JP2005135652A - High polymer electrolyte composition and proton conducting film - Google Patents

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芳孝 山川
Toshitaka Otsuki
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high polymer electrolyte film having enhanced durability and weather resistance. <P>SOLUTION: This high polymer electrolyte composition contains (a) a high polymer electrolyte and (b) an ultraviolet absorbent. The composition is an aromatic polymer having a sulfonic acid group, and the aromatic polymer having the sulfonic group is polyallylene. A benzophenone based absorbent, a benzotriazole based absorbent, a cyanoacrylate-based absorbent, and a nickel-based absorbent are available for the ultraviolet absorbent. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、紫外線吸収剤を含む高分子電解質膜に関する。 The present invention relates to a polymer electrolyte membrane containing an ultraviolet absorber.

高分子電解質膜は、燃料電池を構成する主要な材料であり、優れた発電性能を持つことが要求される。同時に、高分子電解質膜に要求される重要な性能のひとつとして、耐久性、耐候性が上げられる。
特にポリアリーレンをはじめとする、芳香族系の高分子にスルホン酸基を導入したポリマーは、安価に製造でき、熱安定性に優れ、高いプロトン伝導性や、耐水性をもち、高分子電解質膜として有用な材料であるが、耐久性や耐候性の面では十分であるとはいえない。耐久性や耐候性の低下を引き起こす原因のひとつとして、製造あるいは組み立て加工などの工程、あるいは保管中における環境下での、紫外線による高分子鎖の切断による機械的強度の低下があげられる。この問題は、特に高分子電解質が、芳香族系ポリマーである場合に顕著であり、それは、これらのポリマーが有害な波長領域の紫外線を吸収しやすい特性をもつことによるものである。
特開2002−220530
The polymer electrolyte membrane is a main material constituting the fuel cell and is required to have excellent power generation performance. At the same time, durability and weather resistance are raised as one of the important performances required for the polymer electrolyte membrane.
In particular, polymers having sulfonic acid groups introduced into aromatic polymers such as polyarylene can be produced at low cost, have excellent thermal stability, have high proton conductivity and water resistance, and are polymer electrolyte membranes. However, it is not sufficient in terms of durability and weather resistance. One of the causes that cause a decrease in durability and weather resistance is a decrease in mechanical strength due to breakage of a polymer chain by ultraviolet rays in a manufacturing or assembly process or in an environment during storage. This problem is particularly remarkable when the polyelectrolyte is an aromatic polymer, which is because these polymers easily absorb ultraviolet rays in a harmful wavelength region.
JP2002-220530

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、高分子電解質膜に、紫外線吸収剤を添加することで、耐久性、耐候性を向上した高分子電解質膜を提供するものである。 The present invention has been made to solve the above problems, and provides a polymer electrolyte membrane having improved durability and weather resistance by adding an ultraviolet absorber to the polymer electrolyte membrane. It is.

本発明の高分子電解質膜に用いられる高分子電解質としては、スルホン酸基を有する高分子や、リン酸、カルボン酸などの酸性の官能基を有する高分子が好ましい。
スルホン酸基を有する高分子としては、スルホン化パーフルオロ炭化水素系ポリマーやスルホン化非パーフルオロ炭化水素系ポリマーをあげることができる。スルホン化非パーフルオロ炭化水素系ポリマーとしては、スルホン化ポリアリーレン、スルホン化ポリエーテル、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリベンズイミダゾール、スルホン化ポリイミドなどをあげることができる。これらのポリマーは主鎖に芳香環を有する芳香族系ポリマーであることが好ましい。
本発明におけるより好ましい高分子電解質はスルホン化ポリアリーレンである。
本発明に使用されるスルホン酸基を有するポリアリーレンについて具体的に説明する。
(スルホン酸基を有するポリアリーレン)
本発明に使用されるスルホン酸基を有するポリアリーレンは、下記一般式(A)で表される繰り返し構成単位と、下記一般式(B)で表される繰り返し構成単位とを含んでおり、下記一般式(C)で表される重合体である。
The polymer electrolyte used in the polymer electrolyte membrane of the present invention is preferably a polymer having a sulfonic acid group or a polymer having an acidic functional group such as phosphoric acid or carboxylic acid.
Examples of the polymer having a sulfonic acid group include a sulfonated perfluorohydrocarbon polymer and a sulfonated non-perfluorohydrocarbon polymer. Examples of sulfonated non-perfluorohydrocarbon polymers include sulfonated polyarylene, sulfonated polyether, sulfonated polyetherketone, sulfonated polysulfone, sulfonated polyetheretherketone, sulfonated polybenzimidazole, and sulfonated polyimide. I can give you. These polymers are preferably aromatic polymers having an aromatic ring in the main chain.
A more preferred polymer electrolyte in the present invention is a sulfonated polyarylene.
The polyarylene having a sulfonic acid group used in the present invention will be specifically described.
(Polyarylene having a sulfonic acid group)
The polyarylene having a sulfonic acid group used in the present invention includes a repeating structural unit represented by the following general formula (A) and a repeating structural unit represented by the following general formula (B). It is a polymer represented by general formula (C).

