DE19809119A1 - Preparation of polymer used for membrane in fuel cell in high yield at high speed - Google Patents

Preparation of polymer used for membrane in fuel cell in high yield at high speed

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Abstract

Preparation of sulfohalogenated polymers (polymer-(SO2Hal)x) comprises reacting a solution of a metallized polymer (polymer-(Me)x) with sulfuryl halide (SO2Hal2) at -20 to -100 deg C Independent claims are included for: (i) the preparation of sulfohalogenated polymers (polymer-(SO2Hal)x(Electrophile)y) by reacting the metallized polymer with further electrophiles as well as SO2Hal2; (ii) the preparation of laminated membranes by applying a solution of the above polymer to a polymer membrane, removing solvent and hydrolyzing; (iii) a sulfohalogenated polymer made as above; and (iv) a membrane made as above.

Description

Gegenstand der Erfindung sind Verfahren zur Herstellung von sulfohaloge­ nierten Polymeren, zur Modifikation der neuen sulfohalogenierten Polymere, zur Herstellung von Membranen, die die sulfochlorierten Polymere enthalten, neue Polymere und Membranen, sulfohalogenierte Polymere, Membranen aus sulfohalogenierten Polymeren, Blend-Membranen, die sulfohalogenierte Poly­ mere enthalten, wobei die Sulfohalogenidgruppen ggf. nach der Membranher­ stellung zu Sulfonatgruppen hydrolysiert werden, laminierte Membranen, die mindestens eine Schicht aus sulfohalogeniertem Polymer enthalten, z. B. bi­ polare Membranen, bei denen das sulfohalogenierte Polymer auf ein Anionen­ austauscherpolymer aufgebracht wird, und das sulfohalogenierte Polymer da­ nach zum Sulfonsäuregruppen enthaltenden Polymer hydrolysiert wird und Pfropfcopolymere mit sulfohalogenierten Polymeren als Makroinitiator. The invention relates to processes for the production of sulfohalogens nated polymers, to modify the new sulfohalogenated polymers, for the production of membranes containing the sulfochlorinated polymers, new polymers and membranes, sulfohalogenated polymers, membranes sulfohalogenated polymers, blend membranes, the sulfohalogenated poly contain mers, the sulfohalide groups optionally after the membrane position to be hydrolyzed to sulfonate groups, laminated membranes that contain at least one layer of sulfohalogenated polymer, e.g. B. bi polar membranes in which the sulfohalogenated polymer is based on anions exchanger polymer is applied, and the sulfohalogenated polymer there is hydrolyzed to the polymer containing sulfonic acid groups and Graft copolymers with sulfohalogenated polymers as macroinitiators.  

D.M. Vofsi, in: "The Chemistry of Suophonic Acids, Esters and their Derivati­ ves", Chapter 20: Polymers containing SO3H and related groups, Ed.: S. Patai, Z. Rappoport, John Wiley and Sons Ltd., New York (1991) gibt eine Übersicht über einige Herstellungswege von sulfohalogenierten Polymeren. Die wichtig­ sten Herstellungsverfahren sollen hier kurz referiert werden:
Direkte radikalische Polymerisation von Vinylsulfonylfluorid: W. Kern, R. Schultz, H. Schlessmann, Macromol. Chem. 39.1 (1960).
DM Vofsi, in: "The Chemistry of Suophonic Acids, Esters and their Derivati ves", Chapter 20: Polymers containing SO 3 H and related groups, Ed .: S. Patai, Z. Rappoport, John Wiley and Sons Ltd., New York (1991) gives an overview of some ways of producing sulfohalogenated polymers. The most important manufacturing processes are briefly mentioned here:
Direct radical polymerization of vinylsulfonyl fluoride: W. Kern, R. Schultz, H. Schlessmann, Macromol. Chem. 39.1 (1960).

Gleichzeitige Chlorierung und Sulfochlorierung von Low-Density-Polyethylen mittels der Reed-Reaktion (C.F. Reed, C.L. Horn, US-Patent 2,046,090 (1936) und A. Nersaian, D. Anderson, J. Appl. Polym. Sci. 6, 74 (1960)) unter solchen Bedingungen, daß ein modifiziertes Polymer mit 18 Cl und einer SO2Cl-Gruppe auf 100 Ketten-C entsteht (T. Ogawa, C. S. Marvel, J. Polym. Sci. 23, 1231 (1985)). Das Material Hypalon® ist von DuPont kommerziell erhältlich. Der Nachteil der oben angeführten Verfahren besteht darin, daß sie sehr speziell sind und nur eine begrenzte Anzahl von Polymeren nach diesem Verfahren hergestellt werden können.Simultaneous chlorination and sulfochlorination of low-density polyethylene using the Reed reaction (CF Reed, CL Horn, U.S. Patent 2,046,090 (1936) and A. Nersaian, D. Anderson, J. Appl. Polym. Sci. 6, 74 ( 1960)) under conditions such that a modified polymer with 18 Cl and an SO 2 Cl group on 100 chains-C is formed (T. Ogawa, CS Marvel, J. Polym. Sci. 23, 1231 (1985)). Hypalon® material is commercially available from DuPont. The disadvantage of the above methods is that they are very special and only a limited number of polymers can be made by this method.

In EP 0 574 791 A2 ist ein Verfahren zur Herstellung von Polymerelektrolyt­ membranen auf Basis von sulfoniertem Poly(etheretherketon) (PEEK) offen­ bart. Es wird die Herstellung von sulfochloriertem PEEK aus sulfoniertem PEEK durch Behandlung mit einem Chlorierungsmittel wie z. B. PCl5, SOCl2 beschrieben. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß die sulfochlo­ rierte Form des Polymers durch Reaktion des sulfonierten Polymers mit PCl5, POCl3, SOCl2 oder ähnlich hergestellt werden muß, und zwar im Normalfall dadurch, indem das sulfonierte Polymer in einem inerten Lösungsmittel (im Normalfall in einem chlorierten Lösungsmittel wie Trichlormethan oder Dichlo­ rethan) oder im Sulfochlorierungsreagenz gelöst werden muß. Diese Vorge­ hensweise ist sehr aufwendig, gefährlich und umweltbelastend, da die vorge­ nannten Reagenzien stark ätzend und/oder giftig und somit schwierig zu hand­ haben sind, und umweltschädlich, da überschüssiges Sulfochlorierungsmittel neutralisiert werden muß, wodurch große Mengen an Chloriden, Phosphaten und Sulfaten entstehen, und außerdem gegebenenfalls chloriertes Lösungs­ mittel entsorgt werden muß. EP 0 574 791 A2 discloses a process for producing polymer electrolyte membranes based on sulfonated poly (ether ether ketone) (PEEK). It is the manufacture of sulfochlorinated PEEK from sulfonated PEEK by treatment with a chlorinating agent such as. B. PCl 5 , SOCl 2 described. The disadvantage of this method is that the sulfochlorinated form of the polymer must be prepared by reacting the sulfonated polymer with PCl 5 , POCl 3 , SOCl 2 or similar, usually by the sulfonated polymer in an inert solvent (im Normally in a chlorinated solvent such as trichloromethane or dichloroethane) or in the sulfochlorination reagent. This procedure is very complex, dangerous and polluting because the aforementioned reagents are highly caustic and / or toxic and therefore difficult to handle, and environmentally harmful since excess sulfochlorinating agent must be neutralized, which creates large amounts of chlorides, phosphates and sulfates , and also, if necessary, chlorinated solvent must be disposed of.

Aus der Literatur ist folgende Reaktion mit niedermolekularen Komponenten bekannt H. Quast, F. Kees, Synthesis 1974, 489 (1974):
The following reaction with low molecular weight components is known from the literature: H. Quast, F. Kees, Synthesis 1974, 489 (1974):

Sulfochlorierung organischer VerbindungenSulfochlorination of organic compounds

Es wurde nun überraschenderweise festgestellt, daß man die Sulfochlorie­ rungsreaktion auch mit gelösten, metallierten Polymeren durchführen kann, ohne daß diese oder das Lösungsmittel chemisch vom Sulfurylhalogenid zer­ stört werden, falls die Reaktion bei tiefen Temperaturen durchgeführt wird (-20 bis -100°C). Dabei kommen als Lösungsmittel alle Lösungsmittel in Frage, in denen metallorganische Reaktionen durchgeführt werden können. Typische Vertreter sind: Ether wie Tetrahydrofuran, Dioxan, Glyme, Diglyme, etc., oder aromatische Kohlenwasserstoffe wie Toluol oder Benzol oder Xylol. Dabei sind Ether bevorzugt.It has now surprisingly been found that sulfochlorine reaction can also be carried out with dissolved, metallated polymers, without this or the solvent chemically from the sulfuryl halide be disturbed if the reaction is carried out at low temperatures (-20 to -100 ° C). All solvents are suitable as solvents in which organometallic reactions can be carried out. Typical Representatives are: ethers such as tetrahydrofuran, dioxane, glyme, diglyme, etc., or aromatic hydrocarbons such as toluene or benzene or xylene. Are there Ether preferred.

