[发明专利]含侧基和醚键的聚苯并咪唑及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明属于高分子材料及其合成的技术领域，具体涉及含侧基和醚键的聚苯并咪唑及其制备方法与应用。

背景技术

聚苯并咪唑（PBI）是一类具有优异的热稳定性、机械性能和阻燃性能的特种工程塑料，可作为高温结构胶粘剂、高强度纤维、泡沫材料、耐焰织物、耐热薄膜和增强塑料等广泛应用于航空航天工业等高技术领域。近年来，磺化或磷酸掺杂聚苯并咪唑在高温燃料电池用质子交换膜领域的应用研究也获得了重要进展。但PBI具有制备工艺复杂、加工困难及价格昂贵等缺点，使这类高性能材料的应用受到了限制。

聚苯并咪唑分子结构的高强度及其分子间较强的氢键作用，使其在有机溶剂中的溶解性很差，从而导致加工困难，限制了聚苯并咪唑作为薄膜和涂层等材料的应用。在刚性的聚苯并咪唑的分子结构中引入醚键等柔性链段或破坏分子链规整性的侧基，可以制备具有良好的溶解性和热稳定性的聚苯并咪唑，同时聚合物也具有较好的成膜性和很高的力学强度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，聚苯并咪唑分子在有机溶剂中溶解性很差限制其作为薄膜和涂层等材料的应用的缺陷。本发明提供了一种含侧基和醚键的聚苯并咪唑及其制备方法与应用。

本发明的技术方案是，首先合成具有侧基和醚键结构的二酸单体，再与四胺单体缩聚，在聚苯并咪唑主链结构中引入侧基和醚键，制得含侧基和醚键的聚苯并咪唑；将所述的含侧基和醚键的聚苯并咪唑溶解于有机溶剂中，制得聚苯并咪唑薄膜；或将所述的含侧基和醚键的聚苯并咪唑与磺化聚醚醚酮通过溶液共混制得了具有不同聚苯并咪唑含量的磺化聚醚醚酮/聚苯并咪唑共混薄膜作为高性能质子传导膜。

本发明的具体技术方案如下。

一种含侧基和醚键的聚苯并咪唑，其结构式如下：

其中，n=3～500；可以是以下任意一种或者多种：

一种含侧基和醚键的聚苯并咪唑的制备方法，由以下步骤组成：

（1）将含有侧基的双酚化合物用有机溶剂溶解并加入无水碳酸钾，于150℃回流1～3小时，加入对卤苯甲腈，于160℃反应3～24小时后用丙酮重结晶得到含有侧基和醚键的二腈单体；其中含侧基的双酚化合物、无水碳酸钾，对卤苯甲腈及有机溶剂的摩尔比为1∶2～2.5∶2～2.5∶32～33；所述有机溶剂优选N,N-二甲基甲酰胺（DMF），二甲基亚砜（DMSO），N,N-二甲基乙酰胺（DMAc），N-甲基吡咯烷酮（NMP）和丙酮中的一种或多种；

（2）将所述含有侧基和醚键的二腈单体溶解于乙醇-水混合溶剂中，并加入氢氧化钾进行水解，水解完全后，用盐酸调节溶液的pH值为1～6后用1,4-二氧六环重结晶，得到含有侧基和醚键的二酸单体；其中含有侧基和醚键的二腈单体、氢氧化钾、乙醇和水的摩尔比为1∶5～50∶0.9～1∶3～3.1；

（3）在氮气保护下，将所述含有侧基和醚键的二酸单体和3,3’-二氨基联苯胺单体溶解于五氧化二磷-甲烷磺酸溶液中，于80～120℃持续1～3小时后，再于130～180℃反应3～4小时，得到黏稠溶液；将所述黏稠溶液倒入冰水中得到细丝状聚合物；所述细丝状聚合物经粉碎、洗涤后在质量分数为10%的碳酸氢钠溶液中浸泡48小时，用去离子水洗涤至中性后先于80℃真空干燥24小时，再于120℃真空干燥12小时，得到含有侧基和醚键的聚苯并咪唑；含有侧基和醚键的二酸单体、3,3’-二氨基联苯胺单体、五氧化二磷和甲烷磺酸的摩尔比为1∶1∶16∶2.3～2.4。

所述含有侧基的双酚化合物的结构式为：

其中可以是以下任意一种或者多种：

所述对卤苯甲腈优选对氟苯甲腈或对氯苯甲腈。

含侧基和醚键的二酸单体的合成反应式如下：

聚合反应式如下：

一种含侧基和醚键的聚苯并咪唑的应用，用于制备燃料电池质子传导膜。

所述的制备燃料电池质子传导膜，可以用含侧基和醚键的聚苯并咪唑溶于有机试剂制膜；还可以用含侧基和醚键的聚苯并咪唑与磺化聚醚醚酮通过溶液共混制膜。