EP1292632A2 - Ionically and covalently cross-linked polymers and polymer membranes - Google Patents

Ionically and covalently cross-linked polymers and polymer membranes

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EP1292632A2
EP1292632A2 EP01960223A EP01960223A EP1292632A2 EP 1292632 A2 EP1292632 A2 EP 1292632A2 EP 01960223 A EP01960223 A EP 01960223A EP 01960223 A EP01960223 A EP 01960223A EP 1292632 A2 EP1292632 A2 EP 1292632A2
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EP
European Patent Office
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polymer
general formula
radical
group
functional groups
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01960223A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Jochen Kerres
Wei Zhang
Chy-Ming Tang
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
HAERING, RIMA
HAERING, THOMAS
Original Assignee
Institut fuer Chemische Verfahrenstechnik Universitaet Stuttgart
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Filing date
Publication date
Application filed by Institut fuer Chemische Verfahrenstechnik Universitaet Stuttgart filed Critical Institut fuer Chemische Verfahrenstechnik Universitaet Stuttgart
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    • Y02E60/50Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to covalently and ionically crosslinked polymers, in particular covalently and ionically crosslinked polymers having repeating units of the general formula
  • the radical R is a divalent radical of an aromatic or heteroaromatic compound.
  • the present invention describes a method for producing the covalently and ionically crosslinked polymers and their use, in particular in fuel cells.
  • Polymers with repeating units of the general formula (1) are already known. They include, for example, polyarylenes such as polyphenylene and polypyrene, aiOmatische polyvinyl compounds such as polystyrene and polyvinyl pyridine, polyphenylene vinylene, aiOmatische polyethers such as polyphenylene oxide, aromatic polythioethers such as polyphenylene sulfide, polysulfones, such as Radel R ®, and polyether ketones such as PEK. Furthermore, they also include polypyrroles, polythiophenes, polyazoles, such as polybenzimidazole, polyanilines, polyazulenes, polycarbazoles and polyindophenines.
  • polyarylenes such as polyphenylene and polypyrene
  • aiOmatische polyvinyl compounds such as polystyrene and polyvinyl pyridine
  • polyphenylene vinylene aiOmatische polyethers
  • membranes are doped with concentrated phosphoric acid or sulfuric acid and serve as proton conductors in so-called polyelectrolyte membrane fuel cells (PEM fuel cells).
  • PEM fuel cells polyelectrolyte membrane fuel cells
  • MEE membrane electrode assembly
  • a disadvantage of these membranes is their mechanical instability with a low modulus of elasticity, a low tensile strength and a low upper flow limit, and their relatively high permeability to hydrogen, oxygen and methanol.
  • covalently cross-linked ionomer membranes which is based on an alkylation reaction of polymers containing sulfinate groups, polymer blends and polymer (blend) membranes.
  • the covalent network has good resistance to hydrolysis even at higher temperatures.
  • WO 99/02756 and WO 99/02755 disclose ionically crosslinked acid-base polymer blends and polymer (blend) membranes.
  • An advantage of the ionically crosslinked acid-base blend membranes is that the ionic bonds are flexible, the polymers / membranes do not dry out so easily even at higher temperatures because of the hydrophilicity of the acid-base groups, and therefore the polymers / membranes also do not become brittle at higher temperatures.
  • the ionically crosslinked ionomer (membrane) systems described in these documents have the disadvantage that the ionic bonds are in the temperature range dissolve between 60 and 90 ° C and the polymers / membranes begin to swell exorbitantly from this temperature range. Therefore, these membranes are also not very suitable for applications in fuel cells, especially at higher temperatures above 80 ° C.
  • the polymer according to the invention should have a low volume resistivity, preferably less than or equal to 100 ⁇ cm at 25 ° C., and a low permeability for hydrogen, oxygen and methanol.
  • Another object was to provide a cross-linked polymer that can be used in fuel cells.
  • the crosslinked polymer should be suitable for use in fuel cells above 80 ° C., in particular above 100 ° C.
  • the object of the invention was also to provide a process for producing the crosslinked polymer which can be carried out in a simple manner, inexpensively and on an industrial scale.
  • radicals R 1 independently of one another are a bond or a group having 1 to 40 carbon atoms, preferably a branched or unbranched alkyl, cycloalkyl or an optionally alkylated aryl group
  • M is hydrogen, a metal cation, preferably Li + , Na + , K + , Rb + , Cs + , or an optionally alkylated ammonium ion
  • X is a halogen or an optionally alkylated amino group
  • the radical R at least partially has substituents of the general formula (5A) and / or (5B),
  • R 2 , R 3 , R 4 and R 5 are independently a group having 1 to 40 carbon atoms, preferably a branched or unbranched alkyl, cycloalkyl or an optionally alkylated aryl group, at least two of the radicals R 2 , R 3 and R 4 can be closed to form an optionally aromatic ring, and or the radical R is at least partially a group of the general formula (5C) and / or (5D)
  • the radical R at least partially has bridges of the general formula (6), combine the at least two radicals R, where Y is a group having 1 to 40 carbon atoms, preferably a branched or unbranched alkyl, cycloalkyl or optionally alkylated aryl group, Z is hydroxyl, a group of the general formula
  • the crosslinked polymer according to the invention shows a number of further advantages. These include:
  • Volume resistance preferably less than or equal to 100 ⁇ cm at 25 ° C.
  • the doped plastic membranes have only a low permeability for hydrogen, oxygen and methanol.
  • the doped plastic membrane is suitable for use in fuel cells above 80 ° C, especially under normal pressure.
  • the doped plastic membrane is simple, large-scale and inexpensive to manufacture.
  • the polymer is ionically and covalently cross-linked.
  • crosslinked polymers refer to those polymers whose linear or branched macromolecules present in the collective are linked to one another to form three-dimensional polymeric networks. Networking can be done via the
  • the crosslinked polymer according to the invention has recurring units of the general formula (1), in particular recurring units corresponding to the general formulas (1A), (1B), (IC), (1D), (1E), (1F), (IG), (IG), ( 1H), (II), (1J), (1K), (1L), (IM), (IN), (1O), (1P), (IQ), (1R), (IS) and / or ( IT), on:
  • the radicals R 6 are, independently of one another, the same or different 1, 2-phenylene, 1, 3-phenylene, 1,4-phenylene, 4,4'-biphenyl, a divalent radical of a heteroaromatic, a divalent radical of a C 10 aromatic , a divalent radical of a C 14 aromatic and / or a divalent pyrene radical.
  • a C 10 aromatics is naphthalene, for a C 14 aromatics phenanthrene.
  • the substitution pattern of the aromatic and / or heteroaromatic is arbitrary, in the case of phenylene, for example, R 6 can be ortho, meta and para phenylene.
  • radicals R 7 , R 8 and R 9 denote single-, four- or three-bonded aromatic or heteroaromatic groups and the radicals U, which are the same within a repeating unit, represent an oxygen atom, a sulfur atom or an amino group which is 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.
  • polymers having recurring units of the general formula (1) belong to homopolymers and copolymers, for example random Copofymere as Victrex ® 720 P and Astrel ®.
  • Very particularly preferred polymers are polyaryl ethers, polyaryl thioethers, polysulfones, polyether ketones, poly pyrroles, polythiophenes, polyazoles, polyphenylenes, polyphenylene vinylenes, polyanilines, polyazulenes, polycarbazoles, polypyrenes, polyindophenines and polyvinyl pyridines, in particular: polyaryl ethers:
  • n denotes the number of repeating units along a macromolecule chain of the crosslinked polymer.
  • This number of repeating units of the general formula (1) along a macromolecule chain of the crosslinked polymer is preferably an integer greater than or equal to 10, in particular greater than or equal to 100.
  • the number average molecular weight of the macromolecule chain is greater than 25,000 g / mol, advantageously greater than 50,000 g / mol, in particular greater than 100,000 g / mol.
  • the cross-linked polymer according to the invention can in principle also have different repeating units along a macromolecule chain. However, it preferably has only the same repeating units of the general formula (1A), (1B), (IC), (1D), (1E), (IF), (IG), (IH), (II) along a macromolecule chain, (IJ), (IK), (IL), (IM), (IN), (10), (IP), (IQ), (IR), (IS) and / or (IT).
  • the radical R preferably has at least partially substituents of the general formula (4A), (4B), (4C), (4D), (4E), (4F), (4G) and / or (4H) of the general formula (4A), (4B), (4C) and / or (4D), advantageously of the general formula (4A), (4B) and / or (4C), in particular of the general formula (4A):
  • R 1 independently denote a bond or a group having 1 to 40 carbon atoms, preferably a branched or unbranched alkyl, cycloalkyl or an optionally alkylated aryl group. In the context of a very particularly preferred embodiment of the present invention, R 1 is a bond.
  • M represents hydrogen, a metal cation, preferably Li + , Na + , K + , Rb + , Cs + , or an optionally alkylated ammonium ion, advantageously hydrogen or Li + , in particular hydrogen.
  • X is a halogen or an optionally alkylated amino group.
  • the radical R according to the invention has at least partially substituents of the general formula (5A) and / or (5B), preferably (5A),
  • radical R is at least partially a group of the general formula (5C) and / or (5D), preferably (5C).
  • radicals R 2 , R 3 , R 4 and R 5 independently of one another denote a group having 1 to 40 carbon atoms, preferably a branched or unbranched alkyl, cycloalkyl or an optionally alkylated aryl group, at least two of the radicals R 2 , R 3 and R 4 can be closed to form an optionally aromatic ring.
  • R at least partially has substituents of the general formula (5A-1) and / or (5A-2).
  • R 10 here denotes an optionally alkylated aryl group which has at least one optionally alkylated amino group, or an optionally alkylated heteroaioate which either has at least one optionally alkylated amino group or has at least one nitrogen atom in the heteroaiomatic core.
  • R 11 is hydrogen, an alkyl, a cycloalkyl, an aryl or a heteroaryl group or a radical R 10 with the abovementioned meaning, where R 10 and R 11 can be identical or different.
  • Substituents of the formula (5A-1) in which R 10 is an optionally alkylated aniline residue or pyridine residue, preferably an alkylated aniline residue, are very particularly preferred according to the invention.
  • substituents of the formula (5A-2) in which R 10 and R 11 are optionally alkylated aniline residues or pyridine residues, preferably alkylated aniline residues are also particularly preferred.
  • the radical R at least partially has brackets of the general formula (6)
  • Y is a group having 1 to 40 carbon atoms, preferably a branched or unbranched alkyl, cycloalkyl or optionally alkylated aryl group, advantageously a linear or branched alkyl group having 1 to 6 carbon atoms.
  • Z denotes hydroxyl, a group of the general formula
  • the crosslinked polymer according to the invention is preferably doped with acid.
  • doped polymers refer to those polymers which, owing to the presence of doping agents, have an increased proton conductivity in comparison with the undoped polymers.
  • Dopants for the polymers according to the invention are acids.
  • acids include all known Lewis and Bransted acids, preferably inorganic Lewis and Bransted acids. It is also possible to use polyacids, especially isopolyacids and heteropolyacids, and mixtures of different acids.
  • heteropolyacids denote inorganic polyacids with at least two different central atoms, each of which consists of weak, polybasic oxygen acids of a metal (preferably Cr, Mo, V, W) and a non-metal (preferably As, I, P, Se, Si, Te) arise as partially mixed anhydrides. They include, among others, 12-molybdate phosphoric acid and 12-tungsten phosphoric acid.
  • Dopants which are particularly preferred according to the invention are sulfuric acid and phosphoric acid.
  • a very particularly preferred dopant is phosphoric acid (H 3 PO 4 ).
  • the conductivity of the invention can be determined by the degree of doping
  • Plastic membrane are affected.
  • the conductivity increases with increasing dopant concentration until a maximum value is reached.
  • the degree of doping is stated as mole of acid per mole of repeating unit of the polymer.
  • a degree of doping between 3 and 15, in particular between 6 and 12, is preferred.
  • Processes for producing doped plastic membranes are known. In a preferred embodiment of the present invention, they are obtained by a polymer according to the invention for a suitable time, preferably 0.5-96 hours, particularly preferably 1-72 hours, at temperatures between room temperature and 100 ° C. and, if appropriate, increased pressure with concentrated acid , preferably wetted with highly concentrated phosphoric acid.
  • the spectrum of properties of the crosslinked polymer according to the invention can be changed by varying its ion exchange capacity.
  • the ion exchange capacity is preferably between 0.5 meq / g and 1.9 meq / g, in each case based on the total mass of the polymer.
  • the polymer according to the invention has a low volume resistivity, preferably of at most 100 ⁇ cm, expediently of at most 50 ⁇ cm, in particular of at most 20 ⁇ cm, in each case at 25 ° C.
  • the properties of the plastic membrane according to the invention can be controlled in part by their overall thickness.
  • extremely thin plastic membranes already have very good mechanical properties and a lower permeability for hydrogen, oxygen and methanol. They are therefore suitable for use in fuel cells above 80 ° C., expediently above 100 ° C., in particular for use in fuel cells above 120 ° C., without the edge region of the membrane electrode unit having to be reinforced.
