[发明专利]含二氮杂萘酮联苯结构聚苯并咪唑及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于高分子科学技术领域，涉及到高性能高分子材料及其制备法，特别涉及到一类含二氮杂萘酮联苯结构聚苯并咪唑及其制备法。

背景技术

聚苯并咪唑(Polybenzimidazole)是一类杂环高性能高分子材料，具有很高的玻璃化转变温度、优异的热稳定性、良好的阻燃性、突出的耐化学腐蚀性和优异的机械性能，能够承受非常苛刻的使用环境，这类材料可作为阻燃材料、耐高温粘合剂和涂料等应用于航空航天、海水淡化和膜分离领域。最近，聚苯并咪唑由于在质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池领域的应用而受到广泛贯注。然而聚苯并咪唑的熔点很高，而且溶解性差，导致其应用受到限制。商品化的聚苯并咪唑，聚(2，2’-间苯撑-5，5’-联苯并咪唑)，是由间苯二甲酸和3，3’-二氨基联苯胺缩聚而成，具有刚性结构，加工性差。

在分子主链中引入柔性基团或体积较大的基团可以改善聚苯并咪唑的溶解性，是一种制备可溶性聚苯并咪唑的方法。例如，Connell J.W.等人【Hergenrother，P.M.；Smith，J.G.；Connell，J.W.Polymer，1993，34，856-865.】通过在聚苯并咪唑的主链中引入醚键，合成聚芳醚苯并咪唑，聚合物具有良好的溶解性，其玻璃化转变温度为264～352℃，比商品化聚苯并咪唑有明显降低；Chuang S.W.等人【Chuang，S.W.；Hsu，S.L.C.，Journal of Polymer Science Parta-Polymer Chemistry 2006，44，(15)，45084513.】以2，2-双(4-羧基苯基)六氟丙烷与3，3’-二氨基联苯胺为原料制备含氟聚苯并咪唑，所合成的聚合物可溶解于N-甲基吡咯烷酮(NMP)、N，N-二甲基乙酰胺(DMAc)和二甲基亚砜(DMSO)等极性溶剂中，5％热失重温度为520℃；Benicewicz B.C.等人【Xiao，L；Zhang，H；Jana，T；Scanlon，E；Chen，R；Choe，E.W；Ramanathan，L.S；Yu，S；Benicewicz，B.C，Fuel Cells 2005，5，(2)，287-295】以含吡啶环的二元羧酸合成含氮杂环的聚苯并咪唑，聚合物的溶解性得到明显改善，其初始热失重温度为420℃，与mPBI相比有明显降低；Vernekar S.P.等人【Kulkarni，M；Potrekar，R；Kulkarni，R.A.；Vernekar，S.P，Journal of Polymer Science Part a-Polymer Chemistry 2008，46，(17)，5776-5793】在聚苯并咪唑的分子主链上引入体积较大的氨基苯氧基侧基，所合成的聚合物的玻璃化转变温度为376℃，5％热失重温度为516℃，可溶解于NMP、DMAc和DMSO等极性有机溶剂中。

在聚苯并咪唑的分子主链上引入磺酸基以制备磺化聚苯并咪唑，可以赋予聚苯并咪唑较高的质子传导能力。例如，Qing Shengbo等人【Qing，S.B；Huang，W；Yan，D.Y，Journal ofPolymer Science Part a-Polymer Chemistry 2005，43，(19)，4363-4372】以含磺酸基和砜基的二元羧酸单体制备磺化聚苯并咪唑，聚合物可溶解于NMP、DMAc和DMSO等极性有机溶剂中，5％热失重温度在430℃以上，玻璃化转变温度为238℃左右。Asensio J.A.等人【Asensio，J.A；Borros，S；Gomez-Romero，P，Journal of Polymer Science Part a-Polymer Chemistry 2002，40，(21)，3703-3710】以磺化间苯二甲酸和间苯二甲酸与3，3’-二氨基联苯胺共聚，制备磺化聚苯并咪唑，聚合物具有良好的耐热稳定性、溶解性和质子传导能力，但与商品化PBI相比，热稳定性有明显降低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是从分子结构设计和应用角度出发，提供一种含二氮杂萘酮联苯结构聚苯并咪唑及其制备方法，以二元羧酸，4-[4-(4-羧基苯氧基)苯基]-2-(4-羧基苯基)二氮杂萘-1-酮或其衍生物为二元羧酸单体，也可同时加入其他二元羧酸或其衍生物，与四元胺或其盐酸盐进行缩聚反应，合成兼具优异耐热性和良好溶解性的聚苯并咪唑树脂；

本发明含二氮杂萘酮联苯结构聚苯并咪唑，其结构表达式如下：