[发明专利]一种高强度碱性阴离子聚合物交联膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高强度碱性阴离子聚合物交联膜及其制备方法，首先合成具有不同官能团侧链的聚合物；其次将获得改性后的聚合物分别溶解于有机溶剂中配成一定浓度的膜溶液；最后将两种膜溶液在常温条件下进行充分混合，得到均匀的混合膜溶液置于合适的高温条件下进行热交联成膜，即得到高强度的碱性阴离子聚合物交联膜。本发明采用间接交联的方法，获得高机械强度的碱性阴离子聚合物膜，采用间接的化学交联方法，通过该方法得到的碱性阴离子聚合物交联膜，具有高的机械强度和优异的尺寸稳定性。这一类碱性阴离子聚合物交联膜以其优异的物理化学性能，其应用于碱性聚合物膜燃料电池中具有良好的电池性能。

技术领域

本发明属于材料领域，涉及一种离子聚合物膜制备技术，具体涉及一种高强度碱性阴离子聚合物交联膜的制备方法。

背景技术

21世纪是能源的世纪。如何高效，绿色的利用能源是可持续发展的一个重要话题。燃料电池作为继火电、水电、核电之后的第四代发电方式，是能源利用的一个重要方式。被誉为21世纪清洁、高效的动力源，受到人们广泛的关注，燃料电池技术近些年也在飞速地发展。质子交换膜燃料电池技术已经实现商业化，应用到车载动力体系。层出不穷的燃料电池汽车，客车等逐渐进入大众的视野。但是这类燃料电池强酸性的条件只能依赖贵金属如Pt作为催化剂，而且隔膜材料全氟磺酸膜造价昂贵，一直是制约这类燃料电池发展的重要因素。相比之下，碱性阴离子聚合物膜燃料电池具有极大优势。碱性的工作环境既可以摆脱对贵金属的依赖，阴离子聚合物膜的制备也具有廉价和多样化的特点。

经过这近二十年的发展，碱性阴离子聚合物膜已经形成了一个基本完整的体系。追求在高温强碱下稳定的主链以及稳定的阳离子结构是目前大家普遍关注的。但是除了材料的化学稳定性之外，优异的机械强度也是电池长寿命的保障。开发一类化学稳定性好，而且具有优异的机械强度和尺寸稳定性的碱性阴离子聚合物膜，成为了未来碱性阴离子聚合物膜燃料电池发展的一个重大挑战。

发明内容

针对上述挑战，本发明为了获得高机械强度的碱性阴离子聚合物膜，采用间接的化学交联方法，将含不同官能团侧链的两条聚合物链使用化学键连接起来，达到化学交联效果，可以有效限制聚合物膜的尺寸变化，提高聚合物膜的机械强度。通过这种化学交联得到的碱性阴离子聚合物交联膜，具有高的机械强度和优异的尺寸稳定性。这一类碱性阴离子聚合物交联膜以其优异的物理化学性能，在未来很有望应用于碱性聚合物膜燃料电池，渗透，二氧化碳电还原，碱性水体系水电解等领域。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种高强度碱性阴离子聚合物交联膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将芳基哌啶共聚物A与第一烷基化剂反应，得到具有短侧链的中间聚合物B，所述第一烷基化剂为二卤代物；

步骤2、将芳基哌啶共聚物A与第二烷基化剂反应，得到胺基短侧链的中间聚合物C，所述第二烷基化剂为叔胺化卤代物；

步骤3、将步骤2中得到的中间聚合物C与碱液进离子交换反应得到中间聚合物D；

步骤4、将步骤1中的得到的中间聚合物B与胺基化剂反应，得到具有叔胺短侧链的中间聚合物E；

步骤5、将步骤1中得到的中间聚合物B与中间聚合物C、中间聚合物E或中间聚合物D进行侧链交联反应得到高强度碱性阴离子聚合物交联膜。

具体的，本发明还提供一种芳基哌啶共聚物A的制备方法，包括以下步骤：

将联苯和哌啶酮利用有机溶剂溶解，在水浴条件下加入三氟甲磺酸与三氟乙酸的混合酸，产物在碳酸钾溶液中沉淀，并用去离子水充分洗涤，在烘箱中干燥，得到初始聚合物原料PPP。

将初始聚合物原料PPP利用吡咯烷酮溶解，之后加入一定量的碘甲烷反应，得到季铵化的聚合物，反应完成后在乙醚中沉淀得到黄色的粉末状固体，用乙醚反复洗涤沉淀。得到部分季铵化的离子聚合物QAPPP，即为芳基哌啶共聚物A。