Eine erste Ausführungsform der Erfindung ist im Anspruch 1 wiedergegeben. Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den darauf rückbezogenen An­ sprüchen.A first embodiment of the invention is given in claim 1. Preferred embodiments can be found in the related An sayings.

Das metallierte Ausgangspolymer kann auf folgendem Wege hergestellt wor­ den sein:
Deprotonierung des Polymers mit einer metallorganischen Verbindung. Dabei kann die metallorganische Verbindung sein: Alkyllithium, Aryllithi­ um, Na-organische Verbindungen, K-organische Verbindungen, Grignard- Verbindungen, Lithiumdiisopropylamid und andere organische Li-, Na- und K-amide. Besonders bevorzugt sind Alkyl-Lithium-Verbindungen, dar­ unter besonders bevorzugt Butyllithium.
The metallized starting polymer can be produced in the following way:
Deprotonation of the polymer with an organometallic compound. The organometallic compound can be: alkyl lithium, aryllithium, Na organic compounds, K organic compounds, Grignard compounds, lithium diisopropylamide and other organic Li, Na and K amides. Alkyl lithium compounds are particularly preferred, among which butyl lithium is particularly preferred.

Deprotonierung des Polymers mit einem Alkali- oder Erdalkalimetall. Be­ sonders bevorzugt ist dabei Lithium.Deprotonation of the polymer with an alkali or alkaline earth metal. Be lithium is particularly preferred.

Halogen-Metall-Austausch eines halogenierten (fluorierten, chlorierten, bromierten, iodierten) Polymers in Lösung mit einer metallorganischen Verbindung oder mit einem Alkalimetall. Halogen-metal exchange of a halogenated (fluorinated, chlorinated, brominated, iodinated) polymer in solution with an organometallic Compound or with an alkali metal.  

Als metalliertes Polymer können im Prinzip alle metallierten, gelösten Polymere verwendet werden. Besonders bevorzugt sind metallierte Arylhauptkettenpoly­ mere, darunter besonders bevorzugt Polyethersulfone oder gemischte Po­ ly(ethersulfon-co-etherketon)e oder Polyphenylenoxide. Unter den Arylhaupt­ kettenpolymeren sind besonders bevorzugt Polyethersulfone, darunter beson­ ders bevorzugt das Poly(ethersulfon) Udel® der Fa. Amoco.In principle, all metalized, dissolved polymers can be used as metalated polymer be used. Metallized aryl main chain poly are particularly preferred mers, including particularly preferably polyether sulfones or mixed Po ly (ether sulfone-co-ether ketone) s or polyphenylene oxides. Under the aryl head Chain polymers are particularly preferred polyether sulfones, including particular more preferably the poly (ether sulfone) Udel® from Amoco.

Das metallierte Polymer kann mit Sulfurylhalogenid (-chlorid, -bromid, -fluorid oder gemischte -halogenide) zur Reaktion gebracht werden. Es wurde überra­ schend festgestellt, daß die Sulfurylhalogenide mit hoher Ausbeute (80-100%) und sehr schnell (innerhalb von Sekunden) mit dem metallierten Polymer unter Ausbildung der Sulfonylhalogenidgruppe -SO2Hal am Polymer reagieren und daß sie sich unter bestimmten Bedingungen (niedrige Temperatur, -20 bis -100°C, niedrige Polymerkonzentration, 0,5 bis 5%) nicht mit noch vorhandenen Polymer-Carbanionen unter Vernetzung nach folgender Reaktionsgleichung umsetzen:
The metalated polymer can be reacted with sulfuryl halide (chloride, bromide, fluoride or mixed halides). It was surprisingly found that the sulfuryl halides react with high yield (80-100%) and very quickly (within seconds) with the metalated polymer to form the sulfonyl halide group -SO 2 Hal on the polymer and that they react under certain conditions (low Temperature, -20 to -100 ° C, low polymer concentration, 0.5 to 5%) do not react with polymer carbanions still present with crosslinking according to the following reaction equation:

Polymer-SO2Hal + Li-Polymer -/→ Polymer-SO2-Polymer + Li⁺Hal⁻.Polymer SO 2 Hal + Li polymer - / → polymer SO 2 polymer + Li⁺Hal⁻.

Aus diesem Grunde können neben dem Sulfurylhalogenid noch andere Elek­ trophile (z. B. Nitroniumtetrafluoroborat, Toluolsulfonsäureazid, Alkylhalogeni­ de, Carbonylverbindungen - im Prinzip alle mit dem lithiierten Polymer zur Re­ aktion befähigten Elektrophile) in die Lösung des metallierten Polymers einge­ bracht werden. Die Zugabe der verschiedenen Elektrophile kann dabei in ver­ schiedener Reihenfolge stattfinden:
Zuerst Addition von Sulfurylhalogenid, dann Addition der anderen Elek­ trophile, die gasförmig, flüssig oder fest sein können.
For this reason, in addition to the sulfuryl halide, other electrophiles (e.g. nitronium tetrafluoroborate, toluenesulfonic acid azide, alkyl halides, carbonyl compounds - in principle all electrophiles capable of reacting with the lithiated polymer) can be introduced into the solution of the metalated polymer. The various electrophiles can be added in various orders:
First addition of sulfuryl halide, then addition of the other electrophiles, which can be gaseous, liquid or solid.

Zuerst Addition der anderen Elektrophile, die flüssig oder fest sein kön­ nen, dann Addition von Sulfurylhalogenid oder
Gemeinsame Zugabe von Sulfurylhalogenid und von anderen (flüssigen oder festen) Elektrophilen.
First addition of the other electrophiles, which can be liquid or solid, then addition of sulfuryl halide or
Combined addition of sulfuryl halide and other (liquid or solid) electrophiles.

Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für sul­ fohalogenierte Polymere liegt darin begründet, daß das Polymer nach der Sul­ fohalogenierung in Lösung bleibt und darum nachfolgend durch Ausfällung und erneutes Auflösen im Lösungsmittel von allen anhaftenden Verunreinigungen befreit werden kann. Man kann auf diese Weise Polymere herstellen, die einen definierten Gehalt an Sulfonylhalogenid- und anderen organischen Resten aufweisen.The particular advantage of the production process for sul fohalogenated polymers is due to the fact that the polymer after the Sul fohalogenation remains in solution and therefore subsequently by precipitation and redissolving in the solvent of all adhering impurities can be exempted. In this way, polymers can be produced that  defined content of sulfonyl halide and other organic residues exhibit.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für Polymere, die Sulfonylhalogenid-Gruppen enthalten, können folgendermaßen zusammenge­ faßt werden:
Jedes Polymer, das lösliche metallorganische Salze bildet, kann diesem Herstellungsverfahrens unterworfen werden.
The advantages of the production process according to the invention for polymers which contain sulfonyl halide groups can be summarized as follows:
Any polymer that forms soluble organometallic salts can be subjected to this manufacturing process.

Die Reaktion läuft schnell und mit hoher Ausbeute ab.The reaction proceeds quickly and with a high yield.

Anders als bei sulfochlorierten Polymeren, die durch Chlorierung der Sul­ fonsäuregruppe mittels Chlorierungsmitteln wie PCl5, POCl3, SOCl2 etc. erhalten werden, fallen keine ätzenden und giftigen Abfälle an, die neutra­ lisiert und aufwendig entsorgt werden müssen.In contrast to sulfochlorinated polymers, which are obtained by chlorinating the sulfonic acid group using chlorinating agents such as PCl 5 , POCl 3 , SOCl 2 etc., there are no caustic and toxic wastes that have to be neutralized and laboriously disposed of.

Das sulfohalogenierte Polymer kann isoliert werden, da überraschend festge­ stellt wurde, daß es bei Raumtemperatur nur eine schwache Tendenz zur Hy­ drolyse mit Luftfeuchtigkeit oder Wasser zeigt. Das sulfohalogenierte Polymer kann aus diesem Grunde weiteren, definierten Reaktionsschritten unterworfen werden.The sulfohalogenated polymer can be isolated because surprisingly Festge was that there is only a slight tendency to Hy drolysis with humidity or water shows. The sulfohalogenated polymer can therefore be subjected to further, defined reaction steps become.

Wenn ein durch metallorganische Verbindungen deprotoniertes aromatisches Polymer nach diesem Verfahren sulfohalogeniert wird, wird die Sulfonylhaloge­ nidgruppe in der Regel im gegen Abspaltung und Hydrolyse stabileren Teil des Aromatensystems eingeführt.If an aromatic deprotonated by organometallic compounds If the polymer is sulfohalogenated by this process, the sulfonyl halogens nid group usually in the part of the part which is more stable against elimination and hydrolysis Aromatic system introduced.

Die Sulfonylhalogenidgruppe wird mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens sehr schonend und sicher eingeführt, da die Reaktion bei tiefen Temperaturen (-20 bis -100°C) und unter Schutzgas durchgeführt wird. Polymerabbau und/oder Nebenreaktionen fallen deshalb praktisch nicht ins Gewicht.The sulfonyl halide group is obtained using the process according to the invention introduced very gently and safely, because the reaction at low temperatures (-20 to -100 ° C) and under protective gas. Polymer degradation and / or side reactions are therefore practically insignificant.

