一种强碱性聚芳醚离聚物阴离子交换膜及其制备和应用制造技术

一种强碱性聚芳醚离聚物阴离子交换膜，其特征在于：所述强碱性聚芳醚离聚物阴离子交换膜的材料为含芳基侧链离子基团的强碱性聚芳醚离聚物；所述含芳基侧链离子基团的强碱性聚芳醚离聚物具有式（一）所示结构：其中，Ar1为H、或R为CH3、或具有式a～d任一种所示结构：n为50～200的整数。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术属于阴离子交换膜
，公开了一种含芳基侧链离子基团的强碱性聚芳醚离聚物阴离子交换膜及其制备方法和在碱性燃料电池中的应用。本专利技术阴离子交换膜的材料为含芳基侧链离子基团的强碱性聚芳醚离聚物，结构中有多个离子基团，且远离膜材料的主链骨架，提高材料机械和化学稳定性，大大增强膜导离子率，在室温离子导电率为0.01～0.05S/cm，80℃导离子率为0.03～0.12S/cm，室温吸水率在22.1～81.1%，溶胀率在7.8～41.4%之间，拉伸强度为15.1～48.9MPa，克服了现有聚芳醚类阴离子交换膜化学稳定差，离子电导率低的特点，在燃料电池碱性离子交换膜领域具有广阔的应用前景。【专利说明】一种强碱性聚芳醚离聚物阴离子交换膜及其制备和应用
本专利技术属于阴离子交换膜
，特别涉及一种含芳基侧链离子基团的强碱性聚芳醚离聚物阴离子交换膜及其制备方法和在碱性燃料电池中的应用。
技术介绍
燃料电池是一种电化学设备，它可以不经过燃烧直接以电化学方式高效地将化学能转化成电能。质子交换膜燃料电池(PEMFC)以能量转化效率高、环境友好、可在室温下快速启动、无电解液流失、寿命长、比功率和比能量高等突出特点，成为近年来发展最快的一类燃料电池，但是昂贵的稀有金属催化剂和全氟质子交换膜、催化剂钼一氧化碳中毒的问题等因素阻碍PEMFC大规模商业化。与质子交换膜燃料电池相比，碱性阴离子交换膜燃料电池(AEMFC)有如下优势:可加快燃料氧化速度、降低甲醇渗透率，而且由于在碱性环境中运行，不存在反应中间产物使电极催化剂中毒，并可以使用Ni，Co等非贵重金属作为阳极催化剂，从而降低成本。阴离子交换膜是AEMFC的关键组成部分，目前阴离子交换膜仍存在电导率低，化学稳定性不好等问题。Lafitte 等(B.Lafitte and P.Jannasch, Adv.Funct.Mater.，2007, 17，2823-2834.)报道指出在离子基团在聚合物主链上时，为了达到较高的电导率的主要通过提高离子传输通量，这往往会导致膜材料的过度吸水和溶胀从而丧失了机械性能。Y.Yan 等(Yin, Y.，et al.Journal of Polymer Science Part A:PolymerChemistry2005,43, 1545-1553.)报道在聚芳醚侧链上引入脂肪基离子基团可以提高膜的亲水结构与憎水结构的微相分离，使得电导率得到提高。聚芳醚因其卓越的热稳定性、机械性能、耐腐蚀性能，在燃料电池应用领域受到广泛关注，是制备阴离子交换膜的优良母体材料。现已开发的碱性聚芳醚离聚物材料大多是聚合物主链上引入离子基团，受限于线性分子结构，低离子化的碱性聚芳醚离聚物离子电导率偏低，高度离子化的碱性聚芳醚离聚物膜则丧失机械性能，总体碱稳定性不好。即使在碱性聚芳醚离聚物材料引入长序列结构实现了亲水相和疏水相的分离，增强了交换膜的离子电导率和碱稳定性，但对碱性聚芳醚离聚物材料机械性能的改善并不理想。或者借助交联工艺提高膜的机械性能，但要以牺牲膜的离子电导率为前提。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点与不足，本专利技术的首要目的在于提供一种含芳基侧链离子基团的强碱性聚芳醚离聚物阴离子交换膜。该阴离子交换膜材料在侧链上引入芳甲基作为功能化基团前体，可以使离子化基团远离主链骨架，提高了膜材料主链化学稳定性，降低膜材料的吸水率和溶胀度，提高膜的尺寸稳定性。所得的阴离子交换膜热稳定性高，机械性能良好，具有良好的导电性、高导离子率，在高温或浓碱下均有很好的化学稳定性，克服了现有聚芳醚类阴离子交换膜在碱性环境不稳定，吸水率高，电导率低的特点。本专利技术另一目的在于提供一种上述含芳基侧链离子基团的强碱性聚芳醚离聚物阴离子交换膜的制备方法。