JP2005171025A - Method of manufacturing proton conductive film - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体高分子型燃料電池に用いられる、電解質用途に好適な、優れたプロトン伝導性、機械的強度を有するプロトン伝導膜の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a proton conductive membrane having excellent proton conductivity and mechanical strength suitable for electrolyte applications, which is used in a polymer electrolyte fuel cell.
燃料電池は基本的に2つの触媒電極と、電極に挟まれた固体電解質膜から構成される。燃料である水素は一方の電極でイオン化され、この水素イオンは固体電解質膜中を拡散した後に他方の電極で酸素と結合する。このとき2つの電極を外部回路で接続していると、電流が流れ、外部回路に電力を供給する。ここで固体電解質膜は、水素イオンを拡散させると同時に、燃料ガスの水素と酸素を物理的に隔離しかつ電子の流れを遮断する機能を担っている。 A fuel cell basically comprises two catalyst electrodes and a solid electrolyte membrane sandwiched between the electrodes. Hydrogen as a fuel is ionized at one electrode, and this hydrogen ion diffuses through the solid electrolyte membrane and then combines with oxygen at the other electrode. At this time, if the two electrodes are connected by an external circuit, a current flows and power is supplied to the external circuit. Here, the solid electrolyte membrane has a function of diffusing hydrogen ions and at the same time physically separating hydrogen and oxygen of the fuel gas and blocking the flow of electrons.
このような固体電解質膜として、いわゆる陽イオン交換樹脂に属するポリマー、例えばポリスチレンスルホン酸などのビニル系ポリマーのスルホン化物、パーフルオロアルキルスルホン酸ポリマー、パーフルオロアルキルカルボン酸ポリマー等が挙げられ、その中でもナフィオン(商品名、デュポン社製)を代表とするパーフルオロアルキルスルホン酸系のプロトン伝導膜が広く使用されてきた。しかしながら、パーフルオロアルキルスルホン酸系ポリマーは高いプロトン伝導性を有する反面、非常に高価であり、より安価で且つ機械的に安定でしかも固体電解質膜として優れたイオン伝導性を示す材料が待望されてきた。 Examples of such a solid electrolyte membrane include polymers belonging to so-called cation exchange resins, such as sulfonated products of vinyl polymers such as polystyrene sulfonic acid, perfluoroalkyl sulfonic acid polymers, perfluoroalkyl carboxylic acid polymers, among others. A perfluoroalkylsulfonic acid proton conductive membrane represented by Nafion (trade name, manufactured by DuPont) has been widely used. However, while perfluoroalkylsulfonic acid polymers have high proton conductivity, they are very expensive, are cheaper, mechanically stable, and have a long-awaited material that exhibits excellent ionic conductivity as a solid electrolyte membrane. It was.
イオン伝導に関しては、膜中でイオン伝導成分が形成するチャネル構造が極め重要であると考えられている。Edomondson, C. A.; ADReport 2000, 18(非特許文献1)では、プロトン伝導膜中に分散している水素イオンが拡散可能な部位(イオン伝導部位)のパーコレーションによってイオン伝導が説明されているが、チャネルを通してイオンが伝導するという観点からは、膜中におけるイオン伝導部位の空間配置を制御することが、優れたイオン伝導性を示す固体電解質を得るために重要となる。 Regarding ion conduction, the channel structure formed by ion conduction components in the membrane is considered to be extremely important. Edomondson, CA; ADReport 2000, 18 (Non-Patent Document 1) describes ion conduction by percolation of a site (ion conducting site) where hydrogen ions dispersed in a proton conducting membrane can diffuse. From the viewpoint that ions are conducted through, it is important to control the spatial arrangement of ion conduction sites in the membrane in order to obtain a solid electrolyte exhibiting excellent ion conductivity.
2種類以上の互いに非相溶なポリマー(ブロック鎖)が共有結合して1つのポリマー鎖を形成しているブロックコポリマーを用いると、ナノメートルスケールで化学的に異なる成分の配置を制御することができる。ブロックコポリマーにおいては、化学的に異なるブロック鎖間の反発から生じる短距離相互作用により、それぞれのブロック鎖からなる領域(ミクロドメイン)に相分離するが、ブロック鎖が互いに共有結合していることから生じる長距離相互作用の効果により、各ミクロドメインが特定の秩序をもって配置せしめられる。 Using a block copolymer in which two or more kinds of mutually incompatible polymers (block chains) are covalently bonded to form one polymer chain can control the arrangement of chemically different components on the nanometer scale. it can. In block copolymers, short-range interaction resulting from repulsion between chemically different block chains causes phase separation into regions (microdomains) consisting of the respective block chains, but the block chains are covalently bonded to each other. The effect of the long-range interaction that occurs causes each microdomain to be arranged in a specific order.
各ブロック鎖からなるミクロドメインが集合して作り出す構造は、ミクロ相分離構造と呼ばれる。膜のミクロ相分離構造は構成成分の組成によって、球状ミセル構造、シリンダー構造、ラメラ構造などを示す。これらのミクロ相分離構造を利用して、膜中におけるイオン伝導部位の空間配置を制御することは、優れたイオン伝導性を示す固体電解質を得るための一つの要素になると考えられる。 A structure created by the assembly of microdomains made up of block chains is called a microphase separation structure. The microphase separation structure of the membrane shows a spherical micelle structure, a cylinder structure, a lamellar structure, etc. depending on the composition of the constituent components. Controlling the spatial arrangement of ion conduction sites in the membrane using these microphase separation structures is considered to be an element for obtaining a solid electrolyte exhibiting excellent ion conductivity.
しかしながら、従来のブロックコポリマーを用いた系では、ミクロ相分離構造の形成は熱力学的支配の影響を受けるところが大きく、多くの場合ポリマーの一次構造と製膜条件によってその形状が限定されるため、本発明で必要とされるイオン伝導部位の空間配置を任意かつ詳細に制御することが困難であった。 However, in systems using conventional block copolymers, the formation of microphase-separated structures is largely affected by thermodynamic control, and in many cases the shape is limited by the primary structure of the polymer and the film-forming conditions. It has been difficult to arbitrarily and in detail control the spatial arrangement of ion conduction sites required in the present invention.
ブロックコポリマーを用いたプロトン伝導性高分子固体電解質としては、たとえば特開平8−20704号公報(特許文献1)に開示されている。一方、特表平10−503788号公報(特許文献2)、特開2003−142125号公報(特許文献3)では、脂肪族ビニル化合物を原料としたトリブロックコポリマーをスルホン化した固体電解質膜の例が開示されている。
特許文献1には、ブロック鎖として特定の化学構造の組み合わせを開示され、本発明が目的としている膜中におけるイオン伝導部位の空間的な配置の制御による特性の改良に着目しているものとは発想が異なっている。また、特許文献1に開示されたものでは、プロトン伝導性が不充分であり、耐熱性、耐酸化性、靭性という点でも必ずしも満足しうるものではなかった。 Patent Document 1 discloses a combination of specific chemical structures as a block chain, and focuses on improving characteristics by controlling the spatial arrangement of ion-conducting sites in the film, which is the object of the present invention. The idea is different. Further, the one disclosed in Patent Document 1 has insufficient proton conductivity, and is not necessarily satisfactory in terms of heat resistance, oxidation resistance, and toughness.
また特許文献2および3に記載されたものは、膜中におけるイオン伝導部位の空間的な配置制御に着目したものであり、親水性チャネル(イオン伝導チャネル)を連続相とすることで高いプロトン伝導性を確保することを目的としている。しかしながら、脂肪族を基本骨格とするブロック共重合体は、一般的にガラス点移転が低くいため熱的に不安定であり、熱履歴により相分離構造が変形し、物性が変化してしまう問題がある。 Patent Documents 2 and 3 focus on spatial arrangement control of ion conduction sites in the membrane, and have high proton conductivity by using a hydrophilic channel (ion conduction channel) as a continuous phase. The purpose is to ensure sex. However, block copolymers based on aliphatic skeletons are generally thermally unstable due to low glass point transfer, and the phase separation structure is deformed due to thermal history, resulting in a change in physical properties. is there.
本発明者は、このような従来技術における問題点に鑑み、熱的に安定で高いプロトン伝導度を有するプロトン伝導膜を簡易に得る方法について鋭意検討した。 In view of such problems in the prior art, the present inventor has intensively studied a method for easily obtaining a proton conductive membrane having a thermally stable and high proton conductivity.
その結果、酸性イオン伝導性を含有するセグメントとイオン伝導性を含有しないセグメントからなるブロック共重合体を含むキャスト溶液にイオン伝導成分と酸―塩基相互作用可能な添加剤を加えることによって、キャストフィルムのミクロ相分離構造を任意に制御して高いプロトン伝導性を確保できることを見出した。特に、本発明の要旨は、ポリマーの一次構造変更ではなく添加剤の種類もしくは量の効果によりキャストフィルムのミクロ相分離構造を制御できるところに特徴がある。 As a result, a cast film is obtained by adding an ion-conductive component and an additive capable of acid-base interaction to a cast solution containing a block copolymer composed of a segment containing acidic ion conductivity and a segment not containing ion conductivity. It was found that high proton conductivity can be secured by arbitrarily controlling the microphase separation structure. Particularly, the gist of the present invention is characterized in that the microphase separation structure of the cast film can be controlled not by changing the primary structure of the polymer but by the effect of the kind or amount of the additive.
本発明によれば以下に示すプロトン伝導膜の製造方法が提供される。
(1)酸性イオン伝導性成分を有するポリマーと該イオン伝導性成分に対して酸―塩基相互作用可能な添加剤を溶媒中で分散もしくは溶解させ、
分散液または溶解液を流延して膜状に成形後、
成形体を水に浸漬して添加剤もしくは残存成分を抽出除去することを特徴とするプロトン伝導膜の製造方法。
(2)成形体を水に浸漬する前に乾燥する工程を有する。
(3)上記添加剤が水もしくは極性溶媒に可溶であり、かつ酸性イオン伝導成分と塩形成可能な化合物である。
(4)上記添加剤の添加量が、酸性イオン伝導性基数に対して0.05から10.0当量の割合で含有する。
(5)酸性イオン伝導性成分を有するポリマーが、
イオン伝導性を含有するセグメント(A)とイオン伝導性を含有しないセグメント(B)からなるブロック共重合体であり、
共重合体を形成する主鎖骨格が芳香環を結合基として共有結合させた構造を有し、かつ
イオン伝導性基としてスルホン酸基をポリマー側鎖に含有する。
(6)上記成形体から添加剤もしくは残存成分を抽出する際、段階的にpHが高い水を使
用するとともに、前段でpHが1から4までの水を使用し、後段でpHが4から7(ただし、後段のpHは前段pHよりも高い)までの水を使用し、
上記のような本発明では、膜のミクロ相分離構造、特にイオン伝導部位の空間的な配置をより詳細に制御できるので、高いプロトン伝導度を有し、パーフルオロアルキルスルホン酸系と比較して安価で機械的強度、熱的安定性の優れたプロトン伝導膜を提供できる。
According to the present invention, the following method for producing a proton conducting membrane is provided.