  • the total thickness of the doped plastic membrane according to the invention is preferably between 5 and 100 ⁇ m, advantageously between 10 and 90 ⁇ m, in particular between 20 and 80 ⁇ m.
  • the present invention swells at a temperature of 90 ° C. in deionized water by less than 100%.
  • Methods for producing the crosslinked polymer according to the invention are obvious to the person skilled in the art.
  • a procedure has proven to be very particularly suitable in which one or more reactant polymers, the one or more or all of the functional groups a), b) and d) have, where d) sulfinate groups of the general formula (6)
  • Each reactant polymer preferably has recurring units of the general formula (1). Furthermore, it is expediently not covalently crosslinked.
  • the reaction with the compound (7) can also be used to form bridges of the general formula (8) and / or (9).
  • a polymer mixture of 1) at least one starting polymer having functional groups a) and b) and 2) at least one starting polymer having functional groups d) is used.
  • the reactant polymer (s) to be used according to the invention can in principle have different repeating units of the general formula (1). However, they preferably have only the same repeating units of the general formula (1A), (1B), (IC), (1D), (1E), (IF), (IG), (IH), (II), (IJ) , (IK), (IL), (IM), (IN), (10), (IP), (IQ), (IR), (IS) and / or (IT).
  • the number of repeating units of the general formula (1A), (1B), (IC), (1D), (1E), (IF), (IG), (IH), (II), (IJ), (IK ), (IL), (IM), (IN), (10), (IP), (IQ), (IR), (IS) and / or (IT) is preferably an integer greater than or equal to 10, preferably at least 100 recurring units.
  • the number average of the molecular weight of the starting polymer or polymers is greater than 25,000 g / mol, advantageously greater than 50,000 g / mol, in particular greater than 100,000 g / mol.
  • the synthesis of the starting polymer having functional groups of the general formulas a), b) and or d) is already known. It can be carried out, for example, by reacting a polymer of the general formula (1) with n-butyllithium in a dried aprotic solvent, preferably tetrahydrofuran (THF), under an inert gas atmosphere, preferably argon, and lithiating in this way.
  • a dried aprotic solvent preferably tetrahydrofuran (THF)
  • an inert gas atmosphere preferably argon
  • the lithiated polymer is in a manner known per se with suitable functionalizing agents, preferably with alkylating agents of the general formula
  • Sulfonate groups can also be introduced by reacting the lithiated polymer with SO 3
  • sulfonate groups can also be introduced by reacting the lithiated polymer with SO 2 .
  • the degree of functionalization of the starting polymer is preferably in the range from 0.1 to 3 groups per repeating unit, preferably between 0.2 and 2.2 groups per repeating unit.
  • Starting polymers with 0.2 to 0.8 groups a), preferably sulfonate groups, per repeat unit are particularly preferred.
  • reactant polymers with 0.8 to 2.2 groups b) per repeat unit have proven particularly useful.
  • particularly advantageous results are achieved with starting polymers which have 0.8 to 1.3 groups d) per repeating unit.
  • a dipolar aprotic solvent preferably in N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methylpyiTolidone, dimethyl sulfoxide or sulfolane and react with the halogen compound with stirring.
  • the polymer solution is spread as a film on a base, preferably on a glass plate, a fabric or a nonwoven, and b) the solvent, if appropriate at elevated temperature above 25 ° C. and / or reduced pressure evaporates less than 1000 mbar and in this way receives a polymer membrane.
  • the properties of the polymer according to the invention can also be improved by changing the polymer a) treated with an acid in a first step and b) treated with deionized water in a further step. wherein the polymer is optionally treated with an alkali before the first step.
  • Electrolysis cells and in polymer electrolyte membrane fuel cells, in particular in hydrogen and direct methanol fuel cells are also present.
  • membrane separation processes preferably in gas separation, pervaporation, perstraction, reverse osmosis, nanofiltration, electrodialysis and diffusion dialysis.
  • IEC ion exchange capacity
  • the specific volume resistance R sp of the membranes was determined by means of impedance spectroscopy (IM6 impedance measuring device, Zahner electrics) in a plexiglass unit with gold-coated copper electrodes (electrode area 0.25 cm 2 ). According to the invention, the impedance at which the phase angle between current and voltage was 0 denotes the specific volume resistance.
  • the specific measuring conditions were as follows: 0.5 N HC1 was used, the membrane to be measured was packed between two Nafion 117 membranes, the multi-layer arrangement Nafion 117 / membrane / Nafion 117 membrane was pressed between the two electrodes.
  • the interface resistances between the membrane and the electrode were eliminated by first measuring the multilayer arrangement of all 3 membranes and then the two Nafion 117 membranes alone. The impedance of the Nafion membranes was subtracted from the impedance of all 3 membranes. In the context of the present invention, the specific volume resistances at 25 ° C were determined.
  • Lithium salt of sulfonated polyether ketone PEK Lithium salt of sulfonated polyether ketone PEK
  • IEC ion exchange capacity
  • PSU Udel ® was first dissolved in dry THF and cooled to -75 ° C under argon. Traces of water in the reaction mixture were removed with 2.5 M n-butyllithium (n-BuLi). Then the dissolved polymer lithiated with 10 M n-BuLi. The reaction was allowed to react for one hour and then pyridine-3-aldehyde or 4,4'-bis (N, N-diethylamino) benzophenone was added. The reaction temperature was then raised to -20 ° C for one hour. For the reaction with SO 2 , the mixture was then cooled again to -75 ° C. and the SO 2 was introduced.
  • n-BuLi n-butyllithium
  • the polymers PEK-SO 3 Li, PSU-P3-SO 2 Li, PSU-EBD-SO 2 Li, PSU-DPK and / or PSUS ⁇ 2Li were dissolved in NMP according to Table 2 and filtered. The polymer solution was then degassed in vacuo and 1,4-diiodobutane was then added.

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Abstract

The present invention relates to ionically and covalently cross-linked polymers and polymer membranes having recurrent units of the general formula (1), wherein Q is a link, oxygen, sulfur, (2) or (3) and the R radical is a divalent radical of an aromatic or heteroaromatic compound, and which are characterized in that a) R radical comprises at least partially substituents of general formula (4A), (4B), (4C), (4D), (4E), (4F), (4G) and/or (4H), b) R radical comprises at least partially substituents of the general formula (5A) and/or (5B) and/or the R radical is at least partially a group of the general formula (5C) and/or (5D) and c) the R radical comprises at least partially bridges of the general formula (6) linking at least to R radicals together, R>1<, R>2<, R>3<, R>4<, R>5<, M, X, Y, Z and m having the herein-mentioned meanings.

Description

Kovalent und ionisch vernetzte Polymere und Polymermembranen Covalently and ionically cross-linked polymers and polymer membranes
Die vorliegende Erfindung betrifft kovalent und ionisch vernetzte Polymere, insbesondere kovalent und ionisch vernetzte Polymere aufweisend wiederkehrende Einheiten der allgemeinen FormelThe present invention relates to covalently and ionically crosslinked polymers, in particular covalently and ionically crosslinked polymers having repeating units of the general formula
— Q-R— , CD worin Q eine Bindung, Sauerstoff, Schwefel,- Q-R—, CD where Q is a bond, oxygen, sulfur,
der Rest R ein zweiwertiger Rest einer aromatischen oder heteroaromatischen Verbindung ist. Weiterhin beschreibt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der kovalent und ionisch vernetzten Polymere sowie ihre Verwendung, insbesondere in Brennstoffzellen. the radical R is a divalent radical of an aromatic or heteroaromatic compound. Furthermore, the present invention describes a method for producing the covalently and ionically crosslinked polymers and their use, in particular in fuel cells.
Polymere mit wiederkehrenden Einheiten der allgemeinen Formel (1) sind bereits bekannt. Zu ihnen gehören beispielsweise Polyarylene, wie Polyphenylen und Polypyren, aiOmatische Polyvinyl Verbindungen, wie Polystyrol und Polyvinylpyridin, Polyphenylenvinylen, aiOmatische Polyether, wie Polyphenylenoxid, aromatische Polythioether, wie Polyphenylensulfid, Polysulfone, wie ®Radel R, und Polyetherketone, wie PEK. Weiterhin umfassen sie auch Polypyrrole, Polythiophene, Polyazole, wie Polybenzimidazol, Polyaniline, Polyazulene, Polycarbazole und Polyindophenine.Polymers with repeating units of the general formula (1) are already known. They include, for example, polyarylenes such as polyphenylene and polypyrene, aiOmatische polyvinyl compounds such as polystyrene and polyvinyl pyridine, polyphenylene vinylene, aiOmatische polyethers such as polyphenylene oxide, aromatic polythioethers such as polyphenylene sulfide, polysulfones, such as Radel R ®, and polyether ketones such as PEK. Furthermore, they also include polypyrroles, polythiophenes, polyazoles, such as polybenzimidazole, polyanilines, polyazulenes, polycarbazoles and polyindophenines.
In letzter Zeit hat die Verwendung derartiger Polymere zur Herstellung von Membranen für den Einsatz in Brennstoffzellen zunehmend an Bedeutung gewonnen. Insbesondere Polymere mit basischen Gruppen, wie Sulfonsäure- Gruppen und Aminogruppen werden vermehrt in der Literatur beschrieben. Die Membranen werden mit konzentrierter Phosphorsäure oder Schwefelsäure dotiert und dienen als Protonenleiter in sogenannten Polyelektrolyt-Membran- Brennstoffzellen (PEM-Brennstoffzellen). Dabei erlauben solche Membranen den Betrieb der Membran-Elektroden-Einheit (MEE) bei höheren Temperaturen und steigern auf diese Weise die Toleranz des Katalysators gegenüber dem bei der Reformierung als Nebenprodukt entstehenden Kohlenmonoxid deutlich, so daß die Gasaufbereitung bzw. Gasreinigung wesentlich vereinfacht wird. Nachteilig an diesen Membranen ist ihre mechanische Instabilität mit einem geringen E-Modul, einer geringen Reißfestigkeit und einer niedrigen oberen Fließgrenze sowie ihre relativ hohe Permeabilität für Wasserstoff, Sauerstoff und Methanol.Recently, the use of such polymers for the production of membranes for use in fuel cells has become increasingly important won. In particular, polymers with basic groups, such as sulfonic acid groups and amino groups, are increasingly described in the literature. The membranes are doped with concentrated phosphoric acid or sulfuric acid and serve as proton conductors in so-called polyelectrolyte membrane fuel cells (PEM fuel cells). Such membranes allow the membrane electrode assembly (MEE) to operate at higher temperatures and in this way significantly increase the tolerance of the catalyst to the carbon monoxide formed as a by-product during the reforming, so that gas processing or gas cleaning is considerably simplified. A disadvantage of these membranes is their mechanical instability with a low modulus of elasticity, a low tensile strength and a low upper flow limit, and their relatively high permeability to hydrogen, oxygen and methanol.
Erste Ansätze zur Lösung dieser Probleme werden in den Druckschriften DE 196 22 337, WO 99/02755 und WO 99/02756 offenbart. DE 196 22 337 beschreibt einFirst approaches to solving these problems are disclosed in documents DE 196 22 337, WO 99/02755 and WO 99/02756. DE 196 22 337 describes a
Verfahren zur Herstellung von kovalent vernetzten Ionomermembranen, das auf einer Alkylierungsreaktion von Sulfinatgruppen enthaltenden Polymeren, Polymerblends und Polymer(blend)membranen beruht. Dabei weist das kovalente Netzwerk eine gute Hydrolysebeständigkeit auch bei höheren Temperaturen auf. Nachteilig ist jedoch, daß die kovalent vernetzten Ionomere und Ionomermembranen wegen des hydrophoben kovalenten Netzwerks leicht austrocknen und deswegen stark verspröden können; sie sind daher für Anwendungen in Brennstoffzellen, insbesondere bei höheren Temperaturen, nur bedingt geeignet.Process for the preparation of covalently cross-linked ionomer membranes, which is based on an alkylation reaction of polymers containing sulfinate groups, polymer blends and polymer (blend) membranes. The covalent network has good resistance to hydrolysis even at higher temperatures. However, it is disadvantageous that the covalently crosslinked ionomers and ionomer membranes dry out easily because of the hydrophobic covalent network and can therefore become very brittle; they are therefore only of limited suitability for applications in fuel cells, in particular at higher temperatures.
