[发明专利]离子型含POSS嵌段共聚物复合质子交换膜及制备方法

说明书

本发明涉及一种离子型含POSS嵌段共聚物复合质子交换膜及制备方法，其特征在于：组份为70‑99wt％聚合物基体和1‑30wt％离子型含POSS嵌段共聚物；通过相分离法制孔—浸渍、多层刮涂或溶融共混等多种方式，将POSS嵌段共聚物作为功能涂层或共混相与多种商用质子交换膜基体进行复合，制备出多种具有不同微观结构的离子型含POSS嵌段共聚物复合质子交换膜。该方法有效的解决了商用质子交换膜在高温下容易溶胀而导致的尺寸不稳定性或低湿下质子传导率低的问题。具有制备方法普适性强，结构调控性好、操作方便、效率高等优势。

技术领域

本发明属于功能高分子膜技术领域，涉及一种离子型含POSS嵌段共聚物复合质子交换膜及制备方法。

背景技术

由于能源短缺、环境污染，使得寻求绿色环保的可再生能源成为当代人类的主要任务之一。燃料电池(Fuel Cell)是一种将燃料与氧化剂中的化学能直接转化成电能的发电装置。与传统燃料相比，燃料电池不经过燃烧过程，且其能量转换率高且环境污染少，因此，燃料电池具有广阔的应用前景。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)的核心部件是质子交换膜(PEM)，起着隔离两极和传导质子的作用，直接影响电池的性能与寿命。目前，PEMFC大多采用全氟磺酸膜，具有质子传导率高、化学稳定性好的优点，其中最常用的是美国杜邦公司的Nafion膜。但Nafion膜存在制作困难、成本高、易溶胀、低湿电导率差等缺点。为了降低成本、提高机械性能，研究者们积极地开发替代材料，芳香族聚合物具有较高的机械强度和热稳定性是很好的基材，且极性基团有良好的保水性，例如聚砜(PSF),聚苯并咪唑(PBI)，聚酰亚胺(PI),聚醚醚酮(PEEK)等。但这些材料本来不带有磺酸基团，因此不能传导质子，进行磺酸化或磷酸化后，膜的质子传导率与尺寸稳定性有着不易调节的矛盾。

多面体低聚倍半硅氧烷(Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane,POSS)因具有通常纳米粒子的小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等特点，显示出特殊的热力学性能、光学性能、介电性能、磁力性能和声学性质。POSS引入到聚合物体系中将显著改善聚合物基体的性能，使POSS能在分子层面改性聚合物的性能。POSS的端基R具有很强的设计性，可修饰合成带有卤原子的功能性端基官能团，作为ATRP的引发剂引发聚合，从而制备含POSS拓扑结构有机-无机杂化聚合物。

因此，对于质子交换膜来说，能够提高其低湿下的质子传导率或在80℃以上时能抑制其溶胀并提高尺寸稳定性，对推动质子交换膜的发展具有重要意义。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种离子型含POSS嵌段共聚物复合质子交换膜及制备方法，解决商用质子交换膜在高温下容易溶胀而导致的尺寸不稳定性或低湿下质子传导率低的缺点。

技术方案

一种离子型含POSS嵌段共聚物复合质子交换膜，其特征在于组份为70-99wt％聚合物基体和1-30wt％离子型含POSS嵌段共聚物；所述聚合物基体为磺化聚砜、全氟磺酸树脂或磺化聚醚醚酮；所述离子型含POSS嵌段共聚物为不同拓扑结构的含POSS嵌段共聚物中的一种，化学结构分别为POSS-PMMA-PS、POSS-PMMA-SPS、POSS-(PMMA-SPS)₈或POSS-(PMMA-PS)₈。

所述POSS-PMMA-PS、POSS-PMMA-SPS、POSS-(PMMA-SPS)₈嵌段比为：PMMA：SPS＝1：2。

所述POSS-(PMMA-PS)₈嵌段比分别为：PMMA：PS＝1：1、1：2、1：4、1：7。

一种采用非溶剂致相分离法制孔—浸渍法制备所述任一项离子型含POSS嵌段共聚物复合质子交换膜的方法，其特征在于步骤如下：