Figure 2005135652

式中、Aは2価の電子吸引性基を示し、具体的には−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2−(ここで、lは1〜10の整数である)、−C(CF32−などが挙げられる。Bは2価の電子供与基または直接結合を示し、電子供与基の具体例としては、−(CH2)−、−C(CH32−、−O−、−S−、−CH=CH−、−C≡C―および
Figure 2005135652
などが挙げられる。なお、電子吸引性基とは、ハメット(Hammett)置換基常数がフェニル基のm位の場合、0.06以上、p位の場合、0.01以上の値となる基をいう。
Arは−SO3Hで表される置換基を有する芳香族基を示し、芳香族基として具体的にはフェニル基、ナフチル基、アントラセニル基、フェナンチル基などが挙げられる。これらの基のうち、フェニル基、ナフチル基が好ましい。
mは0〜10、好ましくは0〜2の整数、nは0〜10、好ましくは0〜2の整数を示し、kは1〜4の整数を示す。
Figure 2005135652

In the formula, A represents a divalent electron-withdrawing group, specifically, —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) 1 — (where , l is an integer of 1 to 10), - C (CF 3) 2 - and the like. B represents a divalent electron-donating group or a direct bond, and specific examples of the electron-donating group include — (CH 2 ) —, —C (CH 3 ) 2 —, —O—, —S—, —CH═. CH-, -C≡C- and
Figure 2005135652
Etc. The electron-withdrawing group means a group having a Hammett substituent constant of 0.06 or more when the phenyl group is in the m-position and 0.01 or more when the p-position is p-position.
Ar represents an aromatic group having a substituent represented by —SO 3 H, and specific examples of the aromatic group include a phenyl group, a naphthyl group, an anthracenyl group, and a phenanthyl group. Of these groups, a phenyl group and a naphthyl group are preferable.
m represents an integer of 0 to 10, preferably 0 to 2, n represents an integer of 0 to 10, preferably 0 to 2, and k represents an integer of 1 to 4.

Figure 2005135652

式(B)中、R1〜R8は互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子、アルキル基、フッ素置換アルキル基、アリル基、アリール基およびシアノ基からなる群より選ばれた少なくとも1種の原子または基を示す。
アルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、アミル基、ヘキシル基などが挙げられ、メチル基、エチル基などが好ましい。
フッ素置換アルキル基としては、トリフルオロメチル基、パーフルオロエチル基、パーフルオロプロピル基、パーフルオロブチル基、パーフルオロペンチル基、パーフルオロヘキシル基などが挙げられ、トリフルオロメチル基、ペンタフルオロエチル基などが好ましい。
アリル基としては、プロペニル基などが挙げられ、
アリール基としては、フェニル基、ペンタフルオロフェニル基などが挙げられる。
Wは単結合または2価の電子吸引性基を示し、Tは単結合または2価の有機基を示す。
式(B)において、pは0または正の整数であり、上限は通常100、好ましくは10〜80である。
Figure 2005135652

In formula (B), R 1 to R 8 may be the same as or different from each other, and are selected from the group consisting of a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group, an allyl group, an aryl group, and a cyano group. At least one atom or group is shown.
Examples of the alkyl group include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, an amyl group, and a hexyl group, and a methyl group and an ethyl group are preferable.
Examples of the fluorine-substituted alkyl group include trifluoromethyl group, perfluoroethyl group, perfluoropropyl group, perfluorobutyl group, perfluoropentyl group, perfluorohexyl group, trifluoromethyl group, pentafluoroethyl group, and the like. Etc. are preferable.
Examples of allyl groups include propenyl groups,
Examples of the aryl group include a phenyl group and a pentafluorophenyl group.
W represents a single bond or a divalent electron-withdrawing group, and T represents a single bond or a divalent organic group.
In the formula (B), p is 0 or a positive integer, and the upper limit is usually 100, preferably 10-80.

Figure 2005135652
上記において、pは0または正の整数であり、上限は通常100、好ましくは10〜80である。
本発明で用いられるスルホン酸基を有するポリアリーレンは、式(A)で表される繰り返し構成単位を0.5〜100モル%、好ましくは10〜99.999モル%の割合で、式(B)で表される繰り返し構成単位を99.5〜0モル%、好ましくは90〜0.001モル%の割合で含有している。

(スルホン酸基を有するポリアリーレンの製造方法)
スルホン酸基を有するポリアリーレンは、上記一般式(A)で表される構造単位となりうるスルホン酸エステル基を有するモノマーと、上記一般式(B)で表される構造単位となりうるオリゴマーとを共重合させ、スルホン酸エステル基を有するポリアリーレンを製造し、このスルホン酸エステル基を有するポリアリーレンを加水分解して、スルホン酸エステル基をスルホン酸基に変換することにより合成することができる。
また、スルホン酸基を有する重合体は、上記一般式(A)で表される骨格を有しスルホン酸基、スルホン酸エステル基を有しない構造単位と、上記一般式(B)の構造単位からなるポリアリーレンを予め合成し、この重合体をスルホン化することにより合成することもできる。
上記一般式(A)の構造単位となりうるモノマー(例えば下記一般式(D)で表されるモノマー、モノマー(D)ともいう。)と、上記一般式(B)の構造単位となりうるオリゴマー(例えば下記一般式(E)で表されるオリゴマー、オリゴマー(E)ともいう。)とを共重合させてスルホン酸エステル基を有するポリアリーレンを合成する場合には、モノマー(D)としては、例えば下記一般式(D)で表されるスルホン酸エステルが用いられる。
Figure 2005135652
In the above, p is 0 or a positive integer, and the upper limit is usually 100, preferably 10-80.
The polyarylene having a sulfonic acid group used in the present invention contains 0.5 to 100 mol%, preferably 10 to 99.999 mol% of the repeating structural unit represented by the formula (A). ) Is contained in a proportion of 99.5 to 0 mol%, preferably 90 to 0.001 mol%.