Die polymeren Sulfonsäurehalogenide können nun allen Reaktionen unterwor­ fen werden, die auch von niedermolekularen Sulfonsäurehalogeniden bekannt sind:
Hydrolyse zur entsprechenden Sulfonsäure oder zum entsprechenden Sulfonsäuresalz durch Behandlung mit Säure, Base oder Wasser bei er­ höhter Temperatur. Es entstehen hier sehr hydrolysestabile Po­ ly(sulfonsäure)n oder Poly(sulfonate) durch partielle oder vollständige Re­ aktion mit Aminen zu Sulfonamiden. Werden Diamine eingesetzt, kann das Poly(sulfonsäurehalogenid) vernetzt werden. Dabei können durch entsprechende Wahl des Diamins vernetzte Polymere mit abgestuften Hydrolysestabilitäten erzeugt werden (zur Vernetzung von PEEK-Sulfo­ chlorid mit Diaminen siehe auch EP 0 574 791 A2).
The polymeric sulfonic acid halides can now be subjected to all reactions which are also known from low molecular weight sulfonic acid halides:
Hydrolysis to the corresponding sulfonic acid or to the corresponding sulfonic acid salt by treatment with acid, base or water at elevated temperature. Very hydrolysis-stable poly (sulfonic acid) s or poly (sulfonates) are formed here by partial or complete reaction with amines to give sulfonamides. If diamines are used, the poly (sulfonic acid halide) can be crosslinked. Crosslinked polymers with graded hydrolysis stabilities can be produced by appropriate choice of the diamine (for the crosslinking of PEEK sulfochloride with diamines, see also EP 0 574 791 A2).

Werden Polyamine eingesetzt, können homogene, vernetzte Interpolyme­ re hergestellt werden, deren Vernetzungsdichte durch Wahl des Sulfonyl­ halogenidgehalts des sulfohalogenierten Polymers und durch Wahl des Aminogruppengehalts des Aminopolymers in weiten Grenzen variiert wer­ den kann.If polyamines are used, homogeneous, crosslinked interpolymers can be used re are produced, the crosslinking density by choice of sulfonyl halide content of the sulfohalogenated polymer and by choosing the Amino group content of the amino polymer varies within wide limits that can.

Auf die polymeren Sulfonylhalogenidgruppen können ungesättigte Ver­ bindungen wie z. Styrole, Acrylate, Methacrylate etc. in einer "living radi­ cal" Polymerisationsreaktion aufpolymerisiert werden, unter Katalyse durch CuCl/Bipyridin, RuCl2(PPh3)3 Tns(tnphenylphosphin)Ruthenium(II)-di­ chlorid)/Aluminiumtriisopropylat oder ähnliche Redoxkatalysatoren, wie in M. Matsuyama, M. Kamigaito, M. Sawamoto, J. Polym. Sci. 34, 3585 (1996) für niedermolekulare Sulfonsäurechloride beschrieben, wobei das polymere Sulfonylhalogenid in einem geeigneten Lösungsmittel, das nicht mit den Katalysatoren oder entstehenden Radikalen reagiert, aufgelöst werden muß. Geeignete Lösungsmittel sind beispielsweise Sulfolan, Dial­ kylsulfone, Aromaten wie Benzol, Toluol oder Xylol, oder Ether wie THF, Dioxan, Glyme, Diglyme etc. . Es können somit aus den sulfohalogenierten Polymeren Pfropfcopolymere hergestellt werden, deren Eigenschaften durch Wahl des aufzupfropfenden Monomers und durch Variation der Kettenlänge der entstehenden Seitenketten in weiten Grenzen variiert werden können. Dabei können alle Olefine, die zur radikalischen Polyme­ risation mit Sulfohalogeniden befähigt sind, verwendet werden. Bevorzugt werden dabei Olefine der Gruppe der Acrylverbindungen, der Styrolver­ bindungen und der Vinylpyridinverbindungen. Sind die Olefine Acrylsäu­ ren, entstehen schwach saure Kationenaustauscherpolymere, sind die Olefine Phosphonsäuren, entstehen Kationenaustauscherpolymere mittle­ rer Säurestärke, sind die Olefine 2-Vinylpyridin oder 4-Vinylpyridin, ent­ stehen schwach basische Anionenaustauscherpolymere. Wird der Stick­ stoff der Vinylpyridineinheiten alkyliert, entstehen stark basische Anionen­ austauscherpolymere.On the polymeric sulfonyl halide groups unsaturated compounds such. Styrenes, acrylates, methacrylates etc. are polymerized in a "living radi cal" polymerization reaction, with catalysis by CuCl / bipyridine, RuCl 2 (PPh 3 ) 3 Tns (tnphenylphosphine) ruthenium (II) -di chloride) / aluminum triisopropylate or similar redox catalysts, as in M. Matsuyama, M. Kamigaito, M. Sawamoto, J. Polym. Sci. 34, 3585 (1996) for low molecular weight sulfonic acid chlorides, the polymeric sulfonyl halide having to be dissolved in a suitable solvent which does not react with the catalysts or the radicals formed. Suitable solvents are, for example, sulfolane, dialkylsulfones, aromatics such as benzene, toluene or xylene, or ethers such as THF, dioxane, glyme, diglyme etc. Graft copolymers can thus be produced from the sulfohalogenated polymers, the properties of which can be varied within wide limits by choosing the monomer to be grafted on and by varying the chain length of the side chains formed. All olefins which are capable of radical polymerization with sulfohalides can be used. Preferred are olefins from the group of acrylic compounds, styrene compounds and vinylpyridine compounds. If the olefins are acrylic acids, weakly acidic cation exchange polymers are formed, if the olefins are phosphonic acids, if cationic exchange polymers are of medium acid strength, if the olefins are 2-vinylpyridine or 4-vinylpyridine, weakly basic anion exchange polymers are formed. If the nitrogen of the vinyl pyridine units is alkylated, strongly basic anions are formed as an exchange polymer.

Bei Mischungsversuchen von sulfohalogeniertem Polysulfon (PSU) mit unmo­ difiziertem Polysulfon und mit silyliertem Polysulfon in einem gemeinsamen Lö­ sungsmittel wurde überraschend festgestellt, daß sulfohalogeniertes PSU mit unmodifiziertem/silyliertem PSU homogene Polymerlösungen bildet. Dies ist insofern überraschend, als daß unmodifiziertes/silyliertes PSU mit sulfoniertem PSU unmischbar ist, was sich durch Phasentrennung der Lösung beider Poly­ mere zeigt. Werden aus den homogenen Lösungen von sulfohalogeniertem und nativem/silyliertem PSU dünne Polymerfilme durch Abdampfen des Lö­ sungsmittels hergestellt, so haben sich diese als mechanisch sehr stabil erwie­ sen, was vermutlich durch die starke gegenseitige Durchdringung der Polymer­ knäuel von sulfohalogeniertem und nativem/silyliertem PSU verursacht wird. Dabei wirkt das unmodifizierte/silylierte Polymer als stabile Stützphase, in die das sulfohalogenierte Polymer eingebettet ist. Die Polymerfilme können nun in einem zweiten Schritt der sauren, basischen oder wäßrigen Hydrolyse bei er­ höhten Temperaturen unterworfen werden, so daß alle Sulfonylhalogenidgrup­ pen in Sulfonatgruppen umgewandelt werden. Es werden auf diesem Wege Polymerfilme mit Morphologien erhalten, wie sie durch Mischung von sulfo­ niertem und nativem Polymer nicht erhalten werden könnten. Durch die starke Durchdringung der Polymerknäuel von nativem und sulfohalogeniertem Poly­ mer ist die Morphologie des Polymerfilms fixiert, kann also auch durch die Hy­ drolyse der Sulfonylhalogenidgruppen nicht mehr makroskopisch verändert werden.When trying to mix sulfohalogenated polysulfone (PSU) with unmo differentiated polysulfone and with silylated polysulfone in a common solution  It was surprisingly found that sulfohalogenated PSU with unmodified / silylated PSU forms homogeneous polymer solutions. This is surprising in that unmodified / silylated PSU with sulfonated PSU is immiscible, which is due to the phase separation of the solution of both poly mere shows. Are made from the homogeneous solutions of sulfohalogenated and native / silylated PSU thin polymer films by evaporating the Lö produced solvent, they have proven to be mechanically very stable sen, which is believed to be due to the strong interpenetration of the polymer tangle of sulfohalogenated and native / silylated PSU. The unmodified / silylated polymer acts as a stable support phase in which the sulfohalogenated polymer is embedded. The polymer films can now in a second step of acidic, basic or aqueous hydrolysis in he subjected to high temperatures, so that all sulfonyl halide groups pen can be converted into sulfonate groups. It will be this way Obtain polymer films with morphologies such as those obtained by mixing sulfo nated and native polymer could not be obtained. Because of the strong Penetration of polymer balls of native and sulfohalogenated poly The morphology of the polymer film is fixed, so it can also be determined by the hy Drolysis of the sulfonyl halide groups no longer changed macroscopically become.