Die Dmckschriften WO 99/02756 und WO 99/02755 offenbaren ionisch vernetzte Säure-Base-Polymerblends und Polymer(blend)membranen. Ein Vorteil der ionisch vernetzten Säure-Base-Blendmembranen besteht darin, daß die ionischen Bindungen flexibel sind, die Polymere/Membranen auch bei höheren Temperaturen wegen der Hydrophilie der Säure-Base-Gruppen nicht so leicht austrocknen, und deshalb die Polymere/Membranen auch bei höheren Temperaturen nicht verspröden. Die in diesen Druckschriften beschriebenen ionisch vernetzten Ionomer(membran) Systeme weisen jedoch den Nachteil auf, daß sich die ionischen Bindungen im Temperaturbereich zwischen 60 und 90°C lösen und die Polymere/Membranen ab diesem Temperaturbereich exorbitant zu quellen beginnen. Daher sind auch diese Membranen für Anwendungen in Brennstoffenzellen, insbesondere bei höheren Temperaturen oberhalb von 80°C, nur wenig geeignet.WO 99/02756 and WO 99/02755 disclose ionically crosslinked acid-base polymer blends and polymer (blend) membranes. An advantage of the ionically crosslinked acid-base blend membranes is that the ionic bonds are flexible, the polymers / membranes do not dry out so easily even at higher temperatures because of the hydrophilicity of the acid-base groups, and therefore the polymers / membranes also do not become brittle at higher temperatures. However, the ionically crosslinked ionomer (membrane) systems described in these documents have the disadvantage that the ionic bonds are in the temperature range dissolve between 60 and 90 ° C and the polymers / membranes begin to swell exorbitantly from this temperature range. Therefore, these membranes are also not very suitable for applications in fuel cells, especially at higher temperatures above 80 ° C.
In Anbetracht des Standes der Technik ist es nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vernetztes Polymer mit verbesserten Eigenschaften zur Verfügung zu stellen. Das erfindungsgemäße Polymer soll einen geringen spezifischen Durchgangswiderstand, vorzugsweise kleiner oder gleich 100 Ωcm bei 25 °C, und geringe Permeabilität für Wasserstoff, Sauerstoff und Methanol zeigen.In view of the prior art, it is an object of the present invention to provide a crosslinked polymer with improved properties. The polymer according to the invention should have a low volume resistivity, preferably less than or equal to 100 Ωcm at 25 ° C., and a low permeability for hydrogen, oxygen and methanol.
Darüber hinaus soll es eine möglichst gute mechanische Stabilität, insbesondere einen verbesserten E-Modul, eine höhere Reißfestigkeit und ein verbessertes Quellverhalten aufweisen. Vorzugsweise soll es bei einer Temperatur von 90 °C in deionisiertem Wasser um weniger als 100 % quellen.In addition, it should have the best possible mechanical stability, in particular an improved modulus of elasticity, a higher tear strength and an improved swelling behavior. It should preferably swell by less than 100% in deionized water at a temperature of 90 ° C.
Eine weitere Aufgabe bestand darin, ein vernetztes Polymer anzugeben, das in Brennstoffzellen verwendet werden kann. Insbesondere soll das vernetzte Polymer für den Einsatz in Brennstoffzellen oberhalb von 80 °C, insbesondere oberhalb von 100°C geeignet sein.Another object was to provide a cross-linked polymer that can be used in fuel cells. In particular, the crosslinked polymer should be suitable for use in fuel cells above 80 ° C., in particular above 100 ° C.
Aufgabe der Erfindung war auch ein Verfahren zur Herstellung des vernetzten Polymers zur Verfügung zu stellen, das auf einfache Art und Weise, kostengünstig und großtechnisch durchführbar ist.The object of the invention was also to provide a process for producing the crosslinked polymer which can be carried out in a simple manner, inexpensively and on an industrial scale.
Gelöst werden diese sowie weitere nicht explizit genannte Aufgaben, die jedoch aus den hierin einleitend diskutierten Zusammenhängen ohne weiteres ableitbar oder erschließbar sind, durch ein kovalent und ionisch vernetztes Polymer mit allen Merkmalen des Patentanspruchs 1. Zweckmäßige Abwandlungen des erfindungsgemäßen vernetzten Polymers werden in den auf Anspruch 1 rückbezogenen Unteransprüchen unter Schutz gestellt. Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen vernetzten Polymers, werden in den Verfahrensansprüchen beschrieben, während die Ansprüche der Verwendungskategorie bevorzugte Verwendungen eines erfindungsgemäßen vernetzten Polymers schützen.These and other tasks which are not explicitly mentioned, but which can easily be derived or inferred from the contexts discussed at the outset, are achieved by means of a covalently and ionically crosslinked polymer having all the features of patent claim 1 1 related subclaims placed under protection. Processes for producing the crosslinked polymer according to the invention are set out in the process claims described, while the claims of the use category protect preferred uses of a crosslinked polymer according to the invention.
Dadurch, daß man ein kovalent und ionisch vernetztes Polymer aufweisend wiederkehrende Einheiten der allgemeinen Formel (1) zur Verfügung stellt, welches sich dadurch auszeichnet, daß a) der Rest R zumindest teilweise Substituenten der allgemeinen Formel (4A), (4B), (4C), (4D), (4E), (4F), (4G) und/oder (4H) aufweist,The fact that a covalently and ionically crosslinked polymer having repeating units of the general formula (1) is available, which is characterized in that a) the radical R is at least partially substituents of the general formula (4A), (4B), (4C ), (4D), (4E), (4F), (4G) and / or (4H),
OM (4D)OM (4D)
— R1— Bχ - R 1 - B χ
OMOM
X (4H)X (4H)
-R1--R 1 -
X wobei die Reste R1 unabhängig voneinander eine Bindung oder eine 1 bis 40 Kohlenstoffatome aufweisende Gruppe, vorzugsweise eine verzweigte oder nicht verzweigte Alkyl-, Cycloalkyl- oder eine gegebenenfalls alkylierte Arylgruppe sind, M Wasserstoff, ein Metallkation, vorzugsweise Li+, Na+, K+, Rb+, Cs+, oder ein gegebenenfalls alkyliertes Ammoniumion ist und X ein Halogen oder eine gegebenenfalls alkylierte Aminogruppe ist, b) der Rest R zumindest teilweise Substituenten der allgemeinen Formel (5A) und/oder (5B) aufweist,X wherein the radicals R 1 independently of one another are a bond or a group having 1 to 40 carbon atoms, preferably a branched or unbranched alkyl, cycloalkyl or an optionally alkylated aryl group, M is hydrogen, a metal cation, preferably Li + , Na + , K + , Rb + , Cs + , or an optionally alkylated ammonium ion and X is a halogen or an optionally alkylated amino group, b) the radical R at least partially has substituents of the general formula (5A) and / or (5B),
worin R2, R3, R4 und R5 unabhängig voneinander eine 1 bis 40 Kohlenstoff atome aufweisende Gruppe, vorzugsweise eine verzweigte oder nicht verzweigte Alkyl-, Cycloalkyl- oder eine gegebenenfalls alkylierte Arylgruppe sind, wobei mindestens zwei der Reste R2, R3 und R4 zu einem gegebenenfalls aromatischen Ring geschlossen sein können, und oder der Rest R zumindest teilweise ein Gruppe der allgemeinen Formel (5C) und/oder (5D) ist wherein R 2 , R 3 , R 4 and R 5 are independently a group having 1 to 40 carbon atoms, preferably a branched or unbranched alkyl, cycloalkyl or an optionally alkylated aryl group, at least two of the radicals R 2 , R 3 and R 4 can be closed to form an optionally aromatic ring, and or the radical R is at least partially a group of the general formula (5C) and / or (5D)
und c) der Rest R zumindest teilweise Brücken der allgemeinen Formel (6) aufweist, die mindestens zwei Reste R miteinander verbinden, wobei Y eine 1 bis 40 Kohlenstoffatome aufweisende Gruppe, vorzugsweise eine verzweigte oder nicht verzweigte Alkyl-, Cycloalkyl- oder gegebenenfalls alkylierte Arylgruppe ist, Z ist Hydroxyl, eine Gruppe der allgemeinen Formel and c) the radical R at least partially has bridges of the general formula (6), combine the at least two radicals R, where Y is a group having 1 to 40 carbon atoms, preferably a branched or unbranched alkyl, cycloalkyl or optionally alkylated aryl group, Z is hydroxyl, a group of the general formula
oder eine Gruppe mit einem Molekulargewicht größer 20 g/mol bestehend aus den optionalen Komponenten H, C, O, N, S, P und Halogenatomen ist und m eine ganze Zahl größer gleich 2 ist, gelingt es auf nicht ohne weiteres vorhersehbare Weise ein vernetztes Polymer mit verbesserten mechanischen Eigenschaften, insbesondere einem höheren E-Modul, einer verbesserter Reißfestigkeit und einem verbesserten Quellverhalten zugänglich zu machen. or a group with a molecular weight greater than 20 g / mol consisting of the optional components H, C, O, N, S, P and halogen atoms and m is an integer greater than or equal to 2, a crosslinked bond is not readily predictable To make polymer accessible with improved mechanical properties, in particular a higher modulus of elasticity, an improved tear strength and an improved swelling behavior.
Zugleich zeigen das erfindungsgemäße vernetzte Polymer eine Reihe weiterer Vorteile. Hierzu gehören unter anderem:At the same time, the crosslinked polymer according to the invention shows a number of further advantages. These include:
=> Die dotierten Kunststoffmembranen weisen einen geringen spezifischen=> The doped plastic membranes have a low specific
Durchgangswiderstand, vorzugsweise kleiner oder gleich 100 Ωcm bei 25 °C, auf.Volume resistance, preferably less than or equal to 100 Ωcm at 25 ° C.
=> Die dotierten Kunststoffmembranen besitzen nur eine geringe Permeabilität für Wasserstoff, Sauerstoff und Methanol.=> The doped plastic membranes have only a low permeability for hydrogen, oxygen and methanol.
=> Selbst eine extrem dünne Membranen des erfindungemäßen vernetzten Polymers mit einer Gesamtdicke zwischen 10 und 100 μ besitzen hinreichend gute Materialeigenschaften bei 80°C, insbesondere eine sehr hohe mechanische Stabilität und eine geringe Permeabilität für Wasserstoff, Sauerstoff und Methanol.=> Even have an extremely thin membrane of the crosslinked polymer according to the invention with a total thickness between 10 and 100 μ sufficiently good material properties at 80 ° C, especially a very high mechanical stability and a low permeability for hydrogen, oxygen and methanol.
=> Die dotierte Kunststoffmembran ist für den Einsatz in Brennstoffzellen oberhalb von 80 °C, insbesondere unter Normaldruck, geeignet.=> The doped plastic membrane is suitable for use in fuel cells above 80 ° C, especially under normal pressure.
=> Die dotierte Kunststoffmembran ist auf einfache Art und Weise, großtechnisch und kostengünstig herstellbar.=> The doped plastic membrane is simple, large-scale and inexpensive to manufacture.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Polymer ionisch und kovalent vernetzt. Erfindungsgemäß bezeichnet vernetzte Polymere solche Polymere, deren in Kollektiven vorliegenden lineare oder verzweigte Makromoleküle gleicher oder unterschiedlicher chemischer Identität miteinander zu dreidimensionalen polymeren Netzwerken verknüpft werden. Dabei kann die Vernetzung sowohl über dieAccording to the present invention, the polymer is ionically and covalently cross-linked. According to the invention, crosslinked polymers refer to those polymers whose linear or branched macromolecules present in the collective are linked to one another to form three-dimensional polymeric networks. Networking can be done via the
Ausbildung von kovalenten als auch über die Ausbildung von ionischen Bindungen erfolgen. Weitere Einzelheiten können der Fachliteratur, beispielsweise CD Römpp Chemie Lexikon - Version 1.0, Stuttgart/New York: Georg Thieme Verlag 1995, Stichwort „Vernetzung" und der an dieser Stelle zitierten Literatur entnommen werden.Formation of covalent as well as the formation of ionic bonds. Further details can be found in the specialist literature, for example CD Rompp Chemie Lexicon - Version 1.0, Stuttgart / New York: Georg Thieme Verlag 1995, keyword "networking" and the literature cited here.