(Method for producing polyarylene having a sulfonic acid group)
The polyarylene having a sulfonic acid group includes a monomer having a sulfonic acid ester group that can be a structural unit represented by the general formula (A) and an oligomer that can be a structural unit represented by the general formula (B). It can be synthesized by polymerizing to produce a polyarylene having a sulfonic acid ester group, hydrolyzing the polyarylene having a sulfonic acid ester group, and converting the sulfonic acid ester group into a sulfonic acid group.
The polymer having a sulfonic acid group includes a structural unit having a skeleton represented by the general formula (A) and not having a sulfonic acid group or a sulfonic acid ester group, and a structural unit of the general formula (B). The polyarylene can be synthesized in advance and the polymer can be synthesized by sulfonation.
A monomer that can be a structural unit of the general formula (A) (for example, a monomer represented by the following general formula (D), also referred to as monomer (D)) and an oligomer that can be a structural unit of the general formula (B) (for example, In the case of synthesizing a polyarylene having a sulfonate group by copolymerizing with an oligomer represented by the following general formula (E) or oligomer (E), examples of the monomer (D) include A sulfonic acid ester represented by the general formula (D) is used.

Figure 2005135652

式(D)中、Xはフッ素を除くハロゲン原子(塩素、臭素、ヨウ素)、−OSO2Z(ここで、Zはアルキル基、フッ素置換アルキル基またはアリール基を示す。)から選ばれる原子または基を示し、A、B、Ar、m、nおよびkは、それぞれ上記一般式(A)中のA、B、Ar、m、nおよびkと同義である。Rは炭素原子数1〜20、好ましくは4〜20の炭化水素基を示し、具体的には、メチル基、エチル基、n−プロピル基、iso−プロピル基、tert-ブチル基、iso-ブチル基、n−ブチル基、sec−ブチル基、ネオペンチル基、シクロペンチル基、ヘキシル基、シクロヘキシル基、シクロペンチルメチル基、シクロヘキシルメチル基、アダマンチル基、アダマンタンメチル基、2−エチルヘキシル基、ビシクロ[2.2.1]へプチル基、ビシクロ[2.2.1]へプチルメチル基、テトラヒドロフルフリル基、2−メチルブチル基、3,3−ジメチル−2,4−ジオキソランメチル基、シクロヘキシルメチル基、アダマンチルメチル基、ビシクロ[2.2.1]ヘプチルメチル基などの直鎖状炭化水素基、分岐状炭化水素基、脂環式炭化水素基、5員の複素環を有する炭化水素基などが挙げられる。これらのうちn−ブチル基、ネオペンチル基、テトラヒドロフルフリル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、シクロヘキシルメチル基、アダマンチルメチル基、ビシクロ[2.2.1]ヘプチルメチル基が好ましく、さらにはネオペンチル基が好ましい。
Arは−SO3bで表される置換基を有する芳香族基を示し、芳香族基として具体的にはフェニル基、ナフチル基、アントラセニル基、フェナンチル基などが挙げられる。これらの基のうち、フェニル基、ナフチル基が好ましい。
置換基−SO3bは、芳香族基に1個または2個以上置換しており、置換基−SO3bが2個以上置換している場合には、これらの置換基は互いに同一でも異なっていてもよい。
ここで、Rbは炭素原子数1〜20、好ましくは4〜20の炭化水素基を示し、具体的には上記炭素原子数1〜20の炭化水素基などが挙げられる。これらのうちn−ブチル基、ネオペンチル基、テトラヒドロフルフリル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、シクロヘキシルメチル基、アダマンチルメチル基、ビシクロ[2.2.1]ヘプチルメチル基が好ましく、さらにはネオペンチル基が好ましい。
mは0〜10、好ましくは0〜2の整数、nは0〜10、好ましくは0〜2の整数を示し、kは1〜4の整数を示す。
式(D)で表されるスルホン酸エステルの具体例としては、以下の様な化合物が挙げられる。









































Figure 2005135652

In formula (D), X is an atom selected from halogen atoms other than fluorine (chlorine, bromine, iodine), —OSO 2 Z (wherein Z represents an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group, or an aryl group) or A, B, Ar, m, n, and k are the same as A, B, Ar, m, n, and k in the general formula (A). R a represents a hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms, preferably 4 to 20 carbon atoms. Specifically, methyl group, ethyl group, n-propyl group, iso-propyl group, tert-butyl group, iso- Butyl group, n-butyl group, sec-butyl group, neopentyl group, cyclopentyl group, hexyl group, cyclohexyl group, cyclopentylmethyl group, cyclohexylmethyl group, adamantyl group, adamantanemethyl group, 2-ethylhexyl group, bicyclo [2.2 .1] heptyl group, bicyclo [2.2.1] heptylmethyl group, tetrahydrofurfuryl group, 2-methylbutyl group, 3,3-dimethyl-2,4-dioxolanemethyl group, cyclohexylmethyl group, adamantylmethyl group A linear hydrocarbon group such as a bicyclo [2.2.1] heptylmethyl group, a branched hydrocarbon group, an alicyclic hydrocarbon group, 5 Such as a hydrocarbon group having a heterocyclic ring. Among these, an n-butyl group, neopentyl group, tetrahydrofurfuryl group, cyclopentyl group, cyclohexyl group, cyclohexylmethyl group, adamantylmethyl group, and bicyclo [2.2.1] heptylmethyl group are preferable, and a neopentyl group is more preferable. .
Ar represents an aromatic group having a substituent represented by —SO 3 R b , and specific examples of the aromatic group include a phenyl group, a naphthyl group, an anthracenyl group, and a phenanthyl group. Of these groups, a phenyl group and a naphthyl group are preferable.
The substituent —SO 3 R b is substituted with one or more aromatic groups, and when two or more substituents —SO 3 R b are substituted, these substituents are the same as each other. But it can be different.
Here, R b represents a hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms, preferably 4 to 20 carbon atoms, and specific examples thereof include the hydrocarbon groups having 1 to 20 carbon atoms. Among these, an n-butyl group, neopentyl group, tetrahydrofurfuryl group, cyclopentyl group, cyclohexyl group, cyclohexylmethyl group, adamantylmethyl group, and bicyclo [2.2.1] heptylmethyl group are preferable, and a neopentyl group is more preferable. .
m represents an integer of 0 to 10, preferably 0 to 2, n represents an integer of 0 to 10, preferably 0 to 2, and k represents an integer of 1 to 4.
Specific examples of the sulfonic acid ester represented by the formula (D) include the following compounds.









