Es sind auf diesem Wege also Blendmembranen aus sulfoniertem und unmo­ difizierten Polymeren zugänglich, die eine gegenüber anderen Ionenaustau­ schermembranen wesentlich erhöhte mechanische Stabilität aufweisen und de­ ren Mikrophasenstruktur durch Variation des Verhältnisses und der Art der sulfohalogenierten und der unmodifizierten Blendkomponenten und gegebe­ nenfalls weiterer Blendkomponenten in weiten Grenzen variiert werden kann. Weitere Variationsfreiheitsgrade der Blendmembranen sind:
Addition einer dritten Komponente zum Blend aus sulfohalogeniertem und un­ modifiziertem Polymer, beispielsweise Zugabe eines eine basische Stickstoff­ gruppe enthaltenden Polymers, das mit den Sulfohalogenidgruppen unter Bil­ dung von Sulfonamidbrücken vernetzen kann. Vernetzung des Po­ ly(sulfohalogenid)s mit sich selbst und/oder mit dem unmodifizierten Polymer, wenn das Poly(sulfohalogenid) und/oder das unmodifizierte Polymer ein aro­ matisches Polymer ist und ein Friedel-Crafts-Katalysator wie AlCl3, AlBr3, BF3, FeCl3 etc. zugegeben wird und/oder die Temperatur erhöht wird und die Sulfo­ halogenidgruppe wie folgt mit einem aromatischen H reagiert:
In this way, it is possible to obtain blend membranes made of sulfonated and unmodified polymers, which have a considerably higher mechanical stability compared to other ion exchange membranes and whose micro-phase structure is wide by varying the ratio and type of sulfo-halogenated and unmodified blend components and, if appropriate, other blend components Limits can be varied. Further degrees of freedom of variation of the glare membranes are:
Addition of a third component to the blend of sulfohalogenated and unmodified polymer, for example addition of a polymer containing a basic nitrogen group, which can crosslink with the sulfohalide groups to form sulfonamide bridges. Crosslinking of the poly (sulfohalide) with itself and / or with the unmodified polymer if the poly (sulfohalide) and / or the unmodified polymer is an aromatic polymer and a Friedel-Crafts catalyst such as AlCl 3 , AlBr 3 , BF 3 , FeCl 3 etc. is added and / or the temperature is increased and the sulfo halide group reacts with an aromatic H as follows:

Die -SO2-Vernetzungsbrücken sind chemisch sehr stabil. Mit den erfindungs­ gemäßen sulfochlorierten Polymeren sind auch Bipolare Membranen (Bipolare Membranen sind Membranen, die aus einer Anionenaustauscherpolymer- und einer Kationenaustauscherpolymerschicht bestehen und die in der Elektrodia­ lyse zur Wasserspaltung Anwendung finden [K.N. Mani, J. Memb. Sci. 58, 117-138 (1991), R. Simons, J. Memb. Sci. 78, 13-23 (1993)]) einfach zugänglich: Man muß nur auf eine Anionenaustauscher-Polymermembran eine Lösung des sulfohalogenierten Polymers aufbringen, das Lösungsmittel verdampfen und das sulfohalogenierte Polymer mittels saurer, neutraler oder alkalischer Hydro­ lyse zum entsprechenden sulfonierten Polymer umwandeln. Dabei kann der Lösung des sulfohalogenierten Polymers noch ein weiteres Polymer, z. B. ein aminiertes oder ein unmodifiziertes Polymer, wie vorstehend beschrieben, zu­ gesetzt sein. Falls das aminierte Polymer leicht mit dem sulfohalogenierten Polymer reagiert, kann die primäre, sekundäre oder tertiäre Aminogruppe zu­ nächst mit einer Schutzgruppe versehen werden, die dann gleichzeitig mit der sauren oder alkalischen Hydrolyse der Sulfohalogenidgruppen der polymeren Sulfonsäurehalogenidschicht auf der Anionenaustauschermembran wieder ab­ gespalten wird. Eine leicht alkalisch oder sauer wieder abspaltbare Schutz­ gruppe für primäre Aminogruppen ist die Acetylgruppe, die durch Reaktion der Aminogruppe mit beispielsweise Essigsäurechlorid erzeugt wird:
The -SO 2 crosslink bridges are chemically very stable. With the sulfochlorinated polymers according to the invention are also bipolar membranes (bipolar membranes are membranes which consist of an anion exchange polymer and a cation exchange polymer layer and which are used in electrodialysis for water splitting [KN Mani, J. Memb. Sci. 58, 117-138 (1991), R. Simons, J. Memb. Sci. 78, 13-23 (1993)]) easily accessible: You only have to apply a solution of the sulfohalogenated polymer to an anion exchange polymer membrane, evaporate the solvent and by means of the sulfohalogenated polymer convert acidic, neutral or alkaline hydrolysis to the corresponding sulfonated polymer. The solution of the sulfohalogenated polymer can be yet another polymer, e.g. B. an aminated or an unmodified polymer, as described above. If the aminated polymer easily reacts with the sulfohalogenated polymer, the primary, secondary or tertiary amino group can first be provided with a protective group, which is then cleaved off again at the same time as the acidic or alkaline hydrolysis of the sulfohalide groups of the polymeric sulfonic acid halide layer on the anion exchange membrane. A slightly alkaline or acidic protective group for primary amino groups is the acetyl group, which is generated by reaction of the amino group with, for example, acetic acid chloride:

Polymer-NH2 + H3C-COCl → Polymer-NH-CO-CH3.Polymer-NH 2 + H 3 C-COCl → polymer-NH-CO-CH 3 .

Aminogruppen können auch durch Reaktion mit Benzolsulfochlorid maskiert werden:
Amino groups can also be masked by reaction with benzenesulfochloride:

Polymer-NH2 + C6H5-SO2Cl → Polymer-NH-SO2-C6H5.Polymer-NH 2 + C 6 H 5 -SO 2 Cl → polymer-NH-SO 2 -C 6 H 5 .

Das gebildete Sulfonamid kann sauer unter Wiedererhalt der Aminogruppe ge­ spalten werden.The sulfonamide formed can be acidic while retaining the amino group will split.

Aus der Literatur, insbesondere aus der Proteinchemie, sind viele Beispiele von Schutzgruppen für Aminogruppen bekannt.Many examples of are from the literature, in particular from protein chemistry Protecting groups for amino groups are known.

Der besondere Vorteil des vorstehenden Herstellungsverfahrens für bipolare Membranen liegt darin, daß das sulfohalogenierte Polymer in einem Lösungs­ mittel gelöst werden kann (beispielsweise Tetrahydrofuran), das die Anionen­ austauscherpolymerschicht nicht angreift. Bei der gängigen Herstellung bipola­ rer Membranen via Laminierung von Anionenaustauscherpolymer-Membranen mit Kationenaustauscherpolymerlösungen besteht das Problem, daß das zur Auflösung des Kationenaustauscherpolymers notwendige dipolar-aprotische Lösungsmittel (N-Methylpyrrolidon, N,N-Dimethylacetamid, N,N-Dimethyl­ formamid, Dimethylsulfoxid etc.) die Anionenaustauscherschicht an- oder sogar auflöst und damit die zur bipolaren Wasserspaltung notwendige scharfe Grenz­ schicht zwischen Anionen- und Kationenaustauscherpolymer-Membran in der Bipolaren Membran nicht ausgebildet werden kann.The particular advantage of the above bipolar manufacturing process Membranes is that the sulfohalogenated polymer in a solution can be dissolved (for example tetrahydrofuran), which the anions exchanger polymer layer does not attack. In the common production bipola  rer membranes via lamination of anion exchange polymer membranes with cation exchange polymer solutions there is the problem that the Dissolution of the cation-exchange polymer necessary dipolar aprotic Solvent (N-methylpyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethyl formamide, dimethyl sulfoxide etc.) the anion exchange layer or even dissolves and thus the sharp boundary necessary for bipolar water splitting layer between the anion and cation exchange polymer membrane in the Bipolar membrane cannot be formed.

AusführungsbeispieleEmbodiments Beispiel 1example 1 Herstellung von sulfochloriertem Polysulfon mit einer SO2Cl-GruppeProduction of sulfochlorinated polysulfone with a SO 2 Cl group Ansatzapproach

11,05 g handelsübliches PSU Udel® P 1800 (0,025 mol) getrocknet
400 ml THF wasserfrei
2,5 ml n-BuLi 10 N (0,025 mol)
2,4 ml SO2Cl2 (0,03 mol)
Molekularmasse sulfochloriertes PSU: 540,5 g/mol
Molekularmasse sulfochloriertes-hydrolysiertes PSU: 522,0 g/mol
Zielkapazität:
1,85 meq/g SO2Cl
1,92 meq/g SO3H.
11.05 g of commercially available PSU Udel® P 1800 (0.025 mol) dried
400 ml THF anhydrous
2.5 ml n-BuLi 10 N (0.025 mol)
2.4 ml SO 2 Cl 2 (0.03 mol)
Molecular mass of sulfochlorinated PSU: 540.5 g / mol
Molecular mass of sulfochlorinated-hydrolyzed PSU: 522.0 g / mol
Target capacity:
1.85 meq / g SO 2 Cl
1.92 meq / g SO 3 H.

