[发明专利]一种苯乙烯系热塑弹性体/聚苯乙烯复合膜及制备方法

说明书

本发明涉及一种苯乙烯系热塑弹性体/聚苯乙烯复合膜及制备方法。该膜材料以苯乙烯系热塑弹性体和聚苯乙烯为基体，将二者功能化后以不同比例溶液共混，加入交联剂后制膜，在非均相状态下经季胺盐化和碱化后制得一系列阴离子交换膜。所制备的苯乙烯系热塑弹性体/聚苯乙烯复合膜具有如下优点：1)通过简单易行的物理复合技术对膜内的微相分离结构进行有效调控，从而显著提高离子传输效率。2)将苯乙烯系热塑弹性体的韧性和聚苯乙烯的高强度想结合，能够赋予复合膜良好的力学性能和尺寸稳定性。

技术领域

本发明涉及一种苯乙烯系热塑弹性体/聚苯乙烯复合膜及制备方法，属于季铵盐型阴离子交换膜碱性燃料电池领域。

背景技术

作为一种高效、清洁的能量转换装置，阴离子交换膜燃料电池具有电极反应效率高、使用非贵金属催化剂、燃料渗透率低等诸多优点。作为其关键部件，阴离子交换膜既是阴阳两极燃料和氧化剂的分隔器，又是OH^-的传导器，其性能直接决定着阴离子交换膜燃料电池的优劣。

近年来，苯乙烯系热塑弹性体凭借独特的结构及性能优势而被用于阴离子交换膜，其通过苯乙烯嵌段(PS)功能化改性引入季铵盐阳离子，获得有利于离子传输的微相分离结构，其在强碱条件下具有良好的柔韧性、机械及化学稳定性，尤其是经过氢化反应消除了不饱和双键的苯乙烯系热塑弹性具有更好的稳定性，如苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物的氢化物(SEBS)及苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯三嵌段共聚物的氢化物(SEPS)等。人们通常通过将季铵盐阳离子引到PS苯环上，制备相应的苯乙烯系热塑弹性体基阴离子交换膜。由于苯乙烯系热塑弹性体最初的设计目标并不是用于制备阴离子交换膜，目前市售材料在机械稳定性及离子传输性能方面难以充分发挥苯乙烯系热塑弹性体应有的效能。与苯乙烯系热塑弹性体不同，聚苯乙烯整条分子链都带有苯环，适合通过上述功能化过程获得连续的离子传输通道，理论上更适合用于制备阴离子交换膜，但是，聚苯乙烯缺乏韧性，其对应的薄膜材料易于破碎，功能化之后容易发生溶胀破损。

为了提高阴离子交换膜的机械稳定性及离子传输性能，本发明旨在通过物理复合技术，将苯乙烯系热塑弹性体及聚苯乙烯二者的优势融合在一起，制备一种高性能苯乙烯热塑弹性体/聚苯乙烯复合膜。

发明内容

针对现有苯乙烯系热塑弹性体及聚苯乙烯存在的不足，本发明提供一种苯乙烯系热塑弹性体/聚苯乙烯复合膜及制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种苯乙烯系热塑弹性体/聚苯乙烯复合膜，其主链由苯乙烯系热塑弹性体和聚苯乙烯构成，当聚苯乙烯分子量较低时，其主要作用为调节苯乙烯系热塑弹性体的微相结构；当聚苯乙烯分子量较高时，其主要用作离子传输通道，而苯乙烯系热塑弹性体则是对其进行增韧。以SEBS和PS为原料，合成的复合膜其化学结构式为：

其中，SEBS可以替换为SBS、SIS、SEPS或其衍生物。

一种所述苯乙烯系热塑弹性体/聚苯乙烯复合膜的制备方法，其特征在于步骤如下：

步骤一：将苯乙烯系热塑弹性体溶解在有机溶剂中，待其搅拌均匀后，依次向其中加入0.8～2倍于苯乙烯单元摩尔量的催化剂和2～6倍于催化剂摩尔量的功能化改性试剂，并于15～25℃下搅拌24小时后倒入稀盐酸中，以除去催化剂。然后将下层的乳浊液倒入大量乙醇中获得粗产物，用溶剂溶解粗产物后再用乙醇沉淀，即得功能化苯乙烯系热塑弹性体，并于35℃真空干燥12小时。

步骤二：将聚苯乙烯溶解在有机溶剂中，待其搅拌均匀后，依次向其中加入0.4～1倍于苯乙烯单元摩尔量的催化剂和2～6倍于催化剂摩尔量的功能化改性试剂，并于15～25℃下搅拌24小时后倒入稀盐酸中，以除去催化剂。然后将下层的乳浊液倒入大量乙醇中获得粗产物，用溶剂溶解粗产物后再用乙醇沉淀，即得功能化聚苯乙烯，并于35℃真空干燥12小时。