Figure 2005135652






Figure 2005135652






Figure 2005135652
Figure 2005135652

Figure 2005135652












Figure 2005135652












Figure 2005135652
Figure 2005135652

Figure 2005135652



Figure 2005135652



Figure 2005135652





Figure 2005135652





Figure 2005135652






Figure 2005135652






Figure 2005135652






Figure 2005135652






Figure 2005135652
Figure 2005135652

また、上記一般式(D)で表される本発明に係る芳香族スルホン酸エステル誘導体として、上記化合物において塩素原子が臭素原子に置き換わった化合物、上記化合物において−CO−が−SO2−に置き換わった化合物、上記化合物において塩素原子が臭素原子に置き換わり、かつ−CO−が−SO2−に置き換わった化合物なども挙げられる。
一般式(D)中のRb基は1級のアルコール由来で、β炭素が3級または4級炭素であることが、重合工程中の安定性に優れ、脱エステル化によるスルホン酸の生成に起因する重合阻害や架橋を引き起こさない点で好ましく、さらには、これらのエステル基は1級アルコール由来でβ位が4級炭素であることが好ましい。
また、上記一般式(D)で表されるモノマー(D)と同様の骨格を有しスルホン酸基、スルホン酸エステル基を有しない化合物の具体例としては、下記の様な化合物が挙げられる。
In addition, as the aromatic sulfonic acid ester derivative represented by the general formula (D) according to the present invention, a compound in which a chlorine atom is replaced with a bromine atom in the above compound, and —CO— in the above compound is replaced with —SO 2 —. compound, a chlorine atom in the compound is replaced with a bromine atom, and -CO- is -SO 2 - can also be mentioned such compounds replaced.
The R b group in the general formula (D) is derived from a primary alcohol, and the β carbon is a tertiary or quaternary carbon, which is excellent in stability during the polymerization process, and produces sulfonic acid by deesterification. It is preferable in that it does not cause polymerization inhibition and cross-linking, and it is preferable that these ester groups are derived from primary alcohols and the β-position is a quaternary carbon.
Specific examples of the compound having the same skeleton as the monomer (D) represented by the general formula (D) and having no sulfonic acid group or sulfonic acid ester group include the following compounds.

Figure 2005135652
Figure 2005135652

Figure 2005135652
上記化合物において塩素原子が臭素原子に置き換わった化合物、上記化合物において−CO−が−SO2−に置き換わった化合物、上記化合物において塩素原子が臭素原子に置き換わり、かつ−CO−が−SO2−に置き換わった化合物なども挙げられる。

オリゴマー(E)としては、例えば下記一般式(E)で表される化合物が用いられる。
Figure 2005135652
A compound in which a chlorine atom is replaced with a bromine atom in the above compound, a compound in which —CO— is replaced with —SO 2 — in the above compound, a chlorine atom is replaced with a bromine atom in the above compound, and —CO— is replaced with —SO 2 —. Examples include substituted compounds.

As the oligomer (E), for example, a compound represented by the following general formula (E) is used.

