【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于高分子材料，具体属于一种高耐碱性原位交联阴离子交换聚合物及膜及装置。
技术介绍
1、阴离子交换膜作为一类关键的功能性膜材料，因其能选择性地传导阴离子而在电解水制氢、碱性燃料电池、液流电池和电渗析器等电化学装置中发挥着重要作用。这些应用场景要求阴离子交换膜具备高离子传导率、优异的化学稳定性、良好的机械强度以及出色的尺寸稳定性。然而，当前市场上的阴离子交换膜在综合性能上往往存在短板，难以满足实际应用中的严苛要求。
2、离子传导率是衡量阴离子交换膜性能的重要指标之一，直接关系到电化学装置的能量转换效率。然而，高离子传导率往往与化学稳定性存在矛盾。传统的阴离子交换膜在提高离子传导率的同时，往往牺牲了化学稳定性，尤其是在碱性环境下，膜材料容易发生降解，导致性能迅速下降。这种矛盾限制了阴离子交换膜在长时间、高负荷运行条件下的应用。
3、除了化学稳定性外，尺寸稳定性对于保证电化学装置的性能和运行稳定性至关重要。然而，现有的许多阴离子交换膜在长时间使用或处于极端条件下时，容易发生形变或破损，导致装置性能下降甚至失效。
4、专利cn 111040137 a提出了一种创新的阴离子交换聚合物及其制备方法，该聚合物的主链上同时包含联苯、三联苯以及哌啶类季铵阳离子结构单元。这种设计不仅提高了膜材料的化学稳定性，还赋予了其优异的离子电导率、机械强度和抗溶胀性能。然而，尽管该技术在多个方面取得了显著进展，但在碱稳定性和尺寸稳定性方面仍存在不足。特别是在长时间运行或处于高碱性环境下，膜材料的性能容易衰退，导致电
5、综上所述，现有技术中的阴离子交换膜在离子传导率、化学稳定性和尺寸稳定性等方面存在诸多不足，难以满足实际应用中的高要求。因此，开发一种既能保持高离子传导率，又能显著提升化学稳定性和尺寸稳定性的新型阴离子交换膜材料成为当前研究的迫切需求。
技术实现思路
1、为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种高耐碱性原位交联阴离子交换聚合物及膜及装置，通过在聚合物骨架结构中引入高耐碱性的阳离子基团和可在铸膜过程中原位聚合的侧链结构，在保持阴离子交换膜高离子传导率的同时提高了耐碱稳定性、机械强度和尺寸稳定性，实现阴离子交换膜性能的全面优化，以满足实际电堆装配及长期运行的高要求。
2、为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种高耐碱性原位交联阴离子交换聚合物，所述阴离子交换聚合物采用聚芳基骨架结构，并在聚芳基骨架结构中引入高耐碱性阳离子基团和原位聚合侧链结构，结构通式具体如下：
3、
4、其中，a为芳基基团，x取值为50~99。
5、进一步的，芳基基团为联苯、对三联苯、间三联苯、二苯乙烷、9,9-二甲基芴中的一种或几种。
6、本专利技术提供一种高耐碱性原位交联阴离子交换聚合物的制备方法，具体步骤如下：
7、将100份芳基化合物和100份奎宁环酮盐酸盐或3-奎宁环酮在溶剂中混合，0℃条件下，路易斯酸催化反应，除杂，烘干得到中间聚合物；
8、将100份中间聚合物、1~50份对氯甲基苯乙烯和100~1000份碘甲烷混合，在碱性条件下反应，过滤，洗涤，烘干得到阴离子交换聚合物。
9、进一步的，所述阴离子交换聚合物的结构通式具体如下：
10、
11、其中，a为芳基基团，x取值为50~99。
12、进一步的，芳基基团为联苯、对三联苯、间三联苯、二苯乙烷、9,9-二甲基芴中的一种或几种。
13、本专利技术提供一种高耐碱性原位交联阴离子交换膜，采用高耐碱性原位交联阴离子交换聚合物制备，所述高耐碱性原位交联阴离子交换聚合物的结构通式具体如下：
14、
15、其中，a为芳基基团，x取值为50~99。
16、进一步的，所述高耐碱性原位交联阴离子交换聚合物采用下述方法制备：
17、将100份芳基化合物和100份奎宁环酮盐酸盐或3-奎宁环酮在溶剂中混合，0℃条件下，路易斯酸催化反应，除杂，烘干得到中间聚合物；
18、将100份中间聚合物、1~50份对氯甲基苯乙烯和100~1000份碘甲烷混合，在碱性条件下反应，过滤，洗涤，烘干得到阴离子交换聚合物。
19、本专利技术还提供上述一种高耐碱性原位交联阴离子交换膜的制备方法，将质量分数1%~50%的高耐碱性原位交联阴离子交换聚合物溶液，倒入模板中烘干，得到阴离子交换膜。
20、进一步的，所述烘干为在50℃~120℃烘干30min~12h。
21、本专利技术还提供一种电解水反应器，包含上述高耐碱性原位交联阴离子交换膜。
22、与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：
