磺化聚苯并咪唑的制备方法与流程

1.本发明涉及功能高分子材料和电化学技术领域，具体为磺化聚苯并咪唑的制备方法。


背景技术：

2.磺化聚苯并咪唑是一种具有高导电性、良好热稳定性和化学稳定性的高分子材料，被广泛应用于电池、超级电容器、电解质膜等领域，磺化聚苯并咪唑的制备方法对于材料的性能和应用具有重要影响。
3.目前已有许多方法制备磺化聚苯并咪唑，但现有的磺化聚苯并咪唑的制备方法反应的速率低，反应的收率低，制备的产物的质量低，现有的制备方法制备的磺化聚苯并咪唑的膜的机械强度和稳定性较差，无法在电化学器件中表现出较高性能，现有的制备方法除去多余的多聚磷酸时比较麻烦，导致制备的磺化聚苯并咪唑的纯度较低。


技术实现要素：

4.本发明的目的就在于为了解决现有的磺化聚苯并咪唑的制备方法反应的速率低，反应的收率低，制备的产物的质量低，现有的制备方法制备的磺化聚苯并咪唑的膜的机械强度和稳定性较差，无法在电化学器件中表现出较高性能，现有的制备方法除去多余的多聚磷酸比较麻烦，导致制备的磺化聚苯并咪唑的纯度较低的问题，而提出的磺化聚苯并咪唑的制备方法，其能够高效的制备具有较强膜机械强度和稳定性的且能够在在电化学器件中表现出较高性能的纯度较高的磺化聚苯并咪唑。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：磺化聚苯并咪唑的制备方法，该制备方法具体包括以下步骤：步骤一：准备多聚磷酸，在通氮气的条件下，向多聚磷酸中加入苯并咪唑酮，得到混合物；步骤二：向步骤一混合物中加入磷酸溶液，向混合物中不断加入苯并咪唑酮盐酸盐，将混合物的ph值调节到4-6，磺化聚苯并咪唑的制备反应的ph值应控制在4-6之间，这个范围内的ph值有利于反应的进行，同时也有助于保持反应体系的稳定性和控制副反应的生成，搅拌混合物；步骤三：在步骤二混合物中加入磺化单体、二元羧酸和二甲基亚甲基酰氯，加热反应；步骤四：反应完成后，将步骤三制备的反应物加入到稀酸溶液中，搅拌，利用离心设备将液体中的固体产物分离，使用稀酸溶液洗涤固体产物，洗涤，最后使用无水乙醇对固体产物进行洗涤，洗涤重复多次，直至洗涤液的ph值为6.5-7为止；步骤五：将步骤四洗涤后的反应产物放在真空干燥箱内进行干燥处理。
6.本发明的进一步技术改进在于：步骤一中多聚磷酸与苯并咪唑酮的摩尔比控制在1-3:1。
7.本发明的进一步技术改进在于：步骤二磷酸溶液的浓度范围为20-40%，加入的磷酸溶液与步骤一混合物的体积比例控制在0.1-2:100，磷酸的浓度在20-40%之间，较高的磷酸浓度会加快聚合反应速率，但也会增加溶液的粘度和黏稠度，对反应的搅拌和传质产生一定困难，磷酸可以有效地促进磺化反应的进行，加快反应速率，缩短反应时间，磷酸作为催化剂能够提高反应的选择性和收率，使得磺化反应更加完全，使用磷酸催化剂可以控制反应条件，有助于控制产物的分子量分布和官能团的取代程度，从而提高产物的质量，此外，磷酸是一种常见的化学品，易于购买和使用，并且价格相对较低，能够有效降低该磺化聚苯并咪唑制备的成本，使该制备方法具有更大的应用前景。
8.本发明的进一步技术改进在于：步骤三中磺化单体选择磺酸苯胺。
