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JP2009093919A - Manufacturing method for aromatic polyether electrolyte membrane - Google Patents

Manufacturing method for aromatic polyether electrolyte membrane Download PDF

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JP2009093919A
JP2009093919A JP2007263250A JP2007263250A JP2009093919A JP 2009093919 A JP2009093919 A JP 2009093919A JP 2007263250 A JP2007263250 A JP 2007263250A JP 2007263250 A JP2007263250 A JP 2007263250A JP 2009093919 A JP2009093919 A JP 2009093919A
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electrolyte membrane
aromatic polyether
vinyl
ion exchange
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JP2007263250A
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Takashi Tsuda
隆 津田
Hideki Hiraoka
秀樹 平岡
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Toagosei Co Ltd
Original Assignee
Toagosei Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method for an electrolyte membrane that exhibits high proton conductance and high water resistance even when density of an ion exchange group is increased. <P>SOLUTION: A monomer requiring aromatic polyether having a vinyl group at an end and an ion exchange group in a molecule is impregnated into a pore of a porous base material having the swelling-resistant property. Subsequently, radical copolymerization of the vinyl group generates an electrolyte resin having ion exchange property and cross-linking in the pore of the porous base material to manufacture an electrolyte membrane filled with the electrolyte resin. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は電解質膜の製造方法に関するもので、当該電解質膜は電気化学装置、特に燃料電池、さらに詳細には直接アルコール形燃料電池用途に優れた電解質膜の製造方法である。   The present invention relates to a method for producing an electrolyte membrane, and the electrolyte membrane is a method for producing an electrolyte membrane excellent in use in an electrochemical device, particularly a fuel cell, more specifically, a direct alcohol fuel cell.

地球的な環境保護の動きが活発化するにつれて、いわゆる温暖化ガスやNOxの排出防止が強く叫ばれている。これらのガスの総排出量を削減するために、自動車用の燃料電池システムの実用化が非常に有効と考えられている。   As global environmental protection activities become more active, so-called greenhouse gas and NOx emission prevention is strongly screamed. In order to reduce the total emission amount of these gases, it is considered that practical application of a fuel cell system for automobiles is very effective.

高分子電解質膜を用いた電気化学装置の一種である固体高分子形燃料電池(PEFC、Polymer Electrolyte Fuel Cell)は、低温動作、高出力密度、環境負荷が少ないという優れた特長を有している。中でも、メタノール燃料のPEFCは、ガソリンと同様に液体燃料として供給が可能なため、電気自動車用動力や携帯機器用電源として有望であると考えられている。   A polymer electrolyte fuel cell (PEFC), which is a type of electrochemical device using a polymer electrolyte membrane, has excellent features such as low temperature operation, high output density, and low environmental impact. . Among them, PEFC, which is a methanol fuel, can be supplied as a liquid fuel in the same manner as gasoline, and thus is considered promising as a power source for electric vehicles and a power source for portable devices.

燃料としてメタノールを用いる場合のPEFCは、改質器を用いてメタノールを水素主成分のガスに変換する改質メタノール形と、改質器を用いずにメタノールを直接使用する直接メタノール形(DMFC、Direct Methanol Polymer Fuel Cell)の二つのタイプに区分される。DMFCは、改質器が不要であるため、軽量化が可能である等の大きな利点があり、その実用化が期待されている。 When using methanol as a fuel, PEFC is divided into a reformed methanol type that uses a reformer to convert methanol into a hydrogen-based gas, and a direct methanol type that uses methanol directly without using a reformer (DMFC, It is divided into two types, Direct Methanol Polymer Fuel Cell). Since DMFC does not require a reformer, it has great advantages such as being able to reduce weight, and its practical use is expected.

しかし、DMFC用の電解質膜として、在来の水素を燃料とするPEFC用の電解質膜であるパーフルオロアルキルスルホン酸膜、例えばDu Pont社のNafion(登録商標)膜等を用いた場合には、メタノールが膜を透過してしまうため、起電力が低下するという問題がある。さらに、これらの電解質膜は非常に高価であるという経済上の問題も有している。   However, when an electrolyte membrane for DMFC is a perfluoroalkylsulfonic acid membrane that is an electrolyte membrane for PEFC using conventional hydrogen as a fuel, such as a Nafion (registered trademark) membrane manufactured by Du Pont, Since methanol permeates the membrane, there is a problem that the electromotive force decreases. Furthermore, these electrolyte membranes also have an economic problem that they are very expensive.

上記の問題を解決する手段として、特許文献1には、ポリイミド、架橋ポリエチレン等、安価で外力に対して変形し難い多孔性基材にプロトン伝導性を有するポリマーを充填してなる電解質膜の提案がなされている。しかしながら前記電解質膜は、基材をプラズマ照射して前記ポリマーをグラフト重合させる工程を含むため、製造設備コストの上昇という問題がある。また燃料電池として連続運転した場合の耐久性も充分とはいえなかった。 As means for solving the above problem, Patent Document 1 proposes an electrolyte membrane in which a porous base material such as polyimide, crosslinked polyethylene, etc., which is inexpensive and hardly deformed by external force, is filled with a polymer having proton conductivity. Has been made. However, since the electrolyte membrane includes a step of subjecting the base material to plasma irradiation and graft polymerization of the polymer, there is a problem of an increase in manufacturing equipment cost. In addition, the durability when continuously operating as a fuel cell was not sufficient.

さらに、特許文献2には、メタノールを含む有機溶媒および水に対して実質的に膨潤しない多孔性基材の細孔内に、プロトン導電性を有する第1ポリマーを充填してなる電解質膜であって、前記第1ポリマーが2−アクリルアミド−2−メチルプロパン酸由来のポリマーであることを特徴とする電解質膜の提案がなされている。しかしながらこの特許文献記載の電解質膜の耐久性も、未だ不充分なものであった。
特開2002−83612号公報 国際公開03/075386号パンフレット
Furthermore, Patent Document 2 discloses an electrolyte membrane in which a first polymer having proton conductivity is filled in pores of a porous base material that does not substantially swell with an organic solvent containing methanol and water. An electrolyte membrane has been proposed in which the first polymer is a polymer derived from 2-acrylamido-2-methylpropanoic acid. However, the durability of the electrolyte membrane described in this patent document is still insufficient.
JP 2002-83612 A International Publication No. 03/075386 Pamphlet

炭化水素系電解質の中では耐酸化性・耐熱性に優れる高分子として、芳香族ポリエーテルにスルホン酸基等のイオン交換基を導入した高分子が知られている。例えば、スルホン化ポリエーテルケトン(特許文献3)、スルホン化ポリエーテルスルホン(特許文献4)等が提案されている。
特表平11−502249号公報 特開平10−45913号公報 しかしながら、上記のような芳香族ポリエーテルは、伝導度を上げるためにイオン交換基濃度を高めると耐水性が低下し、膜強度や電極との接着性も低下してしまうという欠点があった。特に多孔性基材と複合化する際には、伝導性の低下を補償するため電解質樹脂中のイオン交換基濃度を高める必要があるので、このような従来の電解質樹脂を用いた電解質膜では耐水性の不足が顕著な問題点となる。
Among hydrocarbon-based electrolytes, a polymer in which an ion exchange group such as a sulfonic acid group is introduced into an aromatic polyether is known as a polymer excellent in oxidation resistance and heat resistance. For example, sulfonated polyether ketone (Patent Document 3), sulfonated polyethersulfone (Patent Document 4) and the like have been proposed.
Japanese National Patent Publication No. 11-502249 JP, 10-45913, A However, when the above-mentioned aromatic polyether raises ion exchange group concentration in order to raise conductivity, water resistance will fall, and film strength and adhesiveness with an electrode will also fall. There was a drawback of end. In particular, when compounding with a porous substrate, it is necessary to increase the ion exchange group concentration in the electrolyte resin to compensate for the decrease in conductivity. Therefore, in such an electrolyte membrane using the conventional electrolyte resin, water resistance is increased. The lack of sex is a significant problem.

従来の電解質膜は、プロトン伝導度を上げるためにイオン交換基濃度を高くすると、電解質樹脂が水に溶出し易くなって耐久性が低いものになった。電解質膜の膨潤を押さえる有効な手法である多孔性基材と複合化においては、電解質膜のイオン交換基濃度を更に高くする必要があり、そうすると電解質樹脂の耐水性が顕著に低下する。本発明の課題はプロトン伝導度と耐水性の良好な複合化電解質膜の製造方法を提供することにある。   In the conventional electrolyte membrane, when the ion exchange group concentration is increased in order to increase proton conductivity, the electrolyte resin is easily eluted in water and the durability becomes low. In compositing with a porous base material, which is an effective technique for suppressing the swelling of the electrolyte membrane, it is necessary to further increase the ion exchange group concentration of the electrolyte membrane, and this significantly reduces the water resistance of the electrolyte resin. An object of the present invention is to provide a method for producing a composite electrolyte membrane having good proton conductivity and water resistance.

末端にビニル基を有し、分子内にイオン交換基を有する芳香族ポリエーテルを、多孔性基材の細孔に含浸させ、次いで前記芳香族ポリエーテルを多孔性基材の細孔内で重合させてイオン交換性でなおかつ架橋した電解質樹脂に変えることにより、多孔性基材の細孔に当該電解質樹脂の充填された構造を持つ電解質膜を製造する。   The pores of the porous substrate are impregnated with an aromatic polyether having a vinyl group at the end and an ion exchange group in the molecule, and then the aromatic polyether is polymerized in the pores of the porous substrate Thus, an electrolyte membrane having a structure in which the pores of the porous base material are filled with the electrolyte resin is manufactured by changing the electrolyte resin to an ion-exchangeable and crosslinked electrolyte resin.

上記の方法によって得られた電解質膜は、イオン交換基濃度を高くしても耐水性が高く、また、プロトン伝導度やメタノール透過抑制能も高い。その結果、伝導度が高く、耐水性も高く耐久性の高い電解質膜が実現できる。   The electrolyte membrane obtained by the above method has high water resistance even when the ion exchange group concentration is increased, and also has high proton conductivity and ability to suppress methanol permeation. As a result, an electrolyte membrane having high conductivity, high water resistance, and high durability can be realized.

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の電解質膜の製造方法において、芳香族ポリエーテル(a)は、少なくとも一つの末端にビニル基を有し、分子内にイオン交換基を有する。前記芳香族ポリエーテル(a)は、例えば末端にヒドロキシル基などの反応性基を有する芳香族ポリエーテルと、分子内に水酸基との反応性を有する官能性基とビニル基とを持つ化合物を反応して得ることができる。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
In the method for producing an electrolyte membrane of the present invention, the aromatic polyether (a) has a vinyl group at at least one end and an ion exchange group in the molecule. The aromatic polyether (a) reacts, for example, an aromatic polyether having a reactive group such as a hydroxyl group at a terminal with a compound having a functional group having reactivity with a hydroxyl group and a vinyl group in the molecule. Can be obtained.