(1) A polymer having an acidic ion conductive component and an additive capable of acid-base interaction with the ion conductive component are dispersed or dissolved in a solvent,
After casting the dispersion or solution into a film,
A method for producing a proton conductive membrane, wherein the molded body is immersed in water to extract and remove additives or residual components.
(2) It has the process of drying before a molded object is immersed in water.
(3) The additive is a compound that is soluble in water or a polar solvent and can form a salt with an acidic ion conducting component.
(4) The additive is added in an amount of 0.05 to 10.0 equivalents relative to the number of acidic ion conductive groups.
(5) A polymer having an acidic ion conductive component is
A block copolymer comprising a segment (A) containing ionic conductivity and a segment (B) not containing ionic conductivity,
The main chain skeleton forming the copolymer has a structure in which an aromatic ring is covalently bonded as a linking group, and a sulfonic acid group is contained in the polymer side chain as an ion conductive group.
(6) When extracting additives or residual components from the molded article, water having a high pH is used in stages, water having a pH of 1 to 4 is used in the former stage, and pH is 4 to 7 in the latter stage. Use water up to (but the latter pH is higher than the previous pH)
In the present invention as described above, the micro-phase separation structure of the membrane, particularly the spatial arrangement of the ion conduction site, can be controlled in more detail, so it has high proton conductivity, compared with the perfluoroalkylsulfonic acid system. It is possible to provide a proton conductive membrane that is inexpensive and has excellent mechanical strength and thermal stability.
本発明の製造方法で得られたプロトン伝導膜は、高いプロトン伝導度を保持しつつ、優れた耐熱性、耐酸化性、靭性を示す。このため、水素もしくはメタノールからなる燃料電池、具体的には、家庭用電源向け燃料電池、燃料電池自動車、携帯電話用燃料電池、パソコン用燃料電池、携帯端末用燃料電池、デジタルカメラ用燃料電池、ポータブルCD、MD用燃料電池、ヘッドホンステレオ用燃料電池、ペットロボット用燃料電池、電動アシスト自転車用燃料電池、電動スクーター用燃料電池等の用途に好適に使用することができる。 The proton conductive membrane obtained by the production method of the present invention exhibits excellent heat resistance, oxidation resistance, and toughness while maintaining high proton conductivity. Therefore, a fuel cell made of hydrogen or methanol, specifically, a fuel cell for household power supply, a fuel cell vehicle, a fuel cell for a mobile phone, a fuel cell for a personal computer, a fuel cell for a portable terminal, a fuel cell for a digital camera, It can be suitably used for applications such as portable CD, MD fuel cells, headphone stereo fuel cells, pet robot fuel cells, electrically assisted bicycle fuel cells, and electric scooter fuel cells.
以下、本発明に係るプロトン伝導膜の製造方法について具体的に説明する。
(酸性イオン伝導性成分を有するポリマー)
本発明で使用される酸性イオン伝導性成分を有するポリマーとしては、酸性イオン伝導性基を有するポリマーが使用される。酸性イオン伝導性基としては、スルホン酸基、カルボン酸基、硫酸基などが挙げられる。
Hereinafter, the method for producing a proton conductive membrane according to the present invention will be specifically described.
(Polymer having acidic ion conductive component)
As the polymer having an acidic ion conductive component used in the present invention, a polymer having an acidic ion conductive group is used. Examples of the acidic ion conductive group include a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, and a sulfuric acid group.
本発明では、酸性イオン伝導性成分を有するポリマーが、イオン伝導性を含有するセグメント(A)とイオン伝導性を含有しないセグメント(B)からなるブロック共重合体であり、共重合体を形成する主鎖骨格が芳香環を結合基で共有結合させた構造を有し、かつイオン伝導性基としてスルホン酸基をポリマー側鎖に含有したものが好適である。 In the present invention, the polymer having an acidic ion conductive component is a block copolymer composed of a segment (A) containing ion conductivity and a segment (B) containing no ion conductivity, and forms a copolymer. It is preferable that the main chain skeleton has a structure in which an aromatic ring is covalently bonded with a linking group, and a sulfonic acid group is contained in the polymer side chain as an ion conductive group.
このようなブロック共重合体は、ミクロ相分離構造を形成可能である。なお、上述のようなミクロ相分離構造を、基質の構造を規定して制御する手段として、互いに非相溶なポリマーを共有結合させて一つのポリマー鎖を形成させるブロック共重合体の利用がある。本発明のようにイオン伝導性成分を有するポリマーセグメント(A)とイオン伝導性成分を有さないポリマーセグメント(B)からなる共重合体を用いると、親水―疎水性の相互作用を主なドライビングフォースとしたミクロ相分離構造の形成が可能となる。 Such a block copolymer can form a microphase separation structure. As a means for controlling the microphase separation structure as described above by defining the structure of the substrate, there is a use of a block copolymer in which incompatible polymers are covalently bonded to form one polymer chain. . When a copolymer comprising a polymer segment (A) having an ion conductive component and a polymer segment (B) having no ion conductive component is used as in the present invention, the hydrophilic-hydrophobic interaction is mainly driven. It is possible to form a micro phase separation structure with a force.
主鎖骨格としては、機械的強度、耐熱性を考慮して基本的に芳香環を結合基で共有結合させたものが好適である。ミクロ相分離構造の形成は熱力学的支配の影響を受けるところが大きく、相分離構造は基質の組成や製膜以降の熱履歴が重要であることが知られている。特に、製膜後の膜物性の安定化を考慮すると熱履歴の影響を受けにくい材料、すなわち膜の軟化点もしくはガラス転移点の高い材料の選択が必要となり、このような観点からも芳香族ユニットを主鎖骨格に含有するブロック共重合体(ポリアリーレン)の選択が好適である。主鎖の基本骨格に芳香族ユニットを導入することにより膜の軟化点もしくはガラス転移点は容易に100℃以上のものが得られるようになり、脂肪族ポリマーと比較して熱安定性に優れているという利点を有している。 As the main chain skeleton, a structure in which an aromatic ring is covalently bonded with a linking group in consideration of mechanical strength and heat resistance is preferable. The formation of the microphase separation structure is greatly affected by thermodynamic control, and it is known that the composition of the substrate and the thermal history after film formation are important for the phase separation structure. In particular, considering the stabilization of film properties after film formation, it is necessary to select a material that is not easily affected by thermal history, that is, a material having a high film softening point or glass transition point. It is preferable to select a block copolymer (polyarylene) containing a main chain skeleton. By introducing an aromatic unit into the basic skeleton of the main chain, the film softening point or glass transition point can be easily obtained at 100 ° C. or higher, and it has excellent thermal stability compared to aliphatic polymers. Has the advantage of being.
イオン伝導ユニットに関しては、基質の安定性や伝導効率からスルホン酸基が好ましい。また、その導入位置については、ミクロ相分離構造形成および機械的強度の観点から考えると、主鎖へ直接導入するものよりも特定の結合基もしくは原子団を側鎖として介して導入したものが好ましい。主鎖に直接スルホン酸を導入したポリマーは、ミクロ相分離構
造形成能および機械的強度が低いことに加えて、固体燃料電池電解質膜の要求基本特性、例えば、水もしくは熱水に対する安定性等の欠点が挙げられる。
With respect to the ion conducting unit, a sulfonic acid group is preferred from the standpoint of substrate stability and conduction efficiency. Further, the introduction position is preferably introduced through a specific bonding group or atomic group as a side chain rather than directly introduced into the main chain from the viewpoint of formation of a microphase-separated structure and mechanical strength. . A polymer in which a sulfonic acid is directly introduced into the main chain has a low ability to form a microphase-separated structure and low mechanical strength, as well as required basic characteristics of a solid fuel cell electrolyte membrane, such as stability to water or hot water. There are drawbacks.
本発明では、このようなスルホン酸基を含有するポリアリーレン共重合体としては、以下に示すものが使用される。 In the present invention, as the polyarylene copolymer containing such a sulfonic acid group, those shown below are used.
本発明に使用されるスルホン酸基を有するポリアリーレンは、下記一般式(A)で表される繰り返し構成単位と、下記一般式(B)で表される繰り返し構成単位とを含んでおり、下記一般式(C)で表される重合体である。 The polyarylene having a sulfonic acid group used in the present invention includes a repeating structural unit represented by the following general formula (A) and a repeating structural unit represented by the following general formula (B). It is a polymer represented by general formula (C).
式中、Aは2価の電子吸引性基を示す。具体的には−CO−、−SO2−、−SO−、
−CONH−、−COO−、−(CF2)l−(ここで、lは1〜10の整数である)、−C(CF3)2−などが挙げられる。
In the formula, A represents a divalent electron-withdrawing group. Specifically, —CO—, —SO 2 —, —SO—,
—CONH—, —COO—, — (CF 2 ) 1 — (wherein 1 is an integer of 1 to 10), —C (CF 3 ) 2 — and the like can be mentioned.
Bは2価の電子供与基または直接結合を示す。電子供与基として具体例には、−(CH2)−、−C(CH3)2−、−O−、−S−、−CH=CH−、−C≡C―および B represents a divalent electron donating group or a direct bond. Specific examples of the electron donating group include — (CH 2 ) —, —C (CH 3 ) 2 —, —O—, —S—, —CH═CH—, —C≡C— and
などが挙げられる。なお、電子吸引性基とは、ハメット(Hammett)置換基常数がフェニ
ル基のm位の場合、0.06以上、p位の場合、0.01以上の値となる基をいう。
Etc. The electron-withdrawing group means a group having a Hammett substituent constant of 0.06 or more when the phenyl group is in the m-position and 0.01 or more when the p-position is p-position.