该方法工艺过程简单，反应时间短且避免使用致癌性试剂，反应原料易得，步骤简单，产率高。本专利技术再一目的在于提供上述含芳基侧链离子基团的强碱性聚芳醚离聚物阴离子交换膜在碱性燃料电池中的应用。本专利技术的目的通过下述方案实现:一种含芳基侧链离子基团的强碱性聚芳醚离聚物阴离子交换膜，该交换膜的材料为含芳基侧链离子基团的强碱性聚芳醚离聚物。所述含芳基侧链离子基团的强碱性聚芳醚离聚物具有式(一)所示结构:【权利要求】1.一种强碱性聚芳醚离聚物阴离子交换膜，其特征在于:所述强碱性聚芳醚离聚物阴离子交换膜的材料为含芳基侧链离子基团的强碱性聚芳醚离聚物； 所述含芳基侧链离子基团的强碱性聚芳醚离聚物具有式(一)所示结构: 2.一种根据权利要求1所述的强碱性聚芳醚离聚物阴离子交换膜的制备方法，其特征在于包括以下具体步骤: (1)溴甲基化:将含甲基取代芳基侧链的聚芳醚溶解在极性溶剂中，加入N-溴代琥珀酰亚胺和偶氮二异丁腈，加热反应，冷却后醇沉，过滤、洗涤，得到溴甲基化聚芳醚； (2)离子化:将步骤(1)得到的溴甲基化聚芳醚配成溶液，在平板玻璃上浇铸成膜，浸泡于离子化试剂反应，洗涤，得到离子化聚芳醚膜； (3)碱化:将步骤(2)得到的离子化聚芳醚膜在碱液中浸泡，洗涤至中性，得到含芳基侧链离子基团的强碱性聚芳醚离聚物阴离子交换膜。3.根据权利要求2所述的强碱性聚芳醚离聚物阴离子交换膜的制备方法，其特征在于:步骤(1)中所用的含甲基取代芳基侧链的聚芳醚、N-溴代琥珀酰亚胺和偶氮二异丁腈摩尔比为1: (2~5): (0.1~0.25);所述极性溶剂为N，N-二甲基乙酰胺、环丁砜、N-甲基吡咯烷酮、1，I, 2，2-四氯乙烷或二甲基亚砜。4.根据权利要求2所述的强碱性聚芳醚离聚物阴离子交换膜的制备方法，其特征在于:步骤(1)中所述加热反应的条件为80~85°C反应2~6h ;步骤(2)中所述配成溶液指把溴甲基化聚芳醚溶解于极性溶剂中，得到浓度为7~10wt%的溶液；所述的反应指在30°C下浸泡24~48h ;所述的离子化试剂为三甲胺水溶液、三乙胺水溶液或N-甲基咪唑水溶液；步骤(3)中所述碱液为氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液；所述浸泡的时间为24~48h。5.根据权利要求2所述的强碱性聚芳醚离聚物阴离子交换膜的制备方法，其特征在于:所述含甲基取代芳基侧链的聚芳醚具有以下结构: 6.根据权利要求2所述的强碱性聚芳醚离聚物阴离子交换膜的制备方法，其特征在于:所述含甲基取代芳基侧链的聚芳醚由以下方法制备得到: 将含甲基取代芳基侧基的4，4’ - 二氟苯砜单体与双酚单体按1:1的摩尔比投入溶剂中，加热反应后，冷却至室温，滴至含有盐酸的甲醇溶液中，得到白色絮状物，过滤，得到含甲基取代芳基侧链的聚芳醚。7.根据权利要求6所述的强碱性聚芳醚离聚物阴离子交换膜的制备方法，其特征在于:所述的含甲基取代芳基侧基的4，4’ - 二氟苯砜单体指3，3’ - 二(4’ -甲基苯基)-4，4’ - 二氟苯砜、3，3’，5，5’ -四(4’ -甲基苯基)_4，4’ - 二氟苯砜、3，3’ -二(间二甲基-苯基)-4，4’ - 二氟苯砜和3，3’，5，5’ -四(间二甲基-苯基)-4，4’ - 二氟苯砜中的至少一种。8.根据权利要求6所述的强碱性聚芳醚离聚物阴离子交换膜的制备方法，其特征在于:所述的双酚单体指联苯双酚、2，2-二(4-羟基苯基)丙烷(双本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种强碱性聚芳醚离聚物阴离子交换膜，其特征在于：所述强碱性聚芳醚离聚物阴离子交换膜的材料为含芳基侧链离子基团的强碱性聚芳醚离聚物；所述含芳基侧链离子基团的强碱性聚芳醚离聚物具有式（一）所示结构：其中，Ar1为H、或R为CH3、或具有式a～d任一种所示结构：n为50～200的整数。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李秀华，聂光辉，陶进雄，吴文俊，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：