TWI805163B - 磺酸化聚芳香醚高分子之複合材料 - Google Patents

磺酸化聚芳香醚高分子之複合材料 Download PDF

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TWI805163B TW110149577A TW110149577A TWI805163B TW I805163 B TWI805163 B TW I805163B TW 110149577 A TW110149577 A TW 110149577A TW 110149577 A TW110149577 A TW 110149577A TW I805163 B TWI805163 B TW I805163B
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Abstract

一種磺酸化聚芳香醚高分子之複合材料，其係由至少一種高分子所構成，所述高分子至少包括一磺酸化聚芳香醚高分子並且構成一薄膜，該薄膜更可包含一第一高分子材料層及一第二高分子材料層，該薄膜可大幅提高質子傳遞效率、增加陽離子交換效率或者保持良好之質子傳遞效率同時提升薄膜之機械特性。

Description

磺酸化聚芳香醚高分子之複合材料
本發明係有關於一種複合材料，尤指一種可大幅提高質子傳遞效率、增加陽離子交換效率或者保持良好之質子傳遞效率同時提升薄膜機械特性之磺酸化聚芳香醚高分子之複合材料。
質子傳導材料（如：質子交換膜）是屬於固態電解質，雖不同於一般伏打電池中電解質是以水溶液型態存在，但其同樣類似水溶液電解質能用以傳遞正負離子做為導體，質子交換膜乃是以傳遞質子為主要功效，而此類高分子聚合物，在燃料電池(fuel cell)中是最重要的元件並直接影響了電池性能及壽命。此薄膜之需求要件與功能大致如下： (1)質子傳遞能力良好(離子交換容積高，均勻微相分離)； (2)能隔離燃料(氣體或甲醇)接觸； (3)能夠使觸媒層與膜層緊密接觸(良好的黏性)；及 (4)具足夠之機械強度與熱耐受程度。
目前製作質子交換膜的方式大致上可分為四種，然而，做為一個良好的質子交換膜除了導電度之外，必須具備有良好的尺寸安定性、耐熱穩定性、高質子傳導能力、化學穩定性、製程穩定並可低價生產等優點。而目前業界製作質子交換膜的其中一種方式，其所形成的質子交換膜在尺寸安定性方面，由於無法精準控制磺酸化的位置及數量，使其吸水率仍偏高，且連帶影響了質子交換膜的長度及厚度方向的膨脹率，並且習用技術的質子交換膜之質子傳遞效率、陽離子交換效率及抓取能力仍有待改善。故，有必要提供一種磺酸化聚芳香醚高分子之複合材料，可應用於製造質子交換膜，以解決習用技術中所存在的問題。
爰此，為有效解決上述之問題，本發明之主要目的在於提供一種大幅提高質子傳遞效率之磺酸化聚芳香醚高分子之複合材料。
本創作之次要目的，在於提供一種增加陽離子交換效率之磺酸化聚芳香醚高分子之複合材料。
本創作之次要目的，在於提供一種增加陽離子抓取能力之磺酸化聚芳香醚高分子之複合材料。
本創作之次要目的，在於提供一種提升薄膜機械特性之磺酸化聚芳香醚高分子之複合材料。
本創作之次要目的，在於提供一種降低薄膜耗損率之磺酸化聚芳香醚高分子之複合材料。
本創作之次要目的，在於提供一種應用範圍廣泛之磺酸化聚芳香醚高分子之複合材料。
Figure 02_image001
為達上述目的，本發明係提供一種磺酸化聚芳香醚高分子之複合材料，其係由至少一種磺酸化聚芳香醚高分子所構成，該磺酸化聚芳香醚高分子具有下述分子式(1)： ……….(1) 其中X及Y係為
Figure 02_image004
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或
