DE102010039900A1 - Porous polymer films based on nitrogen-containing aromatic polymers - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft poröse Polymerfilme auf der Basis von Polymeren, die mehrwertige, heteroaromatische Cyclen mit ein oder zwei Ringstickstoffatomen enthalten, mit einer Porosität bezogen auf das Filmvolumen von 2 bis 90% und einem mittleren Porendurchmesser von 0,5 μm bis maximal 20% der Filmdicke, jeweils bei 20°C und 1000 hPa, mit der Maßgabe, dass die porösen Polymerfilme in Bezug auf ihren Polymergehalt bei 130°C und 1000 hPa in N,N-Dimethylacetamid 0 bis 20 Gew.-% löslich sind, Verfahren zu deren Herstellung und deren Verwendung, insbesondere zur Darstellung von Polymerelektrolytmembranen.The invention relates to porous polymer films based on polymers which contain polyvalent, heteroaromatic cycles with one or two ring nitrogen atoms, with a porosity based on the film volume of 2 to 90% and an average pore diameter of 0.5 μm to a maximum of 20% of the film thickness , each at 20 ° C and 1000 hPa, with the proviso that the porous polymer films are soluble in N, N-dimethylacetamide in terms of their polymer content at 130 ° C and 1000 hPa in 0 to 20 wt .-%, process for their preparation and their use, in particular for the representation of polymer electrolyte membranes.
Description
Die Erfindung betrifft poröse Polymerfilme mit geringem extrahierbaren Anteil auf der Basis von stickstoffhaltigen aromatischen Polymeren, Verfahren zu deren Herstellung und deren Verwendung, insbesondere zur Darstellung von Polymerelektrolytmembranen.The invention relates to porous polymer films with a low extractable content based on nitrogen-containing aromatic polymers, processes for their preparation and their use, in particular for the preparation of polymer electrolyte membranes.
Stickstoffhaltige aromatische Polymeren, insbesondere Polybenzimidazol (PBI), sowie daraus hergestellte Membranen und Fasern sind seit langem bekannt. Polybenzimidazol zeichnet sich durch eine hohe thermische und chemische Beständigkeit aus. Fasern aus PBI werden deshalb u. a. für feuerfeste Gewebe verwendet. Vernetzte Polymerfilme aus PBI werden beispielsweise verwendet als semipermeable Membranen oder als Polymerelektrolytmembranen für Brennstoffzellen.Nitrogen-containing aromatic polymers, in particular polybenzimidazole (PBI), as well as membranes and fibers produced therefrom, have long been known. Polybenzimidazole is characterized by high thermal and chemical resistance. Therefore, fibers from PBI are u. a. used for fireproof fabrics. Crosslinked polymer films of PBI are used, for example, as semipermeable membranes or as polymer electrolyte membranes for fuel cells.
Bei Polymermembranen zur Gastrennung führt eine Vernetzung häufig zu einer Verbesserung der Selektivität bei gleichzeitig reduzierter Permeabilität. In
In einer Brennstoffzelle wird durch kontrollierte Oxidation eines Brennstoffs, wie Wasserstoffgas, chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Dazu werden der Brennstoff und ein Oxidationsmittel, wie beispielsweise Sauerstoff, an zwei gegenüberliegenden Elektroden, die durch eine elektronisch isolierende Membran getrennt sind, zugeführt. Die Membran enthält einen Elektrolyten, der für Protonen, aber nicht für die reaktiven Gase durchlässig ist. Dafür verwendete Materialien sind beispielsweise Perfluorsulfonsäurepolymere, die mit Wasser gequollen sind, oder basische Polymere, die starke Säuren als Flüssigelektrolyt enthalten.In a fuel cell, controlled oxidation of a fuel, such as hydrogen gas, converts chemical energy into electrical energy. For this purpose, the fuel and an oxidant, such as oxygen, are supplied to two opposing electrodes which are separated by an electronically insulating membrane. The membrane contains an electrolyte which is permeable to protons but not to the reactive gases. Materials used for this purpose are, for example, perfluorosulfonic acid polymers which have been swollen with water or basic polymers which contain strong acids as the liquid electrolyte.
Neuere Untersuchungen zeigen, dass die Leitfähigkeit von mit Phosphorsäure dotierten PBI-Membranen durch eine poröse Struktur der Polymermatrix deutlich verbessert werden kann (
Durch das Dotieren des Polymers mit einem flüssigen Elektrolyten wird die mechanische Stabilität der Membran erheblich reduziert. Dieser Effekt, der bereits bei kompakten Membranen die Lebensdauer bestimmt, ist bei porösen Membranen noch deutlich stärker ausgeprägt. Eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der porösen Membranen ist daher wünschenswert.By doping the polymer with a liquid electrolyte, the mechanical stability of the membrane is significantly reduced. This effect, which determines the lifetime of compact membranes, is even more pronounced in porous membranes. An improvement of the mechanical properties of the porous membranes is therefore desirable.
Kompakte Membranen aus PBI werden üblicherweise wie beispielsweise in
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind poröse Polymerfilme auf der Basis von Polymeren, die mehrwertige, heteroaromatische Cyclen mit ein oder zwei Ringstickstoffatomen enthalten, mit einer Porosität bezogen auf das Filmvolumen von 2 bis 90% und einem mittleren Porendurchmesser von 0,5 μm bis maximal 20% der Filmdicke, jeweils bei 20°C und 1000 hPa, mit der Maßgabe, dass die porösen Polymerfilme in Bezug auf ihren Polymergehalt bei 130°C und 1000 hPa in N,N-Dimethylacetamid 0 bis 20 Gew.-% löslich sind.The present invention relates to porous polymer films based on polymers containing polyvalent, heteroaromatic rings having one or two ring nitrogen atoms, with a porosity of 2 to 90% based on the film volume and an average pore diameter of 0.5 μm to a maximum of 20%. the film thickness, each at 20 ° C and 1000 hPa, with the proviso that the porous polymer films with respect to their polymer content at 130 ° C and 1000 hPa in N, N-dimethylacetamide 0 to 20 wt .-% are soluble.
Die Löslichkeit der erfindungsgemäßen porösen Polymerfilme in N,N-Dimethylacetamid ist ein Maß für den Vernetzungsgrad der Polymere. Die erfindungsgemäßen Polymerfilme sind in Bezug auf ihren Polymergehalt bei 130°C und 1000 hPa in N,N-Dimethylacetamid bevorzugt 0 bis 10 Gew.-%, besonders bevorzugt 0 bis 5 Gew.-%, löslich.The solubility of the porous polymer films according to the invention in N, N-dimethylacetamide is a measure of the degree of crosslinking of the polymers. With regard to their polymer content at 130 ° C. and 1000 hPa, the polymer films according to the invention are soluble in N, N-dimethylacetamide, preferably 0 to 10% by weight, particularly preferably 0 to 5% by weight.
Der mittlere Porendurchmesser ist im Rahmen der Erfindung definiert als das Maximum der Verteilung der mittleren Durchmesser der Einzelporen, wobei der mittlere Durchmesser der Einzelpore als der Durchmesser einer Kugel mit dem gleichen Volumen wie die Pore bei 20°C und 1000 hPa festgelegt wird.The average pore diameter is defined in the invention as the maximum of the distribution of the average diameter of the individual pores, wherein the average diameter of the single pore is determined as the diameter of a sphere with the same volume as the pore at 20 ° C and 1000 hPa.
Die Bestimmung der Porosität kann im Rahmen der Erfindung nach im Stand der Technik bekannten Verfahren erfolgen, wie z. B. gemäß
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen porösen Polymerfilme
dadurch gekennzeichnet, dass
in einem ersten Schritt
eine Mischung enthaltend Polymere (A), die mehrwertige, heteroaromatische Cyclen mit ein oder zwei Ringstickstoffatomen enthalten, polares aprotisches Lösemittel (B), Porenbildner (C), gegebenenfalls Verbrückungsreagenzien (D) sowie gegebenenfalls weitere Stoffe (E) hergestellt wird,
in einem zweiten Schritt
die im ersten Schritt erhaltene Mischung auf einen Träger aufgetragen wird,
in einem dritten Schritt
das Lösemittel (B) ganz oder teilweise entfernt wird und
in einem vierten Schritt
der im dritten Schritt erhaltene Polymerfilm vernetzt wird, mit der Maßgabe, dass abhängig von der Art des Porenbildners (C) dieser im 3. Schritt, im 4. Schritt und/oder nach dem 4. Schritt ganz oder teilweise entfernt wird.Another object of the present invention is a process for the preparation of the porous polymer films according to the invention
characterized in that
in a first step
a mixture comprising polymers (A) which contain polyvalent, heteroaromatic rings containing one or two ring nitrogen atoms, polar aprotic solvent (B), pore formers (C), optionally bridging agents (D) and optionally other substances (E),
in a second step
the mixture obtained in the first step is applied to a support,
in a third step
the solvent (B) is completely or partially removed and
in a fourth step
the polymer film obtained in the third step is crosslinked, with the proviso that, depending on the type of pore-forming agent (C), it is completely or partially removed in the third step, in the fourth step and / or after the fourth step.
Bei den mehrwertigen, heteroaromatischen Cyclen mit ein oder zwei Ringstickstoffatomen in den Polymeren (A) handelt es sich bevorzugt um fünf- oder sechsgliedrige Ringe.The polyvalent, heteroaromatic cycles with one or two ring nitrogen atoms in the polymers (A) are preferably five- or six-membered rings.
Bei den Polymeren, die mehrwertige, heteroaromatische Cyclen mit ein oder zwei Ringstickstoffatomen enthalten, handelt es sich bevorzugt um im wesentlichen lineare Polymere, die in der Hauptkette fünf- oder sechsgliedrige, heteroaromatische Cyclen mit ein oder zwei Stickstoffatomen im Ring enthalten.The polymers containing polyvalent, heteroaromatic cycles having one or two ring nitrogens are preferably substantially linear polymers containing five- or six-membered heteroaromatic rings having one or two nitrogen atoms in the ring in the main chain.
Beispiele für die erfindungsgemäß eingesetzte Komponente (A) sind solche, die auf Bausteinen ausgewählt aus Pyrrol, Pyrazol, Benzpyrazol, Oxazol, Benzoxazol, Thiazol, Benzthiazol, Imidazol, Benzimidazol, Pyridin, Pyrimidin und Pyrazin basieren und zusätzlich aromatische oder heteroaromatische Gruppen, die unterschiedlich sind zu den mehrwertigen, heteroaromatischen Cyclen mit ein oder zwei Ringstickstoffatomen, wie Phenylen- oder Naphthalengruppen, enthalten können, wobei die unterschiedlichen Gruppen über Amid-, Imid-, Ether-, Thioether-, Sulfon- oder direkte C-C-Bindungen verknüpft sein können, wie beispielsweise alle in
Bevorzugt handelt es sich bei der erfindungsgemäß eingesetzten Komponente (A) um Polymere, die aus Bausteinen ausgewählt aus Pyrrol, Pyrazol, Benzpyrazol, Oxazol, Benzoxazol, Imidazol, Benzimidazol, Pyridin, Pyrimidin, Pyrazin, Benzol und Naphthalin aufgebaut sind, wobei die unterschiedlichen Gruppen über Imid-, Ether-, Sulfon-, Thioether- oder direkte C-C-Bindungen verknüpft sind und wobei die Bausteine substituiert sein können, wie z. B. durch Sufonsäure-, Alkyl-, Alkenyl- und Fluoroalkylreste, mit der Maßgabe dass die Polymere (A) mehrwertige, heteroaromatische Cyclen mit ein oder zwei Ringstickstoffatomen enthalten.The component (A) used according to the invention is preferably composed of polymers which are synthesized from building blocks selected from pyrrole, pyrazole, benzpyrazole, oxazole, benzoxazole, imidazole, benzimidazole, pyridine, pyrimidine, pyrazine, benzene and naphthalene, the different groups above Imide, ether, sulfone, thioether or direct C-C bonds are linked and wherein the blocks may be substituted, such as. By sufonic acid, alkyl, alkenyl and fluoroalkyl radicals, with the proviso that the polymers (A) contain polyvalent, heteroaromatic cycles having one or two ring nitrogens.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei der erfindungsgemäß eingesetzten Komponente (A) um Polymere, die aus Bausteinen ausgewählt aus Imidazol, Benzimidazol, Pyridin, Benzol und Naphthalin aufgebaut sind, wobei die unterschiedlichen Gruppen über Imid-, Ether-, Sulfon- oder direkte C-C-Bindungen verknüpft sind und wobei die Bausteine substituiert sein können, wie z. B. durch Sulfonsäure-, Alkyl-, Alkenyl- und Fluoroalkylreste, mit der Maßgabe dass die Polymere (A) mehrwertige, heteroaromatische Cyclen mit ein oder zwei Ringstickstoffatomen enthalten.The component (A) used according to the invention is particularly preferably polymers which are built up from building blocks selected from imidazole, benzimidazole, pyridine, benzene and naphthalene, the different groups being bonded via imide, ether, sulfone or direct carbonyl groups. Bindings are linked and wherein the blocks may be substituted, such as. By sulphonic acid, alkyl, alkenyl and fluoroalkyl radicals, with the proviso that the polymers (A) contain polyvalent, heteroaromatic cycles with one or two ring nitrogen atoms.
Insbesondere handelt es sich bei den Polymeren (A) um Polyazole.In particular, the polymers (A) are polyazoles.