Figure 2005135652

式(E)中、R'およびR''は互いに同一でも異なっていてもよく、フッ素原子を除くハロゲン原子または−OSO2Z(ここで、Zはアルキル基、フッ素置換アルキル基またはアリール基を示す。)で表される基を示す。Zが示すアルキル基としてはメチル基、エチル基などが挙げられ、フッ素置換アルキル基としてはトリフルオロメチル基などが挙げられ、アリール基としてはフェニル基、p−トリル基などが挙げられる。
1〜R8は互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子、アルキル基、フッ素置換アルキル基、アリル基、アリール基およびシアノ基からなる群より選ばれた少なくとも1種の原子または基を示す。
アルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、アミル基、ヘキシル基などが挙げられ、メチル基、エチル基などが好ましい。
フッ素置換アルキル基としては、トリフルオロメチル基、パーフルオロエチル基、パーフルオロプロピル基、パーフルオロブチル基、パーフルオロペンチル基、パーフルオロヘキシル基などが挙げられ、トリフルオロメチル基、ペンタフルオロエチル基などが好ましい。
アリル基としては、プロペニル基などが挙げられ、
アリール基としては、フェニル基、ペンタフルオロフェニル基などが挙げられる。
Wは単結合または2価の電子吸引性基を示し、電子吸引基としては、上述したものと同様のものが挙げられる。
Tは単結合または2価の有機基であって、電子吸引性基であっても電子供与基であってもよい。電子吸引性基および電子供与性基としては、上述したものと同様のものが挙げられる。
pは0または正の整数であり、上限は通常100、好ましくは10〜80である。
上記一般式(E)で表される化合物として具体的には、p=0の場合、例えば4,4'−ジクロロベンゾフェノン、4,4'−ジクロロベンズアニリド、ビス(クロロフェニル)ジフルオロメタン、2,2−ビス(4−クロロフェニル)ヘキサフルオロプロパン、4−クロロ安息香酸−4−クロロフェニル、ビス(4−クロロフェニル)スルホキシド、ビス(4−クロロフェニル)スルホン、2,6−ジクロロベンゾニトリル、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレンが挙げられる。これらの化合物において塩素原子が臭素原子またはヨウ素原子に置き換わった化合物、さらにこれらの化合物において4位に置換したハロゲン原子の少なくとも1つ以上が3位に置換した化合物などが挙げられる。
またp=1の場合、上記一般式(E)で表される具体的な化合物としては、例えば4,4'−ビス(4−クロロベンゾイル)ジフェニルエーテル、4,4'−ビス(4−クロロベンゾイルアミノ)ジフェニルエーテル、4,4'−ビス(4−クロロフェニルスルホニル)ジフェニルエーテル、4,4'−ビス(4−クロロフェニル)ジフェニルエーテルジカルボキシレート、4,4'−ビス〔(4−クロロフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロピル〕ジフェニルエーテル、4,4'−ビス〔(4−クロロフェニル)テトラフルオロエチル〕ジフェニルエーテル、これらの化合物において塩素原子が臭素原子またはヨウ素原子に置き換わった化合物、さらにこれらの化合物において4位に置換したハロゲン原子が3位に置換した化合物、さらにこれらの化合物においてジフェニルエーテルの4位に置換した基の少なくとも1つが3位に置換した化合物などが挙げられる。
さらに上記一般式(E)で表される化合物としては、2,2−ビス[4−{4−(4−クロロベンゾイル)フェノキシ}フェニル]−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン、ビス[4−{4−(4−クロロベンゾイル)フェノキシ}フェニル]スルホン、および下記式で表される化合物が挙げられる。
Figure 2005135652

In the formula (E), R ′ and R ″ may be the same as or different from each other, and a halogen atom or —OSO 2 Z excluding a fluorine atom (where Z is an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group or an aryl group) The group represented by this is shown. Examples of the alkyl group represented by Z include a methyl group and an ethyl group, examples of the fluorine-substituted alkyl group include a trifluoromethyl group, and examples of the aryl group include a phenyl group and a p-tolyl group.
R 1 to R 8 may be the same or different from each other, and are at least one atom selected from the group consisting of a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group, an allyl group, an aryl group, and a cyano group, or Indicates a group.
Examples of the alkyl group include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, an amyl group, and a hexyl group, and a methyl group and an ethyl group are preferable.
Examples of the fluorine-substituted alkyl group include trifluoromethyl group, perfluoroethyl group, perfluoropropyl group, perfluorobutyl group, perfluoropentyl group, perfluorohexyl group, trifluoromethyl group, pentafluoroethyl group, and the like. Etc. are preferable.
Examples of allyl groups include propenyl groups,
Examples of the aryl group include a phenyl group and a pentafluorophenyl group.
W represents a single bond or a divalent electron-withdrawing group, and examples of the electron-withdrawing group include those described above.
T is a single bond or a divalent organic group, and may be an electron-withdrawing group or an electron-donating group. Examples of the electron-withdrawing group and the electron-donating group include the same groups as described above.
p is 0 or a positive integer, and the upper limit is usually 100, preferably 10-80.
Specifically, as the compound represented by the general formula (E), when p = 0, for example, 4,4′-dichlorobenzophenone, 4,4′-dichlorobenzanilide, bis (chlorophenyl) difluoromethane, 2, 2-bis (4-chlorophenyl) hexafluoropropane, 4-chlorobenzoic acid-4-chlorophenyl, bis (4-chlorophenyl) sulfoxide, bis (4-chlorophenyl) sulfone, 2,6-dichlorobenzonitrile, 9,9- Bis (4-hydroxyphenyl) fluorene is mentioned. In these compounds, compounds in which a chlorine atom is replaced with a bromine atom or an iodine atom, and compounds in which at least one of halogen atoms substituted in the 4-position in these compounds are substituted in the 3-position are exemplified.
When p = 1, examples of the specific compound represented by the general formula (E) include 4,4′-bis (4-chlorobenzoyl) diphenyl ether and 4,4′-bis (4-chlorobenzoyl). Amino) diphenyl ether, 4,4′-bis (4-chlorophenylsulfonyl) diphenyl ether, 4,4′-bis (4-chlorophenyl) diphenyl ether dicarboxylate, 4,4′-bis [(4-chlorophenyl) -1,1 , 1,3,3,3-hexafluoropropyl] diphenyl ether, 4,4′-bis [(4-chlorophenyl) tetrafluoroethyl] diphenyl ether, a compound in which a chlorine atom is replaced with a bromine atom or an iodine atom in these compounds, Further, in these compounds, compounds in which the halogen atom substituted in the 4-position is substituted in the 3-position, At least one group obtained by substituting at the 4-position of diphenyl ether in et compounds but include compounds substituted at the 3-position.
Furthermore, the compound represented by the general formula (E) is 2,2-bis [4- {4- (4-chlorobenzoyl) phenoxy} phenyl] -1,1,1,3,3,3-hexa. Examples thereof include fluoropropane, bis [4- {4- (4-chlorobenzoyl) phenoxy} phenyl] sulfone, and compounds represented by the following formulae.