Arは−SO3Hで表される置換基を有する芳香族基を示し、芳香族基として具体的に
はフェニル基、ナフチル基、アントラセニル基、フェナンチル基などが挙げられる。これらの基のうち、フェニル基、ナフチル基が好ましい。
mは0〜10、好ましくは0〜2の整数、nは0〜10、好ましくは0〜2の整数を示し、kは1〜4の整数を示す。
Ar represents an aromatic group having a substituent represented by —SO 3 H, and specific examples of the aromatic group include a phenyl group, a naphthyl group, an anthracenyl group, and a phenanthyl group. Of these groups, a phenyl group and a naphthyl group are preferable.
m represents an integer of 0 to 10, preferably 0 to 2, n represents an integer of 0 to 10, preferably 0 to 2, and k represents an integer of 1 to 4.
式(B)中、R1〜R8は互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子、アルキル基、フッ素置換アルキル基、アリル基、アリール基およびシアノ基からなる群より選ばれた少なくとも1種の原子または基を示す。 In formula (B), R 1 to R 8 may be the same as or different from each other, and are selected from the group consisting of a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group, an allyl group, an aryl group, and a cyano group. At least one atom or group is shown.
アルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、アミル基、ヘキシル基などが挙げられ、メチル基、エチル基などが好ましい。 Examples of the alkyl group include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, an amyl group, and a hexyl group, and a methyl group and an ethyl group are preferable.
フッ素置換アルキル基としては、トリフルオロメチル基、パーフルオロエチル基、パーフルオロプロピル基、パーフルオロブチル基、パーフルオロペンチル基、パーフルオロヘキシル基などが挙げられ、トリフルオロメチル基、ペンタフルオロエチル基などが好ましい。 Examples of the fluorine-substituted alkyl group include trifluoromethyl group, perfluoroethyl group, perfluoropropyl group, perfluorobutyl group, perfluoropentyl group, perfluorohexyl group, trifluoromethyl group, pentafluoroethyl group, and the like. Etc. are preferable.
アリル基としては、プロペニル基などが挙げられ、
アリール基としては、フェニル基、ペンタフルオロフェニル基などが挙げられる。
Examples of allyl groups include propenyl groups,
Examples of the aryl group include a phenyl group and a pentafluorophenyl group.
Wは単結合または2価の電子吸引性基を示し、Tは単結合または2価の有機基を示す。 W represents a single bond or a divalent electron-withdrawing group, and T represents a single bond or a divalent organic group.
式(B)において、pは0または正の整数であり、上限は通常100、好ましくは10〜80である。 In the formula (B), p is 0 or a positive integer, and the upper limit is usually 100, preferably 10-80.
ブロック共重合体は以下に表される。 The block copolymer is represented below.
(式(D)中、W、T、A,B、Ar、m、n、k、pおよびR1〜R8は、それぞれ上記一般式(A)および(B)中のW、T、A,B、Ar、m、n、k、pおよびR1〜R8と同義である。)
本発明で用いられるスルホン酸基を有するポリアリーレンは、式(A)で表される繰り返し構成単位を0.5〜100モル%、好ましくは10〜99.999モル%の割合で、式(B)で表される繰り返し構成単位を99.5〜0モル%、好ましくは90〜0.001モル%の割合で含有している。
(In the formula (D), W, T, A, B, Ar, m, n, k, p and R 1 to R 8 are respectively W, T, A in the general formulas (A) and (B). , B, Ar, m, n, k, p, and R 1 to R 8 .
The polyarylene having a sulfonic acid group used in the present invention contains 0.5 to 100 mol%, preferably 10 to 99.999 mol% of the repeating structural unit represented by the formula (A). ) Is contained in a proportion of 99.5 to 0 mol%, preferably 90 to 0.001 mol%.
このようなブロック共重合体は、一般式(A)で表されるブロックの繰り返し単位(a)を形成するモノマーと、一般式(B)で表されるブロックの繰り返し単位(b)を形成するモノマーまたはオリゴマーとを共重合させることにより合成することができる。 Such a block copolymer forms a monomer that forms the repeating unit (a) of the block represented by the general formula (A) and a repeating unit (b) of the block represented by the general formula (B). It can be synthesized by copolymerizing a monomer or oligomer.
また、スルホン酸基を含有しない一般式(A)のブロックと、一般式(B)で表されるブロックとを有するポリマーを予め合成し、この重合体をスルホン化することにより合成することもできる。 Further, a polymer having a block of the general formula (A) not containing a sulfonic acid group and a block represented by the general formula (B) can be synthesized in advance, and the polymer can be synthesized by sulfonation. .
またブロック共重合体は、繰り返し単位を形成するモノマーと、繰り返し単位を形成するモノマーとのうち少なくとも一方を予め重合して前駆体を製造し、得られた前駆体に他の共重合成分を反応させて製造することができる。 In addition, the block copolymer is prepared by previously polymerizing at least one of a monomer that forms a repeating unit and a monomer that forms a repeating unit to produce a precursor, and another copolymer component is reacted with the obtained precursor. Can be manufactured.
本発明の共重合体を合成する反応条件と、繰り返し単位を形成するモノマーおよび繰り返し単位を形成するモノマーの官能基としては、公知の反応条件、官能基が選択される。 Known reaction conditions and functional groups are selected as the reaction conditions for synthesizing the copolymer of the present invention and the functional groups of the monomer forming the repeating unit and the monomer forming the repeating unit.
上記一般式(A)の構造単位となりうるモノマー(例えば下記一般式(D)で表されるモノマー、モノマー(D)ともいう。)と、上記一般式(B)の構造単位となりうるオリゴマー(例えば下記一般式(E)で表されるオリゴマー、オリゴマー(E)ともいう。)とを共重合させてスルホン酸エステル基を有するポリアリーレンを合成する場合には、モノマー(D)としては、例えば下記一般式(D)で表されるスルホン酸エステルが用いられる。 A monomer that can be a structural unit of the general formula (A) (for example, a monomer represented by the following general formula (D), also referred to as monomer (D)) and an oligomer that can be a structural unit of the general formula (B) (for example, In the case of synthesizing a polyarylene having a sulfonate group by copolymerizing with an oligomer represented by the following general formula (E) or oligomer (E), examples of the monomer (D) include A sulfonic acid ester represented by the general formula (D) is used.
式(D)中、Xはフッ素を除くハロゲン原子(塩素、臭素、ヨウ素)、−OSO2Z(
ここで、Zはアルキル基、フッ素置換アルキル基またはアリール基を示す。)から選ばれる原子または基を示し、A、B、Ar、m、nおよびkは、それぞれ上記一般式(A)中のA、B、Ar、m、nおよびkと同義である。Raは炭素原子数1〜20、好ましくは
4〜20の炭化水素基を示し、具体的には、メチル基、エチル基、n−プロピル基、iso−プロピル基、tert-ブチル基、iso-ブチル基、n−ブチル基、sec−ブチル基、ネ
オペンチル基、シクロペンチル基、ヘキシル基、シクロヘキシル基、シクロペンチルメチル基、シクロヘキシルメチル基、アダマンチル基、アダマンタンメチル基、2−エチルヘキシル基、ビシクロ[2.2.1]へプチル基、ビシクロ[2.2.1]へプチルメチル基、テトラヒドロフルフリル基、2−メチルブチル基、3,3−ジメチル−2,4−ジオキソランメチル基、シクロヘキシルメチル基、アダマンチルメチル基、ビシクロ[2.2.1]ヘプチルメチル基などの直鎖状炭化水素基、分岐状炭化水素基、脂環式炭化水素基、5員の複素環を有する炭化水素基などが挙げられる。これらのうちn−ブチル基、ネオペンチル基、テトラヒドロフルフリル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、シクロヘキシルメチル基、アダマンチルメチル基、ビシクロ[2.2.1]ヘプチルメチル基が好ましく、さらにはネオペンチル基が好ましい。
In the formula (D), X represents a halogen atom other than fluorine (chlorine, bromine, iodine), —OSO 2 Z (
Here, Z represents an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group or an aryl group. ), A, B, Ar, m, n and k have the same meanings as A, B, Ar, m, n and k in the above general formula (A), respectively. R a represents a hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms, preferably 4 to 20 carbon atoms. Specifically, methyl group, ethyl group, n-propyl group, iso-propyl group, tert-butyl group, iso- Butyl group, n-butyl group, sec-butyl group, neopentyl group, cyclopentyl group, hexyl group, cyclohexyl group, cyclopentylmethyl group, cyclohexylmethyl group, adamantyl group, adamantanemethyl group, 2-ethylhexyl group, bicyclo [2.2 .1] heptyl group, bicyclo [2.2.1] heptylmethyl group, tetrahydrofurfuryl group, 2-methylbutyl group, 3,3-dimethyl-2,4-dioxolanemethyl group, cyclohexylmethyl group, adamantylmethyl group , Straight chain hydrocarbon group such as bicyclo [2.2.1] heptylmethyl group, branched hydrocarbon group, alicyclic hydrocarbon group, 5-membered And a hydrocarbon group having a heterocyclic ring. Among these, an n-butyl group, neopentyl group, tetrahydrofurfuryl group, cyclopentyl group, cyclohexyl group, cyclohexylmethyl group, adamantylmethyl group, and bicyclo [2.2.1] heptylmethyl group are preferable, and a neopentyl group is more preferable. .
Arは−SO3Rbで表される置換基を有する芳香族基を示し、芳香族基として具体的にはフェニル基、ナフチル基、アントラセニル基、フェナンチル基などが挙げられる。これらの基のうち、フェニル基、ナフチル基が好ましい。 Ar represents an aromatic group having a substituent represented by —SO 3 R b , and specific examples of the aromatic group include a phenyl group, a naphthyl group, an anthracenyl group, and a phenanthyl group. Of these groups, a phenyl group and a naphthyl group are preferable.
置換基−SO3Rbは、芳香族基に1個または2個以上置換しており、置換基−SO3Rbが2個以上置換している場合には、これらの置換基は互いに同一でも異なっていてもよい。 The substituent —SO 3 R b is substituted with one or more aromatic groups, and when two or more substituents —SO 3 R b are substituted, these substituents are the same as each other. But it can be different.
