[发明专利]新型聚合物及其制备方法

说明书

本发明的实施方式涉及一类新型聚合物，其与已知聚合物相比具有优异的机械性能和化学稳定性。这些聚合物特别适用于阴离子交换膜(AEM)，包括在燃料电池中使用的那些阴离子交换膜。还描述了制造这些聚合物的新方法。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年11月18日递交的共同未决的美国临时专利申请第62/081,144号的权益，将其如同完全引述一样并入本文。

背景技术

碱性交换膜或阴离子交换膜(AEM)允许在电化学反应中从阴极至阳极输送阴离子(例如OH^-、Cl^-、Br^-)。AEM是AEM燃料电池的关键组件，AEM燃料电池中使用氢气和氧气来发电，水作为副产物。AEM也用于水电解，其中利用电将水分解为氢气和氧气。在AEM燃料电池和水电解中，氢氧根离子(OH^-)与水分子一起输送通过AEM。AEM也可以用于例如蓄电池、传感器和作为致动器(actuator)。

已知的AEM通常不适用于AEM燃料电池或水电解。许多商业上可获得的AEM基于聚苯乙烯，这对于AEM燃料电池或水电解通常被认为是差的选择。

其他AEM材料包括聚砜、聚(苯醚)、聚(苯撑)、聚(苯并咪唑)、聚(亚芳基醚酮)和聚(亚芳基醚砜)。这些聚合物在中链(mid-chain)中含有亚芳基醚键(-O-)，在侧链中含有苄基三甲基铵基团。然而，这种组合已被发现在化学上不稳定，并且在高碱性条件下容易降解。特别地，已知的聚亚芳基(polyarylene)将在聚合物主链中包含醚键，因为它们通常通过二醇单体和二卤化物单体之间的碱性缩合反应合成，该反应产生作为副产物的氯化氢。

此外，涉及制造这些聚合物的氯甲基化反应需要使用有毒试剂、反应时间长和深入的优化，才能达到所需的官能度。在长反应时间内经常发生副反应(例如凝胶化)，使得难以实现高于2.5mequiv(毫当量)/g的离子交换容量(IEC)。

发明内容

在一个实施方式中，本发明提供了一种形成聚合物的方法，所述方法包括：在强酸的存在下，使芳香族化合物和三氟烷基酮反应以形成溴烷基化前体聚合物；和使所述溴烷基化前体聚合物与三烷基胺和氢氧化钠反应以形成主链不含醚键的聚亚芳基。

在另一个实施方式中，本发明提供了一种式I所示的聚合物，

(式I)，其中，Ar是芳香族化合物，r为100至1,000,000，R²是R是烷基，且n为1至20。

在又一个实施方式中，本发明提供了式III的聚合物(式III)，其中，Ar是芳香族化合物，R是r为100至1,000,000，且m为0至20。

附图说明

根据对本发明各方面的下述详细描述，并结合描绘本发明各实施方式的附图，更容易理解本发明的上述特征和其他特征，所述附图中：

图1显示了根据本发明实施方式的3种示例性溴烷基化前体聚合物的¹H和¹⁹F NMR谱；

图2显示了根据本发明实施方式的3种示例性聚亚芳基的¹H和¹⁹F NMR谱；

图3显示了碱稳定性测试前后图2的3种聚亚芳基的¹H NMR谱；

图4显示了碱稳定性测试前后图2的3种聚亚芳基之一的¹H NMR谱；和

图5显示了(a)本发明的实施方式3种聚亚芳基的应力和应变曲线，和(b)3种聚亚芳基之一的H₂/O₂极化、高频电阻和功率密度曲线。