Durchführungexecution

Unter Schutzgas wurde wasserfreies THF in ein 1L-Reaktionsgefäß gefüllt. Danach wurde in das Reaktionsgefäß unter Rühren und kräftigem Spülen mit Argon das getrocknete Polymer eingetragen. Nachdem das Polymer aufgelöst war, wurde es auf -70°C heruntergekühlt, unter kräftigem Argonstrom. Nun titrierte man die Polymerlösung mit n-BuLi aus, bis eine leichte Gelb/Orange­ färbung anzeigte, daß die Reaktionsmischung nunmehr wasserfrei war. Da­ nach wurde innerhalb von 15 min 10 N n-BuLi eingespritzt. Man ließ die Reak­ tionsmischung 1½ Stunden lang reagieren. Danach spritzte man schnell SO2Cl2 ein. Danach wurden in die Reaktionsmischung 25 ml Wasser einge­ spritzt, um überschüssiges SO2Cl2 zu hydrolysieren. Danach ließ man die Re­ aktionsmischung auf Raumtemperatur hochwärmen. Anhydrous THF was introduced into a 1 L reaction vessel under protective gas. The dried polymer was then introduced into the reaction vessel with stirring and vigorous purging with argon. After the polymer was dissolved, it was cooled down to -70 ° C under a vigorous flow of argon. The polymer solution was then titrated with n-BuLi until a slight yellow / orange color indicated that the reaction mixture was now anhydrous. Then 10 N n-BuLi was injected within 15 minutes. The reaction mixture was allowed to react for 1½ hours. Then SO 2 Cl 2 was quickly injected. 25 ml of water were then injected into the reaction mixture in order to hydrolyze excess SO 2 Cl 2 . The reaction mixture was then allowed to warm up to room temperature.

Man entnahm dem Reaktionsgefäß nun 100 ml der Lösung und fällte diese in 500 ml Isopropanol aus, am besten durch Sprühfällung. Nach Abfiltration wur­ den die Polymerkörner in 100 ml Methanol aufgeschlämmt und 1 h gerührt. Danach wurde wieder abfiltriert. Das Polymer wurde bei 50°C im Vakuum ge­ trocknet. Danach wurde es gemahlen. Nach der Mahlung wurde es in Diethy­ lether (100 ml) aufgeschlämmt und 1 h gerührt. Danach wurde der Ether abro­ tiert. Es erfolgte eine Trocknung bei 50°C zuerst im Membranpumpenvakuum, dann im Ölpumpenvakuum. Die Trocknung sollte sehr sorgfältig sein, da die Proben danach mittels 1H-NMR und IR-Spektroskopie untersucht wurden. Vom getrockneten Polymer wurde eine Elementaranalyse, ein 1H-NMR-Spektrum und ein IR-Spektrum aufgenommen (KBr-Pressling).100 ml of the solution were then removed from the reaction vessel and this was precipitated in 500 ml of isopropanol, preferably by spray precipitation. After filtration, the polymer granules were slurried in 100 ml of methanol and stirred for 1 hour. Then it was filtered off again. The polymer was dried at 50 ° C in a vacuum. Then it was ground. After grinding, it was slurried in diethyl ether (100 ml) and stirred for 1 hour. The ether was then rotated off. Drying was carried out at 50 ° C. first in a membrane pump vacuum, then in an oil pump vacuum. Drying should be very careful since the samples were then examined using 1 H-NMR and IR spectroscopy. An elemental analysis, a 1 H-NMR spectrum and an IR spectrum were recorded from the dried polymer (KBr pellet).

Die restliche Polymerlösung wurde unter Sprühfällung in 1 l Wasser ausgefällt. Das Polymer wurde abfiltriert und bei 80°C im Trockenschrank getrocknet. Da­ nach wurde es in 100 ml Wasser aufgeschlämmt und bei 80°C so lange im Trockenschrank stehengelassen, bis es hydrolysiert war (2 Tage). Danach wurde es abfiltriert und bei 80°C im Trockenschrank vorgetrocknet. Danach wurde es gemahlen. Das Polymer wurde in 100 ml Diethylether aufge­ schlämmt, 1 Tag rührengelassen, und danach der Ether im Rotationsver­ dampfer bei Normaldruck abgezogen, wobei das anhaftende Wasser azeotrop mitgenommen wurde. Das Polymer wurde im Ölpumpenvakuum bei 80°C bis zur Gewichtskonstanz getrocknet. Vom Polymer werden ein 1H-NMR-Spek­ trum, eine Elementaranalyse und ein IR-Spektrum (KBr-Pressling) ange­ fertigt.The remaining polymer solution was precipitated in 1 liter of water with spray precipitation. The polymer was filtered off and dried at 80 ° C. in a drying cabinet. Then it was slurried in 100 ml of water and left in the drying cabinet at 80 ° C. until it was hydrolyzed (2 days). It was then filtered off and predried at 80 ° C. in a drying cabinet. Then it was ground. The polymer was slurried in 100 ml of diethyl ether, left to stir for 1 day, and then the ether was stripped off in a rotary evaporator at atmospheric pressure, the adhering water being taken along azeotropically. The polymer was dried to constant weight in an oil pump vacuum at 80 ° C. A 1 H-NMR spectrum, an elemental analysis and an IR spectrum (KBr pellet) are produced from the polymer.

Charakterisierungcharacterization

Ausbeute: 97%
Ionenaustauschkapazität (IEC): 1,89 meq SO2
Yield: 97%
Ion exchange capacity (IEC): 1.89 meq SO 2

Cl/g (1 Cl / g ( 1st

H-NMR)
IEC: 1,78 meq SO2
H-NMR)
IEC: 1.78 meq SO 2

Cl/g (Elementaranalyse)
IEC (hydrolysiert):1,75 meq SO3
Cl / g (elementary analysis)
IEC (hydrolyzed): 1.75 meq SO 3

H/g (1 H / g ( 1st

H-NMR)
IEC (hydrolysiert):1,45 meq SO3
H-NMR)
IEC (hydrolyzed): 1.45 meq SO 3

H/g (Titration).H / g (titration).

Beispiel 2Example 2 Herstellung von sulfochloriertem Polysulfon mit 3 SO2Cl-GruppenProduction of sulfochlorinated polysulfone with 3 SO 2 Cl groups Ansatzapproach

11,05 g PSU Udel® P 1800 (0,025 mol) getrocknet
400 ml THF wasserfrei
10 ml n-BuLi 10 N (0,1 mol)
12 ml SO2
11.05 g PSU Udel® P 1800 (0.025 mol) dried
400 ml THF anhydrous
10 ml n-BuLi 10 N (0.1 mol)
12 ml SO 2

Cl2 Cl 2

(0,15 mol)
Molekularmasse sulfochloriertes PSU: 737,5 g/mol
Molekularmasse sulfochloriertes-hydrolysiertes PSU: 682,0 g/mol
Zielkapazität: 4,07 meq/g SO2
(0.15 mol)
Molecular mass of sulfochlorinated PSU: 737.5 g / mol
Molecular mass of sulfochlorinated-hydrolyzed PSU: 682.0 g / mol
Target capacity: 4.07 meq / g SO 2

Cl
4,44 meq/g SO3
Cl
4.44 meq / g SO 3

H (nach Hydrolyse).H (after hydrolysis).

Durchführungexecution

Man füllte unter Schutzgas das THF in ein 1L-Reaktionsgefäß. Danach wurde in das Reaktionsgefäß unter Rühren und kräftigem Spülen mit Argon das ge­ trocknete Polymer eingetragen. Nachdem das Polymer aufgelöst war, wurde es auf -60°C heruntergekühlt, unter kräftigem Argonstrom. Nun titrierte man die Polymerlösung mit n-BuLi aus, bis eine leichte Gelb/Orangefärbung anzeigte, daß die Reaktionsmischung wasserfrei war. Danach wurde 10 N n-BuLi einge­ spritzt. Man stellte nach der BuLi-Einspritzung den Thermostaten des Kühlag­ gregats auf -30°C. Man beobachtete die ansteigende Temperatur und ließ ab Erreichen von -30°C die Reaktionsmischung 2 h lang reagieren. Danach wurde wieder auf -70°C heruntergekühlt. Dann wurde schnell das SO2Cl2 eingespritzt.The THF was introduced into a 1 L reaction vessel under protective gas. The dried polymer was then introduced into the reaction vessel with stirring and vigorous purging with argon. After the polymer was dissolved, it was cooled down to -60 ° C under a vigorous flow of argon. The polymer solution was then titrated with n-BuLi until a slight yellow / orange color indicated that the reaction mixture was anhydrous. Then 10 N n-BuLi was injected. After the BuLi injection, the thermostat of the cooling unit was set to -30 ° C. The rising temperature was observed and the reaction mixture was allowed to react for 2 hours after reaching -30 ° C. It was then cooled back down to -70 ° C. Then the SO 2 Cl 2 was quickly injected.

