DE10235357A1 - Proton conducting polymer membrane, useful for the production of fuel cells, is prepared by mixing an aromatic tetra-amino compound with an aromatic carboxylic acid in vinyl containing phosphoric and sulfonic acid - Google Patents
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Abstract
Description
Protonenleitende Polymermembran umfassend Phosphonsäure- und Sulfonsäuregruppen enthaltende Polymere und deren Anwendung in Brennstoffzellen. Proton-conducting polymer membrane comprising phosphonic and sulfonic acid groups containing polymers and their use in fuel cells.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine protonenleitende Polymerelektrolytmembran umfassend Phosphonsäure- und Sulfonsäuregruppen enthaltende Polymere, die aufgrund ihrer hervorragenden chemischen und thermischen Eigenschaften vielfältig eingesetzt werden kann und sich insbesondere als Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) in sogenannten PEM-Brennstoffzellen eignet.The present invention relates to a proton-conducting polymer electrolyte membrane comprising phosphonic acid and sulfonic acid containing polymers, which due to their excellent chemical and thermal properties varied can be used and in particular as a polymer electrolyte membrane (PEM) in so-called PEM fuel cells.
Eine Brennstoffzelle enthält üblicherweise einen Elektrolyten und zwei durch den Elektrolyten getrennte Elektroden. Im Fall einer Brennstoffzelle wird einer der beiden Elektroden ein Brennstoff, wie Wasserstoffgas oder ein Methanol-Wasser-Gemisch, und der anderen Elektrode ein Oxidationsmittel, wie Sauerstoffgas oder Luft, zugeführt und dadurch chemische Energie aus der Brennstoffoxidation direkt in elektrische Energie umgewandelt. Bei der Oxidationsreaktion werden Protonen und Elektronen gebildet.A fuel cell usually contains an electrolyte and two electrodes separated by the electrolyte. In the case of a fuel cell, one of the two electrodes is switched on Fuel, such as hydrogen gas or a methanol-water mixture, and the other electrode an oxidizing agent such as oxygen gas or air and thereby chemical energy directly from fuel oxidation converted into electrical energy. In the oxidation reaction Protons and electrons are formed.
Der Elektrolyt ist für Wasserstoffionen, d. h. Protonen, aber nicht für reaktive Brennstoffe wie das Wasserstoffgas oder Methanol und das Sauerstoffgas durchlässig.The electrolyte is for hydrogen ions, d. H. Protons, but not for reactive fuels like hydrogen gas or methanol and that Permeable to oxygen gas.
Eine Brennstoffzelle weist in der Regel mehrere Einzelzellen sogenannte MEΈ's (Membran-Elektroden-Einheit) auf, die jeweils einen Elektrolyten und zwei durch den Elektrolyten getrennte Elektroden enthalten.A fuel cell points in the Usually several single cells so-called MEΈ's (membrane electrode unit) on, each one an electrolyte and two by the electrolyte separate electrodes included.
Als Elektrolyt für die Brennstoffzelle kommen Feststoffe wie Polymerelektrolytmembranen oder Flüssigkeiten wie Phosphorsäure zur Anwendung. In jüngster Zeit haben Polymerelektrolytmembranen als Elektrolyte für Brennstoffzellen Aufmerksamkeit erregt. Prinzipiell kann man zwischen 2 Kategorien von Polymermembranen unterscheiden.Coming as the electrolyte for the fuel cell Solids such as polymer electrolyte membranes or liquids like phosphoric acid to use. Most recently Polymer electrolyte membranes have time as electrolytes for fuel cells Attracted attention. In principle you can choose between 2 categories differ from polymer membranes.
Zu der ersten Kategorie gehören Kationenaustauschermembranen bestehend aus einem Polymergerüst welches kovalent gebunden Säuregruppen, bevorzugt Sulfonsäuregruppen enthält. Die Sulfonsäuregruppe geht unter Abgabe eines Wasserstoffions in ein Anion über und leitet daher Protonen. Die Beweglichkeit des Protons und damit die Protonenleitfähigkeit ist dabei direkt an den Wassergehalt verknüpft. Durch die sehr gute Mischbarkeit von Methanol und Wasser weisen solche Kationenaustauschermembranen eine hohe Methanolpermeabilität auf und sind deshalb für Anwendungen in einer Direkt-Methanol-Brennstoffzelle ungeeignet. Trocknet die Membran, z. B. in Folge hoher Temperatur, aus, so nimmt die Leitfähigkeit der Membran und folglich die Leistung der Brennstoffzelle drastisch ab. Die Betriebstemperaturen von Brennstoffzellen enthaltend solche Kationenaustauschermembranen ist somit auf die Siedetemperatur des Wassers beschränkt. Die Befeuchtung der Brennstoffe stellt eine grosse technische Herausforderung für den Einsatz von Polymerelektrolytmembranbrennstoffzellen (PEMBZ) dar, bei denen konventielle, sulfonierte Membranen wie z. B. Nafion verwendet werden.The first category includes cation exchange membranes consisting of a polymer structure which covalently bound acid groups, preferably sulfonic acid groups contains. The sulfonic acid group turns into an anion with release of a hydrogen ion and therefore conducts protons. The mobility of the proton and thus the proton conductivity is directly linked to the water content. Due to the very good miscibility of methanol and water have such cation exchange membranes a high methanol permeability on and are therefore for Applications in a direct methanol fuel cell unsuitable. Dries the membrane, e.g. B. as a result of high temperature, so takes the conductivity the membrane and consequently the performance of the fuel cell dramatically from. The operating temperatures of fuel cells containing such Cation exchange membranes is thus at the boiling point of the Water limited. The humidification of the fuels is a major technical challenge for the Use of polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMBZ), where conventional, sulfonated membranes such. B. Nafion used become.
So verwendet man als Materialien für Polymerelektrolytmembranen beispielsweise Perfluorsulfonsäurepolymere. Das Perfluorsulfonsäurepolymer (wie z. B. Nafion) weist im allgemeinen ein Perfluorkohlenwasserstoffgerüst auf, wie ein Copolymer aus Tetrafluorethylen und Trifluorvinyl, und eine daran gebundene Seitenkette mit einer Sulfonsäuregruppe, wie eine Seitenkette mit einer an eine Perfluoralkylengruppe gebundenen Sulfonsäuregruppe.So you use as materials for polymer electrolyte membranes for example perfluorosulfonic acid polymers. The perfluorosulfonic acid polymer (such as Nafion) generally has a perfluorocarbon skeleton, such as a copolymer of tetrafluoroethylene and trifluorovinyl, and one attached side chain with a sulfonic acid group, like a side chain with a sulfonic acid group attached to a perfluoroalkylene group.
Bei den Kationenaustauschermembranen handelt es sich vorzugsweise um organische Polymere mit kovalent gebundenen Säuregruppen, insbesondere Sulfonsäure. Verfahren zur Sulfonierung von Polymeren sind in F. Kucera et. al. Polymer Engineering and Science 1988, Vol. 38, No 5, 783–792 beschrieben.With the cation exchange membranes it is preferably organic polymers with covalent bound acid groups, especially sulfonic acid. Methods for sulfonating polymers are described in F. Kucera et. al. Polymer Engineering and Science 1988, Vol. 38, No 5, 783-792.
Im Folgenden sind die wichtigsten
Typen von Kationenaustauschmembranen aufgeführt die zum Einsatz in Brennstoffzellen
kommerzielle Bedeutung erlangt haben:
Der wichtigste Vertreter
ist das Perfluorosulfonsäurepolymer
Nafion® (
The most important representative is the perfluorosulfonic acid polymer Nafion ® (
Dieses Polymer kann wie in
Eine weitere perfluorinierte Kationenaustauschermembran
kann wie in
Eine weitere Klasse von teilfluorierten
Kationenaustauschermembranen kann durch Strahlenpfropfen und nachfolgende
Sulfonierung hergestellt werden. Dabei wird wie in
Neben obigen Membranen wurde eine
weitere Klasse nichtfluorierter Membranen durch Sulfonierung von
hochtemperaturstabilen Thermoplasten entwickelt. So sind Membranen
aus sulfonierten Polyetherketonen (
Ionomere hergestellt aus sulfonierten
Polyetherketonen sind in
Desweiteren sind Säure-Base-Blendmembranen
bekannt, die wie in
Zur weiteren Verbesserung der Membraneigenschaften
kann eine aus dem Stand der Technik bekannte Kationenaustauschermembran
mit einem hochtemperaturstabilen Polymer gemischt werden. Die Herstellung
und Eigenschaften von Kationenaustauschermembranen bestehend aus
Blends aus sulfoniertem PEK und a) Polysulfonen (
Nachteil all dieser Kationenaustauschermembranen ist die Tatsache, dass die Membran befeuchtet werden muss, die Betriebstemperatur auf 100°C beschränkt ist, und die Membranen eine hohe Methanolpermeabilität aufweisen. Ursache für diese Nachteile ist der Leitfähigkeitsmechanismus der Membran, bei der der Transport der Protonen an den Transport des Wassermoleküls gekoppelt ist. Dies bezeichnet man als „Vehicle-Mechanismus" (K.-D. Kreuer, Chem. Mater. 1996, 8, 610–641).Disadvantage of all of these cation exchange membranes the fact that the membrane needs to be moistened is the operating temperature to 100 ° C limited and the membranes have a high methanol permeability. Cause of this disadvantage is the conductivity mechanism the membrane in which the transport of the protons to the transport of the water molecule is coupled. This is known as the "vehicle mechanism" (K.-D. Kreuer, Chem. Mater. 1996, 8, 610-641).
Als zweite Kategorie sind Polymerelektrolytmembranen
mit Komplexen aus basischen Polymeren und starken Säuren entwickelt
worden. So beschreibt
In J. Electrochem. Soc., Band 142, Nr. 7, 1995, S. L121–L123 wird die Dotierung eines Polybenzimidazols in Phosphorsäure beschrieben.In J. Electrochem. Soc., Volume 142, No. 7, 1995, pp. L121-L123 describes the doping of a polybenzimidazole in phosphoric acid.
Bei den im Stand der Technik bekannten basischen Polymermembranen wird die – zum Erzielen der erforderlichen Protonenleitfähigkeit – eingesetzte Mineralsäure (meist konzentrierte Phosphorsäure) üblicherweise nach der Formgebung der Polyazolfolie beigefügt. Das Polymer dient dabei als Träger für den Elektrolyten bestehend aus der hochkonzentrierten Phosphorsäure. Die Polymermembran erfüllt dabei weitere wesentliche Funktionen insbesondere muss sie eine hohe mechanische Stabilität aufweisen und als Separator für die beiden eingangs genannten Brennstoffe dienen.In those known in the prior art basic polymer membranes is used to achieve the required Proton conductivity - used mineral acid (mostly concentrated phosphoric acid) usually added after the shaping of the polyazole film. The polymer serves as a carrier for the Electrolytes consisting of the highly concentrated phosphoric acid. The Polymer membrane met in doing so, it must have other essential functions high mechanical stability have and as a separator for the two fuels mentioned above serve.
Wesentliche Vorteile einer solchen Phosphorsäure dotierten Membran ist die Tatsache, dass eine Brennstoffzelle, beider eine derartige Polymerelektrolytmembran eingesetzt wird, bei Temperaturen oberhalb 100°C ohne eine sonst notwendige Befeuchtung der Brennstoffe betrieben werden kann. Dies liegt in der Eigenschaft der Phosphorsäure begründet die Protonen ohne zusätzliches Wasser mittels des sog. Grotthus Mechanismus transportieren zu können (K.-D. Kreuer, Chem. Mater. 1996, 8, 610–641).Significant advantages of such phosphoric acid doped membrane is the fact that a fuel cell, both such a polymer electrolyte membrane is used at temperatures above 100 ° C operated without the otherwise necessary humidification of the fuels can be. This is due to the property of phosphoric acid Protons with no additional To be able to transport water using the so-called Grotthus mechanism (K.-D. Kreuer, Chem. Mater. 1996, 8, 610-641).
Durch die Möglichkeit des Betriebes bei Temperaturen oberhalb 100°C ergeben sich weitere Vorteile für das Brennstoffzellensystem. Zum Einen wird die Empfindlichkeit des Pt-Katalysators gegenüber Gasverunreinigungen, insbesondere CO, stark verringert. CO entsteht als Nebenprodukt bei der Reformierung des wasserstoffreichen Gases aus Kohlenstoffhaltigen Verbindungen, wie z. B. Erdgas, Methanol oder Benzin oder auch als Zwischenprodukt bei der direkten Oxidation von Methanol. Typischerweise muss der CO-Gehalt des Brennstoffes bei Temperaturen < 100°C kleiner als 100 ppm sein. Bei Temperaturen im Bereich 150–200° können jedoch auch 10000 ppm CO oder mehr toleriert werden (N. J. Bjerrum et. al. Journal of Applied Electrochemistry, 2001,31, 773–779). Dies führt zu wesentlichen Vereinfachungen des vorgeschalteten Reformierungsprozesses und somit zu Kostensenkungen des gesamten Brennstoffzellensystems.Due to the possibility of operation at Temperatures above 100 ° C there are further advantages for the fuel cell system. On the one hand, the sensitivity of the Pt catalyst opposite Gas pollution, especially CO, is greatly reduced. CO is created as a by-product in the reforming of the hydrogen-rich gas from carbon-containing compounds, such as. B. natural gas, methanol or gasoline or as an intermediate in direct oxidation of methanol. Typically, the CO content of the fuel smaller at temperatures <100 ° C than 100 ppm. At temperatures in the range of 150-200 ° C, however 10,000 ppm CO or more can also be tolerated (N.J. Bjerrum et. al. Journal of Applied Electrochemistry, 2001, 31, 773-779). This leads to significant simplifications of the upstream reform process and thus to reduce costs of the entire fuel cell system.