Das erfmdungsgemäße vernetzte Polymer weist wiederkehrende Einheiten der allgemeinen Formel (1), insbesondere wiederkehrende Einheiten entsprechend den allgemeinen Formeln (1A), (1B), (IC), (1D), (1E), (1F), (IG), (1H), (II), (1J), (1K), (1L), (IM), (IN), (1O), (1P), (IQ), (1R), (IS) und/oder (IT), auf:The crosslinked polymer according to the invention has recurring units of the general formula (1), in particular recurring units corresponding to the general formulas (1A), (1B), (IC), (1D), (1E), (1F), (IG), (IG), ( 1H), (II), (1J), (1K), (1L), (IM), (IN), (1O), (1P), (IQ), (1R), (IS) and / or ( IT), on:
-O-R6- (1A) -OR 6 - (1A)
(1B)(1B)
-S-R- (I-S-R- (I
-O— R-SO2-R— (1D)-O— R-SO 2 -R— (1D)
-O— R^SOz-R— O— R— — O-R6-SO2-R6-O-R6-R6(1E) -O— R ^ SOz-R— O— R— - OR 6 -SO 2 -R 6 -OR 6 -R 6 - (1E)
— O-R6-SO2-R6-R6-SO2-R^- (1G) - OR 6 -SO 2 -R 6 -R 6 -SO 2 -R ^ - (1G)
— O-R-SO2-R6-R6-SO2-R-O-R-SO2-R— (1H) mit O <x, y < 100% bezogen auf die Anzahl aller wiederkehrenden Einheiten- OR-SO 2 -R 6 -R 6 -SO 2 -ROR-SO 2 -R— (1H) with O <x, y <100% based on the number of all recurring units
— O-R6-CO-R6(U) - OR 6 -CO-R 6 - (U)
— O— R6-CO-R6-CO-R6(1K) - O— R 6 -CO-R 6 -CO-R 6 - (1K)
— O— R6-CO-R-O-R6-CO-R-CO-R^- (1L) - O- R 6 -CO-ROR 6 -CO-R-CO-R ^ - (1L)
— O-R6-O-R6-CO-R6(1M) - OR 6 -OR 6 -CO-R 6 - (1M)
— O— R-O-R-CO-R6-CO-R6(1N) - O- ROR-CO-R 6 -CO-R 6 - (1N)
it O < y < 100% it O <y <100%
(1P)(1P)
-Rυ--R υ -
-R— CH=CH — (IQ)-R— CH = CH - (IQ)
-CHR! — CH2- (1R)-CHR ! - CH 2 - (1R)
N N (IS)N N (IS)
-< -≠- u - <- ≠ - u
Dabei sind die Reste R6 unabhängig voneinander gleich oder verschieden 1 ,2- Phenylen, 1 ,3-Phenylen, 1,4-Phenylen, 4,4'-Biphenyl, ein zweiwertiger Rest eines Heteroaromaten, ein zweiwertiger Rest eines C10-Aromaten, ein zweiwertiger Rest eines C14-Aromaten und/oder ein zweiwertiger Pyren-Rest. Ein Beispiel für einen C10-Aromaten ist Naphthalin, für einen C14-Aromaten Phenanthren. Das Substitutionsmuster des Aromaten und/oder Heteroaromaten ist beliebig, im Falle von Phenylen beispielsweise kann R6 orfho-, meta- und para-Phenylen sein.The radicals R 6 are, independently of one another, the same or different 1, 2-phenylene, 1, 3-phenylene, 1,4-phenylene, 4,4'-biphenyl, a divalent radical of a heteroaromatic, a divalent radical of a C 10 aromatic , a divalent radical of a C 14 aromatic and / or a divalent pyrene radical. An example of a C 10 aromatics is naphthalene, for a C 14 aromatics phenanthrene. The substitution pattern of the aromatic and / or heteroaromatic is arbitrary, in the case of phenylene, for example, R 6 can be ortho, meta and para phenylene.
Die Reste R7, R8 und R9 bezeichnen ein-, vier- bzw. dreibindige aromatische oder hetero aromatische Gruppen und die Reste U, die innerhalb einer Wiederholungseinheit gleich sind, stehen für ein Sauerstoffatom, ein Schwefelatom 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.The radicals R 7 , R 8 and R 9 denote single-, four- or three-bonded aromatic or heteroaromatic groups and the radicals U, which are the same within a repeating unit, represent an oxygen atom, a sulfur atom or an amino group which is 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.
Zu den im Rahmen der vorliegenden Erfindung besonders bevorzugten Polymeren mit wiederkehrenden Einheiten der allgemeinen Formel (1) gehören Homo- und Copolymere, beispielsweise statistische Copofymere, wie ®Victrex 720 P und ®Astrel an. Ganz besonders bevorzugte Polymere sind Polyarylether, Polyarylthioether, Polysulfone, Polyetherketone, Poylpyrrole, Polythiophene, Polyazole, Polyphenylene, Polyphenylenvinylene, Polyaniline, Polyazulene, Polycarbazole, Polypyrene, Polyindophenine und Polyvinylpyridine, insbesondere: Polyarylether:Particularly preferred in the present invention, polymers having recurring units of the general formula (1) belong to homopolymers and copolymers, for example random Copofymere as Victrex ® 720 P and Astrel ®. Very particularly preferred polymers are polyaryl ethers, polyaryl thioethers, polysulfones, polyether ketones, poly pyrroles, polythiophenes, polyazoles, polyphenylenes, polyphenylene vinylenes, polyanilines, polyazulenes, polycarbazoles, polypyrenes, polyindophenines and polyvinyl pyridines, in particular: polyaryl ethers:
Polyphenylenoxidpolyphenylene oxide
P oly arylthioether: Poly arylthioether:
Polyphenylensulfidpolyphenylene sulfide
Polysulfone:polysulfones:
®Victrex 200 P ® Victrex 200 P
^Victrex 720 P mit n > o ®Radel ^ Victrex 720 P with n> o ®Radel
Radel R Radel R
Victrex HTA Victrex HTA
Astrel mit n < oAstrel with n <o
UdelUdel
Polyetherketone: PEK Polyether ketones: PEK
PEKKPEKK
(1K-1) (1K-1)
PEKEKK PEKEKK
PEEKPEEK
PEEKK PEEKK
Polypyrrole:polypyrroles:
Polythiophene:polythiophenes:
Polyazole: polyazoles:
Polybenzimidazolpolybenzimidazole
Polyphenylene:Polyphenylene:
Polyphenylenvmylen:Polyphenylenvmylen:
Polyanilin:polyaniline:
Polyazulen:polyazulene:
Polycarbazol:polycarbazole:
Polypyren: polypyrene:
Polyindophenine:Polyindophenine:
Polyvinylpyridin:polyvinyl pyridine:
Erfindungsgemäß ganz besonders bevorzugt werden vernetzte Polymere mit wiederkehrenden Einheiten der allgemeinen Formel (1A-1), (1B-1), (1C-1), (11-1), (1G-1), (1E-1), (1H-1), (11-1), (1F-1), (1 -1), (1K-1), (1L-1), (1M-1) und/oder (1N-1). Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bezeichnet n die Anzahl der wiederkehrenden Einheiten entlang einer Makromolekülkette des vernetzten Polymers. Diese Anzahl der wiederkehrende Einheiten der allgemeinen Formel (1) entlang einer Makromolekülkette des vernetzten Polymers ist vorzugsweise eine ganze Zahl größer gleich 10, insbesondere größer gleich 100. Vorzugsweise ist die Anzahl der wiederkehrende Einheiten der allgemeinen Formel (1A), (1B), (IC), (1D), (1E), (IF), (IG), (IH), (II), (IJ), (IK), (IL), (IM), (IN), (10), (IP), (IQ), (IR), (IS) und/oder (IT) entlang einer Makromolekülkette des vernetzten Polymers eine ganze Zahl größer gleich 10, insbesondere größer gleich 100.Cross-linked polymers with recurring units of the general formula (1A-1), (1B-1), (1C-1), (11-1), (1G-1), (1E-1), ( 1H-1), (11-1), (1F-1), (1 -1), (1K-1), (1L-1), (1M-1) and / or (1N-1). In the context of the present invention, n denotes the number of repeating units along a macromolecule chain of the crosslinked polymer. This number of repeating units of the general formula (1) along a macromolecule chain of the crosslinked polymer is preferably an integer greater than or equal to 10, in particular greater than or equal to 100. The number of repeating units of the general formula (1A), (1B), ( IC), (1D), (1E), (IF), (IG), (IH), (II), (IJ), (IK), (IL), (IM), (IN), (10) , (IP), (IQ), (IR), (IS) and / or (IT) along a macromolecule chain of the crosslinked polymer an integer greater than or equal to 10, in particular greater than or equal to 100.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Zahlenmittel des Molekulargewichts der Makromolekülkette größer als 25.000 g/mol, zweckmäßigerweise größer 50.000 g/mol, insbesondere größer 100.000 g/mol.In a particularly preferred embodiment of the present invention, the number average molecular weight of the macromolecule chain is greater than 25,000 g / mol, advantageously greater than 50,000 g / mol, in particular greater than 100,000 g / mol.
Das erfϊndungsgemäße vernetzte Polymer kann grundsätzlich auch unterschiedliche wiederkehrende Einheiten entlang einer Makromolekülkette aufweisen. Vorzugsweise jedoch weist es entlang einer Makromolekülkette nur gleiche wiederkehrende Einheiten der allgemeinen Formel (1A), (1B), (IC), (1D), (1E), (IF), (IG), (IH), (II), (IJ), (IK), (IL), (IM), (IN), (10), (IP), (IQ), (IR), (IS) und/oder (IT) auf.The cross-linked polymer according to the invention can in principle also have different repeating units along a macromolecule chain. However, it preferably has only the same repeating units of the general formula (1A), (1B), (IC), (1D), (1E), (IF), (IG), (IH), (II) along a macromolecule chain, (IJ), (IK), (IL), (IM), (IN), (10), (IP), (IQ), (IR), (IS) and / or (IT).
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung weist der Rest R zumindest teilweise Substituenten der allgemeinen Formel (4A), (4B), (4C), (4D), (4E), (4F), (4G) und/oder (4H), vorzugsweise der allgemeinen Formel (4A), (4B), (4C) und/oder (4D), zweckmäßigerweise der allgemeinen Formel (4A), (4B) und/oder (4C), insbesondere der allgemeinen Formel (4A) auf:In the context of the present invention, the radical R preferably has at least partially substituents of the general formula (4A), (4B), (4C), (4D), (4E), (4F), (4G) and / or (4H) of the general formula (4A), (4B), (4C) and / or (4D), advantageously of the general formula (4A), (4B) and / or (4C), in particular of the general formula (4A):
OM (4D)OM (4D)
-R ,ι1— B. \,-R, ι 1 - B. \,
OMOM
Dabei bezeichnen die Reste R1 unabhängig voneinander eine Bindung oder eine 1 bis 40 Kohlenstoffatome aufweisende Gruppe, vorzugsweise eine verzweigte oder nicht verzweigte Alkyl-, Cycloalkyl- oder eine gegebenenfalls alkylierte Arylgruppe. Im Rahmen einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist R1 eine Bindung.The radicals R 1 independently denote a bond or a group having 1 to 40 carbon atoms, preferably a branched or unbranched alkyl, cycloalkyl or an optionally alkylated aryl group. In the context of a very particularly preferred embodiment of the present invention, R 1 is a bond.
M steht für Wasserstoff, ein Metallkation, vorzugsweise Li+, Na+, K+, Rb+, Cs+, oder ein gegebenenfalls alkyliertes Ammoniumion, zweckmäßigerweise für Wasserstoff oder Li+, insbesondere für Wasserstoff.M represents hydrogen, a metal cation, preferably Li + , Na + , K + , Rb + , Cs + , or an optionally alkylated ammonium ion, advantageously hydrogen or Li + , in particular hydrogen.
X ist ein Halogen oder eine gegebenenfalls alkylierte Aminogruppe ist. Weiterhin weist der Rest R erfindungsgemäß zumindest teilweise Substituenten der allgemeinen Formel (5A) und/oder (5B), vorzugsweise (5A) auf,X is a halogen or an optionally alkylated amino group. Furthermore, the radical R according to the invention has at least partially substituents of the general formula (5A) and / or (5B), preferably (5A),
und/oder der Rest R ist zumindest teilweise ein Gruppe der allgemeinen Formel (5C) und/oder (5D), vorzugsweise (5C). and / or the radical R is at least partially a group of the general formula (5C) and / or (5D), preferably (5C).
In diesem Zusammenhang kennzeichnen die Reste R2, R3, R4 und R5 unabhängig voneinander eine 1 bis 40 Kohlenstoffatome aufweisende Gruppe, vorzugsweise eine verzweigte oder nicht verzweigte Alkyl-, Cycloalkyl- oder eine gegebenenfalls alkylierte Arylgruppe, wobei mindestens zwei der Reste R2, R3 und R4 zu einem gegebenenfalls aromatischen Ring geschlossen sein können.In this context, the radicals R 2 , R 3 , R 4 and R 5 independently of one another denote a group having 1 to 40 carbon atoms, preferably a branched or unbranched alkyl, cycloalkyl or an optionally alkylated aryl group, at least two of the radicals R 2 , R 3 and R 4 can be closed to form an optionally aromatic ring.
Besonders vorteilhafte Effekte können erzielt werden, wenn R zumindest teilweise Substituenten der allgemeinen Formel (5A-1) und/oder (5A-2) aufweist.Particularly advantageous effects can be achieved if R at least partially has substituents of the general formula (5A-1) and / or (5A-2).
O (5A-O ( 5A -
_JLRιo_JL R ιo
Dabei kennzeichnet die Reste R10 eine gegebenenfalls alkylierte Arylgruppe, die mindestens eine gegebenenfalls alkylierte Aminogruppe aufweist, oder eine gegebenenfalls alkylierten HeteroaiOmaten, der entweder mindestens eine gegebenenfalls alkylierte Aminogruppe aufweist oder mindestens ein Stickstoffatom im heteroaiOmatischen Kern aufweist. R11 ist Wasserstoff, eine Alkyl-, eine Cycloalkyl, eine Aryl-, oder eine Heteroarylgruppe oder ein Rest R10 mit der vorstehend genannten Bedeutung, wobei R10 und R11 gleich oder verschieden sein können. The radicals R 10 here denotes an optionally alkylated aryl group which has at least one optionally alkylated amino group, or an optionally alkylated heteroaioate which either has at least one optionally alkylated amino group or has at least one nitrogen atom in the heteroaiomatic core. R 11 is hydrogen, an alkyl, a cycloalkyl, an aryl or a heteroaryl group or a radical R 10 with the abovementioned meaning, where R 10 and R 11 can be identical or different.
