三磺化聚二氮雜萘酮醚氧膦質子交換膜的合成及性能

廖慧英

（上海應用技術學院化學與環(huán)境工程學院，上海 201418）

三磺化聚二氮雜萘酮醚氧膦質子交換膜的合成及性能

廖慧英

（上海應用技術學院化學與環(huán)境工程學院，上海 201418）

以直接縮聚法將4-（4’-羥苯基）-2，3-二氮雜萘酮、二（4-氟苯基）苯基氧膦和二（3-磺酸鈉-4-氟苯基）-3’-磺酸鈉苯基氧膦引入到聚合物主鏈，通過改變磺化單體的比例，得到一系列不同磺化度的三磺化聚二氮雜萘酮醚氧膦聚合物.分子中的二氮雜萘酮基團和磺酸基團的分布方式使相應的聚合物膜具有適當?shù)奈省?yōu)異的尺寸穩(wěn)定性和耐氧化性.尤其是高磺化度的膜在具有較高電導率的同時仍能保持較低的溶脹和突出的耐氧化穩(wěn)定性.

磺化；二氮雜萘酮；苯基氧膦；縮聚；質子交換膜

磺化芳香聚合物膜由于具有較好的力學性能、優(yōu)異的熱性能、結構可設計性，成為目前質子交換膜研究的重點［1-6］.然而，大部分膜在磺酸基含量較高時會吸水過多，出現(xiàn)過度溶脹，失去力學性能，難以在實際中應用［7-8］.大量方法，如引入氫鍵、強極性基團、酸堿相互作用和交聯(lián)等可用來限制膜的溶脹，提高尺寸穩(wěn)定性［9-11］.Xiao等［12-14］將4-（4’-羥苯基）-2，3-二氮雜萘酮單體通過共聚合成了磺化聚二氮雜萘酮醚酮、磺化聚二氮雜萘酮醚酮酮、磺化聚二氮雜萘酮醚砜和磺化聚二氮雜萘酮醚氧膦，其中的二氮雜萘酮基團能與磺酸基團形成很強的分子間氫鍵，有效降低膜的溶脹，提高膜的性能.此外，本課題組合成了一系列的磺化聚芳醚氧膦聚合物，通過調(diào)節(jié)磺酸側基的分布方式和含量，達到了全面改善聚合物膜的尺寸穩(wěn)定性、耐氧化穩(wěn)定性和電導率的目的，所得聚合物膜表現(xiàn)了優(yōu)異的綜合性能［15-16］.

磺化聚芳醚氧膦中的氧膦基團具有優(yōu)良的吸水保濕能力、與無機粒子的吸附能力以及耐氧化能力，被認為是優(yōu)良的質子交換膜基體材料.而二氮雜萘酮基能與聚合物中的磺酸基團形成氫鍵降低溶脹.本文擬將含二氮雜萘酮基的4-（4’-羥苯基）-2，3-二氮雜萘酮、含氧膦基團的二（4-氟苯基）苯基氧膦和具有較優(yōu)磺酸基團分布方式的二（3-磺酸鈉-4-氟苯基）-3’-磺酸鈉苯基氧膦同時引入聚合物主鏈中，制備性能優(yōu)異并具有潛在應用價值的質子交換膜.

1 實驗部分

1.1 原料

4-（4’-羥苯基）-2，3-二氮雜萘酮（HPPT，大連寶麗摩公司），經(jīng)多次重結晶得到聚合級單體；二（4-氟苯基）苯基氧膦（BFPPO），二（3-磺酸鈉-4-氟苯基）-3’-磺酸鈉苯基氧膦（TSPPO），自制，聚合級；50%發(fā)煙硫酸，30%H2O2，N，N-二甲基乙酰胺（DMAc）（減壓蒸餾）；碳酸鉀、甲醇、甲苯等（國藥集團上海化學試劑公司）.

1.2 聚合物的合成

不同磺化度的聚合物合成過程相似，不同的僅是磺化單體的比例.具體制備過程以磺化度120%的聚合物為例：將0.744 5 g（1.2 mmol）TSPPO，0.565 7 g（1.8 mmol）BFPPO，0.714 7 g（3.0 mmol）HPPT和0.456 1 g（3.3 mmol）無水碳酸鉀依次加入100 m L的圓底三口燒瓶中.再加入反應溶劑DMAc（8 m L）和甲苯（8 mL），氮氣氣氛中，150 °C下加熱回流4 h后排去反應體系中的甲苯，升溫到160°C持續(xù)反應至聚合物黏度增大.冷至120°C，加入2 m L DMAc稀釋后將反應液倒入約300 m L去離子水中，邊倒邊攪拌，得到米黃色的絲狀聚合物.得到的聚合物在90°C水中浸泡，除去可能含的鹽，干燥，備用.產(chǎn)率：94%.標記為：tSPEPO-120.傅里葉變換紅外光譜（FT-IR，薄膜掃描，cm-1）：1 086（—SO2—），1 027（—SO2—），618（S—O）. tSPEPO-x系列其他磺化度聚合物的合成僅改變BFPPO和TSPPO的摩爾比，分別可合成磺化度不同的聚合物tSPEPO-100，tSPEPO-110.

