JP2000297164A - Ion-exchange film and its preparation - Google Patents

Ion-exchange film and its preparation

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JP2000297164A
JP2000297164A JP10538899A JP10538899A JP2000297164A JP 2000297164 A JP2000297164 A JP 2000297164A JP 10538899 A JP10538899 A JP 10538899A JP 10538899 A JP10538899 A JP 10538899A JP 2000297164 A JP2000297164 A JP 2000297164A
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JP
Japan
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film
ion
membrane
exchange membrane
fluoropolymer
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JP10538899A
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Japanese (ja)
Inventor
Shoichi Doi
正一 土井
Kazuo Okuyama
和雄 奥山
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Asahi Chemical Industry Co Ltd
Original Assignee
Asahi Chemical Industry Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain an ion-exchange film having a low electrical resistance without causing physical defects on the film by forming a fluoropolymer film which has straight micropores opening from the inside toward the surface of at least one side. SOLUTION: This ion-exchange film is a 50-250 μm-thick laminated film which is prepared by laminating fluoropolymer films each having a thickness of 0.25-150 μm and comprising at least one fluoropolymer containing at least one kind of functional group selected from among sulfo, carboxyl and phosphono groups, etc. The laminated film has straight micropores each of which has an inner diameter of 1 μm to several μm and a depth of 10-230 μm and opens from the inside toward the surface of at least one side, the micropores being arranged at a pitch of 10-500 μm. The ion-exchange capacity of the ion-exchange film is preferably 0.50-2.00 meq/g. Fluorocopolymers prepared by copolymerizing at least one monomer selected from among monomers represented by the formula with tetrafluoroethylene, vinylidene fluoride, etc., are used. In the formula, Y is SO3H, SO3NH2 or the like; (a) and (b) are each 0-6; (c) is 0 or 1; when n>=1, then X is F, Cl or the like; and Rt and Rt' are each perfluoroalkyl or the like.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子型燃料
電池、水電気分解、食塩電気分解、各種センサー等の用
途に有用なイオン交換膜に関する。
The present invention relates to an ion exchange membrane useful for applications such as a polymer electrolyte fuel cell, water electrolysis, salt electrolysis, and various sensors.

【0002】[0002]

【従来の技術】イオン交換膜には水素が解離して生じた
プロトンを酸素側に移動させるイオン伝導体としての機
能があり、一般に膜の交換容量が大きいほどプロトン伝
導度が大きくなり、そして膜厚が薄いほど膜による電気
抵抗が小さくなり好ましい。従来、固体高分子型燃料電
池用電解質膜としてペルフルオロカーボンスルホン酸膜
が使用され比較的良好な性能を発揮している。実際に交
換容量が1.25ミリ当量/g程度の膜や、膜厚50μ
m程度のペルフルオロカーボン膜が作られ市販されてお
り、その代表的な例としてNafion<登録商標>
(米国DuPont社製。以下、単にNafion)、
Aciplex<登録商標>(旭化成工業製。以下、単
にAciplex)、Flemion<登録商標>(旭
硝子製。以下、単にFlemion)等がある。特に、
食塩電解用隔膜に使用されるイオン交換膜としては、ペ
ルフルオロカーボンカルボン酸層とペルフルオロカーボ
ンスルホン酸層の少なくとも2層以上の積層膜が有効で
あることは当該分野で公知である。
2. Description of the Related Art An ion exchange membrane has a function as an ion conductor for transferring protons generated by dissociation of hydrogen to the oxygen side. In general, the larger the exchange capacity of a membrane, the higher the proton conductivity. The thinner the thickness, the smaller the electrical resistance of the film, which is preferable. Conventionally, a perfluorocarbon sulfonic acid membrane has been used as an electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell, and exhibits relatively good performance. A film having an exchange capacity of about 1.25 meq / g or a film thickness of 50 μm
m perfluorocarbon membrane is produced and commercially available. A typical example is Nafion (registered trademark).
(Manufactured by DuPont, USA; hereinafter simply Nafion),
Aciplex <registered trademark> (manufactured by Asahi Kasei Kogyo Co., Ltd .; hereinafter, simply Aciplex), Flemion <registered trademark> (manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., hereinafter, simply Flemion) and the like. In particular,
It is well known in the art that a laminated membrane of at least two or more layers of a perfluorocarbon carboxylic acid layer and a perfluorocarbon sulfonic acid layer is effective as an ion exchange membrane used for a membrane for salt electrolysis.

