[发明专利]一种聚苯并咪唑-聚硅氧烷嵌段共聚物及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种嵌段共聚物领域，尤其是涉及一种聚苯并咪唑‑聚硅氧烷嵌段共聚物及其制备方法与应用。本发明设计并合成出一种化学键结合的聚苯并咪唑‑聚硅氧烷(PBI‑PDMS)嵌段共聚物。所述嵌段共聚物具有两亲性，所述嵌段共聚物由于是PDMS的软段与PBI的硬段、PDMS的疏水段与PBI的亲水段结合从而形成软‑硬、亲‑疏的相分离结构，通过两种链段的相分离结构构筑质子传输通道，另外，PBI的结构能够容纳更多的磷酸，最终获得高质子电导率、高质子电导率保持率和高储能模量的嵌段共聚物。

技术领域

本发明涉及一种嵌段共聚物领域，尤其是涉及一种聚苯并咪唑-聚硅氧烷嵌段共聚物及其制备方法与应用。

背景技术

苯并咪唑类聚合物(PBIs)是一类主链结构中含有苯并咪唑环的聚合物，它具有优良的化学稳定性、热稳定性、阻燃性和机械性能等物理化学性质，广泛应用于耐高温织物、防火阻燃材料和工业品过滤材料等。随着燃料电池研究的兴起，常用的全氟磺酸质子交换膜因存在在高温、低湿度条件下质子电导率和力学性能下降等缺陷而不能满足燃料电池在高温、低湿度条件下的运行，研究者们开始寻找和研究新型质子交换膜材料。PBIs由于其优异的化学和热稳定性而受到青睐，研究者们发现，尽管PBIs不导质子，但由于其特定的咪唑环结构使PBIs表现为碱性，与无机酸尤其是磷酸(PA)发生质子化作用形成离子对而出现一定的离子导电性。

在高温质子交换膜领域，PBIs基质子交换膜的质子电导率严重依赖于其磷酸掺杂水平(ADL，每摩尔聚合物重复单元中所结合的磷酸摩尔数目)，要使这类膜具有高的质子电导率需要掺入大量的磷酸，这将导致膜的机械性能明显下降，为此需要兼顾质子电导率与机械性能的平衡；另外，较多的磷酸也容易在使用过程中随着阴极产生的水而流失，将降低膜的质子电导率。针对上述问题常规的解决方法有交联，掺入磷酸锆、杂多酸、离子液体等质子载体，或引入SiO₂、TiO₂、黏土、沸石和蒙脱石等氧化物。现有技术中曾报道过以聚苯并咪唑为聚合物骨架，以三氮唑类离子液体基聚乙烯为交联剂，通过自交联形成交联型高温质子交换膜。但是还是存在诸多不足，因此仍旧存在极大的研究和创新空间。

发明内容

研究发现，目前苯并咪唑类聚合物作为质子交换膜材料存在在磷酸掺杂水平较低的条件下获得较高的质子电导率以及磷酸流失导致的电导率下降的问题。而聚硅氧烷(PDMS)是一种具有良好的耐热性和疏水性的聚合物材料。PDMS的玻璃化转变温度低，同时也是一种典型的柔性材料。将PDMS和PBI结合则有助于提高PBI的柔性，利于加工，但是PBI与PDMS的物理结合存在一定的相容性问题。为此，本发明设计并合成出一种化学键结合的聚苯并咪唑-聚硅氧烷(PBI-PDMS)嵌段共聚物。所述嵌段共聚物具有两亲性，所述嵌段共聚物由于是PDMS的软段与PBI的硬段、PDMS的疏水段与PBI的亲水段结合从而形成软-硬、亲-疏的相分离结构，通过两种链段的相分离结构构筑质子传输通道，另外，PBI的结构能够容纳更多的磷酸，最终获得高质子电导率、高质子电导率保持率和高储能模量的嵌段共聚物。

本发明目的是通过如下技术方案实现的：

一种嵌段共聚物，所述嵌段共聚物是聚苯并咪唑-聚硅氧烷嵌段共聚物；所述嵌段共聚物是由含羧基的苯并咪唑类聚合物与含双端氨基的聚硅氧烷反应得到的。

根据本发明，所述含羧基的苯并咪唑类聚合物与含双端氨基的聚硅氧烷的质量比为60-95:40-5。

根据本发明，所述含羧基的苯并咪唑类聚合物与含双端氨基的聚硅氧烷的摩尔比为1:0.4～1:3。

根据本发明，所述嵌段共聚物为两嵌段共聚物、三嵌段共聚物或多嵌段共聚物。

示例性地，所述嵌段共聚物包括聚苯并咪唑嵌段和聚硅氧烷嵌段，形成聚苯并咪唑嵌段-聚硅氧烷嵌段的两嵌段共聚物。

示例性地，所述嵌段共聚物包括聚苯并咪唑嵌段和聚硅氧烷嵌段，形成聚苯并咪唑嵌段-聚硅氧烷嵌段-聚苯并咪唑嵌段的三嵌段共聚物。