1.3 聚合物膜的制備

將0.25 g干的聚合物樹脂溶解在4 m L二甲亞砜（DMDO）中，將聚合物溶液澆鑄在水平、潔凈的玻璃板上.60°C下干燥36 h，再冷到室溫.之后，將載膜玻璃板浸泡在去離子水中，待膜從玻璃板上自由脫落，得到透明、淺黃色的鹽型聚合物膜.鹽型膜浸泡在0.5 mol／L的硫酸中90°C下浸泡48 h，再在去離子水中浸泡24 h，將殘余的硫酸洗干凈，得到相應的酸型膜.

1.4 表征

黏度的測定使用烏氏黏度計在25°C下測定，測試樣品為聚合物的DMSO溶液，含0.05 mol／L LiBr.

FT-IR用PE Paragon 1000型光譜儀測定，聚合物用DMSO溶解成膜后測試.

離子交換容量（IEC）的測定采用典型的化學滴定法測試.

吸水率和溶脹率：將酸型干膜于去離子水中在指定溫度下浸泡一定時間，分別準確測量膜在干態(tài)的重量（W1）和尺寸（L1）以及濕態(tài)的重量（W2）和尺寸（L2）.吸水率（Water uptake%）和溶脹率（Swelling%）可依據(jù)以下公式計算：

氧化穩(wěn)定性的測定：將大小約0.5 cm×1 cm的酸型膜浸泡在80°C的Fenton試劑中（每1 L 3%的雙氧水含2 mmol的FeSO4），記錄膜在Fenton試劑中浸泡1 h之后的殘余質量百分比，作為衡量膜耐氧化性能的指標.

質子導電率的測定方法：不同溫度下膜的質子電導率由Solartron Analytical SI電化學測試系統(tǒng)測得，測試頻率106～100 Hz，電流0.1 m A.質子導電率

式中，L為兩電極之間的距離，R為電阻，W和d分別為膜的寬度和厚度.

2 結果與討論

2.1 聚合物的制備

聚合物的合成過程如圖1所示，將HPPT、BFPPO和TSPPO 3種單體進行共聚合反應，通過調(diào)節(jié)BFPPO和TSPPO的比例，得到各種磺化度的產(chǎn)物，用通式tSPEPO-x表示，其中，x為磺化結構單元中磺酸基團的摩爾百分數(shù).聚合物的合成結果如表1所示，由表可見各聚合物的反應物摩爾比、特性黏度及產(chǎn)率.聚合物的合成產(chǎn)率高于94%.聚合物的黏度在0.96～1.10 d L／g之間，說明聚合物具有較高的分子量.除此之外，所有的聚合物均能均勻、完全溶解在非質子極性溶劑中，如：NMP、DMSO等，且能澆鑄成透明、均勻、強韌的膜，更進一步說明聚合物的分子量已達到質子交換膜的要求.

IEC的理論值可根據(jù)化學結構式計算而得，實驗值通過酸堿滴定法得到，如表1所示.由表1可見，所有膜的理論IEC值與實驗值都非常接近，說明所有磺酸基都被引入到了聚合物主鏈中，反應順利進行.

圖1 聚合物tSPEPO-x的合成Fig.1 Synthesis of tSPEPO-x polymer

表1 聚合物的合成結果Tab.1 Synthesis results of polycondensation

聚合物tSPEPO-x的紅外圖譜如圖2所示.由于聚合物含磺化結構單元，圖中表現(xiàn)出了磺酸根的3個特征吸收峰，如：1 027 cm-1和1 085 cm-1處磺酸基中的對稱和非對稱伸縮振動吸收峰，及618 cm-1處的S—O吸收峰，且3個磺酸基團的特征吸收峰的強度和面積隨磺化度的增大而增加，說明聚合反應是按理論計算值進行的，反應物單體被成功地引入到該聚合物主鏈中，通過改變反應物的摩爾比準確地控制了聚合物磺化度的大小.