【0003】ところで、このような膜を用いた電解槽に
おいては、電流効率の向上と電解電圧の低減による電力
原単位低減が課題である事が、従来より指摘されてい
る。そこで、此の課題を解決する試みが、いくつかなさ
れており、例えば、特開平6−128782号公報に
は、イオン交換膜の陽極側表面に表面積の25%以上の
開口があり、膜内部に連通させる方法が開示されてい
る。この方法は仮補強繊維を埋め込んで製膜が完了した
後で、好ましくはサンダーなどを用いて表面を研磨する
ことによって開口率を制御しようとするものであった
が、著しく生産効率が悪く、また、膜表面に亀裂を生じ
させる恐れがあり、膜の力学物性を損ねるという問題が
あった。
[0003] By the way, it has been pointed out that in an electrolytic cell using such a membrane, it is a problem to improve the current efficiency and to reduce the power consumption by reducing the electrolytic voltage. Therefore, several attempts have been made to solve this problem. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 6-128782 discloses an ion exchange membrane having an opening having a surface area of 25% or more of the surface area on the anode side. A method of communicating is disclosed. This method is intended to control the aperture ratio by polishing the surface using a sander or the like, preferably after the film formation is completed by embedding the temporary reinforcing fibers, but the production efficiency is significantly poor, and In addition, there is a fear that cracks may be generated on the film surface, and there is a problem that the mechanical properties of the film are impaired.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来のよう
に膜上に物理的欠陥を生じさせず、また、製膜操作上も
困難を伴わずに低い電気抵抗を有するイオン交換膜とそ
の製造方法を提供することを課題とする。
DISCLOSURE OF THE INVENTION The present invention relates to an ion exchange membrane having a low electric resistance without causing physical defects on the membrane unlike the prior art, and with no difficulty in the membrane production operation. It is an object to provide a manufacturing method.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】本発明者は上記の課題を
克服するために鋭意研究の結果、特定形状の微多孔を膜
層に形成させる事で、含フッ素重合体積層膜が当該課題
克服に著しく効果があることを見出し、本発明をなすに
至った。すなわち本発明は少なくとも1層の、一種又は
二種以上の官能基を有する一種または二種以上の含フッ
素重合体からなる膜であって、膜の内層部から少なくと
も膜の一方の表面へ向けて実質的に表面に対して直線状
の微多孔が開口していることを特徴とするイオン交換膜
である。
Means for Solving the Problems The present inventor has made intensive studies to overcome the above-mentioned problems, and as a result, by forming microporous films of a specific shape in the film layer, the fluorine-containing polymer laminated film can overcome the problems. Have been found to be remarkably effective, and have accomplished the present invention. That is, the present invention relates to at least one layer of a film made of one or two or more kinds of fluoropolymers having one or more kinds of functional groups, and from an inner layer part of the film toward at least one surface of the film. An ion-exchange membrane characterized in that linear micropores are opened substantially to the surface.

【0006】[0006]

【発明の実施の形態】以下、本発明につき詳述する。本
発明のイオン交換膜では少なくとも1層の、一種又は二
種以上の官能基を有する一種または二種以上の含フッ素
重合体からなる膜である。本発明における官能基を有す
る含フッ素重合体としては、広範なフッ素分子を有する
各種重合体から選ぶことができるが、特にペルフルオロ
カーボンが耐熱性、耐溶剤性が優れており好ましい。含
フッ素重合体が有する官能基とは、種々の化学活性を有
する原子または原子団からなる反応基を言う。官能基の
もつ化学活性としては、たとえば、イオン交換能、キレ
ート形成能、酸化還元能、触媒配位能などがある。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below in detail. The ion exchange membrane of the present invention is a membrane composed of at least one layer of one or more fluoropolymers having one or more functional groups. As the fluorine-containing polymer having a functional group in the present invention, various polymers having a wide range of fluorine molecules can be selected. In particular, perfluorocarbon is preferable because of its excellent heat resistance and solvent resistance. The functional group of the fluoropolymer refers to a reactive group comprising atoms or atomic groups having various chemical activities. The chemical activity of the functional group includes, for example, ion exchange ability, chelate formation ability, redox ability, and catalyst coordination ability.

【0007】また、これらの化学活性を有する官能基の
例としては、スルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸
基、第1級から第3級までのアミン、ヒドロキノン基、
チオール基などがある。また、官能基の中でも特に、化
学反応性に富むものとしては、たとえば、イソシアネー
ト基、ジアゾニウム基、クロロメチル基、アルデヒド
基、エポキシ基、ハロゲン基、カルボキシル基、アミノ
基などがある。その中でも特に、プロトンやナトリウム
イオンを伝導する食塩電解では、その大きな酸性度から
スルホン酸基が低電圧となり、カルボン酸基が電流効率
を高くできるので好ましい。
Examples of functional groups having these chemical activities include sulfonic acid groups, carboxylic acid groups, phosphonic acid groups, primary to tertiary amines, hydroquinone groups,
And thiol groups. Among the functional groups, particularly those having high chemical reactivity include, for example, isocyanate groups, diazonium groups, chloromethyl groups, aldehyde groups, epoxy groups, halogen groups, carboxyl groups, amino groups, and the like. Among them, salt electrolysis, which conducts protons and sodium ions, is particularly preferable because the sulfonic acid group has a low voltage due to its large acidity and the carboxylic acid group can increase the current efficiency.

【0008】これらの官能基を有する含フッ素樹脂の例
としては、イオン交換含フッ素樹脂、キレート配位子を
含むキレート含フッ素樹脂、ヒドロキノン、チオールな
どをもつ酸化還元含フッ素樹脂などが挙げられる。な
お、イオン交換含フッ素樹脂は、カチオン、又は、アニ
オンの交換基を有している含フッ素樹脂の他、カチオン
及びアニオン双方の交換基を有する含フッ素樹脂であっ
ても良い。カチオン交換基の例としては、スルホン酸
基、カルボキシル基またはホスホン酸基が挙げられる。
Examples of the fluorine-containing resin having such a functional group include an ion-exchange fluorine-containing resin, a chelate fluorine-containing resin containing a chelating ligand, a redox fluorine-containing resin having hydroquinone, thiol, and the like. In addition, the ion exchange fluororesin may be a fluororesin having both cation and anion exchange groups in addition to a fluorinated resin having a cation or anion exchange group. Examples of cation exchange groups include sulfonic, carboxyl or phosphonic groups.