<末端にヒドロキシル基などの反応性基を有する芳香族ポリエーテル>
末端にヒドロキシル基などの反応性基を有する芳香族ポリエーテルのうち、好ましいものは下記化合物(2)〜(6)の分子構造を持つ末端ヒドロキシ型の芳香族ポリエーテルである。本発明における芳香族ポリエーテル(a)は、該末端ヒドロキシ型芳香族ポリエーテルに、分子内にビニル基と官能性基を持つ化合物(以下、官能性ビニル化合物と称する)を反応させて合成される。

Figure 2009093919
(式中、X、Yは独立に芳香族の二価の基を表し、繰返し数nは1〜100の整数である。複数あるXおよびYはそれぞれ2種類以上の構造単位であっても良い。)

該末端ヒドロキシ型芳香族ポリエーテルの典型的な製造方法は、構造単位Xを形成するジオールと、構造単位Yを形成する脱離基を二個持つ化合物の縮合重合である。この際の脱離基としては、ヒドロキシル基による求核置換反応で脱離し得る官能基であり、クロロ基、ブロモ基、ヨード基などのハロゲン基、p−トルエンスルホニルオキシ基、メタンスルホニルオキシ基、トリフロロメタンスルホニルオキシ基などのスルホン酸エステル基が挙げられる。 <Aromatic polyether having a hydroxyl group or other reactive group at the terminal>
Among aromatic polyethers having a reactive group such as a hydroxyl group at the terminal, preferred are terminal hydroxy type aromatic polyethers having the molecular structures of the following compounds (2) to (6). The aromatic polyether (a) in the present invention is synthesized by reacting the terminal hydroxy type aromatic polyether with a compound having a vinyl group and a functional group in the molecule (hereinafter referred to as a functional vinyl compound). The
Figure 2009093919
(In the formula, X and Y independently represent an aromatic divalent group, and the repetition number n is an integer of 1 to 100. Plural X and Y may each be two or more types of structural units. .)

A typical method for producing the terminal hydroxy-type aromatic polyether is condensation polymerization of a diol forming the structural unit X and a compound having two leaving groups forming the structural unit Y. The leaving group at this time is a functional group that can be eliminated by a nucleophilic substitution reaction with a hydroxyl group, a halogen group such as a chloro group, a bromo group, or an iodo group, a p-toluenesulfonyloxy group, a methanesulfonyloxy group, Examples thereof include sulfonic acid ester groups such as trifluoromethanesulfonyloxy group.

構造単位XおよびYの代表例としては、1,4−フェニレン、1,3−フェニレン、1,2−フェニレン、2−フェニル−1,4−フェニレン、2−フェノキシ−1,4−フェニレン、1,4−ナフチレン、2,3−ナフチレン、1,5−ナフチレン、2,6−ナフチレン、2,7−ナフチレン、ビフェニル−4,4‘−ジイル、ビフェニル−3,3’−ジイル、ビフェニル−3,4‘−ジイル、3,3’−ジフェニルビフェニル−4,4‘−ジイル、3,3’−ジフェノキシビフェニル−4,4‘−ジイル、2,2’−ジフェニルプロパン−4,4‘−ジイル、ジフェニルエーテル−4,4’−ジイル、ジフェニルスルホン−4,4‘−ジイル、ベンゾフェノン−4,4’−ジイルなどが挙げられる。   Representative examples of the structural units X and Y include 1,4-phenylene, 1,3-phenylene, 1,2-phenylene, 2-phenyl-1,4-phenylene, 2-phenoxy-1,4-phenylene, 1 , 4-naphthylene, 2,3-naphthylene, 1,5-naphthylene, 2,6-naphthylene, 2,7-naphthylene, biphenyl-4,4′-diyl, biphenyl-3,3′-diyl, biphenyl-3 , 4′-diyl, 3,3′-diphenylbiphenyl-4,4′-diyl, 3,3′-diphenoxybiphenyl-4,4′-diyl, 2,2′-diphenylpropane-4,4′- Diyl, diphenyl ether-4,4′-diyl, diphenylsulfone-4,4′-diyl, benzophenone-4,4′-diyl and the like can be mentioned.

本発明における末端ヒドロキシ型芳香族ポリエーテルの主成分として好ましいものは化合物(2)の構造体であるが、以下の化合物(3)、(4)に示す構造の成分を含んでいても構わない。これらの構造体は、片末端または両末端に構造単位Yを有する成分から生成し、Yの脱離基が加水分解で外れてヒドロキシ基に置換したものである。これらの成分は化合物(2)の成分と同様、官能性ビニル化合物との反応で目的物に変換できる。

Figure 2009093919
Figure 2009093919
(式中、X、Yは独立に芳香族の二価の基を表し、繰返し数mまたはlは1〜100の整数である) The preferred main component of the terminal hydroxy-type aromatic polyether in the present invention is the structure of the compound (2), but it may contain components having the structures shown in the following compounds (3) and (4). . These structures are produced from a component having the structural unit Y at one or both ends, and the leaving group of Y is removed by hydrolysis and substituted with a hydroxy group. Similar to the component (2), these components can be converted into the target product by reaction with a functional vinyl compound.
Figure 2009093919
Figure 2009093919
(In the formula, X and Y independently represent an aromatic divalent group, and the repetition number m or l is an integer of 1 to 100)

一方、本発明における末端ヒドロキシ型芳香族ポリエーテルは以下の化合物(5)及び(6)で表される成分を含有し得る。これらの成分は片末端または両末端に脱離基Aが存在し、該脱離基を官能性ビニル化合物との反応で目的物に変換するのが難しい。これらの化合物の許容含有量は70%以下であり、50%以下であることが好ましい。なお、脱離基Aはクロロ基、ブロモ基、ヨード基などのハロゲン基、p−トルエンスルホニルオキシ基、メタンスルホニルオキシ基、トリフロロメタンスルホニルオキシ基などのスルホン酸エステル基である。
末端ヒドロキシ型芳香族ポリエーテル1分子あたりのヒドロキシ基の平均個数は、1.2個〜2.0個が好ましく、1.5個〜2.0個が更に好ましい。

Figure 2009093919
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(式中、X、Yは独立に芳香族の二価の基を表し、繰返し数mまたはlは1〜100の整数である)
On the other hand, the terminal hydroxy type aromatic polyether in the present invention may contain components represented by the following compounds (5) and (6). These components have a leaving group A at one or both ends, and it is difficult to convert the leaving group into a target product by reaction with a functional vinyl compound. The allowable content of these compounds is 70% or less, and preferably 50% or less. The leaving group A is a halogen group such as a chloro group, a bromo group or an iodo group, or a sulfonate group such as a p-toluenesulfonyloxy group, a methanesulfonyloxy group or a trifluoromethanesulfonyloxy group.
The average number of hydroxy groups per molecule of the terminal hydroxy-type aromatic polyether is preferably 1.2 to 2.0, and more preferably 1.5 to 2.0.
Figure 2009093919
Figure 2009093919
(In the formula, X and Y independently represent an aromatic divalent group, and the repetition number m or l is an integer of 1 to 100)

<イオン交換基>
本発明においては、構造単位X,Yの少なくともいずれかにイオン交換基を含むものが用いられる。イオン交換基の種類としては、−SO3M、−COOM、−PO(OM)2、−P(OM)2、−SO2NMSO2−から選ばれる陽イオン交換基が好まく使用され、−SO3Mが特に好ましく用いられる。ここで,Mは水素、金属原子、アンモニウムの中から選択される。Mが金属原子の場合、水素原子に交換し易く残存しても酸化反応を促進しないことから、アルカリ金属原子またはアルカリ土類金属原子であるのが好ましい。イオン交換基の結合様式としては、芳香環に直接または2価の有機基等を介して結合した構造が利用できる。通常は合成上の簡便さから芳香環に直接結合した構造が採用される。イオン交換基の導入方法としては、モノマー段階で導入する方法、末端ヒドロキシ型芳香族ポリエーテル段階で導入する方法、末端ビニル型芳香族ポリエーテルに導入する方法および細孔内でのビニル重合後に導入する方法があり、いずれの方法でも構わないが、この中ではモノマー段階で導入する方法、末端ヒドロキシ型芳香族ポリエーテル段階で導入する方法および細孔内でのビニル重合後に導入する方法が好ましい。イオン交換基の導入量や導入位置の制御が容易である点から、モノマー段階で導入する方法が特に推奨される。芳香族ポリエーテル(a)中のイオン交換基の濃度は、濃度が高いほど伝導性が良くなり、一方で濃度が低いほど耐水性や耐久性は良くなることから0.01〜5mmol/gが好ましく、0.5〜5mmol/gが更に好ましい。多孔質基材との複合化においては基材の体積比率分がイオン伝導に寄与しないため、電解質部分のイオン交換基濃度を高める必要があることから、1.5〜5mmol/gのイオン交換基濃度を持つことが特に好ましい。
<Ion exchange group>
In the present invention, those containing an ion exchange group in at least one of the structural units X and Y are used. The type of ion exchange groups, -SO 3 M, -COOM, -PO (OM) 2, -P (OM) 2, -SO 2 NMSO 2 - cation exchange group selected from the used rather preferred, - SO 3 M is particularly preferably used. Here, M is selected from hydrogen, metal atoms, and ammonium. When M is a metal atom, it is preferably an alkali metal atom or an alkaline earth metal atom because the oxidation reaction is not promoted even if it is easily exchanged with a hydrogen atom and remains. As a bonding mode of the ion exchange group, a structure bonded to an aromatic ring directly or via a divalent organic group can be used. Usually, a structure directly bonded to an aromatic ring is employed for the convenience of synthesis. Ion exchange group introduction methods include introduction at the monomer stage, introduction at the terminal hydroxy-type aromatic polyether stage, introduction into the terminal vinyl-type aromatic polyether, and introduction after vinyl polymerization in the pores. Any of these methods may be used, and among them, the method of introducing at the monomer stage, the method of introducing at the terminal hydroxy type aromatic polyether stage, and the method of introducing after vinyl polymerization in the pores are preferred. In view of easy control of the amount and position of ion exchange group introduction, a method of introduction at the monomer stage is particularly recommended. The concentration of the ion exchange group in the aromatic polyether (a) is preferably 0.01 to 5 mmol / g because the higher the concentration, the better the conductivity, while the lower the concentration, the better the water resistance and durability. 0.5-5 mmol / g is more preferable. Since the volume ratio of the base material does not contribute to ionic conduction in the composite with the porous base material, it is necessary to increase the ion exchange group concentration in the electrolyte part, so that the ion exchange group of 1.5 to 5 mmol / g It is particularly preferred to have a concentration.

<官能性ビニル化合物>
本発明における官能性ビニル化合物は、ラジカル重合性のビニル基と水酸基との反応性を持つ官能性基とを持つ。水酸基との反応性を持つ官能性基は、カルボキシル基、カルボン酸ハライド基、酸無水物基、ハロメチル基、エポキシ基、イソシアネート基およびオキサゾリン基から選ばれ、この中では、カルボン酸ハライド基、ハロメチル基、イソシアネート基が好ましく用いられ、ハロメチル基が特に好ましく用いられる。ハロメチル基の中でもアリル構造で活性化されたものが好ましく用いられる。活性化されたハロメチル基とビニル基を有し、工業的にも入手が容易な官能性ビニル化合物の具体例としては、クロロメチルスチレンが挙げられる。
<Functional vinyl compound>
The functional vinyl compound in the present invention has a radical polymerizable vinyl group and a functional group having reactivity with a hydroxyl group. The functional group having reactivity with a hydroxyl group is selected from a carboxyl group, a carboxylic acid halide group, an acid anhydride group, a halomethyl group, an epoxy group, an isocyanate group, and an oxazoline group, and among these, a carboxylic acid halide group, a halomethyl group Group and isocyanate group are preferably used, and halomethyl group is particularly preferably used. Of the halomethyl groups, those activated with an allyl structure are preferably used. A specific example of the functional vinyl compound having an activated halomethyl group and a vinyl group and easily available industrially is chloromethylstyrene.