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； Z係為氟(F)、三氟甲基(CF 3)、甲基(CH 3)、烷基(alkyl group)、全氟/多氟烷基物質 (Per/Poly fluoro alkyl group, PFAS)或芳香族(aromatic group)； Q係為氟(F)、甲基(CH 3)、烷基(alkyl group)、全氟/多氟烷基物質 (Per/Poly fluoro alkyl group, PFAS)或芳香族(aromatic group)； n為2或大於2之整數；i為0或大於0之整數；j為0或大於0之整數；k為0或大於0之整數；m為1或大於1之整數；l為0或大於0之整數。
在一實施例中，所述磺酸化聚芳香醚高分子構成一薄膜。
在一實施例中，所述磺酸化聚芳香醚高分子構成一薄膜，該薄膜更包含一第一高分子材料層及一第二高分子材料層，該第一、二高分子材料層各具有一種磺酸化聚芳香醚高分子，所述第二高分子材料層之i+j的總和大於所述第一高分子材料層之i+j的總和。
在一實施例中，所述第一、二高分子材料層之間更形成一介面，該介面係呈一平面狀或呈一不規則凹凸狀，且於該介面因擴散原理所述第一、二高分子材料組成呈漸變或均勻的組成樣態。
在一實施例中，所述第一、二高分子材料層之間更形成一介面，複數凹部形成於該介面上，並該等凹部係由所述第一高分子材料層朝所述第二高分子材料層下凸，且於該介面因擴散原理所述第一、二高分子材料組成呈漸變或均勻的組成樣態。
一實施例中，所述凹部係呈等距或不等距間格排列設置於所述介面。
在一實施例中，於所述第二高分子材料層內具有複數強化高分子顆粒，該等強化高分子顆粒係選擇為纖維、玻璃纖維、奈米碳管、石墨烯或無機的微米或奈米顆粒其中任一或其組合。
在一實施例中，更具有一多孔顆粒層，其一側係貼設於所述第二高分子材料層之一側，該多孔顆粒層係選擇為纖維、玻璃纖維、奈米碳管、石墨烯或無機的微米或奈米顆粒其中任一或其組合。
在一實施例中，更具有一結構支撐層，其一側係設置於所述多孔顆粒層之另一側，該結構支撐層係選擇為聚丙烯（PP）、聚苯二甲酸乙二酯（PET）、聚醯胺（PA）、聚四氟乙烯（PTPE）、聚偏二氟乙烯（PVDF）或其衍生物。該結構支撐層可由織布、不織布或擴張膜等形式組成。
在一實施例中，所述薄膜係應用於一質子交換膜或一觸媒層。
透過本發明此結構的設計，藉由至少一種磺酸化聚芳香醚高分子所構成的薄膜，可達到比習用薄膜更佳的質子傳遞效率，並可增加陽離子交換效率及抓取能力，此外，還可藉由不同的結構及材料提升薄膜機械特性（增加結構強度），並降低薄膜損耗率，且可適用於各種領域的作業模式（例如氯鹼廠、半導體產業、汙水純化、海水淡化、燃料電池、氫氣純化、電化學電池等），使用範圍廣泛。
本發明之上述目的及其結構與功能上的特性，將依據所附圖式之較佳實施例予以說明。
請參閱第1圖，係為本發明磺酸化聚芳香醚高分子之複合材料第一實施例之結構示意圖，如圖所示，一種磺酸化聚芳香醚高分子之複合材料，其係由至少一種磺酸化聚芳香醚高分子所構成一薄膜2。
請參閱第2圖，係為本發明之較佳實施例該薄膜2更包含一第一高分子材料層20及一第二高分子材料層21，該第一、二高分子材料層20、21各具有一種磺酸化聚芳香醚高分子，其中，所述磺酸化聚芳香醚高分子具有下述分子式(1)：
Figure 02_image001
……….(1) 其中X及Y係為
Figure 02_image004
、
Figure 02_image006
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Figure 02_image096
Z係為氟(F)、三氟甲基(CF 3)、甲基(CH 3)、烷基(alkyl group)、全氟/多氟烷基物質 (Per/Poly fluoro alkyl group, PFAS)或芳香族(aromatic group)； Q係為氟(F)、甲基(CH 3)、烷基(alkyl group)、全氟/多氟烷基物質 (Per/Poly fluoro alkyl group, PFAS)或芳香族(aromatic group)。