【0009】特に有用な含フッ素重合体の例として、下
記(化1)で表される重合性単量体の一種以上を使用
し、これに後述の重合性単量体群から選ばれた一種類ま
たは二種類以上の重合性単量体とを組み合わせて得られ
る共重合体があげられる。 (化1) Y-(CF2)a-(CFRt)b-(CFRt')c-O-(CF(CF2X)-CF2-O)n-CF=CF2 (式中、−Yは、−SO3H、−SO2F、−SO3
a、−SO3K、−SO2NH2、−SO2NH4、−CO
OH、−CN、−COF、−COOR(Rは炭素数1〜
10のアルキル基)、−PO32または−PO3Hであ
る。aは0〜6の整数、bは0〜6の整数、cは0また
は1であり、且つa+b+c≠0であり、nは0〜6の
整数である。Xは、n≧1のときCl、BrまたはFの
いずれか一種、または複数種の組合せである。Rtおよ
びRt′はいずれも1〜10個の炭素原子を有するパー
フルオロアルキル基又は、フルオロクロロアルキル基群
の中から選択される置換基である。) そして、これらに共重合させる重合性単量体群として
は、テトラフルオロエチレン、トリフルオロモノクロロ
エチレン、トリフルオロエチレン、フッ化ビニリデン、
1,1−ジフルオロ−2,2−ジクロロエチレン、1,
1−ジフルオロ−2−クロロエチレン、ヘキサフルオロ
プロピレン、1,1,1,3,3−ペンタフルオロプロ
ピレン、オクタフルオロイソブチレン、エチレン、塩化
ビニルおよびアルキルビニルエステル等が挙げられる。
As an example of a particularly useful fluorine-containing polymer, one or more polymerizable monomers represented by the following (Chemical Formula 1) are used, and one of the polymerizable monomers selected from the polymerizable monomer group described below is used. Copolymers obtained by combining a kind or two or more kinds of polymerizable monomers are exemplified. (Chemical formula 1) Y- (CF 2 ) a- (CFRt) b- (CFRt ′) cO- (CF (CF 2 X) -CF 2 -O) n-CF = CF 2 (where, -Y is -SO 3 H, -SO 2 F, -SO 3 N
a, -SO 3 K, -SO 2 NH 2, -SO 2 NH 4, -CO
OH, -CN, -COF, -COOR (R is a carbon number of 1 to
10 alkyl group), - a PO 3 H 2 or -PO 3 H. a is an integer of 0 to 6, b is an integer of 0 to 6, c is 0 or 1, and a + b + c ≠ 0, and n is an integer of 0 to 6. X is any one of Cl, Br or F when n ≧ 1, or a combination of plural kinds thereof. Rt and Rt 'are each a substituent selected from a perfluoroalkyl group having 1 to 10 carbon atoms or a fluorochloroalkyl group. ) And, as the polymerizable monomer group to be copolymerized with these, tetrafluoroethylene, trifluoromonochloroethylene, trifluoroethylene, vinylidene fluoride,
1,1-difluoro-2,2-dichloroethylene, 1,
Examples thereof include 1-difluoro-2-chloroethylene, hexafluoropropylene, 1,1,1,3,3-pentafluoropropylene, octafluoroisobutylene, ethylene, vinyl chloride, and alkyl vinyl esters.

【0010】官能基を有する含フッ素重合体の交換容量
は膜に充分な電気伝導性、及び機械強度を与えるため
に、0.50〜2.00ミリ当量/gであることが好ま
しく、更に好ましくは0.70〜1.50ミリ当量/g
である。官能基を有する含フッ素重合体膜の積層構造に
特に制限は無く、膜の用途に応じて、任意に選択でき
る。例えば食塩電解用途においては、陰極側にカルボン
酸層、陽極側にスルホン酸層がくるような少なくとも2
層からなる積層構造が用いられる。
The exchange capacity of the fluorine-containing polymer having a functional group is preferably 0.50 to 2.00 meq / g, more preferably, in order to impart sufficient electric conductivity and mechanical strength to the membrane. Is 0.70 to 1.50 meq / g
It is. The laminated structure of the fluoropolymer film having a functional group is not particularly limited, and can be arbitrarily selected according to the use of the film. For example, in a salt electrolysis application, at least two layers each having a carboxylic acid layer on the cathode side and a sulfonic acid layer on the anode side.
A laminated structure composed of layers is used.

【0011】これらの積層構造においては隣接する層と
の間に電気的に不導部分となる隙間がないよう、互いに
接着接触しているのが好ましい。層間に隙間が存在する
とその部分が電解装置の電圧上昇の原因となることがあ
る。すなわち、積層された各層は使用中に剥離するよう
なことがあってはならない。本発明のイオン交換膜は、
約0.25μmから約150μmの厚さを有する含フッ
素重合体フィルムを積層することにより製造される。膜
は一般に2層、または3層のそのような含フッ素重合体
フィルムから成る。膜を製造する際に使用される含フッ
素重合体フィルムの全厚は電圧と強度のバランスの関係
から一般に約50μmから250μm、より好ましくは
50μmから150μmである。
[0011] In these laminated structures, it is preferable that they are in adhesive contact with each other so that there is no gap that becomes an electrically nonconductive portion between adjacent layers. If there is a gap between the layers, that portion may cause an increase in the voltage of the electrolytic device. That is, the stacked layers must not peel off during use. The ion exchange membrane of the present invention,
It is manufactured by laminating a fluoropolymer film having a thickness of about 0.25 μm to about 150 μm. The membrane generally consists of two or three layers of such a fluoropolymer film. The total thickness of the fluoropolymer film used in producing the membrane is generally about 50 μm to 250 μm, more preferably 50 μm to 150 μm, in view of the balance between voltage and strength.

