[发明专利]一种硅氧烷接枝的哌啶型聚苯醚阴离子交换膜的制备方法

说明书

本发明公开了一种硅氧烷接枝的哌啶型聚苯醚阴离子交换膜的制备方法，在氮气气氛下，向聚苯醚溶液中滴加液溴溶液，于140‑160℃加热3‑5h，自然冷却至室温；加入沉淀剂、过滤、洗涤、干燥得到溴化聚苯醚固体；溶于N‑甲基吡咯烷酮，加入含羟基的哌啶小分子，混合均匀后于70‑80℃反应24‑48h；加入沉淀剂、过滤、洗涤、干燥得到哌啶基聚苯醚聚合物；溶于二甲基亚砜，加入有机环氧基硅氧烷和环氧开环催化剂，于40‑60℃反应，得到硅氧烷键合的哌啶基聚苯醚溶液；室温下放置24‑48h进行水解交联反应形成溶胶，然后于60‑80℃烘4‑8h，再升温至120‑130℃烘6‑8h，冷却脱模得到硅氧烷接枝的哌啶型聚苯醚阴离子交换膜。本发明制备工艺简单，且实验过程操作简便，易于工业化生产。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种聚苯醚阴离子交换膜的制备方法。

背景技术

阴离子交换膜燃料电池(Anion Exchange Membrane Fuel Cell，AEMFC)，作为一种高效环保的新型能源技术，由于在碱性条件下具有快速的氧还原动力学和使用非金属催化剂降低成本等优势，目前已成为科学研究的热点。作为AEMFC的关键组件，阴离子交换膜在传导OH-离子、隔离阳极燃料与阴极氧化剂等方面发挥着重要作用。然而，由于阴离子交换膜长期在强碱环境下工作，阳离子基团和聚合物主链容易受到OH-离子的进攻而发生降解,导致膜的性能下降。此外，如何平衡阴离子交换膜的各项性能(尺寸稳定性、离子电导率以及在高温强碱条件下的耐碱性等)以满足AEMFC的实际使用需求仍是一个亟待解决的难题。

对于如何提升阴离子交换膜的碱稳定性，研究人员发现引入强给电子基团可以降低阳离子基团的电子云密度，从而降低了OH-离子对阳离子基团的进攻，可进一步提升阳离子基团的碱稳定性。此外，作为离子传导基团，哌啶因其优异的碱稳定性以及在高温条件下的高离子电导率已经成为目前研究的热点。但由于哌啶环状结构以及主侧链结构关系的影响，目前制备得到的哌啶型阴离子交换膜的机械性能和尺寸稳定性仍然有待提高。

发明内容

本发明目的在于进一步提升聚苯醚阴离子交换膜的机械性能和尺寸稳定性，在阴离子交换膜结构中引入改性基团，使得所制备的阴离子交换膜具有优异的机械性能、尺寸稳定性和耐碱性能。

为达到上述目的，采用技术方案如下：

一种硅氧烷接枝的哌啶型聚苯醚阴离子交换膜的制备方法，包括以下步骤：

1)在氮气气氛下，向聚苯醚溶液中滴加液溴溶液，于140-160℃加热3-5h，自然冷却至室温；加入沉淀剂、过滤、洗涤、干燥得到溴化聚苯醚固体；

2)将所得溴化聚苯醚固体溶于N-甲基吡咯烷酮，加入含羟基的哌啶小分子，混合均匀后于70-80℃反应24-48h；加入沉淀剂、过滤、洗涤、干燥得到哌啶基聚苯醚聚合物；

3)将所得哌啶基聚苯醚聚合物溶于二甲基亚砜，加入有机环氧基硅氧烷和环氧开环催化剂，于40-60℃反应，得到硅氧烷键合的哌啶基聚苯醚溶液；

4)将得到的硅氧烷键合的哌啶基聚苯醚溶液室温下放置24-48h进行水解交联反应形成溶胶，然后于60-80℃烘4-8h，再升温至120-130℃烘6-8h，冷却脱模得到硅氧烷接枝的哌啶型聚苯醚阴离子交换膜。

按上述方案，步骤1所述聚苯醚数均分子量为27000-50000。聚苯醚作为一种高性能工程塑料，具有优异的热稳定性、耐碱性、热稳定性以及成膜性能，并且成本低、易改性，是作为阴离子交换膜基体的理想材料。

按上述方案，步骤1所述聚苯醚溶液浓度为0.05-0.2mol/L。

按上述方案，步骤1和2所述沉淀剂为甲醇。

按上述方案，步骤2所述含羟基的哌啶小分子为4-羟基-1-甲基哌啶或者1-甲基-4-哌啶甲醇。