<芳香族ポリエーテル(a)の合成>
本発明における、芳香族ポリエーテル(a)は、前記の末端ヒドロキシ型芳香族ポリエーテルと前記の官能性ビニル化合物を反応することによって得られる。反応条件は、官能性ビニル化合物の官能性基の種類によって異なる。以下には、官能性ビニル化合物としてクロロメチルスチレンを用いる場合の典型的な反応条件を説明する。
<Synthesis of aromatic polyether (a)>
The aromatic polyether (a) in the present invention can be obtained by reacting the terminal hydroxy aromatic polyether with the functional vinyl compound. The reaction conditions vary depending on the type of functional group of the functional vinyl compound. Hereinafter, typical reaction conditions when chloromethylstyrene is used as the functional vinyl compound will be described.

末端ヒドロキシ型芳香族ポリエーテルを非プロトン性極性有機溶媒の溶液とし、末端水酸基量に対し等量から過剰量のアルカリを添加する。ここにクロルメチルスチレンを添加して加熱混合すれば容易に反応し、末端にビニルベンジル基が導入された芳香族ポリエーテルとなる。
この際用いる非プロトン性極性溶媒としては、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、N−メチルピロリドン、ジメチルイミダゾリジノン、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートなどの汎用溶媒が使用できる。末端ヒドロキシ型芳香族ポリエーテルの濃度は、5〜80%が好ましく、10〜70%が更に好ましい。
アルカリとしては、一般的な無機や有機の強塩基を使用すれば良い。例えば水酸化ナトリウムや水酸化カリウムなどの水酸化アルカリが好ましく使用できる。アルカリの添加量としては、末端ヒドロキシ型芳香族ポリエーテルの末端水酸基に対し等量以上使用すればよく、典型的には等量〜2倍等量使用すれば高反応率で目的物が得られる。
クロロメチルスチレンは、市販の4−置換体、2−置換体、3−置換体およびそれらの混合物のいずれもが使用可能である。
反応温度は低いほど原料の安定性が良くなり、また高い方が反応時間が短くて済む傾向があることから0〜150℃が好ましく、20℃〜100℃が更に好ましい。以上に例示した方法で合成した、芳香族ポリエーテル(a)のうち、特に好ましいものは末端に(1)の構造を有するものである。これらの芳香族ポリエーテルは溶液のままで、または脱溶剤した後で、電解質膜製造の原料として用いられる。
本発明の芳香族ポリエーテル(a)の合成方法は、末端ビニル基の導入反応がマイルドな反応条件や低温度でも速やかに反応が進むため、末端ビニル基の失活反応などの副反応がほとんどなく、その結果、末端基導入率が極めて高く高純度のテレケリックオリゴマーが得られる。従って、ビニル重合時の架橋効率も高く、未架橋性分の含有量も微量に留まる。また、エステル基などの加水分解性基を含まないため、燃料電池電解質に典型的な強酸性雰囲気でも劣化が進まない。

Figure 2009093919
The terminal hydroxy aromatic polyether is used as a solution of an aprotic polar organic solvent, and an equivalent amount to an excess amount of alkali is added to the amount of terminal hydroxyl groups. If chloromethylstyrene is added here and mixed by heating, the reaction easily occurs, and an aromatic polyether having a vinylbenzyl group introduced at the terminal is obtained.
As the aprotic polar solvent used at this time, general-purpose solvents such as dimethylformamide, dimethylacetamide, dimethylsulfoxide, N-methylpyrrolidone, dimethylimidazolidinone, ethylene carbonate, propylene carbonate and the like can be used. The concentration of the terminal hydroxy type aromatic polyether is preferably 5 to 80%, more preferably 10 to 70%.
As the alkali, a general inorganic or organic strong base may be used. For example, an alkali hydroxide such as sodium hydroxide or potassium hydroxide can be preferably used. The alkali may be added in an amount equal to or more than the terminal hydroxyl group of the terminal hydroxy-type aromatic polyether. Typically, the target product can be obtained with a high reaction rate when used in an equivalent amount to twice the equivalent amount. .
As for chloromethylstyrene, any of commercially available 4-substituted products, 2-substituted products, 3-substituted products, and mixtures thereof can be used.
The lower the reaction temperature, the better the stability of the raw material, and the higher the reaction time, the shorter the reaction time, so 0 to 150 ° C is preferable, and 20 to 100 ° C is more preferable. Of the aromatic polyethers (a) synthesized by the method exemplified above, particularly preferred are those having the structure of (1) at the terminal. These aromatic polyethers are used as raw materials for the production of electrolyte membranes in the form of a solution or after solvent removal.
In the method for synthesizing the aromatic polyether (a) of the present invention, the reaction for introducing the terminal vinyl group is mild even under mild reaction conditions or even at low temperatures, and therefore, side reactions such as the deactivation reaction of the terminal vinyl group are rare. As a result, a highly pure telechelic oligomer having a very high terminal group introduction rate can be obtained. Therefore, the crosslinking efficiency at the time of vinyl polymerization is high, and the content of the non-crosslinkable component remains very small. Further, since it does not contain a hydrolyzable group such as an ester group, the deterioration does not proceed even in a strongly acidic atmosphere typical for a fuel cell electrolyte.

Figure 2009093919

<電解質膜>
本発明における電解質膜は、上に説明した芳香族ポリエーテル(a)を含む液体を多孔質基材の細孔中でラジカル重合することによって製造される。末端ビニル芳香族ポリエーテル(a)単独でラジカル重合することも可能だが、ビニル単量体(b)と共重合すれば、重合速度が速く短時間で反応が完結するので好ましい。いずれの場合でも、細孔内で重合した結果、イオン交換性でなおかつ架橋した重合体が生成することにより、多孔性基材の細孔に当該電解質樹脂の充填された構造を持つ電解質膜が製造される。当該電解質膜中の重合体を電解質樹脂と呼ぶ。
<Electrolyte membrane>
The electrolyte membrane in the present invention is produced by radical polymerization of the liquid containing the aromatic polyether (a) described above in the pores of the porous substrate. Although it is possible to radically polymerize the terminal vinyl aromatic polyether (a) alone, it is preferable to copolymerize with the vinyl monomer (b) because the polymerization is fast and the reaction is completed in a short time. In any case, as a result of polymerization in the pores, an ion exchangeable and crosslinked polymer is produced, thereby producing an electrolyte membrane having a structure in which the pores of the porous substrate are filled with the electrolyte resin. Is done. The polymer in the electrolyte membrane is called an electrolyte resin.

<ビニル単量体(b)>
本発明において、上記の共重合を行う場合に使用できるビニル単量体(b)としては、イオン交換基を持つ単量体、架橋性多官能ビニル単量体および他の単量体に分類され、各々について以下に例示する。
イオン交換基を持つビニル単量体は、分子中にビニル基とイオン交換基を有する化合物であり、イオン交換基としては−SO3M、−COOM、−PO(OM)2、−P(OM)2、−SO2NMSO2−から選ばれる陽イオン交換基が好ましい。ここで、Mは水素、アルカリ金属原子、アルカリ土類金属が好ましい。また、イオン交換基としては、構造−SO3Mであるスルホン酸またはこれらの塩が好ましく、具体例としては2−(メタ)アクリロイルエタンスルホン酸、2−(メタ)アクリロイルプロパンスルホン酸、2−(メタ)アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸、スチレンスルホン酸、(メタ)アリルスルホン酸、ビニルスルホン等のモノマーまたはこれらの塩を挙げることができる。
<Vinyl monomer (b)>
In the present invention, the vinyl monomer (b) that can be used for the above copolymerization is classified into a monomer having an ion exchange group, a crosslinkable polyfunctional vinyl monomer, and another monomer. Each is exemplified below.
A vinyl monomer having an ion exchange group is a compound having a vinyl group and an ion exchange group in the molecule. As the ion exchange group, -SO 3 M, -COOM, -PO (OM) 2 , -P (OM ) 2 , a cation exchange group selected from —SO 2 NMSO 2 — is preferable. Here, M is preferably hydrogen, an alkali metal atom, or an alkaline earth metal. The ion exchange group is preferably a sulfonic acid having the structure —SO 3 M or a salt thereof. Specific examples include 2- (meth) acryloylethanesulfonic acid, 2- (meth) acryloylpropanesulfonic acid, 2- Mention may be made of monomers such as (meth) acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid, styrenesulfonic acid, (meth) allylsulfonic acid, vinylsulfone, and salts thereof.

架橋性多官能ビニル単量体は架橋構造をより緻密にしたい場合に使用でき、具体例としては、N,N’−エチレンビスアクリルアミド、トリアクリルホルマール、ビスアクリロイルピペラジン、N,N−メチレンビスアクリルアミド、エチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ポリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、プロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、ポリプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパンジ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールジ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパンジアリルエーテル、ペンタエリスリトールトリアリルエーテル、ジビニルベンゼン、ビスフェノールジアクリレート、イソシアヌル酸ジアクリレート、テトラアリルオキシエタン、トリアリルアミン、トリアリルシアヌレート、トリアリルイソシアヌレート、ジアリルオキシ酢酸塩等が挙げられる。また架橋密度を高くし易い点から、架橋構造を形成し得る官能基を有する水溶性のビニル単量体(b)も好ましい。このような化合物としてはN−メチロールアクリルアミド、N−メトキシメチルアクリルアミド、N−ブトキシメチルアクリルアミドなどが挙げられ、重合性二重結合のラジカル重合を行った後で加熱して縮合反応などを起こさせて架橋するか、ラジカル重合と同時に加熱を行って同様の架橋反応を起こさせることができる。その他、重合時の水素引き抜き反応による自己架橋を利用したり、重合後のポリマーに電子線、ガンマ線等の活性エネルギー線を照射する方法などによっても架橋することができる。   The crosslinkable polyfunctional vinyl monomer can be used when it is desired to make the cross-linked structure more precise. Specific examples include N, N′-ethylenebisacrylamide, triacryl formal, bisacryloylpiperazine, N, N-methylenebisacrylamide. , Ethylene glycol di (meth) acrylate, polyethylene glycol di (meth) acrylate, propylene glycol di (meth) acrylate, polypropylene glycol di (meth) acrylate, trimethylolpropane di (meth) acrylate, trimethylolpropane tri (meth) acrylate , Pentaerythritol di (meth) acrylate, pentaerythritol tri (meth) acrylate, pentaerythritol tetra (meth) acrylate, trimethylolpropane diallyl ether, pen Erythritol triallyl ether, divinylbenzene, bisphenol diacrylate, isocyanuric acid diacrylate, tetraallyloxyethane, triallylamine, triallyl cyanurate, triallyl isocyanurate, diallyloxy acetate, and the like. Moreover, the water-soluble vinyl monomer (b) which has a functional group which can form a crosslinked structure is also preferable from the viewpoint of easily increasing the crosslinking density. Examples of such compounds include N-methylol acrylamide, N-methoxymethyl acrylamide, N-butoxymethyl acrylamide, and the like. After radical polymerization of a polymerizable double bond, heating is performed to cause a condensation reaction. It is possible to cause the same crosslinking reaction by crosslinking or heating simultaneously with radical polymerization. In addition, crosslinking can also be performed by utilizing self-crosslinking by a hydrogen abstraction reaction during polymerization, or by irradiating the polymer after polymerization with active energy rays such as an electron beam and gamma rays.

