[发明专利]含磺酸基的交联聚苯并咪唑薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种聚苯并咪唑薄膜及其制备方法，特别涉及一种含磺酸基的交联聚苯并咪唑薄膜及其制备方法。 

背景技术

聚苯并咪唑作为芳杂环聚合物的一种，具有非常优良的耐热性、耐低温性、自润滑性、耐辐射性、耐水解性以及阻燃耐烧蚀等特性，同时也具有非常优良的力学性能和介电性能等，特别适合作为耐高温纤维、粘合剂和结构材料及功能材料，已成功地应用于中、高超音速飞行器的雷达天线罩、整流罩和尾翼、耐烧蚀涂层、印制线路板、宇宙飞船耐辐射材料、C级电绝缘材料以及电子和微电子领域的FPC基材等[(a)陆伟峰，虞鑫海.聚苯并咪唑树脂的合成及其应用[J].绝缘材料通讯，2000，5：5-9.(b)Robert R L.Application of high temperature polymers[J].CRC Press，Inc.，1997：162-177.(c)Ahmad B.，et al，Europ.Polym.J.，2002，38(10)：2119-2124.]。苯并咪唑类化合物还用于构筑复合光引发体系，用于光致抗蚀剂的研究开发[胡建琪，英明友，刘晓亚等.六芳基双咪唑复合光引发体系的研究及其在液态光致抗蚀剂中的应用[J].信息记录材料.2008，9(4)：46-51.]。特别是近年来，聚苯并咪唑作为质子传输功能材料用于聚合物电解质燃料电池(PEPC)，表现出独特的优势，引起了人们的很大兴趣[a)Bouchet R，Miller S，Duclot M，et al.A thermodynamic approach to proton conductivity inacid-doped polybenzimidazole[J].Solid State Ionics，2001，145，69-78.b)Staiti P，Minutoli M J J.Membranes based on phosphotungstic acid andpolybenzimidaazole for fuel application[J].Power Sources，2000，90，231-235.b)Celanese Ventures.Process for producing polymeric films foruse as fuel cells[P].US Patent 6187231，2001-02-13.c)Asensio J A，BorrosS，Gomez Romero.Proton-Conducting Polymers Based on Benzimidazoles andSulfonated Benzimidazoles[J].J.Polym.Sci.：Part A：Polym.Chem.，2002，40，3703-3710.]。 

质子交换膜是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的关键材料之一，在电池中起着传导质子、阻隔阴阳极物料的作用，并与电极复合形成膜电极三合一组件(MEA)，构成PEMFC的核心部件，其性能好坏对电池性能起着至关重要的作用。由于直接甲醇燃料电池(DMFC)是在PEMFC基础上发展起来的，其所采用的电堆结构设计理念及主要材料也是借鉴PEMFC而来。目前，DMFC和PEMFC一样，所普遍采用的质子交换膜材料还都是全氟磺酸系列薄膜，包括美国杜邦公司的Nafion膜(US Pat.4330654)，美国道氏化学(Dow Chemical)公司的Dow膜，日本Asahi Glass公司的Flemion膜等。这类膜具有良好的质子传导性能、化学稳定性及机械性能，用于PEMFC时有较好的表现，但存在使用温度偏低(80℃)，价格昂贵(800美元/m²)的缺点。更为严重的是，它在用于DMFC时存在严重的甲醇渗透，即甲醇在浓差和电渗力的作用下从阳极穿透膜到达阴极，不但浪费了燃料，而且透过的甲醇会在阴极氧化，使阴极产生混合电位，大大降低了电池性能。此外，此类膜在较高浓度及较高温度的甲醇水溶液中长时间使用会产生溶胀(即尺寸稳定性差)，在DMFC运行过程中会导致MEA变形及电催化剂的脱落，进而影响电池稳定性。为此，人们从燃料进样浓度、流速、操作温度、操作压力、MEA流场设计等各方面进行优化，以降低质子交换膜对电池造成的不利影响，但都未能从根本上解决问题。目前，人们已经认识到，能否开发出具有良好阻醇性、质子传导性、尺寸稳定性等综合性能优异的膜材料是DMFC实现商业化的瓶颈所在[谢晓峰(译)，燃料电池技术，化学工业出版社，2004.]。