ここで、Rbは炭素原子数1〜20、好ましくは4〜20の炭化水素基を示し、具体的
には上記炭素原子数1〜20の炭化水素基などが挙げられる。これらのうちn−ブチル基、ネオペンチル基、テトラヒドロフルフリル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、
シクロヘキシルメチル基、アダマンチルメチル基、ビシクロ[2.2.1]ヘプチルメチル基が好ましく、さらにはネオペンチル基が好ましい。
Here, R b represents a hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms, preferably 4 to 20 carbon atoms, and specific examples thereof include the hydrocarbon groups having 1 to 20 carbon atoms. Among these, n-butyl group, neopentyl group, tetrahydrofurfuryl group, cyclopentyl group, cyclohexyl group,
A cyclohexylmethyl group, an adamantylmethyl group, and a bicyclo [2.2.1] heptylmethyl group are preferable, and a neopentyl group is more preferable.
mは0〜10、好ましくは0〜2の整数、nは0〜10、好ましくは0〜2の整数を示し、kは1〜4の整数を示す。 m represents an integer of 0 to 10, preferably 0 to 2, n represents an integer of 0 to 10, preferably 0 to 2, and k represents an integer of 1 to 4.
スルホン酸基を含有しない一般式(A)のブロックを導入するモノマーは式(D)中のスルホン酸エステル基がないものが例示される。 The monomer which introduce | transduces the block of the general formula (A) which does not contain a sulfonic acid group is exemplified by those having no sulfonic acid ester group in the formula (D).
オリゴマー(E)としては、例えば下記一般式(E)で表される化合物が用いられる。 As the oligomer (E), for example, a compound represented by the following general formula (E) is used.
式(E)中、R'およびR''は互いに同一でも異なっていてもよく、フッ素原子を除く
ハロゲン原子または−OSO2Z(ここで、Zはアルキル基、フッ素置換アルキル基また
はアリール基を示す。)で表される基を示す。Zが示すアルキル基としてはメチル基、エチル基などが挙げられ、フッ素置換アルキル基としてはトリフルオロメチル基などが挙げられ、アリール基としてはフェニル基、p−トリル基などが挙げられる。
In the formula (E), R ′ and R ″ may be the same as or different from each other, and a halogen atom or —OSO 2 Z excluding a fluorine atom (where Z is an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group or an aryl group) The group represented by this is shown. Examples of the alkyl group represented by Z include a methyl group and an ethyl group, examples of the fluorine-substituted alkyl group include a trifluoromethyl group, and examples of the aryl group include a phenyl group and a p-tolyl group.
R1〜R8、W、T、pは前記式(B)と同じである。 R 1 to R 8 , W, T, and p are the same as in the above formula (B).
このようなブロック共重合体を4,4'−ジヒドロキシベンゾフェノンと4,4'−ジクロロジフェニルスルホンとを例にとって説明する。 Such a block copolymer will be described by taking 4,4′-dihydroxybenzophenone and 4,4′-dichlorodiphenylsulfone as examples.
4,4'−ジヒドロキシベンゾフェノンと4,4'−ジクロロジフェニルスルホンを塩基存在下において高温で反応させることにより両末端が塩素原子であるオリゴマーを合成し、一般式(B)のブロックを構成するポリエーテルケトンスルホン前躯体を得る。次いで、2,5−ジクロロ−4’−(4−フェノキシ)フェノキシベンゾフェノンとのカップリング重合を行いポリエーテルケトンスルホン共重合体を合成した後、スルホン化することにより本発明の共重合体を合成することができる。 By reacting 4,4′-dihydroxybenzophenone and 4,4′-dichlorodiphenylsulfone at a high temperature in the presence of a base, an oligomer having both ends of a chlorine atom is synthesized, and a polysiloxane constituting the block of the general formula (B) is synthesized. An ether ketone sulfone precursor is obtained. Next, coupling polymerization with 2,5-dichloro-4 ′-(4-phenoxy) phenoxybenzophenone is performed to synthesize a polyether ketone sulfone copolymer, and then the sulfone is synthesized to synthesize the copolymer of the present invention. can do.
ブロック共重合体中におけるスルホン酸基量は0.3〜5meq/g、好ましくは0.5〜3meq/g、より好ましくは0.8〜2.8meq/gである。0.3meq/g未満では、プロトン伝導度が低く、一方、5meq/gを超えると、親水性が高まり、耐水性が大幅に低下してしまうため好ましくない。 The amount of sulfonic acid groups in the block copolymer is 0.3 to 5 meq / g, preferably 0.5 to 3 meq / g, more preferably 0.8 to 2.8 meq / g. If it is less than 0.3 meq / g, the proton conductivity is low. On the other hand, if it exceeds 5 meq / g, the hydrophilicity is increased and the water resistance is greatly reduced, which is not preferable.
上記のスルホン酸基量は、繰り返し単位(a)を形成するモノマーと繰り返し単位(b)を形成するモノマーとの使用割合、さらにモノマーの種類、組み合わせを変えることにより調整することができる。 The amount of the sulfonic acid group can be adjusted by changing the use ratio of the monomer that forms the repeating unit (a) and the monomer that forms the repeating unit (b), and the type and combination of the monomers.
本発明のスルホン酸基を含有するブロック共重合体の前駆体、すなわちスルホン酸誘導もしくは導入前のベースポリマーの分子量は、ポリスチレン換算重量平均分子量で、1万〜100万、好ましくは2万〜80万である。1万未満では、成形フィルムにクラックが発生するなど、塗膜性が不十分であり、また強度的性質にも問題がある。一方、100万を超えると、溶解性が不十分となり、また溶液粘度が高く、加工性が不良になるなどの問
題がある。
(添加剤)
酸性イオン伝導性成分を有するポリマーを含有する溶液に加える添加剤は、ポリマー中の酸性イオン伝導性基に対して酸―塩基相互作用、すなわち塩形成可能であり、水もしくは極性溶媒に可溶な有機もしくは無機化合物が選択される。酸性イオン伝導性成分を有するポリマーを含有する溶液に上記の添加剤を加えることにより、キャストフィルムの均質性、ミクロ相分離の制御、キャスト後の抽出が容易に可能となる。
The molecular weight of the block copolymer precursor containing the sulfonic acid group of the present invention, that is, the base polymer before sulfonic acid induction or introduction, is 10,000 to 1,000,000, preferably 20,000 to 80 in terms of polystyrene-converted weight average molecular weight. Ten thousand. If it is less than 10,000, the coating film properties are insufficient, such as cracks occurring in the molded film, and there are also problems with the strength properties. On the other hand, when it exceeds 1,000,000, there are problems such as insufficient solubility, high solution viscosity, and poor workability.
(Additive)
Additives added to a solution containing a polymer having an acidic ion-conducting component are capable of acid-base interaction, ie, salt formation, with respect to acidic ion-conducting groups in the polymer and are soluble in water or polar solvents. Organic or inorganic compounds are selected. By adding the above-mentioned additive to a solution containing a polymer having an acidic ion conductive component, the uniformity of cast film, control of microphase separation, and extraction after casting can be easily performed.
添加剤の分類としては無機物と有機物が挙げられる。無機物としては、アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、スルホン酸化合物の塩、リン酸の塩が挙げられる。例えば、塩化バリウム、臭化バリウム、ヨウ化バリウム、酸化バリウム、水酸化バリウム、塩化カルシウム、臭化カルシウム、ヨウ化カルシウム、塩化カリウム、臭化カリウム、ヨウ化カリウム、硫酸カリウム、リン酸カリウム、水酸化カリウム、塩化リチウム、臭化リチウム、ヨウ化リチウム、硫酸リチウム、水酸化リチウム、塩化マグネシウム、臭化マグネシウム、ヨウ化マグネシウム、硫酸マグネシウム、塩化アンモニウム、臭化アンモニウム、ヨウ化アンモニウム、硫酸アンモニウム、塩化ナトリウム、臭化ナトリウム、ヨウ化ナトリウム、水酸化ナトリウム、硫酸ナトリウム、リン酸ナトリウム、亜リン酸ナトリウム、塩化スズ(II)、臭化スズ(II)、ヨウ化スズ(II)、硫酸スズ、塩化亜鉛、臭化亜鉛、ヨウ化亜鉛、硫酸亜鉛、過塩素酸マグネシウム、過塩素酸ナトリウム、過塩素酸リチウム、チオシアン酸アンモン、チオシアン酸ナトリウム等が挙げられ、これらは単独もしくは複数で用いることもできる。有機物の例としては、カルボン酸誘導体の塩、有機スルホン酸誘導体の塩、有機リン酸誘導体の塩、1,3−ジケトン類の塩、1級、2級及び3級アミン、またはそれらの塩、4級アンモニウム塩等が挙げられる。例えば、コハク酸、マレイン酸、シュウ酸、酢酸、フタル酸、安息香酸等の各種カルボン酸のリチウム、ナトリウム、カリウム塩、ベンゼンスルホン酸、p−トルエンスルホン酸等の各種スルホン酸のリチウム、ナトリウム、カリウム塩、アセチルアセトン、アセト酢酸エチル等の各種1,3−ジケトン類のリチウム、ナトリウム、カリウム塩、アンモニア、メチルアミン、エチルアミン、プロピルアミン、ブチルアミン、ジメチルアミン、ジエチルアミン、ジプロピルアミン、ジブチルアミン、トリメチルアミン、トリエチルアミン、トリブチルアミン等のアミン類、テトラメチルアンモニウム、テトラエチルアンモニウム、テトラプロピルアンモニウム、テトラブチルアンモニウム等のヒドロキシド、フルオライド、クロライド、ブロマイド、アイオダイド塩等が挙げられる。上記化合物の内、リチウム塩、フルオライド塩が溶媒への溶解性の点から好ましい。 As the classification of additives, inorganic substances and organic substances can be mentioned. Examples of inorganic substances include alkali metal salts, alkaline earth metal salts, sulfonic acid compound salts, and phosphoric acid salts. For example, barium chloride, barium bromide, barium iodide, barium oxide, barium hydroxide, calcium chloride, calcium bromide, calcium iodide, potassium chloride, potassium bromide, potassium iodide, potassium sulfate, potassium phosphate, water Potassium oxide, lithium chloride, lithium bromide, lithium iodide, lithium sulfate, lithium hydroxide, magnesium chloride, magnesium bromide, magnesium iodide, magnesium sulfate, ammonium chloride, ammonium bromide, ammonium iodide, ammonium sulfate, sodium chloride Sodium bromide, sodium iodide, sodium hydroxide, sodium sulfate, sodium phosphate, sodium phosphite, tin (II) chloride, tin (II) bromide, tin (II) iodide, tin sulfate, zinc chloride , Zinc bromide, zinc iodide, zinc sulfate, perchloric acid Magnesium, sodium perchlorate, lithium perchlorate, ammonium thiocyanate, sodium thiocyanate, and the like. These may be used alone or in plurality. Examples of organic substances include salts of carboxylic acid derivatives, salts of organic sulfonic acid derivatives, salts of organic phosphoric acid derivatives, salts of 1,3-diketones, primary, secondary and tertiary amines, or salts thereof. A quaternary ammonium salt etc. are mentioned. For example, lithium of various carboxylic acids such as succinic acid, maleic acid, oxalic acid, acetic acid, phthalic acid, benzoic acid, sodium, potassium salts, lithium of various sulfonic acids such as benzenesulfonic acid, p-toluenesulfonic acid, sodium, Lithium, sodium, potassium salt of various 1,3-diketones such as potassium salt, acetylacetone, ethyl acetoacetate, ammonia, methylamine, ethylamine, propylamine, butylamine, dimethylamine, diethylamine, dipropylamine, dibutylamine, trimethylamine , Amines such as triethylamine, tributylamine, hydroxides such as tetramethylammonium, tetraethylammonium, tetrapropylammonium, tetrabutylammonium, fluoride, chloride, bromide De, iodide salts, and the like. Of the above compounds, lithium salts and fluoride salts are preferred from the viewpoint of solubility in a solvent.