他のビニル単量体としては、例えば水溶性ビニル単量体として、(メタ)アクリル酸、(無水)マレイン酸、フマル酸、クロトン酸、イタコン酸、ビニルホスホン酸、酸性リン酸基含有(メタ)アクリレート等の酸性モノマーやその塩;(メタ)アクリルアミド、N−置換(メタ)アクリルアミド、2−ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、2−ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、メトキシポリエチレングリコール(メタ)アクリレート、ポリエチレングリコール(メタ)アクリレート、N−ビニルピロリドン、N−ビニルアセトアミド等のモノマー;N,N−ジメチルアミノエチル(メタ)アクリレート、N,N−ジメチルアミノプロピル(メタ)アクリレート、N,N−ジメチルアミノプロピル(メタ)アクリルアミド等の塩基性モノマーやそれらの4級化物等を具体的に挙げることができる。また、吸水性を調整する等の目的でメチル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート、ブチル(メタ)アクリレート等のアクリル酸エステル類、酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、スチレン、置換スチレン、N−フェニルマレイミドやN−シクロヘキシルマレイミドに代表されるN−置換マレイミド等の疎水性モノマーを使用することもできる。
末端のビニル基がスチリル基の場合は、交互共重合性が強いビニル単量体を用いることにより重合速度が向上し、重合性基の濃度が極めて低いにも関わらず短時間で重合反応が完了する。高速重合と後述する光開始重合の組合せによって、電解質膜の生産性を飛躍的に高めることが可能である。ラジカル重合における共重合性の指標であるQeスキームのe値が+2以上のビニル単量体が好ましく用いられる。具体的には、N−フェニルマレイミドやN−シクロヘキシルマレイミドに代表されるN−置換マレイミドと無水マイン酸が好ましく使用され、N−置換マレイミドが特に好ましく用いられる。
Other vinyl monomers include, for example, (meth) acrylic acid, (anhydrous) maleic acid, fumaric acid, crotonic acid, itaconic acid, vinylphosphonic acid, acidic phosphoric acid group-containing (methacrylic acid) ) Acidic monomers such as acrylates and salts thereof; (meth) acrylamide, N-substituted (meth) acrylamide, 2-hydroxyethyl (meth) acrylate, 2-hydroxypropyl (meth) acrylate, methoxypolyethylene glycol (meth) acrylate, polyethylene Monomers such as glycol (meth) acrylate, N-vinylpyrrolidone, N-vinylacetamide; N, N-dimethylaminoethyl (meth) acrylate, N, N-dimethylaminopropyl (meth) acrylate, N, N-dimethylaminopropyl (Meth) acrylamide etc. And the groups of monomers and the like their quaternized compound specifically. Also, acrylic acid esters such as methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate, butyl (meth) acrylate, vinyl acetate, vinyl propionate, styrene, substituted styrene, N-phenyl for the purpose of adjusting water absorption Hydrophobic monomers such as maleimide and N-substituted maleimide represented by N-cyclohexylmaleimide can also be used.
When the terminal vinyl group is a styryl group, the polymerization rate is improved by using a vinyl monomer with strong alternating copolymerization, and the polymerization reaction is completed in a short time despite the extremely low concentration of the polymerizable group. To do. The productivity of the electrolyte membrane can be drastically increased by a combination of high-speed polymerization and photoinitiated polymerization described later. A vinyl monomer having an e value of +2 or more in the Qe scheme which is an index of copolymerizability in radical polymerization is preferably used. Specifically, N-substituted maleimides such as N-phenylmaleimide and N-cyclohexylmaleimide and maleic anhydride are preferably used, and N-substituted maleimide is particularly preferably used.

<ビニル単量体(b)の使用比率>
末端ビニル型芳香族ポリエーテル(a)とビニル単量体(b)を併用するときの使用比率は、末端ビニル型芳香族ポリエーテル(a)の質量比率が大きい方が電解質膜のプロトン伝導性が高くなって好ましく、一方でビニル単量体(b)の質量比率が大きい方が重合速度と重合反応率が高くなることから、質量比率で100:0〜5:95が好ましく、98:2〜20:80が更に好ましく、97:3〜40:60が特に好ましい。
電解質樹脂のイオン交換基の濃度は高いほど伝導性が良くなり、一方で低いほど耐水性や耐久性は高くなるので0.5mmol/g〜5mmol/gが好ましく、1mmol/g〜4mmol/gが更に好ましい。電解質樹脂のイオン交換基の濃度は、末端ビニル型芳香族ポリエーテル(a)中の濃度およびビニル単量体(b)中のイオン交換基を持つモノマーの使用量を調節することによって制御できる。
<Use ratio of vinyl monomer (b)>
When the terminal vinyl type aromatic polyether (a) and the vinyl monomer (b) are used in combination, the higher the mass ratio of the terminal vinyl type aromatic polyether (a), the higher the proton conductivity of the electrolyte membrane. On the other hand, the larger the mass ratio of the vinyl monomer (b), the higher the polymerization rate and the polymerization reaction rate. Therefore, the mass ratio is preferably 100: 0 to 5:95, and 98: 2 ~ 20: 80 is more preferable, and 97: 3 to 40:60 is particularly preferable.
The higher the ion exchange group concentration of the electrolyte resin, the better the conductivity. On the other hand, the lower the water resistance and the higher the durability, so 0.5 mmol / g to 5 mmol / g is preferred, and 1 mmol / g to 4 mmol / g is preferred. Further preferred. The concentration of the ion exchange group of the electrolyte resin can be controlled by adjusting the concentration in the terminal vinyl type aromatic polyether (a) and the amount of the monomer having an ion exchange group in the vinyl monomer (b).

<重合方法>
既に述べたように、本発明の電解質膜は典型的には芳香族ポリエーテル(a)とビニル単量体(b)との共重合によって製造する。重合法としてはラジカル重合法の技術を使用することができる。具体例としては、レドックス開始重合、熱開始重合、電子線開始重合、紫外線等の光開始重合等が挙げられる。使用する芳香族ポリエーテル(a)がビニル単量体(b)に溶ける場合は溶媒を用いないバルク重合も可能であるが、通常は水や極性有機溶媒を用いた溶液重合が採用される。極性有機溶媒としては、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、N−メチルピロリドン、ジメチルイミダゾリジノン、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートなどの非プロトン性極性溶媒、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、エチレングリコール、エチレングリコールモノアルキルエーテルなどのアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトンなどのケトン類、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチルなどのエステル類が使用できる。
<Polymerization method>
As already mentioned, the electrolyte membrane of the present invention is typically produced by copolymerization of an aromatic polyether (a) and a vinyl monomer (b). As the polymerization method, a technique of radical polymerization can be used. Specific examples include redox-initiated polymerization, heat-initiated polymerization, electron beam-initiated polymerization, and photoinitiated polymerization such as ultraviolet rays. When the aromatic polyether (a) used is soluble in the vinyl monomer (b), bulk polymerization without using a solvent is possible, but usually solution polymerization using water or a polar organic solvent is employed. Examples of polar organic solvents include dimethylformamide, dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone, dimethylimidazolidinone, ethylene carbonate, propylene carbonate and other aprotic polar solvents, methanol, ethanol, propanol, butanol, ethylene glycol, ethylene Alcohols such as glycol monoalkyl ether, ketones such as acetone, methyl ethyl ketone, and methyl isobutyl ketone, and esters such as ethyl acetate, propyl acetate, and butyl acetate can be used.

熱開始重合、レドックス開始重合のラジカル重合開始剤としては、次のようなものが挙げられる。2,2’−アゾビス(2−アミジノプロパン)二塩酸塩等のアゾ化合物;過硫酸アンモニウム、過硫酸カリウム、過硫酸ナトリウム、過酸化水素、過酸化ベンゾイル、クメンヒドロパーオキサイド、ジ−t−ブチルパーオキサイド等の過酸化物;上記過酸化物と、亜硫酸塩、重亜硫酸塩、チオ硫酸塩、ホルムアミジンスルフィン酸、アスコルビン酸等の還元剤とを組み合わせたレドックス開始剤;または2,2’−アゾビス−(2−アミジノプロパン)二塩酸塩、アゾビスシアノ吉草酸等のアゾ系ラジカル重合開始剤等。 これらラジカル重合開始剤は、単独で用いてもよく、また、二種類以上を併用してもよい。
これらの内、過酸化物系ラジカル重合開始剤は炭素水素結合から水素を引き抜くことによってラジカルを発生することができるため多孔性基材としてポリオレフィン等の有機材料と併用すると、基材表面と充填ポリマーとの間に化学結合を形成することができるので好ましい。
Examples of the radical polymerization initiator for heat-initiated polymerization and redox-initiated polymerization include the following. Azo compounds such as 2,2′-azobis (2-amidinopropane) dihydrochloride; ammonium persulfate, potassium persulfate, sodium persulfate, hydrogen peroxide, benzoyl peroxide, cumene hydroperoxide, di-t-butylperoxide A peroxide such as oxide; a redox initiator in which the above-mentioned peroxide is combined with a reducing agent such as sulfite, bisulfite, thiosulfate, formamidinesulfinic acid, ascorbic acid; or 2,2′-azobis -Azo radical polymerization initiators such as (2-amidinopropane) dihydrochloride and azobiscyanovaleric acid. These radical polymerization initiators may be used alone or in combination of two or more.
Among these, the peroxide radical polymerization initiator can generate radicals by extracting hydrogen from carbon-hydrogen bonds, so when used in combination with an organic material such as polyolefin as a porous substrate, the surface of the substrate and the filled polymer It is preferable because a chemical bond can be formed between the two.