Ein grosser Vorteil von Brennstoffzellen ist die Tatsache, dass bei der elektrochemischen Reaktion die Energie des Brennstoffes direkt in elektrische Energie und Wärme umgewandelt wird. Als Reaktionsprodukt entsteht dabei an der Kathode Wasser. Als Nebenprodukt bei der elektrochemischen Reaktion entsteht also Wärme. Für Anwendungen bei denen nur der Strom zum Antrieb von Elektromotoren genutzt wird, wie z. B. für Automobilanwendungen, oder als vielfältiger Ersatz von Batteriesystemen muss die Wärme abgeführt werden, um ein Überhitzen des Systems zu vermeiden. Für die Kühlung werden dann zusätzliche, Energie verbrauchende Geräte notwendig, die den elektrischen Gesamt-Wirkungsgrad der Brennstoffzelle weiter verringern. Für stationäre Anwendungen wie zur zentralen oder dezentralen Erzeugung von Strom und Wärme lässt sich die Wärme effizient durch vorhandene Technologien wie z. B. Wärmetauscher nutzen. Zur Steigerung der Effizienz werden dabei hohe Temperaturen angestrebt. Liegt die Betriebstemperatur oberhalb 100°C und ist die Temperaturdifferenz zwischen der Umgebungstemperatur und der Betriebstemperatur groß, so wird es möglich das Brennstoffzellensystem effizienter zu kühlen beziehungsweise kleine Kühlflächen zu verwenden und auf zusätzliche Geräte zu verzichten im Vergleich zu Brennstoffzellen, die aufgrund der Membranbefeuchtung bei unter 100°C betrieben werden müssen.A major advantage of fuel cells is the fact that the energy of the fuel is converted directly into electrical energy and heat during the electrochemical reaction. Water forms as a reaction product on the cathode. Heat is therefore a by-product of the electrochemical reaction. For applications in which only the electricity is used to drive electric motors, such as B. for automotive applications, or as a versatile replacement for battery systems, the heat must be dissipated to avoid overheating of the system. Additional, energy-consuming devices are then required for cooling, which further reduce the overall electrical efficiency of the fuel cell. For stationary applications such as central or decentralized generation of electricity and heat, the heat can be efficiently used by existing technologies such as. B. Use heat exchanger. High temperatures are aimed at to increase efficiency. The operating temperature is above 100 ° C and is If the temperature difference between the ambient temperature and the operating temperature is large, it becomes possible to cool the fuel cell system more efficiently or to use small cooling surfaces and to dispense with additional devices compared to fuel cells that have to be operated at below 100 ° C due to the membrane humidification.
Neben diesen Vorteilen weist ein solches Brennstoffzellensystem jedoch auch Nachteile auf. So ist die Haltbarkeit von Phosphorsäure dotierten Membranen relativ begrenzt. Hierbei wird die Lebensdauer insbesondere durch einen Betrieb der Brennstoffzelle unterhalb von 100°C, beispielsweise bei 80°C deutlich herabgesetzt. In diesem Zusammenhang ist jedoch festzuhalten, dass beim An- und Abfahren der Zellen die Brennstoffzelle bei diese Temperaturen betrieben werden muss.In addition to these advantages, a such a fuel cell system also has disadvantages. So is the shelf life of phosphoric acid doped membranes relatively limited. This is the lifespan in particular by operating the fuel cell below 100 ° C, for example at 80 ° C significantly reduced. In this context, however, it should be noted that that when the cells are started and shut down, the fuel cell at them Temperatures must be operated.
Des weiteren ist die Herstellung von Phosphorsäure dotierten Membranen relativ teuer, da üblich zunächst ein Präpolymer gebildet wird, welches anschließend mit Hilfe eines Lösungsmittels zu einer Folie gegossen wird. Nach der Trocknung der Folie wird diese in einem letzten Schritt mit einer Säure dotiert.Furthermore, the manufacture of phosphoric acid doped membranes relatively expensive, since usually a prepolymer is formed first, which subsequently with the help of a solvent is poured into a film. After the film has dried in a last step doped with an acid.
Darüber hinaus stellt auch die relativ geringe mechanische Stabilität einer mit Phosphorsäure dotierten Polyazolfolie ein Problem dar. So kann die Membran durch den Druck, der durch das als Brennstoff dienende, in die Brennstoffzelle strömende Gas erzeugt wird, beschädigt werden, falls die mechanische Stabilität zu gering ist.In addition, the relatively low mechanical stability of a polyazole film doped with phosphoric acid is a problem. So the membrane can be affected by the pressure caused by the gas that serves as fuel and flows into the fuel cell is generated, damaged if the mechanical stability is too low.
Des weiteren ist die Leistungsfähigkeit, beispielsweise die Leitfähigkeit von bekannten Membranen relativ begrenzt.Furthermore, the performance, for example conductivity relatively limited by known membranes.
Weiterhin können die bekannten mit Phosphorsäure dotierten Membranen nicht in der sogenannten Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMBZ) eingesetzt werden. Derartige Zellen sind jedoch von besonderem Interesse, da ein Methanol-Wasser-Gemisch als Brennstoff eingesetzt wird. Wird eine bekannte Membran auf Basis von Phosphorsäure verwendet, so versagt die Brennstoffzelle nach einer recht kurzen Zeit.Furthermore, the known ones doped with phosphoric acid Membranes not in the so-called direct methanol fuel cell (DMBZ) can be used. However, such cells are special Interest because a methanol-water mixture is used as fuel. If a known membrane based on phosphoric acid is used, the fuel cell fails after a very short time.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Polymerelektrolytmembran bereitzustellen, die die zuvor dargelegten Aufgaben löst. Insbesondere soll so die Betriebstemperatur von < 0°C bis auf 200°C ausgeweitet werden können, ohne dass die Lebensdauer der Brennstoffzelle sehr stark herabgesetzt werden würde.The present invention lies hence the task of creating a novel polymer electrolyte membrane to provide, which solves the tasks outlined above. In particular the operating temperature should be <0 ° C up to 200 ° C can be expanded without significantly reducing the life of the fuel cell would be.
Weiterhin sollte eine Polymerelektrolytmembran zur Verfügung gestellt werden, die in vielen verschiedenen Brennstoffzellen eingesetzt werden kann. So soll sich die Membran insbesondere für Brennstoffzellen eignen, die reinen Wasserstoff sowie zahlreiche kohlenstoffhaltige Brennstoffe insbesondere Erdgas, Benzin, Methanol und Biomasse als Energiequelle nutzen. Insbesondere soll die Membran in einer Wasserstoffbrennstoffzelle und in einer Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMBZ) eingesetzt werden können.Furthermore, a polymer electrolyte membrane to disposal are used in many different fuel cells can be. The membrane is said to be particularly suitable for fuel cells, the pure hydrogen as well as numerous carbon-containing fuels especially natural gas, petrol, methanol and biomass as an energy source use. In particular, the membrane is said to be in a hydrogen fuel cell and be used in a direct methanol fuel cell (DMBZ) can.
Des weiteren soll eine erfindungsgemäße Membran kostengünstig und einfach hergestellt werden können. Darüber hinaus war es mithin Aufgabe der vorliegenden Erfindung Polymerelektrolytmembranen zu schaffen, die eine hohe Leistungsfähigkeit, insbesondere eine hohe Leitfähigkeit über einen weiten Temperaturbereich zeigen. Hierbei sollte die Leitfähigkeit, insbesondere bei hohen Temperaturen ohne eine zusätzliche Befeuchtung erzielt werden.A membrane according to the invention is also intended economical and can be easily manufactured. About that Furthermore, it was an object of the present invention to polymer electrolyte membranes to create a high performance, especially a high conductivity over a show wide temperature range. The conductivity, especially at high temperatures without additional humidification be achieved.
Des weiteren sollte eine Polymerelektrolytmembran geschaffen werden, die eine hohe mechanische Stabilität, beispielsweise einen hohen E-Modul, eine hohe Reißfestigkeit und eine hohe Bruchzähigkeit aufweist.Furthermore, a polymer electrolyte membrane be created that have high mechanical stability, for example a high modulus of elasticity, high tensile strength and high fracture toughness having.
Darüber hinaus war es mithin Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Membran zur Verfügung zu stellen, die auch im Betrieb eine geringe Durchlässigkeit gegen die verschiedensten Brennstoffe, wie beispielsweise Wasserstoff oder Methanol aufweisen.It was also a task the present invention to provide a membrane that is also in Operation a low permeability against a wide variety of fuels, such as hydrogen or have methanol.
Gelöst werden diese Aufgaben durch eine protonenleitende Polymermembran umfassend Phosphonsäure- und Sulfonsäuregruppen enthaltende Polymere mit allen Merkmalen des Anspruchs 1. Des weiteren bietet eine Elektrode mit einer protonenleitenden Polymerbeschichtung auf Basis von Polyazolen mit allen Merkmalen des Anspruchs 16 eine Lösung der zugrundeliegenden Aufgabe.These tasks are solved by a proton-conducting polymer membrane comprising phosphonic acid and sulfonic acid containing polymers with all the features of claim 1. Furthermore, offers an electrode with a proton-conducting polymer coating Based on polyazoles with all the features of claim 16 a solution of underlying task.
Eine erfindungsgemäße Membran zeigt über einen großen Temperaturbereich eine hohe Leitfähigkeit, die auch ohne eine zusätzliche Befeuchtung erzielt wird. Des weiteren kann eine Brennstoffzelle, die mit einer erfindungsgemäßen Membran ausgestattet ist, auch bei tiefen Temperaturen, beispielsweise bei 80°C betrieben werden, ohne dass hierdurch die Lebensdauer der Brennstoffzelle sehr stark herabgesetzt wird.A membrane according to the invention shows about a big Temperature range high conductivity, even without a additional Humidification is achieved. Furthermore, a fuel cell, that with a membrane according to the invention is equipped, even at low temperatures, for example at 80 ° C operated without reducing the life of the fuel cell is greatly reduced.
Eine erfindungsgemäße Polymerelektrolytmembran besitzt eine sehr geringe Methanolpermeabilität und eignet sich insbesondere für den Einsatz in einer DMBZ. Somit ist ein dauerhafter Betrieb einer Brennstoffzelle mit einer Vielzahl von Brennstoffen wie Wasserstoff, Erdgas, Benzin, Methanol oder Biomasse möglich.A polymer electrolyte membrane according to the invention has a very low methanol permeability and is particularly suitable for the Use in a DMBZ. This means permanent operation of a fuel cell with a variety of fuels such as hydrogen, natural gas, gasoline, Methanol or biomass possible.
Des weiteren kann eine erfindungsgemäße Membran einfach und kostengünstig hergestellt werden. So kann insbesondere auf große Mengen an teuren und gesundheitsschädlichen Lösungsmitteln, wie Dimethylacetamid verzichtet werden.Furthermore, a membrane according to the invention simple and inexpensive getting produced. So can in particular on large quantities of expensive and harmful to health solvents how dimethylacetamide can be dispensed with.
Darüber hinaus zeigen Membranen der vorliegenden Erfindung eine hohe mechanische Stabilität, insbesondere einen hohen E-Modul, eine hohe Reißfestigkeit und eine hohe Bruchzähigkeit. Des weiteren zeigen diese Membranen eine überraschend lange Lebensdauer.In addition, membranes of the present invention show high mechanical stability, ins special high modulus of elasticity, high tensile strength and high fracture toughness. Furthermore, these membranes have a surprisingly long service life.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine protonenleitende Polymermembran umfassend Phosphonsäure- und Sulfonsäuregruppen enthaltende Polymere erhältlich durch ein Verfahren umfassend die Schritte
- A) Mischen von einem oder mehreren aromatischen Tetra-Amino-Verbindungen mit einer oder mehreren aromatischen Carbonsäuren bzw. deren Estern, die mindestens zwei Säuregruppen pro Carbonsäure-Monomer enthalten, oder Mischen von einer oder mehreren aromatische und/oder heteroaromatischen Diaminocarbonsäuren, in einer Mischung enthaltend vinylhaltige Phosphonsäure und vinylhaltige Sulfonsäure, unter Ausbildung einer Lösung und/oder Dispersion,
- B) Erwärmen der Lösung und/oder Dispersion erhältlich gemäß Schritt A) unter Inertgas auf Temperaturen von bis zu 350°C, vorzugsweise bis zu 280°C unter Ausbildung von Polyazol-Polymeren,
- C) Aufbringen einer Schicht unter Verwendung der Mischung gemäß Schritt A) und/oder B) auf einem Träger,
- D) Polymerisation der in dem flächigen Gebilde erhältlich gemäß Schritt C) vorhandenen vinylhaltigen Phosphonsäure und vinylhaltigen Sulfonsäure.
- A) Mixing one or more aromatic tetra-amino compounds with one or more aromatic carboxylic acids or their esters, which contain at least two acid groups per carboxylic acid monomer, or mixing one or more aromatic and / or heteroaromatic diaminocarboxylic acids, in a mixture containing vinyl-containing phosphonic acid and vinyl-containing sulfonic acid, with the formation of a solution and / or dispersion,
- B) heating the solution and / or dispersion obtainable according to step A) under inert gas to temperatures of up to 350 ° C., preferably up to 280 ° C., with the formation of polyazole polymers,
- C) applying a layer using the mixture according to step A) and / or B) on a support,
- D) Polymerization of the vinyl-containing phosphonic acid and vinyl-containing sulfonic acid present in the sheet-like structure obtainable in step C).