Die erfindungsgemäß eingesetzten Komponente (A) sowie Verfahren zu deren Herstellung sind bekannt. Hierzu sei beispielsweise auf
Die Polymere (A) tragen als Endgruppen in der Regel die der zur Herstellung eingesetzten Monomere, wie etwa Amino- und/oder Carbonsäuregruppen und/oder deren Ester, oder durch nachträgliche chemische Reaktion beliebig eingeführte Endgruppen, wie z. B. Alkyl-, Aryl-, Alkenyl-, OH-, Epoxid-, Keto-, Aldehyd-, Ester-, Thiol-, Thioester-, Silyl-, Oxim-, Amid-, Imid-, Urethan- und Harnstoffgruppen.The polymers (A) carry as end groups usually those of the monomers used for the preparation, such as amino and / or carboxylic acid groups and / or their esters, or by subsequent chemical reaction any end groups introduced, such. B. alkyl, aryl, alkenyl, OH, epoxy, keto, aldehyde, ester, thiol, thioester, silyl, oxime, amide, imide, urethane and urea groups.
Bei den erfindungsgemäß eingesetzten Polymeren (A) handelt es sich bevorzugt um solche mit primären oder sekundären Amino- und/oder Carbonsäureendgruppen, besonders bevorzugt um NH2- und/oder COOH-Endgruppen, wobei insbesondere mehr als 50% aller Endgruppen NH2-Reste sind.The polymers (A) used according to the invention are preferably those having primary or secondary amino and / or carboxylic acid end groups, more preferably NH 2 and / or COOH end groups, in particular more than 50% of all end groups NH 2 radicals are.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei den Polymeren (A) um Polybenzimidazole, wie beispielsweise in
Die erfindungsgemäß eingesetzten Polymere (A) haben eine Inhärentvikosität von bevorzugt > 0,1 dl/g, besonders bevorzugt von 0,1 bis 2,5 dl/g, insbesondere von 0,3 bis 1,5 dl/g, jeweils gemessen an einer 0,4%igen (w/v) Lösung, also 0,4 g/100 ml, von Polymer in H2SO4 (95–97%) mit einem Ubbelohde Viskosimeter bei einer Temperatur von 25°C und einem Druck von 1000 hPa.The polymers (A) used according to the invention have an inherent viscosity of preferably> 0.1 dl / g, more preferably from 0.1 to 2.5 dl / g, in particular from 0.3 to 1.5 dl / g, measured in each case a 0.4% (w / v) solution, ie 0.4 g / 100 ml, of polymer in H 2 SO 4 (95-97%) with an Ubbelohde viscometer at a temperature of 25 ° C and a pressure of 1000 hPa.
Die erfindungsgemäß eingesetzte Komponente (A) hat ein Molekulargewicht Mw von bevorzugt 1 000 bis 300 000 g/mol, besonders bevorzugt von 4 000 bis 150 000 g/mol, jeweils gemessen als absolute Molmasse mittels GPC gekoppelt mit statischer Lichtstreuung (Laufmittel: DMAc versetzt mit 1% LiBr).The component (A) used according to the invention has a molecular weight Mw of preferably 1,000 to 300,000 g / mol, particularly preferably 4,000 to 150,000 g / mol, measured in each case as absolute molecular weight by GPC coupled with static light scattering (mobile phase: DMAc) with 1% LiBr).
Ganz besonders bevorzugt handelt es sich bei Komponente (A) um Poly-2,2'-(m-Phenylen)-5,5'-dibenzimidazol mit Amino- und/oder Carbonsäureendgruppen und einer Inhärentviskosität von 0,3 bis 1,5 dl/g gemessen an einer 0,4%igen (w/v) Lösung, also 0,4 g/100 ml, von Polymer in H2SO4 (95–97%) mit einem Ubbelohde Viskosimeter bei einer Temperatur von 25°C und einem Druck von 1000 hPa.Component (A) is very particularly preferably poly-2,2 '- (m-phenylene) -5,5'-dibenzimidazole having amino and / or carboxylic acid end groups and an inherent viscosity of 0.3 to 1.5 dl / g measured on a 0.4% (w / v) solution, ie 0.4 g / 100 ml, of polymer in H 2 SO 4 (95-97%) with an Ubbelohde viscometer at a temperature of 25 ° C. and a pressure of 1000 hPa.
Die Mischung gemäß erfindungsgemäßem ersten Schritt enthält vorzugsweise mindestens 1 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 5 Gew.-%, insbesondere mindestens 10 Gew.-%, Komponente (A). Die Mischung enthält vorzugsweise höchstens 90 Gew.-%, besonders bevorzugt höchstens 70 Gew.-%, insbesondere höchstens 50 Gew.-%, Komponente (A).The mixture according to the first step of the invention preferably contains at least 1% by weight, more preferably at least 5% by weight, in particular at least 10% by weight, of component (A). The mixture preferably contains at most 90% by weight, particularly preferably at most 70% by weight, in particular at most 50% by weight, of component (A).
Beispiele für die erfindungsgemäß eingesetzten Lösemittel (B) sind alle polaren aprotischen Lösemittel, die nicht mit den weiteren Mischungsbestandteilen (A), (C), (D) und (E) unter den Verfahrensbedingungen reagieren.Examples of the solvents (B) used according to the invention are all polar aprotic solvents which do not react with the other mixture constituents (A), (C), (D) and (E) under the process conditions.
Bevorzugte Beispiele für Lösemittel (B) sind N,N-Dimethyacetamid, Dimethylformamid, Dimethylsulfoxid, N-Methylpyrrolidon oder Mischungen aus den vorgenannten Lösemitteln, wobei N,N-Dimethylacetamid besonders bevorzugt ist.Preferred examples of solvent (B) are N, N-dimethylacetamide, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone or mixtures of the abovementioned solvents, with N, N-dimethylacetamide being particularly preferred.
Die Bezeichnung Lösemittel bedeutet nicht, dass sich alle Mischungskomponenten in diesem vollständig lösen müssen. The term solvent does not mean that all components of the mixture must dissolve completely in it.
Die Mischung gemäß erfindungsgemäßem ersten Schritt enthält Lösemittel (B) in Mengen von bevorzugt 10 bis 99 Gew.-%, besonders bevorzugt 30 bis 95 Gew.-%, insbesondere 50 bis 90 Gew.-%.The mixture according to the first step of the invention contains solvent (B) in amounts of preferably from 10 to 99% by weight, more preferably from 30 to 95% by weight, in particular from 50 to 90% by weight.
Als Porenbildner (C) können alle bisher bekannten Porenbildner eingesetzt werden.As a pore-forming agent (C), all previously known pore-forming agents can be used.
Beispiele für erfindungsgemäß eingesetzte Porenbildner (C) sind die in
Als Porenbildner (C) werden bevorzugt bei 20°C und 1000 hPa flüssige oder feste Stoffe eingesetzt, die im Polymer (A) feindispergierbar aber nicht oder nur wenig löslich sind und nach Entfernen, wie beispielweise durch Lösen, Auswaschen oder Verdampfen, im Polymer (A) Hohlräume hinterlassen.The pore formers (C) used are preferably liquid or solid substances which are finely dispersible in the polymer (A) but not or only slightly soluble at 20 ° C. and 1000 hPa and after removal, for example by dissolution, washing or evaporation, in the polymer ( A) Leave cavities.
Die erfindungsgemäß eingesetzten Porenbildner (C) und Polymer (A) liegen bei 20°C und 1000 hPa nach Vermischen bevorzugt in unterschiedlichen Phasen vor.The pore formers (C) and polymer (A) used according to the invention are present at 20 ° C. and 1000 hPa after mixing, preferably in different phases.
Die erfindungsgemäß eingesetzten Porenbildner (C) sind unter Verfahrensbedingungen im Polymer (A) in Mengen von bevorzugt 0 bis 10 Gew.-%, besonders bevorzugt 0 bis 5 Gew.-%, insbesondere 0 bis 1 Gew.-%, löslich.The pore formers (C) used according to the invention are soluble under process conditions in the polymer (A) in amounts of preferably 0 to 10% by weight, more preferably 0 to 5% by weight, in particular 0 to 1% by weight.
Falls die erfindungsgemäß eingesetzten Porenbildner (C) durch Verdampfen aus dem erfindungsgemäßen Film entfernt werden, haben diese einen Siedepunkt oder Zersetzungspunkt, der bevorzugt mindestens 10°C, besonders bevorzugt mindestens 20°C, oberhalb des Siedepunkts des im ersten Schritt eingesetzten Lösemittels (B) liegt, jeweils bei 1000 hPa. Bevorzugt liegt der Siedepunkt oder Zersetzungspunkt von Porenbildner (C) maximal 100°C, besonders bevorzugt maximal 60°C, oberhalb des Siedepunkts von Lösemittel (B), bei 1000 hPa.If the pore formers (C) used according to the invention are removed by evaporation from the film according to the invention, they have a boiling point or decomposition point which is preferably at least 10 ° C., more preferably at least 20 ° C., above the boiling point of the solvent (B) used in the first step. In each case, the boiling point or decomposition point of pore former (C) is at most 100 ° C., more preferably at most 60 ° C., above the boiling point of solvent (B), at 1000 hPa.
Die erfindungsgemäß eingesetzten Porenbildner (C) sind unter den jeweiligen Verfahrensbedingungen gegenüber den Komponenten (A), (B), (D) und (E) bevorzugt chemisch inert.The pore formers (C) used according to the invention are preferably chemically inert to the components (A), (B), (D) and (E) under the respective process conditions.
Vorzugsweise können als Porenbildner (C) Salze verwendet werden, die im Lösemittel (B) löslich sind, wie bevorzugt Ammoniumsalze oder Salze der Alkali- und Erdalkimetalle, besonders bevorzugt deren Halogenide, Carboxylate, Sulfate, Sulfonate, Phosphate und Phosphonate, insbesondere Cetyltrimethylammoniumbromid und Natriumdodecylsulfat.Preferably, as the pore former (C) salts can be used which are soluble in the solvent (B), such as preferably ammonium salts or salts of alkali and alkaline earth metals, more preferably their halides, carboxylates, sulfates, sulfonates, phosphates and phosphonates, in particular cetyltrimethylammonium bromide and sodium dodecyl sulfate ,
Vorzugsweise können als Porenbildner (C) auch niedermolekulare Ester verwendet werden, wie bevorzugt Ester von Mono- und Dicarbonsäuren, Ester der Phosphorsäure, Ester aus Sacchariden und Fettsäuren, besonders bevorzugt Dibutylphthalat, Dimethylphthalat, Diphenylphthalat, Triphenylphosphat, Sorbitanmonolaurat und Sorbitanmonopalmitat.It is also possible to use low molecular weight esters as pore formers (C), such as esters of mono- and dicarboxylic acids, esters of phosphoric acid, esters of saccharides and fatty acids, particularly preferably dibutyl phthalate, dimethyl phthalate, diphenyl phthalate, triphenyl phosphate, sorbitan monolaurate and sorbitan monopalmitate.
Vorzugsweise können als Porenbildner (C) auch Alkohole und Polyale verwendet werden, wie bevorzugt Alkanole und Glykole, besonders bevorzugt n-Propanol, Triethylenglykol und Glycerin.As pore formers (C) it is also possible to use alcohols and polyols, preferably alkanols and glycols, particularly preferably n-propanol, triethylene glycol and glycerol.
Vorzugsweise können als Porenbildner (C) auch Polymere verwendet werden, die sich zumindest teilweise mit dem Polymer (A) nicht mischen und nachträglich aus dem erfindungsgemäßen Film herausgelöst werden können, wie bevorzugt Polyolefine, Polyether, Polyacrylate, Polyvinylester, Polyvinylalkohole, Polystyrole, sowie deren Copolymere, besonders bevorzugt Polypropylenoxid, Polyethylenoxid, Poly(ethylenoxid-block-propylenoxid) und Poly(vinylalkohol-co-vinylacetat). Diese Polymere können funktionelle Endgruppen, wie beispielsweise Fettsäurereste oder Saccharide, tragen, die die Porenbildung aufgrund ihrer Polarität verbessern.Polymers which do not mix at least partially with the polymer (A) and can subsequently be dissolved out of the film according to the invention are preferably used as pore formers (C), such as preferably polyolefins, polyethers, polyacrylates, polyvinyl esters, polyvinyl alcohols, polystyrenes, and the like Copolymers, more preferably polypropylene oxide, polyethylene oxide, poly (ethylene oxide-block-propylene oxide) and poly (vinyl alcohol-co-vinyl acetate). These polymers may carry functional end groups, such as fatty acid residues or saccharides, which enhance pore formation due to their polarity.
Vorzugsweise können als Porenbildner (C) auch im Lösemittel (B) unlösliche Partikel, wie Polymerpartikel, Kreiden und Silicapartikel verwendet werden.Preferably, as the pore-forming agent (C), insoluble particles such as polymer particles, chalks and silica particles can also be used in the solvent (B).
Außerdem können vorzugsweise als Porenbildner (C) Organosiliciumverbindungen verwendet werden, wie bevorzugt Polydialkylsiloxane, Phenyl/alkylsiloxane, cyclische Siloxane und Organosilane, besonders bevorzugt Cyclohexadimethylsiloxan, Cyclodecadimethylsiloxan und Bis(aminopropyl)-terminiertes Polydimethylsiloxan.In addition, organosilicon compounds such as polydialkylsiloxanes, phenyl / alkylsiloxanes, cyclic siloxanes, and organosilanes, particularly preferably, may be used as the pore former (C) preferably cyclohexadimethylsiloxane, cyclodecadimethylsiloxane and bis (aminopropyl) -terminated polydimethylsiloxane.
