DE69232733T2

DE69232733T2 - Verfahren zur herstellung eines ionomeres

Info

Publication number: DE69232733T2
Application number: DE69232733T
Authority: DE
Inventors: Robert Ross
Original assignee: Kema NV
Current assignee: Kema NV
Priority date: 1991-05-10
Filing date: 1992-05-08
Publication date: 2003-04-24
Anticipated expiration: 2012-05-09
Also published as: NO934030L; DE69232733D1; ATE222272T1; JPH06507657A; JP3268531B2; NL9100815A; EP0647249B1; DK0647249T3; CA2102510A1; NO934030D0; ES2179041T3; WO1992020728A1; AU1874592A; NO308477B1; US5427662A; EP0647249A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Ionomers. Die Erfindung betrifft spezieller die Herstellung eines Ionomers aus einem Kunststoff, der anfänglich üblicherweise keine Ionenverbindungen bzw. -zusammensetzungen, zusätzlich zu den normalen organischen kovalenten Bindungen, darin beinhaltet.
Dieses Verfahren zur Herstellung von Ionomeren umfaßt die Schritte:
(i) Verwenden bzw. Nehmen eines Kunststoffs;
(ii) Anordnen eines Metallionen zuführenden, elektrisch leitenden Mediums in Kontakt mit einer Oberfläche des Kunststoffs;
(iii) Anlegen eines elektrischen Feldes an der Oberfläche und über dem Kunststoff, derart, daß elektrisch und chemisch gebundene, die Metallionen umfassende, ionenbildende Gruppen, die von dem leitenden Medium zugeführt werden, in dem Kunststoff auftreten.
Es wurde nämlich herausgefunden, daß, falls ein Kunststoff in Anwesenheit eines elektrisch leitenden Mediums mit einem elektrischen Feld beaufschlagt wird, Gruppen von der äußeren und/oder inneren Kunststoffoberfläche in Richtung des elektrischen Feldes in dem Kunststoff radikalisiert oder ionisiert werden, wobei die Gruppen beispielsweise infolge von Oxidationsreaktionen umgewandelt werden beispielsweise in Karbonsäuren und/oder Schwefel- bzw. Sulfonsäuren. Unter Kunststoff Oberfläche wird unter anderem eine äußere Kunststoffoberfläche verstanden, die optional mit Kerben, Kratzern oder anderen Oberflächendefekten und Wänden aus Hohlräumen in dem Kunststoff versehen ist, die Verunreinigungen beinhalten können. Unter dem Einfluß des elektrisch leitenden Mediums werden diese oxidierten Gruppen dissoziieren und in Anwesenheit der Metallionen die charakteristischen, ionenbildenden, funktionalen Gruppen, d. h. chemisch gebundene Salzgruppen, bilden. Daher werden in der im allgemeinen amorphen Phase des Kunststoffs hydrophile Kanäle ausgebildet, die jedoch semipermeabel sind. Das elektrisch leitende Medium, beispielsweise Wasser, ist in diesen Kanälen mobil, jedoch können sich hydratisierte Ionen in diesen Kanälen lediglich unter dem Einfluß des elektrischen Feldes versetzen. In Abhängigkeit von der Natur und der Zusammensetzung des elektrisch leitenden Mediums und des angelegten elektrischen Feldes, kann auch ein Ionomer nach der Erfindung mit Hohlräumen bzw. Lunkern vorgesehen werden, in denen Salze eingeschlossen sind.
Als elektrisch leitendes Medium können sowohl Flüssigkeiten wie auch Gase verwendet werden. Die letzteren haben das spezielle Ziel, das darin besteht, daß die oxidierten Gruppen dissoziieren und eine ionenbildende, funktionale Gruppe mit den von dem Medium zugeführten Metallionen bilden können. Das elektrisch leitende Medium kann ein anorganisches Medium wie beispielsweise Wasser und Ammoniak sein. In ähnlicher Weise kann das elektrisch leitende Medium ein organisches Medium wie beispielsweise Alkanole, beispielsweise Methanol und Ethanol, sein. Falls das elektrisch leitende Medium eine inhärente, nicht ausreichende Aktivität aufweist, so können unterschiedliche reaktionsfähige Komponenten dem Medium und/oder dem Kunststoff beigefügt werden.
Eine Gruppe reaktionsfähiger Komponenten besteht aus Gasen wie beispielsweise. Sauerstoff, Ozon, Schwefeloxide, beispielsweise Schwefeldioxid. Derartige Gase können die Radikalausbildung und die Ionenausbildungsreaktionen wie auch die Oxidationsreaktionen aufrechterhalten und unterstützen.
Eine andere Gruppe reaktionsfähiger Komponenten ist durch Salze gebildet, insbesondere Salze mehrwertiger Metallionen wie beispielsweise Kupfer, Zinn und Mangan. Derartige Metallionen beschleunigen das Aufwachsen bzw. die Ausbildung der hydrophilen Kanäle, möglicherweise zum Teil aufgrund einer katalytischen Beschleunigung der Oxidationsreaktionen.
wobei hauptsächlich hydrophile Kanäle ausgebildet werden. Bei höheren Frequenzen, beispielsweise von 100 Hz ab, tritt das Ionenleitungsphänomen in einem größeren Ausmaß auf, wobei, wenn das elektrisch leitende Medium Salze enthält, Salze in Hohlräume im Inneren der hydrophilen Kanälen eindringen und möglicherweise zur Ausbildung von Hohlräumen beitragen können. Einmal in diesen Hohlräumen eingeschlossen und in Abwesenheit eines elektrischen Feldes, sind diese Salze irreversibel im Inneren des Ionomers eingefangen.
Das gemäß der. Erfindung hergestellte Ionomer hat im allgemeinen die Form eines Bogens bzw. Blatts. Diese Bogenform kann schon bei dem dem Verfahren unterworfenen Kunststoff vorliegen. Es ist jedoch möglich, daß ein beispielsweise hohlzylindrischer Kunststoff einem radial ausgerichteten elektrischen Feld unterworfen wird, woraufhin ein Ionomer in Form eines Bogens aus diesem hohl zylindrischen Kunststoff mittels Abblättern bzw. Schichtenspaltung, optional durch Abschälen, ausgebildet wird.
Ein optimales Verfahren zum Herstellen von Ionomeren wird erreicht, wenn der Kunststoff in Kontakt mit dem leibenden Medium auf voneinander wegweisenden Oberflächen angeordnet wird.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung umfaßt die Verwendung eines streifenartigen Kunststoffes, der zu Kanal form umgewandelt wird, wobei in den Kanal flüssiges, elektrisch leitendes Medium eingeführt wird. Der kanalförmige Kunststoff wird durch ein Bad aus flüssigem, elektrisch leitendem Medium, geführt. Sowohl in das Bad, wie auch in das in dem Kanal befindliche Medium wird eine Elektrode zum Anlegen des elektrischen Feldes an dem Plastikstreifen, eingeführt. Durch aufeinanderfolgendes Transportieren des Streifens durch das Bad, wobei sich das - in dem Kanal befindliche Medium über die kanalförmige Innenoberfläche bewegt, kann das erfindungsgemäße Verfahren fortwährend durchgeführt werden.
Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel des Verfahrens nach der Erfindung zur Herstellung eines Ionomers, kann der Kunststoff, in diesem Falle in Form einer Kunststoffolie, eine Trennung zwischen zwei Kammern für Medium ausbilden, wobei jede beispielsweise gasförmiges, elektrisch leitendes Medium (beispielsweise Wasserdampf) und eine Elektrode zur Erzeugung des elektrischen Feldes, beinhaltet. Ist eine gute Abdichtung mit den Kammerwänden sichergestellt, so kann dieses Verfahren in gleicher Weise in ein kontinuierliches bzw. durchgehendes Verfahren umgewandelt werden.
Kunststoffe, die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens in Ionomere umgewandelt werden können, sind im Prinzip nicht auf eine spezielle Gruppe von Kunststoffen beschränkt. Kunststoffe, die insbesondere verwendet werden können, umfassen Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol und Polytetrafluorethylen.
Die in Übereinstimmung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Ionomere können in sehr vielen Bereichen Anwendung finden. Ein festzuhaltendes Beispiel ist ein Ionenleiter in beispielsweise Polymerbatterien, in denen das Ionomer als Elektrolyt funktioniert. Das Ionomer kann auch als semipermeable Membran verwendet werden, mit einer wahlweisen Permeabilität für spezielle Typen von Molekülen und Ionen, wobei die Permeabilität überdies als Funktion des elektrischen Feldes und/oder der Temperatur eingestellt werden kann. Schließlich können die Ionomere zur Reinigung von Lösungen, Dispersionen und Emulsionen sowohl chemischer sowie auch medizinischer Natur verwendet werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Ionomers, das die Schritte aufweist:

(i) Verwenden eines Kunststoffs;

(ii) Anordnen eines Metallionen zuführenden, elektrisch leitenden Mediums in Kontakt mit einer Oberfläche des Kunststoffs;

(iii) Anlegen eines elektrischen Feldes an der Oberfläche und über den Kunststoff, derart, daß elektrisch und chemisch gebundene, ionenbildende, von dem leitenden Medium zugeführte, die Metallionen auf weisende Gruppen, in dem Kunststoff auftreten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das elektrisch leitende Medium aus Flüssigkeiten und/oder Gasen ausgewählt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das elektrisch leitende Medium ein anorganisches Medium wie beispielsweise Wasser und Ammoniak und/oder ein organisches Medium wie beispielsweise Alkanole, beispielsweise Methanol und Ethanol, umfaßt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das elektrisch leitende Medium ein reaktionsfähiges Gas wie beispielsweise Sauerstoff, Ozon, Schwefeloxid, aufweist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das elektrisch leitende Medium und/oder der Kunststoff ein Salz aufweist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das elektrisch leitende Medium und/oder der Kunststoff eine oberflächenaktive Substanz wie beispielsweise Seife aufweist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das elektrische Feld eine Größenordnung von 1 V/mm Kunststoff zu der Kurzschlußspannung des Kunststoffs aufweist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das elektrische Feld 0,2 bis 20 kV/mm Kunststoff beträgt.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Kunststoff Polyethylen ist und sich das elektrische Feld auf 0,5 bis 10 kV/mm Polyethylen beläuft.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Frequenz des elektrischen Feldes sich auf 1-10&sup5; Hz, vorzugsweise 10 Hz-25 kHz, beläuft.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Kunststoff bogen- bzw. plattenartig ist.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die voneinander wegweisenden Kunststoffoberflächen mit dem leitenden Medium in Kontakt, angeordnet sind.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Kunststoff Streifenform hat und zu Kanal form umgewandelt wird, wobei das flüssige, elektrisch leitende Medium dem Kanal zugegeben wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Kunststoff eine Trennung zwischen zwei Kammern für Medium ausbildet.