Danach wurden in die Reaktionsmischung 50 ml Wasser eingespritzt, um über­ schüssiges SO2Cl2 zu hydrolysieren und die Salze in die wäßrige Phase zu überführen. Danach ließ man die Reaktionsmischung auf Raumtemperatur hochwärmen. Man füllte die Reaktionsmischung in einen Scheidetrichter und ließ sich die Phasen trennen. Die organische, das sulfochlorierte Polymer ent­ haltende Phase wurde in Isopropanol ausgefällt und abfiltriert. Danach wurde sie nochmals in 300 ml Isopropanol gerührt und erneut abfiltriert. Nach Abfiltra­ tion wurden die Polymerkörner bei 50°C im Vakuum getrocknet. Danach wurde es in Diethylether (100 ml) aufgeschlämmt und 1 Tag gerührt. Danach wurde der Ether abfiltriert. Es erfolgte eine Trocknung bei 50°C zuerst im Membran­ pumpenvakuum, dann im Ölpumpenvakuum. Die Trocknung sollte sehr sorg­ fältig sein, da die Proben danach mittels 1H-NMR und IR-Spektroskopie unter­ sucht wurden. Vom getrockneten Polymer wurde eine Elementaranalyse, ein 1H-NMR-Spektrum und ein IR-Spektrum aufgenommen (KBr-Pressling).50 ml of water were then injected into the reaction mixture in order to hydrolyze over excess SO 2 Cl 2 and to transfer the salts into the aqueous phase. The reaction mixture was then allowed to warm up to room temperature. The reaction mixture was poured into a separatory funnel and the phases were allowed to separate. The organic phase containing the sulfochlorinated polymer was precipitated in isopropanol and filtered off. Then it was stirred again in 300 ml of isopropanol and filtered off again. After filtering, the polymer granules were dried at 50 ° C. in vacuo. It was then slurried in diethyl ether (100 ml) and stirred for 1 day. The ether was then filtered off. Drying was carried out at 50 ° C. first in a membrane pump vacuum, then in an oil pump vacuum. Drying should be very careful since the samples were then examined using 1 H-NMR and IR spectroscopy. An elemental analysis, a 1 H-NMR spectrum and an IR spectrum were recorded from the dried polymer (KBr pellet).

Danach wurde eine Probe des Polymers (4 g) in 100 ml Wasser aufge­ schlämmt und bei 80°C so lange im Trockenschrank stehengelassen, bis es sich unter Hydrolyse aufgelöst hatte. Nach Auflösung wurde die wäßrige Po­ lymerlösung bis zur neutralen Reaktion dialysiert. Das Dialysat wurde im Trocken­ schrank bei 80°C zum festen Polymer eingedampft und danach zerkleinert. Das Polymer wurde in 100 ml Diethylether aufgeschlämmt, 3 Tage rührenge­ lassen, und danach wurde der Ether abfiltriert. Das Polymer wurde im Ölpum­ penvakuum bei 80°C bis zur Gewichtskonstanz getrocknet. Vom hydrolysierten Polymer wurden ein 1H-NMR-Spektrum, eine Elementaranalyse und ein IR-Spek­ trum (KBr-Pressling) angefertigt. Außerdem wurde durch Titration die Io­ nenaustauscherkapazität des hydrolysierten Polymers bestimmt. Dazu wurden 0,5-1 g des Polymers in 50 ml Wasser aufgelöst (ggf. durch Erwärmen im Trocken­ schrank) und danach mit 0,1 N NaOH titriert.A sample of the polymer (4 g) was then slurried in 100 ml of water and left in the drying cabinet at 80 ° C. until it had dissolved under hydrolysis. After dissolution, the aqueous polymer solution was dialyzed until neutral. The dialysate was evaporated in a drying cabinet at 80 ° C. to give the solid polymer and then comminuted. The polymer was slurried in 100 ml of diethyl ether, allowed to stir for 3 days, and then the ether was filtered off. The polymer was dried in an oil pump vacuum at 80 ° C. to constant weight. A 1 H-NMR spectrum, an elemental analysis and an IR spectrum (KBr pellet) were prepared from the hydrolyzed polymer. In addition, the ion exchange capacity of the hydrolyzed polymer was determined by titration. For this purpose, 0.5-1 g of the polymer were dissolved in 50 ml of water (possibly by heating in a drying cabinet) and then titrated with 0.1 N NaOH.

Charakterisierungcharacterization

Ausbeute: 98%
Ionenaustauschkapazität (IEC): 3,33 meq SO2
Yield: 98%
Ion exchange capacity (IEC): 3.33 meq SO 2

Cl/g (1 Cl / g ( 1st

H-NMR)
IEC (hydrolysiert): 3,64 meq SO3
H-NMR)
IEC (hydrolyzed): 3.64 meq SO 3

H/g (1 H / g ( 1st

H-NMR)
IEC (hydrolysiert): 3,33 meq SO3
H-NMR)
IEC (hydrolyzed): 3.33 meq SO 3

H/g (Titration).H / g (titration).

Beispiel 3Example 3 Herstellung einer Blendmembran aus sulfochloriertem Polysulfon mit 1,5 SO2Cl-Gruppen und unmodifiziertem PolysulfonProduction of a blend membrane from sulfochlorinated polysulfone with 1.5 SO 2 Cl groups and unmodified polysulfone

1,5 g eines sulfochlorierten Polysulfons mit 1,5 SO2Cl-Gruppen pro Repe­ tiereinheit wurden zusammen mit 0,5 g unmodifiziertem Polysulfon P 1800 in 10 ml Tetrahydrofuran gelöst. Man zog aus der Polymerlösung einen dünnen Film auf einer Glasplatte und ließ das Lösungsmittel bei Raumtemperatur ver­ dampfen. Der Film wurde von der Glasplatte gelöst und 48 Stunden bei 80°C in Wasser hydrolysiert. Es entstand ein ionenleitfähiger, transparenter Polymer­ film mit folgenden Charakteristika:
Quellung H⁺-Form in Wasser: 45%
Ionenaustauscherkapazität: 1,65 meq SO3H/g Polymer
Flächenwiderstand H⁺(Na⁺)Form (bestimmt mittels Impedanzspektroskopie in 0,5 N H2SO410,5 N NaCl): 0,032(0,317) Ωcm
Spezifischer Widerstand H⁺(Na⁺)Form (bestimmt mittels Impedanzspektrosko­ pie in 0,5 N H2SO4/0,5 N NaCl): 5,9(58,8) Ωcm.
1.5 g of a sulfochlorinated polysulfone with 1.5 SO 2 Cl groups per repeating unit were dissolved together with 0.5 g of unmodified polysulfone P 1800 in 10 ml of tetrahydrofuran. A thin film was drawn from the polymer solution on a glass plate and the solvent was allowed to evaporate at room temperature. The film was detached from the glass plate and hydrolyzed in water at 80 ° C for 48 hours. The result was an ion-conductive, transparent polymer film with the following characteristics:
Swelling H⁺ form in water: 45%
Ion exchange capacity: 1.65 meq SO 3 H / g polymer
Surface resistance H⁺ (Na⁺) form (determined by impedance spectroscopy in 0.5 NH 2 SO 4 10.5 N NaCl): 0.032 (0.317) Ωcm
Specific resistance H⁺ (Na⁺) form (determined by means of impedance spectroscopy in 0.5 NH 2 SO 4 / 0.5 N NaCl): 5.9 (58.8) Ωcm.

Beispiel 4Example 4 Herstellung einer Blendmembran aus sulfochloriertem Polysulfon mit 1,5 SO2Cl-Gruppen und diaminiertem PolysulfonProduction of a blend membrane from sulfochlorinated polysulfone with 1.5 SO 2 Cl groups and diaminated polysulfone

1,5 g eines sulfochlorierten Polysulfons mit 1,5 SO2Cl-Gruppen pro Repe­ tiereinheit wurden zusammen mit 0,5 g diaminiertem Polysulfon (Poly(sulfon-di­ ortho-sulfon-amin) in 10 ml Tetrahydrofuran gelöst. Man zog aus der Polymer­ lösung einen dünnen Film auf einer Glasplatte und ließ das Lösungsmittel bei Raumtemperatur verdampfen. Der Film wurde von der Glasplatte gelöst und 48 Stunden bei 80°C in Wasser hydrolysiert. Es entstand ein ionenleitfähiger, transparenter Polymerfilm mit folgenden Charakteristika:
Quellung H⁺-Form in Wasser: 28%
Ionenaustauscherkapazität: 1,68 meq SO3H/g Polymer
Flächenwiderstand H⁺(Na⁺)Form (bestimmt mittels Impedanzspektroskopie in 0,5 N H2SO4/0,5 N NaCl):
0,259(2,5) Ωcm
Spezifischer Widerstand H⁺(Na⁺)Form (bestimmt mittels Impedanzspektrosko­ pie in 0,5 N H2SO4/0,5 N NaCl): 16,19(156,09) Ωcm.
1.5 g of a sulfochlorinated polysulfone with 1.5 SO 2 Cl groups per repeating unit were dissolved in 10 ml of tetrahydrofuran together with 0.5 g of diaminated polysulfone (poly (sulfone-di ortho-sulfone-amine) Polymer solution a thin film on a glass plate and allowed the solvent to evaporate at room temperature. The film was detached from the glass plate and hydrolyzed in water for 48 hours at 80 ° C. An ion-conductive, transparent polymer film was formed with the following characteristics:
Swelling H⁺ form in water: 28%
Ion exchange capacity: 1.68 meq SO 3 H / g polymer
Surface resistance H⁺ (Na⁺) form (determined by means of impedance spectroscopy in 0.5 NH 2 SO 4 / 0.5 N NaCl):
0.259 (2.5) Ωcm
Specific resistance H⁺ (Na⁺) form (determined by means of impedance spectroscopy in 0.5 NH 2 SO 4 / 0.5 N NaCl): 16.19 (156.09) Ωcm.