Bevorzugt handelt es sich bei Porenbildner (C) um Organosiliciumverbindungen.Pore formers (C) are preferably organosilicon compounds.
Bei den Organosiliciumverbindungen (C) handelt es sich bevorzugt um Polydialkylsiloxane, Phenyl/alkylsiloxane, cyclische Siloxane und Organosilane, besonders bevorzugt um Cyclohexadimethylsiloxan, Cyclodecadimethylsiloxan und Bis(aminopropyl)-terminiertes Polydimethylsiloxan, insbesondere um Bis(aminopropyl)-terminiertes Polydimethylsiloxan.The organosilicon compounds (C) are preferably polydialkylsiloxanes, phenyl / alkylsiloxanes, cyclic siloxanes and organosilanes, particularly preferably cyclohexadimethylsiloxane, cyclodecadimethylsiloxane and bis (aminopropyl) -terminated polydimethylsiloxane, in particular bis (aminopropyl) -terminated polydimethylsiloxane.
Im erfindungsgemäßen ersten Schritt werden Porenbildner (C) in Mengen von vorzugsweise mindestens 5 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 10 Gew.-%, insbesondere mindestens 20 Gew.-%, und höchstens 90 Gew.-%, besonders bevorzugt höchstens 80 Gew.-%, insbesondere höchstens 70 Gew.-%, jeweils bezogen auf die Gesamtmenge an Polymer (A), eingesetzt.In the first step according to the invention pore formers (C) in amounts of preferably at least 5 wt .-%, particularly preferably at least 10 wt .-%, in particular at least 20 wt .-%, and at most 90 wt .-%, particularly preferably at most 80 wt .-%, in particular at most 70 Gew. -%, in each case based on the total amount of polymer (A) used.
Porenbildner (C) sind handelsübliche Produkte oder können nach in der Chemie gängigen Verfahren hergestellt werden.Pore formers (C) are commercially available products or can be prepared by methods commonly used in chemistry.
Zusätzlich zu den Komponenten (A), (B) und (C) können die Mischungen gemäß erfindungsgemäßem ersten Schritt Verbrückungsreagenzien (D) enthalten, die nach dem zweiten Schritt mit Komponente (A) reagieren und so eine Vernetzung der Komponente (A) bewirken. Solche Verbrückungsreagenzien (D) sind bereits bekannt und können beispielsweise Verbindungen sein, die gegenüber Ringstickstoffatomen und/oder Endgruppen des Polymers (A) reaktive Gruppen tragen.In addition to components (A), (B) and (C), the mixtures according to the first step of the invention may contain bridging reagents (D) which, after the second step, react with component (A) to effect cross-linking of component (A). Such bridging reagents (D) are already known and may be, for example, compounds which bear reactive groups towards ring nitrogen atoms and / or end groups of the polymer (A).
Beispiele für erfindungsgemäß eingesetzte Verbrückungsreagenzien (D) sind Verbindungen mit mindestens zwei reaktiven Gruppen, wie Diglycidylether, mehrfachfunktionelle organische Säuren oder deren Halogenide und Anhydride, mehrfach halogenierte organische Verbindungen, Dialdehyde oder Divinylverbindungen.Examples of bridging agents (D) used according to the invention are compounds having at least two reactive groups, such as diglycidyl ether, polyfunctional organic acids or their halides and anhydrides, polyhalogenated organic compounds, dialdehydes or divinyl compounds.
Bevorzugt handelt es sich bei Komponente (D) um Bisphenol-A-diglycidylether, 1,4-Butyldiglycidylether, Ethylenglycoldiglycidylether, Terephthaldehyd, Divinylsulphon, α-Dibrom-p-xylol, 3,4-Dichlortetrahydrothiophene-1,1-dioxid, Dichlormethylphosphonsäure.Component (D) is preferably bisphenol A diglycidyl ether, 1,4-butyl diglycidyl ether, ethylene glycol diglycidyl ether, terephthalic aldehyde, divinyl sulphone, α-dibromo-p-xylene, 3,4-dichlorotetrahydrothiophene-1,1-dioxide, dichloromethylphosphonic acid.
Falls Verbrückungsreagenz (D) im erfindungsgemäßen ersten Schritt eingesetzt wird, handelt es sich um Mengen von vorzugsweise mindestens 0,1 Mol, besonders bevorzugt mindestens 1 Mol, und bevorzugt höchstens 10 Mol, besonders bevorzugt höchstens 5 Mol, jeweils bezogen auf 1 Mol an eingesetztem Polymer (A). Bevorzugt wird keine Komponente (D) eingesetzt.If bridging reagent (D) is used in the first step according to the invention, these are amounts of preferably at least 0.1 mol, more preferably at least 1 mol, and preferably not more than 10 mol, more preferably not more than 5 mol, in each case based on 1 mol of starting material Polymer (A). Preferably, no component (D) is used.
Verbrückungsreagenz (D) sind handelsübliche Produkte oder können nach in der Chemie gängigen Verfahren hergestellt werden.Bridging reagent (D) are commercially available products or can be prepared by methods commonly used in chemistry.
Zusätzlich zu den Komponenten (A), (B), (C) und gegebenenfalls (D) können im erfindungsgemäßen ersten Schritt weitere Stoffe (E) eingesetzt werden, die zu den Verbindungen (A) bis (D) unterschiedlich sind, wie z. B. Füllstoffe wie Polymere oder anorganische Stoffe, die beispielsweise die mechanischen Eigenschaften oder die Aufnahmefähigkeit für einen Flüssigelektrolyten im erfindungsgemäßen Polymerfilm verändern können, oder Additive in geringer Konzentration wie Tenside, Haftvermittler oder Konservierungsstoffe, die dazu dienen können, die Eigenschaften der Oberfläche des Polymerfilms, wie beispielsweise die Oberflächenspannung, oder die Haltbarkeit des Films zu verbessern oder Zusatzstoffe, die der Prozessoptimierung dienen, wie Katalysatoren, Initiatoren oder Stabilisatoren.In addition to the components (A), (B), (C) and optionally (D) further substances (E) can be used in the first step according to the invention, which are different from the compounds (A) to (D), such. For example, fillers such as polymers or inorganic substances, which may for example change the mechanical properties or the absorption capacity for a liquid electrolyte in the polymer film according to the invention, or additives in low concentration such as surfactants, adhesion promoters or preservatives, which may serve the properties of the surface of the polymer film, such as the surface tension, or to improve the durability of the film or additives that serve the process optimization, such as catalysts, initiators or stabilizers.
Zur Herstellung des erfindungsgemäßen porösen Polymerfilms können neben der Komponente (A) beispielsweise weitere polymere Komponenten (E), die keine mehrwertigen, heteroaromatischen Cyclen mit ein oder zwei Ringstickstoffatomen enthalten, als Teil einer Mischung oder eines Copolymers eingesetzt werden und sog. Hybridmaterialien erzeugt werden. Beispiele für gegebenenfalls eingesetzte Polymere (E) sind
- – Polyolefine, wie Polyethylen, Polypropylen, Polyisobutylen, Polynorbornen, Polymethylpenten, Poly(1,4-isopren), Poly(3,4-isopren), Poly(1,4-butadien), Poly(1,2-butadien),
- – Styrol(co)polymere wie Polystyrol, Poly(methylstyrol), Poly(trifluorstyrol), Poly(pentafluorostyrol),
- – N-basische Polymere wie Polyvinylcarbazol, Polyethylenimin, Poly(2-vinylpyridin), Poly(3-vinylpyridin), Poly(4-vinylpyridin),
- – (Het)arylhauptkettenpolymere, wie Polyetherketon PEK, Polyetheretherketon PEEK, Polyetheretherketonketon PEEKK, Polyetherketonetherketon-keton PEKEKK,
- – Polyethersulfone wie Polysulfon, Polyphenylsulfon, Polyetherethersulfon, Polyethersulfon PES, Polyphenylenether wie Poly(2,6-dimethyloxyphenylen), Poly(2,6-diphenyloxyphenylen), Polyphenylensulfid und
- – perfluorierte Polymere.
- Polyolefins such as polyethylene, polypropylene, polyisobutylene, polynorbornene, polymethylpentene, poly (1,4-isoprene), poly (3,4-isoprene), poly (1,4-butadiene), poly (1,2-butadiene),
- Styrene (co) polymers such as polystyrene, poly (methylstyrene), poly (trifluorostyrene), poly (pentafluorostyrene),
- N-basic polymers such as polyvinylcarbazole, polyethylenimine, poly (2-vinylpyridine), poly (3-vinylpyridine), poly (4-vinylpyridine),
- - (Het) aryl main chain polymers, such as polyether ketone PEK, polyether ether ketone PEEK, polyether ether ketone ketone PEEKK, polyether ketone ether ketone ketone PEKEKK,
- Polyethersulfones such as polysulfone, polyphenylsulfone, polyether ether sulfone, polyethersulfone PES, polyphenylene ethers such as poly (2,6-dimethyloxyphenylene), poly (2,6-diphenyloxyphenylene), polyphenylene sulfide and
- - perfluorinated polymers.
Falls polymere Komponenten (E) im erfindungsgemäßen ersten Schritt eingesetzt werden, handelt es sich um Mengen von bevorzugt 1 bis 200 Gew.-Teilen, besonders bevorzugt 10 bis 100 Gew.-Teilen, jeweils bezogen auf 100 Gewichtsteile Komponente (A). Bevorzugt werden keine polymeren Komponenten (E) eingesetzt.If polymeric components (E) are used in the first step according to the invention, these are amounts of preferably 1 to 200 parts by weight, more preferably 10 to 100 parts by weight, in each case based on 100 parts by weight of component (A). Preferably, no polymeric components (E) are used.
Zur Herstellung solcher Hybridmaterialien können der Mischung aus Polymer (A) und Lösemittel (B) auch anorganische Komponenten (E) wie beispielsweise Metalloxide zugesetzt werden. Bevorzugte anorganische Komponenten (E) sind Siliciumoxide, Silikate wie Gerüst- oder Schichtsilikate oder Kieselsäuren, Zeolite, Aluminosilikate, Titanoxide, Titanate, Zirkonoxide, Zirkonphosphate und Heteropolysäuren wie Wolframatophosphorsäure. Diese anorganischen Komponenten (E) können auch in Form von Partikeln vorliegen, die mesoporös sein können und an der Oberfläche oder in den Poren durch funktionale anorganische oder organische Gruppen wie beispielsweise Sulfon-, Phosphon-, Aminogruppen oder Imidazolgruppen modifiziert sein können.For the preparation of such hybrid materials, it is also possible to add to the mixture of polymer (A) and solvent (B) inorganic components (E), for example metal oxides. Preferred inorganic components (E) are silicon oxides, silicates such as scaffold silicates or silicic acids, zeolites, aluminosilicates, titanium oxides, titanates, zirconium oxides, zirconium phosphates and heteropolyacids such as tungstophosphoric acid. These inorganic components (E) may also be in the form of particles which may be mesoporous and may be modified at the surface or in the pores by functional inorganic or organic groups such as, for example, sulfonic, phosphonic, amino or imidazole groups.
Die vorangehend aufgeführten weiteren polymeren und anorganischen Komponenten (E) können mit reaktiven Gruppen ausgestattet sein, um eine kovalente Vernetzung mit Komponente (A) zu ermöglichen.The other polymeric and inorganic components (E) listed above may be provided with reactive groups to allow covalent crosslinking with component (A).
Falls anorganische Komponenten (E) im erfindungsgemäßen ersten Schritt eingesetzt werden, handelt es sich um Mengen von bevorzugt 1 bis 200 Gew.-Teilen, besonders bevorzugt 10 bis 100 Gew.-Teilen, jeweils bezogen auf 100 Gewichtsteile Komponente (A). Bevorzugt werden keine anorganischen Komponenten (E) eingesetzt.If inorganic components (E) are used in the first step according to the invention, these are amounts of preferably 1 to 200 parts by weight, more preferably 10 to 100 parts by weight, in each case based on 100 parts by weight of component (A). Preferably, no inorganic components (E) are used.
Bei den erfindungsgemäß eingesetzten Komponenten kann es sich jeweils um eine Art einer solchen Komponente wie auch um ein Gemisch aus mindestens zwei Arten einer jeweiligen Komponente handeln.The components used according to the invention may each be one type of such a component as well as a mixture of at least two types of a respective component.
Die Mischung gemäß ersten Schritt enthält über die Komponenten (A), (B), (C), (D) und (E) hinausgehend bevorzugt keine weiteren Stoffe.The mixture according to the first step preferably contains no further substances beyond the components (A), (B), (C), (D) and (E).
Die Mischung gemäß erstem Schritt kann durch beliebige und an sich bekannte Verfahren hergestellt werden, wie beispielsweise durch einfaches Vermischen der einzelnen Bestandteile sowie gegebenenfalls Rühren, wobei bevorzugt Polymer (A) mit Lösemittel (B) zu einer Vormischung (M) vermischt wird und anschließend die übrigen Bestandteile in beliebiger Reihenfolge zu dieser Vormischung gegeben werden. Dabei können die weiteren Bestandteile, wie der Porenbildner (C), gegebenenfalls eingesetzte Verbrückungsreagenzien (D) oder weitere Stoffe (E) getrennt in einem Teil des Lösemittels (B) gelöst und nachträglich der Vormischung (M) zugesetzt werden.The mixture according to the first step can be prepared by any desired and known per se methods, for example by simply mixing the individual components and optionally stirring, wherein preferably polymer (A) with solvent (B) to a premix (M) is mixed and then the remaining ingredients are added in any order to this premix. In this case, the further constituents, such as the pore former (C), optionally used bridging reagents (D) or further substances (E) can be dissolved separately in one part of the solvent (B) and subsequently added to the premix (M).
