CN115894914A - 一种炔基改性聚苯并咪唑、其交联膜、其制备方法及一种电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种炔基改性聚苯并咪唑、其交联膜、其制备方法及一种电池。所述炔基改性聚苯并咪唑是通过将聚苯并咪唑和炔基化合物混合，将炔基通过取代反应接枝到聚苯并咪唑侧链得到，所获得的物质在无需添加交联剂的情况下即可在一定温度下实现热交联，极大的简化了聚苯并咪唑交联膜的制备工序。所述材料制备的聚苯并咪唑交联膜具有成型工艺简单、耐热性好、力学强度高等优点，适用于燃料电池、液流电池的质子交换膜，各种聚苯并咪唑成型件及可交联复合材料等。
Description
技术领域
本发明涉及材料化学和燃料电池领域，具体提供了一种炔基改性聚苯并咪唑、其交联膜、其制备方法及一种电池。
背景技术
聚苯并咪唑(PBI)是目前高温质子交换膜燃料电池用质子交换膜的主要材料之一。但PBI膜必须在掺杂质子酸(通常使用磷酸)后才能实现质子传导，其质子导电率与酸的掺杂量呈紧密正相关。然而，酸掺杂量越高，膜的力学强度及热稳定性会降低越多，从而限制了PBI类质子交换膜的应用。通过交联，PBI类质子交换膜及其掺酸后复合膜的力学强度、热稳定性及化学稳定性均可得到有效的提高，从而满足质子交换膜的应用需求。
通常，PBI需要外加带有双官能团或多官能团的有机酸或者其卤化物交联剂来实现交联。工艺较为繁琐复杂，作为粉料应用时易混合不均，导致固化后交联密度不均一，从而影响产品的质量稳定性
因鉴于此，特提出此发明。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种炔基改性聚苯并咪唑及其制备方法。
本发明的第一方面，提供了一种炔基改性聚苯并咪唑，其制备方法是将聚苯并咪唑和炔基化合物混合，通过取代反应使炔基枝接到聚苯并咪唑侧链上；所述炔基改性聚苯并咪唑可以在不添加交联剂的情况下发生热交联；，所述炔基改性聚苯并咪唑的结构式为如下的式A、B或C，或如图4、图5、图6所示：
其中，R1在聚合物链的各处各自独立地是单键或芳香族化合物、链状、支链状或环状的脂肪族化合物、及杂环化合物组成的组中的化合物的2价的连接基团；
优选的，R1在聚合物链的各处各自独立地是
中的一种；
R2在聚合物链的各处各自独立地是
中的一种；
n是1以上10000以下的整数；
在一些实施方式中，n是10以上1000以下的整数；
在一些实施方式中，n是50以上300以下的整数；
n2均为1或2以上50以下的整数；
在一些实施方式中，n2是1以上20以下的整数；在一些实施方式中，n2是1、2或3。
在一些实施方式中，所述热交联的温度条件是100-200℃。可选的，所述热交联的温度条件是150-195℃之间的任何温度，例如所述热交联的温度条件可以是155℃、160℃、165℃、170℃、175℃、180℃、185℃、190℃；
本发明的第二方面，提供了一种炔基改性聚苯并咪唑的制备方法，包括如下步骤：
(1)将聚苯并咪唑溶解于干燥有机溶剂，配置成浓度为0.01-0.1g/ml的聚苯并咪唑溶液A；
(2)在聚苯并咪唑溶液A中加入氢化钠，氢化钠的添加量以摩尔计量比为步骤(1)中所述聚苯并咪唑重复单元的1-2倍，得到溶液B；
(3)将卤代炔烃溶于干燥有机溶剂，配置成浓度为0.2-0.5g/ml的卤代炔烃溶液C；所述卤代炔烃的摩尔计量比为步骤(1)中所述聚苯并咪唑重复单元的1-2倍；
(4)将卤代炔烃溶液C加入溶液B中，得到所述炔基改性聚苯并咪唑。
在一些实施方式中，在步骤(2)中，在聚苯并咪唑溶液A中加入氢化钠后需要在氮气保护下搅拌、升温、冷却，得到溶液B；在一些具体实施方式中，在步骤(2)中，在聚苯并咪唑溶液A中加入氢化钠后室温搅拌12-48小时后，升温到60-90℃继续反应1-3小时后冷却至室温，得到溶液B。
在一些实施方式中，在步骤(3)中，将卤代炔烃溶液C逐滴加入溶液B中，于氮气保护下搅拌，缓慢倒入水中沉淀，得到炔基改性聚苯并咪唑；在一些具体实施方式中，所述搅拌的条件为室温下搅拌12-48小时。.