Claims (35)

1. Verfahren zur Herstellung von sulfohalogenierten Polymeren [Polymer- (SO2Hal)x], dadurch gekennzeichnet, daß man eine Lösung des metallierten Polymers [Polymer-(Me)x], mit Sulfurylhalogenid [SO2Hal2] bei Temperaturen von -20°C bis -100°C umsetzt.1. A process for the preparation of polymers sulfohalogenierten [polymer (SO 2 Hal) x], characterized in that a solution of the metallated polymer [polymer (Me) x], with sulfuryl halide [SO 2 Hal 2] at temperatures of man - 20 ° C to -100 ° C implemented. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymer­ reste [Polymeren] ausgewählt sind aus Poly(ethersulfon)en, Po­ ly(phenylsulfon)en, Polyether(ethersulfon)en und/oder Poly(phenylensulfid)en.2. The method according to claim 1, characterized in that the polymer residues [polymers] are selected from poly (ether sulfones), Po ly (phenyl sulfone) s, polyether (ether sulfone) s and / or poly (phenylene sulfide) s. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Lö­ sung des metallierten Polymers [Polymer-(Me)x] einsetzt, dessen Arylhaupt­ kettenpolymer die Repetiereinheiten R1 und/oder R2 aufweist, wobei
R3 für Wasserstoff, Trifluormethyl oder CnH2n+1, mit n = 1 bis 10, insbe­ sondere Methyl
R4 für Wasserstoff, CnH2n+1 mit n = 1 bis 10, insbesondere Methyl oder Phenyl und
x für 1, 2 oder 3 steht,
die über Brückengruppen R5 oder R6 verknüpft sind,
wobei
R5 für -O- und
R6 für -SO2- stehen.
3. The method according to claim 1, characterized in that one uses a solution of the metallated polymer [polymer (Me) x ], whose main aryl chain polymer has the repeating units R 1 and / or R 2 , wherein
R 3 for hydrogen, trifluoromethyl or C n H 2n + 1 , with n = 1 to 10, in particular special methyl
R 4 for hydrogen, C n H 2n + 1 with n = 1 to 10, in particular methyl or phenyl and
x represents 1, 2 or 3,
which are linked via bridge groups R 5 or R 6 ,
in which
R 5 for -O- and
R 6 stands for -SO 2 -.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das metal­ lierte Polymer [Polymer-(Me)x], metalliertes Polysulfon (PSU) ist, wobei [R1-R5- R2-R6-R2-R5]n und R2: x = 1 und R4 = H ist, wobei das sulfohalogenierte PSU 0,1 bis 3,5 SO2Cl-Gruppen pro Repetiereinheit aufweist.4. The method according to claim 1, characterized in that the metalated polymer [polymer (Me) x ], metalized polysulfone (PSU), wherein [R 1 -R 5 - R 2 -R 6 -R 2 -R 5 ] n and R 2 : x = 1 and R 4 = H, the sulfohalogenated PSU having 0.1 to 3.5 SO 2 Cl groups per repeating unit. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das metallierte Polymer [Polymer-(Me)x] herstellt durch:
Deprotonierung des unmodifizierten Polymers mit Alkalimetallen oder Al­ kyl/Aryl-Alkalimetallverbindungen, insbesondere Alkalimetall-Lithium und -Natrium und bei Alkyl/Aryl-Alkalimetallverbindungen, insbesondere Li­ organische Verbindungen, beispielsweise Butyl-Lithium oder
Halogen-Metall-Austausch eines halogenierten Polymers mit Lithiummetall oder Li-organischen Verbindungen.
5. The method according to claim 1, characterized in that the metallized polymer [polymer (Me) x ] is produced by:
Deprotonation of the unmodified polymer with alkali metals or alkyl / aryl alkali metal compounds, in particular alkali metal lithium and sodium, and in the case of alkyl / aryl alkali metal compounds, in particular Li organic compounds, for example butyl lithium or
Halogen-metal exchange of a halogenated polymer with lithium metal or Li-organic compounds.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lö­ sungsmittel Etherverbindungen, insbesondere Tetrahydrofuran, Dioxan, Glyme, Diglyme und/oder Triglyme umfaßt.6. The method according to claim 1, characterized in that the Lö solvents ether compounds, especially tetrahydrofuran, dioxane, glyme, Diglyme and / or triglyme. 7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sulfuryl­ halogenid aus SO2FCl und SO2Cl2 ausgewählt ist.7. The method according to claim 1, characterized in that the sulfuryl halide is selected from SO 2 FCl and SO 2 Cl 2 . 8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reak­ tionstemperatur im Bereich von -30°C bis -80°C liegt.8. The method according to claim 1, characterized in that the reak tion temperature is in the range of -30 ° C to -80 ° C. 9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymer­ konzentration 1-3 Gew.-% bevorzugt beträgt.9. The method according to claim 1, characterized in that the polymer concentration is 1-3 wt .-% is preferred. 10. Verfahren zur Herstellung von sulfohalogeniertem Polymer [Polymer- (SO2Hal)x(EL)y], dadurch gekennzeichnet, daß das metallierte Polymer mit weiteren Elektrophilen (EL), die gasförmig oder flüssig oder fest sein können, neben SO2Hal2 zur Reaktion gebracht wird.10. A process for the preparation of sulfohalogenated polymer [polymer (SO 2 Hal) x (EL) y ], characterized in that the metalated polymer with further electrophiles (EL), which can be gaseous or liquid or solid, in addition to SO 2 Hal 2 is brought to reaction. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem metallierten Polymer das SO2Hal2 und die Elektrophile in beliebiger Reihenfol­ ge zur Reaktion gebracht werden, insbesondere alle Elektrophile gleichzeitig zur Reaktion gebracht werden.11. The method according to claim 10, characterized in that with the metallized polymer, the SO 2 Hal 2 and the electrophiles are reacted in any order, in particular all the electrophiles are reacted simultaneously. 12. Verfahren zur Umsetzung der gemäß den Ansprüchen 1 bis 11 sulfoha­ logenierten Polymeren, dadurch gekennzeichnet, daß die Sulfohalogenide der basischen, sauren oder neutralen Hydrolyse zum entsprechenden Sulfonat unterworfen werden, wobei X für H, Me, insbesondere Na, K, Rb, Cs, Li, Ag, zwei- und dreiwertige Metallkationen, Ammonium-NR4+, Pyridinium-, Imidazoli­ um und/oder Benzimidazolium mit R = H oder R = 1 bis 8 C-Atomen oder Aryl steht.12. A method for reacting the sulfohalogenated polymers according to claims 1 to 11, characterized in that the sulfohalides are subjected to basic, acidic or neutral hydrolysis to give the corresponding sulfonate, where X is H, Me, in particular Na, K, Rb, Cs , Li, Ag, divalent and trivalent metal cations, ammonium NR 4+ , pyridinium, imidazolium and / or benzimidazolium with R = H or R = 1 to 8 carbon atoms or aryl. 13. Verfahren zur Umsetzung der gemäß den Ansprüchen 1 bis 11 sulfoha­ logenierten Polymeren, dadurch gekennzeichnet, daß die Sulfohalogenide mit Di- oder Oligoaminen zu vernetzten Polymeren oder vernetzten Polymermem­ branen umgesetzt werden.13. A method for implementing the sulfoha according to claims 1 to 11 logenated polymers, characterized in that the sulfohalides with Di- or oligoamines to form crosslinked polymers or crosslinked polymer membranes industries are implemented. 14. Verfahren zur Umsetzung der gemäß den Ansprüchen 1 bis 11 sulfoha­ logenierten Polymeren, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Sulfohaloge­ nidgruppen oder alle Sulfohalogenidgruppen des Polymers mit Aminen zu ge­ gebenenfalls partiell sulfonamidierten Polymeren umgesetzt werden.14. A method for implementing the sulfoha according to claims 1 to 11 logenated polymers, characterized in that part of the sulfohalogens nid groups or all sulfohalide groups of the polymer with amines if necessary, partially sulfonamidated polymers are implemented. 15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die restli­ chen Sulfohalogenidgruppen des partiell sulfonamidierten Polymers basisch, sauer oder neutral zu den entsprechenden Sulfonatgruppen umgesetzt wer­ den.15. The method according to claim 14, characterized in that the restli Chen sulfohalide groups of the partially sulfonamidated polymer basic, acidic or neutral to the corresponding sulfonate groups the. 16. Verfahren zur Umsetzung gemäß den Ansprüchen 1 bis 11 erhältlichen sulfohalogenierten Polymeren, dadurch gekennzeichnet, daß die Sulfohaloge­ nide mit basischen Stickstoff enthaltenden Polymeren, die primäre oder sekun­ däre Aminogruppen tragen können, zur Herstellung von vernetzten Interpoly­ meren oder vernetzten Interpolymermembranen umgesetzt werden.16. A method for implementation according to claims 1 to 11 obtainable sulfohalogenated polymers, characterized in that the sulfohalogens nide with basic nitrogen containing polymers, the primary or sekun där can carry amino groups for the production of cross-linked interpoly mer or cross-linked interpolymer membranes. 