9.本发明的进一步技术改进在于：步骤三中磺化单体、二元羧酸和二甲基亚甲基酰氯三者的摩尔比控制在1:0.8-1：0.6-1，磺化单体、二元羧酸和二甲基亚甲基酰氯三者的摩尔数之和与步骤一中多聚磷酸的摩尔数比例控制在1-2.5:1。
10.本发明的进一步技术改进在于：步骤三中反应温度由室温逐渐加热至60℃，反应6-24h。
11.本发明的进一步技术改进在于：步骤四中稀酸溶液选择稀硫酸溶液。
12.本发明的进一步技术改进在于：步骤四中搅拌时间控制在2-8h，使用稀酸溶液洗涤的次数控制在4-8次。
13.本发明的进一步技术改进在于：步骤五中的干燥温度控制在65-80℃，干燥时间控制在20-48h。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果是：（1）本发明，该磺化聚苯并咪唑制备方法中，通过加入磷酸溶液，能够有效地促进磺化反应的进行，加快反应速率，缩短反应时间，使用磷酸作为催化剂，能够提高反应的选择性和收率，使得磺化反应更加完全，使用磷酸催化剂可以控制反应条件，有助于控制产物的分子量分布和官能团的取代程度，从而提高产物的质量，此外，磷酸是一种常见的化学品，易于购买和使用，并且价格相对较低，能够有效降低该磺化聚苯并咪唑制备的成本，使该制备方法具有更大的应用前景。
15.（2）本发明，该磺化聚苯并咪唑制备方法中，通过加入磺酸苯胺进行磺化，磺酸苯胺的磺酸基团与聚苯并咪唑分子中的氮原子反应，形成磺酸基团连接到聚苯并咪唑分子上，使制备的产品的导电性能更强，同时，磺酸基团的引入还可以增加聚苯并咪唑的亲水性，使该方法制备的产品更容易在溶剂中溶解、分散，进而使该方法制备的产品更容易与其他材料混合制备复合材料，从而提高该方法制备的磺化聚苯并咪唑的使用范围，通过加入二元羧酸进行缩聚聚合，能够使聚苯并咪唑分子的分子量增加，改善材料的机械性能和稳定性，使制备的产品具有更好的膜形成能力和更高的电导率，最后加入二甲基亚甲基酰氯进行活化，能够促进磺化聚苯并咪唑分子的交联反应，交联可以增加膜的机械强度和稳定性，减少溶胀性，从而使该方法制备的磺化聚苯并咪唑材料在电化学器件中具有更高性能。
16.（3）本发明中，该制备方法中，使用稀硫酸溶液进行洗涤，能够将反应物中的多聚磷酸转化为易溶于水的磷酸盐，使产物中多余的多聚磷酸更容易被去除，通过使用无水乙醇二次洗涤，一方面，无水乙醇能够溶解磺化反应中未反应的原料和副产物，同时，有效去除残留的稀硫酸，从而进一步提高产物的纯度，另一方面，使用无水乙醇洗涤能够有效去除
水分，使产物更加干燥，增加产物干燥的速度，从而提高该方法制备磺化聚苯并咪唑的效率。
具体实施方式
17.下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
