[发明专利]一种含萘聚苯并咪唑材料的合成与应用

说明书

本发明公开了一种含萘聚苯并咪唑及其制备方法。所述含萘聚苯并咪唑结构如式Ⅰ所示。

技术领域

本发明中的含萘聚苯并咪唑合成属于高分子材料及其制备的技术领域，具体涉及不同结构侧链、主链含萘和醚键的聚苯并咪唑的制备方法及应用。

背景技术

近年来，燃料电池作为清洁能源得到越来越多的关注。质子交换膜作为核心部件，起到阻隔燃料与氧化剂、传导质子(H+)的作用。目前商用最为成熟的是全氟磺酸膜，但其工作温度较低(≤80℃)，易引起催化剂吸附CO中毒，对H2纯度要求较高(≥99.999％)，以及高昂的价格限制其发展应用，所以开发可以在高温低湿条件下工作的质子交换膜和不依赖贵金属催化剂，在碱性条件下拥有更强氧化还原活性的阴离子交换膜具有十分重要的意义。

聚苯并咪唑(Polybenzimidazole，PBI)是一类极其耐热的杂环热塑性塑料，由芳族四胺和芳族二羧酸或其衍生物制备。PBI非常昂贵且制备困难，但具有出色的性能，被认为是市场上性能最高的工程塑料之一，并且在任何未填充的热塑性塑料中具有最高的耐热性和使用温度。它的玻璃化转变温度非常高，约为425℃，分解温度超过500℃，使其具备出色的热稳定性和耐化学性。以PBI 为主链结构的聚合物薄膜通过吸附磷酸可以在高温低湿条件下工作，燃料具备除高纯度氢以外的多种选择，同时作为阴离子膜的基础材料也可以带来较同等特种工程塑料更加优异的机械性能，以延长使用寿命。但聚苯并咪唑分子间氢键作用较强，结构刚性较大，在有机试剂中溶解性较差，导致PBI加工困难，不容易规模化生产应用。

发明内容

本发明旨在提供一种新型含萘和醚键结构的聚苯并咪唑。

在本发明的第一方面，提供一种结构如式Ⅰ所示的聚合物：

其中n＝3～500；

其中Ar选自

在本发明的第二方面，提供一种如上所述的本发明提供的化合物的制备方法，所述方法包括步骤：

(1)使结构如式1所示的化合物与无水碳酸钾和结构如式2所示的对卤苯甲腈混合，反应得到结构如式3所示的化合物；

(2)使结构如式3所示的化合物水解得到结构如式4所示的化合物；和

(3)使结构如式4所示的化合物与结构如式5所示的化合物反应得到结构如式I所示的化合物。

在另一实施方式中，步骤(1)中所述结构如式1所示的化合物与无水碳酸钾的摩尔比为1:2～2.5。

在另一实施方式中，步骤(1)中结构如式1所示的化合物与卤苯甲腈的摩尔比为1:2～2.5。

在另一实施方式中，步骤(2)中所述结构如式3所示的化合物在氢氧化钾存在下水解得到结构如式4所示的化合物。

在另一实施方式中，所述结构如式3所示的化合物与氢氧化钾的摩尔比为 1:4～50。

在另一实施方式中，步骤(3)中使结构如式4所示的化合物与无水碳酸钾混合后加入结构如式5所示的化合物，反应得到结构如式I所示的化合物。

在另一实施方式中，使所述结构如式4所示的化合物与无水碳酸钾在溶剂中溶解，所述溶剂选自下述的一种或两种以上：N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，N-N-二甲基乙酰胺(DMAc)，N-甲基吡咯烷酮(NMP)和二甲基亚砜(DMSO)。

在另一实施方式中，所述结构如式4所示的化合物与无水碳酸钾在溶剂中溶解后升温至140～150℃回流，然后加入结构如式5所示的化合物。

在另一实施方式中，步骤(3)中所述结构如式4所示化合物与式5所示化合物在五氧化二磷溶解于甲烷磺酸溶剂中反应得到结构如式I所示的化合物。