阳离子导电聚合物制造技术

一种阳离子导电聚合物，具有多个重复单元，各该重复单元具有下列通式的结构

Cationic conducting polymer

【技术实现步骤摘要】
阳离子导电聚合物
本专利技术关于一种聚合物，特别是一种具有良好物化稳定性、亲水性及导电性的阳离子导电聚合物。
技术介绍
燃料电池是利用电化学反应直接将燃料中的化学能转换为电能，质子交换膜燃料电池(protonexchangememberfuelcell,PEMFC)为常见的燃料电池系统之一，质子交换膜燃料电池以氢气作为燃料，反应后仅会生成水及热能，不会对环境造成任何污染。在质子交换膜燃料电池系统中，通入阳极的氢气经气体扩散层扩散至触媒层，并在触媒层的铂(Pt)催化下生成质子(H+)及电子(e-)，电子经外部电路传递至阴极，而质子经由质子交换膜传递至阴极端触媒层，并与通入阴极的氧气及传递至阴极的电子进行还原反应而生成水，其中阳极反应式为H2→2H++2e-，阴极反应式为4H++4e-+O2→2H2O，总反应式为2H2+O2→2H2O。质子交换膜为质子交换膜燃料电池系统中最重要的元件，会直接影响燃料电池的性能及寿命，市面上常见的质子交换膜以杜邦公司所生产的钠菲薄膜(Nafion)为主，其属于全氟磺酸化高分子(perfluorosulfonicacidionomer,PFSA)，虽然Nafion具有高质子导电度及使用寿命达60000小时以上等优点，但具有下列缺点：在高温低湿环境下，因无法保留水分子而造成质子导电度下降；因玻璃转移温度(Tg)过低，无法在高温环境中使用；价格昂贵；具污染性。因此目前质子交换膜的研究开发多以朝向替代Nafion的方向发展。中国台湾专利技术专利I527842揭露一种含氟磺酸化聚芳香醚高分子，由具有1至6个氟基(-F)或三氟甲基(-CF3)的含氟单体及多苯环单体经亲核性聚缩合反应所形成，然而含氟单体会影响亲水性及导电性，使得上述含氟磺酸化聚芳香醚高分子不利于应用于燃料电池的质子交换膜。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种阳离子导电聚合物，该阳离子导电聚合物具有良好的物化稳定性、亲水性及导电性，因此经涂布形成的薄膜可作为质子交换膜，应用于燃料电池系统中。本专利技术的一种阳离子导电聚合物，其包含有多个重复单元，各该重复单元具有下列通式的结构其中X选自于Y选自于i为大于1或等于1的整数，j为大于1或等于1的整数。前述的阳离子导电聚合物，其中i为1至10的整数，j为1至10的整数。前述的阳离子导电聚合物，其中各该重复单元具有2至4个磺酸根基团(-SO3H)。前述的阳离子导电聚合物，其中该阳离子导电聚合物具有下列式(SP1)的结构，R为氢(H)或磺酸根基团(-SO3H)，n为大于2或等于2的整数。前述的阳离子导电聚合物，其中该阳离子导电聚合物具有下列式(SP2)的结构，R为氢(H)或磺酸根基团(-SO3H)，n为大于2或等于2的整数。前述的阳离子导电聚合物，其中该阳离子导电聚合物具有下列式(SP3)的结构，R为氢(H)或磺酸根基团(-SO3H)，n为大于2或等于2的整数。前述的阳离子导电聚合物，其中该阳离子导电聚合物的每一重复单元具有2至4个磺酸根基团(-SO3H)。附图说明图1：依据本专利技术的一实施例，一种阳离子导电聚合物的合成流程图。具体实施方式本专利技术揭露一种阳离子导电聚合物，其具有多个重复单元，各该重复单元具有下列通式的结构，其中X选自于Y选自于SO3H为亲水性磺酸根基团，i为大于1或等于1的整数，j为大于1或等于1的整数，较佳地，i为1至10的整数，j为1至10的整数，更佳地，i及j的总和为2至4的整数，即各该重复单元具有2至4个磺酸根基团。请参阅下列结构式，其为本专利技术的实施例，其中P1聚合物、P2聚合物及P3聚合物为未磺酸化的阳离子导电聚合物，n为大于2或等于2的整数，在本实施例中，二氟单体与不同的二醇单体经亲核性聚缩合反应后即可分别获得P1聚合物、P2聚合物及P3聚合物。