18.实施例一磺化聚苯并咪唑的制备方法，该制备方法具体包括以下步骤：步骤一：准备多聚磷酸，在通氮气的条件下，向多聚磷酸中加入苯并咪唑酮，多聚磷酸与苯并咪唑酮的摩尔比控制在1:1，得到混合物，多聚磷酸与苯并咪唑酮反应的目的是引入磺酸基团到聚苯并咪唑的分子结构中，从而赋予聚苯并咪唑良好的离子交换性能和改善其溶解性，磺化聚苯并咪唑是通过将多聚磷酸与苯并咪唑酮反应来实现的，多聚磷酸中的磷酸基团可以与苯并咪唑酮中的氮原子发生反应，形成磺酸基团，这些磺酸基团的引入可以增加聚苯并咪唑的水溶性并提升其离子交换能力，使其更适用于电化学和离子交换等应用领域，该实施例中，多聚磷酸与苯并咪唑酮的摩尔比控制在1:1，较高的苯并咪唑酮含量有助于提高产物的导电性能；步骤二：向步骤一混合物中加入浓度在25%的磷酸溶液，加入的磷酸溶液与步骤一混合物的体积比例控制在0.5:100，向混合物中不断加入苯并咪唑酮盐酸盐，将混合物的ph值调节到4.8，搅拌混合物，该实施例中，将磺化聚苯并咪唑的制备反应的ph值调节为4.8，这个ph值有利于反应的进行，同时，也有助于保持反应体系的稳定性和控制副反应的生成，磷酸可以有效地促进磺化反应的进行，加快反应速率，缩短反应时间，使用磷酸作为催化剂，能够提高反应的选择性和收率，使得磺化反应更加完全，使用磷酸催化剂可以控制反应条件，有助于控制产物的分子量分布和官能团的取代程度，从而提高产物的质量，此外，磷酸是一种常见的化学品，易于购买和使用，并且价格相对较低，能够有效降低该磺化聚苯并咪唑制备的成本，使该制备方法具有更大的应用前景，实施例中，使用浓度为25%的磷酸，不会对溶液的粘度和黏稠度造成严重影响；步骤三：在步骤二混合物中加入磺酸苯胺、二元羧酸和二甲基亚甲基酰氯，磺酸苯胺、二元羧酸和二甲基亚甲基酰氯三者的摩尔比控制在1:1：0.8，磺酸苯胺、二元羧酸和二甲基亚甲基酰氯三者的摩尔数之和与步骤一中多聚磷酸的摩尔数比例控制在1.5:1，反应温度由室温逐渐加热至60℃，反应18h，磺酸苯胺是聚苯并咪唑磺化反应的单体之一，磺酸苯胺通过与聚苯并咪唑分子中的氮原子发生反应，形成磺酸基团连接到聚苯并咪唑分子上，这样的磺化反应可以提高聚苯并咪唑的离子导电性能，使制备的磺化聚苯并咪唑更适合用作电解质材料，磺酸基团可以提供可溶性离子来传导离子电荷，从而提高制备的磺化聚苯并咪唑的电导率，其次，磺酸苯胺还可以增加聚苯并咪唑的亲水性，聚苯并咪唑本身是一种疏水性材料，但添加磺酸苯胺后，通过磺化反应引入的磺酸基团增加了材料的亲水性，使得磺化聚苯并咪唑在水中具有更好的溶解性和分散性，更易于与其他材料进行混合和制备复合材料，二元羧酸的加入在反应中起到缩聚聚合物的作用，它们与苯并咪唑单体中的
氮原子反应，形成羧酸酯键，这些酯键的形成导致聚合物链的连接，形成长链聚苯并咪唑分子，二甲基亚甲基酰氯的加入在反应中起到活化聚合物链的作用；步骤四：反应完成后，将步骤三制备的反应物加入到稀硫酸溶液中，搅拌5h，利用离心设备将液体中的固体产物分离，使用稀酸溶液洗涤固体产物，洗涤6次，最后使用无水乙醇对固体产物进行洗涤，洗涤重复多次，直至洗涤液的ph值为6.8为止，使用稀硫酸溶液进行洗涤，将反应物中的多聚磷酸转化为易溶于水的磷酸盐，并去除其他杂质，最后用适量的无水醇进行洗涤，以去除稀硫酸溶液中的残留酸性物质，通过多次洗涤，可以进一步提高产物的纯度，并确保不会有残留物质影响后续实验或应用；步骤五：将步骤四洗涤后的反应产物放在真空干燥箱内进行干燥处理，干燥温度控制在70℃，干燥时间控制在24h。
