[发明专利]咪唑类离子液体掺杂改性磺化聚苯硫醚质子交换膜材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种咪唑类离子液体掺杂改性磺化聚苯硫醚质子交换膜材料及其制备方法。 

背景技术

离子液体是在室温或近于室温下呈液态的由阴阳离子组成的室温熔融盐，具有导电性、难挥发、不燃烧、电化学稳定等优点。因此，将离子液体应用与电化学研究可以减轻放电负荷，作为电解质的使用温度也远远低于熔融盐。 

磺化聚苯硫醚(SPPS)材料因具有高机械强度、优异的热稳定性及化学稳定性成为直接甲醇燃料电池用质子交换膜的重点研究材料。用浓硫酸对聚苯硫醚磺化，将磺酸基团引入到聚苯硫醚的主链上，由于磺酸基亲水相与聚合物骨架上苯环、碳硫键等疏水相的存在，可使得聚苯硫醚材料具有一定的质子传导率，并且聚苯硫醚制备成本较低、耐热稳定性优异能满足燃料电池对质子交换膜材料的要求。但是，这种材料的磺化度(DS，SPPS每100个重复单元所含的磺酸基团数目)会直接影响质子交换膜的性能，因此要选择合适的磺化度来进行掺杂制膜。在磺化聚苯硫醚质子交换膜的方案设计上，通常需要对磺化聚苯硫醚磺化度及改性的方法进行综合考虑，得到最佳的质子交换膜。 

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种咪唑类离子液体掺杂改性磺化聚苯硫醚质子交换膜材料。 

本发明的目的之二在于提供该质子交换膜材料的制备方法。 

一种咪唑类离子液体掺杂改性磺化聚苯硫醚质子交换膜材料，其特征在于该材料的组成及其质量百分含量为： 

磺化聚苯硫醚                  70%～90%；

咪唑类离子液体              0.1%～5%；

制模溶剂                          5%~25%；

所述的磺化聚苯硫醚的结构为： 

所述的咪唑类离子液体的结构为：，式中n=2~7；R’为氢或含1～4个碳原子的烷基；R为含1～4个碳原子的烷基；X为：Cl、Br、I、BF₄或PF₆。

上述的磺化聚苯硫醚的磺化度为57%～80%。 

一种制备上述的咪唑类离子液体掺杂改性磺化聚苯硫醚质子交换膜材料的方法，其特征在于该方法的具体步骤为： 

a. 将不同磺化度的磺化聚苯硫醚溶解在制膜溶剂中，配制成质量百分比浓度为5.0%～35.0%的制膜液；

b. 在步骤a所得的制膜液中加入咪唑类离子液体，70 °C～100 °C下，惰性气氛保护下搅拌10 h～24 h，冷却至室温，抽滤除去不溶物，干燥，即得到咪唑类离子液体掺杂改性磺化聚苯硫醚质子交换膜材料。

上述的咪唑类离子液体掺杂改性磺化聚苯硫醚质子交换膜材料的制备方法，其特征在于所用的制膜溶剂为：N,N-二甲基甲酰胺DMF、N,N-二甲基乙酰胺DMAC或二甲基亚砜DMSO。该咪唑类离子液体名称为：咪唑-1-甲（乙或丙或丁）烷基-3-烷基硅氧基氯（或溴或碘或四氟硼酸或六氟硼酸）盐离子液体。 

本发明所得咪唑类离子液体掺杂改性磺化聚苯硫醚质子交换膜材料经流延或压制成膜，然后在40 °C～90 °C下挥发溶剂，得到湿膜；再将所得湿膜在50 °C ~100 °C下恒温干燥2 h~24 h；或者先在50 °C～70 °C下干燥10 h~12 h，再升温至70 °C～120 °C干燥4 h~10 h，得到咪唑类离子液体掺杂改性磺化聚苯硫醚质子交换膜。 

说明： 

1.磺化聚苯硫醚磺化度（DS）：SPPS每100个重复单元所含的磺酸基团数。根据反应时间的不同，可制备出不同DS的磺化聚苯硫醚。本实施例中，采用DS为57%～80%的SPPS进行咪唑类离子液体掺杂改性，磺化度可通过核磁共振或化学反滴定法测得。

2.使用的咪唑类离子液体的结构通式为 

其中，R'为氢或含1~4个碳原子的烷基；R为含1~4个碳原子的烷基；X^-为无机或有机离子单元，包括：Cl^-、Br^-、I^-、BF₄^-、PF₆^-，n=2～7。