Erfindungsgemäß ganz besonders bevorzugt werden Substituenten der Formel (5A-1), bei welchen R10 ein gegebenenfalls alkylierter Anilinrest oder Pyridinrest, vorzugsweise ein alkylierter Anilinrest ist. Weiterhin werden auch Substituenten der Formel (5A-2) besonders bevorzugt, bei welchen R10 und R11 gegebenenfalls alkylierte Anilinreste oder Pyridinreste, vorzugsweise alkylierte Anilinreste sind.Substituents of the formula (5A-1) in which R 10 is an optionally alkylated aniline residue or pyridine residue, preferably an alkylated aniline residue, are very particularly preferred according to the invention. Furthermore, substituents of the formula (5A-2) in which R 10 and R 11 are optionally alkylated aniline residues or pyridine residues, preferably alkylated aniline residues, are also particularly preferred.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung weist der Rest R zumindest teilweise Bracken der allgemeinen Formel (6) auf,In the context of the present invention, the radical R at least partially has brackets of the general formula (6)
die mindestens zwei Reste R miteinander verbinden, wobei Y eine 1 bis 40 Kohlenstoffatome aufweisende Gruppe, vorzugsweise eine verzweigte oder nicht verzweigte Alkyl-, Cycloalkyl- oder gegebenenfalls alkylierte Arylgruppe, zweckmäßigerweise eine 1 bis 6 Kohlenstoffatome aufweisende lineare oder verzweigte Alkylgruppe, ist. combine the at least two radicals R, where Y is a group having 1 to 40 carbon atoms, preferably a branched or unbranched alkyl, cycloalkyl or optionally alkylated aryl group, advantageously a linear or branched alkyl group having 1 to 6 carbon atoms.
Z bezeichnet Hydroxyl, eine Gruppe der allgemeinen FormelZ denotes hydroxyl, a group of the general formula
oder eine Gruppe mit einem Molekulargewicht größer 20 g/mol bestehend aus den optionalen Komponenten H, C, O, N, S, P und Halogenatomen, und m steht für eine ganze Zahl größer gleich 2, vorzugsweise 2. or a group with a molecular weight greater than 20 g / mol consisting of the optional components H, C, O, N, S, P and halogen atoms, and m represents an integer greater than or equal to 2, preferably 2.
Das erfmdungsgemäße vernetzte Polymer ist vorzugsweise sind mit Säure dotiert. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bezeichnen dotierte Polymere solche Polymere, die aufgrund der Gegenwart von Dotierungsmitteln eine erhöhte Protonenleitfähigkeit im Vergleich mit den nicht dotierten Polymeren zeigen. Dotierungsmittel für die erfindungsgemäßen Polymere sind Säuren. Säuren umfassen in diesem Zusammenhang alle bekannten Lewis- und Bransted-Säuren, vorzugsweise anorganische Lewis- und Bransted-Säuren. Weiterhin ist auch der Einsatz von Polysäuren möglich, insbesondere Isopolysäuren und Heteropolysäuren sowie von Mischungen verschiedener Säuren. Dabei bezeichnen im Sinne der vorliegenden Erfindung Heteropolysäuren anorganische Polysäuren mit mindestens zwei verschiedenen Zentralatomen, die aus jeweils schwachen, mehrbasischen Sauerstoff -Säuren eines Metalls (vorzugsweise Cr, Mo, V, W) und eines Nichtmetalls (vorzugsweise As, I, P, Se, Si, Te) als partielle gemischte Anhydride entstehen. Zu ihnen gehören unter anderen die 12-Molybdatophosphorsäure und die 12-Wolframatophosphorsäure.The crosslinked polymer according to the invention is preferably doped with acid. In the context of the present invention, doped polymers refer to those polymers which, owing to the presence of doping agents, have an increased proton conductivity in comparison with the undoped polymers. Dopants for the polymers according to the invention are acids. In this context, acids include all known Lewis and Bransted acids, preferably inorganic Lewis and Bransted acids. It is also possible to use polyacids, especially isopolyacids and heteropolyacids, and mixtures of different acids. For the purposes of the present invention, heteropolyacids denote inorganic polyacids with at least two different central atoms, each of which consists of weak, polybasic oxygen acids of a metal (preferably Cr, Mo, V, W) and a non-metal (preferably As, I, P, Se, Si, Te) arise as partially mixed anhydrides. They include, among others, 12-molybdate phosphoric acid and 12-tungsten phosphoric acid.
Erfindungsgemäß besonders bevorzugte Dotierungsmittel sind Schwefelsäure und Phosphorsäure. Ein ganz besonders bevorzugtes Dotierungsmittel ist Phosphorsäure (H3PO4).Dopants which are particularly preferred according to the invention are sulfuric acid and phosphoric acid. A very particularly preferred dopant is phosphoric acid (H 3 PO 4 ).
Über den Dotierung sgrad kann die Leitfähigkeit der erfindungsgemäßenThe conductivity of the invention can be determined by the degree of doping
Kunststoffmernbran beeinflußt werden. Dabei nimmt die Leitfähigkeit mit steigender Konzentration an Dotierungsmittel solange zu, bis ein maximaler Wert erreicht ist. Erfindungsgemäß wird der Dotierungsgrad angegeben als Mol Säure pro Mol Wiederholungseinheit des Polymers. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist ein Dotierungsgrad zwischen 3 und 15, insbesondere zwischen 6 und 12, bevorzugt. Verfahren zur Herstellung von dotierten Kunststoffmembran sind bekannt. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden sie erhalten, indem man ein erfindungsgemäße Polymer eine geeignete Zeit, vorzugsweise 0,5 - 96 Stunden, besonders bevorzugt 1 - 72 Stunden, bei Temperaturen zwischen Raumtemperatur und 100°C und gegebenenfalls erhöhtem Druck mit konzentrierter Säure, vorzugsweise mit hochkonzentrierter Phosphorsäure benetzt.Plastic membrane are affected. The conductivity increases with increasing dopant concentration until a maximum value is reached. According to the invention, the degree of doping is stated as mole of acid per mole of repeating unit of the polymer. In the context of the present invention, a degree of doping between 3 and 15, in particular between 6 and 12, is preferred. Processes for producing doped plastic membranes are known. In a preferred embodiment of the present invention, they are obtained by a polymer according to the invention for a suitable time, preferably 0.5-96 hours, particularly preferably 1-72 hours, at temperatures between room temperature and 100 ° C. and, if appropriate, increased pressure with concentrated acid , preferably wetted with highly concentrated phosphoric acid.
Das Eigenschaftsspektrum des erfindungsgemäßen vernetzten Polymers kann durch Variation seiner Ionenaustauscherkapazität verändert werden. Vorzugsweise liegt die Ionenaustauscherkapazität zwischen 0,5 meq/g und 1,9 meq/g, jeweils bezogen auf die Gesamtmasse des Polymers.The spectrum of properties of the crosslinked polymer according to the invention can be changed by varying its ion exchange capacity. The ion exchange capacity is preferably between 0.5 meq / g and 1.9 meq / g, in each case based on the total mass of the polymer.
Das erfindungsgemäße Polymer weist einen niedrigen spezifischen Durchgangswiderstand, vorzugsweise von höchstens 100 Ωcm, zweckmäßigerweise von höchstens 50 Ωcm, insbesondere von höchstens 20 Ωcm, jeweils bei 25°C, auf.The polymer according to the invention has a low volume resistivity, preferably of at most 100 Ωcm, expediently of at most 50 Ωcm, in particular of at most 20 Ωcm, in each case at 25 ° C.
Die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Kunststoffmembran können zum Teil durch ihre Gesamtdicke gesteuert werden. Jedoch besitzen auch äußerst dünne Kunststoffmembranen schon sehr gute mechanische Eigenschaften und eine geringere Permeabilität für Wasserstoff, Sauerstoff und Methanol. Daher sind sie für den Einsatz in Brennstoffzellen oberhalb von 80°C, zweckmäßigerweise oberhalb von 100°C, insbesondere für den Einsatz in Brennstoffzellen oberhalb von 120°C geeignet, ohne daß der Randbereich der Membran-Elektroden-Einheit verstärkt werden muß. Vorzugsweise beträgt die Gesamtdicke der erfindungsgemäßen, dotierten Kunststoffmembran zwischen 5 und 100 μm, zweckmäßigerweise zwischen 10 und 90 μm, insbesondere zwischen 20 und 80 μm.The properties of the plastic membrane according to the invention can be controlled in part by their overall thickness. However, even extremely thin plastic membranes already have very good mechanical properties and a lower permeability for hydrogen, oxygen and methanol. They are therefore suitable for use in fuel cells above 80 ° C., expediently above 100 ° C., in particular for use in fuel cells above 120 ° C., without the edge region of the membrane electrode unit having to be reinforced. The total thickness of the doped plastic membrane according to the invention is preferably between 5 and 100 μm, advantageously between 10 and 90 μm, in particular between 20 and 80 μm.
Im Rahmen einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung quillt es bei einer Temperatur von 90°C in deionisiertem Wasser um weniger als 100 %. Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen vernetzten Polymers sind dem Fachmann offensichtlich. Jedoch hat sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Vorgehensweise als ganz besonders geeignet eiwiesen, bei der man ein oder mehrere Eduktpolymere, das oder die jeweils oder in Summe die funktionelle Gruppen a), b) und d) aufweisen, wobei d) Sulfinat-Gruppen der allgemeinen Formel (6) bezeichnetIn a very particularly preferred embodiment of the present invention, it swells at a temperature of 90 ° C. in deionized water by less than 100%. Methods for producing the crosslinked polymer according to the invention are obvious to the person skilled in the art. However, within the scope of the present invention, a procedure has proven to be very particularly suitable in which one or more reactant polymers, the one or more or all of the functional groups a), b) and d) have, where d) sulfinate groups of the general formula (6)
O . (6)O. (6)
— R i1— S II— OM mit einer Verbindung der allgemeinen Formel (7) umsetzt YL,» . (?) wobei L eine Abgangsgruppe, vorzugsweise eine F, Cl, Br, I, Tosylat, und n eine ganze Zahl größer gleich 2, vorzugsweise 2, ist. Dabei weist jedes Eduktpolymer vorzugsweise wiederkehrende Einheiten der allgemeinen Formel (1) auf. Weiterhin ist es zweckmäßigerweise nicht kovalent vernetzt.- R i 1 - S II— OM with a compound of the general formula (7) YL, ». (?) where L is a leaving group, preferably an F, Cl, Br, I, tosylate, and n is an integer greater than or equal to 2, preferably 2. Each reactant polymer preferably has recurring units of the general formula (1). Furthermore, it is expediently not covalently crosslinked.
Für den Fall, daß bei mindestens einem Eduktpolymer der Rest R zumindest teilweise Substituenten der allgemeinen Formel (5A) aufweist oder zumindest teilweise eine Gruppe der allgemeinen Formel (5C) ist, kann die Umsetzung mit der Verbindung (7) weiterhin auch zur Bildung von Brücken der allgemeinen Formel (8) und/oder (9) führen.In the event that the radical R in at least one reactant polymer has at least partially substituents of the general formula (5A) or is at least partially a group of the general formula (5C), the reaction with the compound (7) can also be used to form bridges of the general formula (8) and / or (9).
Auch die Ausbildung von Brücken zwischen verschiedenen Substuenten der allgemeinen Formel (5A) bzw. zwischen verschiedenen Gruppen der allgemeinen Formel (5C) ist denkbar. Im Rahmen einer besonders bevorzugten Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Polymermischung ausThe formation of bridges between different substituents of the general formula (5A) or between different groups of the general formula (5C) is also conceivable. In the context of a particularly preferred embodiment of the present invention, a polymer mixture is made
1) mindestens einem Eduktpolymer aufweisend funktionelle Gruppen a),1) at least one starting polymer having functional groups a),
2) mindestens einem Eduktpolymer aufweisend funktionelle Gruppen b) und 3) mindestens einem Eduktpolymer aufweisend funktionelle Gruppen d) eingesetzt.2) at least one reactant polymer having functional groups b) and 3) at least one reactant polymer having functional groups d) are used.
Im Rahmen einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Polymermischung aus 1) mindestens ein Eduktpolymer aufweisend funktionelle Gruppen a) und b) und 2) mindestens ein Eduktpolymer aufweisend funktionelle Gruppen d) eingesetzt.In the context of a further particularly preferred embodiment of the present invention, a polymer mixture of 1) at least one starting polymer having functional groups a) and b) and 2) at least one starting polymer having functional groups d) is used.
Gemäß einer anderen besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann es auch besonders vorteilhaft sein, eine Polymeraiischung ausAccording to another particularly preferred embodiment of the present invention, it can also be particularly advantageous to use a polymer mixture
1) mindestens ein Eduktpolymer aufweisend funktionelle Gruppen a) und d) und1) at least one starting polymer having functional groups a) and d) and
2) mindestens ein Eduktpolymer aufweisend funktionelle Gruppen b) einzusetzen.2) to use at least one starting polymer having functional groups b).