酸性イオン伝導性基と相互作用するカウンターイオン種を変更すると、イオン相互作用の強弱またはイオン半径によりミクロ相分離構造を任意に制御できる。 By changing the counter ion species that interacts with the acidic ion conductive group, the microphase separation structure can be arbitrarily controlled by the strength of the ionic interaction or the ionic radius.
添加剤の添加量は、酸性イオン伝導性基数に対して0.05から10.0当量の割合であることが好ましい。添加剤がこの範囲にあると、酸性イオン伝導性成分を有するポリマー中のミクロ相分離構造を制御して、高いプロトン伝導度を持ちながら固体燃料電池用電解質に必要とされる緒物性を確保できる。つまり、ポリマーの一次構造を変化させることなく同一のポリマーを用いても、添加剤の種類、量をポリマーとの相関を考慮して適切に選択することで物性を発現させることが可能となる特徴がある。
(プロトン伝導膜の製造方法)
本発明のプロトン伝導膜は、例えば、上述した酸性イオン伝導性成分を有するポリマーを溶剤に溶解して溶液とした後、添加剤を加え、混合もしくは溶解させたのち、キャスティングにより基体上に流延し、フィルム状に成形する方法(キャスティング法)などにより、フィルム状に成形して製造される。
The amount of additive added is preferably 0.05 to 10.0 equivalents relative to the number of acidic ion conductive groups. When the additive is in this range, the micro phase separation structure in the polymer having an acidic ion conductive component can be controlled, and the properties required for the electrolyte for a solid fuel cell can be secured while having high proton conductivity. . In other words, even if the same polymer is used without changing the primary structure of the polymer, the physical properties can be expressed by appropriately selecting the type and amount of the additive in consideration of the correlation with the polymer. There is.
(Proton conductive membrane production method)
The proton conductive membrane of the present invention is prepared by, for example, dissolving the above-described polymer having an acidic ion conductive component in a solvent to form a solution, adding an additive, mixing or dissolving, and then casting on a substrate by casting. Then, it is manufactured by being formed into a film by a method (casting method) or the like.
基体としては、通常の溶液キャスティング法に用いられる基体であれば特に限定されず
、例えばプラスチック製、金属製などの基体が用いられ、好ましくは、例えばポリエチレンテレフタレート(PET)フィルムなどの熱可塑性樹脂からなる基体が用いられる。
The substrate is not particularly limited as long as it is a substrate used in an ordinary solution casting method. For example, a substrate made of plastic or metal is used, and preferably a thermoplastic resin such as a polyethylene terephthalate (PET) film. A substrate is used.
プロトン伝導膜を調製する際には、酸性イオン伝導性成分を有するポリマー、上記添加剤以外に、硫酸、リン酸などの無機酸、カルボン酸を含む有機酸、適量の水などを併用してもよい。 When preparing a proton conductive membrane, in addition to the polymer having an acidic ion conductive component and the above additives, an inorganic acid such as sulfuric acid and phosphoric acid, an organic acid containing a carboxylic acid, an appropriate amount of water, etc. may be used in combination. Good.
酸性イオン伝導性成分を有するポリマーを溶解する溶媒としては、特に制限されるものではないが、通常は揮発しやすいものが好適に使用される。たとえば、酸性イオン伝導性成分を有するポリマーがスルホン酸基を有するポリアリーレンの場合、具体的には、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルホルムアミド、γ−ブチロラクトン、N,N−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、ジメチル尿素、ジメチルイミダゾリジノン(DMI)などの非プロトン系極性溶剤が挙げられ、特に溶解性、溶液粘度の面から、N−メチル−2−ピロリドンが好ましい。非プロトン系極性溶剤は、単独であるいは2種以上を組み合わせて用いることができる。上記非プロトン系極性溶剤とアルコールとの混合物を用いてもよい。アルコールとしては、具体的には、メタノール、エタノール、プロピルアルコール、iso−プロピルアルコール、sec−ブチルアルコール、tert−ブチルアルコールなどが挙げられ、特にメタノールが幅広い組成範囲で溶液粘度を下げる効果があり好ましい。アルコールは、単独であるいは2種以上を組み合わせて用いることができる。 The solvent for dissolving the polymer having an acidic ion conductive component is not particularly limited, but usually a solvent that easily volatilizes is preferably used. For example, when the polymer having an acidic ion conductive component is a polyarylene having a sulfonic acid group, specifically, N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylformamide, γ-butyrolactone, N, N-dimethyl Examples include aprotic polar solvents such as acetamide, dimethyl sulfoxide, dimethylurea, dimethylimidazolidinone (DMI), and N-methyl-2-pyrrolidone is particularly preferred from the standpoint of solubility and solution viscosity. Aprotic polar solvents can be used alone or in combination of two or more. You may use the mixture of the said aprotic polar solvent and alcohol. Specific examples of the alcohol include methanol, ethanol, propyl alcohol, iso-propyl alcohol, sec-butyl alcohol, tert-butyl alcohol, etc. Methanol is particularly preferable because it has an effect of reducing the solution viscosity in a wide composition range. . Alcohol can be used individually or in combination of 2 or more types.
溶媒として非プロトン系極性溶剤とアルコールとの混合物を用いる場合には、非プロトン系極性溶剤が25〜95質量%、好ましくは25〜90質量%、アルコールが5〜75質量%、好ましくは10〜75質量%の組成の混合物が用いられる。アルコールの量が上記範囲内にあると、溶液粘度を下げる効果に優れる。 When a mixture of an aprotic polar solvent and an alcohol is used as the solvent, the aprotic polar solvent is 25 to 95% by mass, preferably 25 to 90% by mass, and the alcohol is 5 to 75% by mass, preferably 10 to 10%. A mixture having a composition of 75% by weight is used. When the amount of alcohol is within the above range, the effect of lowering the solution viscosity is excellent.
酸性イオン伝導性成分を有するポリマーを溶解させた溶液中のポリマー濃度は、ポリマー分子量にもよるが、通常、5〜40質量%、好ましくは7〜25質量%である。5質量%未満では、厚膜化し難く、また、ピンホールが生成しやすい。一方、40重量%を超えると、溶液粘度が高すぎてフィルム化し難く、また、表面平滑性に欠けることがある。 The polymer concentration in the solution in which the polymer having an acidic ion conductive component is dissolved is usually 5 to 40% by mass, preferably 7 to 25% by mass, although it depends on the polymer molecular weight. If it is less than 5% by mass, it is difficult to form a thick film, and pinholes are easily generated. On the other hand, if it exceeds 40% by weight, the solution viscosity is so high that it is difficult to form a film, and surface smoothness may be lacking.
なお、溶液粘度は、ポリマー分子量や、ポリマー濃度にもよるが、通常、2,000〜
100,000mPa・s、好ましくは3,000〜50,000mPa・sである。2,000mPa・s未満では、成膜中の溶液の滞留性が悪く、基体から流れてしまうことがある。一方、100,000mPa・sを超えると、粘度が高過ぎて、ダイからの押し出し
ができず、流延法によるフィルム化が困難となることがある。
The solution viscosity depends on the polymer molecular weight and the polymer concentration, but is usually from 2,000 to 2,000.
100,000 mPa · s, preferably 3,000 to 50,000 mPa · s. If it is less than 2,000 mPa · s, the retention of the solution during film formation is poor, and it may flow from the substrate. On the other hand, if it exceeds 100,000 mPa · s, the viscosity is too high to be extruded from the die and it may be difficult to form a film by the casting method.
上述した酸性イオン伝導性成分を有するポリマー及び添加剤は溶剤に完全に溶解していなくとも、分散混合状態であってもよい。さらに一部が溶解し一部が分散している状態であってもよい。 The polymer and additive having the acidic ion conductive component described above may not be completely dissolved in the solvent, but may be in a dispersed mixed state. Furthermore, it may be in a state where a part is dissolved and a part is dispersed.
上記のようにして成膜した後、得られた未乾燥フィルムを水に浸漬することにより、未乾燥フィルム中の有機溶剤が水と置換され、得られるプロトン伝導膜の残留溶媒量を低減することができる。また。残存した添加剤も同時に除去される。 After forming the film as described above, by immersing the obtained undried film in water, the organic solvent in the undried film is replaced with water, and the residual solvent amount of the resulting proton conducting membrane is reduced. Can do. Also. The remaining additive is also removed at the same time.