Bei der in Schritt A) verwendeten
vinylhaltigen Phosphonsäure
handelt es sich vorzugsweise um Verbindungen der Formel worin
R
eine Bindung, eine C1-C15-Alkylgruppe, C1–C15-Alkoxygruppe, Ethylenoxygruppe
oder C5–C20-Aryl
oder Heteroarylgruppe bedeutet, wobei die vorstehenden Reste ihrerseits
mit Halogen, -OH, COOZ, -CN, NZ2 substituiert
sein können,
Z
unabhängig
voneinander Wasserstoff, C1–C15-Alkylgruppe,
C1-C15-Alkoxygruppe,
Ethylenoxygruppe oder C5–C20-Aryl
oder Heteroarylgruppe– bedeutet,
wobei die vorstehenden Reste ihrerseits mit Halogen, -OH, -CN, substituiert
sein können
und
x eine ganze Zahl 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 bedeutet
y
eine ganze Zahl 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 bedeutet
und/oder
der Formel worin
R eine Bindung,
eine C1–C15-Alkylgruppe,
C1–C15-Alkoxygruppe,
Ethylenoxygruppe oder C5–C20-Aryl
oder Heteroarylgruppe bedeutet, wobei die vorstehenden Reste ihrerseits
mit Halogen, -OH, COOZ, -CN, NZ2 substituiert
sein können,
Z
unabhängig
voneinander Wasserstoff, C1–C15-Alkylgruppe,
C1–C15-Alkoxygruppe, Ethylenoxygruppe
oder C5–C20-Aryl
oder Heteroarylgruppe bedeutet, wobei die vorstehenden Reste ihrerseits
mit Halogen, -OH, -CN, substituiert sein können und
x eine ganze
Zahl 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 bedeutet.The vinyl-containing phosphonic acid used in step A) is preferably a compound of the formula wherein
R denotes a bond, a C1-C15-alkyl group, C1-C15-alkoxy group, ethyleneoxy group or C5-C20-aryl or heteroaryl group, where the above radicals can in turn be substituted by halogen, -OH, COOZ, -CN, NZ 2 ,
Z is independently hydrogen, C1-C15-alkyl group, C1-C15-alkoxy group, ethyleneoxy group or C5-C20-aryl or heteroaryl group -, where the above radicals can in turn be substituted with halogen, -OH, -CN, and
x represents an integer 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10
y represents an integer 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10
and / or the formula wherein
R denotes a bond, a C1-C15-alkyl group, C1-C15-alkoxy group, ethyleneoxy group or C5-C20-aryl or heteroaryl group, the above radicals in turn being substituted by halogen, -OH, COOZ, -CN, NZ 2 ,
Z independently of one another denotes hydrogen, C1-C15-alkyl group, C1-C15-alkoxy group, ethyleneoxy group or C5-C20-aryl or heteroaryl group, the above radicals in turn being substituted by halogen, -OH, -CN, and
x represents an integer 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10.
Bei der in Schritt A) verwendeten
vinylhaltigen Sulfonsäure
handelt es vorzugsweise sich um Verbindungen der Formel worin
R
eine Bindung, eine C1–C15-Alkylgruppe,
C1–C15-Alkoxygruppe,
Ethylenoxygruppe oder C5–C20-Aryl
oder Heteroarylgruppe bedeutet, wobei die vorstehenden Reste ihrerseits
mit Halogen, -OH, COOZ, -CN, NZ2 substituiert
sein können,
Z
unabhängig
voneinander Wasserstoff, C1–C15-Alkylgruppe,
C1–C15-Alkoxygruppe, Ethylenoxygruppe
oder C5–C20-Aryl
oder Heteroarylgruppe bedeutet, wobei die vorstehenden Reste ihrerseits
mit Halogen, -OH, -CN, substituiert sein können und
x eine ganze
Zahl 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 bedeutet
y eine ganze
Zahl 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 bedeutet
und/oder der
Formel worin
R eine Bindung,
eine C1–C15-Alkylgruppe,
C1–C15-Alkoxygruppe,
Ethylenoxygruppe oder C5-C20-Aryl oder Heteroarylgruppe bedeutet,
wobei die vorstehenden Reste ihrerseits mit Halogen, -OH, COOZ,
-CN, NZ2 substituiert sein können,
Z
unabhängig
voneinander Wasserstoff, C1–C15-Alkylgruppe,
C1–C15-Alkoxygruppe, Ethylenoxygruppe
oder C5–C20-Aryl
oder Heteroarylgruppe bedeutet, wobei die vorstehenden Reste ihrerseits
mit Halogen, -OH, -CN, substituiert sein können und
x eine ganze
Zahl 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 bedeutet.The vinyl-containing sulfonic acid used in step A) is preferably a compound of the formula wherein
R denotes a bond, a C1-C15-alkyl group, C1-C15-alkoxy group, ethyleneoxy group or C5-C20-aryl or heteroaryl group, the above radicals in turn being substituted by halogen, -OH, COOZ, -CN, NZ 2 ,
Z independently of one another denotes hydrogen, C1-C15-alkyl group, C1-C15-alkoxy group, ethyleneoxy group or C5-C20-aryl or heteroaryl group, the above radicals in turn being substituted by halogen, -OH, -CN, and
x represents an integer 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10
y represents an integer 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10
and / or the formula wherein
R denotes a bond, a C1-C15-alkyl group, C1-C15-alkoxy group, ethyleneoxy group or C5-C20-aryl or heteroaryl group, where the above radicals can in turn be substituted by halogen, -OH, COOZ, -CN, NZ 2 ,
Z independently of one another denotes hydrogen, C1-C15-alkyl group, C1-C15-alkoxy group, ethyleneoxy group or C5-C20-aryl or heteroaryl group, the above radicals in turn being substituted by halogen, -OH, -CN, and
x represents an integer 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10.
Die in Schritt A) hergestellte Mischung kann zusätzlich noch weitere organische Lösungsmittel enthalten. Diese können die Verarbeitbarkeit positiv beeinflussen. Insbesondere kann durch Zugabe des organischen Lösungsmittels die Löslichkeit des Polymeren verbessert werden. Der Gehalt an vinylhaltiger Phosphonsäure in solchen Lösungen beträgt mindestens 5 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 10 Gew.-%, besonders bevorzugt zwischen 10 und 97 Gew.-%.The mixture prepared in step A) can additionally other organic solvents contain. these can have a positive impact on processability. In particular, by Add the organic solvent the solubility of the polymer can be improved. The content of vinyl-containing phosphonic acid in such solutions is at least 5% by weight, preferably at least 10% by weight, particularly preferably between 10 and 97% by weight.
Besonders bevorzugt wird handelsübliche Vinylphosphonsäure wie diese beispielsweise von der Firma Aldrich oder Clariant GmbH erhältlich ist, eingesetzt. Die Vinylphosphonsäure weist eine Reinheit von mehr als 90 %, bevorzugt mehr als 97% Reinheit auf.Commercial vinylphosphonic acid such as this is available, for example, from Aldrich or Clariant GmbH, used. The vinylphosphonic acid has a purity of more than 90%, preferably more than 97% purity on.
Der Gehalt an vinylhaltiger Sulfonsäure in solchen Lösungen beträgt mindestens 5 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 10 Gew.-%, besonders bevorzugt zwischen 10 und 97 Gew.-%.The content of vinyl-containing sulfonic acid in such solutions is at least 5% by weight, preferably at least 10% by weight, particularly preferably between 10 and 97% by weight.
Besonders bevorzugt wird handelsübliche Vinylsulfonsäure eingesetzt. Die Vinylsulfonsäure weist eine Reinheit von mehr als 90 %, bevorzugt mehr als 97% Reinheit auf.Commercial vinyl sulfonic acid is particularly preferably used. The vinyl sulfonic acid has a purity of more than 90%, preferably more than 97% purity on.
Die in Schritt A) hergestellte Mischung umfasst vorzugsweise mindestens 10 Gew.-%, insbesondere mindestens 20 bis 80 Gew.-% vinylhaltige Phosphonsäure und vinylhaltige Sulfonsäure.The mixture prepared in step A) preferably comprises at least 10% by weight, in particular at least 20 to 80 wt .-% vinyl-containing phosphonic acid and vinyl-containing sulfonic acid.
Gemäß einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt das Verhältnis aus vinylhaltiger Phosphonsäure zu vinylhaltiger Sulfonsäure im Bereich von 1 : 99 bis 99 : 1, vorzugsweise 1 : 50 bis 50 : 1, bezogen auf das Gewicht, ohne dass hierdurch eine Beschränkung erfolgen soll.According to a special aspect of the The present invention is the ratio of vinyl-containing phosphonic acid to vinyl-containing sulfonic acid in the range of 1:99 up to 99: 1, preferably 1:50 up to 50: 1 on the weight, without any limitation.
Bei den erfindungsgemäß eingesetzten aromatischen und heteroaromatischen Tetra-Amino-Verbindungen handelt es sich vorzugsweise um 3,3',4,4'-Tetraaminobiphenyl, 2,3,5,6-Tetraaminopyridin, 1,2,4,5-Tetraaminobenzol, 3,3',4,4'-Tetraaminodiphenylsulfon, 3,3',4,4'-Tetraaminodiphenylether, 3,3',4,4'-Tetraaminobenzophenon, 3,3',4,4'-Tetraaminodiphenylmethan und 3,3',4,4'-Tetraaminodiphenyldimethylmethan sowie deren Salze, insbesondere deren Mono-, Di-, Tri- und Tetrahydrochloridderivate.In the used according to the invention aromatic and heteroaromatic tetra-amino compounds it is preferably 3,3 ', 4,4'-tetraaminobiphenyl, 2,3,5,6-tetraaminopyridine, 1,2,4,5-tetraaminobenzene, 3,3 ', 4,4'-tetraaminodiphenyl sulfone, 3,3', 4,4'-tetraaminodiphenyl ether, 3,3 ', 4,4'-tetraaminobenzophenone, 3,3 ', 4,4'-tetraaminodiphenylmethane and 3,3', 4,4'-tetraaminodiphenyldimethylmethane and their Salts, especially their mono-, di-, tri- and tetrahydrochloride derivatives.
Bei den erfindungsgemäß eingesetzten aromatischen Carbonsäuren handelt es sich um Di-carbonsäuren und Tri-carbonsäuren und Tetra-Carbonsäuren bzw. deren Estern oder deren Anhydride oder deren Säurechloride. Der Begriff aromatische Carbonsäuren umfasst gleichermaßen auch heteroaromatische Carbonsäuren. Vorzugsweise handelt es sich bei den aromatischen Dicarbonsäuren um Isophthalsäure, Terephthalsäure, Phthalsäure, 5-Hydroxyisophthalsäure, 4-Hydroxyisophthalsäure, 2-Hydroxyterephthalsäure, 5-Aminoisophthalsäure, 5-N,N-Dimethylaminoisophthalsäure, 5-N,N-Diethylaminoisophthalsäure, 2,5-Dihydroxyterephthalsäure, 2,6-Dihydroxyisophthalsäure, 4,6-Dihydroxyisophthalsäure, 2,3-Dihydroxyphthalsäure, 2,4-Dihydroxyphthalsäure. 3,4-Dihydroxyphthalsäure, 3-Fluorophthalsäure, 5-Fluoroisophthalsäure, 2-Fluoroterphthalsäure, Tetrafluorophthalsäure, Tetrafluoroisophthalsäure, Tetrafluoroterephthalsäure,1,4-Naphthalindicarbonsäure, 1,5-Naphthalindicarbonsäure, 2,6-Naphthalindicarbonsäure, 2,7-Naphthalindicarbonsäure, Diphensäure, 1,8-dihydroxynaphthalin-3,6-dicarbonsäure, Diphenylether-4,4'-dicarbonsäure, Benzophenon-4,4'-dicarbonsäure, Diphenylsulfon-4,4'-dicarbonsäure, Biphenyl-4,4'-dicarbonsäure, 4-Trifluoromethylphthalsäure, 2,2-Bis(4-carboxyphenyl)hexafluoropropan, 4,4'-Stilbendicarbonsäure, 4-Carboxyzimtsäure, bzw. deren C1–C20-Alkyl-Ester oder C5–C12-Ary1-Ester, oder deren Säureanhydride oder deren Säurechloride. Bei den aromatischen Tri-, tetracarbonsäuren bzw. deren C1–C20-Alkyl-Ester oder C5–C12-Aryl-Ester oder deren Säureanhydride oder deren Säurechloride handelt es sich bevorzugt um 1,3,5-Benzol-tricarbonsäure (Trimesic acid), 1,2,4-Benzol-tricarbonsäure (Trimellitic acid), (2-Carboxyphenyl)iminodiessigsäure, 3,5,3'-Biphenyltricarbonsäure, 3,5,4'-Biphenyltricarbonsäure.In the used according to the invention aromatic carboxylic acids it is dicarboxylic acids and tri-carboxylic acids and tetra-carboxylic acids or their esters or their anhydrides or their acid chlorides. The term aromatic carboxylic acids includes equally also heteroaromatic carboxylic acids. The aromatic dicarboxylic acids are preferably isophthalic acid, terephthalic acid, phthalic acid, 5-hydroxyisophthalic, 4-hydroxyisophthalic acid, 2-hydroxyterephthalic acid, 5-aminoisophthalic acid, 5-N, N-dimethylaminoisophthalic acid, 5-N, N-diethylaminoisophthalic acid, 2,5-dihydroxyterephthalic acid, 2,6-dihydroxyisophthalic acid, 4,6-dihydroxyisophthalic acid, 2,3- Dihydroxyphthalic acid, 2,4-dihydroxyphthalic acid. 3,4-dihydroxyphthalic acid, 3-fluorophthalic acid, 5-fluoroisophthalic acid, 2-fluoroterphthalic acid, tetrafluorophthalic acid, tetrafluoroisophthalic acid, tetrafluoroterephthalic acid, 1,4-naphthalene dicarboxylic acid, 1,5-naphthalene dicarboxylic acid, 2,6-naphthalene dicarboxylic acid, 2,7-diacarbonic acid, 2,7 1,8-dihydroxynaphthalene-3,6-dicarboxylic acid, diphenyl ether-4,4'-dicarboxylic acid, benzophenone-4,4'-dicarboxylic acid, diphenyl sulfone-4,4'-dicarboxylic acid, biphenyl-4,4'-dicarboxylic acid, 4- Trifluoromethylphthalic acid, 2,2-bis (4-carboxyphenyl) hexafluoropropane, 4,4'-stilbene dicarboxylic acid, 4-carboxycinnamic acid, or their C1-C20-alkyl esters or C5-C12-Ary1 esters, or their acid anhydrides or their acid chlorides. at the aromatic tri-, tetracarboxylic acids or their C1 – C20 alkyl esters or C5-C12 aryl esters or their acid anhydrides or their acid chlorides it is preferably 1,3,5-benzene-tricarboxylic acid (Trimesic acid), 1,2,4-benzene-tricarboxylic acid (Trimellitic acid), (2-carboxyphenyl) iminodiacetic acid, 3,5,3'-biphenyltricarboxylic acid, 3,5,4'-biphenyltricarboxylic acid.