<光開始重合>
上記ラジカル重合開始手段の中では、重合反応の制御がし易く、比較的簡便なプロセスで生産性良く所望の電解質膜が得られる点で、紫外線による光開始重合が好ましい。さらに光開始重合させる場合には、光重合開始剤を、反応液中に予め溶解若しくは分散させておくことがより好ましい。光重合開始剤としては、一般に紫外線重合に利用されているベンゾイン、ベンジル、アセトフェノン、ベンゾフェノン、キノン、チオキサントン、チオアクリドンおよびこれらの誘導体等が挙げられる。当該誘導体の例としては、ベンゾイン系として、ベンゾインメチルエーテル、ベンゾインエチルエーテル、ベンゾインイソプロピルエーテル、ベンゾインイソブチルエーテル;アセトフェノン系として、ジエトキシアセトフェノン、2,2−ジメトキシ−1,2−ジフェニルエタン−1−オン、1−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、2−メチル−1−(4−(メチルチオ)−フェニル)−2−モルフォリノプロパン−1、2−ベンジル−2−ジメチルアミノ−1−(4−モルフォリノフェニル)ブタノン−1、2−ヒドロキシ−2−メチル−1−フェニルプロパン−1−オン、1−(4−(2−ヒドロキシエトキシ)−フェニル)−2−ヒドロキシジ−2−メチル−1−プロパン−1−オン;ベンゾフェノン系として、o−ベンゾイル安息香酸メチル、4−フェニルベンゾフェノン、4−ベンゾイル−4’−メチルジフェニルサルファイド、3,3’,4,4’−テトラ(t−ブチルパーオキシカルボニル)ベンゾフェノン、2,4,6−トリメチルベンゾフェノン、4−ベンゾイル−N,N−ジメチル−N−(2−(1−オキシ−2−プロペニルオキシ)−エチル)−ベンゼンメタナミニウムブロミド、(4−ベンゾイルベンジル)トリメチルアンモニウムクロリド、4,4’−ジメチルアミノベンゾフェノン、4,4’−ジエチルアミノベンゾフェノン等が挙げられる。
<Photoinitiated polymerization>
Among the radical polymerization initiating means, photoinitiated polymerization by ultraviolet rays is preferable because the polymerization reaction is easily controlled and a desired electrolyte membrane can be obtained with a relatively simple process and high productivity. In the case of further photoinitiating polymerization, it is more preferable to previously dissolve or disperse the photopolymerization initiator in the reaction solution. Examples of the photopolymerization initiator include benzoin, benzyl, acetophenone, benzophenone, quinone, thioxanthone, thioacridone, and derivatives thereof that are generally used for ultraviolet polymerization. Examples of the derivatives include benzoin-based benzoin methyl ether, benzoin ethyl ether, benzoin isopropyl ether, benzoin isobutyl ether; acetophenone-based diethoxyacetophenone, 2,2-dimethoxy-1,2-diphenylethane-1- ON, 1-hydroxycyclohexyl phenyl ketone, 2-methyl-1- (4- (methylthio) -phenyl) -2-morpholinopropane-1, 2-benzyl-2-dimethylamino-1- (4-morpholinophenyl) ) Butanone-1,2-hydroxy-2-methyl-1-phenylpropan-1-one, 1- (4- (2-hydroxyethoxy) -phenyl) -2-hydroxydi-2-methyl-1-propane- 1-one; o-benzo as benzophenone Methyl benzoate, 4-phenylbenzophenone, 4-benzoyl-4′-methyldiphenyl sulfide, 3,3 ′, 4,4′-tetra (t-butylperoxycarbonyl) benzophenone, 2,4,6-trimethylbenzophenone 4-benzoyl-N, N-dimethyl-N- (2- (1-oxy-2-propenyloxy) -ethyl) -benzenemethananium bromide, (4-benzoylbenzyl) trimethylammonium chloride, 4,4 ′ -Dimethylaminobenzophenone, 4,4'-diethylaminobenzophenone, etc. are mentioned.

これら光重合開始剤の使用量は、多いほうが未反応モノマーを減らすことができるが、一方で少ない方が架橋密度が高くなって電解質膜の耐久性が高くなる傾向があるので、好ましい光重合開始剤の使用量としては芳香族ポリエーテル(a)とビニル単量体(b)の総質量に対して0.001〜10質量%が好ましく、さらに好ましくは0.01〜5質量%である。
またこれらの内、ベンゾフェノン、チオキサントン、キノン、チオアクリドン等の芳香族ケトン系ラジカル重合開始剤は炭素水素結合から水素を引き抜くことによってラジカルを発生することができるため多孔性基材としてポリオレフィン等の有機材料と併用すると基材表面と充填ポリマーとの間に化学結合を形成することができ好ましい。
<非架橋性分の含有量>
上に説明した芳香族ポリエーテル(a)とビニル単量体(b)との共重合体は架橋構造を持つため優れた耐久性を有する。電解質樹脂中の非架橋成分量は<重合方法>の項で説明した極性溶媒を用いた洗浄試験によって容易に評価できる。本発明の電解質膜においては、室温の極性溶媒中で24時間洗浄後の電解質樹脂の残存量は、70重量%以上であることが好ましく、85重量%以上であることが更に好ましい。
The larger the amount of these photopolymerization initiators used, the less unreacted monomer can be reduced, while the smaller the amount, the higher the crosslink density and the higher the durability of the electrolyte membrane. The amount of the agent used is preferably 0.001 to 10% by mass, more preferably 0.01 to 5% by mass, based on the total mass of the aromatic polyether (a) and the vinyl monomer (b).
Of these, aromatic ketone radical polymerization initiators such as benzophenone, thioxanthone, quinone, and thioacridone can generate radicals by extracting hydrogen from carbon-hydrogen bonds. When used together, a chemical bond can be formed between the substrate surface and the filled polymer, which is preferable.
<Content of non-crosslinkable component>
The copolymer of the aromatic polyether (a) and the vinyl monomer (b) described above has excellent durability because it has a crosslinked structure. The amount of the non-crosslinking component in the electrolyte resin can be easily evaluated by a washing test using the polar solvent described in the section <Polymerization method>. In the electrolyte membrane of the present invention, the residual amount of the electrolyte resin after washing for 24 hours in a polar solvent at room temperature is preferably 70% by weight or more, and more preferably 85% by weight or more.

<多孔性基材>
本発明で用いる多孔性基材は、メタノールおよび水に対して実質的に膨潤しない材料であることが好ましく、特に乾燥時に比べて水による湿潤時の面積変化が少ないか、ほとんどないことが好ましい。
面積増加率は、浸漬時間や温度によって変化するが、本発明では25℃における純水に1時間浸漬したときの面積増加率が、乾燥時に比較して最大でも20%以下であることが好ましい。さらに好ましくは10%以下、特に好ましくは5%以下である。
また本発明で用いる多孔性基材は弾性率が高い方が変形が抑えられるが、電池の組み立て加工などではある程度の追従性も必要である。そこで引っ張り弾性率で500〜5000MPaであるものが好ましく、さらに好ましくは1000〜5000MPaであり、また破断強度が50〜500MPaを有するものが好ましく、さらに好ましくは100〜500MPaである。
また、多孔性基材は燃料電池を運転する際の温度に対して耐熱性を有するものがよく、外力が加えられても容易に延びないものがよい。
<Porous substrate>
The porous substrate used in the present invention is preferably a material that does not substantially swell with respect to methanol and water, and it is particularly preferable that there is little or almost no change in area when wetted with water compared to when dried.
Although the area increase rate varies depending on the immersion time and temperature, in the present invention, the area increase rate when immersed in pure water at 25 ° C. for 1 hour is preferably 20% or less at the maximum compared to the time of drying. More preferably, it is 10% or less, and particularly preferably 5% or less.
In addition, the porous base material used in the present invention has a higher elastic modulus, so that the deformation is suppressed. However, a certain degree of followability is required for battery assembly processing or the like. Therefore, the tensile modulus is preferably 500 to 5000 MPa, more preferably 1000 to 5000 MPa, and the breaking strength is preferably 50 to 500 MPa, and more preferably 100 to 500 MPa.
Further, the porous substrate is preferably one having heat resistance against the temperature at which the fuel cell is operated, and one that does not easily extend even when an external force is applied.

そのような性質を持つ材料として、無機材料ではガラスまたはアルミナ若しくはシリカ等のセラミックス等が挙げられる。また、有機材料ではポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンスルフィド等の芳香族高分子、ポリオレフィンを放射線の照射や架橋剤を加えて架橋したり延伸する等の方法で、外力に対して延び等の変形をし難くしたもの等が挙げられる。これらの材料は単独で用いても2種以上を積層する等により複合化して用いてもよい。
これらの多孔性基材の中では、延伸ポリオレフィン、架橋ポリオレフィン、延伸後架橋されたポリオレフィン、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルスルホン等の芳香族高分子が充填工程の作業性が良く、基材の入手し易さの点からも好ましい。
Examples of the material having such a property include inorganic materials such as glass or ceramics such as alumina or silica. In addition, for organic materials, aromatic polymers such as polyimide, polyamideimide, polyetherimide, polyethersulfone, polyetherketone, polyphenylene ether, polyphenylene sulfide, and polyolefin are crosslinked or stretched by applying radiation or a crosslinking agent. And the like, which are difficult to be deformed such as extending with respect to an external force. These materials may be used alone or in combination by stacking two or more of them.
Among these porous substrates, aromatic polymers such as stretched polyolefin, cross-linked polyolefin, stretched cross-linked polyolefin, polyimide, polyamideimide, and polyethersulfone have good workability in the filling process, and the base material is available. It is preferable also from the point of easiness.

本発明で用いる多孔性基材の空孔率は、膜強度が保たれる範囲内で大きい方が電解質膜の伝導性が良くなるため5〜95%が好ましく、さらに好ましくは5〜90%、特に好ましくは20〜80%である。また平均孔径については0.001〜100μmの範囲にあることが好ましく、さらに好ましくは0.01〜10μmの範囲である。
さらに基材の厚さは厚いほうが膜強度が高くなって好ましいが、薄いほうが膜抵抗が小さくなるという利点もあり、200μm以下が好ましい。より好ましくは1〜150μm、さらに好ましくは5〜100μm、特に好ましくは5〜50μmである。
The porosity of the porous substrate used in the present invention is preferably from 5 to 95%, more preferably from 5 to 90%, since the conductivity of the electrolyte membrane is improved when the membrane strength is maintained within the range where the membrane strength is maintained. Especially preferably, it is 20 to 80%. The average pore diameter is preferably in the range of 0.001 to 100 μm, and more preferably in the range of 0.01 to 10 μm.
Furthermore, the thicker the substrate, the better the film strength, but the thinner the film, the smaller the film resistance, and the more preferable is 200 μm or less. More preferably, it is 1-150 micrometers, More preferably, it is 5-100 micrometers, Most preferably, it is 5-50 micrometers.

<充填方法>
多孔性基材の細孔内に、芳香族ポリエーテル(a)の重合物を充填する方法に関して特に制限はなく公知の方法が利用できる。例えば重合前の芳香族ポリエーテル(a)とビニル単量体(b)の溶液若しくは分散液を多孔性基材に含浸させ、その後に重合および架橋させる方法が挙げられる。その際、充填する混合液には必要に応じて架橋剤、重合開始剤、触媒、硬化剤、界面活性剤等を含んでいてもよい。
<Filling method>
There is no particular limitation on the method for filling the polymer of the aromatic polyether (a) into the pores of the porous substrate, and a known method can be used. For example, a method in which a porous substrate is impregnated with a solution or dispersion of an aromatic polyether (a) and a vinyl monomer (b) before polymerization, and then polymerized and crosslinked is exemplified. At that time, the mixed liquid to be filled may contain a crosslinking agent, a polymerization initiator, a catalyst, a curing agent, a surfactant and the like, if necessary.

多孔性基材の細孔に充填する芳香族ポリエーテル(a)とビニル単量体(b)の混合物が、液状かつ低粘度の場合は、そのまま含浸に用いることができるが、そうでない場合は多孔性基材への含浸を容易にするため、溶液または分散液とすることが好ましい。その場合は濃度を10〜90質量%の溶液とするのが好ましく、20〜70質量%の溶液とするのがさらに好ましい。この際使用する溶媒としては、既に重合方法に関する記述の中で述べたような各種の溶媒を使用すればよい。
また含浸作業をより行い易くする目的で、多孔性基材の親水化処理、ポリマー前駆体溶液への界面活性剤の添加、または含浸中における超音波の照射も行うことができる。
If the mixture of the aromatic polyether (a) and the vinyl monomer (b) filled in the pores of the porous substrate is liquid and has a low viscosity, it can be used for impregnation as it is. In order to facilitate the impregnation of the porous substrate, a solution or a dispersion is preferable. In that case, the concentration is preferably 10 to 90% by mass, and more preferably 20 to 70% by mass. As the solvent used at this time, various solvents as already described in the description of the polymerization method may be used.
Further, for the purpose of facilitating the impregnation operation, hydrophilic treatment of the porous substrate, addition of a surfactant to the polymer precursor solution, or ultrasonic irradiation during the impregnation can be performed.