【0012】また、積層させるフィルムの含フッ素重合
体は必ずしも同一のものでなくとも良く、異なる含フッ
素重合体からなるフィルムどうしを積層させても良い。
本発明のイオン交換膜では、交換膜内層部から、交換膜
の一方の表面へ向けて実質的に直線状の微多孔が開口し
ていることが必要である。この微多孔開口部は、用途に
応じて膜の陽極側、陰極側いずれにあっても良いが、本
発明の目的においては陽極側にあった場合に特に効果が
高い。
[0012] The fluoropolymers of the films to be laminated are not necessarily the same, and films made of different fluoropolymers may be laminated.
In the ion exchange membrane of the present invention, it is necessary that substantially linear microporous holes are opened from the inner part of the exchange membrane toward one surface of the exchange membrane. The microporous opening may be located on the anode side or the cathode side of the membrane depending on the application, but for the purpose of the present invention, the effect is particularly high when it is located on the anode side.

【0013】ここで、膜はイオン交換基の前駆体である
場合と官能基を転化してイオン交換基となった場合のい
ずれをも含む。この微多孔は実質的に直線状であること
が必要である。ある厚みを有する層に微多孔が存する場
合、この層の厚みに対する孔の全長の比率を屈曲率とす
れば、この場合は屈曲率がほぼ1であることが好ましい
ということになる。微多孔が直線状でない、すなわち、
その屈曲率が高い場合は、膜内部での電解液のスムーズ
な移動が妨げられ、液置換抵抗が増加する上、イオンの
移動路長が長くなり電気抵抗が上がる。また、直線状微
多孔よりも孔の全長さが長くなる分、膜に占める微多孔
空隙量が増え、膜の強度低下につながる。
Here, the membrane includes both a case where it is a precursor of an ion exchange group and a case where a functional group is converted into an ion exchange group. The microporous needs to be substantially straight. If a layer having a certain thickness has microporosity, and the ratio of the total length of the holes to the thickness of this layer is defined as the bending rate, the bending rate is preferably substantially 1 in this case. The microporous is not linear, ie
If the flexural modulus is high, smooth movement of the electrolytic solution inside the membrane is hindered, the liquid displacement resistance increases, and the length of the ion movement path increases, increasing the electrical resistance. Further, as the total length of the pores is longer than that of the linear microporous material, the amount of microporous voids in the film increases, which leads to a decrease in the strength of the film.

【0014】微多孔の内径は1μ〜数mm程度、好まし
くは10μ〜500μである。微多孔の深さは、10μ
m〜230μmの範囲で適宜決定される。微多孔の膜に
おける配列は任意に制御できるが、千鳥、格子、などの
規則的な配列が加工上好ましい。ピッチ(隣接孔間の間
隔)は特に制限はないが、好ましくは10〜500μで
ある。これら、微多孔の直径、深さ、配列、ピッチは膜
の強度を損なわず、電圧を低減できるバランスから決定
される。
The inside diameter of the microporous is about 1 μm to several mm, preferably 10 μm to 500 μm. Microporous depth is 10μ
It is appropriately determined in the range of m to 230 μm. The arrangement in the microporous membrane can be arbitrarily controlled, but a regular arrangement such as a staggered pattern or a lattice pattern is preferable for processing. The pitch (the interval between adjacent holes) is not particularly limited, but is preferably from 10 to 500 μm. The diameter, depth, arrangement, and pitch of these micropores are determined from the balance that can reduce the voltage without impairing the strength of the film.

【0015】本発明のイオン交換膜では、膜の強度向上
に寄与させるための補強材が介在してもよい。その場
合、補強材の形状には特に制限は無いが、その厚みは好
ましくは、25〜125μm、更に好ましくは50〜7
5μmである。また、成型加工性の良さから、一般に織
布または不織布が好ましい。この場合、これらの布は、
以下に述べる強化繊維及び仮補強繊維からなる。
[0015] In the ion exchange membrane of the present invention, a reinforcing material for contributing to the improvement of the strength of the membrane may be interposed. In that case, the shape of the reinforcing material is not particularly limited, but the thickness is preferably 25 to 125 μm, more preferably 50 to 7 μm.
5 μm. In addition, a woven or non-woven fabric is generally preferred from the viewpoint of good moldability. In this case, these cloths
It consists of reinforcing fibers and temporary reinforcing fibers described below.

【0016】強化繊維の素材に特に制限は無いが、含フ
ッ素重合体がその大きな強度および化学安定性から特に
適している。典型的には、そのような重合体としてテト
ラフルオロエチレンから作られる単独重合体及びテトラ
フルオロエチレンとヘキサフルオロプロピレン及び/ま
たはアルキル基炭素原子数が1〜10個のペルフルオロ
アルキルビニルエーテル、例えば、ペルフルオロプロピ
ルビニルエーテル、との共重合体が包含される。最も好
適な素材の例はポリテトラフルオロエチレン(PTF
E)である。
Although there is no particular limitation on the material of the reinforcing fiber, a fluoropolymer is particularly suitable because of its large strength and chemical stability. Typically, such polymers are homopolymers made from tetrafluoroethylene and tetrafluoroethylene with hexafluoropropylene and / or perfluoroalkyl vinyl ethers having 1 to 10 alkyl radicals, such as perfluoropropyl And vinyl ethers. An example of the most suitable material is polytetrafluoroethylene (PTF
E).

