[发明专利]磺化芳族聚合物/侧链含磺酰亚胺基芳族聚合物共混离子交换膜、其制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明属于高分子材料领域，具体涉及一种磺化芳族聚合物/侧链含磺酰亚胺基芳族聚合物共混离子交换膜、其制备及应用。所述复合膜具有电导率高、离子选择性强、机械强度高等优点，可应用于燃料电池、解制备装置、氯碱工业、电渗析、化学催化、污水处理、海水淡化等领域。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种新型能源转换装置，具有高能量转化效率、高能量密度、清洁无污染等突出优点，作为新一代能源被广泛应用，例如可用作交通工具动力系统、可移动小型供电系统、电子设备的不间断电源，也可用作军事、医疗、娱乐场所等的应急电源等，因此应用前景广阔，市场潜力巨大。

离子交换膜作为燃料电池的核心组件，同时起到分隔燃料和氧化剂、传导质子的双重作用。正是由于这种重要需求，高性能离子交换膜作为新能源材料，在近十多年来引起科技界大力关注。另外，高性能离子交换膜还在许多传统领域，诸如电解制备装置、氯碱工业、电渗析、气体分离等具有其它材料不可替代的作用。

近年来，以芳香族聚合物为主链的离子交换膜越来越引起科学家们的兴趣，它们不仅成本低、易大规模生成，而且环境污染相对较小，是离子交换膜研究的热点之一。公开号为CN102336923A的中国专利申请公开了一种侧链含氟磺酸芳香族聚合物离子交换膜，该离子交换膜成本低、工艺简单、处理效果好，易于实现市场化。公开号为CN101864163A的中国专利申请公开了一种磺化聚醚醚酮基复合质子交换膜，该复合质子交换膜具有较高的电导率，比Nafion膜更低的甲醇渗透率。公开号为CN102110823A和CN101057357A的专利申请也分别提出了聚芳香族类聚合物和芳香族烃类聚合物作为离子交换膜的研究。这些通过荷电剂来引进离子基团的聚合物，其合成与应用的研究进展不断公开发表，它的应用领域也越来越广，除了在燃料电池有所应用外，污水处理、海水淡化、气体干燥等也引起人们的关注。

磺酰亚胺是一种超强酸且导电性能不依靠水的存在，在芳香族聚合物侧链上引入磺酰亚胺基团可以在不提高离子交换容量的情况下，增加聚合物膜的质子电导性。因此，侧链含有磺酰亚胺的芳香族聚合物作为离子交换膜是非常具有前途的，但是有关其的研究却鲜有报道。

发明内容

本发明的技术目的是针对目前芳香族聚合物离子交换膜的导电率有待提高的技术现状，提出一种磺化芳族聚合物/侧链含磺酰亚胺基芳族聚合物共混离子交换膜、其制备方法及应用，该类共混离子交换膜具有较高的导电率。

本发明实现上述技术目的所采用的技术方案为：一种磺化芳族聚合物/侧链含磺酰亚胺基芳族聚合物共混离子交换膜，以侧链含磺酰亚胺基芳族聚合物，即侧链含磺酰亚胺基团的芳族聚合物为基体，在其中共混磺化芳族聚合物，按照质量百分比计，所述的磺化芳族聚合物占侧链含磺酰亚胺基芳族聚合物的5%~200%。

所述的芳族聚合物包括但不限于聚联苯、聚砜、聚苯并咪唑、聚芳醚酮、聚醚砜、聚芳砜、聚醚酮、聚醚醚酮、聚苯醚、聚苯硫醚、聚芳香酰胺、聚芳香酰亚胺，以及聚联苯的衍生物、聚砜的衍生物、聚苯并咪唑的衍生物、聚芳醚酮的衍生物、聚醚砜的衍生物、聚芳砜的衍生物、聚醚酮的衍生物、聚醚醚酮的衍生物、聚苯醚的衍生物、聚苯硫醚的衍生物、聚芳香酰胺的衍生物、聚芳香酰亚胺的衍生物中的任意一种或几种的混合物。

所述的磺酰亚胺基团的分子式为R₁SO₂NMSO₂R₂，结构如下所示。

其中，n表示重复单元数，为正整数；R₁、R₂为烷基、全氟烷基、全氟醚基或芳香基的链式结构；M为H⁺或者金属离子，包括但不限于H⁺、Li⁺、Na⁺、K⁺、Ca⁺、Mg²⁺、Fe³⁺、Cu²⁺等。