<表面層形成>
また多孔性基材の表面、特に細孔内表面に芳香族ポリエーテル(a)の重合物が化学的に結合されているのが好ましく、その結合を形成する手段としては、予め基材にプラズマ、紫外線、電子線、ガンマ線、コロナ放電等を照射して表面にラジカルを発生させ、充填したモノマー溶液を重合させる際に基材表面へのグラフト重合が同時に起こるようにする方法、基材にモノマー溶液を充填した後に電子線を照射することによって基材表面へのグラフト重合とポリマー前駆体の重合を同時に起こす方法、水素引き抜き型のラジカル重合開始剤をポリマー前駆体に配合して充填して加熱または紫外線の照射を行って基材表面へのグラフト重合とポリマー前駆体の重合を同時に起こす方法、カップリング剤を用いる方法等が挙げられる。これらは単独で行っても複数の方法を併用してもよい。
<Surface layer formation>
The polymer of the aromatic polyether (a) is preferably chemically bonded to the surface of the porous substrate, particularly the inner surface of the pores. As a means for forming the bond, plasma is previously applied to the substrate. , UV, electron beam, gamma ray, corona discharge, etc. to generate radicals on the surface, and when the charged monomer solution is polymerized, the graft polymerization to the substrate surface occurs simultaneously, the monomer to the substrate A method in which graft polymerization onto the substrate surface and polymerization of the polymer precursor occur simultaneously by irradiating an electron beam after filling the solution, and a hydrogen abstraction-type radical polymerization initiator is blended into the polymer precursor and heated. Alternatively, a method of simultaneously irradiating ultraviolet rays to cause graft polymerization on the substrate surface and polymerization of a polymer precursor, a method using a coupling agent, and the like can be mentioned. These may be performed alone or a plurality of methods may be used in combination.

以下、本発明を実施例および比較例によりさらに詳しく説明するが、本発明の範囲がこれらの例により限定されるものではない。また実施例および比較例中の部は特に断りの無い限り質量部を意味するものとする。得られた電解質膜のプロトン伝導性およびメタノール透過性、耐久性(強制劣化試験)は以下のように評価した。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example demonstrate this invention further in detail, the scope of the present invention is not limited by these examples. Moreover, the part in an Example and a comparative example shall mean a mass part unless there is particular notice. The proton conductivity, methanol permeability, and durability (forced deterioration test) of the obtained electrolyte membrane were evaluated as follows.

<プロトン伝導性>
25℃における試料の伝導度測定を行った。脱イオン水に1時間浸した電解質膜を2枚の白金板で挟み込み測定用試料とした。その後、100Hzから40MHzの交流インピーダンス測定を実施して、伝導率を測定した。伝導率が高いほど、電解質膜中をプロトンが移動し易く、燃料電池用途に優れていることを示す。
<Proton conductivity>
The conductivity of the sample at 25 ° C. was measured. An electrolyte membrane immersed in deionized water for 1 hour was sandwiched between two platinum plates to obtain a measurement sample. Thereafter, AC impedance measurement from 100 Hz to 40 MHz was performed to measure the conductivity. The higher the conductivity, the easier the protons move in the electrolyte membrane, indicating that the fuel cell is excellent.

<メタノール透過性>
25℃における浸透実験を以下のように行った。電解質膜をガラス製セルに挟み、一方のセルに10質量%メタノール水溶液を入れ、もう一方のセルに脱イオン水を入れた。脱イオン水側に浸透するメタノール量をガスクロマトグラフ分析により経時的に測定し、定常状態になった時の透過係数を測定した。透過係数が低いほど、電解質膜中をメタノールが透過し難く、燃料電池用途に適していることを示す。
<Methanol permeability>
The penetration experiment at 25 ° C. was performed as follows. The electrolyte membrane was sandwiched between glass cells, 10% by mass aqueous methanol solution was placed in one cell, and deionized water was placed in the other cell. The amount of methanol penetrating into the deionized water side was measured over time by gas chromatographic analysis, and the permeation coefficient at the steady state was measured. A lower permeation coefficient indicates that methanol is less likely to pass through the electrolyte membrane and is suitable for fuel cell applications.

<架橋性試験>
芳香族ポリエーテル(a)の100質量部、所定量のビニル単量体(b)、2−ヒドロキシ−2−メチル−1−フェニルプロパン−1−オン3部、ジメチルアセトアミド(以下DMAcと略称する)200質量部からなる溶液を、多孔性基材(架橋ポリエチレン膜、厚さ30μm、空孔率38%)に含浸後、高圧水銀ランプにて紫外線を4分間照射し、80℃のオーブン中で30分乾燥して電解質膜を得た。この膜の重量を測定してからを大過剰のジメチルアセトアミド中に浸漬し、室温で24時間攪拌して膜中の可溶成分を抽出除去した。次に電解質膜をジメチルアセトアミドから取り出して2時間風乾後、80℃のオーブン中で30分乾燥し重量を測定した。浸漬前後の電解質膜の重量差から式1に従って電解質樹脂の残存率(樹脂残存率)を計算した。

[式1] 樹脂残存率=(浸漬後の膜重量−膜中の基材重量)/(浸漬前の膜重量−膜中の基材重量)×100 (%)

(膜中の基材重量は、浸漬前の膜の面積に基材の面積あたり重量をかけて算出した。)
<Crosslinking test>
100 parts by mass of aromatic polyether (a), a predetermined amount of vinyl monomer (b), 3 parts of 2-hydroxy-2-methyl-1-phenylpropan-1-one, dimethylacetamide (hereinafter abbreviated as DMAc) ) After impregnating a porous substrate (crosslinked polyethylene film, thickness 30 μm, porosity 38%) with a solution consisting of 200 parts by mass, it was irradiated with ultraviolet rays for 4 minutes with a high-pressure mercury lamp, and in an oven at 80 ° C. The electrolyte membrane was obtained by drying for 30 minutes. After measuring the weight of the membrane, it was immersed in a large excess of dimethylacetamide and stirred for 24 hours at room temperature to extract and remove soluble components in the membrane. Next, the electrolyte membrane was taken out from dimethylacetamide, air-dried for 2 hours, then dried in an oven at 80 ° C. for 30 minutes, and the weight was measured. The residual ratio of the electrolyte resin (resin residual ratio) was calculated from the weight difference between the electrolyte membranes before and after the immersion according to Equation 1.

[Formula 1] Resin residual ratio = (film weight after immersion−base material weight in film) / (film weight before immersion−base material weight in film) × 100 (%)

(The weight of the substrate in the film was calculated by multiplying the area of the film before immersion by the weight per area of the substrate.)

<熱水耐久性試験>
電解質膜を80℃の脱イオン水中で24時間攪拌し、試験前後の膜重量から式1によって樹脂残存率を計算した。
<Hot water durability test>
The electrolyte membrane was stirred in deionized water at 80 ° C. for 24 hours, and the resin residual rate was calculated by Equation 1 from the membrane weight before and after the test.

(合成例1) 芳香族ポリエーテル(a)の合成(1)
攪拌機、ディーンスターク装置、温度計を据え付けた500mL4つ口フラスコに、4,4’−ビフェノール(以下BPと略称する)を10.69g、ジクロロジフェニルスルホン(以下DCDPSと略称する)を4.54g、スルホン化ジクロロジフェニルスルホン(以下S−DCDPSと略称する)を17.59g、炭酸カリウムを9.67g、N−メチルピロリドン(以下NMPと略称する)を42.4gおよびトルエンを106.14g仕込んだ。フラスコをオイルバスに浸し、バス温度140℃で4時間攪拌した。この間、ディーンスターク装置にて分離した水を適宜除去した。
次にバス温度を約30分かけて190℃まで昇温し、トルエンを反応液から留去させた。バス温度190℃で4時間反応し、末端ヒドロキシ型芳香族ポリエーテルの溶液を得た。
この溶液にNMPを113.42g、酢酸を1.26g添加し混合した。この溶液を一晩静置し、沈澱物を濾過後1Lビーカー中に溶液を移した。攪拌子で激しく攪拌しながら、イソプロパノール518gを少しずつ滴下し、樹脂を沈澱させた。イソプロパノールの全量を投入後、更に2時間攪拌した。このスラリーを吸引濾過して得られた沈殿物をイソプロパノール/脱イオン水=5/1(wt)混合溶媒に入れ一晩洗浄した。スラリーを吸引濾過した後得られた固形物を真空乾燥し、末端ヒドロキシ型芳香族ポリエーテルの粉末26.2gを得た。H−NMRスペクトルのOHプロトン(9.55ppm)と芳香族プロトン(6.8〜8.5ppm)の面積比から計算したOH濃度は0.422meq./gとなり、生成物の100%が両末端ヒドロキシ型と仮定した時の分子量は4739と計算された。
(Synthesis example 1) Synthesis of aromatic polyether (a) (1)
In a 500 mL four-necked flask equipped with a stirrer, a Dean Stark apparatus, and a thermometer, 10.69 g of 4,4′-biphenol (hereinafter abbreviated as BP), 4.54 g of dichlorodiphenyl sulfone (hereinafter abbreviated as DCDPS), 17.59 g of sulfonated dichlorodiphenylsulfone (hereinafter abbreviated as S-DCDPS), 9.67 g of potassium carbonate, 42.4 g of N-methylpyrrolidone (hereinafter abbreviated as NMP) and 106.14 g of toluene were charged. The flask was immersed in an oil bath and stirred at a bath temperature of 140 ° C. for 4 hours. During this time, the water separated by the Dean Stark apparatus was appropriately removed.
Next, the bath temperature was raised to 190 ° C. over about 30 minutes, and toluene was distilled off from the reaction solution. The mixture was reacted at a bath temperature of 190 ° C. for 4 hours to obtain a terminal hydroxy aromatic polyether solution.
To this solution, 113.42 g of NMP and 1.26 g of acetic acid were added and mixed. The solution was allowed to stand overnight, the precipitate was filtered, and the solution was transferred into a 1 L beaker. While stirring vigorously with a stirrer, 518 g of isopropanol was added dropwise little by little to precipitate the resin. After the entire amount of isopropanol was added, the mixture was further stirred for 2 hours. The precipitate obtained by suction filtration of this slurry was placed in a mixed solvent of isopropanol / deionized water = 5/1 (wt) and washed overnight. The solid substance obtained after suction filtration of the slurry was vacuum-dried to obtain 26.2 g of a terminal hydroxy type aromatic polyether powder. The OH concentration calculated from the area ratio of the OH proton (9.55 ppm) and the aromatic proton (6.8 to 8.5 ppm) in the H-NMR spectrum was 0.422 meq. The molecular weight was calculated to be 4739 when 100% of the product was assumed to be a both-terminal hydroxy type.