【0017】上記含フッ素重合体からなる、フッ素強化
繊維の径に特に制限は無いが、織布、及び積層後の膜に
充分な強度をもたせるためには、50〜600デニルが
好ましく、更に好ましくは200〜400デニルであ
る。仮補強繊維は、天然又は合成高分子からなる繊維で
あり、好適な素材としては、木綿、リンネル、絹、レー
ヨン、6ー6ナイロン、ポリエチレンテレフタレート、
及びポリアクリロニトリルがある。
There is no particular limitation on the diameter of the fluorine-containing fiber made of the above-mentioned fluoropolymer, but in order to give the woven fabric and the film after lamination sufficient strength, 50 to 600 denenyl is preferable, more preferably. Is 200 to 400 denenyl. The temporary reinforcing fiber is a fiber made of a natural or synthetic polymer, and suitable materials include cotton, linen, silk, rayon, 6-6 nylon, polyethylene terephthalate,
And polyacrylonitrile.

【0018】これらの仮補強繊維は、1〜20の範囲内
で縦横比を任意に選択でき、長方形、卵形、三角形、星
形、又は楕円形の断面を有することができる。例えばレ
ーヨン繊維又は再生セルロースフィルムから切り取った
細いリボンは好適には約40〜100デニルのものであ
る。フッ素強化繊維同様、仮補強繊維は好ましくは、1
2〜63μm、更に好ましくは25〜38μmの厚さを
有することができる。本発明の仮補強繊維は、本発明の
膜のイオン交換能を阻害することなく、膜から除去する
ことができ、これにより、膜の電気抵抗を更に抑えるこ
とができる。仮補強繊維の除去は、一般に知られた化学
的方法で行えば良く、例えば、レーヨンの様なセルロー
ス系の補強材の場合、次亜塩素酸ナトリウムを用いて除
去することができる。
These temporary reinforcing fibers can have any aspect ratio selected within the range of 1 to 20, and can have a rectangular, oval, triangular, star, or elliptical cross section. For example, thin ribbons cut from rayon fibers or regenerated cellulose film are preferably of about 40-100 denyl. Like the fluorine reinforcing fiber, the temporary reinforcing fiber is preferably 1
It may have a thickness of 2 to 63 μm, more preferably 25 to 38 μm. The temporary reinforcing fiber of the present invention can be removed from the membrane without impairing the ion-exchange ability of the membrane of the present invention, whereby the electrical resistance of the membrane can be further suppressed. The temporary reinforcing fibers may be removed by a generally known chemical method. For example, in the case of a cellulosic reinforcing material such as rayon, the temporary reinforcing fibers can be removed using sodium hypochlorite.

【0019】織布あるいは不織布は上記フッ素強化繊維
及び/または仮補強繊維からなる。これらの布は、通常
のバスケット織り及びレノ織りのような織り方が適当で
ある。フッ素強化繊維及び仮補強繊維はいずれも単フィ
ラメントであってもまたマルチストランドであってもよ
い。このとき、フッ素強化繊維及び仮補強繊維に撚りを
かけてもよい。
The woven or non-woven fabric is made of the above-mentioned fluorine reinforcing fiber and / or temporary reinforcing fiber. These fabrics are suitable for weaving, such as normal basket weaving and Leno weaving. Each of the fluorine reinforcing fiber and the temporary reinforcing fiber may be a single filament or a multi-strand. At this time, the fluorine reinforcing fiber and the temporary reinforcing fiber may be twisted.

【0020】この場合、織布から仮補強糸を除去した後
の織布中の開口率は、50%から95%の範囲であり、
開口率が大きいほど、電気抵抗抑制効果も大きい。ここ
で言う、開口率とは、織布単位面積当たりの織布内、隣
接繊維間の開口域面積である。不織布の場合、適当な成
分繊維の薄い開口したシートも使用できる。仮補強繊維
は上記織布の中だけでなく、積層する膜の中に単独に埋
めこまれていてもよい。補強材中の仮補強繊維が除去さ
れた跡の孔と、単独に埋め込まれた仮補強繊維が除去さ
れた跡の孔とが互いに連通することが望ましい。
In this case, the opening ratio in the woven fabric after removing the temporary reinforcing yarn from the woven fabric is in the range of 50% to 95%,
The larger the aperture ratio, the greater the electrical resistance suppressing effect. Here, the opening ratio is the area of the opening area between adjacent fibers in the woven fabric per unit area of the woven fabric. In the case of nonwovens, thin open sheets of suitable component fibers can also be used. The temporary reinforcing fiber may be embedded alone in the laminated film as well as in the woven fabric. It is desirable that the hole at the trace where the temporary reinforcing fiber in the reinforcing material is removed and the hole at the trace where the temporary reinforcing fiber embedded alone is removed communicate with each other.

【0021】次に、本発明のイオン交換膜の製造方法に
ついて述べる。本発明は少なくとも1層の、一種又は二
種以上の官能基を有する一種または二種以上の含フッ素
重合体からなる膜であって、少なくとも片方の表面を形
成する層に多数の剣山状の突起を押し付けることを特徴
とするイオン交換膜の製造方法である。
Next, a method for producing the ion exchange membrane of the present invention will be described. The present invention relates to at least one layer of a film made of one or two or more kinds of fluoropolymers having one or more kinds of functional groups, wherein at least one layer forming a surface has a large number of sword-shaped protrusions. And a method for producing an ion exchange membrane.