Weiterhin stellt auch Verfahren, bei welchem man eine Polymermischung ausFurthermore, there is also a process in which a polymer mixture is prepared
1) mindestens einem Eduktpolymer aufweisend funktionelle Gruppen a) und1) at least one starting polymer having functional groups a) and
2) mindestens einem Eduktpolymer aufweisend funktionelle Gruppen b) und d) einsetzt, eine besonders bevorzugte Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung dar.2) uses at least one starting polymer having functional groups b) and d), a particularly preferred embodiment of the present invention.
Erfmdungsgemäß kann es auch überaus zweckmäßig sein, mindestens ein Polymer aufweisend funktionelle Gruppen der allgemeinen Formel a), b) und d) einzusetzen.According to the invention, it can also be extremely expedient to use at least one polymer having functional groups of the general formulas a), b) and d).
Das oder die erfindungsgemäß einzusetzenden Eduktpolymere können grundsätzlich unterschiedliche wiederkehrende Einheiten der allgemeinen Formel (1) aufweisen. Vorzugsweise jedoch weisen sie nur gleiche wiederkehrende Einheiten der allgemeinen Formel (1A), (1B), (IC), (1D), (1E), (IF), (IG), (IH), (II), (IJ), (IK), (IL), (IM), (IN), (10), (IP), (IQ), (IR), (IS) und/oder (IT) auf. Die Anzahl der wiederkehrende Einheiten der allgemeinen Formel (1A), (1B), (IC), (1D), (1E), (IF), (IG), (IH), (II), (IJ), (IK), (IL), (IM), (IN), (10), (IP), (IQ), (IR), (IS) und/oder (IT) ist vorzugsweise eine ganze Zahl größer gleich 10, vorzugsweise mindestens 100 wiederkehrende Einheiten.The reactant polymer (s) to be used according to the invention can in principle have different repeating units of the general formula (1). However, they preferably have only the same repeating units of the general formula (1A), (1B), (IC), (1D), (1E), (IF), (IG), (IH), (II), (IJ) , (IK), (IL), (IM), (IN), (10), (IP), (IQ), (IR), (IS) and / or (IT). The number of repeating units of the general formula (1A), (1B), (IC), (1D), (1E), (IF), (IG), (IH), (II), (IJ), (IK ), (IL), (IM), (IN), (10), (IP), (IQ), (IR), (IS) and / or (IT) is preferably an integer greater than or equal to 10, preferably at least 100 recurring units.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Zahlenmittel des Molekulargewichts des oder der Eduktpolymere größer als 25.000 g/mol, zweckmäßigerweise größer 50.000 g/mol, insbesondere größer 100.000 g/mol.In a particularly preferred embodiment of the present invention, the number average of the molecular weight of the starting polymer or polymers is greater than 25,000 g / mol, advantageously greater than 50,000 g / mol, in particular greater than 100,000 g / mol.
Die Synthese der Eduktpolymere aufweisend funktionelle Gruppen der allgemeinen Foraiel a), b) und oder d) ist bereits bekannt. Sie kann beispielsweise erfolgen, indem man ein Polymer der allgemeinen Formel (1) mit n-Butyllithium in einem getrockneten aprotischen Lösungsmittel, vorzugsweise Tetrahydrofuran (THF), unter Inertgas atmosphäre, vorzugsweise Argon umsetzt und auf diese Weise lithiiert.The synthesis of the starting polymer having functional groups of the general formulas a), b) and or d) is already known. It can be carried out, for example, by reacting a polymer of the general formula (1) with n-butyllithium in a dried aprotic solvent, preferably tetrahydrofuran (THF), under an inert gas atmosphere, preferably argon, and lithiating in this way.
Zur Einführung der funktionellen Gruppen wird das lithiierte Polymer in an sich bekannter Weise mit geeigneten Funktionalisie ngsmitteln, vorzugsweise mit Alkylierungsmittel der allgemeinen FormelTo introduce the functional groups, the lithiated polymer is in a manner known per se with suitable functionalizing agents, preferably with alkylating agents of the general formula
L— Subst. > 0°) wobei Subst. der einzuführende Substituent ist, mit Ketonen und/oder Aldehyden, die zu den entsprechenden Alkoholaten umgesetzt werden, und/oder mit Carbons äureestem und/oder Carbonsäurehalogeniden, die zu den entsprechenden Ketonen umgesetzt werden. Die Einführung von Sulfonatgruppen kann auch durch die Umsetzung des lithiierten Polymers mit SO3, die Einführung von Sulffnatgruppen auch durch die Umsetzung des lithiierten Polymers mit SO2 erfolgen.L— Subst.> 0 °) where Subst. Is the substituent to be introduced, with ketones and / or aldehydes, which are converted to the corresponding alcoholates, and / or with carboxylic acid residues and / or carboxylic acid halides, which are converted to the corresponding ketones. Sulfonate groups can also be introduced by reacting the lithiated polymer with SO 3 , and sulfonate groups can also be introduced by reacting the lithiated polymer with SO 2 .
Durch sukzessive Umsetzung mit mehreren unterschiedlichen Funktionaliesierungsmittehi werden Polymere erhalten, die mindestens zwei verschiedene Substituenten aufweisen. Für weitere Details wird auf den Stand der Technik, insbesondere auf die Druckschriften US 4,833,219, J. Kerres, W. Cui, S. Reichle; New sulfonated engineering polymres via the melation route. 1. Sulfonated poly(ethersulfone) PSU Udel® viametalation-sulfination-oxidation" J. Polym. Sei.: Part A: Polym. Chem. 34, 2421-2438 (1996), WO 00/09588 AI veiwiesen, auf deren Offenbaning hiermit explizit bezug genommen wird.By successive implementation with several different functionalization agents, polymers are obtained which have at least two different substituents. For further details, reference is made to the state of the art, in particular to the publications US 4,833,219, J. Kerres, W. Cui, S. Reichle; New sulfonated engineering polymres via the melation route. 1. Sulfonated poly (ethersulfone) PSU Udel ® viametalation-sulfinate ion-oxidation "J. Polym Be .: Part A:. Polym Chem 34, 2421-2438 (1996), WO 00/09588 Al veiwiesen on whose Offenbaning herewith.. explicit reference is made.
Der Funktionalisierungsgrad der Eduktpolymere liegt vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 3 Gruppen pro Wiederholungseinheit, vorzugsweise zwischen 0,2 und 2,2 Gruppen pro Wiederholungseinheit. Besonders bevorzugt werden Eduktpolymere mit 0,2 bis 0,8 Gruppen a), vorzugsweise Sulfonatgruppen, pro Wiederholungseinheit. Weiterhin haben sich Eduktpolymere mit 0,8 bis 2,2 Gruppen b) pro Wiederholungseinheit besonders bewährt. Darüber hinaus werden mit Eduktpolymeren, die 0,8 bis 1,3 Gruppen d) pro Wiederholungseinheit aufweisen, besonders vorteilhafte Resultate erzielt.The degree of functionalization of the starting polymer is preferably in the range from 0.1 to 3 groups per repeating unit, preferably between 0.2 and 2.2 groups per repeating unit. Starting polymers with 0.2 to 0.8 groups a), preferably sulfonate groups, per repeat unit are particularly preferred. Furthermore, reactant polymers with 0.8 to 2.2 groups b) per repeat unit have proven particularly useful. In addition, particularly advantageous results are achieved with starting polymers which have 0.8 to 1.3 groups d) per repeating unit.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat es sich als ganz besonders zweckmäßig eiwiesen, das eine oder die Eduktpolymere in einem dipolar-aprotischen Lösungsmittel, vorzugsweise in N,N-Dimethylformamid, N,N-Dimethylacetamid, N- MethylpyiTolidon, Dimethylsulfoxid oder Sulfolan, zu lösen und mit der Halogenverbindung unter Rühren umzusetzen.In the context of the present invention, it has proven to be particularly expedient to dissolve one or the starting polymers in a dipolar aprotic solvent, preferably in N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methylpyiTolidone, dimethyl sulfoxide or sulfolane and react with the halogen compound with stirring.
Besonders vorteilhafte Ergebnisse können dabei erzielt werden, wenn a) man die Polymerlösung als Film auf einer Unterlage, vorzugsweise auf einer Glasplatte, einem Gewebe oder einem Vlies, spreitet und b) das Lösungsmittel gegebenenfalls bei erhöhter Temperatur größer 25°C und/oder reduziertem Druck kleiner 1000 mbar abdampft und auf diese Weise eine Polymermembran erhält.Particularly advantageous results can be achieved if a) the polymer solution is spread as a film on a base, preferably on a glass plate, a fabric or a nonwoven, and b) the solvent, if appropriate at elevated temperature above 25 ° C. and / or reduced pressure evaporates less than 1000 mbar and in this way receives a polymer membrane.
Die Eigenschaften des erfindungsgemäßen Polymers lassen sich auch dadurch verbessern, indem man das Polymer a) in einem ersten Schritt mit einer Säure behandelt und b) in einem weiteren Schritt mit deionisiertem Wasser behandelt. wobei man das Polymer vor dem ersten Schritt gegebenenfalls mit einer Lauge behandelt.The properties of the polymer according to the invention can also be improved by changing the polymer a) treated with an acid in a first step and b) treated with deionized water in a further step. wherein the polymer is optionally treated with an alkali before the first step.
Mögliche Einsatzgebiete für das erfindungsgemäße kovalent und ionisch vernetzte Polymer sind dem Fachmann offensichtlich. Es eignet sich insbesondere für alle Anwendungen, die für vernetzte Polymere mit niedrigen spezifischen Durchgangswiderständen, vorzugsweise kleiner 100 Ωcm bei 25°C, vorgezeichnet sind. Aufgrund ihrer charakteristischen Eigenschaften sind sie vor allem für Anwendungen in elektrochemischen Zellen, vorzugsweise in Sekundärbatterien,Possible areas of use for the covalently and ionically crosslinked polymer according to the invention are obvious to the person skilled in the art. It is particularly suitable for all applications which are drawn for cross-linked polymers with low volume resistivities, preferably less than 100 Ωcm at 25 ° C. Because of their characteristic properties, they are particularly suitable for applications in electrochemical cells, preferably in secondary batteries,
Elektrolysezellen und in PolymerelektiOlytmembranbrennstoffzellen, insbesondere in Wasserstoff- und Direkt-Methanol-Brennstoffzellen geeignet.Electrolysis cells and in polymer electrolyte membrane fuel cells, in particular in hydrogen and direct methanol fuel cells.
Weiterhin können sie auch in Membrantrennprozessen, vorzugsweise bei der Gastrennung, Pervaporation, Perstraktion, Umkehrosmose, Nanofiltration, Elektrodialyse und der Diffusionsdialyse, auf besonders vorteilhafte Weise eingesetzt werden.Furthermore, they can also be used in a particularly advantageous manner in membrane separation processes, preferably in gas separation, pervaporation, perstraction, reverse osmosis, nanofiltration, electrodialysis and diffusion dialysis.
Nachfolgend wird die Erfindung durch Beispiele und Vergleichsbeispiele eingehender erläutert, ohne daß die erfindungsgemäße Lehre auf diese Beispiele beschränkt werden soll. Dabei wurden die angegebenen Eigenschaftswerte, ebenso wie die vorstehend beschriebenen Werte, wie folgt ermittelt:The invention is explained in more detail below by means of examples and comparative examples, without the teaching of the invention being restricted to these examples. The specified property values, as well as the values described above, were determined as follows:
Zur Bestimmung der Ionenaustauscherkapazität IEC wurde ein Stück protonierter Ionomermembran bis zur Gewichtskonstanz getrocknet. 1 mg der Membran wurden in etwa 50 ml gesättigte NaCl-Lösung gegeben. Dadurch erfolgte ein Ionenaustausch der Sulfonatgmppen, die FT-Ionen gingen in die gesättigte Lösung über. Man rührte oder schüttelte die Lösung mit der Membran etwa 24 Stunden. Danach wurden zur Lösung 2 Tropfen des Indikators Bromthymolblau zugegeben und mit 0,1 -normaler NaOH- Lösung bis zum Farbumschlag gelb/blau titriert. Die IEC wurde wie folgt berechnet: IEC [meq/g] = (Normalität NaOH[meq/ml]* Verbrauch NaOH [ml] *Faktor NaOH)/Masse Membran [g]To determine the ion exchange capacity IEC, a piece of protonated ionomer membrane was dried to constant weight. 1 mg of the membrane was placed in about 50 ml of saturated NaCl solution. This resulted in an exchange of ions in the sulfonate groups, and the FT ions passed into the saturated solution. The solution was stirred or shaken with the membrane for about 24 hours. Then 2 drops of the indicator bromothymol blue were added to the solution and titrated with 0.1 normal NaOH solution until the color changed yellow / blue. The IEC was calculated as follows: IEC [meq / g] = (normality NaOH [meq / ml] * consumption NaOH [ml] * factor NaOH) / mass membrane [g]
Der spezifische Durchgangswiderstand Rsp der Membranen wurde mittels Impedanz- Spektroskopie (IM6 Impedanzmeßgerät, Zahner elektrik) in einer Plexiglas einheit mit goldbeschichteten Kupferelektroden (Elektrodenfläche 0,25 cm2) bestimmt. Dabei bezeichnet erfindungsgemäß die Impedanz, bei welcher der Phasenwinkel zwischen Stromstärke und Spannung 0 war, den spezifischen Durchgangswiderstand. Die konkreten Meßbedingungen waren wie folgt: es wurde 0,5 N HC1 veiwendet, die zu vermessende Membran wurde zwischen zwei Nafion 117-Membranen gepackt, die Mehrschichtanordnung Nafion 117/Membran/ Nafion 117-Membran wurde zwischen die zwei Elektroden gepreßt. Auf diese Weise wurden die Grenzflächen- Widerstände zwischen Membran und Elektrode eliminiert, indem man zunächst die Mehrschichtanordnung aller 3 Membranen und dann die zwei Nafion 117-Membranen alleine gemessen hat. Die Impedanz der Nafion-Membranen wurde von der Impedanz aller 3 Membranen substrahiert. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurden die spezifischen Durchgangswiderstände bei 25°C bestimmt.The specific volume resistance R sp of the membranes was determined by means of impedance spectroscopy (IM6 impedance measuring device, Zahner electrics) in a plexiglass unit with gold-coated copper electrodes (electrode area 0.25 cm 2 ). According to the invention, the impedance at which the phase angle between current and voltage was 0 denotes the specific volume resistance. The specific measuring conditions were as follows: 0.5 N HC1 was used, the membrane to be measured was packed between two Nafion 117 membranes, the multi-layer arrangement Nafion 117 / membrane / Nafion 117 membrane was pressed between the two electrodes. In this way, the interface resistances between the membrane and the electrode were eliminated by first measuring the multilayer arrangement of all 3 membranes and then the two Nafion 117 membranes alone. The impedance of the Nafion membranes was subtracted from the impedance of all 3 membranes. In the context of the present invention, the specific volume resistances at 25 ° C were determined.