攪拌機、冷却機、温度計を据え付けた100mL3つ口フラスコに、上記で合成した末端ヒドロキシ型芳香族ポリエーテルの粉末20.0g、NMPを40g、85%KOHを0.75g仕込み、80℃のオイルバス中で30分攪拌して樹脂を溶解した。オイルバスを60℃に設定し、クロルメチルスチレン2.3gを仕込んで7時間反応した。0.1N−HClによる滴定から求めた塩基価は0.013meq./gで一定値になり、反応は終了したと判断された。
この溶液にNMPを55.6g、酢酸を0.15g添加し混合した。この溶液から、末端ヒドロキシ型芳香族ポリエーテルの場合と同じ方法で樹脂を単離・精製し、芳香族ポリエーテル(a)として末端スチリル型芳香族ポリエーテルの粉末17.8gを得た。H−NMRスペクトルのcis−ビニルプロトン(5.75〜5.9ppm)と芳香族プロトン(6.8〜8.5ppm)の面積比から計算したスチリル基濃度は0.387meq./gであった。

(実施例1〜4) 架橋性試験
合成例1で得た芳香族ポリエーテル100部に対し、表1で示したビニル単量体を添加し、架橋性試験を行い、[表1]の結果を得た。

Figure 2009093919
A 100 mL three-necked flask equipped with a stirrer, cooler, and thermometer was charged with 20.0 g of the terminal hydroxy aromatic polyether powder synthesized above, 40 g of NMP, and 0.75 g of 85% KOH, and an oil at 80 ° C. The resin was dissolved by stirring in a bath for 30 minutes. The oil bath was set to 60 ° C., and 2.3 g of chloromethylstyrene was charged and reacted for 7 hours. The base number determined from titration with 0.1N HCl was 0.013 meq. It became a constant value at / g, and the reaction was judged to be complete.
To this solution, 55.6 g of NMP and 0.15 g of acetic acid were added and mixed. From this solution, the resin was isolated and purified in the same manner as in the case of the terminal hydroxy type aromatic polyether, to obtain 17.8 g of terminal styryl type aromatic polyether powder as the aromatic polyether (a). The styryl group concentration calculated from the area ratio of cis-vinyl proton (5.75 to 5.9 ppm) and aromatic proton (6.8 to 8.5 ppm) in the H-NMR spectrum was 0.387 meq. / G.

(Examples 1 to 4) Crosslinkability test The vinyl monomer shown in Table 1 was added to 100 parts of the aromatic polyether obtained in Synthesis Example 1, and a crosslinkability test was conducted. Got.

Figure 2009093919

(比較例1)
末端スチリル型芳香族ポリエーテルの代わりに、合成例1の中間体である末端ヒドロキシ型芳香族ポリエーテル100部を用い、フェニルマレイミド6.8部を添加して架橋性試験を行った。樹脂残存率は0%であり、架橋反応性が全くないことを確認した。
(Comparative Example 1)
Instead of the terminal styryl-type aromatic polyether, 100 parts of the terminal hydroxy-type aromatic polyether, which is an intermediate of Synthesis Example 1, was used, and 6.8 parts of phenylmaleimide was added to conduct a crosslinking test. The resin residual ratio was 0%, and it was confirmed that there was no crosslinking reactivity.

(合成例2) 芳香族ポリエーテル(a)の合成(2)
攪拌機、ディーンスターク装置、温度計を据え付けた500mL4つ口フラスコに、BPを10.69g、S−DCDPSを25.13g、炭酸カリウムを9.67g、NMPを42.4gおよびトルエンを106.14g仕込み、実施例1と同様の条件で反応・単離・精製し、末端ヒドロキシ型芳香族ポリエーテルの粉末35.4gを得た。H−NMRスペクトルから計算したOH濃度は0.402meq./gとなり、生成物の100%が両末端ヒドロキシ型と仮定した時の分子量は4978である。
合成した末端ヒドロキシ型芳香族ポリエーテルの粉末25.0g、NMPを50g、85%KOHを0.86g仕込み、80℃のオイルバス中で30分攪拌して樹脂を溶解した。オイルバスを60℃に設定し、クロルメチルスチレン2.6gを仕込んで6時間反応した。0.1N−HClによる滴定から求めた塩基価は0.010meq./gで一定値になり、反応は終了したと判断された。
この溶液にNMPを74.5g、酢酸を0.17g添加し混合した。この溶液から、末端ヒドロキシ型芳香族ポリエーテルの場合と同じ方法で樹脂を単離・精製し、芳香族ポリエーテル(a)として末端スチリル型芳香族ポリエーテルの粉末20.5gを得た。H−NMRスペクトルから計算したスチリル基濃度は0.397meq./gであった。

(実施例5)
合成例2の芳香族ポリエーテル100部に対しフェニルマレイミド6.8部を添加し、架橋性試験を行った。樹脂残存率は100%であり、優れた架橋反応性を持つことが分かった。
Synthesis Example 2 Synthesis of Aromatic Polyether (a) (2)
A 500 mL four-necked flask equipped with a stirrer, Dean-Stark apparatus, and thermometer was charged with 10.69 g of BP, 25.13 g of S-DCDPS, 9.67 g of potassium carbonate, 42.4 g of NMP, and 106.14 g of toluene. The reaction, isolation and purification were carried out under the same conditions as in Example 1 to obtain 35.4 g of terminal hydroxy type aromatic polyether powder. The OH concentration calculated from the 1 H-NMR spectrum was 0.402 meq. / G, and the molecular weight is 4978 when 100% of the product is assumed to be a both-terminal hydroxy type.
The synthesized terminal hydroxy type aromatic polyether powder 25.0 g, NMP 50 g, and 85% KOH 0.86 g were charged and stirred in an oil bath at 80 ° C. for 30 minutes to dissolve the resin. The oil bath was set at 60 ° C., and 2.6 g of chloromethylstyrene was charged and reacted for 6 hours. The base number determined from titration with 0.1N HCl was 0.010 meq. It became a constant value at / g, and the reaction was judged to be complete.
To this solution, 74.5 g of NMP and 0.17 g of acetic acid were added and mixed. From this solution, the resin was isolated and purified in the same manner as in the case of the terminal hydroxy type aromatic polyether, and 20.5 g of terminal styryl type aromatic polyether powder was obtained as the aromatic polyether (a). The styryl group concentration calculated from the 1 H-NMR spectrum was 0.397 meq. / G.

(Example 5)
To 100 parts of the aromatic polyether of Synthesis Example 2, 6.8 parts of phenylmaleimide was added, and a crosslinkability test was performed. The resin residual ratio was 100%, and it was found that the resin had excellent crosslinking reactivity.

(実施例6) 電解質膜の作成(1)
合成例1で合成した芳香族ポリエーテル(a)である末端スチリル型芳香族ポリエーテルを5g、N−フェニルマレイミド(以下PMIと略称する)を0.34g、2−ヒドロキシ−2−メチル−1−フェニルプロパン−1−オンを0.15gおよびDMAcを10gを混合・加熱して均一溶液とした。
この溶液中に多孔性基材(架橋ポリエチレン膜、厚さ16μm、空孔率38%)浸漬し、多孔質膜中に溶液を十分含浸させた。この膜の両面をポリエチレンテレフタレート樹脂のフィルムで挟み、基材表面に付着した余剰の含浸液をフィルム外へ押し出した後、高圧水銀ランプにて紫外線を4分間照射して重合させた。硬化膜を上記フィルムから剥がして脱イオン水で洗浄後、得られた電解質膜を1N−HCl水溶液に3回浸漬してスルホン酸型に変換し、更に脱イオン水で2回洗浄した。
この電解質膜のプロトン伝導度、メタノール透過性試験および熱水耐久性試験を実施した。結果を表2に示す。
(Example 6) Preparation of electrolyte membrane (1)
5 g of a terminal styryl-type aromatic polyether which is the aromatic polyether (a) synthesized in Synthesis Example 1, 0.34 g of N-phenylmaleimide (hereinafter abbreviated as PMI), 2-hydroxy-2-methyl-1 -0.15 g of phenylpropan-1-one and 10 g of DMAc were mixed and heated to obtain a homogeneous solution.
A porous substrate (crosslinked polyethylene film, thickness 16 μm, porosity 38%) was immersed in this solution, and the porous film was sufficiently impregnated with the solution. Both surfaces of this film were sandwiched between polyethylene terephthalate resin films, and excess impregnating liquid adhering to the substrate surface was pushed out of the film, and then polymerized by irradiating with ultraviolet rays for 4 minutes with a high-pressure mercury lamp. The cured film was peeled off from the film and washed with deionized water. The obtained electrolyte membrane was immersed in a 1N-HCl aqueous solution three times to convert to a sulfonic acid type, and further washed twice with deionized water.
The electrolyte membrane was subjected to proton conductivity, methanol permeability test and hot water durability test. The results are shown in Table 2.

(実施例7) 電解質膜の作成(2)
合成例1で合成した芳香族ポリエーテル(a)である末端スチリル型芳香族ポリエーテルを4.25g、PMIを0.78g、スチレンを0.3g、2−ヒドロキシ−2−メチル−1−フェニルプロパン−1−オンを0.15gおよびDMAcを10gを混合・加熱して均一溶液とした。
この溶液から実施例6と同様の方法で電解質膜を作成し、プロトン伝導度、メタノール透過性試験および熱水耐久性試験を実施した。結果を表2に示す。
(Example 7) Preparation of electrolyte membrane (2)
4.25 g of terminal styryl type aromatic polyether synthesized in Synthesis Example 1 (a), 0.78 g of PMI, 0.3 g of styrene, 2-hydroxy-2-methyl-1-phenyl A homogeneous solution was prepared by mixing and heating 0.15 g of propan-1-one and 10 g of DMAc.
An electrolyte membrane was prepared from this solution in the same manner as in Example 6, and proton conductivity, methanol permeability test, and hot water durability test were performed. The results are shown in Table 2.

(実施例8) 電解質膜の作成(3)
合成例1で合成した芳香族ポリエーテル(a)である末端スチリル型芳香族ポリエーテルを3.5g、PMIを1.23g、スチレンを0.6g、2−ヒドロキシ−2−メチル−1−フェニルプロパン−1−オンを0.15gおよびDMAcを10gを混合・加熱して均一溶液とした。
この溶液から実施例6と同様の方法で電解質膜を作成し、プロトン伝導度、メタノール透過性試験および熱水耐久性試験を実施した。結果を表2に示す。
(Example 8) Preparation of electrolyte membrane (3)
3.5 g of terminal styryl-type aromatic polyether synthesized in Synthesis Example 1 (a), 1.23 g of PMI, 0.6 g of styrene, 2-hydroxy-2-methyl-1-phenyl A homogeneous solution was prepared by mixing and heating 0.15 g of propan-1-one and 10 g of DMAc.
An electrolyte membrane was prepared from this solution in the same manner as in Example 6, and proton conductivity, methanol permeability test, and hot water durability test were performed. The results are shown in Table 2.