在一些实施方式中，步骤(1)、(3)中的干燥有机溶剂相同；可选的，所述干燥有机溶剂选自但不限于N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜或N-甲基吡咯烷酮中的一种。
可选的，所述卤代炔烃选自但不限于3-氯丙炔、3-溴丙炔、3-碘丙炔、3-氯-1-丁炔、3-溴-1-丁炔、4-溴正丁炔、3-氯-3-甲基-1-丁炔、5-氯-1-戊炔、5-溴正戊炔中的一种或两种以上的组合。
在一些实施方式中，所述炔基改性聚苯并咪唑为本发明第一方面的炔基改性聚苯并咪唑。
本发明的第三方面，提供了一种聚苯并咪唑交联膜的制备方法，其是用本发明第一方面的炔基改性聚苯并咪唑经过热交联获得的，所述热交联不添加交联剂。在一些实施方式中，所述热交联的温度为100-200℃。
本发明的第四方面，提供了一种聚苯并咪唑交联膜，其是本发明第三方面的制备方法得到的。在一些实施方式中，所述聚苯并咪唑交联膜是一种质子交换膜。
本发明的第五方面，提供了一种电池，其包含阳极、阴极和本发明第四方面所述的质子交换膜，其中，该质子交换膜设置在阳极和阴极之间。
优选的，所述电池是燃料电池或液流电池。
本发明中涉及的某些化合物可能包含一个以上不对称中心，并且因此可以以各种立体异构形式存在，例如以对映体和/或非对映体存在。因此，本发明的化合物及其组合可以为单独的对映体、非对映体或几何异构体的形式，或者可以为立体异构体的混合物的形式。在某些实施方式中，本发明提供的是对映纯的化合物。在某些实施方式中，本发明提供的是对映体的或非对映体的混合物。
本发明所述异构体包括任何和全部几何异构体和立体异构体。例如，包括顺式-和反式-异构体、E-和Z-异构体、R-和S-对映体、非对映体、(d)-异构体、(C)-异构体、它们的外消旋混合物和它们的其他混合物。
在一些实施方式中，化合物或聚合物由明显较大比例的一种对映体组成。在某些实施方式中，化合物由至少约90重量％的优选的对映体组成。在某些实施方式中，化合物由至少约95重量％、98重量％或99重量％的优选的对映体组成。
本发明创造有如下有益效果：
本发明提供的炔基改性聚苯并咪唑及其制备方法中，所述炔基改性聚苯并咪唑将炔基通过取代反应接枝到聚苯并咪唑侧链，所述炔基改性聚苯并咪唑在无需添加交联剂的情况下即可在一定温度(100-200℃)下实现交联，极大地简化了聚苯并咪唑交联膜的制备工序。所制备的聚苯并咪唑交联膜具有成型工艺简单、耐热性好、力学强度高等优点，适用于燃料电池、液流电池的质子交换膜，各种聚苯并咪唑成型件及可交联复合材料等。
附图说明
图1是实施例1所制得的炔基改性聚苯并咪唑的红外谱图(ATR)；
图2是实施例2所制得的炔基改性聚苯并咪唑的红外谱图(ATR)；
图3是实施例3所制得的炔基改性聚苯并咪唑的红外谱图(KBr)；
图4是本发明第一方面所述炔基改性聚苯并咪唑结构式的一种；
图5是本发明第一方面所述炔基改性聚苯并咪唑结构式的一种；
图6是本发明第一方面所述炔基改性聚苯并咪唑结构式的一种。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作出进一步的说明，本发明没有特别注明的操作步骤均是现有技术，所用的原料也都是市售可得，并符合相关国家标准。
实施例1
(1)将聚苯并咪唑
(n＝50～100)溶解于干燥有机溶剂N,N-二甲基甲酰胺，配置成浓度为0.05g/ml的聚合物溶液A；
(2)在聚合物溶液A中加入氢化钠(NaH)(摩尔计量比为聚苯并咪唑重复单元的2倍)后于氮气保护下室温搅拌48小时后，升温到65℃继续反应1.5小时后冷却至室温，得到溶液B；
(3)将卤代炔烃3-溴丙炔(摩尔计量比为聚苯并咪唑重复单元的2倍)溶于上述同种干燥有机溶剂，配置成浓度为0.5g/ml的卤代炔烃溶液C；
(4)将溶液C逐滴加入溶液B中，于氮气保护下室温搅拌48小时后，缓慢倒入水中沉淀，得到如下的炔基改性聚苯并咪唑：
实施例2
(1)将聚苯并咪唑
(n＝80～150)溶解于干燥有机溶剂N,N-二甲基乙酰胺，配置成浓度为0.01g/ml的聚合物溶液A；
(2)在聚合物溶液A中加入氢化钠(NaH)(摩尔计量比为聚苯并咪唑重复单元的1.5倍)后于氮气保护下室温搅拌48小时后，升温到80℃继续反应2小时后冷却至室温，得到溶液B；
(3)将卤代炔烃3-溴-1-丁炔(摩尔计量比为聚苯并咪唑重复单元的1.5倍)溶于上述同种干燥有机溶剂，配置成浓度为0.5g/ml的卤代炔烃溶液C；
(4)将溶液C逐滴加入溶液B中，于氮气保护下室温搅拌48小时后，缓慢倒入水中沉淀，得到如下的炔基改性聚苯并咪唑：
实施例3
(1)将聚苯并咪唑
(n＝180～200)溶解于干燥有机溶剂N-甲基吡咯烷酮，配置成浓度为0.05g/ml的聚合物溶液A；
(2)在聚合物溶液A中加入氢化钠(NaH)(摩尔计量比为聚苯并咪唑重复单元的2倍)后于氮气保护下室温搅拌24小时后，升温到70℃继续反应2小时后冷却至室温，得到溶液B；
(3)将卤代炔烃5-溴正戊炔(摩尔计量比为聚苯并咪唑重复单元的2倍)溶于上述同种干燥有机溶剂，配置成浓度为0.2g/ml的卤代炔烃溶液C；
(4)将溶液C逐滴加入溶液B中，于氮气保护下室温搅拌24小时后，缓慢倒入水中沉淀，得到如下的炔基改性聚苯并咪唑：
实施例4
将实施例1得到的炔基改性聚苯并咪唑于190℃固化12小时得到聚苯并咪唑交联膜。
实施例5
将实施例2得到的炔基改性聚苯并咪唑于190℃固化12小时得到聚苯并咪唑交联膜。
实施例6
将实施例3得到的炔基改性聚苯并咪唑于190℃固化12小时聚苯并咪唑交联膜。
实施例7
检测实施例1-6所得产物的拉伸强度，结果如表1所示。
表1.