Zur Herstellung der Vormischung (M) im erfindungsgemäßen ersten Schritt wird die Mischung bevorzugt so lange gerührt, bis sich das Polymer (A) vorzugsweise zu mehr als 90 Gew.-%, besonders bevorzugt vollständig, im Lösemittel (B) gelöst hat. Danach können die Porenbildner (C) sowie gegebenenfalls Verbrückungsreagenzien (D) oder weitere Stoffe(E) zugegeben werden. Falls erwünscht, können Anteile von Komponente (A), (C), (D) und/oder weitere Stoffe (E), die sich nicht in Lösemittel (B) gelöst haben, in der Lösung verbleiben oder abfiltriert werden.To prepare the masterbatch (M) in the first step according to the invention, the mixture is preferably stirred until the polymer (A) has preferably dissolved more than 90% by weight, particularly preferably completely, in the solvent (B). Thereafter, the pore formers (C) and, optionally, bridging reagents (D) or further substances (E) may be added. If desired, portions of component (A), (C), (D) and / or other materials (E) which have not dissolved in solvent (B) may remain in the solution or be filtered off.
Die Herstellung dieser Vormischung (M) im erfindungsgemäßen ersten Schritt wird bei Temperaturen von bevorzugt 50 bis 350°C, besonders bevorzugt 100 bis 300°C, insbesondere 150 bis 250°C, durchgeführt.The preparation of this premix (M) in the first step according to the invention is carried out at temperatures of preferably from 50 to 350.degree. C., more preferably from 100 to 300.degree. C., in particular from 150 to 250.degree.
Das Hinzufügen der gegebenenfalls restlichen Bestandteile zur Vormischung (M) im erfindungsgemäßen ersten Schritt wird bei Temperaturen von bevorzugt 15 bis 300°C, besonders bevorzugt 20 bis 100°C, insbesondere 20 bis 90°C, durchgeführt.The addition of the optionally remaining constituents to the masterbatch (M) in the first step according to the invention is carried out at temperatures of preferably 15 to 300 ° C., particularly preferably 20 to 100 ° C., in particular 20 to 90 ° C.
Der erfindungsgemäße 1. Schritt wird bevorzugt beim Druck der umgebenden Atmosphäre, also 900 bis 1100 hPa, durchgeführt. Er kann aber auch bei niedrigeren oder höheren Drücken durchgeführt werden.The first step according to the invention is preferably carried out at the pressure of the surrounding atmosphere, ie 900 to 1100 hPa. It can also be performed at lower or higher pressures.
Der erfindungsgemäße erste Schritt wird bevorzugt in Inertgasatmosphäre, wie etwa unter Argon- oder Stickstoff-Spülung, durchgeführt. The first step according to the invention is preferably carried out in an inert gas atmosphere, such as under argon or nitrogen purge.
Der erfindungsgemäße erste Schritt kann kontinuierlich oder diskontinuierlich durchgeführt werden.The first step according to the invention can be carried out continuously or discontinuously.
Bei der Mischung gemäß erstem Schritt handelt es sich bevorzugt um eine Lösung, eine Dispersion oder eine Paste. Im Fall der Lösung sind alle Komponenten in dem Lösemittel (B) gelöst. Im Fall der Dispersion sind Teilchen bzw. Tröpfchen aus Komponente (A) und/oder dem Porenbildner (C) und/oder den Komponenten (D) und (E) in dem als kontinuierliche Phase dienenden Lösemittel dispergiert. Besonders bevorzugt handelt es sich bei der Mischung des ersten Schritts um eine Dispersion, bei der Tröpfchen oder Teilchen des Porenbildners (C) in der Lösung aus Komponente (A) und Lösemittel (B) dispergiert sind, insbesondere mit einer honigartigen Viskosität.The mixture according to the first step is preferably a solution, a dispersion or a paste. In the case of the solution, all components are dissolved in the solvent (B). In the case of dispersion, particles of component (A) and / or the pore former (C) and / or components (D) and (E) are dispersed in the continuous phase solvent. The mixture of the first step is particularly preferably a dispersion in which droplets or particles of the pore-forming agent (C) are dispersed in the solution of component (A) and solvent (B), in particular with a honey-type viscosity.
Das Auftragen der im erfindungsgemäßen ersten Schritt erhaltenen Mischung auf einen Träger kann mit allen geeigneten, bisher bekannten diskontinuierlichen und kontinuierlichen Auftragsverfahren durchgeführt werden. Bevorzugt erfolgt das Auftragen durch Ausgießen der Mischung auf einem planaren Substrat, durch Auftrag mit einer Walze oder Breitschlitzdüse, durch das Rakelverfahren oder Spincoating. Das gewählte Auftragsverfahren richtet sich dabei auch nach der angestrebten Schichtdicke des Polymerfilms gemäß erfindungsgemäßem dritten Schritt.The application of the mixture obtained in the first step of the invention on a support can be carried out with all suitable, previously known discontinuous and continuous application methods. Preferably, the application is carried out by pouring the mixture on a planar substrate, by application with a roller or slot die, by the doctor blade method or spin coating. The chosen application method also depends on the desired layer thickness of the polymer film according to the third step of the invention.
Beispiele für Träger, die im erfindungsgemäßen zweiten Schritt eingesetzt werden können, sind alle bisher bekannten Träger, die von den erfindungsgemäßen Mischungen gut benetzt werden, weitgehend resistent gegenüber den in den Mischungen enthaltenen Komponenten sind und Formstabilität im angewendeten Temperaturbereich aufweisen. Beispiele für solche Träger sind Polymerfilme, wie Poly(ethylenterephthalat)-, Polyimid-, Polyethylenimid-, Polytetrafluorethylen- und Polyvinylidenfluorid-Folien, Metalloberflächen, wie beispielsweise Bänder aus rostfreiem Stahl, Glasoberflächen sowie siliconisierte Papiere.Examples of carriers which can be used in the second step according to the invention are all previously known carriers which are well wetted by the mixtures according to the invention, are largely resistant to the components contained in the mixtures and have dimensional stability in the temperature range used. Examples of such carriers are polymer films such as poly (ethylene terephthalate), polyimide, polyethyleneimide, polytetrafluoroethylene and polyvinylidene fluoride films, metal surfaces such as stainless steel belts, glass surfaces and siliconized papers.
Insbesondere wenn der Polymerfilm nach der Herstellung vom Träger abgelöst werden soll, sind Träger bevorzugt, die gegenüber der Mischung gemäß erstem Schritt chemisch inert sind.In particular, when the polymer film is to be removed from the carrier after the preparation, carriers are preferred which are chemically inert to the mixture according to the first step.
Das Auftragen kann auch auf einem funktionellen Träger erfolgen, der Teil der jeweiligen Anwendung ist. Beispielsweise kann im Fall der Herstellung einer semipermeablen Membran die Mischung auf einen offenporigen Film oder ein Stützgewebe aufgetragen werden. Bei der Anwendung als Brennstoffzellenmembran kann die Mischung direkt auf die Gasdiffusionslage bzw. die darauf vorhandene Elektrode aufgebracht werden.The application can also be carried out on a functional carrier, which is part of the respective application. For example, in the case of manufacturing a semi-permeable membrane, the mixture may be applied to an open-pored film or backing fabric. When used as a fuel cell membrane, the mixture can be applied directly to the gas diffusion layer or the electrode thereon.
Bevorzugt handelt es sich bei den eingesetzten Trägern um solche, die von der Mischung gemäß erstem Schritt benetzt werden, wobei der Kontaktwinkel der Mischung auf dem Träger bevorzugt kleiner als 90°, besonders bevorzugt kleiner als 30°, ist, jeweils gemessen mit Inertgas als umgebender Phase.Preferably, the carriers used are those which are wetted by the mixture according to the first step, wherein the contact angle of the mixture on the carrier is preferably less than 90 °, particularly preferably less than 30 °, in each case measured with inert gas as the surrounding Phase.
Der erfindungsgemäße zweite Schritt kann kontinuierlich oder diskontinuierlich durchgeführt werden.The second step according to the invention can be carried out continuously or discontinuously.
Für kontinuierliche Auftragverfahren werden bevorzugt Polymerfilme, wie beispielsweise Folien aus Poly(ethylenterephthalat), oder Metallbänder, wie beispielsweise rostfreier Stahl, verwendet. Für das diskontinuierliche Verfahren werden bevorzugt Glasplatten verwendet.For continuous application methods, polymer films such as poly (ethylene terephthalate) films or metal strips such as stainless steel are preferably used. For the batch process, glass plates are preferably used.
Der erfindungsgemäße zweite Schritt wird bevorzugt bei Temperaturen unter dem Siedepunkt des Lösemittels (B), besonders bevorzugt im Temperaturbereich von 10 bis 80°C, insbesondere 15 bis 40°C, durchgeführt.The second step of the invention is preferably carried out at temperatures below the boiling point of the solvent (B), more preferably in the temperature range of 10 to 80 ° C, in particular 15 to 40 ° C.
Der erfindungsgemäße zweite Schritt wird bevorzugt beim Druck der umgebenden Atmosphäre, also 900 bis 1100 hPa, durchgeführt. Er kann aber auch bei niedrigeren oder höheren Drücken durchgeführt werden.The second step of the invention is preferably carried out at the pressure of the surrounding atmosphere, ie 900 to 1100 hPa. It can also be performed at lower or higher pressures.
Der erfindungsgemäße zweite Schritt wird bevorzugt an Luft in einer staubarmen Umgebung oder in einer Reinraumumgebung durchgeführt, was zur Sicherung einer konstanten Filmqualität beiträgt.The second step according to the invention is preferably carried out in air in a low-dust environment or in a clean room environment, which helps to ensure a constant film quality.
Für das Entfernen des Lösemittels im erfindungsgemäßen dritten Schritt können die üblichen nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Trocknung herangezogen werden. Dabei wird der Polymerfilm bevorzugt soweit erwärmt, dass das Lösemittel oder Lösemittelgemisch entweicht ohne Gasblasen im Film zu bilden. Falls es sich bei Porenbildner (C) um eine Flüssigkeit mit einem niedrigen Siedepunkt oder einen Stoff mit einer niedrigen Zersetzungstemperatur handelt, kann dieser im dritten Schritt zusammen mit dem Lösemittel (B) ganz oder teilweise aus dem Film entfernt werden, wobei im Polymerfilm an den Stellen, die der Porenbildner (C) eingenommen hatte, Hohlräume zurückbleiben. Der Siedepunkt oder die Zersetzungstemperatur des Porenbildners (C) liegt zu diesem Zweck bevorzugt um 10 bis 100°C höher als der Siedepunkt des Lösemittels (B) bei einem Druck von 1000 hPa.For the removal of the solvent in the third step according to the invention, the customary processes known from the prior art for drying can be used. In this case, the polymer film is preferably heated to the extent that the solvent or solvent mixture escapes without forming gas bubbles in the film. If pore former (C) is a liquid with a low boiling point or a substance with a low decomposition temperature, it can be used in the third step together with the Solvents (B) are wholly or partially removed from the film, wherein in the polymer film at the sites which had occupied the pore former (C), remain cavities. The boiling point or the decomposition temperature of the pore-forming agent (C) for this purpose is preferably from 10 to 100 ° C higher than the boiling point of the solvent (B) at a pressure of 1000 hPa.
Der Polymerfilm kann im erfindungsgemäßen dritten Schritt bei unterschiedlichen Drücken getrocknet werden, bevorzugt beim Druck der umgebenden Atmosphäre, also bei 900 bis 1100 hPa, oder unter vermindertem Druck.The polymer film can be dried in the third step of the invention at different pressures, preferably at the pressure of the surrounding atmosphere, ie at 900 to 1100 hPa, or under reduced pressure.
Der erfindungsgemäße dritte Schritt wird bevorzugt bei Temperaturen unterhalb des Siedepunktes des Lösemittels (B) durchgeführt, besonders bevorzugt bei 40 bis 150°C, insbesondere 80 bis 150°C. Er kann jedoch auch bei höherer Temperatur durchgeführt werden, so dass die Vernetzungsreaktion gegebenenfalls bereits während des Trocknens beginnt.The third step of the invention is preferably carried out at temperatures below the boiling point of the solvent (B), more preferably at 40 to 150 ° C, in particular 80 to 150 ° C. However, it can also be carried out at a higher temperature, so that the crosslinking reaction may already begin during the drying.
Der erfindungsgemäße dritte Schritt wird bevorzugt an Luft in einer staubarmen Umgebung oder in einer Reinraumumgebung durchgeführt, was zur Sicherung einer konstanten Filmqualität beiträgt.The third step according to the invention is preferably carried out in air in a low-dust environment or in a clean room environment, which contributes to ensuring a constant film quality.
Der erfindungsgemäße dritte Schritt kann kontinuierlich oder diskontinuierlich durchgeführt werden.The third step according to the invention can be carried out continuously or discontinuously.