Bei den aromatischen Tetracarbonsäuren bzw. deren C1–C20-Alkyl-Ester oder C5–C12-Aryl-Ester oder deren Säureanhydride oder deren Säurechloride handelt es sich bevorzugt um 3,5,3',5'-biphenyltetracarboxylic acid, 1,2,4,5-Benzoltetracarbonsäure, Benzophenontetracarbonsäure, 3,3',4,4'-Biphenyltetracarbonsäure, 2,2',3,3'-Biphenyltetracarbonsäure, 1,2,5,6-Naphthalintetracarbonsäure, 1,4,5,8-Naphthalintetracarbonsäure.With aromatic tetracarboxylic acids or their C1 – C20 alkyl esters or C5-C12 aryl esters or their acid anhydrides or their acid chlorides it is preferably 3,5,3 ', 5'-biphenyltetracarboxylic acid, 1,2,4,5-benzene tetracarboxylic acid, benzophenone, 3,3 ', 4,4'-biphenyltetracarboxylic acid, 2,2 ', 3,3'-biphenyltetracarboxylic acid, 1,2,5,6-naphthalene tetracarboxylic acid, 1,4,5,8-naphthalene tetracarboxylic acid.
Bei den erfindungsgemäß eingesetzten heteroaromatischen Carbonsäuren handelt es sich um heteroaromatischen Dicarbonsäuren und Tricarbonsäuren und Tetracarbonsäuren bzw. deren Estern oder deren Anhydride. Als Heteroaromatische Carbonsäuren werden aromatische Systeme verstanden welche mindestens ein Stickstoff, Sauerstoff, Schwefel oder Phosphoratom im Aromaten enthalten. Vorzugsweise handelt es sich um Pyridin-2,5-dicarbonsäure, Pyridin-3,5-dicarbonsäure, Pyridin-2,6-dicarbonsäure, Pyridin-2,4-dicarbonsäure, 4-Phenyl-2,5-pyridindicarbonsäure, 3,5-Pyrazoldicarbonsäure, 2,6 -Pyrimidindicarbonsäure, 2,5-Pyrazindicarbonsäure, 2,4,6-Pyridintricarbonsäure Benzimidazol-5,6-dicarbonsäure. Sowie deren C1–C20-Alkyl-Ester oder C5–C12-Aryl-Ester, oder deren Säureanhydride oder deren Säurechloride.In the used according to the invention heteroaromatic carboxylic acids are heteroaromatic dicarboxylic acids and tricarboxylic acids and Tetracarboxylic acids or their esters or their anhydrides. As heteroaromatic carboxylic acids understood aromatic systems which contain at least one nitrogen, Contain oxygen, sulfur or phosphorus atom in the aromatics. Preferably is pyridine-2,5-dicarboxylic acid, pyridine-3,5-dicarboxylic acid, pyridine-2,6-dicarboxylic acid, pyridine-2,4-dicarboxylic acid, 4-phenyl-2,5-pyridinedicarboxylic acid, 3,5- Pyrazole dicarboxylic acid, 2.6 Pyrimidine dicarboxylic acid, 2,5 pyrazine dicarboxylic acid, 2,4,6 pyridine tricarboxylic acid, benzimidazole 5,6 dicarboxylic acid. Such as their C1 – C20 alkyl esters or C5-C12 aryl esters, or their acid anhydrides or their acid chlorides.
Der Gehalt an Tricarbonsäure bzw. Tetracarbonsäuren (bezogen auf eingesetzte Dicarbonsäure) beträgt zwischen 0 und 30 Mol-%, vorzugsweise 0,1 und 20 Mol-%, insbesondere 0,5 und 10 Mol-%.The content of tricarboxylic acid or Tetracarboxylic acids (based on the dicarboxylic acid used) is between 0 and 30 mol%, preferably 0.1 and 20 mol%, in particular 0.5 and 10 mol%.
Bei den erfindungsgemäß eingesetzten aromatischen und heteroaromatischen Diaminocarbonsäuren handelt es sich bevorzugt um Diaminobenzoesäure und deren Mono- und Dihydrochloridderivate.In the used according to the invention aromatic and heteroaromatic diaminocarboxylic acids it is preferably diaminobenzoic acid and its mono- and dihydrochloride derivatives.
Bevorzugt werden in Schritt A) Mischungen von mindestens 2 verschiedenen aromatischen Carbonsäuren einzusetzen. Besonders bevorzugt werden Mischungen eingesetzt, die neben aromatischen Carbonsäuren auch heteroaromatische Carbonsäuren enthalten. Das Mischungsverhältnis von aromatischen Carbonsäuren zu heteroaromatischen Carbonsäuren beträgt zwischen 1 : 99 und 99 : 1, vorzugsweise 1 : 50 bis 50 : 1.Mixtures are preferred in step A) use of at least 2 different aromatic carboxylic acids. Mixtures which are not only aromatic but also particularly preferred carboxylic acids also heteroaromatic carboxylic acids contain. The mixing ratio of aromatic carboxylic acids to heteroaromatic carboxylic acids is between 1:99 and 99: 1, preferably 1:50 up to 50: 1.
Bei diesem Mischungen handelt es sich insbesondere um Mischungen von Nheteroaromatischen Di-carbonsäuren und aromatischen Dicarbonsäuren. Nicht limitierende Beispiele dafür sind Isophthalsäure, Terephthalsäure, Phthalsäure, 2,5-Dihydroxyterephthalsäure, 2,6-Dihydroxyisophthalsäure, 4,6-Dihydroxyisophthalsäure, 2,3-Dihydroxyphthalsäure, 2,4-Dihydroxyphthalsäure. 3,4-Dihydroxyphthalsäure,1,4-Naphthalindicarbonsäure, 1,5-Naphthalindicarbonsäure, 2,6-Naphthalindicarbonsäure, 2,7-Naphthalindicarbonsäure, Diphensäure, 1,8-dihydroxynaphthalin-3,6-dicarbonsäure, Diphenylether-4,4'-dicarbonsäure, Benzophenon-4,4'-dicarbonsäure, Diphenylsulfon-4,4'-dicarbonsäure, Biphenyl-4,4'dicarbonsäure, 4-Trifluoromethylphthalsäure, Pyridin-2,5-dicarbonsäure, Pyridin-3,5- dicarbonsäure, Pyridin-2,6-dicarbonsäure, Pyridin-2,4-dicarbonsäure, 4-Phenyl-2,5-pyridindicarbonsäure, 3,5-Pyrazoldicarbonsäure, 2,6-Pyrimidindicarbonsäure,2,5-Pyrazindicarbonsäure.This mixture is are in particular mixtures of heteroaromatic dicarboxylic acids and aromatic dicarboxylic acids. Non-limiting examples of this are isophthalic acid, terephthalic acid, phthalic acid, 2,5-dihydroxyterephthalic acid, 2,6-dihydroxyisophthalic acid, 4,6-dihydroxyisophthalic acid, 2,3-dihydroxyphthalic acid, 2,4-dihydroxyphthalic acid. 3,4-dihydroxyphthalic acid, 1,4-naphthalenedicarboxylic acid, 1,5-naphthalenedicarboxylic acid, 2,6-naphthalenedicarboxylic acid, 2,7-naphthalenedicarboxylic acid, diphenic acid, 1,8-dihydroxynaphthalene-3,6-dicarboxylic acid, diphenyl ether-4,4 ' -dicarboxylic acid, benzophenone-4,4'-dicarboxylic acid, diphenylsulfone-4,4'-dicarboxylic acid, biphenyl-4,4'dicarboxylic acid, 4-trifluoromethylphthalic acid, pyridine-2,5-dicarboxylic acid, pyridine-3,5-dicarboxylic acid, pyridine -2,6-dicarboxylic acid, pyridine-2,4-dicarboxylic acid, 4-phenyl-2,5-pyridinedicarboxylic acid, 3,5-pyrazole dicarboxylic acid, 2,6-pyrimidinedicarboxylic acid, 2,5-pyrazinedicarboxylic acid.
Soll ein möglichst hohes Molekulargewicht erzielt werden, so liegt das Molverhältnis von Carbonsäuregruppen zu Aminogruppen bei der Umsetzung von Tetra-Amino-Verbindungen mit einer oder mehreren aromatischen Carbonsäuren bzw. deren Estern, die mindestens zwei Säuregruppen pro Carbonsäure-Monomer enthalten, vorzugsweise in der Nähe von 1 : 2.Should have the highest possible molecular weight can be achieved, the molar ratio of carboxylic acid groups to amino groups in the implementation of tetra-amino compounds one or more aromatic carboxylic acids or their esters, the at least two acid groups contain per carboxylic acid monomer, preferably nearby of 1: 2.
Die in Schritt A) hergestellte Mischung umfasst vorzugsweise mindestens 10 Gew.-%, insbesondere 20 bis 80 Gew.-% Monomere zur Herstellung von Polyazolen.The mixture prepared in step A) preferably comprises at least 10% by weight, in particular 20 to 80% % By weight of monomers for the production of polyazoles.
Das in Schritt B) gebildete Polymere
auf Basis von Polyazol enthält
wiederkehrende Azoleinheiten der allgemeinen Formel (I) und/oder
(II) und/oder (III) und/oder (IV) und/oder (V) und/oder (VI) und/oder
(VII) und/oder (VIII) und/oder (IX) und/oder (X) und/oder (XI) und/oder
(XII) und/oder (XIII) und/oder (XIV) und/oder (XV) und/oder (XVI)
und/oder (XVI) und/oder (XVII) und/oder (XVIII) und/oder (XIX) und/oder
(XX) und/oder (XXI) und/oder (XXII)
worin
Ar gleich oder
verschieden sind und für
eine vierbindige aromatische oder heteroaromatische Gruppe, die
ein- oder mehrkernig sein kann,
Ar1 gleich
oder verschieden sind und für
eine zweibindige aromatische oder heteroaromatische Gruppe, die ein-
oder mehrkernig sein kann,
Ar2 gleich oder
verschieden sind und für
eine zwei oder dreibindige aromatische oder heteroaromatische
Gruppe, die ein- oder, mehrkernig sein kann,
Ar3 gleich
oder verschieden sind und für
eine dreibindige aromatische oder heteroaromatische Gruppe, die
ein- oder mehrkernig sein kann,
Ar4 gleich
oder verschieden sind und für
eine dreibindige aromatische oder heteroaromatische Gruppe, die
ein- oder mehrkernig sein kann,
Ar5 gleich
oder verschieden sind und für
eine vierbindige aromatische oder heteroaromatische Gruppe, die
ein- oder mehrkernig sein kann,
Ar6 gleich
oder verschieden sind und für
eine zweibindige aromatische oder heteroaromatische Gruppe, die ein-
oder mehrkernig sein kann,
Ar7 gleich
oder verschieden sind und für
eine zweibindige aromatische oder heteroaromatische Gruppe, die ein-
oder mehrkernig sein kann,
Ar8 gleich
oder verschieden sind und für
eine dreibindige aromatische oder heteroaromatische Gruppe, die
ein- oder mehrkernig sein kann,
Ar9 gleich
oder verschieden sind und für
eine zwei- oder drei- oder vierbindige aromatische oder heteroaromatische
Gruppe, die ein- oder mehrkernig sein kann,
Ar10 gleich
oder verschieden sind und für
eine zwei- oder dreibindige aromatische oder heteroaromatische Gruppe,
die ein- oder mehrkernig sein kann,
Ar11 gleich
oder verschieden sind und für
eine zweibindige aromatische oder heteroaromatische Gruppe, die ein-
oder mehrkernig sein kann,
X gleich oder verschieden ist und
für Sauerstoff,
Schwefel oder eine Aminogruppe, die ein Wasserstoffatom, eine 1–20 Kohlenstoffatome
aufweisende Gruppe, vorzugsweise eine verzweigte oder nicht verzweigte
Alkyl- oder Alkoxygruppe, oder eine Arylgruppe als weiteren Rest
trägt
R
gleich oder verschieden für
Wasserstoff, eine Alkylgruppe und eine aromatische Gruppe steht
und
n, m eine ganze Zahl größer gleich
10, bevorzugt größer gleich
100 ist.The polymer based on polyazole formed in step B) contains recurring azole units of the general formula (I) and / or (II) and / or (III) and / or (IV) and / or (V) and / or (VI) and / or (VII) and / or (VIII) and / or (IX) and / or (X) and / or (XI) and / or (XII) and / or (XIII) and / or (XIV) and / or (XV) and / or (XVI) and / or (XVI) and / or (XVII) and / or (XVIII) and / or (XIX) and / or (XX) and / or (XXI) and / or ( XXII) wherein
Ar are the same or different and are a four-membered aromatic or heteroaromatic group which may be mononuclear or polynuclear,
Ar 1 are the same or different and are for a double-bonded aromatic or heteroaromatic group which can be mononuclear or polynuclear,
Ar 2 are the same or different and are for a two or three-membered aromatic or heteroaromatic group which can be mono- or polynuclear,
Ar 3 are the same or different and are for a three-membered aromatic or heteroaromatic group which can be mononuclear or polynuclear,
Ar 4 are the same or different and are for a three-membered aromatic or heteroaromatic group which may be mononuclear or polynuclear,
Ar 5 are the same or different and are a four-membered aromatic or heteroaromatic group which may be mononuclear or polynuclear,
Ar 6 are the same or different and are for a double-bonded aromatic or heteroaromatic group which can be mononuclear or polynuclear,
Ar 7 are the same or different and are for a double-bonded aromatic or heteroaromatic group which may be mononuclear or polynuclear,
Ar 8 are the same or different and are for a three-membered aromatic or heteroaromatic group which can be mononuclear or polynuclear,
Ar 9 are the same or different and are for a two- or three- or four-membered aromatic or heteroaromatic group which may be mononuclear or polynuclear,
Ar 10 are the same or different and are for a di- or tri-bonded aromatic or heteroaromatic group which can be mono- or polynuclear,
Ar 11 are the same or different and are for a divalent aromatic or heteroaromatic group, which can be mononuclear or polynuclear,
X is the same or different and for oxygen, sulfur or an amino group which carries a hydrogen atom, a group having 1-20 carbon atoms, preferably a branched or unbranched alkyl or alkoxy group, or an aryl group as a further radical
R represents the same or different hydrogen, an alkyl group and an aromatic group and
n, m is an integer greater than or equal to 10, preferably greater than or equal to 100.