Claims (10)
1.一种炔基改性聚苯并咪唑，其特征在于，其制备方法包括将聚苯并咪唑和炔基化合物混合，通过取代反应使炔基枝接到聚苯并咪唑侧链上；所述炔基改性聚苯并咪唑可以在不添加交联剂的情况下进行热交联；所述炔基改性聚苯并咪唑具有如式A、B或C的结构式：
其中，R1在聚合物链的各处各自独立地是芳香族化合物、链状、支链状或环状的脂肪族化合物、及杂环化合物组成的组中的化合物的2价的连接基团；
R2在聚合物链的各处各自独立地是
中的一种；
n为1以上10000以下的整数；
n2为1以上50以下的整数。
2.如权利要求1所述炔基改性聚苯并咪唑，其特征在于，R1在聚合物链的各处各自独立地是
中的一种或两种以上的组合。
3.一种炔基改性聚苯并咪唑的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)将聚苯并咪唑溶解于干燥有机溶剂，配置成浓度为0.01-0.1g/ml的聚苯并咪唑溶液A；
(2)在聚苯并咪唑溶液A中加入氢化钠，得到溶液B；氢化钠以摩尔计量比为步骤(1)中所述聚苯并咪唑重复单元的1-2倍；
(3)将卤代炔烃溶于干燥有机溶剂，配置成浓度为0.2-0.5g/ml的卤代炔烃溶液C；卤代炔烃的添加量以摩尔计量比为步骤(1)中所述聚苯并咪唑重复单元的1-2倍；
(4)将卤代炔烃溶液C加入溶液B中，得到炔基改性聚苯并咪唑。
4.如权利要求3所述炔基改性聚苯并咪唑的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，在聚苯并咪唑溶液A中加入氢化钠后在氮气保护下室温搅拌12-48小时后，升温到60-90℃继续反应1-3小时后冷却至室温，得到溶液B；所述步骤(4)中将卤代炔烃溶液C逐滴加入溶液B中，于氮气保护下室温搅拌12-48小时后，缓慢倒入水中沉淀，得到炔基改性聚苯并咪唑。
5.如权利要求3所述炔基改性聚苯并咪唑的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的干燥有机溶剂与步骤(3)中的干燥有机溶剂相同；所述干燥有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜或N-甲基吡咯烷酮中的一种；所述卤代炔烃为3-氯丙炔、3-溴丙炔、3-碘丙炔、3-氯-1-丁炔、3-溴-1-丁炔、4-溴正丁炔、3-氯-3-甲基-1-丁炔、5-氯-1-戊炔、5-溴正戊炔中的一种或两种以上的组合。
6.如权利要求3所述炔基改性聚苯并咪唑的制备方法，其特征在于，所述炔基改性聚苯并咪唑是权利要求1-2任一项所述炔基改性聚苯并咪唑。
7.一种聚苯并咪唑交联膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法是使权利要求1-2任一项所述炔基改性聚苯并咪唑热交联，所述热交联不添加交联剂，所述热交联的温度为100-200℃。
8.一种由权利要求7的制备方法得到的聚苯并咪唑交联膜。
9.如权利要求8所述聚苯并咪唑交联膜，其特征在于，其是质子交换膜。
10.一种电池，其特征在于，其包含阳极、阴极以及如权利要求9所述质子交换膜，其中该质子交换膜位于该阳极与该阴极之间。
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| US20170081477A1 (en) * | 2015-09-18 | 2017-03-23 | Board Of Regents, The University Of Texas System | Polybenzimidazoles and methods of making and using thereof |
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2022
- 2022-11-29 CN CN202211509327.2A patent/CN115894914A/zh active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101808982A (zh) * | 2007-09-28 | 2010-08-18 | 富士胶片株式会社 | 乙炔化合物 |
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