Falls der erfindungsgemäße dritte Schritt kontinuierlich durchgeführt werden soll, kann beispielsweise ein Trockenofen oder beheizte Walzen/Bänder oder ein Schwebetrockner verwendet werden, um das Lösemittel mittels Warmwind zu entfernen.If the third step according to the invention is to be carried out continuously, for example, a drying oven or heated rolls / belts or a floating dryer can be used to remove the solvent by means of warm wind.
Die gewünschte Dicke des trockenen Polymerfilms hängt von den Anforderungen der jeweiligen Anwendung ab. Als semipermeable Membranen werden dünne Schichten zwischen 3 und 20 μm bevorzugt, insbesondere wenn der Film von einem porösen Träger mechanisch gestützt wird. Als selbsttragender Film, wie beispielsweise bei der Anwendung als Polymerelektrolytmembran, beträgt die Dicke des trockenen Polymerfilms bevorzugt zwischen 20 und 200 μm.The desired thickness of the dry polymer film depends on the requirements of the particular application. As semipermeable membranes, thin layers between 3 and 20 μm are preferred, especially when the film is mechanically supported by a porous support. As a self-supporting film, such as when used as a polymer electrolyte membrane, the thickness of the dry polymer film is preferably between 20 and 200 microns.
Bevorzugt werden im erfindungsgemäßen dritten Schritt Polymerfilme mit einer Dicke von 3 bis 500 μm, besonders bevorzugt von 10 bis 200 μm, hergestellt.In the third step according to the invention, preference is given to producing polymer films having a thickness of from 3 to 500 μm, particularly preferably from 10 to 200 μm.
Vor Durchführung des erfindungsgemäßen vierten Schritts kann nun der getrocknete Polymerfilm gemäß drittem Schritt vom Träger abgelöst werden oder auf diesem verbleiben, mit der Maßgabe dass der Träger eine ausreichende thermische Stabilität besitzt, wenn im vierten Schritt thermisch vernetzt werden soll.Before carrying out the fourth step according to the invention, the dried polymer film can now be removed from or left on the carrier in accordance with the third step, with the proviso that the carrier has sufficient thermal stability if it is to be thermally crosslinked in the fourth step.
Im erfindungsgemäßen vierten Schritt wird der Polymerfilm vernetzt. Die Vernetzung kann durch beliebige und bekannte Verfahren gestartet werden, von denen hier einige beispielhaft aufgeführt werden:
- i) Durch Verbrückungsreagenzien (D) wie beispielsweise Diglycidylether, mehrfachfunktionelle organische Säuren oder deren Halogenide und Anhydride, mehrfach halogenierte organische Verbindungen, Dialdehyde oder Divinylverbindungen, insbesondere beispielsweise Bisphenol-A-diglycidylether, 1,4-Butyldiglycidylether, Ethylenglycoldiglycidylether, Terephthaldehyd, Divinylsulphon, α-Dibrom-p-xylol, 3,4-Dichlortetrahydrothiophene-1,1-dioxid, Dichlormethylphosphonsäure und gegebenenfalls unter Verwendung von Katalysatoren (E) und/oder Initiatoren (E) können die Polymere (A) über die darin enthaltenen NH-Gruppen kovalent verbrückt werden. Die Verbrückungsreaktion kann durch Erhitzen des getrockneten Films gemäß drittem Schritt gestartet werden.
- i) By bridging reagents (D) such as diglycidyl ether, polyfunctional organic acids or their halides and anhydrides, polyhalogenated organic compounds, dialdehydes or divinyl compounds, in particular, for example, bisphenol A diglycidyl ether, 1,4-butyl diglycidyl ether, ethylene glycol diglycidyl ether, terephthalic aldehyde, divinyl sulphone, α Dibromo-p-xylene, 3,4-dichlorotetrahydrothiophene-1,1-dioxide, dichloromethylphosphonic acid and optionally using catalysts (E) and / or initiators (E), the polymers (A) via the NH groups contained therein covalently be bridged. The bridging reaction can be started by heating the dried film according to the third step.
Die Temperatur im erfindungsgemäßen vierten Schritt liegt im Fall des Vernetzungstyps i) bevorzugt im Bereich von 20 bis 300°C, besonders bevorzugt zwischen 50 und 250°C.
- ii) Eine radikalische Vernetzung ist möglich, wenn das Polymer (A) polymerisierbare funktionelle Gruppen, wie beispielsweise (Meth-)Acrylatester und Vinylether, aufweist. Diese Vernetzung wird vorzugsweise mittels freier Radikale bewirkt, welche durch durch UV-Licht, andere energiereiche elektromagnetische Strahlung, durch Elektronenstrahlen oder thermisch, gegebenenfalls unter Verwendung von Initiatoren (E), wie beispielsweise Peroxiden, erzeugt werden.
- ii) Free-radical crosslinking is possible when the polymer (A) has polymerizable functional groups such as (meth) acrylate esters and vinyl ethers. This crosslinking is preferably effected by means of free radicals which are produced by UV light, other high-energy electromagnetic radiation, by electron beams or thermally, if appropriate using initiators (E), such as, for example, peroxides.
Die Vernetzungsreaktion wird in diesem Fall bevorzugt unter Ausschluss von Sauerstoff durchgeführt. Die Temperatur der erfindungsgemäßen Verfahrensvariante ii) hängt vom Typ der Vernetzungsreaktion ab und liegt bevorzugt im Bereich von 20 bis 300°C, besonders bevorzugt zwischen 20 und 200°C.
- iii) Bei den Polymeren (A), insbesondere wenn es sich um Polyazole handelt, kann auch ohne Verbrückungsreagenzien (D) durch ein ausreichend langes Erhitzen des Polymerfilms auf über 200°C in einer Sauerstoff-haltigen Umgebung eine ausreichende Vernetzung erreicht werden. Bevorzugt ist das Erhitzen an Luft. Es können jedoch auch andere Gasgemische verwendet werden, die
vorzugsweise mehr als 1 Gew.-% Sauerstoff enthalten.
- iii) In the case of the polymers (A), in particular in the case of polyazoles, sufficient crosslinking can be achieved even without bridging reagents (D) by heating the polymer film sufficiently long to above 200 ° C. in an oxygen-containing environment. Preference is given to heating in air. However, other gas mixtures may also be used which preferably contain more than 1% by weight of oxygen.
Die Temperatur der Variante iii) im erfindungsgemäßen vierten Schritt liegt bevorzugt im Bereich von 100°C bis 400°C, besonders bevorzugt zwischen 200°C und 300°C.The temperature of variant iii) in the fourth step according to the invention is preferably in the range from 100 ° C to 400 ° C, more preferably between 200 ° C and 300 ° C.
Falls der Porenbildner (C) im dritten Schritt nicht oder nur teilweise entfernt wurde, kann dieser bei der Erwärmung im vierten Schritt ganz oder teilweise aus dem Film entfernt werden, wobei im Polymerfilm an den Stellen, die der Porenbildner (C) eingenommen hatte, Hohlräume zurückbleiben. Der Siedepunkt oder die Zersetzungstemperatur des Porenbildners liegt zu diesem Zweck unterhalb der im vierten Schritt angewendeten Temperatur.If the pore former (C) was not or only partially removed in the third step, it can be completely or partially removed from the film when heated in the fourth step, with voids in the polymer film at the sites occupied by the pore former (C) remain. The boiling point or the decomposition temperature of the pore-forming agent is for this purpose below the temperature used in the fourth step.
Das Erhitzen des Polymerfilms im vierten Schritt kann nach beliebigen und bisher bekannten Verfahren erfolgen, wie beispielsweise in einem Heißluftofen oder durch Kontakt mit heißen Oberflächen. Dieser Schritt kann bei den Vernetzungstypen i) und ii) in einer Inertgasatmosphäre, wie etwa unter Argon- oder Stickstoff-Spülung, oder wie bei Vernetzungstyp iii) auch in Anwesenheit von Sauerstoff durchgeführt werden, beispielsweise an Luft.The heating of the polymer film in the fourth step can be carried out by any and all known methods, such as in a hot air oven or by contact with hot surfaces. This step can be carried out in the case of the crosslinking types i) and ii) in an inert gas atmosphere, such as under argon or nitrogen purge, or as in cross-linking type iii) also in the presence of oxygen, for example in air.
Der erfindungsgemäße vierte Schritt wird bevorzugt beim Druck der umgebenden Atmosphäre, also 900 bis 1100 hPa, durchgeführt. Er kann aber auch bei niedrigeren oder höheren Drücken durchgeführt werden.The fourth step according to the invention is preferably carried out at the pressure of the surrounding atmosphere, ie 900 to 1100 hPa. It can also be performed at lower or higher pressures.
Der erfindungsgemäße vierte Schritt kann kontinuierlich oder diskontinuierlich durchgeführt werden.The fourth step according to the invention can be carried out continuously or discontinuously.
Bei einem kontinuierlichen Verfahren kann der Polymerfilm beispielsweise über beheizbare Walzen aus Edelstahl oder Sintermetall geführt werden. Falls im erfindungsgemäßen vierten Schritt nur eine Erhitzung des Polymerfilms durchgeführt wird, können der dritte und der vierte Schritt gleichzeitig ablaufen oder kontinuierlich ineinander übergehen.For example, in a continuous process, the polymer film may be passed over heatable stainless steel or sintered metal rolls. If in the fourth step according to the invention only one heating of the polymer film is carried out, the third and the fourth step can take place simultaneously or continuously merge into one another.
Im erfindungsgemäßen vierten Schritt werden nun Polymerfilme erhalten, die neben den stickstoffhaltigen aromatischen Polymeren gegebenenfalls eine Restmenge von Lösemittel sowie gegebenenfalls weitere Stoffe aufweisen. Die Qualität der Vernetzung der erhaltenen Polymerfilme wird durch die Bestimmung der in N,N-Dimethylacetamid löslichen Anteile an Polymer in der Polymerfolie beurteilt.In the fourth step according to the invention, polymer films are now obtained which, in addition to the nitrogen-containing aromatic polymers, optionally have a residual amount of solvent and optionally further substances. The quality of crosslinking of the polymer films obtained is assessed by determining the proportions of polymer soluble in N, N-dimethylacetamide in the polymer film.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann Porenbildner (C) bereits im dritten Schritt und/oder vierten Schritt entfernt worden sein, insbesondere wenn der im ersten Schritt eingesetzte Porenbildner (C) leicht flüchtig ist, so dass die Ausbildung der porösen Struktur des Polymerfilms bereits während des dritten oder vierten Schritts erreicht wird. Falls dies nicht der Fall ist, muss bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein fünfter Schritt durchgeführt werden, um den Porenbildner (C) aus dem erhaltenen Film zu entfernen.In the method according to the invention, pore former (C) may have already been removed in the third step and / or fourth step, especially if the pore former (C) used in the first step is volatile, so that the formation of the porous structure of the polymer film already during the third or fourth step. If this is not the case, a fifth step must be carried out in the method according to the invention in order to remove the pore-forming agent (C) from the resulting film.
Bei dem gegebenenfalls durchgeführten fünften Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens können verschiedene Methoden zur Entfernung des Porenbildners (C) aus dem vernetzten Polymer angewendet werden. Beispielsweise kann die im vierten Schritt erhaltene Folie in ein Lösemittelbad getaucht und so der Porenbildner aus dem Film herausgelöst werden, oder durch weiteres Erhitzen des Films der Porenbildner verdampft werden.In the optionally performed fifth step of the process according to the invention, various methods for removing the pore-forming agent (C) from the crosslinked polymer can be used. For example, the film obtained in the fourth step may be immersed in a solvent bath and thus the pore former dissolved out of the film, or evaporated by further heating of the film of pore formers.
Die erfindungsgemäß hergestellten porösen Folien sind frei von Porenbildner (C) oder enthalten diesen in Restmengen von vorzugsweise bis zu 50 Gew.-%, besonders bevorzugt bis zu 20 Gew.-%, insbesondere bis zu 10 Gew.-%, jeweils bezogen auf die im ersten Schritt eingesetzte Menge an Porenbildner (C).The porous films produced according to the invention are free of pore formers (C) or contain these in residual amounts of preferably up to 50% by weight, more preferably up to 20% by weight, in particular up to 10% by weight, based in each case on the amount of pore former (C) used in the first step.
Die Porosität der erfindungsgemäßen Polymerfilme, bezogen auf das Filmvolumen, ist charakterisiert durch ein freies Volumen, das vorzugsweise mindestens 5%, besonders bevorzugt mindestens 20%, und höchstens 90%, besonders bevorzugt höchstens 75% beträgt. Bevorzugt sind Filme mit einer gleichmäßigen Porenverteilung entlang des Querschnittes und einem mittleren Porendurchmesser, der kleiner ist als 20% der Filmdicke, besonders bevorzugt kleiner als 10% der Filmdicke, insbesondere kleiner als 5% der Filmdicke. Bevorzugt weisen die erfindungsgemäßen Filme mittlere Porendurchmesser von 0,5 bis 50 μm, besonders bevorzugt 1 bis 20 μm, insbesondere 1 bis 5 μm, auf.The porosity of the polymer films according to the invention, based on the film volume, is characterized by a free volume which is preferably at least 5%, particularly preferably at least 20%, and at most 90%, particularly preferably at most 75%. Preference is given to films having a uniform pore distribution along the cross section and an average pore diameter which is less than 20% of the film thickness, more preferably less than 10% of the film thickness, in particular less than 5% of the film thickness. The films according to the invention preferably have mean pore diameters of 0.5 to 50 μm, more preferably 1 to 20 μm, in particular 1 to 5 μm.