Zur Bestimmung der Quellung wurden die Membranen in deionisiertem Wasser bei der jeweiligen Temperatur äquilibriert, und dann gewogen (= m εeιUoUei1). Danach wurden die Membranen in einem Trockenschrank bei erhöhter Temperatur getrocknet und wiederum gewogen (= rrirockea). Der Quellungsgrad errechnet sich wie folgt:To determine the swelling, the membranes were equilibrated in deionized water at the respective temperature and then weighed (= m εe ι UoUei1 ). The membranes were then dried in a drying cabinet at elevated temperature and weighed again (= rri rockea ). The degree of swelling is calculated as follows:
trockenλ l -—trocken dry λ l - dry
a.) eingesetzte Polymere a-l) PSU Udel®:a.) Polymers used a-l) PSU Udel®:
PSU P 1800 (Fa. Amoco) a-2) PEK-SO3Li:PSU P 1800 (Amoco) a-2) PEK-SO 3 Li:
Lithiumsalz von sulfoniertem Polyetherketon PEK;Lithium salt of sulfonated polyether ketone PEK;
Herstellung:production:
100 g PEK-SO3H mit einer Ionenaustauscherkapazität von 1,8 meq SO3H/g Polymer wurden in 1000 ml einer 10 Gew-%igen wäßrigen LiOH-Lösung für 24 Stunden geröhrt. Danach wurde das Li-ausgetauschte PEK-SO3Li abfiltriert, bis zur neutralen Reaktion des Waschwassers mit Wasser gewaschen und danach bei 100°C für 48 h getrocknet. Das resultierende Polymer enthielt 0,4 SO3Li-Einheiten pro Wiederholungseinheit (Ionenaustauscherkapazität (IEC) der protonierten Form = 1,8 meq Sθ3H/g).100 g PEK-SO 3 H with an ion exchange capacity of 1.8 meq SO 3 H / g polymer were stirred in 1000 ml of a 10% by weight aqueous LiOH solution for 24 hours. Thereafter, the Li-exchanged PEK-SO 3 Li was filtered off, washed with water until the wash water became neutral and then dried at 100 ° C. for 48 h. The resulting polymer contained 0.4 SO 3 Li units per repeat unit (ion exchange capacity (IEC) of the protonated form = 1.8 meq Sθ3H / g).
a-3) PSU-S02Li:a-3) PSU-S02Li:
Lithiumsalz von sulfiniertem Polyethersulfon PSU Udels Lithium salt of sulfinated polyether sulfone PSU Udel s
erhalten gemäß US 4,833,219 oder J. Ken-es, W. Cui, S. Reichle; New sulfonated engineering polymres via the melation route. 1. Sulfonated poly(ethersulfone) PSU Udel® via metalation-sulfination-oxidation" J. Polym. Sei.: Part A: Polym. Chem. 34, 2421-2438 (1996) IEC der protonierten Form = 1,95 meq Sθ2Li/g a-4) PSU-DPK: obtained according to US 4,833,219 or J. Ken-es, W. Cui, S. Reichle; New sulfonated engineering polymres via the melation route. 1. Sulfonated poly (ethersulfone) PSU Udel ® via metalation-sulfinate ion-oxidation "J. Polym Be .: Part A:... Polym Chem 34, 2421-2438 (1996) IEC = 1.95 meq the protonated form Sθ2Li / G a-4) PSU-DPK:
erhalten durch Umsetzung von 2,2'-Dipyridylketon mit lithiiertem PSU Udel obtained by reacting 2,2'-dipyridyl ketone with lithiated PSU Udel
(gemäß WO 00/09588 AI); eine 2,2'-Dipyridylketon-Einheitpro Wiederholungseinheit(according to WO 00/09588 AI); one 2,2'-dipyridyl ketone unit per repeat unit
a-5) Synthese von PSU-P3-SO2Li, PSU-EBD-SO2Lia-5) Synthesis of PSU-P3-SO 2 Li, PSU-EBD-SO 2 Li
PSU-P3-SO2Li,PSU-P3-SO 2 Li,
PSU-EBD-SO iPSU-EBD-SO i
Zunächst wurde PSU Udel® in trockenem THF gelöst und unter Argon auf - 75°C heruntergekühlt. Spuren von Wasser im Reaktionsansatz wurden mit 2,5 M n-Butyllithium (n-BuLi) entfernt. Anschließend wurde das gelöste Polymer mit 10 M n-BuLi lithiiert. Man ließ den Ansatz eine Stunde lang reagieren und gab dann Pyridin-3-aldehyd oder 4,4'-Bis-(N,N-diethylamino)benzophenon zu. Die Reaktionstemperatur wurde danach auf -20°C für eine Stunde erhöht. Für die Umsetzung mit SO2 wurde anschließend wieder auf -75°C abgekühlt und das SO2 eingeleitet.PSU Udel ® was first dissolved in dry THF and cooled to -75 ° C under argon. Traces of water in the reaction mixture were removed with 2.5 M n-butyllithium (n-BuLi). Then the dissolved polymer lithiated with 10 M n-BuLi. The reaction was allowed to react for one hour and then pyridine-3-aldehyde or 4,4'-bis (N, N-diethylamino) benzophenone was added. The reaction temperature was then raised to -20 ° C for one hour. For the reaction with SO 2 , the mixture was then cooled again to -75 ° C. and the SO 2 was introduced.
Zur Aufarbeitung spritzte man 10 ml einer Isopropanol- Wasser-Mischung in die Reaktionslösung, erwärmte auf Raumtemperatur, fällte das Polymer in einem Überschuß Isopropanol aus, filtrierte das resultierende Polymer ab und wusch es gegebenenfalls mit Isopropanol. Zur Reinigung wurde das Polymer in Methanol aufgeschlämmt und erneut abfiltriert. Die Trocknung des Polymers erfolgte im Vakuum, vorzugsweise bei 80°C. Die Substitutionsgrade wurden durch quantitative Auswertung der 'H-NMR-Spektren erhalten.For working up, 10 ml of an isopropanol / water mixture were injected into the reaction solution, warmed to room temperature, the polymer was precipitated in an excess of isopropanol, the resulting polymer was filtered off and, if appropriate, washed with isopropanol. For purification, the polymer was slurried in methanol and filtered off again. The polymer was dried in vacuo, preferably at 80 ° C. The degrees of substitution were obtained by quantitative evaluation of the 'H-NMR spectra.
b.) Membranherstellung b.) Membrane production
Die Polymere PEK-SO3Li, PSU-P3-SO2Li, PSU-EBD-SO2Li, PSU-DPK und/oder PSUSθ2Li wurden gemäß Tabelle 2 in NMP gelöst und filtriert. Die Polymerlösung wurde dann im Vakuum entgast und anschließend mit 1 ,4-Dijodbutan versetzt.The polymers PEK-SO 3 Li, PSU-P3-SO 2 Li, PSU-EBD-SO 2 Li, PSU-DPK and / or PSUSθ2Li were dissolved in NMP according to Table 2 and filtered. The polymer solution was then degassed in vacuo and 1,4-diiodobutane was then added.
Danach wurde sie auf eine Glasplatte gegossen und ausgerakelt. Die Glasplatte wurde in einem Ofen bei 60°C für eine Stunde, dann bei 90°C für eine weitere Stunde und schließlich bei 120°C unter Vakuum über Nacht getrocknet. Die Platte wurde auf Raumtemperatur abgekühlt und in ein Wasserbad gelegt. Die Membran wurde von der Glasplatte abgetrennt und in 10% HC1 bei 90°C für einen Tag im Ofen gelagert. Anschließend wurde sie in deionisiertem Wasser bei 60°C konditioniert.After that, it was poured onto a glass plate and knife out. The glass plate was dried in an oven at 60 ° C for one hour, then at 90 ° C for another hour and finally at 120 ° C under vacuum overnight. The plate was cooled to room temperature and placed in a water bath. The membrane was separated from the glass plate and stored in 10% HC1 at 90 ° C for one day in the oven. It was then conditioned in deionized water at 60 ° C.
c.) Charakterisierung der Membranenc.) Characterization of the membranes
Die Kenndaten der Membranen werden in den Tabellen 2 und 3 zusammengefaßt. Dabei wurde die theoretische Ionenaustauscherkapazität IECtheo unter Beräcksichtigung sowohl der ionischen als auch der kovalenten Vernetzung berechnet. Aus Tabelle 3 ergibt sich, daß die kovalent und ionisch vernetzten Membranen deutlich niedrigere Quellungswerte als die rein ionisch vernetzten Membranen aufweisen, und dies selbst bei Temperaturen von 90°C. The characteristics of the membranes are summarized in Tables 2 and 3. The theoretical ion exchange capacity IEC theo was calculated taking into account both ionic and covalent crosslinking. It can be seen from Table 3 that the covalently and ionically crosslinked membranes have significantly lower swelling values than the purely ionically crosslinked membranes, even at temperatures of 90 ° C.
Tabelle 2: MembrankenndatenTable 2: Membrane data
IECexp: experimetell bestimmte Ionenaustauscherkapazität Rsp: spezifischer Durchgangswiderstand IEC exp : experimentally determined ion exchange capacity R sp : specific volume resistance
Tabelle 3: Quellungsverhalten der Membranen in Wasser in Abhängigkeit von der TemperaturTable 3: Swelling behavior of the membranes in water depending on the temperature

Claims

Patentanspräche: Patentanspräche:
1. Kovalent und ionisch vernetztes Polymer aufweisend wiederkehrende Einheiten der allgemeinen Formel1. Covalently and ionically crosslinked polymer having repeating units of the general formula
— Q-R— , (1) worin Q eine Bindung, Sauerstoff, Schwefel,- Q-R—, (1) where Q is a bond, oxygen, sulfur,
der Rest R ein zweiwertiger Rest einer aromatischen oder heteroaiOmatischen the radical R is a divalent radical of an aromatic or hetero-aromatic
Verbindung ist, dadurch gekennzeichnet, daß a) der Rest R zumindest teilweise Substituenten der allgemeinen Formel (4A), (4B), (4C), (4D), (4E), (4F), (4G) und oder (4H) aufweist,Compound is characterized in that a) the radical R is at least partially substituents of the general formula (4A), (4B), (4C), (4D), (4E), (4F), (4G) and or or (4H) having,
wobei die Reste R1 unabhängig voneinander eine Bindung oder eine 1 bis 40 Kohlenstoffatome aufweisende Gruppe, vorzugsweise eine verzweigte oder nicht verzweigte Alkyl-, Cycloalkyl- oder eine gegebenenfalls alkylierte Arylgruppe sind, where the radicals R 1 are, independently of one another, a bond or a group having 1 to 40 carbon atoms, preferably a branched or unbranched alkyl, cycloalkyl or an optionally alkylated aryl group,
M Wasserstoff, ein Metallkation, vorzugsweise Li+, Na+, K+, Rb+, Cs+, oder ein gegebenenfalls alkyliertes Ammoniumion ist und X ein Halogen oder eine gegebenenfalls alkylierte Aminogruppe ist, der Rest R zumindest teilweise Substituenten der allgemeinen Formel (5A) und/oder (5B) aufweist,M is hydrogen, a metal cation, preferably Li + , Na + , K + , Rb + , Cs + , or an optionally alkylated ammonium ion and X is a halogen or an optionally alkylated amino group, the radical R is at least partially substituents of the general formula (5A ) and / or (5B),
worin R2, R3, R4 und R5 unabhängig voneinander eine 1 bis 40 wherein R 2 , R 3 , R 4 and R 5 independently of one another a 1 to 40
Kohlenstoffatome aufweisende Gruppe, vorzugsweise eine verzweigte oder nicht verzweigte Alkyl-, Cycloalkyl- oder eine gegebenenfalls alkylierte Arylgruppe sind, wobei mindestens zwei der Reste R2, R3 und R4 zu einem gegebenenfalls aromatischen Ring geschlossen sein können, und/oder der Rest R zumindest teilweise ein Gruppe der allgemeinen Formel (5C) und oder (5D) ist und c) der Rest R zumindest teilweise Bracken der allgemeinen Formel (6) aufweist,Group having carbon atoms, preferably a branched or unbranched alkyl, cycloalkyl or an optionally alkylated aryl group, where at least two of the radicals R 2 , R 3 and R 4 can be closed to form an optionally aromatic ring, and / or the radical R is at least partially a group of the general formula (5C) and or (5D) and c) the radical R at least partially has brackets of the general formula (6),
die mindestens zwei Reste R miteinander verbinden, wobei Y eine 1 bis 40 Kohlenstoffatome aufweisende Gruppe, vorzugsweise eine verzweigte oder nicht verzweigte Alkyl-, Cycloalkyl- oder gegebenenfalls alkylierte Arylgruppe ist, Z ist Hydroxyl, eine Gruppe der allgemeinen Foraiel combine the at least two radicals R, where Y is a group having 1 to 40 carbon atoms, preferably a branched or unbranched alkyl, cycloalkyl or optionally alkylated aryl group, Z is hydroxyl, a group of the general formula
oder eine Gruppe mit einem Molekulargewicht größer 20 g/mol bestehend aus den optionalen Komponenten H, C, O, N, S, P und Halogenatomen ist und m eine ganze Zahl größer gleich 2 ist. or a group with a molecular weight greater than 20 g / mol consisting of the optional components H, C, O, N, S, P and halogen atoms and m is an integer greater than or equal to 2.