Bevorzugte aromatische oder heteroaromatische Gruppen leiten sich von Benzol, Naphthalin, Biphenyl, Diphenylether, Diphenylmethan, Diphenyldimethylmethan, Bisphenon, Diphenylusulfon, Chinolin, Pyridin, Bipyridin, Pyridazin, Pyrimidin, Pyrazin, Triazin, Tetrazin, Pyrol, Pyrazol, Anthracen, Benzopyrrol, Benzotriazol, Benzooxathiadiazol, Benzooxadiazol, Benuzopyridin, Benzopyrazin, Benzapyrazidin, Benzopyrimidin, Benzopyrazin, Benzotriazin, Indolizin, Chinolizin, Pyridopyridin, Imidazopyrimidin, Pyrazinopyrimidin, Carbazol, Aciridin, Phenazin, Benzochinolin, Phenoxazin, Phenothiazin, Acridizin, Benzopteridin, Phenanthrolin und Phenanthren, die gegebenenfalls auch substituiert sein können, ab.Preferred aromatic or heteroaromatic Groups are derived from benzene, naphthalene, biphenyl, diphenyl ether, Diphenylmethane, Diphenyldimethylmethan, Bisphenon, Diphenylusulfon, Quinoline, pyridine, bipyridine, pyridazine, pyrimidine, pyrazine, triazine, Tetrazine, pyrol, pyrazole, anthracene, benzopyrrole, benzotriazole, benzooxathiadiazole, Benzooxadiazole, benuzopyridine, benzopyrazine, benzapyrazidine, benzopyrimidine, Benzopyrazine, benzotriazine, indolizine, quinolizine, pyridopyridine, Imidazopyrimidine, pyrazinopyrimidine, carbazole, aciridine, phenazine, Benzoquinoline, phenoxazine, phenothiazine, acridizine, benzopteridine, Phenanthroline and phenanthrene, which are also optionally substituted could be, from.
Dabei ist das Substitionsmuster von Ar1, Ar4, Ar6, Ar7, Ar8, Ar9, Ar10, Ar11 beliebig, im Falle vom Phenylen beispielsweise kann Ar1, Ar4, Ar6, Ar7, Ar8, Ar9, Ar10, Ar11 ortho-, meta- und para-Phenylen sein. Besonders bevorzugte Gruppen leiten sich von Benzol und Biphenylen, die gegebenenfalls auch substituiert sein können, ab.The substitution pattern of Ar 1 , Ar 4 , Ar 6 , Ar 7 , Ar 8 , Ar 9 , Ar 10 , Ar 11 is arbitrary, in the case of phenylene, for example, Ar 1 , Ar 4 , Ar 6 , Ar 7 , Ar 8 , Ar 9 , Ar 10 , Ar 11 are ortho-, meta- and para-phenylene. Particularly preferred groups are derived from benzene and biphenylene, which may also be substituted.
Bevorzugte Alkylgruppen sind kurzkettige Alkylgruppen mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen, wie z. B. Methyl-, Ethyl-, n- oder i-Propyl- und t-Butyl-Gruppen.Preferred alkyl groups are short chain Alkyl groups with 1 to 4 carbon atoms, such as. B. methyl, ethyl, n- or i-propyl and t-butyl groups.
Bevorzugte aromatische Gruppen sind Phenyl- oder Naphthyl-Gruppen. Die Alkylgruppen und die aromatischen Gruppen können substituiert sein.Preferred aromatic groups are Phenyl or naphthyl groups. The alkyl groups and the aromatic Groups can be substituted.
Bevorzugte Substituenten sind Halogenatome wie z. B. Fluor, Aminogruppen, Hydroxygruppen oder kurzkettige Alkylgruppen wie z. B. Methyl- oder Ethylgruppen.Preferred substituents are halogen atoms such as B. fluorine, amino groups, hydroxyl groups or short-chain alkyl groups such as B. methyl or ethyl groups.
Bevorzugt sind Polyazole mit wiederkehrenden Einheiten der Formel (n bei denen die Reste X innerhalb einer wiederkehrenden Einheit gleich sind.Recurring polyazoles are preferred Units of the formula (n in which the radicals X are within a recurring Unit are the same.
Die Polyazole können grundsätzlich auch unterschiedliche wiederkehrende Einheiten aufweisen, die sich beispielsweise in ihrem Rest X unterscheiden. Vorzugsweise jedoch weist es nur gleiche Reste X in einer wiederkehrenden Einheit auf.In principle, the polyazoles can also be different have recurring units, for example in their Distinguish rest X. However, it preferably only has the same residues X in a recurring unit.
Weitere bevorzugte Polyazol-Polymere sind Polyimidazole, Polybenzthiazole, Polybenzoxazole, Polyoxadiazole, Polyquinoxalines, Polythiadiazole Poly(pyridine), Poly(pyrimidine), und Poly(tetrazapyrene).Other preferred polyazole polymers are polyimidazoles, polybenzthiazoles, polybenzoxazoles, polyoxadiazoles, Polyquinoxalines, polythiadiazoles poly (pyridines), poly (pyrimidines), and poly (tetrazapyrene).
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Polymer enthaltend wiederkehrende Azoeinheiten ein Copolymer oder ein Blend, das mindestens zwei Einheiten der Formel (I) bis (XXII) enthält, die sich voneinander unterscheiden. Die Polymere können als Blockcopolymere (Diblock, Triblock), statistische Copolymere, periodische Copolymere und/oder alternierende Polymere vorliegen.In another embodiment In the present invention, the polymer containing recurring Azo units are a copolymer or a blend that is at least two units of the formula (I) to (XXII) contains that are different from each other. The polymers can be used as Block copolymers (diblock, triblock), statistical copolymers, periodic Copolymers and / or alternating polymers are present.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Polymer enthaltend wiederkehrende Azoleinheiten ein Polyazol, das nur Einheiten der Formel (I) und/oder (II) enthält.In a particularly preferred embodiment In the present invention, the polymer containing recurring Azole units is a polyazole containing only units of formula (I) and / or (II) contains.
Die Anzahl der wiederkehrende Azoleinheiten im Polymer ist vorzugsweise eine ganze Zahl größer gleich 10. Besonders bevorzugte Polymere enthalten mindestens 100 wiederkehrende Azoleinheiten.The number of repeating azole units an integer greater than or equal to 10 in the polymer is preferably particularly preferred Polymers contain at least 100 repeating azole units.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind Polymere enthaltend wiederkehrenden Benzimidazoleinheiten bevorzugt. Einige Beispiele der äußerst zweckmäßigen Polymere enthaltend wiederkehrende Benzimidazoleinheiten werden durch die nachfolgende Formeln wiedergegeben: wobei n und m eine ganze Zahl größer gleich 10, vorzugsweise größer gleich 100 ist.Polymers containing recurring benzimidazolein are within the scope of the present invention preferred. Some examples of the extremely useful polymers containing recurring benzimidazole units are represented by the following formulas: where n and m is an integer greater than or equal to 10, preferably greater than or equal to 100.
Die mittels des beschriebenen Verfahrens erhältlichen Polyazole, insbesondere jedoch die Polybenzimidazole zeichnen sich durch ein hohes Molekulargewicht aus. Gemessen als Intrinsische Viskosität beträgt diese mindestens 1,4 dl/g und liegt somit deutlich über dem von handelsüblichem Polybenzimidazol (IV < 1,1 dl/g).The means described available Polyazoles, but especially the polybenzimidazoles, stand out characterized by a high molecular weight. Measured as intrinsic viscosity is this at least 1.4 dl / g and is therefore significantly above that of commercially available Polybenzimidazole (IV <1.1 dl / g).
Insofern die Mischung gemäß Schritt A) auch Tricarbonsäuren bzw. Tetracarbonsäure enthält wird hierdurch eine Verzweigung/Vernetzung des gebildeten Polymeren erzielt. Diese trägt zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaft bei.In this respect, the mixture according to step A) also tricarboxylic acids or tetracarboxylic acid contains becomes a branching / crosslinking of the polymer formed achieved. This carries to improve the mechanical property.
Die in Schritt A) erhaltene Mischung wird gemäß Schritt B) auf eine Temperatur von bis zu 350°C, vorzugsweise bis zu 280°C und besonders bevorzugt im Bereich von 200°C bis 250°C erhitzt. Hierbei wird ein Inertgas, beispielsweise Stickstoff oder ein Edelgas, wie Neon, Argon, eingesetzt.The mixture obtained in step A) according to step B) to a temperature of up to 350 ° C, preferably up to 280 ° C and especially preferably in the range of 200 ° C up to 250 ° C heated. An inert gas, for example nitrogen or an inert gas, such as neon, argon, is used.
Es hat sich weiterhin gezeigt, dass
bei Verwendung von aromatischen Dicarbonsäuren (oder heteroaromatischen
Dicarbonsäure)
wie Isophthalsäure,
Terephthalsäure,
2,5-Dihydroxyterephthalsäure,
4,6-Dihydroxyisophthalsäure,
2,6-Dihydroxyisophthalsäure, Diphensäure, 1,8-Dihydroxynaphthalin-3,6-Dicarbonsäure, Diphenylether-4,4'-Dicarbonsäure, Benzophenon-4,4'-dicarbonsäure, Diphenylsulfon-4,4'-dicarbonsäure, Biphenyl-4,4'-dicarbonsäure, 4-Trifluoromethylphthalsäure, Pyridin-2,5-dicarbonsäure, Pyridin-3,5-dicarbonsäure, Pyridin-2,6-dicarbonsäure, Pyridin-2,4-dicarbonsäure, 4-Phenyl-2,5-pyridindicarbonsäure, 3,5-Pyrazoldicarbonsäure, 2,6-Pyrimidindicarbonsäure,2,5-Pyrazindicarbonsäure,
die
Temperatur in Schritt C) – oder
falls die Bildung von Oligomeren und/oder Polymeren bereits in Schritt
A) gewünscht
wird – im
Bereich von bis zu 300°C,
vorzugsweise zwischen 100°C
und 250°C,
günstig
ist.It has also been shown that when aromatic dicarboxylic acids (or heteroaromatic dicarboxylic acids) are used, such as isophthalic acid, terephthalic acid, 2,5-dihydroxyterephthalic acid, 4,6-dihydroxyisophthalic acid, 2,6-dihydroxyisophthalic acid, diphenic acid, 1,8-dihydroxynaphthalene-3, 6-dicarboxylic acid, diphenyl ether-4,4'-dicarboxylic acid, benzophenone-4,4'-dicarboxylic acid, diphenylsulfone-4,4'-dicarboxylic acid, biphenyl-4,4'-dicarboxylic acid, 4-trifluoromethylphthalic acid, pyridine-2,5- dicarboxylic acid, pyridine-3,5-dicarboxylic acid, pyridine-2,6-dicarboxylic acid, pyridine-2,4-dicarboxylic acid, 4-phenyl-2,5-pyridinedicarboxylic acid, 3,5-pyrazole dicarboxylic acid, 2,6-pyrimidinedicarboxylic acid, 2, 5-pyrazine dicarboxylic acid,
the temperature in step C) - or if the formation of oligomers and / or polymers is already desired in step A) - is favorable in the range of up to 300 ° C., preferably between 100 ° C. and 250 ° C.