Die erfindungsgemäßen bzw. erfindungsgemäß hergestellten Polymerfilme können nun für alle Zwecke eingesetzt werden, für die auch bisher poröse Polymerfilme eingesetzt worden sind. The polymer films according to the invention or produced according to the invention can now be used for all purposes for which hitherto porous polymer films have also been used.
Abhängig von der beabsichtigten Verwendung kann der erfindungsgemäße Polymerfilm in weiteren Verfahrensschritten nach an sich bekannten Verfahren modifiziert werden. Für die Anwendung als Polymerelektrolytmembran kann man den im vierten oder fünften Schritt erhaltenen Polymerfilm in einem gegebenenfalls durchgeführten sechsten Schritt mit einer starken Säure dotieren. Als starke Säuren sollen hier Säuren mit einem pKs von bevorzugt kleiner als 4 verstanden werden. Es ist auch möglich, einen solchen weiteren Verfahrensschritt mit einem vorangehenden Schritt zusammenzufassen und so beispielsweise ein Verbrückungsreagenz gemeinsam mit einer starken Säure in den Polymerfilm einzubringen.Depending on the intended use, the polymer film according to the invention can be modified in further process steps by methods known per se. For use as a polymer electrolyte membrane, the polymer film obtained in the fourth or fifth step can be doped with a strong acid in an optional sixth step. As strong acids should here acids with a pK s of preferably less than 4 are understood. It is also possible to combine such a further process step with a preceding step and thus, for example, to introduce a bridging reagent into the polymer film together with a strong acid.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung sind Polymerelektrolytmembranen, auf der Basis von Polymeren, die mehrwertige, heteroaromatische Cyclen mit ein oder zwei Ringstickstoffatomen enthalten, mit einer Porosität bezogen auf das Filmvolumen von 2 bis 90% und einem mittleren Porendurchmesser von 0,5 μm bis maximal 20% der Filmdicke, jeweils bei 20°C und 1000 hPa, mit der Maßgabe, dass die porösen Polymerfilme in Bezug auf ihren Polymergehalt bei 130°C und 1000 hPa in N,N-Dimethylacetamid 0 bis 20 Gew.-% löslich sind, die mit einer starken Säure dotiert sind.Another object of the invention are polymer electrolyte membranes, based on polymers containing polyvalent, heteroaromatic cycles with one or two ring nitrogen atoms, with a porosity based on the film volume of 2 to 90% and an average pore diameter of 0.5 .mu.m to a maximum of 20 % of the film thickness, each at 20 ° C and 1000 hPa, with the proviso that the porous polymer films are soluble in N, N-dimethylacetamide 0 to 20% by weight in terms of their polymer content at 130 ° C and 1000 hPa, the doped with a strong acid.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Polymerelektrolytmembranen
dadurch gekennzeichnet, dass
in einem ersten Schritt
eine Mischung enthaltend Polymere, die mehrwertige, heteroaromatische Cyclen mit ein oder zwei Ringstickstoffatomen enthalten, (A), polares aprotisches Lösemittel (B), Porenbildner (C), gegebenenfalls Verbrückungsreagenzien (D) sowie gegebenenfalls weitere Stoffe (E) hergestellt wird,
in einem zweiten Schritt
die im ersten Schritt erhaltene Mischung auf einen Träger aufgetragen wird,
in einem dritten Schritt
das Lösemittel (B) ganz oder teilweise entfernt wird und
in einem vierten Schritt
der im dritten Schritt erhaltene Polymerfilm vernetzt wird, gegebenenfalls
in einem fünften Schritt
Porenbildner (C) entfernt wird,
mit der Maßgabe, dass abhängig von der Art des Porenbildners (C) dieser im 3. Schritt, im 4. Schritt und/oder nach dem 4. Schritt ganz oder teilweise entfernt wird, und
in einem sechsten Schritt
der im vierten bzw. fünften Schritt erhaltene Polymerfilm mit einer starken Säure dotiert wird.Another object of the present invention is a process for the preparation of polymer electrolyte membranes
characterized in that
in a first step
a mixture containing polymers which contain polyvalent, heteroaromatic rings containing one or two ring nitrogen atoms, (A), polar aprotic solvent (B), pore formers (C), optionally bridging agents (D) and optionally further substances (E),
in a second step
the mixture obtained in the first step is applied to a support,
in a third step
the solvent (B) is completely or partially removed and
in a fourth step
the polymer film obtained in the third step is crosslinked, optionally
in a fifth step
Pore former (C) is removed,
with the proviso that, depending on the type of pore-forming agent (C), it is completely or partially removed in the third step, in the fourth step and / or after the fourth step, and
in a sixth step
the polymer film obtained in the fourth and fifth steps, respectively, is doped with a strong acid.
Im Hinblick auf die Stabilität des Polymerfilms und der für die Handhabung von starken Säuren bei hohen Temperaturen erforderlichen Sicherheitsvorkehrungen erfolgt das Dotieren im erfindungsgemäß gegebenenfalls durchgeführten sechsten Schritt vorzugsweise unter 200°C, besonders bevorzugt bei 20 bis 160°C, insbesondere bei 35 bis 130°C.With regard to the stability of the polymer film and the safety precautions required for the handling of strong acids at high temperatures, doping in the sixth step, which may be carried out according to the invention, is preferably carried out below 200 ° C., more preferably at 20 to 160 ° C., in particular at 35 to 130 ° C.
Nach einer Variante des gegebenenfalls durchgeführten sechsten Schritts wird die erfindungsgemäße Polymerfolie in eine hochkonzentrierte starke Säure über einen Zeitraum von bevorzugt höchstens 5 Stunden und besonders bevorzugt 1 Minute bis 1 Stunde, eingetaucht, wobei eine höhere Temperatur die Eintauchzeit verkürzt.According to a variant of the optionally performed sixth step, the polymer film according to the invention is immersed in a highly concentrated strong acid over a period of preferably at most 5 hours and more preferably 1 minute to 1 hour, wherein a higher temperature shortens the immersion time.
Die Menge der eingesetzten Säure im erfindungsgemäß gegebenenfalls durchgeführten sechsten Verfahrensschritt beträgt bei dieser Variante üblicherweise die 5- bis 10000-fache Menge, bevorzugt die 6- bis 5000-fache Menge, besonders bevorzugt die 6- bis 1000-fache Menge, jeweils bezogen auf das Gewicht des Polymers (A) im Polymerfilm.In this variant, the amount of acid used in the sixth process step which may optionally be carried out in accordance with the invention is usually from 5 to 10,000 times, preferably from 6 to 5000 times, more preferably from 6 to 1000 times, in each case based on Weight of the polymer (A) in the polymer film.
Alternativ kann nach einer weiteren Variante des gegebenenfalls durchgeführten sechsten Schritts eine starke Säure dosiert auf den Polymerfilm auftragen werden und der Film erwärmt werden bis der Film die Säure vollständig absorbiert hat. Die Menge der eingesetzten Säure im erfindungsgemäß gegebenenfalls durchgeführten sechsten Verfahrensschritt beträgt bei dieser Variante üblicherweise die 2- bis 10-fache Menge, bevorzugt die 3- bis 8-fache Menge, jeweils bezogen auf das Gewicht des Polymerfilms.Alternatively, according to another variant of the optional sixth step, a strong acid may be metered onto the polymer film and the film heated until the film has completely absorbed the acid. In this variant, the amount of acid used in the sixth process step which may optionally be carried out in accordance with the invention is usually from 2 to 10 times the amount, preferably from 3 to 8 times, in each case based on the weight of the polymer film.
Nach einer weiteren Variante des gegebenenfalls durchgeführten sechsten Schritts wird der Polymerfilm für die Herstellung einer Membran-Elektrodeneinheit zwischen zwei mit Säure getränkten Gasdiffusionselektroden gepresst. Die Menge der eingesetzten Säure im erfindungsgemäß gegebenenfalls durchgeführten sechsten Verfahrensschritt beträgt bei dieser Variante üblicherweise die 2- bis 10-fache Menge, bevorzugt die 3- bis 8-fache Menge, jeweils bezogen auf das Gewicht des Polymerfilms. According to a further variant of the optionally performed sixth step, the polymer film for the production of a membrane-electrode unit is pressed between two acid-impregnated gas diffusion electrodes. In this variant, the amount of acid used in the sixth process step which may optionally be carried out in accordance with the invention is usually from 2 to 10 times the amount, preferably from 3 to 8 times, in each case based on the weight of the polymer film.
Als starke Säuren im erfindungsgemäßen sechsten Schritt kommen protische starke Säuren in Betracht, wie beispielsweise Phosphor-haltige Säuren und Schwefelsäure. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung versteht man unter ”Phosphor-haltige Säuren” Polyphosphorsäure, Phosphonsäure (H3PO3), Orthophosphorsäure (H3PO4), Pyrophospharsäure (H4P2O7), Triphosphorsäure (H5P3O10) und Metaphosphorsäure.Strong acids in the sixth step of the invention are protic strong acids, for example phosphorus-containing acids and sulfuric acid. In the context of the present invention, "phosphorus-containing acids" is understood as meaning polyphosphoric acid, phosphonic acid (H 3 PO 3 ), orthophosphoric acid (H 3 PO 4 ), pyrophospharic acid (H 4 P 2 O 7 ), triphosphoric acid (H 5 P 3 O 10 ) and metaphosphoric acid.
Weil das Polymer (A) im erfindungsgemäßen Film bei zunehmender Konzentration der starken Säure mit einer größeren Zahl von Molekülen starker Säure imprägniert werden kann, hat die Phosphor-haltige Säure, insbesondere Orthophosphorsäure, vorzugsweise eine Konzentration von mindestens 70 Gew.-% und besonders bevorzugt mindestens 85 Gew.-% in Wasser.Because the polymer (A) in the film of the present invention can be impregnated with a larger number of strong acid molecules as the strong acid concentration increases, the phosphorus acid, especially orthophosphoric acid, preferably has a concentration of at least 70% by weight and more preferably at least 85% by weight in water.
Der erfindungsgemäße gegebenenfalls durchgeführte sechste Verfahrensschritt wird beim Druck der umgebenden Atmosphäre, also 900 bis 1100 hPa, durchgeführt. Er kann aber auch bei niedrigeren oder höheren Drücken durchgeführt werden.The optionally performed sixth process step according to the invention is carried out at the pressure of the surrounding atmosphere, ie 900 to 1100 hPa. It can also be performed at lower or higher pressures.
Die erfindungsgemäß im sechsten Schritt erhaltene Polymerelektrolytmembran ist protonenleitend und kann daher vorzugsweise als Elektrolyt für Brennstoffzellen oder Elektrolysezellen verwendet werden. Der Polymerelektrolyt ist dabei nicht auf die Verwendung für Zellen beschränkt, sondern kann beispielsweise auch als Elektrolyt für ein Anzeigeelement, ein elektrochromes Element oder verschiedene Sensoren verwendet werden.The polymer electrolyte membrane obtained according to the invention in the sixth step is proton-conducting and can therefore preferably be used as electrolyte for fuel cells or electrolysis cells. The polymer electrolyte is not limited to the use for cells, but may for example also be used as the electrolyte for a display element, an electrochromic element or various sensors.
Jede einzelne Zelle in einer Brennstoffzelle enthält in der Regel eine erfindungsgemäße Polymerelektrolytmembran und zwei Elektroden, zwischen denen die Polymerelektrolytmembran sandwichartig angeordnet ist. Die Elektroden weisen jeweils eine katalytisch aktive Schicht und eine poröse Gasdiffusionsschicht auf.Each individual cell in a fuel cell typically contains a polymer electrolyte membrane according to the invention and two electrodes between which the polymer electrolyte membrane is sandwiched. The electrodes each have a catalytically active layer and a porous gas diffusion layer.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung der erfindungsgemäßen bzw. erfindungsgemäß hergestellten Polymerelektrolytmembranen zur Herstellung von Membran-Elektroden-Einheiten für Brennstoffzellen oder Elektrolysezellen.Another object of the invention is the use of the polymer electrolyte membranes according to the invention or inventively prepared for the production of membrane electrode assemblies for fuel cells or electrolysis cells.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Membran-Elektroden-Einheit enthaltend mindestens eine Elektrode und mindestens einen erfindungsgemäße bzw. erfindungsgemäß hergestellte Polymerelektrolytmembran.Another object of the invention is a membrane-electrode assembly containing at least one electrode and at least one inventive or inventively prepared polymer electrolyte membrane.
Aufgrund der unterschiedlichen Permeabilitäten und Selektivitäten der erfindungsgemäßen Polymerfilme für Flüssigkeiten und Gase eignen sie sich ausgezeichnet als semipermeable Membran.Due to the different permeabilities and selectivities of the polymer films according to the invention for liquids and gases, they are excellently suited as a semipermeable membrane.
Gegenstand der Erfindung ist daher auch die Verwendung der erfindungsgemäßen bzw. der erfindungsgemäß hergestellten Polymerfilme als semipermeable Membran zur Trennung von Flüssigkeiten und Gasen.The invention therefore also relates to the use of the polymer films according to the invention or the polymer films produced according to the invention as a semipermeable membrane for the separation of liquids and gases.
