传导率和尺寸稳定性。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供高季铵含量的交联型聚砜阴离子交换膜，解决了传统阴离子交换膜在高质子传导率下尺寸稳定性和耐碱性差的问题。
[0005]本专利技术的另一目的在于提供上述交联型聚砜阴离子交换膜的制备方法。
[0006]本专利技术所采用的技术方案是，高季铵含量的交联型聚砜阴离子交换膜，其结构式为：
[0007][0008]本专利技术所采用的另一技术方案是，高季铵含量的交联型聚砜阴离子交换膜的制备方法，具体按照以下步骤实施：
[0009]步骤1，制备氯甲基化聚砜；
[0010]步骤2，制备末端含有氨基的季铵化聚砜；
[0011]步骤3，制备侧链高季铵含量的线型聚砜膜材；
[0012]步骤4，制备高季铵含量的交联型聚砜膜材；
[0013]步骤5，将交联型聚砜膜材置于1mol/L的NaOH溶液中浸渍24小时，得到高季铵含量的交联型聚砜阴离子交换膜。
[0014]本专利技术的特点还在于，
[0015]步骤1中，具体为：
[0016]将PS溶解在二氯甲烷中，待其溶解后加入催化剂SnCl4，同时用滴液漏斗滴1,4
‑
二氯甲氧基丁烷，在40
‑
60℃的条件下反应24
‑
36h，之后向反应混合液中加入2
‑
4mol/L的稀盐酸，再加入沉淀剂沉淀出产物，静置、分离、洗涤、干燥，得到氯甲基化聚砜。
[0017]步骤2中，具体为：将氯甲基化聚砜溶解在DMF中，之后加入3
‑
N,N二甲氨基丙胺，在室温下反应24h，反应结束后加入异丙醇沉淀剂进行沉淀，离心、洗涤和干燥，得到季铵化聚砜；
[0018]氯甲基化聚砜、DMF和3
‑
N,N二甲氨基丙胺的质量比为1：50：1.6。
[0019]步骤3中，具体为：将季铵化聚砜用DMSO进行溶解，待其溶解后加入2,3
‑
环氧丙基三甲基氯化铵充分反应24h，结束后用无水乙醇进行沉淀，离心、洗涤和干燥，得到侧链高季铵含量的线型聚砜膜材；
[0020]季铵化聚砜、DMSO和2,3
‑
环氧丙基三甲基氯化铵的质量比为1：55：2.08。
[0021]步骤4中，具体为：将线型聚砜膜材溶于二甲基亚砜中，充分溶解后将温度降至室温，加入戊二醛作为交联剂，之后加入浓硫酸作为催化剂，搅拌均匀，通过溶液浇筑法倒入
表面皿中反应12h，再将混合液在50
‑
60℃的条件下进行干燥，待溶剂脱除后加入蒸馏水进行脱膜处理，最后将薄膜用蒸馏水洗涤3次，得到高季铵含量的交联型聚砜膜材；
[0022]其中，线型聚砜膜材、二甲基亚砜、戊二醛和浓硫酸质量比1：44：1.38：0.075。
[0023]本专利技术的有益效果在于：本专利技术方法所制备的交联型聚砜阴离子交换膜，大幅度提高了阴离子交换膜的离子交换容量和离子传导率，由于季铵基团远离聚砜主链，降低了聚砜主链的吸水溶胀率，提高了尺寸稳定性。同时，通过化学交联形成空间网状结构，增强了阴离子交换膜的密实程度，增加了自由基进入膜内部的阻力，提高了尺寸稳定性和耐碱性，平衡了离子传导率、尺寸稳定性和耐碱性之间的关系。其中，季铵基团含量最高的CPS
‑
QN膜的离子交换容量达到了1.72mmol/g，在25℃和85℃的吸水率达到了38.7％和63.2％，但是相应的吸水溶胀性仅为14.4％和28.4％，氢氧根离子传导率达到了41mS/cm和116mS/cm，在强碱中浸泡600h的传导率保留量达到了83.8％，其在高传导率下保持很好的尺寸稳定性和耐碱性，有望用于燃料电池。
附图说明
[0024]图1是本专利技术方法制备的CPS
‑
QN膜的红外光谱图；
[0025]图2是本专利技术方法制备的CPS
‑
QN膜的吸水率随温度变化曲线图；
[0026]图3是本专利技术方法制备的CPS
‑
QN膜的溶胀率随温度变化曲线图；
[0027]图4是本专利技术方法制备的CPS
‑
QN膜的OH
‑
传导率随温度变化曲线图；
[0028]图5是本专利技术方法制备的CPS
‑
QN膜的离子传导率保留率曲线图。
具体实施方式
[0029]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。
[0030]本专利技术高季铵含量的交联型聚砜阴离子交换膜的制备方法，具体按照以下步骤实施：
[0031]步骤1，制备氯甲基化聚砜(CMPS)；具体如下：
[0032]将PS溶解在二氯甲烷中，待其溶解后加入催化剂SnCl4，同时用滴液漏斗滴1,4
‑
二氯甲氧基丁烷，在40
‑
60℃的条件下反应24
‑
36h，之后向反应混合液中加入2
‑
4mol/L的稀盐酸，再加入沉淀剂沉淀出产物，静置、分离、洗涤、干燥，得到氯甲基化聚砜(CMPS)；
[0033]其中，聚砜、二氯甲烷、1,4
‑
二氯甲氧基丁烷和四氯化锡的质量比为：1：47：1.9：0.58；
[0034]沉淀剂为无水乙醇、甲醇、异丙醇中的任意一种或多种。
[0035]1,4
‑
二氯甲氧基丁烷的制备方法，具体为：将1，4
‑
丁二醇和甲醛混合均匀，在0℃的条件下滴加三氯化磷溶液，滴加结束后，在10℃的条件下反应12h，之后将混合液转移至分液漏斗中分层，将上清液经过无水硫酸镁干燥，得到1,4
‑<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.高季铵含量的交联型聚砜阴离子交换膜，其特征在于，结构式为：2.高季铵含量的交联型聚砜阴离子交换膜的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1，制备氯甲基化聚砜；步骤2，制备末端含有氨基的季铵化聚砜；步骤3，制备侧链高季铵含量的线型聚砜膜材；步骤4，制备高季铵含量的交联型聚砜膜材；步骤5，将交联型聚砜膜材置于1mol/L的NaOH溶液中浸渍24小时，得到高季铵含量的交联型聚砜阴离子交换膜。3.根据权利要求2所述的高季铵含量的交联型聚砜阴离子交换膜的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，具体为：将PS溶解在二氯甲烷中，待其溶解后加入催化剂SnCl4，同时用滴液漏斗滴1,4
‑
二氯甲氧基丁烷，在40
‑
60℃的条件下反应24
‑
36h，之后向反应混合液中加入2
‑
4mol/L的稀盐酸，再加入沉淀剂沉淀出产物，静置、分离、洗涤、干燥，得到氯甲基化聚砜；沉淀剂为无水乙醇、甲醇、异丙醇中的任意一种或多种。4.根据权利要求2所述的高季铵含量的交联型聚砜阴离子交换膜的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，具体为：将氯甲基化聚砜溶解在DMF中，之后加入3
‑
N,N二甲氨基丙胺，在室温下反...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔宗文，邓嘉琪，
申请(专利权)人：陕西国防工业职业技术学院，
类型：发明
国别省市：