请参阅下列表1，以P2聚合物为例，P2聚合物根据分子量大小可区分为高分子量聚合物P2-H、中分子量聚合物P2-M及低分子量聚合物P2-L，下列表1列出不同分子量P2聚合物的重量平均分子量(Mw)、数量平均分子量(Mn)及聚合物分散性指数(polymerdispersityindex,PDI,Mw/Mn)。表1P1、P2及P3聚合物经磺酸化改质后可获得SP1、SP2及SP3聚合物，其中n为大于2或等于2的整数，R为氢(H)或磺酸根基团(-SO3H)，较佳地，SP1、SP2及SP3聚合物中的每一重复单元具有2至4个磺酸根基团。请参阅图1，以SP2聚合物为例，二氟单体a及二醇单体b经亲核性聚缩合反应生成P2聚合物，将P2聚合物溶于无水二氯甲烷(dichloromethane)，并在氮气环境下滴入氯磺酸(chlorosulfonicacid)进行磺酸化改质，反应完成后将产物倒入水中过滤并清洗至中性，最后真空干燥产物即获得SP2聚合物。请参阅下列表2，其为SP1、SP2及SP3聚合物的试验数据。表2氧化稳定性是将薄膜样品置于80℃芬顿试剂(Fenton’reagent,2ppmFeSO4in3％H2O2solution)中1小时，根据处理前后的样品重量差异计算样品残余重量，尺寸稳定性是将样品薄膜置于80℃水中24小时后，根据处理前后的薄膜尺寸差异(长度、宽度及厚度)计算尺寸稳定性，而质子导电度是在高温高湿环境下(80℃，95％相对湿度)进行导电度测试，由试验结果可知，SP1、SP2及SP3聚合物具有良好的氧化稳定性、尺寸稳定性及质子导电度。请参阅下列表3，其为不同分子量的SP2-H、SP2-M及SP2-L聚合物与杜邦钠菲薄膜Nafion211(DuPontTMPFSANR-211)的性质对照表。表3热裂解温度(Td5％)为样品重量损失5％时的温度，SP2聚合物的Td5％介于252-266℃之间，具有良好的热稳定性。氧化稳定性测试是将薄膜样品置于80℃芬顿试剂(Fenton’reagent,2ppmFeSO4in3％H2O2solution)中1小时，根据处理前后的样品重量差异计算样品残余重量，SP2聚合物经氧化处理后仍保有90％以上的残余重量，具有良好的氧化稳定性。尺寸稳定性及吸水率测试是将薄膜样品置于80℃水中24小时，根据浸泡前后的薄膜长度及厚度差异计算其变化率，并根据浸泡前后的薄膜重量差异计算其吸水率，SP2聚合物的吸水率介于84-146％之间，明显高于Nafion，但尺寸变化率并无随着吸水率明显提高，因此相较于Nafion211，SP2聚合物在高温水中可减少澎润现象。离子交换能力是以酸碱滴定法进行测试，其可用以判断样品的磺酸化程度，而质子导电度会随着磺酸化程度增加而上升，根据测试结果，SP2聚合物的离子交换能力及质子导电度均高于Nafion211，符合预期。根据上述试验结果可知，本专利技术的该阳离子导电聚合物具有良好的热稳定性、氧化稳定性、尺寸稳定性、离子本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种阳离子导电聚合物，其特征在于其包含：多个重复单元，各该重复单元具有下列通式的结构/n

【技术特征摘要】
20180626 TW 1071219691.一种阳离子导电聚合物，其特征在于其包含：多个重复单元，各该重复单元具有下列通式的结构

，
其中X选自于Y选自于i为大于1或等于1的整数，j为大于1或等于1的整数。


2.根据权利要求1所述的阳离子导电聚合物，其特征在于：其中i为1至10的整数，j为1至10的整数。


3.根据权利要求1所述的阳离子导电聚合物，其特征在于：其中各该重复单元具有2至4个磺酸根基团(-SO3H)。


4.根据权利要求1所述的阳离子导电聚合物，其特征在于：其中该阳离子导电聚合物具有下列式(SP1)的结构

，...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄文尧，李旭峰，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：中国台湾;71