圖2 聚合物tSPEPO-x的紅外圖譜Fig.2 FT-IR spectra of tSPEPO-x membranes

2.2 聚合物膜的性能

2.2.1 吸水、溶脹率

膜的吸水率對膜性能有較大影響.由表2可見，隨磺化的增加，膜的吸水率增大，但溫度從30～80 °C，吸水率稍有增加，變化不大，該現(xiàn)象不同于其他磺化聚芳醚在溫度較高時吸水率陡增［17］.如：膜tSPEPO-120的IEC為2.01 mmol／g，但在80°C的吸水率為25%，與同類型的聚合物比較，IEC大而吸水率偏小.膜的溶脹率隨磺化度的增大而增大，80 °C下的溶脹率略高于30°C，其溶脹率值在6.7%～9.3%，遠低于Nafion117的20%，表明該類膜具有優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性.一方面可能因為分子中二氮雜萘酮的羰基與磺酸根形成了氫鍵，較強的相互作用導致膜表現(xiàn)出較小的吸水率；另一方面可能與膜的微觀結構有關，具體在后續(xù)工作中研究.

表2 聚合物tSPEPO-x膜的性能Tab.2 Properties of tSPEPO-x membranes

2.2.2 耐氧化穩(wěn)定性

由表2可見，80°C下，酸型膜在Fenton試劑中浸泡1 h之后，質量沒有任何損失.tSPEPO系列膜的IEC值在1.83～2.11 mmol／g范圍之間，與此相比，絕大多數(shù)的磺化芳香聚合物膜IEC值較小，在Fenton試劑中放置1 h后有較大的質量損失［7，18］，由此可見，tSPEPO系列膜優(yōu)異的耐氧化穩(wěn)定性.

2.2.3 質子電導率

tSPEPO-x系列膜在80°C下的質子電導率如表2所示，磺化度較低的tSPEPO-100膜的電導率較低，但高于10-2S／cm，達到質子交換膜的要求.隨著磺化度增加膜的電導率增加，如：膜t SPEPO-120在80°C下的質子電導率達到了4.4 S／m.綜合表2可知，該膜在具有較高電導率的同時仍保持較低的溶脹率和優(yōu)異的耐氧化穩(wěn)定性，表現(xiàn)了較好的綜合性能.

3 結 語

本文將二氮雜萘酮和三磺化的苯基氧膦結構單元同時引入到聚合物主鏈上，成功地合成了新型的三磺化聚二氮雜萘酮醚氧膦聚合物.通過紅外測試確定了聚合物中的特征官能團.考察了聚合物膜的吸水率、溶脹率、耐氧化穩(wěn)定性和電導率.結果表明，三磺化聚二氮雜萘酮醚氧膦質子交換膜具有適當?shù)奈剩瑑?yōu)異的尺寸穩(wěn)定性和耐氧化穩(wěn)定性，及較高的電導率.如：80°C下，tSPEPO-120膜的吸水率為25.9%，溶脹率為9.3%，在Fenton試劑中放置1 h沒有質量損失，電導率達到了4.4 S／m，表現(xiàn)了較好的綜合性能.

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（編輯 呂丹）

Synthesis and Characterization of Tri-sulfonated Poly（phthalazinone ether phosphine oxide）s Proton Exchange Membrane

LIAO Hui-ying
（School of Chemical and Environmental Engineering，Shanghai Institute of Technology，Shanghai 201418，China）

A series of tri-sulfonated poly（phthalazinone ether phosphine oxide）s were prepared via direct polycondensation from 4-（4-hydroxyphenyl）phthalazinone with different molar ratios of bis（4-fluorophenyl）-phenyl phosphine oxide and bis（3-sulfonate-4-fluorophenyl）-3’-sulfonate phenyl phosphine oxide.The prepared membranes showed appropriate water absorption and excellent dimensional stability as well as oxidative resistance due to the phthalazinone units and the distribution models of sulfonic acid groups.In addition，the membrane with high sulfonation degree displays higher proton conductivity while maintaining lower swelling and outstanding oxidative resistance.

sulfonated；phthalazinone；phenyl phosphine oxide；polycondensation；proton exchange membrane

O 633

A

1671-7333（2015）01-0019-04

10.3969／j.issn.1671-7333.2015.01.003

2014-10-14

上海應用技術學院引進人才基金資助項目（YJ2014-31）

廖慧英（1978-），女，講師，博士，主要研究方向為聚合物膜材料.E-mail：hyliao＠sit.edu.cn