n為2或大於2之整數；i為0或大於0之整數；j為0或大於0之整數；k為0或大於0之整數；m為1或大於1之整數；l為0或大於0之整數；其中，i或j其中任一為0時，則另一i或j為大於1之整數。需說明的是，所述第二高分子材料層21之i+j的總和大於所述第一高分子材料層20之i+j的總和，由於薄膜2主要目的在於增加離子交換率，按照常理推斷，i+j的總和越大越好，但若i+j的總和越大，高分子薄膜的機械特性會降低，導致結構不堅固，因此，界定了第一高分子材料層20的機械強度高（i+j的總和較低），第二高分子材料層21的離子交換率高（i+j的總和較高），得以使得本案之薄膜2同時具備機械強度高且離子交換率也高的特性。
磺酸化聚芳香醚高分子之合成流程，如下所述：經由二醇單體(2)與三氟甲基單體(3)進行親和性聚縮合反應後，再經由磺酸化而得 ：
Figure 02_image145
….(2)   +
Figure 02_image147
….(3) ↓親和性聚縮合反應
Figure 02_image149
↓磺酸化反應
Figure 02_image151
其中R為離去基(leaving group)例如：氟，p和s為2或大於2之整數，X、Y、Z及i、j、k、l皆與前述相同。
因此所述磺酸化聚芳香醚高分子，由於磺酸基（SO 3H）為親水性官能基，其特性為較易溶於水，可幫助所述磺酸化聚芳香醚高分子溶於親水性溶劑，如：水和醇類等等...的溶劑，並有助於其解離，以分離出陰、陽離子（SO 3 -及H +），且由於三氟甲基（CF 3）中的氟陰電性高，於高分子鍵結中拉取電子的能力較好，會將高分子中的電子拉向三氟甲基（CF 3）而使磺酸根（SO 3 -）的負電性降低，進而使磺酸基（SO 3H）中磺酸根（SO 3 -）與氫離子（H +）鍵結力變弱，亦有助於磺酸基（SO 3H）解離為SO 3 -及H +，且X、Y係為芳香族，因其芳香族分子的配位位置較一般烷類多，因此能夠鍵結的磺酸根相對更多，進一步解離後的陰、陽離子（SO 3 -及H +）也會隨著增加，故，透過上述高分子結構，可較快的得到較多的磺酸根（SO 3 -）與氫離子（H +），進而可大幅提高複合材料的質子傳遞效率、陽離子交換效率及陽離子抓取能力。
此外，三氟甲基（CF 3）亦為疏水性官能基，可使該高分子薄膜2不易溶於水中，此功效與磺酸根（SO 3H）親水性功效相反，當溶解度提升時，磺酸根（SO 3 -）與氫離子（H +）較易解離，薄膜離子交換效率佳，而當溶解度降低時，薄膜2機械強度較高，實際上可依狀況調整兩種官能基的數量，而控制該薄膜2之離子交換效率及機械強度。
因此，藉由前述由磺酸根（SO 3H）、三氟甲基（CF 3）及芳香族分子所形成的薄膜2，因其易解離出陰、陽離子，且有較多陰、陽離子，故可達到增加陽離子交換效率及抓取能力（SO 3 -），而得以具有更佳的質子傳遞效率（H +），且亦可依照需求調整薄膜2強度。
不同實施例，續請參閱圖2~6，如第2圖，於所述第一、二高分子材料層20、21之間更形成一介面22，如圖所示，本實施例之介面22係呈一平面狀，此時拉號20為較疏水性之磺酸化聚芳香醚高分子層，拉號21為較親水性之磺酸化聚芳香醚高分子層，如此，可藉由上層增加複合材料機械強度，又可提高離子交換效率。
又或者如第3圖所示，為本發明第三實施例，該介面22係呈一不規則凹凸狀，又或者如第4圖所示，為本發明第四實施例，該介面22上形成有複數凹部23，並該等凹部23係由所述第一高分子材料層20朝所述第二高分子材料層21下凸，且該等凸部23等距或不等距間格排列設置於所述介面22，因此，可透過該介面22增加第一、二高分子材料層20、21之間的接觸面積，提高第一、二高分子材料層20、21之間黏著力，防止兩層的分離問題，大幅增加薄膜2的機械強度。
需注意的是，本發明第二、三、四實施例之結構態樣，所述第一高分子材料層20為一疏水性高分子材料層（SO 3 -較少，CF 3較多），所述第二高分子材料層21為一親水性高分子材料層（SO 3 -較多，CF 3較少），而得以防止該薄膜2完全溶於水中，並增加薄膜2之質子傳遞效率、陽離子交換效率及陽離子抓取能力。
