[发明专利]磺化聚吡咙质子传输膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及磺化聚吡咙质子传输膜及其制备方法。

背景技术

质子传导的聚合物电解质膜在目前的燃料电池技术中提供了几个关键的作用。包括为质子传输提供通道，为电极反应提供反应环境，有效的隔离气体或者燃料等。

因此，聚合物电解质膜必须要求具有质子交换的性质，必须具有较高的质子传导性。此外，在电池的操作环境下，膜材料还需要具有优良的机械性能，良好的热稳定性和化学稳定性。目前，典型的商业化的聚合物电解质膜是由Dupont公司生产的Nafion膜，他广泛的应用在了的燃料电池中。但是他却有许多的缺点，首先，在低湿度条件下质子导电率低，不适合用在操作环境高于80℃的燃料电池中，这是由于在此条件下膜将大量的失去水。同时，高的成本和高的燃料透过率大大的限制了他的广泛应用。

因此，开发新型的高性能的聚合物电解质膜材料是一件非常有意义的工作，对于新型的聚合物电解质膜材料，要求膜具有高的质子导电率、优良的热稳定性和化学稳定性，同时，大大的降低甲醇透过率以及提高膜的机械性能也是努力的方向。

对质子交换膜的要求促进了其他类型的膜材料的广泛研究。磺化的芳香族聚合物，如磺化聚砜[P.G.Dinitrova，B.Baradie，D.Foscallo，C.Poinsignon，J.Y.Sanchez，Journal of Membrane Science，2001，185，594]，磺化聚苯醚[K.Miyatake，Y.Chikashige，M.Watanabe，Macromolecules，2003，36，9691]，磺化聚醚醚酮[K.D.Kreuer，Journal of Membrane Science，2001，185，29]，等是研究的比较活跃的几种质子传输膜。但是这几种类型的质子传输膜的磺化度不易确定，膜的机械强度差，质子化程度低；为了提高膜的质子导电率，常常是提高聚合物的磺化度，但是，随着膜的磺化度的增加，吸水率也会大大的增加，结果导致膜高度溶涨失去机械性能无法应用到燃料电池中。磺化聚酰亚胺[J.H.Fang，K.I.Okamoto，Macromolecules，2002，35，9022.]分子间具有较强的作用力，在高的磺化度下还能保持优良的机械性能，具有较高的质子导电率，也受到了广大科学家的关注，但是酰亚胺环在高温下容易水解，大大降低了膜的使用寿命。所有的这些缺点大大的限制了这些类膜材料的广泛应用。因此提高膜的水稳定性(包括水解稳定性、尺寸稳定性、溶解稳定性)以及提高质子导电率成为了发展膜材料的巨大挑战。

聚吡咙属于一类梯形高分子，该聚合物具有优良的热稳定性、化学稳定性、耐溶剂性，同时具有良好的水解稳定性等，是一类潜在的优异的质子交换膜材料，但是较差的溶解性大大的限制了该类材料的广泛应用。

发明内容

本发明的目的是提供磺化聚吡咙质子传输膜，构成该传输膜的聚合物的结构式如下：

其中，R₂为一种基团，它的结构式是下列结构中的任意一个：-、-o-、

其中，R₄为一种基团，它的结构式是下列结构中的任意一个：

本发明优选的构成磺化聚吡咙质子传输膜的聚合物为：

(1)

(2)

其中m不能为0。

(3)

其中n不能为0。

(4)

(5)

其中，m不能为0。

(6)

；其中n不能为0。

下面介绍本发明的磺化聚吡咙质子传输膜制备方法的步骤和条件。

使用材料为：

(a)单体1是如下结构的磺化二酐：

(b)单体2是具有如下结构的芳香四胺中的任意一种：

(c)单体3是具有如下结构的磺化四胺：

(d)单体4是具有如下结构的二酐中的任意一种：

(1)磺化聚吡咙的制备