Der Schritt B) dient zur Umsetzung der Carbonsäuregruppen mit den Aminogruppen. Bei dieser Reaktion wird Wasser freigesetzt. Gemäß einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das in Schritt B) gebildete Wasser aus dem Reaktionsgleichgewicht entfernt. Methoden sind in der Fachwelt weit verbreitet. Beispielsweise kann das Wasser abdestilliert werden. Des weiteren kann das Wasser durch Trockenmittel gebunden werden. Je nach Art des Trockenmittels kann dieses in der Reaktionsmischung verbleiben oder von der Reaktionsmischung abgetrennt werden. Als Trockenmittel kann unter anderem Phosphorpentoxid (P2O5) oder Kieselgel eingesetzt werden.Step B) serves to react the carboxylic acid groups with the amino groups. This reaction releases water. According to a particular aspect of the present invention, the water formed in step B) is removed from the reaction equilibrium. Methods are widely used in the professional world. For example, the water can be distilled off. Furthermore, the water can be bound by desiccants. Depending on the type of desiccant, it can remain in the reaction mixture or be separated from the reaction mixture. Among others, phosphorus pentoxide (P 2 O 5 ) or silica gel can be used as drying agents.
In einer Variante des Verfahrens kann die Erwärmung gemäß Schritt B) nach der Bildung eines flächigen Gebildes gemäß Schritt C) erfolgen.In a variant of the procedure can the warming according to step B) after the formation of a flat Formed according to step C) done.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können zur Vernetzung befähigte Monomere eingesetzt werden. Je nach Temperaturstabilität des Monomeren können diese der Mischung gemäß Schritt A) oder nach der Herstellung der Polyazole gemäß Schritt B) beigefügt werden. Darüber hinaus können die zur Vernetzung befähigten Monomere auch auf das flächige Gebildes gemäß Schritt C) aufgebracht werden.In another embodiment of the invention capable of networking Monomers are used. Depending on the temperature stability of the monomer can this the mixture according to step A) or after the preparation of the polyazoles according to step B). About that can out that empowered to network Monomers also on the flat Formed according to step C) are applied.
Bei den zur Vernetzung befähigten Monomeren handelt es sich insbesondere um Verbindungen, die mindestens 2 Kohlenstoff-Kohlenstoff Doppelbindungen aufweisen. Bevorzugt werden Diene, Triene, Tetraene, Dimethylacrylate, Trimethylacrylate, Tetramethylacrylate, Diacrylate, Triacrylate, Tetraacrylate.In the case of the monomers capable of crosslinking it is particularly compounds that have at least 2 carbon-carbon Have double bonds. Dienes, trienes, tetraenes, Dimethyl acrylates, trimethyl acrylates, tetramethyl acrylates, diacrylates, Triacrylates, tetraacrylates.
Besonders bevorzugt sind Diene, Triene, Tetraene der Formel Dienes, trienes and tetraenes of the formula are particularly preferred
Dimethylacrylate, Trimethylycrylate, Tetramethylacrylate der Formel Dimethylacrylates, Trimethylycrylate, Tetramethylacrylate of the formula
Diacrylate, Triacrylate, Tetraacrylate
der Formel worin
R eine C1–C15-Alkylgruppe,
C5–C20-Aryl
oder Heteroarylgruppe, NR', -SO2, PR', Si(R')2 bedeutet, wobei die vorstehenden Reste
ihrerseits substituiert sein können,
R'
unabhängig
voneinander Wasserstoff, eine (C1–C15-Alkylgruppe, C1–C15-Alkoxygruppe, C5–C20-Aryl oder
Heteroarylgruppe bedeutet und
n mindestens 2 ist.Diacrylates, triacrylates, tetraacrylates of the formula wherein
R represents a C1-C15-alkyl group, C5-C20-aryl or heteroaryl group, NR ', -SO 2 , PR', Si (R ') 2 , where the above radicals can in turn be substituted,
R 'independently represents hydrogen, a (C1-C15 alkyl group, C1-C15 alkoxy group, C5-C20 aryl or heteroaryl group and
n is at least 2.
Bei den Substituenten des vorstehenden Restes R handelt es sich vorzugsweise um Halogen, Hydroxyl, Carboxy, Carboxyl, Carboxyulester, Nitrile, Amine, Silyl, Siloxan Reste.With the substituents of the above R is preferably halogen, hydroxyl, carboxy, Carboxyl, carboxyule esters, nitriles, amines, silyl, siloxane residues.
Besonders bevorzugte Vernetzer sind Allylmethacrylat, Ethylenglykoldimethacrylat, Diethylenglykoldimethacrylat Triethylenglykoldimethacrylat, Tetra- und Polyethylenglykoldimethacrylat, 1,3-Butandioldimethacrylat, Glycerindimethacrylat, Diurethandimethacrylat, Trimethylpropantrimethacrylat, Ebacryl, N',N-Methylenbisacrylamid, Carbinol, Butadien, Isopren, Chloropren, Divinylbenzol und/oder Bisphenol-A-dimethylacrylat.Crosslinkers are particularly preferred Allyl methacrylate, ethylene glycol dimethacrylate, diethylene glycol dimethacrylate Triethylene glycol dimethacrylate, tetra- and polyethylene glycol dimethacrylate, 1,3-butanediol dimethacrylate, glycerol dimethacrylate, diurethane dimethacrylate, Trimethylpropane trimethacrylate, Ebacryl, N ', N-methylenebisacrylamide, Carbinol, butadiene, isoprene, chloroprene, divinylbenzene and / or Bisphenol A dimethacrylate.
Die Vernetzer werden zwischen 0,5 bis 30 Gew.-%, bezogen auf die Summe aus vinylhaltiger Phosphonsäure und vinylhaltiger Sulfonsäure, eingesetzt.The crosslinkers are between 0.5 up to 30 wt .-%, based on the sum of vinyl-containing phosphonic acid and vinyl-containing sulfonic acid, used.
Die in Schritt A) und/oder Schritt
B) erzeugte Mischung kann auch noch dispergiertes oder suspendiertes
Polymer enthalten. Zu den bevorzugten Polymeren gehören unter
anderem Polyethylen, Polypropylen, Poly(1-buten),Poly(4-methyl-1-penten), Poly(isobutylen),
Polybutadien, Poly(isopren), Poly(cloropren), Poly(2,3-dimethylbutadien,
Polyalkanamer, Polyacetuylen, Polyphenylen, Poly(p-xylylen), Phenolharze,
Polyarmethylen, Cumaron/Inden-Harze, Harzöl-Harze, Pinen-Harze, Polystyrol,
Polymethylstyrol, Polyvinylacetat, Polyvinylalkohol, Polyvinylacetat,
Polyvinylether, Polyvinylamin, Poly(N-vinylacetamid), Polyvinylimidazol,
Polyvinylcarbazol, Polyvinylpyrrolidon, Polyvinylpyridin, Polyvinylchlorid,
Polyvinylidenchlorid, Polytetrafluorethylen, Copolymere von PTFE
mit Hexafluoropropylen, mit Perfluorpropylvinylether, mit Trifluoronitrosomethan,
mit Sulfonylfluoridvinylether, mit Carbalkoxy-perfluoralkoxyvinylether,
Polychlortrifluorethylen, Polyvinylfluorid, Polyvinylidenfluorid,
Polyacrylsäure,
Polyacrylsäureester,
Polyacrolein, Polyacrylamid, Polyacrylnitril, Polycuyanacrylate,
Polymethylmethacrylat, Polyhydroxyethylmethacrylat, Polymethacrylimid;
Polymere mit C-O-Bindungen in der Hauptkette, beispielsweise Polyacetat,
Polyoxymethylen, Polyether, Polypropylenoxid, Polyepichlorhydrin,
Phenoxy-Harze, Epoxid-Harze, Polytetrahydrofuran, Furan-Harze, Polyphenylenoxid,
Polyetherketon, Phenol-Aralkyl-Harze, Polyhydroxyessigsäure, Polypropionsäure, Polypivalolacton,
Polycaprolacton, Polymalonsäure, Polycarbonat,
Polyhydroxybenzoat, Polyethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat;
Polymere
C-S-Bindungen in der Hauptkette, beispielsweise Polysulfidether,
Polyphenylensulfid, Polyethersulfon;
Polymere C-N-Bindungen
in der Hauptkette, beispielsweise Polyimine, Polyisocyanide, Polyetherimin,
Polyanilin, Polyamide, Polyharstoffe, Aminoharze, Polyhydrazide,
Polyurethane, Polyimide, Polyazole, Polyazine; sowie Anorganische
Polymere, beispielsweise Polysilane, Polycarbosilane, Polysiloxane,
Polykieselsäure,
Polysilikate, Silicone, Polyphosphazene und Polythiazyl.The mixture produced in step A) and / or step B) can also contain dispersed or suspended polymer. The preferred polymers include, inter alia, polyethylene, polypropylene, poly (1-butene), poly (4-methyl-1-pentene), poly (isobutylene), polybutadiene, poly (isoprene), poly (chloroprene), poly (2, 3-dimethylbutadiene, polyalkanamer, polyacetylene, polyphenylene, poly (p-xylylene), phenolic resins, polyarmethylene, coumarone / indene resins, resin oil resins, pinene resins, polystyrene, polymethylstyrene, polyvinyl acetate, polyvinyl alcohol, polyvinyl acetate, polyvinyl ether, polyvinyl ether (N-vinylacetamide), polyvinylimidazole, polyvinylcarbazole, polyvinylpyrrolidone, polyvinylpyridine, polyvinylchloride, polyvinylidene chloride, polytetrafluoroethylene, copolymers of PTFE with hexafluoropropylene, with perfluoropropylvinylether, with trifluoronitrosomethane, polyolefinoxychloride, polychloride, polyvinylchloride, vinyl chloride, Polyacrolein, polyacrylamide, polyacrylonitrile, polycyanacrylates, polymethyl methacrylate, polyhydro xyethyl methacrylate, polymethacrylimide; Polymers with CO bonds in the main chain, for example polyacetate, polyoxymethylene, polyether, polypropylene oxide, polyepichlorohydrin, phenoxy resins, epoxy resins, polytetrahydrofuran, furan resins, polyphenylene oxide, polyether ketone, phenol aralkyl resins, polyhydroxyacetic acid, polypropionic acid, polypivalolactone polycaprolactone, Polymalonic acid, polycarbonate, polyhydroxybenzoate, polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate;
Polymeric CS bonds in the main chain, for example polysulfide ether, polyphenylene sulfide, polyether sulfone;
Polymeric CN bonds in the main chain, for example polyimines, polyisocyanides, polyetherimine, polyaniline, polyamides, polyureas, amino resins, polyhydrazides, polyurethanes, polyimides, polyazoles, polyazines; and inorganic polymers, for example polysilanes, polycarbosilanes, polysiloxanes, polysilicic acid, polysilicates, silicones, polyphosphazenes and polythiazyl.
Zur weiteren Verbesserung der anwendungstechnischen Eigenschaften können der Membran zusätzlich noch Füllstoffe, insbesondere protonenleitende Füllstoffe, sowie zusätzliche Säuren zugesetzt werden. Die Zugabe kann beispielsweise bei Schritt A), Schritt B) und/oder Schritt C) erfolgen. Des weiteren können diese Additive, falls diese in flüssiger Form vorliegen, auch nach der Polymerisation gemäß Schritt D) beigefügt werden.To further improve the application technology Properties can the membrane additionally still fillers, especially proton-conducting fillers, as well as additional acids be added. The addition can, for example, in step A), Step B) and / or step C) take place. Furthermore, these additives, if this is in liquid Form present, can also be added after the polymerization according to step D).
Nicht limitierende Beispiele für Protonenleitende
Füllstoffe
sind
Sulfate wie: CsHSO4, Fe(SO4)2, (NH4)3H(SO4)2,
LiHSO4, NaHSO4,
KHSO4, RbSO4, LiN2H5SO4,
NH4HSO4,
Phosphate
wie Zr3(PO4)4, Zr(HPO4)2, HZr2(PO4)3, UO2PO4·3H2O, H8UO2PO4, Ce(HPO4)2, Ti(HPO4)2, KH2PO4, NaH2PO4, LiH2PO4, NH4H2PO4, CsH2PO4, CaHPO4, MgHPO4, HSbP2O8, HSb3P2O14, H5Sb5P2O20,
Polysäure wie
H3PW12O40·nH2O (n = 21–29), H3SiW12O40·nH2O (n = 21–29), HxWO3, HSbWO6, H3PMo12O40, H2Sb4O11,
HTaWO6, HNbO3, HTiNbO5, HTiTaO5, HSbTeO6, H5Ti4O9, HSbO3, H2MoO4
Selenite
und Arsenide wie (NH4)3H(SeO4)2, UO2AsO4, (NH4)3H(SeO4)2, KH2AsO4, Cs3H(SeO4)2, Rb3H(SeO4)2,
Oxide wie
Al2O3, Sb2O5, ThO2,
SnO2, ZrO2, MoO3
Silikate wie Zeolithe, Zeolithe(NH4+), Schichtsilikate, Gerüstsilikate, H-Natrolite, H-Mordenite,
NH4-Analcine, NH4-Sodalite,
NH4-Gallate, H-Montmorillonite
Säuren wie
HClO4, SbF5
Füllstoffe
wie Carbide, insbesondere SiC, Si3N4, Fasern, insbesondere Glasfasern, Glaspulvern
und/oder Polymerfasern, bevorzugt auf Basis von Polyazolen.Non-limiting examples of proton-conducting fillers are
Sulfates such as: CsHSO 4 , Fe (SO 4 ) 2 , (NH 4 ) 3 H (SO 4 ) 2 , LiHSO 4 , NaHSO 4 , KHSO 4 , RbSO 4 , LiN 2 H 5 SO 4 , NH 4 HSO 4 ,
Phosphates such as Zr 3 (PO 4 ) 4 , Zr (HPO 4 ) 2 , HZr 2 (PO 4 ) 3 , UO 2 PO 4 .3H 2 O, H 8 UO 2 PO 4 , Ce (HPO 4 ) 2 , Ti ( HPO 4 ) 2 , KH 2 PO 4 , NaH 2 PO 4 , LiH 2 PO 4 , NH 4 H 2 PO 4 , CsH 2 PO 4 , CaHPO 4 , MgHPO 4 , HSbP 2 O 8 , HSb 3 P 2 O 14 , H 5 Sb 5 P 2 O 20 ,
Polyacid such as H 3 PW 12 O 40 · nH 2 O (n = 21-29), H 3 SiW 12 O 40 · nH 2 O (n = 21-29), H x WO 3 , HSbWO 6 , H 3 PMo 12 O 40 , H 2 Sb 4 O 11 , HTaWO 6 , HNbO 3 , HTiNbO 5 , HTiTaO 5 , HSbTeO 6 , H 5 Ti 4 O 9 , HSbO 3 , H 2 MoO 4
Selenites and arsenides such as (NH 4 ) 3 H (SeO 4 ) 2 , UO 2 AsO 4 , (NH 4 ) 3 H (SeO 4 ) 2 , KH 2 AsO 4 , Cs 3 H (SeO 4 ) 2 , Rb 3 H (SeO 4 ) 2 ,
Oxides such as Al 2 O 3 , Sb 2 O 5 , ThO 2 , SnO 2 , ZrO 2 , MoO 3
Silicates such as zeolites, zeolites (NH 4 +), layered silicates, framework silicates, H-natrolites, H-mordenites, NH 4 -analyses, NH 4 -sodalites, NH 4 -galates, H-montmorillonites
Acids such as HClO 4 , SbF 5
Fillers such as carbides, in particular SiC, Si 3 N 4 , fibers, in particular glass fibers, glass powders and / or polymer fibers, preferably based on polyazoles.