Figure 2005135652
Figure 2005135652

Figure 2005135652
Figure 2005135652

Figure 2005135652

上記一般式(E)で表される化合物は、例えば以下に示す方法で合成することができる。
まず電子吸引性基で連結されたビスフェノールを対応するビスフェノールのアルカリ金属塩とするために、N−メチル−2−ピロリドン、N,N-ジメチルアセトアミド、スルホラン、ジフェニルスルホン、ジメチルスルホキサイドなどの誘電率の高い極性溶媒中でリチウム、ナトリウム、カリウムなどのアルカリ金属、水素化アルカリ金属、水酸化アルカリ金属、アルカリ金属炭酸塩などを加える。
通常、アルカリ金属はフェノールの水酸基に対し、過剰気味で反応させ、通常、1.1〜2倍当量を使用する。好ましくは、1.2〜1.5倍当量の使用である。この際、ベンゼン、トルエン、キシレン、ヘキサン、シクロヘキサン、オクタン、クロロベンゼン、ジオキサン、テトラヒドロフラン、アニソール、フェネトールなどの水と共沸する溶媒を共存させて、電子吸引性基で活性化されたフッ素、塩素等のハロゲン原子で置換された芳香族ジハライド化合物、例えば、4,4'−ジフルオロベンゾフェノン、4,4'−ジクロロベンゾフェノン、4,4'−クロロフルオロベンゾフェノン、ビス(4−クロロフェニル)スルホン、ビス(4−フルオロフェニル)スルホン、4−フルオロフェニル−4'−クロロフェニルスルホン、ビス(3−ニトロ−4−クロロフェニル)スルホン、2,6−ジクロロベンゾニトリル、2,6−ジフルオロベンゾニトリル、ヘキサフルオロベンゼン、デカフルオロビフェニル、2,5−ジフルオロベンゾフェノン、1,3−ビス(4−クロロベンゾイル)ベンゼンなどを反応させる。反応性から言えば、フッ素化合物が好ましいが、次の芳香族カップリング反応を考慮した場合、末端が塩素原子となるように芳香族求核置換反応を組み立てる必要がある。活性芳香族ジハライドはビスフェノールに対し、2〜4倍モル、好ましくは2.2〜2.8倍モルの使用である。芳香族求核置換反応の前に予め、ビスフェノールのアルカリ金属塩としていてもよい。反応温度は60〜300℃で、好ましくは80〜250℃の範囲である。反応時間は15分〜100時間、好ましくは1時間〜24時間の範囲である。最も好ましい方法としては、下記式で示される活性芳香族ジハライドとして反応性の異なるハロゲン原子を一個ずつ有するクロロフルオロ体を用いることであり、フッ素原子が優先してフェノキシドと求核置換反応が起きるので、目的の活性化された末端クロロ体を得るのに好都合である。
Figure 2005135652

The compound represented by the general formula (E) can be synthesized, for example, by the method shown below.
First, in order to convert the bisphenol linked with an electron-withdrawing group into the corresponding alkali metal salt of bisphenol, dielectrics such as N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, sulfolane, diphenylsulfone, dimethylsulfoxide, etc. Add an alkali metal such as lithium, sodium or potassium, an alkali metal hydride, an alkali metal hydroxide, an alkali metal carbonate or the like in a polar solvent having a high rate.
Usually, the alkali metal is reacted in excess with respect to the hydroxyl group of phenol, and usually 1.1 to 2 times equivalent is used. Preferably, 1.2 to 1.5 times equivalent is used. In this case, fluorine, chlorine, etc. activated with an electron-withdrawing group in the presence of azeotropic solvent such as benzene, toluene, xylene, hexane, cyclohexane, octane, chlorobenzene, dioxane, tetrahydrofuran, anisole, phenetole, etc. Aromatic halogen-substituted aromatic dihalide compounds such as 4,4′-difluorobenzophenone, 4,4′-dichlorobenzophenone, 4,4′-chlorofluorobenzophenone, bis (4-chlorophenyl) sulfone, bis (4 -Fluorophenyl) sulfone, 4-fluorophenyl-4'-chlorophenylsulfone, bis (3-nitro-4-chlorophenyl) sulfone, 2,6-dichlorobenzonitrile, 2,6-difluorobenzonitrile, hexafluorobenzene, deca Fluorobiphenyl, , 5-difluorobenzophenone, 1,3-bis (4-chlorobenzoyl) reacting benzene. In terms of reactivity, a fluorine compound is preferable, but in consideration of the following aromatic coupling reaction, it is necessary to assemble an aromatic nucleophilic substitution reaction so that the terminal is a chlorine atom. The active aromatic dihalide is used in an amount of 2 to 4 times mol, preferably 2.2 to 2.8 times mol, of bisphenol. Prior to the aromatic nucleophilic substitution reaction, an alkali metal salt of bisphenol may be used. The reaction temperature is 60 to 300 ° C, preferably 80 to 250 ° C. The reaction time ranges from 15 minutes to 100 hours, preferably from 1 hour to 24 hours. The most preferable method is to use a chlorofluoro compound having one halogen atom having a different reactivity as the active aromatic dihalide represented by the following formula, and a nucleophilic substitution reaction with phenoxide occurs preferentially by the fluorine atom. It is convenient to obtain the desired activated terminal chloro form.