【0022】すなわち、既述した含フッ素重合体からな
る膜の製法において、2枚以上の含フッ素重合体フィル
ムを必要であればその間に支持体材料を介して互いに溶
融接着させて、単一の膜構造体を形成する。成型温度
は、通常約200〜300℃の範囲であるが、より正確
には、用いる含フッ素重合体の性質、フイルム成分層と
支持体部材間の接着性、溶融状態における含フッ素重合
体の流動性を考慮して最適化される。いずれにしても、
最終的に均一な厚みを有する成型膜が得られる成型温度
が選択される。成型圧力は通常、約2x104パスカル
程度の低い圧力から107パスカルを超える圧力まで使
用できる。
That is, in the above-mentioned process for producing a film made of a fluoropolymer, two or more fluoropolymer films may be melt-bonded to each other via a support material between them if necessary, to form a single film. A membrane structure is formed. The molding temperature is usually in the range of about 200 to 300 ° C., but more precisely, the properties of the fluoropolymer used, the adhesiveness between the film component layer and the support member, and the flow of the fluoropolymer in the molten state. Optimized for performance. In any case,
A molding temperature at which a molded film having a uniform thickness is finally obtained is selected. Molding pressures can typically be used from as low as about 2x10 4 Pascal to over 10 7 Pascal.

【0023】積層にあたっては、少なくとも1層の、一
種又は二種以上の官能基を有する一種または二種以上の
含フッ素重合体からなる膜、仮補強繊維を有する補強
材、直線状微多孔を設ける層の順に積層することが好ま
しい。さらに仮補強繊維のみを仮補強繊維を有する補強
材の周囲に追加しても良いが、その場合は、追加した仮
補強繊維と補強材は接触していることが、効果発現の観
点から好ましい。
At the time of lamination, at least one layer of a film made of one or two or more kinds of fluoropolymers having one or more kinds of functional groups, a reinforcing material having temporary reinforcing fibers, and linear microporous are provided. It is preferable to laminate the layers in the order of the layers. Further, only the temporary reinforcing fiber may be added around the reinforcing material having the temporary reinforcing fiber. In this case, it is preferable that the added temporary reinforcing fiber and the reinforcing material are in contact with each other from the viewpoint of achieving the effect.

【0024】本発明の製法においては、少なくとも片方
の表面を形成する層に多数の剣山状の突起を押し付ける
ことが特徴である。剣山状突起について説明する。基盤
上に突起を設け、これを膜面に突き刺し開口させるもの
である。基盤の材質は特に制限はないが、加熱する場合
もあることからステンレスが好ましい。突起は多角柱、
多角錘、円柱、円錐などの形状で、加工性によって選択
できる。円柱状が加工性の面から好ましい。直径は加工
できる範囲内であれば特に制限はないが、好ましくは、
1μ〜数mm程度、更に好ましくは10μ〜500μで
ある。高さは直線状多孔質層の厚みによって決まるが、
5μ〜1mm、好ましくは20μ〜300μである。そ
の配列は任意でも良いが、千鳥、格子、など従来公知の
配列が加工上好ましく使用できる。ピッチは加工できる
範囲内であれば、制限はなく好ましくは10〜500μ
である。これら、剣山突起の規格は、いずれも任意に変
える事ができ、それにより、電解条件に応じて微多孔の
大きさ、膜内における数、及びピッチを自在に制御でき
ることが大きな特徴である。
The method of the present invention is characterized in that a large number of sword-shaped protrusions are pressed against at least one layer forming the surface. The sword-shaped protrusion will be described. Protrusions are provided on a substrate, and the protrusions are pierced into the film surface to open. The material of the substrate is not particularly limited, but stainless steel is preferable because it may be heated. The projection is a polygonal pillar,
Shapes such as polygonal pyramids, cylinders, and cones can be selected depending on workability. A columnar shape is preferred from the viewpoint of workability. The diameter is not particularly limited as long as it is within a processable range, but preferably,
It is about 1 μm to several mm, more preferably 10 μm to 500 μm. The height is determined by the thickness of the linear porous layer,
5 μm to 1 mm, preferably 20 μm to 300 μm. The arrangement may be arbitrary, but conventionally known arrangements such as a staggered pattern and a lattice pattern can be preferably used for processing. The pitch is not limited as long as it is within a processable range, and is preferably 10 to 500 μm.
It is. Each of these standards of the sword mountain protrusion can be arbitrarily changed, and as a result, it is a great feature that the size of the micropore, the number in the film, and the pitch can be freely controlled according to the electrolysis conditions.

【0025】フィルムの開口させたい面を押し当てる際
に温度をかけて、直線状微多孔を設ける層に適度な流動
性を持たせることも可能である。その場合は、予め、該
層を形成するポリマーのメルトフローインデクスを測定
し、最適な条件を選択する。通常は200℃以上融点以
下が採用される。また、剣山突起間の谷に孔を空けてこ
こから減圧にして、フィルムが均一に引き込まれ剣山に
よって開口させられやすくすることも好ましい。この剣
山状の板をドラム状に形成することによって連続的に直
線状微多孔を形成させることが可能である。
It is also possible to apply a temperature when pressing the surface of the film to be opened, so that the layer provided with the linear fine pores has an appropriate fluidity. In that case, the melt flow index of the polymer forming the layer is measured in advance, and the optimal conditions are selected. Usually, a temperature of 200 ° C. or more and a melting point or less is employed. It is also preferable to form a hole in the valley between the ridges and reduce the pressure from there, so that the film is uniformly drawn in and easily opened by the ridge. By forming this sword-shaped plate in the shape of a drum, it is possible to form linear micropores continuously.