In der Brennstoffzelle haben die erfindungsgemäßen porösen Polymerfilme den Vorteil, dass sie eine höhere Protonenleitfähigkeit und damit eine bessere elektrische Leistung ermöglichen als kompakte Membranen auf Basis von stickstoffhaltigen aromatischen Polymeren. Die mechanische Stabilität sowie die thermische und chemische Langzeitstabilität sind durch die Vernetzung deutlich verbessert. Die poröse Membranmatrix quillt bei der Aufnahme des Elektrolyts weniger auf als eine kompakte Membran. Dies erleichtert die Herstellung der Membran-Elektroden-Einheiten und reduziert die mechanischen Spannungen beim Betrieb in einer Brennstoffzelle.In the fuel cell, the porous polymer films according to the invention have the advantage that they allow a higher proton conductivity and thus a better electrical performance than compact membranes based on nitrogen-containing aromatic polymers. The mechanical stability and the long-term thermal and chemical stability are significantly improved by the crosslinking. The porous membrane matrix swells less when receiving the electrolyte as a compact membrane. This facilitates the manufacture of the membrane-electrode assemblies and reduces the mechanical stresses when operating in a fuel cell.
In den nachfolgenden Beispielen beziehen sich alle Angaben von Teilen und Prozentsätzen, soweit nicht anders angegeben, auf das Gewicht. Sofern nicht anders angegeben, werden die folgenden Beispiele an Luft bei einem Druck der umgebenden Atmosphäre, also bei etwa 1000 hPa, und bei Raumtemperatur, also etwa 20°C bzw. einer Temperatur, die sich beim Zusammengeben der Reaktanden bei Raumtemperatur ohne zusätzliche Heizung oder Kühlung einstellt, durchgeführt. Die bei den Versuchen eingesetzte Luft enthält 23 Gew.-% Sauerstoff und 50% relative Feuchte. Alle in den Beispielen angeführten Viskositätsangaben beziehen sich auf eine Temperatur von 25°C.In the following examples, all parts and percentages are by weight unless otherwise specified. Unless otherwise indicated, the following examples are air at ambient atmospheric pressure, ie, at about 1000 hPa, and at room temperature, ie, about 20 ° C, or a temperature resulting from combining the reactants at room temperature without additional heating or Cooling stops, carried out. The air used in the experiments contains 23 wt .-% oxygen and 50% relative humidity. All viscosity data given in the examples refer to a temperature of 25 ° C.
Die Inhärentviskosität wurde in den nachfolgenden Beispielen wie folgt gemessen:
Das Polymer wird zunächst bei 160°C für 2 h getrocknet. 400 mg des so getrockneten Polymers werden dann während 4 Stunden bei 80°C in 100 ml konzentrierter Schwefelsäure (Konzentration 95–97 Gew.-%) gelöst. Die inhärente Viskosität wird aus dieser 0,4%igen (w/v) Lösung gemäß
The polymer is first dried at 160 ° C for 2 h. 400 mg of the thus dried polymer are then dissolved for 4 hours at 80 ° C in 100 ml of concentrated sulfuric acid (concentration 95-97 wt .-%). The inherent viscosity is calculated from this 0.4% (w / v) solution according to
Die Löslichkeit des Anteils stickstoffhaltiger aromatischer Polymere in den hergestellten Polymerfilmen wurde in den nachfolgenden Beispielen wie folgt bestimmt („Löslichkeitstest”):
Das Membranstück wird bei 150°C getrocknet, gewogen und eine Stunde bei 130°C und 1000 hPa in N,N-Dimethylacetamid extrahiert. Danach wird die Membran erneut bei 150°C bis zur Gewichtskonstanz getrocknet und dann gewogen.The solubility of the proportion of nitrogen-containing aromatic polymers in the polymer films produced was determined in the following examples as follows ("solubility test"):
The membrane piece is dried at 150 ° C, weighed and extracted for one hour at 130 ° C and 1000 hPa in N, N-dimethylacetamide. Thereafter, the membrane is again dried at 150 ° C to constant weight and then weighed.
Zur Bestimmung der Verteilung der Poren wurden Schnitte senkrecht zur Filmebene mit einem Rasterelektronenmikroskop untersucht. Die Porengrößenverteilungen wurden mit einer Bildanalyse statistisch ausgewertet, um den mittleren Porendurchmesser und die Breite der Verteilung zu erhalten.To determine the distribution of the pores, sections perpendicular to the film plane were examined with a scanning electron microscope. The pore size distributions were statistically evaluated by image analysis to obtain the average pore diameter and the width of the distribution.
Die Porosität P wird aus der Dichte des porösen Films in Anlehnung an
Beispiel 1example 1
I) Herstellen von Amin-terminiertem PolybenzimidazolI) Preparation of amine-terminated polybenzimidazole
107,1 g 3,3'-Diaminobenzidin (0,5 mol) und 79,5 g Isophthalsäure (0,475 mol) (Molverhältnis 1,053; Aminüberschuss) wurden in 2,0 kg Polyphosphorsäure eingerührt und in einen beheizbaren Reaktor (5 1) eingefüllt, der mit Schutzgas Argon gespült wurde. Der Ansatz wurde auf 190°C (Manteltemperatur) erhitzt und 20 Stunden gerührt. Das Reaktionsprodukt wurde in Wasser gefällt, damit gewaschen und in 550 g einer 10 Gew.-%igen Natriumhydrogencarbonat-Lösung neutralisiert. Danach wurde das Polybenzimidazol erneut mit Wasser gewaschen, abfiltriert, bei 130°C im Vakuum getrocknet und mit einer elektrischen Mühle vermahlen. Die Ausbeute betrug 132,3 g.107.1 g of 3,3'-diaminobenzidine (0.5 mol) and 79.5 g of isophthalic acid (0.475 mol) (molar ratio 1.053, amine excess) were stirred into 2.0 kg of polyphosphoric acid and charged into a heatable reactor (5 l) , which was purged with inert gas argon. The batch was heated to 190 ° C (jacket temperature) and stirred for 20 hours. The reaction product was precipitated in water, washed with it and neutralized in 550 g of a 10 wt .-% sodium bicarbonate solution. Thereafter, the polybenzimidazole was washed again with water, filtered off, dried at 130 ° C in vacuo and ground with an electric mill. The yield was 132.3 g.
Das so hergestellte Polybenzimidazol hatte eine inhärente Viskosität von 0,70 dl/g.The polybenzimidazole thus prepared had an inherent viscosity of 0.70 dl / g.
II) Herstellen eines porösen Films aus vernetztem PolybenzimidazolII) Preparation of a Crosslinked Polybenzimidazole Porous Film
- a) 9,1 g des oben unter I) hergestellten Polybenzimidazols (PBI) wurden in 90,9 g N,N-Dimethylacetamid (DMAc) in einem Druckreaktor (Büchi Miniclave, 200 ml) unter Rühren bei einer Temperatur von 200°C gelöst. Danach wurde die Lösung filtriert und entgast. 10,341 g dieser Polymerlösung und als Porenbildner 0,377 g Bis(aminopropyl)-terminiertes Polydimethylsiloxan mit einem Molekulargewicht von 2900 g/mol (erhältlich unter „Fluid NH 40 D” bei Wacker Chemie AG, Deutschland) wurden in einem Polypropylenbecher mit Schraubverschluss eingewogen und mittels eines Zentrifugalmischers (SpeedmixerTM DAC 150 SP, Fa. Hauschild & Co. KG, Deutschland) 10 min bei 3500 U/min gemischt.a) 9.1 g of the polybenzimidazole (PBI) prepared above under I) were dissolved in 90.9 g of N, N-dimethylacetamide (DMAc) in a pressure reactor (Büchi miniclave, 200 ml) with stirring at a temperature of 200 ° C. , Thereafter, the solution was filtered and degassed. 10.341 g of this polymer solution and as a pore former 0.377 g bis (aminopropyl) -terminated polydimethylsiloxane having a molecular weight of 2900 g / mol (available under "fluid NH 40 D" Wacker Chemie AG, Germany) were weighed in a polypropylene cup with screw cap and by means of a Centrifugal mixer (Speedmixer TM DAC 150 SP, Fa. Hauschild & Co. KG, Germany) mixed for 10 min at 3500 U / min.
Nach Entgasen wurde die Lösung mittels eines Filmziehgeräts mit 0,4 mm Spalthöhe auf eine Trägerfolie aus Polyethylenterephthalat (PET) mit einer Dicke von 0,175 mm (käuflich erhältlich unter dem Handelsnamen „Melinex O” bei Pütz GmbH, Deutschland) aufgebracht. Danach wurde der Film jeweils 10 min bei 80°C und 100°C und 30 min bei 150°C in einem Umlufttrockenschrank erhitzt, dann von der Trägerfolie getrennt und 60 min bei Raumtemperatur auf einem Schüttler mit Hexan gewaschen. Abschließend wurde der Film noch einmal in einem Umlufttrockenschrank 60 min bei 100°C und 360 min bei 300°C erhitzt. Die Dicke des so erhaltenen Films betrug 30 bis 35 μm.
- b) Mit den unter a) erhaltenen Film wurde ein Löslichkeitstest nach dem oben beschriebenen Verfahren durchgeführt. Die Gewichtsabnahme nach einer Stunde in 130°C heißem N,N-Dimethylacetamid betrug 3%.
- b) With the film obtained under a), a solubility test was carried out according to the method described above. The weight loss after one hour in 130 ° C hot N, N-dimethylacetamide was 3%.
Die mechanische Stabilität dieses Polymerfilms wurde mit Zug-Spannungsmessungen beurteilt. Dafür wurden Filmproben mit einer Länge von 6 cm und einer Breite von 1 cm in eine Messapparatur der Firma Zwick GmbH & Co. (Modell Z010 TN, Probenhalter 8106) eingespannt und mit einer Geschwindigkeit von 5 cm/min auseinandergezogen. Der Polymerfilm riss bei einer Spannung von 73 N/mm2 und einer Dehnung von 4%.The mechanical stability of this polymer film was assessed by tensile stress measurements. For this purpose, film samples having a length of 6 cm and a width of 1 cm were clamped in a measuring apparatus from Zwick GmbH & Co. (model Z010 TN, sample holder 8106) and pulled apart at a speed of 5 cm / min. The polymer film ruptured at a tension of 73 N / mm 2 and an elongation of 4%.
Die Untersuchung eines Schnitts senkrecht zur Filmebene mit einem Rasterelektronenmikroskop ergab, dass die Poren geschlossen und nahezu gleichmäßig über den Filmquerschnitt verteilt sind. Sie besitzen einen mittleren Porendurchmesser von 5 μm bei einer Breite der Verteilung von ±2 μm. The investigation of a section perpendicular to the plane of the film with a scanning electron microscope showed that the pores are closed and distributed almost uniformly over the film cross-section. They have an average pore diameter of 5 microns with a width of the distribution of ± 2 microns.
Die Bestimmung der Dichte des Films nach der Auftriebsmethode in Anlehnung an
Beispiel 2Example 2
Dotieren einer Membran mit Phosphorsäure und Bestimmung der LeitfähigkeitDoping a membrane with phosphoric acid and determining the conductivity
- a) Von einem Stück (6 × 6 cm2) Polymerfilms aus Beispiel 1 wurde das Gewicht und die Dicke bestimmt. Anschließend wurde das Filmstück in eine Petrischale gelegt, mit 85%iger Orthophosphorsäure überschichtet und 30 min bei 150°C in einem Trockenschrank erhitzt. Nach Abkühlen auf Raumtemperatur wurde der Film entnommen und mit Papiertüchern abgewischt. Von dem gequollenen Film wurden wieder das Gewicht und die Dicke bestimmt. Er hatte das 5,7-fache seines Gewichts aufgenommen. Der Dotierungsgrad (Massenanteil der Säure bezogen auf das Gewicht der gequollenen Membran) betrug 85 Gew.-%.a) From a piece (6 × 6 cm 2 ) polymer film from Example 1, the weight and the thickness was determined. Subsequently, the film piece was placed in a Petri dish, covered with 85% orthophosphoric acid and heated for 30 min at 150 ° C in a drying oven. After cooling to room temperature, the film was removed and wiped with paper towels. From the swollen film, the weight and the thickness were again determined. He had taken up 5.7 times his weight. The degree of doping (mass fraction of the acid based on the weight of the swollen membrane) was 85 wt .-%.
- b) Ein Stück (20 × 10 mm2) der mit Phosphorsäure gequollenen Membran nach Beispiel 2a wurde in eine 4-Punkt-Leitfähigkeitsmesszelle (Typ BT110 der Fa. BekkTech LLC, USA) eingelegt und in einem Umluftofen auf 150°C aufgeheizt. Mittels eines Impedanzanalysators (Modell IM6ex der Fa. Zahner-Elektrik, Deutschland) wurde die Membranimpedanz bestimmt. Mit der Probengeometrie (Dicke, Fläche) erhält man daraus eine Membranleitfähigkeit von 11,3 S/m bei 150°C.b) A piece (20 × 10 mm 2 ) of the phosphoric acid-swollen membrane according to Example 2a was placed in a 4-point conductivity measuring cell (type BT110 Fa. BekkTech LLC, USA) and heated to 150 ° C in a convection oven. The membrane impedance was determined by means of an impedance analyzer (model IM6ex from Zahner-Elektrik, Germany). The sample geometry (thickness, area) yields a membrane conductivity of 11.3 S / m at 150 ° C.