Diese Additive können in der protonenleitenden Polymermembran in üblichen Mengen enthalten sein, wobei jedoch die positiven Eigenschaften, wie hohe Leitfähigkeit, hohe Lebensdauer und hohe mechanische Stabilität der Membran durch Zugabe von zu großen Mengen an Additiven nicht allzu stark beeinträchtigt werden sollten. Im allgemeinen umfaßt die Membran nach der Polymerisation gemäß Schritt D) höchstens 80 Gew.-%, vorzugsweise höchstens 50 Gew.-% und besonders bevorzugt höchstens 20 Gew.-% Additive.These additives can be used in the proton-conducting Polymer membrane in usual Amounts may be included, but the positive properties, like high conductivity, long service life and high mechanical stability of the membrane due to addition from too big Amounts of additives should not be affected too much. In general comprises the membrane after the polymerization according to step D) at most 80 wt .-%, preferably at most 50% by weight and particularly preferably at most 20% by weight of additives.
Als weiteres kann diese Membran auch perfluorierte Sulfonsäure-Additive (vorzugsweise 0,1–20 Gew.-%, bevorzugt 0,215 Gew.-%, ganz bevorzugt 0,2–10 Gew.-%) enthalten. Diese Additive führen zur Leistungsverbesserung, in der Nähe der Kathode zur Erhöhung der Sauerstofflöslichkeit und Sauerstoffdiffusion und zur Verringerung der Adsorbtion von Phosphorsäure und Phosphat zu Platin. (Electrolyte additives for phosphoric acid fuel cells. Gang, Xiao; Hjuler, H. A.; Olsen, C.; Berg, R. W.; Bjerrum, N. J. Chem. Dep. A, Tech. Univ. Denmark, Lyngby, Den. J. Electrochem. Soc. (1993), 140(4), 896–902 und Perfluorosulfonimide as an additive in phosphoric acid fuel cell. Razaq, M.; Razaq, A.; Yeager, E.; DesMarteau, Darryl D.; Singh, S. Case Cent. Electrochem. Sci., Case West. Reserve Univ, Cleveland, OH, USA. J. Electrochem. Soc. (1989), 136(2), 385–90.)This membrane can also be used perfluorinated sulfonic acid additives (preferably 0.1-20% by weight, preferably 0.215% by weight, very preferably 0.2-10% by weight). This Additives lead to improve performance, near the cathode to increase the oxygen solubility and oxygen diffusion and to reduce the adsorption of phosphoric acid and phosphate to platinum. (Electrolyte additives for phosphoric acid fuel cells. Gang, Xiao; Hjuler, H. A .; Olsen, C .; Berg, R. W .; Bjerrum, N. J. Chem. Dep. A, Tech. Univ. Denmark, Lyngby, Den. J. Electrochem. Soc. (1993), 140 (4), 896-902 and Perfluorosulfonimide as an additive in phosphoric acid fuel cell. Razaq, M .; Razaq, A .; Yeager, E .; DesMarteau, Darryl D .; Singh, S. Case Cent. Electrochem. Sci., Case West. Reserve University, Cleveland, OH, USA. J. Electrochem. Soc. (1989), 136 (2), 385-90.)
Nicht limitierende Beispiele für persulfonierte Additive sind: Trifluomethansulfonsäure, Kaliumtrifluormethansulfonat, Natriumtrifluormethansulfonat, Lithiumtrifluormethansulfonat, Ammoniumtrifluormethansulfonat, Kaliumperfluorohexansulfonat, Natriumperfluorohexansulfonat, Lithiumperfluorohexansulfonat, Ammoniumperfluorohexansulfonat, Perfluorohexansulfonsäure, Kaliumnonafluorbutansulfonat, Natriumnonafluorbutansulfonat, Lithiumnonafluorbutansulfonat, Ammoniumnonafluorbutansulfonat, Cäsiumnonafluorbutansulfonat, Triethylammoniumperfluorohexasulfonat, Perflurosulfoimide und Nafion.Non-limiting examples of persulfonated Additives are: trifluomethanesulfonic acid, potassium trifluoromethanesulfonate, Sodium trifluoromethanesulfonate, lithium trifluoromethanesulfonate, ammonium trifluoromethanesulfonate, Potassium perfluorohexane sulfonate, sodium perfluorohexane sulfonate, lithium perfluorohexane sulfonate, Ammonium perfluorohexane sulfonate, perfluorohexane sulfonic acid, potassium nonafluorobutane sulfonate, Sodium nonafluorobutane sulfonate, lithium nonafluorobutane sulfonate, ammonium nonafluorobutane sulfonate, Cäsiumnonafluorbutansulfonat, Triethylammonium perfluorohexasulfonate, perflurosulfoimide and Nafion.
Die Bildung des flächigen Gebildes gemäß Schritt C) erfolgt mittels an sich bekannter Maßnahmen (Gießen, Sprühen, Rakeln, Extrusion) die aus dem Stand der Technik zur Polymerfilm-Herstellung bekannt sind. Als Träger sind alle unter den Bedingungen als inert zu bezeichnenden Träger geeignet.The formation of the flat structure according to step C) takes place by means of measures known per se (pouring, spraying, knife coating, Extrusion) from the prior art for polymer film production are known. As a carrier are all suitable carriers which can be described as inert under the conditions.
Zur Einstellung der Viskosität kann die Lösung gegebenenfalls mit Wasser oder einem leicht verdampfbaren organisches Lösungsmittei versetzt werden. Hierdurch kann die Viskosität auf den gewünschten Wert eingestellt und die Bildung der Membran erleichtert werden.To adjust the viscosity, the solution optionally with water or an easily evaporable organic Lösungsmittei be transferred. This allows the viscosity to reach the desired value adjusted and the formation of the membrane can be facilitated.
Die Dicke des flächigen Gebildes beträgt zwischen 15 und 2000 μm, vorzugsweise zwischen 30 und 1500 μm, insbesondere zwischen 50 und 1200 μm.The thickness of the flat structure is between 15 and 2000 μm, preferably between 30 and 1500 μm, in particular between 50 and 1200 μm.
Die Polymerisation der vinylhaltigen Phosphonsäure und vinylhaltigen Sulfonsäure in Schritt D) erfolgt vorzugsweise radikalisch. Die Radikalbildung kann thermisch, photochemisch, chemisch und/oder elektrochemisch erfolgen.The polymerization of the vinyl-containing phosphonic and vinyl-containing sulfonic acid in step D) is preferably radical. The radical formation can be thermal, photochemical, chemical and / or electrochemical respectively.
Beispielsweise kann eine Starterlösung, die mindestens eine zur Bildung von Radikalen befähigte Substanz enthält, nach der Erwärmung der Lösung und/oder Dispersion gemäß Schritt B) der Mischung beigefügt werden. Des weiteren eine Starterlösung auf das nach Schritt C) erhaltene flächige Gebilde aufgebracht werden. Dies kann mittels an sich bekannter Maßnahmen (z. B. Sprühen, Tauchen etc.) die aus dem Stand der Technik bekannt sind, erfolgen.For example, a starter solution which contains at least one substance capable of forming radicals can be added to the mixture after the solution and / or dispersion have been heated in accordance with step B). Furthermore, a starter solution can be applied to the flat structure obtained after step C). This can be done by means of measures known per se (e.g. spraying, diving, etc.) from the stand are known in the art.
Geeignete Radikalbildner sind Azoverbindungen, Peroxyverbindungen, Persulfatverbindungen oder Azoamidine. Nicht limitierende Beispiele sind Dibenzoylperoxid, Dicumolperoxid, Cumolhydroperoxid, Diisopropylperoxidicarbonat, Bis(4-t-butylcyclohexyl)peroxidicarbonat, Dikaliumpersulfat, Ammoniumperoxidisulfat, 2,2'-Azobis(2-methylpropionitril) (AIBN), Benzpinakol, Dibenzylderivate, Methylethylenletonperoxid, sowie die von der Firma DuPont unter dem Namen ®Vazo und ®Vazo WS erhältlichen Radikalbildner.Suitable radical formers are azo compounds, peroxy compounds, persulfate compounds or azoamidines. Non-limiting examples are dibenzoyl peroxide, dicumol peroxide, cumene hydroperoxide, diisopropyl peroxidicarbonate, bis (4-t-butylcyclohexyl) peroxidicarbonate, dipotassium persulfate, ammonium peroxydisulfate, 2,2'-azobis (2-methylpropionitrile) (AIBN), methylbenzene peroxides, and benzenzyl peroxide, benzophenyl peroxide the radical generator available from DuPont under the names ® Vazo and ® Vazo WS.
Des weiteren können auch Radikalbildner eingesetzt werden, die bei Bestrahlung Radikale bilden. Zu den bevorzugten Verbindungen gehören unter anderem ®Igacure 651 (2,2-Dimethoxy-2-phenylacetophenon) und ®Igacure 184 (1-Benzoylcyclohexanol), die jeweils von der Fa. Ciba Geigy Corp. kommerziell erhältlich sind.Furthermore, radical formers can also be used which form radicals when irradiated. Preferred compounds include Igacure ® 651 (2,2-dimethoxy-2-phenylacetophenone) and Igacure 184 ® (1-benzoylcyclohexanol), each of the Fa. Ciba Geigy Corp. are commercially available.
Üblicherweise werden zwischen 0,0001 und 1 Gew.-% (bezogen auf die vinylhaltige Phosphonsäure und vinylhaltige Sulfonsäure) an Radikalbildner zugesetzt. Die Menge an Radikalbildner kann je nach gewünschten Polymerisationsgrad variiert werden.Usually are between 0.0001 and 1 wt .-% (based on the vinyl-containing Phosphonic acid and vinyl-containing sulfonic acid) added to radical formers. The amount of radical generator can vary according to desired Degree of polymerization can be varied.
Die Polymerisation kann auch durch Einwirken von IR bzw. NIR (IR = InfraRot, d. h. Licht mit einer Wellenlänge von mehr als 700 nm; NIR = Nahes IR, d. h. Licht mit einer Wellenlänge im Bereich von ca. 700 bis 2000 nm bzw. einer Energie im Bereich von ca. 0.6 bis 1.75 eV) erfolgen. Eine weitere Methode ist die Bestrahlung mit β-Strahlen. Die Strahlungsdosis beträgt hierbei zwischen 5 und 200 kGy.The polymerization can also by Exposure to IR or NIR (IR = InfraRot, i.e. light with a wavelength of more than 700 nm; NIR = Near IR, i.e. H. Light with a wavelength in the range from approx. 700 to 2000 nm or an energy in the range of approx. 0.6 up to 1.75 eV). Another method is radiation with beta rays. The radiation dose is between 5 and 200 kGy.
Die Polymerisation wird bei Temperaturen oberhalb Raumtemperatur (20°C) und kleiner 200°C, vorzugsweise bei Temperaturen zwischen 40°C und 150°C, insbesondere zwischen 50°C und 120°C durchgeführt. Die Polymerisation erfolgt vorzugsweise unter Normaldruck, kann aber auch unter Einwirkung von Druck erfolgen. Die Polymerisation führt zu einer Verfestigung des flächigen Gebildes. Je nach gewünschten Polymerisationsgrad ist das flächige Gebilde eine selbsttragende Membran. Bevorzugt beträgt der Polymerisationsgrad mindestens 30 Wiederholeinheiten, insbesondere mindestens 50 Wiederholeinheiten, besonders bevorzugt mindestens 100 Wiederholeinheiten.The polymerization is carried out at temperatures above room temperature (20 ° C) and less than 200 ° C, preferably at temperatures between 40 ° C and 150 ° C, in particular between 50 ° C and 120 ° C. The Polymerization is preferably carried out under normal pressure, but can also take place under the influence of pressure. The polymerization leads to a Consolidation of the flat Structure. Depending on the one you want The degree of polymerization is the areal Form a self-supporting membrane. The degree of polymerization is preferably at least 30 repetition units, in particular at least 50 repetition units, particularly preferably at least 100 repetition units.