【0026】上記のイオン交換膜は、この後、その用途
に応じて化学的手法により、膜中の官能基を別種の官能
基に転化することができる。例えば、電解膜を食塩電解
の隔膜として用いる場合には、膜の官能基を全てスルホ
ン酸及びカルボン酸基、又はそのアルカリ金属塩等の、
水溶液中でイオン化しうる官能基に転化することができ
る。かかる転化は通常、酸又は塩基の存在下での加水分
解により行える。
After that, the above-mentioned ion-exchange membrane can convert the functional group in the membrane into another kind of functional group by a chemical method according to its use. For example, when the electrolytic membrane is used as a diaphragm for salt electrolysis, all functional groups of the membrane are sulfonic acid and carboxylic acid groups, or an alkali metal salt thereof, etc.
It can be converted to an ionizable functional group in an aqueous solution. Such conversion can usually be effected by hydrolysis in the presence of an acid or a base.

【0027】尚、仮補強繊維の膜からの除去は、この官
能基転化の前後、いずれの段階でおこなっても良いが、
仮補強繊維が加水分解可能な素材からなる場合、この官
能基転化の加水分解過程で、仮補強繊維の除去を同時に
おこなうこともできる。又、直線状微多孔の形成は官能
基の転化以降に行うことも可能であるが、作業性と加工
性からは転化以前に前駆体の状態で行うことがより好ま
しい。
The removal of the temporary reinforcing fibers from the membrane may be performed at any stage before or after the conversion of the functional group.
When the temporary reinforcing fibers are made of a hydrolyzable material, the temporary reinforcing fibers can be removed at the same time in the hydrolysis process of the functional group conversion. Although the formation of the linear microporosity can be performed after the conversion of the functional group, it is more preferable to perform the formation of the precursor before the conversion from the viewpoint of workability and workability.

【0028】さらに、本発明のイオン交換膜の表面に無
機物を塗布するなど気泡の付着を妨げる従来公知の技術
を組み合わせることが好ましい。
Further, it is preferable to combine a conventionally known technique such as coating an inorganic substance on the surface of the ion exchange membrane of the present invention, which prevents adhesion of air bubbles.

【0029】[0029]

【発明の実施の形態】以下、実施例、比較例を挙げさら
に具体的に説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples.

【0030】[0030]

【実施例1】(化1)のひとつであるカルボン酸メチル
エステル墓を有するペルフルオロカーボンモノマーとテ
トラフルオロエチレンの共重合体(旭化成工業製)で交
換容量0.85ミリ当量/g、膜厚20μmの膜と(化
1)のひとつであるスルホニルフルオライド基を有する
ペルフルオロカーボンモノマーとテトラフルオロエチレ
ンの共重合体(旭化成工業製)で交換容量0.97ミリ
当量/g、膜厚75μmの膜とを共押し出し積層したフ
イルム(A)を作成した、一方、(化1)のひとつであ
るスルホニルフルオライド基を有するペルフルオロカー
ボンモノマーとテトラフルオロエチレンの共重合体(旭
化成工業製)で交換容量1.05ミリ当量/g、膜厚5
0μmのフイルム(B)を作成した。強化部材にポリテ
トラフルオロエチレン繊維(150デニル、太さ110
μm)を用い、平織り方式で支持体材料の織布を作成し
た。このとき、仮補強繊維として、ポリエチレンテレフ
タレートの繊維を同時に織り込んだ。
Example 1 A copolymer of a perfluorocarbon monomer having a carboxylic acid methyl ester skeleton, which is one of the chemical formulas, and tetrafluoroethylene (manufactured by Asahi Kasei Kogyo), exchange capacity 0.85 meq / g, film thickness 20 μm And a film of a copolymer of perfluorocarbon monomer having a sulfonyl fluoride group, which is one of the chemical formulas, and tetrafluoroethylene (manufactured by Asahi Kasei Corporation) having an exchange capacity of 0.97 meq / g and a film thickness of 75 μm. Was extruded to form a film (A). On the other hand, the exchange capacity of a copolymer of a perfluorocarbon monomer having a sulfonyl fluoride group and tetrafluoroethylene (manufactured by Asahi Kasei Kogyo Co., Ltd.), which is one of Chemical Formula 1, was obtained. 05 meq / g, film thickness 5
A 0 μm film (B) was prepared. Polytetrafluoroethylene fiber (150 denier, thickness 110)
μm) to prepare a woven fabric of the support material in a plain weave system. At this time, polyethylene terephthalate fibers were simultaneously woven as temporary reinforcing fibers.

【0031】フィルム(A)と(B)でこの強化部材を
はさみ、加熱して積層した。このとき、フィルム(B)
の下にステンレス製の剣山盤を配した。ステンレス製の
基盤上には直径40μm、高さ100μm、剣山のピッ
チ200μmで格子状に配置した剣山を多数貼り付け、
また、格子の対角線上に直径100μmで、ステンレス
基盤を貫通する孔を設けた。ここから吸引しながら膜の
フィルム(B)側を剣山の突起に押しつけ、直線状微多
孔を形成させた。又、このとき、基盤を220℃に加熱
した。
The reinforcing members were sandwiched between films (A) and (B), and were laminated by heating. At this time, the film (B)
A stainless steel sword mountain plate was placed underneath. On a stainless steel base, a large number of sword mountains arranged in a lattice pattern with a diameter of 40 μm, a height of 100 μm, and a pitch of 200 μm are attached,
Further, a hole having a diameter of 100 μm and penetrating the stainless steel substrate was provided on the diagonal line of the lattice. The film (B) side of the membrane was pressed against the projection of the sword while sucking from this, and a linear microporous was formed. At this time, the substrate was heated to 220 ° C.