Beispiel 3Example 3
Abhängigkeit der Membranleitfähigkeit und der Porosität vom Anteil der PorenbildnerDependence of the membrane conductivity and the porosity on the proportion of pore formers
Die in Beispiel 1 beschriebene Verfahrensweise wird wiederholt mit der Abänderung, dass unterschiedliche Anteile von Porenbildner bezogen auf den Polymeranteil (PBI) gemäß Tabelle 1 eingesetzt wurden. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Zum Vergleich ist die kompakte Membran ohne Poren aus Vergleichsbeispiel 2 aufgeführt.The procedure described in Example 1 is repeated with the modification that different proportions of pore-forming agent based on the polymer fraction (PBI) according to Table 1 were used. The results are summarized in Table 1. For comparison, the compact membrane without pores from Comparative Example 2 is listed.
Alle Filme wurden wie in Beispiel 2a beschrieben so mit Orthophosphorsäure dotiert, dass sie einen gleichen Dotierungsgrad von 85 Gew.-% hatten. Die wie in Beispiel 2b gemessenen Membranleitfähigkeiten können ebenfalls Tabelle 1 entnommen werden. Tabelle 1
Beispiel 4Example 4
Herstellen einer Membran-Elektroden-EinheitProducing a membrane electrode assembly
Das 6 × 6 cm2 große Stück der mit Phosphorsäure gequollenen Membran aus Beispiel 2 wurde so zwischen zwei kommerziell erhältliche Gasdiffusionselektroden mit jeweils 3,0 mg/cm2 Platin-Beladung (Fa. Johnson Matthey, Typ 3 mg Pt Blk, no electrolyte, an Toray TGP-H-090, UK) gelegt, dass die Platin-Katalysatorschichten die Membran berührten. Diese Membran-Elektroden-Anordnung wurde 4 Stunden zwischen planparallelen Platten bei einer Temperatur von 160°C und einer Kraft von 1,3 kN zu einer Membran-Elektroden-Einheit verpresst.The 6 × 6 cm 2 piece of phosphorus acid-swollen membrane from Example 2 was so between two commercially available gas diffusion electrodes, each with 3.0 mg / cm 2 platinum loading (Johnson Matthey, type 3 mg Pt Blk, no electrolyte, Toray TGP-H-090, UK) that the platinum catalyst layers contacted the membrane. This membrane electrode assembly was left for 4 hours plane-parallel plates pressed at a temperature of 160 ° C and a force of 1.3 kN to a membrane-electrode assembly.
Beispiel 5Example 5
Brennstoffzellentest der Membran-Elektroden-EinheitFuel cell test of the membrane-electrode assembly
Die Membran-Elektroden-Einheit aus Beispiel 4 wurde in üblicher Anordnung in eine Testzelle (quickCONNECT F25 der Fa. baltic-FuelCells GmbH, Deutschland) eingebaut und mit einer Presskraft von 3,5 kN verschlossen. Der Betrieb der Testzelle erfolgte an einem MILAN-Prüfstand der Fa. Magnum Fuel Cell AG.
Für diese Membran-Elektroden-Einheit wurde bei einem Strom von 0,5 A/cm2 eine Zellspannung von 0,536 V gemessen. Unter den angegebenen Testbedingungen zeigte sie bei einer Messfrequenz von 5,4 kHz eine Impedanz von 4,0 mΩ auf einer Fläche von 25 cm2. Die zugehörige Ruhespannung betrug 0,938 V. Die Diffusion des gasförmigen Wasserstoffs durch die Membran wurde bestimmt, indem bei einer von außen vorgegebener Spannung von 1 V an der Anode Stickstoff und an der Kathode Wasserstoff zugeführt wurden und der Ionenstrom der an der Anode gebildeten H+-Ionen zurück zur Kathode gemessen wurde. Dieser sogenannte H2-Durchtritt betrug für die vernetzte Membran auch im Dauerbetrieb nach einigen Stunden nur 1,4 mA/cm2. Dies ist ein Wert, der auch für kompakte Membranen üblich ist.For this membrane-electrode assembly, a cell voltage of 0.536 V was measured at a current of 0.5 A / cm 2 . Under the specified test conditions, it exhibited an impedance of 4.0 mΩ over an area of 25 cm 2 at a measurement frequency of 5.4 kHz. The associated quiescent voltage was 0.938 V. The diffusion of the gaseous hydrogen through the membrane was determined by supplying nitrogen at an anode voltage of 1 V at the anode and hydrogen at the cathode, and the ion current of the H + formed at the anode. Ions back to the cathode was measured. This so-called H 2 penetration was only 1.4 mA / cm 2 for the crosslinked membrane even in continuous operation after a few hours. This is a value that is also common for compact membranes.
Die in
Vergleichsbeispiel 1 (V1)Comparative Example 1 (V1)
Herstellen und Charakterisieren eines porösen Films aus Polybenzimidazol ohne VernetzungProducing and characterizing a porous film of polybenzimidazole without crosslinking
- a) 9,1 g PBI nach Beispiel 1 wurden in 90,9 g DMAc in einem Druckreaktor (Büchi Miniclave, 200 ml) unter Rühren bei einer Temperatur von 200°C gelöst. Danach wurde die Lösung filtriert und entgast. 10,341 g dieser Polymerlösung und als Porenbildner 0,377 g Bis(aminopropyl)-terminiertes Polydimethylsiloxan mit einem Molekulargewicht von 2900 g/mol (Fluid NH 40 D, Wacker Chemie AG, Deutschland) wurden in einem Polypropylenbecher mit Schraubverschluss eingewogen und mittels eines Zentrifugalmischers (SpeedmixerTM DAC 150 SP, Fa. Hauschild & Co. KG, Deutschland) 10 min bei 3500 U/min gemischt.a) 9.1 g of PBI according to Example 1 were dissolved in 90.9 g of DMAc in a pressure reactor (Büchi miniclave, 200 ml) with stirring at a temperature of 200 ° C. Thereafter, the solution was filtered and degassed. 10.341 g of this polymer solution and as a pore former 0.377 g of bis (aminopropyl) -terminated polydimethylsiloxane having a molecular weight of 2900 g / mol (fluid NH 40 D, Wacker Chemie AG, Germany) were weighed into a polypropylene cup with screw cap and by means of a centrifugal mixer (Speedmixer TM DAC 150 SP, Hauschild & Co. KG, Germany) for 10 minutes at 3500 rpm.
Nach Entgasen wurde die Lösung mittels eines Filmziehgeräts mit 0,4 mm Spalthöhe auf eine Trägerfolie aus PET (Melinex O, 0,175 mm) aufgebracht. Danach wurde der Film jeweils 10 min bei 80°C und 100°C und 30 min bei 150°C in einem Umlufttrockenschrank erhitzt, dann von der Trägerfolie getrennt und 60 min bei Raumtemperatur auf einem Schüttler mit Hexan gewaschen. Abschließend wurde der Film noch einmal in einem Umlufttrockenschrank 60 min bei 100°C erhitzt. Die Dicke des so erhaltenen Films betrug 30 bis 35 μm.
- b) Mit diesem Film wurde ein Löslichkeitstest nach dem oben beschriebenen Verfahren durchgeführt. Dabei löste sich der Film vollständig auf.
- b) This film was subjected to a solubility test by the method described above. The film completely dissolved.
Beim Versuch, die Membran wie in Beispiel 2a mit Phosphorsäure zu dotieren, löste diese sich teilweise auf. Die Membran ist daher für einen Test in der Brennstoffzelle nicht geeignet.In an attempt to dope the membrane with phosphoric acid as in Example 2a, it partly dissolved. The membrane is therefore not suitable for a test in the fuel cell.
Vergleichsbeispiel 2 (V2)Comparative Example 2 (V2)
Herstellen und Charakterisieren eines kompakten Films aus vernetztem PolybenzimidazolProducing and characterizing a compact cross-linked polybenzimidazole film
- a) 12,0 g PBI nach Beispiel 1 wurden in 88,0 g DMAc in einem Druckreaktor (Büchi Miniclave, 200 ml) unter Rühren bei einer Temperatur von 200°C gelöst. Nach Filtration und Entgasen wurde die Lösung mittels eines Filmziehgeräts mit 0,4 mm Spalthöhe auf eine Trägerfolie aus PET (Melinex O, 0,175 mm) aufgebracht. Danach wurde der Film jeweils 10 min bei 80°C und 100°C und 30 min bei 150°C in einem Umlufttrockenschrank erhitzt und dann von der Trägerfolie getrennt. Abschließend wurde der Film noch einmal in einem Umlufttrockenschrank 240 min bei 300°C erhitzt. Die Dicke des so erhaltenen Films betrug 30 bis 35 μm.a) 12.0 g of PBI according to Example 1 were dissolved in 88.0 g of DMAc in a pressure reactor (Büchi miniclave, 200 ml) with stirring at a temperature of 200 ° C. After filtration and degassing, the solution was applied to a PET support film (Melinex O, 0.175 mm) using a 0.4 mm gap film applicator. Thereafter, the film was in each case 10 min at 80 ° C and 100 ° C and 30 min at 150 ° C in a Heated circulating air dryer and then separated from the carrier film. Finally, the film was heated again in a convection oven 240 min at 300 ° C. The thickness of the film thus obtained was 30 to 35 μm.
- b) Mit diesem Film wurde ein Löslichkeitstest nach dem oben beschriebenen Verfahren durchgeführt. Die Gewichtsabnahme nach einer Stunde in 130°C heißem N,N-Dimethylacetamid betrug 1%.b) This film was subjected to a solubility test by the method described above. The weight loss after one hour in 130 ° C hot N, N-dimethylacetamide was 1%.
Die mechanische Stabilität dieses Polymerfilms wurde mit Zug-Spannungsmessungen beurteilt. Dafür wurden Filmproben mit einer Länge von 6 cm und einer Breite von 1 cm in eine Messapparatur der Firma Zwick GmbH & Co. (Modell Z010 TN, Probenhalter 8106) eingespannt und mit einer Geschwindigkeit von 5 cm/min auseinandergezogen. Der Polymerfilm riss bei einer Spannung von 142 N/mm2 und einer Dehnung von 4%.The mechanical stability of this polymer film was assessed by tensile stress measurements. For this purpose, film samples having a length of 6 cm and a width of 1 cm were clamped in a measuring apparatus from Zwick GmbH & Co. (model Z010 TN, sample holder 8106) and pulled apart at a speed of 5 cm / min. The polymer film ruptured at a tension of 142 N / mm 2 and an elongation of 4%.
Es wurden Schnitte mit einem Rasterelektronenmikroskop untersucht. Der Film besitzt eine homogene Struktur ohne Poren.Sections were examined with a scanning electron microscope. The film has a homogeneous structure without pores.
Die Bestimmung der Dichte des Films nach der Auftriebsmethode in Anlehnung an
Vergleichsbeispiel 3 (V3)Comparative Example 3 (V3)
Dotieren einer Membran mit Phosphorsäure und Bestimmung der LeitfähigkeitDoping a membrane with phosphoric acid and determining the conductivity
- a) Von einem Stück (6 × 6 cm2) des Polymerfilms aus Vergleichsbeispiel 2 wurde das Gewicht und die Dicke bestimmt. Anschließend wurde das Filmstück in eine Petrischale gelegt, mit 85%iger Orthophosphorsäure überschichtet und 30 min bei 150°C in einem Trockenschrank erhitzt. Nach Abkühlen auf Raumtemperatur wurde der Film entnommen und mit Papiertüchern abgewischt. Von dem gequollenen Film wurden wieder das Gewicht und die Dicke bestimmt. Er hatte das 5,6-fache seines Gewichts aufgenommen. Der Dotierungsgrad (Massenzunahme bezogen auf das Gewicht der gequollenen Membran) betrug 85 Gew.-%.a) From a piece (6 × 6 cm 2 ) of the polymer film of Comparative Example 2, the weight and the thickness was determined. Subsequently, the film piece was placed in a Petri dish, covered with 85% orthophosphoric acid and heated for 30 min at 150 ° C in a drying oven. After cooling to room temperature, the film was removed and wiped with paper towels. From the swollen film, the weight and the thickness were again determined. He had absorbed 5.6 times his weight. The degree of doping (mass increase based on the weight of the swollen membrane) was 85 wt .-%.
- b) Ein Stück (20 × 10 mm2) der mit Phosphorsäure gequollenen Membran nach Vergleichsbeispiel 3a wurde in eine 4-Punkt-Leitfähigkeitsmesszelle (Typ BT110 der Fa. BekkTech LLC, USA) eingelegt und in einem Umluftofen auf 150°C aufgeheizt. Mittels eines Impedanzanalysators (Modell IM6ex der Fa. Zahner-Elektrik, Deutschland) wurde die Membranimpedanz bestimmt. Mit der Probengeometrie (Dicke, Fläche) erhält man daraus eine Membranleitfähigkeit von 5,6 S/m bei 150°C.b) A piece (20 × 10 mm 2 ) of the phosphoric acid-swollen membrane according to Comparative Example 3a was placed in a 4-point conductivity measuring cell (type BT110 Fa. BekkTech LLC, USA) and heated to 150 ° C in a convection oven. The membrane impedance was determined by means of an impedance analyzer (model IM6ex from Zahner-Elektrik, Germany). The sample geometry (thickness, area) yields a membrane conductivity of 5.6 S / m at 150 ° C.
-
c) Aus der Membran wurde wie in Beispiel 4 eine MEA hergestellt, die wie in Beispiel 5 in der Brennstoffzelle getestet wurde. Die gemessene Polarisationskurve ist in
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