なお、成膜後の未乾燥フィルムを水へ浸漬する前に、未乾燥フィルムを予備乾燥してもよい。予備乾燥は、未乾燥フィルムを通常50〜150℃の温度で、0.1〜10時間保持することにより行われる。 In addition, before immersing the undried film after film-forming in water, you may predry an undried film. The preliminary drying is performed by holding the undried film at a temperature of usually 50 to 150 ° C. for 0.1 to 10 hours.
未乾燥フィルムを水に浸漬する際には、例えば、枚葉を水に浸漬するバッチ方式が採用
される。あるいは、PETなどの基板フィルム上に成膜された状態で、この積層フィルムごと水に浸漬させるか、または基板から分離した膜を水に浸漬させて巻き取っていく連続方式が採用される。
When immersing an undried film in water, for example, a batch method in which a sheet is immersed in water is employed. Alternatively, a continuous method is adopted in which the laminated film is immersed in water in a state where the film is formed on a substrate film such as PET, or the film separated from the substrate is immersed in water and wound.
バッチ方式の場合には、処理フィルムを枠に嵌める方式が、処理されたフィルムの表面における皺形成が抑制される点で好ましい。 In the case of the batch method, a method of fitting the treated film to the frame is preferable in that wrinkle formation on the surface of the treated film is suppressed.
未乾燥フィルムを水に浸漬する際には、未乾燥フィルム1質量部に対し、水が10質量部以上、好ましくは30質量部以上の接触比となるようにすることが好ましい。また、得られるプロトン伝導膜の残存溶媒量をできるだけ少なくするためには、できるだけ大きな接触比を維持するのが好ましい。さらに、浸漬に使用する水を交換したり、オーバーフローさせたりして、常に水中の有機溶媒濃度を一定濃度以下に維持しておくことも、得られるプロトン伝導膜の残存溶媒量の低減に有効である。プロトン伝導膜中に残存する有機溶媒量の面内分布を小さく抑えるためには、水中の有機溶媒濃度を撹拌等によって均質化させることが好ましい。 When immersing an undried film in water, it is preferable that water has a contact ratio of 10 parts by mass or more, preferably 30 parts by mass or more with respect to 1 part by mass of the undried film. In order to minimize the amount of residual solvent in the resulting proton conducting membrane, it is preferable to maintain a contact ratio as large as possible. In addition, it is effective in reducing the amount of residual solvent in the resulting proton conducting membrane by changing the water used for immersion or allowing it to overflow so that the organic solvent concentration in the water is always kept below a certain level. is there. In order to suppress the in-plane distribution of the amount of the organic solvent remaining in the proton conductive membrane, it is preferable to homogenize the concentration of the organic solvent in water by stirring or the like.
未乾燥フィルムを水に浸漬する際には、添加剤と塩形成して生成したスルホン酸塩をスルホン酸に変換する必要がある。このため成形体から添加剤もしくは残存成分を抽出する際、段階的にpHが高い水を使用するとともに、前段でpHが1から4までの水を使用し
、後段でpHが4から7(ただし、後段のpHは前段のpHよりも高い)までの水を使用することが好ましい。
When the undried film is immersed in water, it is necessary to convert the sulfonate salt formed by salt formation with the additive into sulfonic acid. For this reason, when extracting additives or residual components from the molded body, water having a high pH is used stepwise, water having a pH of 1 to 4 is used in the former stage, and pH is 4 to 7 in the latter stage (however, It is preferable to use water up to the pH of the latter stage is higher than the pH of the former stage.
浸漬は先ずpHが1から4までの水でスルホン酸を誘導し、続いてpHが4から7で浸漬することにより添加剤、およびその残存成分を除去すると共に中性に戻す役割がある。pHが1から4までの酸性の水への浸漬は、処理温度にもよるが、通常10分〜240時間であり、好ましくは30分〜100時間である。浸漬回数は、処理温度、水溶液の酸性度にもよるが、通常1〜10回、好ましくは2〜5回である。 The soaking has the role of first deriving the sulfonic acid with water having a pH of 1 to 4 and then soaking in the pH of 4 to 7 to remove the additive and its remaining components and return to neutrality. The immersion in acidic water having a pH of 1 to 4 is usually 10 minutes to 240 hours, preferably 30 minutes to 100 hours, depending on the treatment temperature. The number of immersions is usually 1 to 10 times, preferably 2 to 5 times, although it depends on the treatment temperature and the acidity of the aqueous solution.
pHの調整は、塩酸、硫酸、硝酸、酢酸などの酸、アンモニア、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウムなどのアルカリを使用して行えばよい。 The pH may be adjusted using an acid such as hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid or acetic acid, or an alkali such as ammonia, sodium hydroxide, potassium hydroxide, sodium carbonate, potassium carbonate, sodium hydrogen carbonate or potassium hydrogen carbonate.
未乾燥フィルムを水に浸漬する際の水の温度は、好ましくは5〜90℃である。高温ほど、有機溶媒と水との置換速度は速くなるが、フィルムの吸水量も大きくなるので、乾燥後に得られるプロトン伝導膜の表面が荒れる場合がある。置換速度と取り扱い易さを考慮すると、10〜60℃の温度範囲がより好ましい。 The temperature of water when the undried film is immersed in water is preferably 5 to 90 ° C. The higher the temperature, the higher the rate of substitution between the organic solvent and water, but the greater the amount of water absorbed by the film, so the surface of the proton conducting membrane obtained after drying may become rough. Considering the replacement speed and ease of handling, a temperature range of 10 to 60 ° C. is more preferable.
このように、未乾燥フィルムを水に浸漬してから乾燥すると、残存溶媒量が低減されたプロトン伝導膜が得られ、プロトン伝導膜中における残存溶媒量、残存添加剤量は、通常5質量%以下である。 Thus, when the undried film is immersed in water and then dried, a proton conductive membrane with a reduced amount of residual solvent is obtained, and the amount of residual solvent and residual additive in the proton conductive membrane is usually 5% by mass. It is as follows.
また、例えば、未乾燥フィルムと水との接触比を、未乾燥フィルム1質量部に対して水が50質量部以上とし、浸漬する際の水の温度を10〜60℃、浸漬時間を10分〜10時間とすることによって、得られるプロトン伝導膜の残存溶媒量を1質量%以下とすることができる。 Further, for example, the contact ratio between the undried film and water is 50 parts by mass or more of water with respect to 1 part by mass of the undried film, the temperature of water at the time of immersion is 10 to 60 ° C., and the immersion time is 10 minutes. By setting it to 10 hours, the residual solvent amount of the proton conductive membrane obtained can be made 1 mass% or less.
以上説明したように未乾燥フィルムを水に浸漬した後、フィルムを30〜100℃、好ましくは50〜80℃で、10〜180分、好ましくは15〜60分乾燥し、次いで、50〜150℃で、0.5〜24時間乾燥することによってプロトン伝導膜が得られる。 As described above, after immersing the undried film in water, the film is dried at 30 to 100 ° C., preferably 50 to 80 ° C., for 10 to 180 minutes, preferably 15 to 60 minutes, and then 50 to 150 ° C. Thus, a proton conducting membrane is obtained by drying for 0.5 to 24 hours.
こうして得られるプロトン伝導膜は、その乾燥膜厚が、通常10〜100μm、好ましくは20〜80μmである。 The proton conducting membrane thus obtained has a dry film thickness of usually 10 to 100 μm, preferably 20 to 80 μm.
本発明のプロトン伝導膜は、老化防止剤、好ましくは分子量500以上のヒンダードフェノール系化合物を含有してもよく、老化防止剤を含有することでプロトン伝導膜としての耐久性をより向上させることができる。 The proton conducting membrane of the present invention may contain an anti-aging agent, preferably a hindered phenol compound having a molecular weight of 500 or more. By containing an anti-aging agent, the durability of the proton conducting membrane is further improved. Can do.
このような分子量500以上のヒンダードフェノール系化合物としては、具体的には、トリエチレングリコール−ビス[3−(3−t−ブチル−5−メチル−4−ヒドロキシフェニル)プロオネート](商品名:IRGANOX 245)、1,6−ヘキサンジオール−ビス[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート](商品名:IRGANOX 259)、2,4−ビス−(n−オクチルチオ)−6−(4−ヒドロキシ−3,5−ジ−t−ブチルアニリノ)−3,5−トリアジン(商品名:IRGANOX 565)、ペンタエリスリチルーテトラキス[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネー
ト](商品名:IRGANOX 1010)、2,2−チオ−ジエチレンビス[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート](商品名:IRGANOX 1035)、オクタデシル−3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート)(商品名
:IRGANOX 1076)、N,N−ヘキサメチレンビス(3,5−ジ−t−ブチルー4−ヒドロキ
シ−ヒドロシンナマミド)(IRGAONOX 1098)、1,3,5−トリメチル−2,4,6−トリ
ス(3,5−ジ−t−ブチル−4―ヒドロキシベンジル)ベンゼン(商品名:IRGANOX 1330)、トリス−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシベンジル)−イソシアヌレイ
ト(商品名:IRGANOX 3114)、3,9−ビス[2−〔3−(3−t−ブチル−4−ヒドロキ
シ−5−メチルフェニル)プロピオニルオキシ〕−1,1−ジメチルエチル]−2,4,8,10−テトラオキサスピロ[5.5]ウンデカン(商品名:Sumilizer GA-80)などが挙げられる。
As such a hindered phenol compound having a molecular weight of 500 or more, specifically, triethylene glycol-bis [3- (3-t-butyl-5-methyl-4-hydroxyphenyl) proonate] (trade name: IRGANOX 245) 1,6-hexanediol-bis [3- (3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate] (trade name: IRGANOX 259), 2,4-bis- (n- Octylthio) -6- (4-hydroxy-3,5-di-t-butylanilino) -3,5-triazine (trade name: IRGANOX 565), pentaerythrityl-tetrakis [3- (3,5-di-t -Butyl-4-hydroxyphenyl) propionate] (trade name: IRGANOX 1010), 2,2-thio-diethylenebis [3- (3,5-di-t-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate] (trade) Product name: IRGANOX 1035), octadecyl-3- (3,5-di-t-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate) (trade name: IRGANOX 1076), N, N-hexamethylenebis (3,5-di-) t-butyl-4-hydroxy-hydrocinnamamide) (IRGAONOX 1098), 1,3,5-trimethyl-2,4,6-tris (3,5-di-t-butyl-4-hydroxybenzyl) benzene ( Trade name: IRGANOX 1330), tris- (3,5-di-t-butyl-4-hydroxybenzyl) -isocyanurate (trade name: IRGANOX 3114), 3,9-bis [2- [3- (3 -T-butyl-4-hydroxy-5-methylphenyl) propionyloxy] -1,1-dimethylethyl] -2,4,8,10-tetraoxaspiro [5.5] undecane (trade name: Sumilizer GA- 80).