17. Verfahren zur Umsetzung von Pfropfpolymeren oder Pfropfpoly­ mermembranen aus den gemäß den Ansprüchen 1 bis 11 erhältlichen sulfo­ halogenierten Polymeren mit Olefinen, dadurch gekennzeichnet, daß die Sulfo­ halogenide unter Initiierung durch CuCl/Bipyridin, RuCl2(PPh3)3-(Tris(tri­ phenylphosphin)-Ruthenium(II)dichlorid/Aluminiumtriisopropylat oder ähnlichen Redoxkatalysatoren mit Olefinen zur radikalischen Polymerisations­ reaktion gebracht werden.17. A process for reacting graft polymers or graft polymer membranes from the sulfo-halogenated polymers obtainable according to claims 1 to 11 with olefins, characterized in that the sulfo halides with initiation by CuCl / bipyridine, RuCl 2 (PPh 3 ) 3 - (Tris ( tri phenylphosphine) ruthenium (II) dichloride / aluminum triisopropylate or similar redox catalysts with olefins for the radical polymerization reaction. 18. Verfahren zur Umsetzung der gemäß den Ansprüchen 1 bis 11 erhältli­ chen sulfonierten Polymeren mit ungesättigte Gruppen enthaltenden Polyme­ ren, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lösung der beiden Polymere in einem Lösungsmittel hergestellt wird, und danach die Sulfohalogenidgruppen des ei­ nen Polymers mit den Olefingruppen des anderen Polymers unter Initiierung mit den in Anspruch 15 genannten Initiatoren oder anderen Initiatoren zur Her­ stellung von AB-vernetzten Copolymeren oder AB-vernetzten Copolymermem­ branen aus polymeren Sulfohalogeniden zur Vernetzungsreaktion gebracht werden.18. A method for implementing the obtainable according to claims 1 to 11 Chen sulfonated polymers with unsaturated groups containing polyme ren, characterized in that a solution of the two polymers in one Solvent is prepared, and then the sulfohalide groups of the egg  NEN polymer with the olefin groups of the other polymer with initiation with the initiators or other initiators mentioned in claim 15 position of AB crosslinked copolymers or AB crosslinked copolymer membranes Branches of polymeric sulfohalides brought to the crosslinking reaction become. 19. Verfahren zur Herstellung von Membranen aus sulfohalogenierten Po­ lymeren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das polymere Sulfohalogenid in einem Lösungsmittel gelöst wird, die Polymer­ lösung zu einem dünnen Film ausgezogen wird, und das Lösungsmittel ver­ dampft wird.19. Process for the production of membranes from sulfohalogenated Po lymeren according to one of claims 1 to 11, characterized in that the polymeric sulfohalide is dissolved in a solvent, the polymer Solution is pulled out into a thin film, and the solvent ver is steaming. 20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß neben dem sulfohalogenierten Polymeren ein weiteres Polymer, insbesondere das unmo­ difizierte Basispolymer des sulfohalogenierten Polymers eingesetzt wird.20. The method according to claim 19, characterized in that in addition to the sulfohalogenated polymers another polymer, especially the unmo dified base polymer of the sulfohalogenated polymer is used. 21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Polymerlösung noch aminiertes Polymer zugesetzt wird.21. The method according to claim 19 or 20, characterized in that the Polymer solution still aminated polymer is added. 22. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeich­ net, daß der Polymerlösung noch Polymer mit -NHR-Gruppen zugesetzt wird, wobei R für eine Schutzgruppe für Amine, insbesondere für
steht.
22. The method according to any one of claims 14 to 21, characterized in that polymer with -NHR groups is added to the polymer solution, where R is a protective group for amines, in particular for
stands.
23. Verfahren nach den Ansprüchen 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran nach Verdampfen des Lösungsmittels der sauren, alkali­ schen oder neutralen Hydrolyse unterworfen wird.23. The method according to claims 18 to 22, characterized in that that the membrane after evaporation of the solvent of the acidic, alkali is subjected to hydrolysis or neutral. 24. Verfahren nach den Ansprüchen 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Polymerlösung Friedel-Crafts-Katalysatoren, insbesondere AlCl3, AlBr3, BF3, FeCl3 zugesetzt werden. 24. The method according to claims 20 to 23, characterized in that the polymer solution Friedel-Crafts catalysts, in particular AlCl 3 , AlBr 3 , BF 3 , FeCl 3 are added. 25. Membranen erhältlich nach einem Verfahren gemäß einem der An­ sprüche 1 bis 24 zur Verwendung in Membran-Brennstoffzellen, in der Mem­ branelektrolyse, Pervaporation, Gastrennung, Perstraktion und Elektrodialyse.25. Membranes obtainable by a process according to one of the An Proverbs 1 to 24 for use in membrane fuel cells, in the Mem branch electrolysis, pervaporation, gas separation, perstraction and electrodialysis. 26. Membranen erhältlich nach einem Verfahren gemäß den Ansprüchen 12 bis 23 zur Verwendung in Membranbrennstoffzellen, in der Membranelektroly­ se, in der Elektrodialyse und in Elektromembranverfahren.26. Membranes obtainable by a process according to claims 12 to 23 for use in membrane fuel cells, in membrane electrolytes se, in electrodialysis and in electromembrane processes. 27. Membranen erhältlich nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprü­ che 1 bis 24 zur Verwendung in der Pervaporation, Gastrennung und Perstrak­ tion.27. Membranes obtainable by a process according to one of the claims che 1 to 24 for use in pervaporation, gas separation and perstrak tion. 28. Sulfohalogenierte Polymere erhältlich nach einem Verfahren gemäß ei­ nem der Ansprüche 1 bis 25.28. Sulfohalogenated polymers obtainable by a process according to ei nem of claims 1 to 25. 29. Verfahren zur Herstellung von laminierten Membranen, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Lösung des sulfohalogenierten Polymers, erhältlich nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 24 auf eine Poly­ mermembran aufgebracht wird, das Lösungsmittel verdampft wird und die sul­ fohalogenierte Schicht hydrolysiert wird.29. Process for the production of laminated membranes, thereby ge indicates that a solution of the sulfohalogenated polymer is available by a method according to any one of claims 1 to 24 to a poly membrane is applied, the solvent is evaporated and the sul fohalogenated layer is hydrolyzed. 30. Verfahren nach den Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymermembran eine Anionenaustauschermembran ist.30. The method according to claim 29, characterized in that the Polymer membrane is an anion exchange membrane. 31. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß das sulfo­ halogenierte Polymer sauer, neutral oder alkalisch zum entsprechenden sulfo­ nierten Polymer hydrolysiert wird.31. The method according to claim 29, characterized in that the sulfo halogenated polymer acidic, neutral or alkaline to the corresponding sulfo hydrated polymer is hydrolyzed. 32. Membran, die aus mehreren Schichten aufgebaut ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie wenigstens eine Schicht mit sulfohalogeniertem Polymer, er­ hältlich gemäß einem der Ansprüche 1 bis 24 aufweist.32. Membrane, which is composed of several layers, characterized thereby records that they have at least one layer with sulfohalogenated polymer, he holds according to one of claims 1 to 24. 33. Membran nach Anspruch 32, umfassend eine Schicht, die sulfohaloge­ niertes Polymer enthält und eine Anionenaustauscherpolymerschicht.33. The membrane of claim 32, comprising a layer, the sulfohaloge contains polymer and an anion exchange polymer layer. 34. Membran nach nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus sulfohalogeniertem Polymer zum sulfoniertem Polymer hydrolysiert ist. 34. Membrane according to claim 33, characterized in that the Layer of sulfohalogenated polymer hydrolyzed to sulfonated polymer is.   35. Verwendung einer bipolaren Membran nach Anspruch 34 zur elektro­ dialytischen Wasserspaltung.35. Use of a bipolar membrane according to claim 34 for electro dialytic water splitting.
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