Die Polymerisation in Schritt D) kann zu einer Abnahme der Schichtdicke führen. Vorzugsweise beträgt die Dicke der selbsttragenden Membran zwischen 10 und 1000 μm, vorzugsweise zwischen 20 und 500 μm, insbesondere zwischen 25 und 250 μm.The polymerization in step D) can lead to a decrease in the layer thickness. The thickness is preferably the self-supporting membrane between 10 and 1000 microns, preferably between 20 and 500 μm, in particular between 25 and 250 μm.
Vorzugsweise ist die gemäß Schritt D) erhaltene Membran selbsttragend, d. h. sie kann vom Träger ohne Beschädigung gelöst und anschließend gegebenenfalls direkt weiterverarbeitet werden.It is preferably according to step D) self-supporting membrane obtained, d. H. it can be worn by the wearer without damage solved and subsequently if necessary, be processed directly.
Im Anschluss an die Behandlung gemäß Schritt D) kann die Membran durch Einwirken von Hitze in Gegenwart von Luftsauerstoff an der Oberfläche noch vernetzt werden. Diese Härtung der Membranoberfläche verbessert die Eigenschaften der Membran zusätzlich. Hierzu kann die Membran auf eine Temperatur von mindestens 150°C, vorzugsweise mindestens 200°C und besonders bevorzugt mindestens 250°C erwärmt werden. Die Sauerstoffkonzentration liegt bei bei diesem Verfahrensschritt üblich im Bereich von 5 bis 50 Vol.-%, vorzugsweise 10 bis 40 Vol.-%, ohne dass hierdurch eine Beschränkung erfolgen soll.After the treatment according to step D) The membrane can be exposed to heat in the presence of atmospheric oxygen on the surface still networked. This hardening the membrane surface additionally improves the properties of the membrane. For this, the membrane to a temperature of at least 150 ° C, preferably at least 200 ° C and especially preferably heated to at least 250 ° C. The oxygen concentration in this process step is usually in the range from 5 to 50 vol .-%, preferably 10 to 40 vol .-%, without this restriction should be done.
Die Vernetzung kann auch durch Einwirken von IR bzw. NIR (IR = InfraRot, d. h. Licht mit einer Wellenlänge von mehr als 700 nm; NIR = Nahes IR, d. h. Licht mit einer Wellenlänge im Bereich von ca. 700 bis 2000 nm bzw. einer Energie im Bereich von ca. 0.6 bis 1.75 eV) erfolgen. Eine weitere Methode ist die Bestrahlung mit β-Strahlen. Die Strahlungsdosis beträgt hierbei zwischen 5 und 200 kGy.Networking can also be done by acting of IR or NIR (IR = InfraRot, i.e. light with a wavelength of more than 700 nm; NIR = Near IR, i.e. H. Light with a wavelength in the range from approx. 700 to 2000 nm or an energy in the range of approx. 0.6 up to 1.75 eV). Another method is radiation with beta rays. The radiation dose is between 5 and 200 kGy.
Je nach gewünschtem Vernetzungsgrad kann die Dauer der Vernetzungsreaktion in einem weiten Bereich liegen. Im allgemeinen liegt diese Reaktionszeit im Bereich von 1 Sekunde bis 10 Stunden, vorzugsweise 1 Minute bis 1 Stunde, ohne dass hierdurch eine Beschränkung erfolgen soll.Depending on the desired degree of crosslinking the duration of the crosslinking reaction is in a wide range. Generally this response time is in the range of 1 second to 10 hours, preferably 1 minute to 1 hour, without this a limitation should be done.
Die erfindungsgemäße Polymermembran weist verbesserte Materialeigenschaften gegenüber den bisher bekannten dotierten Polymermembranen auf. Insbesondere zeigen sie im Vergleich mit bekannten undotierten Polymermembranen bereits eine intrinsische Leitfähigkeit. Diese begründet sich insbesondere durch vorhandene Phosphonsäure- und Sulfonsäuregruppen enthaltende Polymere.The polymer membrane according to the invention has improved Material properties the previously known doped polymer membranes. In particular show them in comparison with known undoped polymer membranes already an intrinsic conductivity. This justifies in particular due to the presence of phosphonic acid and sulfonic acid groups containing polymers.
Die Eigenleitfähigkeit der erfindungsgemäßen Membran beträgt mindestens 0,001 S/cm, bevorzugt mindestens 10 mS/cm, insbesondere mindestens 20 mS/cm bei einer Temperatur von 120°C. Diese Eigenleitfähigkeitswerte können auch bei einer Temperatur von 70°C gemessen werden. Zur Erzielung dieser Werte bei einer Temperatur von 70°C kann eine erfindungsgemäße Membran befeuchtet werden. Hierzu kann beispielsweise die als Energiequelle eingesetzte Verbindung, beispielsweise Wasserstoff oder Methanol, mit einem Anteil an Wasser versehen werden. In vielen Fällen genügt jedoch auch das durch die Reaktion gebildete Wasser, um diese Leitfähigkeitswerte zu erzielen.The intrinsic conductivity of the membrane according to the invention is at least 0.001 S / cm, preferably at least 10 mS / cm, in particular at least 20 mS / cm at a temperature of 120 ° C. These intrinsic conductivity values can even at a temperature of 70 ° C be measured. To achieve these values at one temperature of 70 ° C can a membrane according to the invention be moistened. For example, this can be used as an energy source compound used, for example hydrogen or methanol, be provided with a proportion of water. In many cases, however, it is sufficient also the water formed by the reaction around these conductivity values to achieve.
Die spezifische Leitfähigkeit wird mittels Impedanzspektroskopie in einer 4-Pol-Anordnung im potentiostatischen Modus und unter Verwendung von Platinelektroden (Draht, 0,25 mm Durchmesser) gemessen. Der Abstand zwischen den stromabnehmenden Elektroden beträgt 2 cm. Das erhaltene Spektrum wird mit einem einfachen Modell bestehend aus einer parallelen Anordnung eines ohm'schen Widerstandes und eines Kapazitators ausgewertet. Der Probenquerschnitt der phosphorsäuredotierten Membran wird unmittelbar vor der Probenmontage gemessen. Zur Messung der Temperaturabhängigkeit wird die Messzelle in einem Ofen auf die gewünschte Temperatur gebracht und über eine in unmittelbarer Probennähe positioniertes Pt-100 Thermoelement geregelt. Nach Erreichen der Temperatur wird die Probe vor dem Start der Messung 10 Minuten auf dieser Temperatur gehalten.The specific conductivity is measured by means of impedance spectroscopy in a 4-pole arrangement in potentiostatic mode and using platinum electrodes (wire, 0.25 mm diameter). The distance between the current-consuming electrodes is 2 cm. The spectrum obtained is evaluated using a simple model consisting of a parallel arrangement of an ohmic resistor and a capacitor. The sample cross-section of the phosphoric acid-doped membrane is measured immediately before the sample assembly. To measure the temperature dependence, the measuring cell is brought to the desired temperature in an oven and via a Pt-100 positioned in the immediate vicinity of the sample Controlled thermocouple. After reaching the temperature, the sample is kept at this temperature for 10 minutes before starting the measurement.
Weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Ionomere auf Basis von Phosphonsäure- und Sulfonsäuregruppen enthaltenden Polymeren, die aus solch einer Lösung hergestellt werden können. Hierzu wird anstelle eines flächigen Gebildes in Schritt C) dieses direkt polymerisiert, wobei die Polymerisation auch in einem inerten Lösungsmittel als Suspensionspolymerisation durchgeführt werden kann. Der Starter wird der Lösung nach Schritt B) zugesetzt.Another subject of the present Invention are ionomers based on phosphonic acid and sulfonic acid groups containing polymers that can be made from such a solution. To do this instead of a flat one Formed in step C) this polymerized directly, the polymerization also in an inert solvent can be carried out as a suspension polymerization. The starter will be the solution added after step B).
Diese Ionomere eignen sich als Zusätze zu Katalysatormischungen für den Einsatz in Brennstoffzellen.These ionomers are suitable as additives for catalyst mixtures for the Use in fuel cells.
Zu möglichen Einsatzgebieten der erfindungsgemäßen intrinsisch leitfähigen Polymermembranen sowie des Ionomeren gehören unter anderem die Verwendung in Brennstoffzellen, bei der Elektrolyse, in Kondensatoren und in Batteriesystemen. Aufgrund ihres Eigenschaftsprofils können die Polymermembranen vorzugsweise in Brennstoffzellen, insbesondere in DMBZ-Brennstoffzellen (Direkt-Methanol-Brennstoffzelle), verwendet werden.Possible areas of application of the intrinsically according to the invention conductive Polymer membranes and the ionomer include the use in fuel cells, in electrolysis, in capacitors and in Battery systems. Due to their property profile, the Polymer membranes preferably in fuel cells, in particular in DMBZ fuel cells (direct methanol fuel cells).
Die vorliegende Erfindung betrifft
auch eine Membran-Elektroden-Einheit, die mindestens eine erfindungsgemäße Polymermembran
und/oder das erfindungsgemäße Ionomer
aufweist. Für
weitere Informationen über
Membran-Elektroden-Einheiten
wird auf die Fachliteratur, insbesondere auf die Patente
In einer Variante der vorliegenden Erfindung kann die Membranbildung anstelle auf einem Träger auch direkt auf der Elektrode erfolgen. Die Behandlung gemäß Schritt D) kann hierdurch entsprechend verkürzt werden oder aber die Menge an Starterlösung reduziert werden, da die Membran nicht mehr selbsttragend sein muß. Auch eine solche Membran, respektive eine Elektrode die mit einer solchen erfindungsgemäßen Polymermembran beschichtet ist, ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung.In a variant of the present Invention can also form the membrane directly instead of on a support done on the electrode. The treatment according to step D) can hereby shortened accordingly or the amount of starter solution can be reduced because the Membrane no longer has to be self-supporting. Even such a membrane or an electrode with such a polymer membrane according to the invention is coated is the subject of the present invention.
Weiterhin ist es auch möglich die Polymerisation der vinylhaltigen Phosphonsäure und vinylhaltigen Sulfonsäure in der laminierten Membran-Elektroden-Einheit durchzuführen. Hierzu wird die Lösung auf die Elektrode aufgebracht und mit der zweiten, ggf. ebenfalls beschichteten Elektrode zusammengebracht und verpresst. Anschließend wird die Polymerisation in der laminierten Membran-Elektroden-Einheit wie vorstehend beschrieben durchgeführt.Furthermore it is also possible Polymerization of the vinyl-containing phosphonic acid and vinyl-containing sulfonic acid in the perform laminated membrane electrode assembly. To do this, the solution is on the electrode is applied and coated with the second, if necessary also Electrode brought together and pressed. Then will the polymerization in the laminated membrane-electrode assembly performed as described above.
Die Beschichtung hat eine Dicke zwischen 2 und 500 μm, vorzugsweise zwischen 5 und 300 μm, insbesondere zwischen 10 und 200 μm hat. Die ermöglicht den Einsatz in sogenannten Mikro-Brennstoffzellen, insbesondere in DMBZ-Mikrobrennstoffzellen.The coating has a thickness between 2 and 500 μm, preferably between 5 and 300 μm, in particular between 10 and 200 μm Has. That enables use in so-called micro fuel cells, in particular in DMBZ micro fuel cells.
Eine derartig beschichtete Elektrode kann in einer Membran-Elektroden-Einheit, die gegebenenfalls mindestens eine erfindungsgemäße Polymermembran aufweist, eingebaut werden.An electrode coated in this way can in a membrane electrode unit, if necessary at least a polymer membrane according to the invention has to be installed.
In einer weiteren Variante kann auf die erfindungsgemäße Membran eine katalytisch aktive Schicht aufgebracht werden und diese mit einer Gasdiffusionslage verbunden werden. Hierzu wird gemäß den Schritten A) bis D) eine Membran gebildet und der Katalysator aufgebracht. In einer Variante kann der Katalysator vor oder zusammen mit der Starterlösung aufgebracht werden. Auch diese Gebilde sind Gegenstand der vorliegenden Erfindung.In another variant, you can the membrane of the invention a catalytically active layer can be applied and this with a gas diffusion layer. To do this, follow the steps A) to D) a membrane is formed and the catalyst is applied. In a variant, the catalyst can be placed before or together with the starter solution be applied. These structures are also the subject of the present Invention.
Darüber hinaus kann die Bildung der Membran gemäß den Schritten A) bis D) auch auf einem Träger oder einer Trägerfolie erfolgen, die bereits den Katalysator aufweist. Nach Entfernen des Trägers bzw. der Trägerfolie befindet sich der Katalysator auf der erfindungsgemäßen Membran. Auch diese Gebilde sind Gegenstand der vorliegenden Erfindung.In addition, education the membrane according to the steps A) to D) also on a support or a carrier film take place that already has the catalyst. After removing the carrier or the carrier film the catalyst is on the membrane of the invention. These structures are also the subject of the present invention.
Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Membran-Elektroden-Einheit, die mindestens eine beschichtete Elektrode und/oder mindestens eine erfindungsgemäße Polymermembran in Kombination mit einer weiteren Polymermembran auf Basis von Polyazolen oder einer Polymerblendmembran enthaltend mindestens ein Polymer auf Basis von Polyazolen aufweist.Also the subject of the present Invention is a membrane electrode assembly that has at least one coated Electrode and / or at least one polymer membrane according to the invention in combination with another polymer membrane based on polyazoles or a polymer blend membrane containing at least one polymer Has base of polyazoles.
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