19.实施例二磺化聚苯并咪唑的制备方法，该制备方法具体包括以下步骤：步骤一：准备多聚磷酸，在通氮气的条件下，向多聚磷酸中加入苯并咪唑酮，多聚磷酸与苯并咪唑酮的摩尔比控制在3:1，得到混合物，多聚磷酸与苯并咪唑酮反应的目的是引入磺酸基团到聚苯并咪唑的分子结构中，从而赋予聚苯并咪唑良好的离子交换性能和改善其溶解性，磺化聚苯并咪唑是通过将多聚磷酸与苯并咪唑酮反应来实现的，多聚磷酸中的磷酸基团可以与苯并咪唑酮中的氮原子发生反应，形成磺酸基团，这些磺酸基团的引入可以增加聚苯并咪唑的水溶性并提升其离子交换能力，使其更适用于电化学和离子交换等应用领域，聚苯并咪唑的制备过程中，该实施例中，多聚磷酸与苯并咪唑酮的摩尔比控制在3:1，较高的多聚磷酸含量，使得制备过程更加简单；步骤二：向步骤一混合物中加入浓度在35%的磷酸溶液，加入的磷酸溶液与步骤一混合物的体积比例控制在0.4:100，向混合物中不断加入苯并咪唑酮盐酸盐，将混合物的ph值调节到5.5，搅拌混合物，磺化聚苯并咪唑的制备反应的ph值为5.5，这个ph值有利于反应的进行，同时，也有助于保持反应体系的稳定性和控制副反应的生成，磷酸可以有效地促进磺化反应的进行，加快反应速率，缩短反应时间，使用磷酸作为催化剂，能够提高反应的选择性和收率，使得磺化反应更加完全，使用磷酸催化剂可以控制反应条件，有助于控制产物的分子量分布和官能团的取代程度，从而提高产物的质量，此外，磷酸是一种常见的化学品，易于购买和使用，并且价格相对较低，能够有效降低该磺化聚苯并咪唑制备的成本，使该制备方法具有更大的应用前景，实施例中，使用浓度为35%的磷酸，会加快聚合反应速率，提高该制备方法制备磺化聚苯并咪唑的效率；步骤三：在步骤二混合物中加入磺酸苯胺、二元羧酸和二甲基亚甲基酰氯，磺酸苯胺、二元羧酸和二甲基亚甲基酰氯三者的摩尔比控制在1:0.9：0.7，磺酸苯胺、二元羧酸和二甲基亚甲基酰氯三者的摩尔数之和与步骤一中多聚磷酸的摩尔数比例控制在2:1，反应温度由室温逐渐加热至60℃，反应20h，磺酸苯胺是聚苯并咪唑磺化反应的单体之一，磺酸苯胺通过与聚苯并咪唑分子中的氮原子发生反应，形成磺酸基团连接到聚苯并咪唑分子上，这样的磺化反应可以提高聚苯并咪唑的离子导电性能，使制备的磺化聚苯并咪唑更适合用作电解质材料，磺酸基团可以提供可溶性离子来传导离子电荷，从而提高制备的磺化聚苯并咪唑的电导率，其次，磺酸苯胺还可以增加聚苯并咪唑的亲水性，聚苯并咪唑本身是一种疏水性材料，但添加磺酸苯胺后，通过磺化反应引入的磺酸基团增加了材料的亲水性，
使得磺化聚苯并咪唑在水中具有更好的溶解性和分散性，更易于与其他材料进行混合和制备复合材料，二元羧酸的加入在反应中起到缩聚聚合物的作用，它们与苯并咪唑单体中的氮原子反应，形成羧酸酯键，这些酯键的形成导致聚合物链的连接，形成长链聚苯并咪唑分子，二甲基亚甲基酰氯的加入在反应中起到活化聚合物链的作用；步骤四：反应完成后，将步骤三制备的反应物加入到稀硫酸溶液中，搅拌6h，利用离心设备将液体中的固体产物分离，使用稀酸溶液洗涤固体产物，洗涤5次，最后使用无水乙醇对固体产物进行洗涤，洗涤重复多次，直至洗涤液的ph值为6.5为止，使用稀硫酸的溶液进行洗涤，将反应物中的多聚磷酸转化为易溶于水的磷酸盐，并去除其他杂质，最后用适量的无水醇进行洗涤，以去除稀硫酸溶液中的残留酸性物质，通过多次洗涤，可以进一步提高产物的纯度，并确保不会有残留物质影响后续实验或应用；步骤五：将步骤四洗涤后的反应产物放在真空干燥箱内进行干燥处理，干燥温度控制在75℃，干燥时间控制在30h。
