[发明专利]一种阳离子聚合物、制备方法及阴离子交换膜、制备方法

说明书

技术领域

本发明属于阴离子交换膜技术领域，具体涉及一种阳离子聚合物，同时还涉及该阳离子聚合物的制备方法及使用该阳离子聚合物制备的阴离子交换膜及其制备方法。

背景技术

阴离子交换膜是一类含有固定阳离子基团，对阴离子具有选择透过性的高分子聚合物膜，也称为离子选择透过性膜。阴离子交换膜由三个部分构成：带固定基团的聚合物主链即高分子基体(也称基膜)、荷正电的活性基团(即阳离子)以及活性基团上可以自由交换和迁移的阴离子。

阴离子交换膜具有非常广泛的应用，它是分离装置、提纯装置以及电化学组件中的重要组成部分，在氯碱工业、水处理工业、重金属回收、湿法冶金以及电化学工业等领域都起到举足轻重的作用。近年来，随着新型化学电源的发展，阴离子交换膜作为电池隔膜在液流储能电池、碱性阴离子交换膜燃料电池、新型超级电容器等方面的应用也得到关注和研究。在新型电能转换装置中使用的阴离子交换膜不仅起着隔离氧化剂和还原剂的作用，而且还具有离子传导作用。所以阴离子交换膜需要具有较高的离子选择透过性及电导率，同时还应该具有良好的力学强度、柔韧性能，具有较低的膜电阻以及较强的化学稳定性。

阴离子交换膜通常是由含季铵基团的聚合物制备的。传统的含季铵基团的聚合物通常需要先合成聚合物，然后对聚合物上的芳基进行氯甲基化，然后再与三级铵反应将苄基氯转化为季铵基团。如专利CN101274226A公开了一种聚合物阴离子交换膜的制备方法，包括采用主链上含有苯环并且苯环之间有醚键相连的聚合物、金属锌或铝粉末、含氟有机酸(催化剂)与氯甲醚混合后，在20-50℃下搅拌反应2-20h，得粉末状聚合物的氯甲基化产物；向聚合物的氯甲基化产物溶液中通入三甲胺气体，得到氯甲基化产物的季铵化溶液；或者向聚合物的氯甲基化产物溶液中加入液态低级胺得到氯甲基化产物的季铵化溶液；将氯甲基化产物的季铵化溶液涂铸成膜，烘干即得聚合物阴离子交换膜。该制备方法不仅步骤复杂而且季铵基团的引入量难于准确控制，另外氯甲基化过程中通常还需使用具有致癌性的氯甲醚试剂，对环境及工作人员的身体健康危害较大。

更突出的问题是，传统的季铵基团在碱性环境中容易降解，造成季铵基团降解的一个主要原因是基于β-氢的霍夫曼降解反应，降解反应机理如下：

因此，当阴离子交换膜用于碱性燃料电池时，传统的含季铵基团的阴离子交换膜耐碱性水解能力差，远达不到燃料电池领域的耐碱性要求，这被认为是限制碱性燃料电池发展的一个瓶颈性问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种阳离子聚合物，解决现有阳离子聚合物制备的阴离子交换膜机械强度不高、电导率低、耐碱性差的问题。

本发明的第二个目的是提供一种阳离子聚合物的制备方法。

本发明的第三个目的是提供一种使用上述阳离子聚合物制备的阴离子交换膜。

本发明的第四个目的是提供一种阴离子交换膜的制备方法。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：

一种阳离子聚合物，该聚合物的结构式如式I所示：

其中，Q为季铵基团；Ar为主链两端含有芳环的基团；n为10～150的整数。

优选的，所述季铵基团为式II、式III、式IV、式V、式VI所示的基团中的任意一种或多种：

其中，T为-1价的阴离子。

优选的，T为Cl^-、Br^-、OH^-或CF₃SO₃^-。

Ar的结构通式如式8-1或式8-2所示：

其中，R₁为苯基或萘基；R₂为苯基、萘基、氧原子、-CO-、-SO₂-中的任意一种或多种连接成的直链基团。优选的，R₁为苯基或萘基；R₂为苯基、联苯基、萘基、氧原子、-CO-、-SO₂-中的任意一种，或者多个苯环之间通过氧原子、-CO-、-SO₂-中的任意一种或多种连接成的直链基团。Ar中，苯环和/或萘环的个数不超过10个。

优选的，Ar为式1～式6所示基团中的任意一种或多种：

其中，W为-CO-或-SO₂-。