これらのヒンダードフェノール系化合物は、スルホン酸基を有するポリアリーレン100質量部に対して0.01〜10質量部の量で使用することが好ましい。
(モルフォロジー)
本発明に係わるプロトン伝導膜は、イオン伝導性成分を有するポリマーセグメント(A)とイオン伝導性成分を有さないポリマーセグメント(B)からなる膜であり、ポリマーの種類や各セグメントの構造、溶媒、および添加剤の種類、量を変化させることでミクロ相分離構造を制御できる。プロトン伝導膜のモルフォロジーは、膜断面の電子顕微鏡により観察することができる。ミクロ相分離構造を形成するAからなる親水性ドメインが連続層であり、その長周期は1〜300nmの範囲にあり、さらに好ましくは10〜100nmの範囲であるものが用いられる。
These hindered phenol compounds are preferably used in an amount of 0.01 to 10 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the polyarylene having a sulfonic acid group.
(Morphology)
The proton conductive membrane according to the present invention is a membrane comprising a polymer segment (A) having an ion conductive component and a polymer segment (B) having no ion conductive component. The type of polymer, the structure of each segment, and the solvent , And the type and amount of additives can be changed to control the microphase separation structure. The morphology of the proton conducting membrane can be observed with an electron microscope of the membrane cross section. The hydrophilic domain composed of A forming the microphase separation structure is a continuous layer, and the long period thereof is in the range of 1 to 300 nm, more preferably in the range of 10 to 100 nm.
実施例
以下、実施例に基づいて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically based on examples, but the present invention is not limited to these examples.
実施例において、スルホン酸当量、分子量、プロトン伝導度は以下のようにして求めた。 In the examples, the sulfonic acid equivalent, molecular weight, and proton conductivity were obtained as follows.
1.スルホン酸当量
得られたスルホン酸基を有する重合体の水洗水が中性になるまで洗浄し、フリーに残存している酸を除いて充分に水洗し、乾燥後、所定量を秤量し、THF/水の混合溶剤に溶解したフェノールフタレインを指示薬とし、NaOHの標準液を用いて滴定を行い、中和点から、スルホン酸当量を求めた。
1. Sulfonic acid equivalent The polymer having the sulfonic acid group was washed with water until the water was neutral, thoroughly washed with water except for free remaining acid, dried, weighed a predetermined amount, THF / Phenolphthalein dissolved in a mixed solvent of water was used as an indicator, titration was performed using a standard solution of NaOH, and the sulfonic acid equivalent was determined from the neutralization point.
2.分子量の測定
スルホン酸不含のポリアリーレン重量平均分子量は、溶剤としてテトラヒドロフラン(THF)を用い、GPCによって、ポリスチレン換算の分子量を求めた。スルホン酸基を有するポリアリーレンの分子量は、溶剤として臭化リチウムと燐酸を添加したN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を溶離液として用い、GPCによって、ポリスチレン換算の分子量を求めた。
2. Measurement of molecular weight The polyarylene weight-average molecular weight containing no sulfonic acid was determined by GPC using polystyrene (THF) as a solvent and the molecular weight in terms of polystyrene. The molecular weight of the polyarylene having a sulfonic acid group was determined by GPC using N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) to which lithium bromide and phosphoric acid were added as a solvent as an eluent.
3.プロトン伝導度の測定
交流抵抗は、5mm幅の短冊状のプロトン伝導膜試料の表面に、白金線(f=0.5mm)を押し当て、恒温恒湿装置中に試料を保持し、白金線間の交流インピーダンス測定から求めた。すなわち、25℃、60℃、相対湿度80%の環境下で交流10kHzにおけるインピーダンスを測定した。抵抗測定装置として、(株)NF回路設計ブロック製のケミカルインピーダンス測定システムを用い、恒温恒湿装置には、(株)ヤマト科学製のJW241を使用した。白金線は、5mm間隔に5本押し当てて、線間距離を5〜20mmに変化させ、交流抵抗を測定した。線間距離と抵抗の勾配から、膜の比抵抗を算出し、比抵抗の逆数から、プロトン伝導度を算出した。
比抵抗R(Ω/cm)=0.5(cm)×膜厚(cm)×抵抗線間勾配(Ω/cm)
合成例1
オリゴマーの調製
撹拌機、温度計、冷却管、Dean−Stark管、および窒素導入の三方コックを取り付けた2Lの三つ口のフラスコに、4,4'-ジヒドロキシベンゾフェノン(4,4'-DHBP)106.0g(0.495mol)、4,4'-ジクロロジフェニルスルホン(4,4'-DCDS)148.2g(0.516mol)、炭酸カリウム88.9g(0.64mol)、1,3-ジメチル-2-イミダゾリジノン(DMI)500mL、およびトルエン200mLを加え、オイルバスで加熱を行い、窒素雰囲気下で撹拌しながら150℃で反応させた。反応により生成する水をトルエンと共沸させ、Dean-Stark管で系外に除去しながら反応させると、約3時間で水の生成がほとんど認められなくなった。次いで、反応温度を徐々に180℃まで上げながら大部分のトルエンを除去し、180℃で8時間反応を続けた後、4,4'-DCDS9.2g(0.032mol)を加え、さらに2時間反応させた。
得られた反応液を放冷後、副生した無機化合物の沈殿物を濾過によって除去し、濾液を4Lのメタノール中に投入した。これにより沈殿した生成物を濾別して回収し、乾燥した後、DMI500mLに溶解した。この溶液をメタノール4Lに加えて再沈殿させ、目的の化合物185g(収率79%)を得た。
3. Measurement of proton conductivity AC resistance was measured by pressing a platinum wire (f = 0.5 mm) against the surface of a 5 mm wide strip-shaped proton conducting membrane sample, holding the sample in a constant temperature and humidity device, and between the platinum wires It was obtained from AC impedance measurement. That is, the impedance at an alternating current of 10 kHz was measured in an environment of 25 ° C., 60 ° C., and relative humidity 80%. A chemical impedance measurement system manufactured by NF Circuit Design Block Co., Ltd. was used as the resistance measurement device, and JW241 manufactured by Yamato Scientific Co., Ltd. was used as the constant temperature and humidity device. Five platinum wires were pressed at intervals of 5 mm, the distance between the wires was changed to 5 to 20 mm, and the AC resistance was measured. The specific resistance of the membrane was calculated from the line-to-line distance and the resistance gradient, and the proton conductivity was calculated from the reciprocal of the specific resistance.
Specific resistance R (Ω / cm) = 0.5 (cm) x film thickness (cm) x resistance line gradient (Ω / cm)
Synthesis example 1
Preparation of oligomer 4,4'-dihydroxybenzophenone (4,4'-DHBP) was added to a 2 L three-necked flask equipped with a stirrer, thermometer, condenser, Dean-Stark tube, and nitrogen-introduced three-way cock. 106.0 g (0.495 mol), 4,4′-dichlorodiphenyl sulfone (4,4′-DCDS) 148.2 g (0.516 mol), potassium carbonate 88.9 g (0.64 mol), 1,3-dimethyl -2-Imidazolidinone (DMI) (500 mL) and toluene (200 mL) were added, heated in an oil bath, and reacted at 150 ° C. with stirring in a nitrogen atmosphere. When water produced by the reaction was azeotroped with toluene and reacted while being removed from the system with a Dean-Stark tube, almost no water was produced in about 3 hours. Subsequently, most of the toluene was removed while gradually raising the reaction temperature to 180 ° C., and the reaction was continued at 180 ° C. for 8 hours. Then, 9.2 g (0.032 mol) of 4,4′-DCDS was added, and another 2 hours. Reacted.
After allowing the resulting reaction solution to cool, precipitates of inorganic compounds produced as a by-product were removed by filtration, and the filtrate was put into 4 L of methanol. The precipitated product was collected by filtration, dried, and then dissolved in 500 mL of DMI. This solution was added to 4 L of methanol and reprecipitated to obtain 185 g (yield 79%) of the target compound.
得られた重合体のGPC(THF溶媒)で求めたポリスチレン換算の数平均分子量は2000であった。また、得られた重合体はNMP、DMAc、DMIなどに可溶であり、Tgは157℃、熱分解温度は500℃であった。 The number average molecular weight in terms of polystyrene determined by GPC (THF solvent) of the obtained polymer was 2000. Further, the obtained polymer was soluble in NMP, DMAc, DMI and the like, Tg was 157 ° C., and thermal decomposition temperature was 500 ° C.
得られた重合体は下記式(I): The resulting polymer has the following formula (I):
で表される構造を有することが推定される。 It is presumed to have a structure represented by
合成例2
(ポリアリーレン共重合体の合成)
合成例1で得られたオリゴマー17.7g(0.9mmol)、2,5−ジクロロ−4’−(4−フェノキシ)フェノキシベンゾフェノン(DCPPB)25.7g(59.1mmol)、ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケルジクロリド1.18g(1.8mmol)、よう化ナトリウム1.17g(7.8mmol)、トリフェニルホスフィン6.30g(24.0mmol)、および亜鉛末9.41g(144mmol)をフラスコに加え、乾燥窒素置換した。次いで、N−メチル−2−ピロリドン100mlをフラスコに加え、80℃に加熱し、攪拌しながら4時間重合を行った。
Synthesis example 2
(Synthesis of polyarylene copolymer)
17.7 g (0.9 mmol) of the oligomer obtained in Synthesis Example 1, 25.7 g (59.1 mmol) of 2,5-dichloro-4 ′-(4-phenoxy) phenoxybenzophenone (DCPPB), bis (triphenylphosphine) ) 1.18 g (1.8 mmol) of nickel dichloride, 1.17 g (7.8 mmol) of sodium iodide, 6.30 g (24.0 mmol) of triphenylphosphine, and 9.41 g (144 mmol) of zinc dust are added to the flask. Replaced with dry nitrogen. Next, 100 ml of N-methyl-2-pyrrolidone was added to the flask, heated to 80 ° C., and polymerized for 4 hours with stirring.