請參閱第5圖，係為本發明磺酸化聚芳香醚高分子之複合材料第五實施例之結構示意圖，所述磺酸化聚芳香醚高分子之複合材料部份元件及元件間之相對應之關係與前述磺酸化聚芳香醚高分子之複合材料相同，故在此不再贅述，惟本磺酸化聚芳香醚高分子之複合材料與前述最主要之差異為，於所述第二高分子材料層21內具有複數強化高分子顆粒3，該等強化高分子顆粒3係選擇纖維、玻璃纖維、奈米碳管、石墨烯或無機的微米或奈米顆粒其中任一或其組合，因此透過添加該等強化高分子顆粒3，可增加該第二高分子材料層21的結構強度，進以提升該薄膜2的機械強度。
請參閱第6圖，係為本發明磺酸化聚芳香醚高分子之複合材料第六實施例之結構示意圖，所述磺酸化聚芳香醚高分子之複合材料部份元件及元件間之相對應之關係與前述磺酸化聚芳香醚高分子之複合材料相同，故在此不再贅述，惟本磺酸化聚芳香醚高分子之複合材料與前述最主要之差異為，更具有一多孔顆粒層4及一結構支撐層5，該多孔顆粒層4一側係貼設於所述第二高分子材料層21之一側，該多孔顆粒層4係選擇為奈米纖維、奈米玻璃纖維、奈米碳管或石墨烯、無機奈米顆粒其中任一或其組合，該結構支撐層5一側係貼設於所述多孔顆粒層4之另一側，該結構支撐層5係選擇為聚丙烯（PP）、聚苯二甲酸乙二酯（PET）、聚醯胺（PA）、聚四氟乙烯（PTPE）、聚偏二氟乙烯（PVDF）或其衍生物，該支撐層可由織布、不織布或擴張膜等形式組成，藉此結構支撐層5再增加整體複合材料之機械強度，但該結構支撐層5為一多孔結構會令上層的第一、二高分子材料層20、21於未固化而向下滲透進去使該薄膜2產生孔洞空隙，因此，本實施例中更具有所述多孔顆粒層4披覆於所述結構支撐層5上，並利用奈米材料分子小的特性而得以阻擋上層的第一、二高分子材料層20、21滲透，藉此，多孔顆粒層4及結構支撐層5使得整體複合材料機械強度更高，可適用於更多領域。
需說明的是，本發明之薄膜2係應用於一質子交換膜或一觸媒層或其他等效物，換句話說，該薄膜2可適用於各種領域的作業模式（例如氯鹼廠、半導體產業、汙水純化、海水淡化、燃料電池及任何需要質子交換或陽離子交換的領域），使用範圍非常廣泛。
以上所述，本發明相較於習知具有下列優點： 1.大幅提高質子傳遞效率； 2.增加陽離子交換效率； 3.增加陽離子抓取能力； 4.提升薄膜機械特性； 5.降低薄膜耗損率； 6.應用範圍廣泛。
以上已將本發明做一詳細說明，惟以上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，當不能限定本發明實施之範圍，即凡依本發明申請範圍所作之均等變化與修飾等，皆應仍屬本發明之專利涵蓋範圍。
2:薄膜
20:第一高分子材料層
21:第二高分子材料層
22:介面
23:凹部
3:強化高分子顆粒
4:多孔顆粒層
5:結構支撐層
第1圖係為本發明磺酸化聚芳香醚高分子之複合材料第一實施例之結構示意圖； 第2圖係為本發明磺酸化聚芳香醚高分子之複合材料第二實施例之結構示意圖； 第3圖係為本發明磺酸化聚芳香醚高分子之複合材料第三實施例之結構示意圖； 第4圖係為本發明磺酸化聚芳香醚高分子之複合材料第四實施例之結構示意圖； 第5圖係為本發明磺酸化聚芳香醚高分子之複合材料第五實施例之結構示意圖； 第6圖係為本發明磺酸化聚芳香醚高分子之複合材料第六實施例之結構示意圖。
Figure 01_image001
2:薄膜
20:第一高分子材料層
21:第二高分子材料層
22:介面

Claims (8)

  1. 一種磺酸化聚芳香醚高分子之複合材料，其係由至少一種磺酸化聚芳香醚高分子所構成並其形成一薄膜，該磺酸化聚芳香醚高分子具有下述分子式(1)：
    Figure 110149577-A0305-02-0017-1
     其中X及Y係為
    Figure 110149577-A0305-02-0017-3
    、
    Figure 110149577-A0305-02-0017-4