20.以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

技术特征：
1.磺化聚苯并咪唑的制备方法，其特征在于：该制备方法具体包括以下步骤：步骤一：准备多聚磷酸，在通氮气的条件下，向多聚磷酸中加入苯并咪唑酮，得到混合物；步骤二：向步骤一混合物中加入磷酸溶液，向混合物中不断加入苯并咪唑酮盐酸盐，将混合物的ph值调节到4-6，搅拌混合物；步骤三：在步骤二混合物中加入磺化单体、二元羧酸和二甲基亚甲基酰氯，加热反应；步骤四：反应完成后，将步骤三制备的反应物加入到稀酸溶液中，搅拌，利用离心设备将液体中的固体产物分离，使用稀酸溶液洗涤固体产物，洗涤，最后使用无水乙醇对固体产物进行洗涤，洗涤重复多次，直至洗涤液的ph值为6.5-7为止；步骤五：将步骤四洗涤后的反应产物放在真空干燥箱内进行干燥处理。2.如权利要求1所述的磺化聚苯并咪唑的制备方法，其特征在于：步骤一中多聚磷酸与苯并咪唑酮的摩尔比控制在1-3:1。3.如权利要求1所述的磺化聚苯并咪唑的制备方法，其特征在于：步骤二磷酸溶液的浓度范围为20-40%，加入的磷酸溶液与步骤一混合物的体积比例控制在0.1-2:100。4.如权利要求1所述的磺化聚苯并咪唑的制备方法，其特征在于：步骤三中磺化单体选择磺酸苯胺。5.如权利要求1所述的磺化聚苯并咪唑的制备方法，其特征在于：步骤三中磺化单体、二元羧酸和二甲基亚甲基酰氯三者的摩尔比控制在1:0.8-1：0.6-1，磺化单体、二元羧酸和二甲基亚甲基酰氯三者的摩尔数之和与步骤一中多聚磷酸的摩尔数比例控制在1-2.5:1。6.如权利要求1所述的磺化聚苯并咪唑的制备方法，其特征在于：步骤三中反应温度由室温逐渐加热至60℃，反应6-24h。7.如权利要求1所述的磺化聚苯并咪唑的制备方法，其特征在于：步骤四中稀酸溶液选择稀硫酸溶液。8.权利要求1所述的磺化聚苯并咪唑的制备方法，其特征在于：步骤四中搅拌时间控制在2-8h，使用稀酸溶液洗涤的次数控制在4-8次。9.权利要求1所述的磺化聚苯并咪唑的制备方法，其特征在于：步骤五中的干燥温度控制在65-80℃，干燥时间控制在20-48h。

技术总结
本发明公开了磺化聚苯并咪唑的制备方法，包括在通氮气的条件下，向多聚磷酸中加入苯并咪唑酮，得到混合物；向混合物中加入磷酸溶液，向混合物中不断加入苯并咪唑酮盐酸盐，将混合物的PH值调节到4-6，搅拌混合物；在混合物中加入磺化单体、二元羧酸和二甲基亚甲基酰氯，加热反应；该制备方法中使用磷酸作为催化剂，能够提高反应的选择性和收率，使得磺化反应更加完全，使用磷酸催化剂可以控制反应条件，有助于控制产物的分子量分布和官能团的取代程度，从而提高产物的质量。从而提高产物的质量。


技术研发人员：黄鑫 王启瑄
受保护的技术使用者：武汉恒志新型材料科技有限公司
技术研发日：2023.08.02
技术公布日：2023/9/20