【0032】得られた積層膜を、水酸化カリウム(和光
純薬株式会社製特級)16.8部とジメチルスルホキシ
ド(和光純薬株式会社製一級)30部及び純水70部の
混合溶解液に漬け、90℃、1時間反応させた、これに
より、スルホニルフルオライド型の官能基がスルホン酸
カリウム型に変換した。充分純水で洗浄した後、0.5
NNaOH水溶液に漬け85℃、30分保持し、スルホ
ン酸ナトリウム型とした。その後、剣山で開口した側を
陽極側として食塩電解を行った。測定条件は陽極液に
3.5NNaCl水溶液、陰極液に33%NaOH水溶
液とし、90℃の液温度で行った。その結果、電解電圧
は2.90Vであった、引っ張り強伸度測定(縦及び横
の支持体部材糸に対して45°方向)における破断強度
は1.2kg/cmであった。
The obtained laminated film was dissolved in a mixed solution of 16.8 parts of potassium hydroxide (special grade, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), 30 parts of dimethyl sulfoxide (primary grade, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and 70 parts of pure water. It was immersed and reacted at 90 ° C. for 1 hour, whereby the sulfonyl fluoride type functional group was converted to potassium sulfonate type. After washing with pure water,
It was immersed in an NNaOH aqueous solution and kept at 85 ° C. for 30 minutes to obtain a sodium sulfonate type. Thereafter, salt electrolysis was performed using the side opened at the sword mountain as the anode side. The measurement was performed at a liquid temperature of 90 ° C. using a 3.5N NaCl aqueous solution as the anolyte and a 33% NaOH aqueous solution as the catholyte. As a result, the electrolysis voltage was 2.90 V, and the breaking strength in a tensile strength and elongation measurement (45 ° direction with respect to the vertical and horizontal support member yarns) was 1.2 kg / cm.

【0033】断面を光学顕微鏡で観察すると剣山によっ
て作られた直線状の微多孔が膜中に形成されている仮補
強繊維の溶出孔と連絡していた。
When the cross section was observed with an optical microscope, it was found that linear micropores formed by Kenzan were connected to the elution holes of the temporary reinforcing fibers formed in the membrane.

【0034】[0034]

【比較例1】実施例1で剣山を用いずに積層すること以
外は全て実施例1のとおりに積層膜を作成した。この積
層膜の電解電圧は2.98Vあり、破断強度は1.2k
g/cmであった。実施例1に比べて破断強度は変わら
なかったが、電解電圧が高かった。
Comparative Example 1 A laminated film was prepared in the same manner as in Example 1 except that the lamination was performed without using a sword mountain. The electrolysis voltage of this laminated film was 2.98 V, and the breaking strength was 1.2 k.
g / cm. Although the breaking strength was not changed as compared with Example 1, the electrolytic voltage was high.

【0035】断面を光学顕微鏡で観察したところ、仮補
強繊維の溶出孔はあったが、塩水供給側には開口してい
なかった。
Observation of the cross section with an optical microscope revealed that there was an elution hole for the temporary reinforcing fiber, but it did not open to the salt water supply side.

【0036】[0036]

【発明の効果】従来は困難であった、イオン交換膜内空
孔の大きさ、膜における数、孔間隔を電解条件に応じて
任意に設定できるだけでなく、従来の膜表面の機械的切
削による開口法のような、膜に与えるダメージを与える
こともなく、更に、空の開口率、及び体積を低く抑える
ことにより、膜の強度低下を抑制できる。
The size of the pores in the ion exchange membrane, the number of pores in the membrane, and the gap between the pores can be arbitrarily set according to the electrolysis conditions, as well as the conventional mechanical cutting of the membrane surface. A decrease in the strength of the film can be suppressed by suppressing the open area ratio and the volume of the film without damaging the film unlike the opening method.

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 少なくとも1層の、一種又は二種以上の
官能基を有する一種または二種以上の含フッ素重合体か
らなる膜であって、膜の内層部から、少なくとも一方の
表面へ向けて実質的に直線状の微多孔が開口しているこ
とを特徴とするイオン交換膜。
1. A film comprising at least one layer of one or two or more kinds of fluoropolymers having one or more kinds of functional groups, wherein the film is formed from an inner layer portion of the film toward at least one surface. An ion exchange membrane having substantially linear microporous openings.
【請求項2】 官能基がスルホン酸基、カルボン酸基の
うちの少なくとも一つである請求項1に記載のイオン交
換膜。
2. The ion exchange membrane according to claim 1, wherein the functional group is at least one of a sulfonic acid group and a carboxylic acid group.
【請求項3】 補強材によって補強されている請求項1
または2記載のイオン交換膜。
3. The method according to claim 1, wherein the reinforcing material is reinforced.
Or the ion exchange membrane according to 2.
【請求項4】 微多孔の開口部の存在する面がイオン交
換膜中の陽極側に配置されていることを特徴とする請求
項1、2、3記載のイオン交換膜。
4. The ion-exchange membrane according to claim 1, wherein the surface on which the microporous openings are present is disposed on the anode side in the ion-exchange membrane.
【請求項5】 少なくとも1層の、一種又は二種以上の
官能基を有する一種または二種以上の含フッ素重合体か
らなる膜であって、少なくとも一方の表面を形成する層
に多数の剣山状の突起を押し付けることを特徴とする請
求項1、2、3又は4記載のイオン交換膜の製造方法。
5. A film comprising at least one layer of one or two or more kinds of fluoropolymers having one or more kinds of functional groups, wherein at least one surface of the film comprises a large number of sword-like layers. 5. The method for producing an ion exchange membrane according to claim 1, wherein the projections are pressed.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111188050A (en) * 2019-12-31 2020-05-22 山东东岳未来氢能材料有限公司 Ultrathin perfluorinated sulfonic acid ion exchange membrane for alkali chloride electrolysis and preparation method thereof

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