Figure 2005135652

(式中、Wは一般式(E)に関して定義した通りである。)
または特開平2−159号公報に記載のように求核置換反応と親電子置換反応を組み合わせ、目的の電子吸引性基、電子供与性基からなる屈曲性化合物の合成方法がある。
具体的には電子吸引性基で活性化された芳香族ビスハライド、例えば、ビス(4−クロロフェニル)スルホンをフェノールとで求核置換反応させてビスフェノキシ置換体とする。次いで、この置換体を例えば、4−クロロ安息香酸クロリドとのフリーデルクラフト反応から目的の化合物を得る。ここで用いる電子吸引性基で活性化された芳香族ビスハライドは上記で例示した化合物が適用できる。フェノール化合物は置換されていてもよいが、耐熱性や屈曲性の観点から、無置換化合物が好ましい。なお、フェノールの置換反応にはアルカリ金属塩とするのが、好ましく、使用可能なアルカリ金属化合物は上記に例示した化合物を使用できる。使用量はフェノール1モルに対し、1.2〜2倍モルである。反応に際し、上述した極性溶媒や水との共沸溶媒を用いることができる。ビスフェノキシ化合物を塩化アルミニウム、三フッ化ホウ素、塩化亜鉛などのルイス酸のフリーデルクラフト反応の活性化剤存在下に、アシル化剤として、クロロ安息香酸クロライドを反応させる。クロロ安息香酸クロライドはビスフェノキシ化合物に対し、2〜4倍モル、好ましくは2.2〜3倍モルの使用である。フリーデルクラフト活性化剤は、アシル化剤のクロロ安息香酸などの活性ハライド化合物1モルに対し、1.1〜2倍当量使用する。反応時間は15分〜10時間の範囲で、反応温度は−20℃から80℃の範囲である。使用溶媒は、フリーデルクラフト反応に不活性な、クロロベンゼンやニトロベンゼンなどを用いることができる。
また、一般式(E)において、pが2以上である化合物は、例えば、一般式(E)において電子供与性基Tであるエーテル性酸素の供給源となるビスフェノールと、電子吸引性基Wである、>C=O、−SO2−および>C(CF32から選ばれる少なくとも1種の基とを組み合わせた化合物、具体的には2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ケトン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルホンなどのビスフェノールのアルカリ金属塩と、過剰の4,4−ジクロロベンゾフェノン、ビス(4−クロロフェニル)スルホンなどの活性芳香族ハロゲン化合物との置換反応をN−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、スルホランなどの極性溶媒存在下で前記単量体の合成手法に順次重合して得られる。
このような化合物の例示としては、下記式で表される化合物などを挙げることができる。
Figure 2005135652

(Wherein, W is as defined for general formula (E).)
Alternatively, as described in JP-A-2-159, there is a method for synthesizing a flexible compound comprising a target electron-withdrawing group and electron-donating group by combining a nucleophilic substitution reaction and an electrophilic substitution reaction.
Specifically, an aromatic bishalide activated with an electron-withdrawing group, for example, bis (4-chlorophenyl) sulfone is subjected to a nucleophilic substitution reaction with phenol to obtain a bisphenoxy-substituted product. Then, the desired compound is obtained from the Friedel-Craft reaction of this substituted product with, for example, 4-chlorobenzoic acid chloride. As the aromatic bishalide activated with the electron-withdrawing group used here, the compounds exemplified above can be applied. The phenol compound may be substituted, but an unsubstituted compound is preferable from the viewpoint of heat resistance and flexibility. In addition, it is preferable to use an alkali metal salt for the phenol substitution reaction, and as the usable alkali metal compound, the compounds exemplified above can be used. The amount used is 1.2 to 2 moles per mole of phenol. In the reaction, the polar solvent described above or an azeotropic solvent with water can be used. The bisphenoxy compound is reacted with chlorobenzoic acid chloride as an acylating agent in the presence of an activator for the Friedel-Crafts reaction of Lewis acids such as aluminum chloride, boron trifluoride, and zinc chloride. Chlorobenzoic acid chloride is used in an amount of 2 to 4 times mol, preferably 2.2 to 3 times mol, of the bisphenoxy compound. The Friedel-Craft activator is used in an amount of 1.1 to 2 times equivalent to 1 mol of an active halide compound such as chlorobenzoic acid as an acylating agent. The reaction time ranges from 15 minutes to 10 hours, and the reaction temperature ranges from -20 ° C to 80 ° C. As the solvent used, chlorobenzene, nitrobenzene and the like which are inert to Friedel-Crafts reaction can be used.
Further, in the general formula (E), the compound in which p is 2 or more is, for example, a bisphenol that is a source of etheric oxygen that is the electron donating group T in the general formula (E) and an electron withdrawing group W. A compound in combination with at least one group selected from> C═O, —SO 2 — and> C (CF 3 ) 2 , specifically 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1 1,1,3,3,3-hexafluoropropane, alkali metal salts of bisphenols such as 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) ketone, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) sulfone, and excess The substitution reaction with an active aromatic halogen compound such as 4,4-dichlorobenzophenone and bis (4-chlorophenyl) sulfone is N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, sulfolane. In the presence of any polar solvent, it is obtained by sequential polymerization in the monomer synthesis method.
Examples of such compounds include compounds represented by the following formulas.

