论文部分内容阅读
聚苯并咪唑（PBI）是一种耐强酸、耐强碱和耐高温的芳香族杂环聚合物,被广泛应用于阻燃材料、高温树脂、黏合剂、泡沫材料等。近年来,酸掺杂的PBI膜可用作低成本、高性能燃料电池的质子交换膜,这种燃料电池可在120℃条件下稳定运行,大大提高了电池的性能。然而,商业化PBI的特性粘度仅为0.9 dL/g,拉伸强度和模量较低,限制了其在燃料电池上的应用。PBI在常规有机溶剂中的溶解度很低,造成PBI的成形加工非常困难,尤其是高分子量的PBI。针对以上问题,我们用溶液缩聚的方法制备了聚[2,2’-（间苯基）-5,5’-联苯并咪唑]（mPBI）和其衍生物聚（2,5-苯并咪唑）（ABPBI）,并研究了反应温度、单体纯度和反应时间等因素对聚合物分子量的影响,采用粘度测试、FT-IR、1H-NMR和TGA对其结构和性能进行了表征。在此基础上研究了mPBI在不同离子液体中的溶解行为,探讨了mPBI在离子液体中的溶解机理,最后,制备了碱性离子液体（BMIMOH）掺杂的mPBI膜,并采用交流阻抗法测试了其导电性能。通过以上研究工作,我们得到了如下结论:（1）通过反应条件的优化,可以获得较高分子量的mPBI和ABPBI。以间苯二甲酸（IPA）和3,3’,4,4’-二氨基联苯胺（TAB）为单体,在多聚磷酸（PPA）体系中通过溶液缩聚,140℃预反应3小时,200℃反应20小时,制备出特性粘度为1.12 dL/g的mPBI;同时利用提纯后的单体3,4-二氨基苯甲酸（DABA）在PPA体系中自缩聚,210℃反应10小时,得到特性粘度为2.3dL/g的ABPBI。（2）通过亲电取代反应将季铵基团引入到ABPBI的分子链中,为后续接枝型OH-导电膜的制备提供了实验基础。（3） mPBI可以溶解在具有氢键受体阴离子的离子液体中,如1-丁基-3-甲基咪唑氯化物（BMIMCl）和1-丁基-3-甲基咪唑氢氧化物（BMIMOH）中,在140℃时,其溶解度分别达到12%、8%,比DMAc体系中高4倍以上。而无氢键受体阴离子的离子液体如-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸（BMIMBF4）中则不能溶解mPBI。微波加热不仅可以加快溶解速度,也可以提高聚合物的溶解度,mPBI在BMIMCl中微波加热,1～2分钟便可得到最大溶解度为15%的mPBI/BMIMCl溶液。（4）采用12%的mPBI/BMIMCl溶液,通过溶液挤出、凝固浴再生、牵伸和清洗,得到了表面光滑的PBI丝,通过粘度测试、FT-IR、TGA等表征发现再生丝的稳定性及化学结构没有明显变化。（5）通过BMIMOH掺杂的mPBI膜,在室温下,掺杂量为5的BMIMOH/mPBI电解质膜的离子电导率达到4.75×10-3S/cm。有可能用作碱性燃料电池的电解质膜,其导电机理有待进一步研究。