(実施例9) 電解質膜の作成(4)
合成例1で合成した芳香族ポリエーテル(a)である末端スチリル型芳香族ポリエーテルを5g、シクロヘキシルマレイミドを0.34g、2−ヒドロキシ−2−メチル−1−フェニルプロパン−1−オンを0.15gおよびDMAcを10gを混合・加熱して均一溶液とした。
この溶液から実施例6と同様の方法で電解質膜を作成し、プロトン伝導度、メタノール透過性試験および熱水耐久性試験を実施した。結果を表2に示す。
(実施例10) 電解質膜の作成(5)
合成例2で合成した芳香族ポリエーテル(a)である末端スチリル型芳香族ポリエーテルを5g、PMIを0.34g、2−ヒドロキシ−2−メチル−1−フェニルプロパン−1−オンを0.15gおよびDMAcを10gを混合・加熱して均一溶液とした。
この溶液から実施例6と同様の方法で電解質膜を作成し、プロトン伝導度、メタノール透過性試験および熱水耐久性試験を実施した。結果を表2に示す。
(Example 9) Preparation of electrolyte membrane (4)
5 g of terminal styryl type aromatic polyether which is the aromatic polyether (a) synthesized in Synthesis Example 1, 0.34 g of cyclohexylmaleimide, and 0 of 2-hydroxy-2-methyl-1-phenylpropan-1-one .15 g and 10 g of DMAc were mixed and heated to obtain a uniform solution.
An electrolyte membrane was prepared from this solution in the same manner as in Example 6, and proton conductivity, methanol permeability test, and hot water durability test were performed. The results are shown in Table 2.
(Example 10) Preparation of electrolyte membrane (5)
5 g of terminal styryl-type aromatic polyether which is the aromatic polyether (a) synthesized in Synthesis Example 2, 0.34 g of PMI, 0. 2-hydroxy-2-methyl-1-phenylpropan-1-one 15 g and 10 g of DMAc were mixed and heated to obtain a uniform solution.
An electrolyte membrane was prepared from this solution in the same manner as in Example 6, and proton conductivity, methanol permeability test, and hot water durability test were performed. The results are shown in Table 2.

(実施例11) 電解質膜の作成(6)
合成例2で合成した芳香族ポリエーテル(a)である末端スチリル型芳香族ポリエーテルを4.25g、PMIを0.76g、スチレンを0.3g、2−ヒドロキシ−2−メチル−1−フェニルプロパン−1−オンを0.15gおよびDMAcを10gを混合・加熱して均一溶液とした。
この溶液から実施例6と同様の方法で電解質膜を作成し、プロトン伝導度、メタノール透過性試験および熱水耐久性試験を実施した。結果を表2に示す。
(Example 11) Preparation of electrolyte membrane (6)
4.25 g of terminal styryl type aromatic polyether synthesized in Synthesis Example 2 (a), 0.76 g of PMI, 0.3 g of styrene, 2-hydroxy-2-methyl-1-phenyl A homogeneous solution was prepared by mixing and heating 0.15 g of propan-1-one and 10 g of DMAc.
An electrolyte membrane was prepared from this solution in the same manner as in Example 6, and proton conductivity, methanol permeability test, and hot water durability test were performed. The results are shown in Table 2.

(実施例12) 電解質膜の作成(7)
合成例2で合成した芳香族ポリエーテル(a)である末端スチリル型芳香族ポリエーテルを3.5g、PMIを1.21g、スチレンを0.6g、2−ヒドロキシ−2−メチル−1−フェニルプロパン−1−オンを0.15gおよびDMAcを10gを混合・加熱して均一溶液とした。
この溶液から実施例6と同様の方法で電解質膜を作成し、プロトン伝導度、メタノール透過性試験および熱水耐久性試験を実施した。結果を表2に示す。
(Example 12) Preparation of electrolyte membrane (7)
3.5 g of terminal styryl type aromatic polyether which is the aromatic polyether (a) synthesized in Synthesis Example 2, 1.21 g of PMI, 0.6 g of styrene, 2-hydroxy-2-methyl-1-phenyl A homogeneous solution was prepared by mixing and heating 0.15 g of propan-1-one and 10 g of DMAc.
An electrolyte membrane was prepared from this solution in the same manner as in Example 6, and proton conductivity, methanol permeability test, and hot water durability test were performed. The results are shown in Table 2.

(実施例13) 電解質膜の作成(8)
合成例2で合成した芳香族ポリエーテル(a)である末端スチリル型芳香族ポリエーテルを2.7g、PMIを1.73g、スチレンを0.94g、2−ヒドロキシ−2−メチル−1−フェニルプロパン−1−オンを0.15gおよびDMAcを10gを混合・加熱して均一溶液とした。
この溶液から実施例6と同様の方法で電解質膜を作成し、プロトン伝導度、メタノール透過性試験および熱水耐久性試験を実施した。結果を表2に示す。
(Example 13) Preparation of electrolyte membrane (8)
2.7 g of terminal styryl type aromatic polyether synthesized in Synthesis Example 2 (a), 1.73 g of PMI, 0.94 g of styrene, 2-hydroxy-2-methyl-1-phenyl A homogeneous solution was prepared by mixing and heating 0.15 g of propan-1-one and 10 g of DMAc.
An electrolyte membrane was prepared from this solution in the same manner as in Example 6, and proton conductivity, methanol permeability test, and hot water durability test were performed. The results are shown in Table 2.

(実施例14)
合成例1で合成した芳香族ポリエーテル(a)である末端スチリル型芳香族ポリエーテルを1.75g、シクロヘキシルマレイミドを2.1g、スチレンを1.15g、2−ヒドロキシ−2−メチル−1−フェニルプロパン−1−オンを0.15gおよびDMAcを10gを混合・加熱して均一溶液とした。この場合の(a):(b)=35:65である。
この溶液から実施例6と同様の方法で電解質膜を作成し、プロトン伝導度、メタノール透過性試験および熱水耐久性試験を実施した。結果を表2に示す。実施例6に比べてプロトン伝導度が0.84S/cm2と著しく低下したが、メタノール透過抑制と耐水性には問題のない電解質膜が製造できた。
(Example 14)
1.75 g of terminal styryl type aromatic polyether synthesized in Synthesis Example 1 (a), 2.1 g of cyclohexylmaleimide, 1.15 g of styrene, 2-hydroxy-2-methyl-1- A homogeneous solution was prepared by mixing and heating 0.15 g of phenylpropan-1-one and 10 g of DMAc. In this case, (a) :( b) = 35: 65.
An electrolyte membrane was prepared from this solution in the same manner as in Example 6, and proton conductivity, methanol permeability test, and hot water durability test were performed. The results are shown in Table 2. Compared to Example 6, the proton conductivity was remarkably reduced to 0.84 S / cm 2, but an electrolyte membrane having no problem with methanol permeation suppression and water resistance could be produced.

(比較例2)
合成例1における中間生成物である末端にヒドロキシ基を有する芳香族ポリエーテルを5gをDMAc10gと混合・加熱して均一溶液とした。
この溶液から実施例6と同様の方法で電解質膜を作成し、プロトン伝導度、メタノール透過性試験および熱水耐久性試験を実施した。結果を表2に示す。

Figure 2009093919
(Comparative Example 2)
A homogeneous solution was prepared by mixing and heating 5 g of the aromatic polyether having a hydroxy group at the terminal, which is an intermediate product in Synthesis Example 1, with 10 g of DMAc.
An electrolyte membrane was prepared from this solution in the same manner as in Example 6, and proton conductivity, methanol permeability test, and hot water durability test were performed. The results are shown in Table 2.

Figure 2009093919

表2から明らかなように、本発明の電解質膜(実施例6〜14)は、未架橋の電解質膜(比較例2)と比べてプロトン伝導度とメタノール透過抑制のバランスに優れ、熱水耐久性が格段に良い。
As is clear from Table 2, the electrolyte membranes of the present invention (Examples 6 to 14) are superior in the balance of proton conductivity and methanol permeation suppression as compared with the uncrosslinked electrolyte membrane (Comparative Example 2), and are resistant to hot water. The sex is much better.

本発明によって製造された電解質膜は、燃料電池のみならず、各種センサー等の電気化学デバイス素子や、電気分解用の分離膜の用途にも適用できる。


The electrolyte membrane produced by the present invention can be applied not only to fuel cells, but also to electrochemical device elements such as various sensors and separation membranes for electrolysis.


Claims (8)

末端にビニル基を有し、分子内にイオン交換基を有する芳香族ポリエーテル(a)を、多孔性基材の細孔に含浸させる工程と、次いで前記(a)を多孔性基材の細孔内で重合させる工程とを含む電解質膜の製造方法 Impregnating the pores of the porous substrate with an aromatic polyether (a) having a vinyl group at the end and having an ion exchange group in the molecule; Process for polymerizing in a pore 芳香族ポリエーテル(a)と、(a)以外のビニル単量体(b)とを含む液体を、有機溶媒及び水に耐膨潤性を有する多孔性基材の細孔に含浸させる工程と、次いで前記(a)と(b)とを前記多孔性基材の細孔内で共重合させる工程とを含む請求項1に記載の電解質膜の製造方法。   Impregnating the liquid containing the aromatic polyether (a) and the vinyl monomer (b) other than (a) into the pores of a porous base material having swelling resistance in an organic solvent and water; The method for producing an electrolyte membrane according to claim 1, further comprising a step of copolymerizing the (a) and (b) in the pores of the porous substrate. 芳香族ポリエーテル(a)とビニル単量体(b)の使用比率が(a):(b)の質量比率で97:3〜40:60の範囲にあることを特徴とする請求項2の電解質膜の製造方法。   The use ratio of the aromatic polyether (a) and the vinyl monomer (b) is in the range of 97: 3 to 40:60 as a mass ratio of (a) :( b). Manufacturing method of electrolyte membrane. 末端ヒドロキシ型の芳香族ポリエーテルと、水酸基との反応性を有する官能基とビニル基とを持つ化合物(官能性ビニル化合物)とを反応させて合成される芳香族ポリエーテル(a)を用いることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載電解質膜の製造方法   Use of an aromatic polyether (a) synthesized by reacting a terminal hydroxy type aromatic polyether with a functional group having reactivity with a hydroxyl group and a compound having a vinyl group (functional vinyl compound) The method for producing an electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 3 官能性ビニル化合物が、カルボキシル基、カルボン酸ハライド基、酸無水物基、ハロメチル基、エポキシ基、イソシアネート基およびオキサゾリン基から選ばれる官能基を持つものである、請求項4に記載の電解質膜の製造方法。   The electrolyte membrane according to claim 4, wherein the functional vinyl compound has a functional group selected from a carboxyl group, a carboxylic acid halide group, an acid anhydride group, a halomethyl group, an epoxy group, an isocyanate group, and an oxazoline group. Production method. 芳香族ポリエーテル(a)が、(1)で表される末端分子構造を持つことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の電解質膜の製造方法
Figure 2009093919
The method for producing an electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 5, wherein the aromatic polyether (a) has a terminal molecular structure represented by (1).
Figure 2009093919
ビニル単量体(b)が、N−置換マレイミドを含むものであることを特徴とする請求項2または3に記載の電解質膜の製造方法。   The method for producing an electrolyte membrane according to claim 2 or 3, wherein the vinyl monomer (b) contains N-substituted maleimide. 芳香族ポリエーテル(a)およびビニル単量体(b)を光開始重合によって共重合させることを特徴とする請求項2、3、7のいずれかに記載の電解質膜の製造方法。



The method for producing an electrolyte membrane according to any one of claims 2, 3, and 7, wherein the aromatic polyether (a) and the vinyl monomer (b) are copolymerized by photoinitiated polymerization.



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