[发明专利]一种含有磺酸侧链的含氟聚芳醚化合物及其制备方法

说明书

本发明涉及一种含有磺酸侧链的含氟聚芳醚化合物及其制备方法。本发明首先合成一种四烯丙基化合物TABPA，然后与不同比例的双酚A和十氟联苯在室温下进行缩聚反应，制备出一系列含有四烯丙基链段和氟原子的聚芳醚化合物，再通过与过量的3‑巯基‑1‑丙烷磺酸钠反应，从而在烯丙基处引入密集分布的磺酸侧链，最终制得不同离子含量的含有磺酸侧链的含氟聚芳醚化合物。该系列化合物可以溶于N,N‑二甲基乙酰胺、N,N‑二甲基甲酰胺、N‑甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜等极性非质子溶剂，可以通过溶液浇铸成膜，所得质子交换膜具有质子传导率高、氧化稳定性好、热稳定性好、机械强度高等优点。

技术领域

本发明涉及一种含有磺酸侧链的含氟聚芳醚化合物及其制备方法，属于质子交换膜材料领域。

背景技术

随着社会进步，能源危机和环境问题日益成为制约人类可持续发展的重要因素。具有高能量转化率、低污染排放等众多优点的质子交换膜燃料电池受到越来越多的关注。质子交换膜作为该电池的核心部件之一，不仅具有隔开正极和负极的作用，还起到传导质子的作用。虽然商业化的Nafion 膜具有优异质子传导率，但其存在一些缺点，如生产成本高、制备工艺相对复杂、在高温高湿条件下的机械强度较低、燃料渗透率大等。因此，寻找低成本、高性能的质子交换膜材料迫在眉睫。

磺化聚芳醚由于具有机械性能好、热稳定性和化学稳定性高等优点，受到广泛关注。例如，庞金辉等人（中国发明专利，授权号：102746508B）公开了一种磺化聚芳醚砜质子交换膜及其制备方法，该种膜在室温下的质子传导率为0.063 S cm^-1，在100 ℃下可达0.131 S cm^-1。然而，这种方法所涉及的单体制备工艺复杂，且所得产物的质子传导率较低。为了提高磺化聚芳醚的质子传导率，研究者们提出一种通过设计合成具有离子簇结构的聚合物的策略。例如Guibin Li等人（Polymer Chemistry, 2015, 6(32): 5911-5920）所报道的磺化聚芳醚砜因具有柔软的磺酸侧链而形成离子簇结构，其质子传导率可达到接近Nafion膜的水平。然而，该文献所报道的磺酸侧链的长度有限，限制了其自组装和传导质子的能力。可见，通过合理的分子设计，制备质子传导率优异的磺化聚芳醚化合物，对质子交换膜燃料电池的发展具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种含有磺酸侧链的含氟聚芳醚化合物，该化合物具有优异的质子传导率、氧化稳定性、机械性能和热稳定性等优点，在质子交换膜领域有巨大的应用前景。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种含有磺酸侧链的含氟聚芳醚化合物，其结构式为：

式Ⅰ中，x=20~100，y=5~100。

本发明的另一个目的是提供一种含有磺酸侧链的含氟聚芳醚化合物的制备方法，其包括以下步骤：

（1）将四烯丙基化合物TABPA，双酚A和十氟联苯溶解于极性非质子溶剂中，以氟化铯为催化剂，在氩气保护下于0-80 ℃进行聚合10~60小时，然后将反应液在搅拌下倒入体积比1：1的甲醇水溶液中沉淀，过滤并收集沉淀，于60~100°C的真空烘箱里干燥10~40小时，制得含氟聚芳醚化合物，

所述四烯丙基化合物TABPA具有如下结构：

所述含氟聚芳醚化合物的聚合反应式为：

此步骤中，十氟联苯的摩尔量等于TABPA和双酚A的摩尔量之和，同时等于氟化铯的摩尔量的0.2~1倍。