2. Polymer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wiederkehrende Einheiten der allgemeinen Foraiel (1) Einheiten entsprechend den allgemeinen Formeln (1A), (IB), (IC), (ID), (1E), (IF), (IG), (IH), (II), (IJ), (IK), (IL), (IM), (IN), (10), (IP), (IQ), (IR), (IS) und/oder (IT) sind,2. Polymer according to claim 1, characterized in that the repeating units of the general formula (1) units corresponding to the general formulas (1A), (IB), (IC), (ID), (1E), (IF), ( IG), (IH), (II), (IJ), (IK), (IL), (IM), (IN), (10), (IP), (IQ), (IR), (IS) and / or (IT),
-O-K6- <1A) -OK 6 - <1A)
-S-R6- <1B) — O-R6-SO2-R^- (1Q -SR 6 - <1B) - OR 6 -SO 2 -R ^ - (1Q
— O-R6-SO2-R^O-R6(1D) - OR 6 -SO 2 -R ^ OR 6 - (1D)
— O-R6-SO2-R6-O-R6-R6(1E) - OR 6 -SO 2 -R 6 -OR 6 -R 6 - (1E)
— O-R6-SO2-R6-R-SO2-R6(1G) - OR 6 -SO 2 -R 6 -R-SO 2 -R 6 - (1G)
— O-R6-SO2-R-R-SO2-R6-O-R-SO2-R6(1H) - OR 6 -SO 2 -RR-SO 2 -R 6 -OR-SO 2 -R 6 - (1H)
- o-R6-SO2-R6- - x fS02-R-R6-i y (1I) - oR 6 -SO 2 -R 6 - - x fS0 2 -RR 6 -iy (1I)
mit O < x, y < 100% bezogen auf die Anzahl aller wiederkehrenden Einheitenwith O <x, y <100% based on the number of all recurring units
— O-R-CO-R6(U) - OR-CO-R 6 - (U)
(1K)(1K)
-O— R-CO-R-CO- -RD--O— R-CO-R-CO- -R D -
(IL)(IL)
-O— R-CO-R-O-R-CO-R-CO-R6-O- R-CO-ROR-CO-R-CO-R 6 -
-O-R6-O-R6-CO-R6(1M) -OR 6 -OR 6 -CO-R 6 - (1M)
-O— R6-O-R-CO-R6-CO-R6(1N) -O- R 6 -OR-CO-R 6 -CO-R 6 - (1N)
it O < y < 100% it O <y <100%
(1P)(1P)
— R-CH=CH— (1Q) - R-CH = CH— (1Q)
— CHR^CH,— (1R) N N (IS)- CHR ^ CH, - (1R) NN (IS)
_< v_R __ < v_ R _
V VV V
worin die Reste R6 unabhängig voneinander gleich oder verschieden 1 ,2- Phenylen, 1,3-Phenylen, 1,4-Phenylen, 4,4'-Biphenyl, ein zweiwertiger Rest eines Heteroaromaten, ein zweiwertiger Rest eines C10-Aromaten, ein zweiwertiger Rest eines C14-Aromaten und/oder ein zweiwertiger Pyren-Rest sind, die Reste R7, R8 und R9 ein-, vier- bzw. dreibindige aromatische oder heteroaromatische Gruppen sind, und die Reste U, die innerhalb einer Wiederholungseinheit gleich sind, ein Sauer stoff atom, ein Schwefelatom oder eine Aminogruppe, die ein Wasser stoffatom, eine 1- 20 Kohlenstoff atome aufweisende Gruppe, vorzugsweise eine verzweigte oder nicht verzweigte Alkyl- oder Alkoxygruppe, oder eine Arylgruppe als weiteren Rest trägt, sind. in which the radicals R 6, independently of one another, are identical or different 1, 2-phenylene, 1,3-phenylene, 1,4-phenylene, 4,4'-biphenyl, a divalent radical of a heteroaromatic, a divalent radical of a C 10 aromatic, are a divalent radical of a C 14 aromatics and / or a divalent pyrene radical, the radicals R 7 , R 8 and R 9 are mono-, di- or tri-bonded aromatic or heteroaromatic groups, and the radicals U which are within a Repeating unit are the same, an oxygen atom, a sulfur atom or an amino group which carries a hydrogen atom, a 1-20 carbon atom-containing group, preferably a branched or unbranched alkyl or alkoxy group, or an aryl group as a further radical.
3. Polymer gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es mit Säure dotiert ist.3. Polymer according to claim 1 or 2, characterized in that it is doped with acid.
4. Polymer gemäß einem der vorangehenden Anspräche, dadurch gekennzeichnet, daß es bei 25°C einen spezifischen Durchgangswiderstand von höchstens 100 Ωcm aufweist.4. Polymer according to any one of the preceding claims, characterized in that it has a volume resistivity of at most 100 Ωcm at 25 ° C.
5. Polymer gemäß einem der vorangehenden Anspräche, dadurch gekennzeichnet, daß es bei einer Temperatur von 90°C in deionisiertem Wasser um weniger als5. Polymer according to one of the preceding claims, characterized in that it is at a temperature of 90 ° C in deionized water by less than
100 % quillt.100% swells.
6. Polymer gemäß einem der vorangehenden Anspräche, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Ionenaustauscherkapazität zwischen 0,5 meq/g und 1,9 meq/g, jeweils bezogen auf die Gesamtmasse des Polymers, aufweist. 6. Polymer according to one of the preceding claims, characterized in that it has an ion exchange capacity between 0.5 meq / g and 1.9 meq / g, in each case based on the total mass of the polymer.
7. Verfahren zur Herstellung eines Polymers gemäß einem der vorangehenden Anspräche, dadurch gekennzeichnet, daß man ein oder mehrere Eduktpolymere, das oder die jeweils oder in Summe die funktionelle Gruppen a), b) und d) aufweisen, wobei a) und b) gemäß Anspruch 1 definiert sind und d) Sulfinat-Gruppen der allgemeinen Formel (6) bezeichnet7. A process for the preparation of a polymer according to any one of the preceding claims, characterized in that one or more starting polymers, the one or more or all of the functional groups a), b) and d), wherein a) and b) according to Claim 1 are defined and d) denotes sulfinate groups of the general formula (6)
O > (6)O> ( 6 )
— R1— S— OM mit einer Verbindung der allgemeinen Formel (7) umsetzt- R 1 - S— OM with a compound of general formula (7)
wobei L eine Abgangsgruppe und n eine ganze Zahl größer gleich 2 ist.where L is a leaving group and n is an integer greater than or equal to 2.
8. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Polymermischung aus8. The method according to claim 7, characterized in that a polymer mixture
1) mindestens einem Eduktpolymer aufweisend funktionelle Gruppen a),1) at least one starting polymer having functional groups a),
2) mindestens einem Eduktpolymer aufweisend funktionelle Gruppen b) und2) at least one starting polymer having functional groups b) and
3) mindestens einem Eduktpolymer aufweisend funktionelle Gruppen d) einsetzt.3) uses at least one starting polymer having functional groups d).
9. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man9. The method according to claim 7, characterized in that one
1) mindestens ein Eduktpolymer aufweisend funktionelle Grruppen a) und b) und1) at least one starting polymer having functional groups a) and b) and
2) mindestens ein Eduktpolymer aufweisend funktionelle Gruppen d) einsetzt.2) uses at least one starting polymer having functional groups d).
10. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man10. The method according to claim 7, characterized in that one
1) mindestens ein Eduktpolymer aufweisend funktionelle Gruppen a) und d) und1) at least one starting polymer having functional groups a) and d) and
2) mindestens ein Eduktpolymer aufweisend funktionelle Gruppen b) einsetzt.2) uses at least one starting polymer having functional groups b).
11. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man11. The method according to claim 7, characterized in that one
1) mindestens einem Eduktpolymer aufweisend funktionelle Gruppen a) und1) at least one starting polymer having functional groups a) and
2) mindestens einem Eduktpolymer aufweisend funktionelle Gruppen b) und d) einsetzt.2) at least one starting polymer having functional groups b) and d) starts.
12. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man mindestens ein Polymer aufweisend funktionelle Gruppen der allgemeinen Foraiel a), b) und d) einsetzt.12. The method according to claim 7, characterized in that one uses at least one polymer having functional groups of the general formulas a), b) and d).
13. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 7-12, dadurch gekennzeichnet, daß man das eine oder die Eduktpolymere in einem polar- aprotischen Lösungsmittel, vorzugsweise in N,N-Dimethylformamid, N,N- Dimethylacetamid, N-Methylpyι olidon, Dimethylsulfoxid oder Sulfolan, löst und mit der Halogenverbindung unter Rühren umsetzt.13. The method according to at least one of claims 7-12, characterized in that one or the starting polymers in a polar aprotic solvent, preferably in N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methylpyιolidone, dimethyl sulfoxide or Sulfolan, dissolves and reacts with the halogen compound with stirring.
14. Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß a) man die Polymerlösung als Film auf einer Unterlage spreitet und b) das Lösungsmittel gegebenenfalls bei erhöhter Temperatur größer 25° C und/oder reduziertem Druck kleiner 1000 mbar abdampft und auf diese Weise eine Polymermembran erhält.14. The method according to claim 13, characterized in that a) the polymer solution is spread as a film on a base and b) the solvent is evaporated, if appropriate at an elevated temperature of more than 25 ° C. and / or a reduced pressure of less than 1000 mbar, and in this way a polymer membrane receives.
15. Verfahren gemäß mindestens einem der Anspräche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß man das Polymer a) in einem ersten Schritt mit einer Säure behandelt und b) in einem weiteren Schritt mit deionisiertem Wasser behandelt, wobei man das Polymer vor dem ersten Schritt gegebenenfalls mit einer Lauge behandelt.15. The method according to at least one of claims 7 to 14, characterized in that the polymer is treated a) in a first step with an acid and b) in a further step with deionized water, the polymer optionally being treated before the first step treated with a lye.
16. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß man das Polymer mit einer Säure, vorzugsweise mit Phosphorsäure dotiert.16. The method according to at least one of claims 7 to 15, characterized in that the polymer is doped with an acid, preferably with phosphoric acid.
17. Verwendung des Polymers gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6 in elektrochemischen Zellen, vorzugsweise in Sekundärbatterien, Elektrolysezellen und in Polymerelektrolytmembranbrennstoffzellen, insbesondere in Wasserstoff- und Direkt-Methanol-Brennstoffzellen. 17. Use of the polymer according to at least one of claims 1 to 6 in electrochemical cells, preferably in secondary batteries, electrolysis cells and in polymer electrolyte membrane fuel cells, in particular in hydrogen and direct methanol fuel cells.
8. Veiwendung des Polymers gemäß mindestens einem der Anspräche 1 bis 6 in Membrantrennprozessen, vorzugsweise bei der Gastrennung, Pervaporation, Perstraktion, Umkehrosmose, Nanofiltration, Elektrodialyse und der Diffusions dialyse. 8. Use of the polymer according to at least one of claims 1 to 6 in membrane separation processes, preferably in gas separation, pervaporation, perstraction, reverse osmosis, nanofiltration, electrodialysis and diffusion dialysis.
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