    、
    Figure 110149577-A0305-02-0017-5
    、
    Figure 110149577-A0305-02-0017-6
    、
    Figure 110149577-A0305-02-0017-7
    、
    Figure 110149577-A0305-02-0017-8
    、
    Figure 110149577-A0305-02-0017-2
    Figure 110149577-A0305-02-0018-2
    Figure 110149577-A0305-02-0019-9
    Figure 110149577-A0305-02-0019-10
    或
    Figure 110149577-A0305-02-0019-11
    ；Z係為氟(F)、三氟甲基(CF3)、甲基(CH3)、烷基(alkyl group)、全氟/多氟烷基物質(Per/Poly fluoro alkyl group,PFAS)或芳香族(aromatic group)； Q係為氟(F)、甲基(CH3)、烷基(alkyl group)、全氟/多氟烷基物質(Per/Poly fluoro alkyl group,PFAS)或芳香族(aromatic group)；其中，n為2或大於2之整數；i為0或大於0之整數；j為0或大於0之整數，i或j其中任一為0時，則另一i或j為大於1之整數；k為0或大於0之整數；m為1或大於1之整數；l為0或大於0之整數；其中，由該磺酸化聚芳香醚高分子構成的薄膜更包含一第一高分子材料層及一第二高分子材料層，該第一、二高分子材料層各具有一種磺酸化聚芳香醚高分子，所述第二高分子材料層之i+j的總和大於所述第一高分子材料層之1+j的總和。
  2. 如請求項1所述之磺酸化聚芳香醚高分子之複合材料，其中所述第一、二高分子材料層之間更形成一介面，該介面係呈一平面狀或呈一不規則凹凸狀，且於該介面因擴散原理所述第一、二高分子材料組成呈漸變或均勻的組成樣態。
  3. 如請求項1所述之磺酸化聚芳香醚高分子之複合材料，其中所述一、二高分子材料層之間更形成一介面，複數凹部形成於該介面上，並該等凹部係由所述第一高分子材料層朝所述第二高分子材料層下凸，且於該介面因擴散原理所述第一、二高分子材料組成呈漸變或均勻的組成樣態。
  4. 如請求項3所述之磺酸化聚芳香醚高分子之複合材料，其中所述凹部係呈等距或不等距間格排列設置於所述介面。
  5. 如請求項1所述之磺酸化聚芳香醚高分子之複合材料，其中於所述第二高分子材料層內具有複數強化高分子顆粒，該等強化高分子顆粒係選擇為纖維、玻璃纖維、奈米碳管、石墨烯或無機的微米或奈米顆粒其中任一或其 組合。
  6. 如請求項1所述之磺酸化聚芳香醚高分子之複合材料，其中更具有一多孔顆粒層，其一側係貼設於所述第二高分子材料層之一側，該多孔顆粒層係選擇為纖維、玻璃纖維、奈米碳管、石墨烯或無機的微米或奈米顆粒其中任一或其組合。
  7. 如請求項6所述之磺酸化聚芳香醚高分子之複合材料，其中更具有一結構支撐層，其一側係設置於所述多孔顆粒層之另一側，該結構支撐層係選擇為聚丙烯(PP)、聚苯二甲酸乙二酯(PET)、聚醯胺(PA)、聚四氟乙烯(PTPE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)或其衍生物。
  8. 如請求項1所述之磺酸化聚芳香醚高分子之複合材料，其中所述薄膜係應用於一質子交換膜或一觸媒層。
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TW201700534A (zh) * 2015-06-22 2017-01-01 國立中山大學 含氟磺酸化聚芳香醚高分子及其製造方法

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