23、本专利技术提供一种高耐碱性原位交联阴离子交换聚合物，其核心在于聚合物骨架结构中引入了高耐碱性的阳离子基团以及可在铸膜过程中原位聚合的侧链结构。这种独特的设计不仅保持了阴离子交换膜的高离子传导率，更显著提升了其耐碱稳定性、机械强度和尺寸稳定性，实现了膜性能的全面优化。
24、进一步的，本专利技术采用聚芳基骨架，如联苯、对三联苯、间三联苯、二苯乙烷、9,9-二甲基芴等，这些芳基基团赋予聚合物良好的热稳定性和化学稳定性。引入高耐碱性的阳离子基团，如奎宁环酮衍生物，这些基团在碱性环境中能够保持稳定，不易降解，从而延长了膜的使用寿命。引入包含在铸膜过程中原位聚合的反应位点的侧链结构，如氯甲基苯乙烯，这些位点通过原位聚合反应形成交联结构，增强了膜的尺寸稳定性和机械强度。
25、采用上述高耐碱性原位交联阴离子交换聚合物制备的阴离子交换膜，得益于聚合物骨架中的高耐碱性阳离子基团，膜能够保持高效的离子传导性能；高耐碱性的阳离子基团和交联结构共同提升了膜的耐碱性能，使其能够在碱性环境中长期稳定运行。原位聚合的侧链结构增强了膜的交联度，有效防止了膜在长期使用过程中的尺寸变化。因此该膜不仅保持了高离子传导率，还显著提高了耐碱稳定性和尺寸稳定性，适用于各种碱性电解水、燃料电池等电化学应用。
26、本专利技术的高耐碱性原位交联阴离子交换膜应用在电解水反应器中，高离子传导率保证了电解水过程中的高效离子传输，提高了电解效率；耐碱稳定性和尺寸稳定性确保了膜在碱性环境中的长期稳定运行，延长了设备的使用寿命。由于膜的优异性能，减少了更换和维护的频率，降低了设备的维护成本。
27、综上所述，本专利技术的高耐碱性原位交联阴离子交换聚合物及膜在电化学领域具有广阔的应用前景，能够为电解水、燃料电池等电化学应用提供高效、稳定、经济的解决方案。
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1.一种高耐碱性原位交联阴离子交换聚合物，其特征在于，所述阴离子交换聚合物采用聚芳基骨架结构，并在聚芳基骨架结构中引入高耐碱性阳离子基团和原位聚合侧链结构，结构通式具体如下：
2.根据权利要求1所述的一种高耐碱性原位交联阴离子交换聚合物，其特征在于，芳基基团为联苯、对三联苯、间三联苯、二苯乙烷、9,9-二甲基芴中的一种或几种。
3.一种高耐碱性原位交联阴离子交换聚合物的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
4.根据权利要求3所述的一种高耐碱性原位交联阴离子交换聚合物的制备方法，其特征在于，所述阴离子交换聚合物的结构通式具体如下：
5.根据权利要求4所述的一种高耐碱性原位交联阴离子交换聚合物的制备方法，其特征在于，芳基基团为联苯、对三联苯、间三联苯、二苯乙烷、9,9-二甲基芴中的一种或几种。
6.一种高耐碱性原位交联阴离子交换膜，其特征在于，采用高耐碱性原位交联阴离子交换聚合物制备，所述高耐碱性原位交联阴离子交换聚合物的结构通式具体如下：
7.根据权利要求6所述的一种高耐碱性原位交联阴离子交换膜，其特征在于，所
8.权利要求6或7所述的一种高耐碱性原位交联阴离子交换膜的制备方法，其特征在于，将质量分数1%~50%的高耐碱性原位交联阴离子交换聚合物溶液，倒入模板中烘干，得到阴离子交换膜。
9.根据权利要求8所述的一种高耐碱性原位交联阴离子交换膜的制备方法，其特征在于，所述烘干为在50℃~120℃烘干30min~12h。
10.一种电解水反应器，其特征在于，包含权利要求6所述高耐碱性原位交联阴离子交换膜。
...【技术特征摘要】
1.一种高耐碱性原位交联阴离子交换聚合物，其特征在于，所述阴离子交换聚合物采用聚芳基骨架结构，并在聚芳基骨架结构中引入高耐碱性阳离子基团和原位聚合侧链结构，结构通式具体如下：
2.根据权利要求1所述的一种高耐碱性原位交联阴离子交换聚合物，其特征在于，芳基基团为联苯、对三联苯、间三联苯、二苯乙烷、9,9-二甲基芴中的一种或几种。
3.一种高耐碱性原位交联阴离子交换聚合物的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
4.根据权利要求3所述的一种高耐碱性原位交联阴离子交换聚合物的制备方法，其特征在于，所述阴离子交换聚合物的结构通式具体如下：
5.根据权利要求4所述的一种高耐碱性原位交联阴离子交换聚合物的制备方法，其特征在于，芳基基团为联苯、对三联苯、间三联苯、二苯乙烷、9,9-二甲基芴中的一种或...
【专利技术属性】
技术研发人员：穆凯，卢启辰，庄洋，任志博，姜楠，乔肖君，刘云峰，孙滨生，李明坤，刘立超，周传钊，佟宾，牛智慧，刘懿勃，王晓龙，王金意，闫旭鹏，郭伟琦，胡琳，刘鹏，周天易，胡博，黄茹玲，张珂新，
申请(专利权)人：华能伊敏煤电有限责任公司，
类型：发明
国别省市：
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