得られた重合溶液をNMPで希釈した後、セライトを濾過助剤に用いて濾過し、濾液を大過剰のメタノール1000mLに注いで凝固、析出させた。この凝固物を濾集して風乾し、さらにNMP200mLに再溶解し、大過剰のメタノール1500mLに注いで凝固、析出させた。この凝固物を濾集して真空乾燥し、目的の共重合体36.5g(93%)を得た。GPC(NMP)で求めたポリスチレン換算の数平均分子量は42300、重量平均分子量は161900であった。 After the obtained polymerization solution was diluted with NMP, it was filtered using Celite as a filter aid, and the filtrate was poured into 1000 mL of a large excess of methanol to coagulate and precipitate. The coagulated product was collected by filtration, air-dried, redissolved in 200 mL of NMP, poured into 1500 mL of a large excess of methanol, and coagulated and precipitated. The coagulated product was collected by filtration and dried in vacuo to obtain 36.5 g (93%) of the desired copolymer. The number average molecular weight in terms of polystyrene determined by GPC (NMP) was 42300, and the weight average molecular weight was 161900.
合成例3
(スルホン酸基を含有するポリアリーレン共重合体の合成)
合成例2で得た共重合体16gを攪拌装置、温度計を取り付けた500mlのセパラブルフラスコに加え、次いで濃度98%の硫酸160mlを加え、フラスコ内の温度を25℃に保ちながら窒素気流下で24時間攪拌した。得られた溶液を大量のイオン交換水の中に注ぎ入れ、重合体を沈殿させた。次いで、洗浄水のpHが5になるまで重合体の洗浄を繰り返した後、乾燥して、17g(収率92%)のスルホン酸基含有重合体を得た。このスルホン酸基含有重合体のGPC(NMP)で求めたポリスチレン換算の数平均分子量は47700、重量平均分子量は180000であり、スルホン酸当量は2.1meq/g
であった(モノマー仕込み比から計算したスルホン酸当量は2.3meq/g)。
Synthesis example 3
(Synthesis of polyarylene copolymer containing sulfonic acid group)
16 g of the copolymer obtained in Synthesis Example 2 was added to a 500 ml separable flask equipped with a stirrer and a thermometer, and then 160 ml of sulfuric acid having a concentration of 98% was added, and the temperature in the flask was kept at 25 ° C. under a nitrogen stream. For 24 hours. The obtained solution was poured into a large amount of ion exchange water to precipitate a polymer. Next, the polymer was repeatedly washed until the pH of the washing water reached 5, and then dried to obtain 17 g (yield 92%) of a sulfonic acid group-containing polymer. The number average molecular weight in terms of polystyrene determined by GPC (NMP) of this sulfonic acid group-containing polymer is 47700, the weight average molecular weight is 180,000, and the sulfonic acid equivalent is 2.1 meq / g.
(The sulfonic acid equivalent calculated from the monomer charge ratio was 2.3 meq / g).
比較例1
パーフルオロアルキルスルホン酸(商品名:Nafion117(登録商標)、DuPont社製)の
キャストフィルム(膜厚180μm)の伝導度は、0.090s/cm(60℃/80%RH)、0.049s/cm(25℃/80%RH)であった。
Comparative Example 1
The conductivity of a cast film (film thickness: 180 μm) of perfluoroalkylsulfonic acid (trade name: Nafion117 (registered trademark), manufactured by DuPont) is 0.090 s / cm (60 ° C./80% RH), 0.049 s / cm (25 ° C./80% RH).
比較例2
合成例3で得られたスルホン酸基を含有するポリマー5.0gをNMP20.6gおよびメタノール10.3gを50ccのスクリュー管に加え、ウエーブローターで24時間攪拌を行い、均一なポリマー溶液を得た。
Comparative Example 2
5.0 g of the polymer containing a sulfonic acid group obtained in Synthesis Example 3 was added to 20.6 g of NMP and 10.3 g of methanol to a 50 cc screw tube, and the mixture was stirred for 24 hours with a wafer blower to obtain a uniform polymer solution. .
上記の溶液をPETフィルム上にバーコーダー法によりキャストし、80℃で30分間、150℃で60分間、乾燥することで、膜厚50μmの均一且つ透明な固体電解質フィルムを得た。フィルムの洗浄は、pH1の塩酸水で2回、その後pH5の水で5回洗浄することにより行い、一日風乾したものをサンプルとした。(すなわち添加剤を添加せず)
作製したフィルム(膜厚50μm)の伝導度は、0.065s/cm(60℃/80%RH)、0.019s/cm(25℃/80%RH)であった。
The above solution was cast on a PET film by a bar coder method and dried at 80 ° C. for 30 minutes and 150 ° C. for 60 minutes to obtain a uniform and transparent solid electrolyte film having a thickness of 50 μm. The film was washed by washing twice with a pH 1 hydrochloric acid solution and then 5 times with a pH 5 water, and the sample was air-dried for one day as a sample. (Ie without additives)
The conductivity of the produced film (film thickness 50 μm) was 0.065 s / cm (60 ° C./80% RH) and 0.019 s / cm (25 ° C./80% RH).
実施例1
合成例3で得られたスルホン酸基を含有するポリマー5.0gをNMP20.6gおよびメタノール10.3gを50ccのスクリュー管に加え、溶解後、リチウムブロマイド0.45g(スルホン酸基に対して0.5等量)を添加し、ウエーブローターで24時間攪拌を行い、均一なポリマー溶液を得た。サンプル作製は比較例1と同様に行った。
Example 1
5.0 g of NMP 20.6 g and 10.3 g of methanol obtained in Synthesis Example 3 were added to a 50 cc screw tube and dissolved, and then 0.45 g of lithium bromide (0 with respect to the sulfonic acid group). .5 equivalents) was added, and the mixture was stirred for 24 hours with a wafer blower to obtain a uniform polymer solution. Sample preparation was performed in the same manner as in Comparative Example 1.
作製したフィルム(膜厚50μm)の伝導度は、0.108s/cm(60℃/80%RH)、0.046s/cm(25℃/80%RH)であった。 The conductivity of the produced film (film thickness 50 μm) was 0.108 s / cm (60 ° C./80% RH) and 0.046 s / cm (25 ° C./80% RH).
実施例2
合成例3で得られたスルホン酸基を含有するポリマー5.0gをNMP20.6gおよびメタノール10.3gを50ccのスクリュー管に加え、溶解後、リチウムブロマイド1.37g(スルホン酸基に対して1.5等量)を添加し、ウエーブローターで24時間攪拌を行い、均一なポリマー溶液を得た。サンプル作製は比較例1と同様に行った。
Example 2
After adding 5.0 g of NMP 20.6 g and 10.3 g of methanol obtained in Synthesis Example 3 to a 50 cc screw tube and dissolving, 1.37 g of lithium bromide (1 per sulfonic acid group) .5 equivalents) was added, and the mixture was stirred for 24 hours with a wafer blower to obtain a uniform polymer solution. Sample preparation was performed in the same manner as in Comparative Example 1.
作製したフィルム(膜厚50μm)の伝導度は、0.144s/cm(60℃/80%RH)、0.050s/cm(25℃/80%RH)であった。 The conductivity of the produced film (film thickness 50 μm) was 0.144 s / cm (60 ° C./80% RH) and 0.050 s / cm (25 ° C./80% RH).
実施例3
合成例3で得られたスルホン酸基を含有するポリマー5.0gをNMP20.6gおよびメタノール10.3gを50ccのスクリュー管に加え、溶解後、トリエチルアミン1.59g(スルホン酸基に対して1.5等量)を添加し、ウエーブローターで24時間攪拌を行い、均一なポリマー溶液を得た。サンプル作製は比較例1と同様に行った。
Example 3
After adding 5.0 g of NMP 20.6 g and 10.3 g of methanol obtained in Synthesis Example 3 to a 50 cc screw tube and dissolving it, 1.59 g of triethylamine (1. 5 equivalents) was added, and the mixture was stirred for 24 hours with a wafer blower to obtain a uniform polymer solution. Sample preparation was performed in the same manner as in Comparative Example 1.
作製したフィルム(膜厚50μm)の伝導度は、0.113s/cm(60℃/80%RH)、0.053s/cm(25℃/80%RH)であった。 The conductivity of the produced film (film thickness 50 μm) was 0.113 s / cm (60 ° C./80% RH) and 0.053 s / cm (25 ° C./80% RH).
Claims (6)
分散液または溶解液を流延して膜状に成形後、
成形体を水に浸漬して添加剤もしくは残存成分を抽出除去することを特徴とするプロトン伝導膜の製造方法。 A polymer having an acidic ion conductive component and an additive capable of acid-base interaction with the ion conductive component are dispersed or dissolved in a solvent,
After casting the dispersion or solution into a film,
A method for producing a proton conductive membrane, wherein the molded body is immersed in water to extract and remove additives or residual components.
イオン伝導性を含有するセグメント(A)とイオン伝導性を含有しないセグメント(B)からなるブロック共重合体であり、
共重合体を形成する主鎖骨格が芳香環を結合基として共有結合させた構造を有し、かつ
イオン伝導性基としてスルホン酸基をポリマー側鎖に含有することを特徴とする請求項1〜4に記載のプロトン伝導膜の製造方法。 A polymer having an acidic ion conductive component is
A block copolymer comprising a segment (A) containing ionic conductivity and a segment (B) not containing ionic conductivity,
The main chain skeleton forming the copolymer has a structure in which an aromatic ring is covalently bonded as a linking group, and the polymer side chain contains a sulfonic acid group as an ion conductive group. 5. A method for producing a proton conducting membrane according to 4.
るとともに、前段でpHが1から4までの水を使用し、後段でpHが4から7(ただし、後段のpHは前段のpHよりも高い)までの水を使用し、
その抽出温度が5℃から90℃であることを特徴とする請求項1〜5に記載のプロトン伝導膜の製造方法。 When extracting an additive or a residual component from the said molded object, while using water whose pH is high stepwise, water from pH 1 to 4 is used in the former stage, and pH is 4 to 7 in the latter stage (however, Use water up to the pH of the latter stage)
The method for producing a proton conducting membrane according to claim 1, wherein the extraction temperature is 5 ° C. to 90 ° C.
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