[发明专利]一种聚电解质、离子交换膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种聚电解质、离子交换膜及其制备方法，属于功能高分子领域，本发明将芳香族聚合物、阳离子化试剂及三氟甲基磺酸加入反应器中，在20~100℃搅拌反应1~24小时，然后将反应液缓慢滴入水中并用水洗涤至pH接近中性，收集沉淀并干燥，得到聚电解质。本发明所提供的聚电解质所含的阳离子基团完全在芳香族聚合物的侧链，与聚合物主链上的芳醚键间的距离较远，从而避免了传统的氯甲基化法或溴化甲基化法所引起的聚合物耐碱性变差的问题，同时本发明所提供的聚电解质能得到很高的离子交换容量，而不会存在交联等副反应；本发明所提供的制备聚电解质的方法相对于已有的氯甲基化法或溴化甲基化法，步骤简单，且避免了氯甲醚等致癌性试剂的使用。

技术领域

本发明属于功能高分子领域，具体涉及一种聚电解质、离子交换膜及其制备方法。

背景技术

阴离子交换膜在重金属回收、湿法冶金、水处理、食品加工等传统工业中已经有着广泛的应用。近年来，随着清洁能源的发展，阴离子交换膜在电化学能量转换系统如碱性燃料电池、水电解产氢等领域中的应用也引起了越来越多的兴趣。这些新兴的应用领域要求阴离子交换膜具有更高的电导率、更好的力学、热学和化学稳定性。芳香族聚合物例如聚苯醚、聚芳醚砜、聚芳醚酮等作为工程塑料具有优良的力学、热学和化学稳定性，因此是很有潜力的制备阴离子交换膜的基体材料。目前制备基于这些芳香族聚合物的阴离子交换膜的常用方法有氯甲基化法和溴化甲基化法。例如，徐铜文(Journal of Membrane Science，2001，190：159-166)等先对聚苯醚上的芳甲基进行溴化，然后再与三级铵反应将苄基溴转化为季铵基团，最后制备得到阴离子交换膜。这种方法使用的溴素是有毒物质，并且由于反应在较高的温度下进行，需要使用高沸点有毒溶剂氯苯；Shuang Gu(ChemSusChem，2012，5：843-848)等使用多聚甲醛、三甲基氯硅烷及路易斯酸先对聚苯醚上的苯环进行氯甲基化改性，再制备阴离子交换膜，但该过程具有通常氯甲基化过程的缺点如氯甲基化程度不高、易交联、反应时间长、反应过程中直接使用或原位产生的氯甲醚试剂具有致癌性等。另外，氯甲基化法和溴化甲基化法引入的季铵基团通常与聚合物主链间隔很近，从而导致聚合物主链上的二芳醚键易受氢氧根的进攻，耐碱稳定性显著变差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种聚电解质、离子交换膜及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种聚电解质，其特征在于：其化学结构通式如式1所示：

其中，n代表聚合度，为10～400的整数；x代表平均每个Ar¹单元上的侧基G的数目，为1％～800％，G为季铵盐基团或咪唑盐基团。

优选地，所述季铵盐基团如式2所示，所述咪唑盐基团如式3所示：

其中，B为负一价的阴离子或阴离子基团，为Cl^―、Br^―、F^―、OH^―、CF₃SO₃―中的一种。

优选地，Ar¹为式4～式12所示的连接基团中的一种；

其中，R为氢、甲基或苯基。

优选地，Ar²为空或式13～式15所示的连接基团中的一种；

优选地，Ar³为式16～式19所示的连接基团中的一种；