[发明专利]侧链型聚苯醚酮/砜聚合物膜

说明书

本发明公开了一种侧链型磺化聚苯醚酮/砜聚合物膜及其合成方法，属于氢氧及甲醇燃料电池的领域。合成方法如下：（1）亲核缩聚反应合成高分子聚合物；（2）去甲基化反应生成酚羟基型聚合物；（3）后磺化反应引入侧链型磺酸基团。本发明制得的质子交换膜具有较好的机械强度和化学稳定性，合成工艺简单，磺化度稳定，燃料电池性能优异等特点。

技术领域

本发明属于燃料电池膜材料领域，具体涉及一种侧链型磺化聚苯醚酮/砜聚合物膜及其合成方法。

背景技术

能源短缺、环境污染已成为全球日益关注的问题，随着人类对能源需求的日益增长，能源短缺问题亟待解决。燃料电池可以将化学能转化为热能，是具有应用前景的清洁能源。质子交换膜作为燃料电池关键部件，直接影响到燃料电池的性能，其开发具有关键意义。磺化型质子交换膜在燃料电池、氯碱工业、膜分离技术和航空航天技术等领域有广泛的用途。

目前被广泛采用的是杜邦公司的Nafion膜。虽然全氟磺酸膜作为商品化的产品具有许多优点，但是高昂的制备工艺，以及较高的甲醇透过率限制了Nafion膜的推广与运用，并且它含有环境污染程度大的氟元素，还对重金属催化剂的依赖性很高，导致其成本大大增加。磺化聚芳醚砜具有良好的热稳定性和较好的质子传导性，但是大多数磺化聚芳醚砜都是无归共聚体系的，要想将电导率控制在一个较高的水平上，就要提高IEC，尺寸稳定性收到挑战。

传统的主链型磺化聚芳醚类聚合物的磺酸基团受限于聚合物的主链,很难形成像Nafion膜那样显著的亲疏水微相分离结构。

发明内容

本发明提供了一种侧链型磺化聚苯醚酮/砜聚合物及其合成方法。

实现本发明的技术方案是：

一种侧链型磺化聚苯醚酮/砜(SPPEK)聚合物膜，其结构式如下：

其中，-Ar₁-代表

-Ar₂-代表

其中，-R＝-H或-OCH₃；

-Ar₃-代表,

-P代表l＝1-10；

m+n＝1,m,n大于0。

上述结构的侧链型磺化聚苯醚酮/砜聚合物膜的合成方法，包括如下步骤：

(1)利用前驱体Ar₁、Ar₂和Ar₃在120～160℃下脱水，再在150～200℃下缩聚反应得到化合物A；

(2)将化合物A在冰浴条件下利用去甲基化试剂去甲基化得到化合物B；

(3)最后在100～150℃条件下将去化合物B与溴代烷烃磺化钠盐前驱体混合反应得到最终产物。

进一步的，步骤(1)中，脱水反应时间为2～3h，缩聚反应时间为6～8h，前驱体Ar₁、Ar₂和Ar₃的摩尔量关系为n_Ar1+n_Ar2＝n_Ar3。

进一步的，步骤(2)中，冰浴反应时间为1～10h，去甲基化试剂包括稀硫酸、稀盐酸、二甲基溴化硼和三氯化铝中任意一种。

进一步的，步骤(3)中，反应时间为1～10h。

进一步的，步骤(1)、步骤(2)和步骤(3)中的反应还需在溶剂下进行，所述的溶剂选自DMF、DMAc、NMP、DMSO中的一种或多种。

上述结构的侧链型磺化聚苯醚酮/砜聚合物膜在燃料电池质子交换膜中应用。