Figure 2005135652
Figure 2005135652

Figure 2005135652
Figure 2005135652


Figure 2005135652

Figure 2005135652

Figure 2005135652
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Figure 2005135652

上記において、pは0または正の整数であり、上限は通常100、好ましくは10〜80である。
本発明に係るポリアリーレン中の上記一般式(A)で表される繰り返し構成単位の含有割合は、特に限定されないが、好ましくは0.5〜100モル%、より好ましくは10〜99.999モル%である。また、本発明に係るポリアリーレン中の上記一般式(B)で表される繰り返し構成単位の含有割合は、好ましくは0〜99.5モル%、より好ましくは0.001〜90モル%である。

Figure 2005135652

In the above, p is 0 or a positive integer, and the upper limit is usually 100, preferably 10-80.
Although the content rate of the repeating structural unit represented by the general formula (A) in the polyarylene according to the present invention is not particularly limited, it is preferably 0.5 to 100 mol%, more preferably 10 to 99.999 mol. %. Moreover, the content ratio of the repeating structural unit represented by the general formula (B) in the polyarylene according to the present invention is preferably 0 to 99.5 mol%, more preferably 0.001 to 90 mol%. .

スルホン酸エステル基を有するポリアリーレン(C)はモノマー(D)とオリゴマー
(E)を触媒の存在下に反応させることにより合成されるが、この際使用される触媒は、遷移金属化合物を含む触媒系であり、この触媒系としては、(1)遷移金属塩および配位子となる化合物(以下、「配位子成分」という。)、または配位子が配位された遷移金属錯体(銅塩を含む)、ならびに(2)還元剤を必須成分とし、さらに、重合速度を上げるために、「塩」を添加してもよい。
ここで、遷移金属塩としては、塩化ニッケル、臭化ニッケル、ヨウ化ニッケル、ニッケルアセチルアセトナートなどのニッケル化合物;塩化パラジウム、臭化パラジウム、ヨウ化パラジウムなどのパラジウム化合物;塩化鉄、臭化鉄、ヨウ化鉄などの鉄化合物;塩化コバルト、臭化コバルト、ヨウ化コバルトなどのコバルト化合物などが挙げられる。これらのうち特に、塩化ニッケル、臭化ニッケルなどが好ましい。
また、配位子成分としては、トリフェニルホスフィン、2,2'−ビピリジン、1,5−シクロオクタジエン、1,3−ビス(ジフェニルホスフィノ)プロパンなどが挙げられる。これらのうち、トリフェニルホスフィン、2,2'−ビピリジンが好ましい。上記配位子成分である化合物は、1種単独で、あるいは2種以上を併用することができる。
さらに、配位子が配位された遷移金属錯体としては、例えば、塩化ニッケルビス(トリフェニルホスフィン)、臭化ニッケルビス(トリフェニルホスフィン)、ヨウ化ニッケルビス(トリフェニルホスフィン)、硝酸ニッケルビス(トリフェニルホスフィン)、塩化ニッケル(2,2'−ビピリジン)、臭化ニッケル(2,2'−ビピリジン)、ヨウ化ニッケル(2,2'−ビピリジン)、硝酸ニッケル(2,2'−ビピリジン)、ビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル、テトラキス(トリフェニルホスフィン)ニッケル、テトラキス(トリフェニルホスファイト)ニッケル、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウムなどが挙げられる。これらのうち、塩化ニッケルビス(トリフェニルホスフィン)、塩化ニッケル(2,2'−ビピリジン)が好ましい。
The polyarylene (C) having a sulfonate group is synthesized by reacting the monomer (D) and the oligomer (E) in the presence of a catalyst. The catalyst used in this case is a catalyst containing a transition metal compound. This catalyst system includes (1) a transition metal salt and a compound that becomes a ligand (hereinafter referred to as “ligand component”), or a transition metal complex in which a ligand is coordinated (copper). Salt is included), and (2) a reducing agent is an essential component, and “salt” may be added to increase the polymerization rate.
Here, as the transition metal salt, nickel compounds such as nickel chloride, nickel bromide, nickel iodide and nickel acetylacetonate; palladium compounds such as palladium chloride, palladium bromide and palladium iodide; iron chloride and iron bromide And iron compounds such as iron iodide; cobalt compounds such as cobalt chloride, cobalt bromide, and cobalt iodide. Of these, nickel chloride, nickel bromide and the like are particularly preferable.
Examples of the ligand component include triphenylphosphine, 2,2′-bipyridine, 1,5-cyclooctadiene, 1,3-bis (diphenylphosphino) propane, and the like. Of these, triphenylphosphine and 2,2′-bipyridine are preferred. The compound which is the said ligand component can be used individually by 1 type or in combination of 2 or more types.
Furthermore, as the transition metal complex in which the ligand is coordinated, for example, nickel chloride bis (triphenylphosphine), nickel bromide bis (triphenylphosphine), nickel iodide bis (triphenylphosphine), nickel nitrate bis (Triphenylphosphine), nickel chloride (2,2'-bipyridine), nickel bromide (2,2'-bipyridine), nickel iodide (2,2'-bipyridine), nickel nitrate (2,2'-bipyridine) ), Bis (1,5-cyclooctadiene) nickel, tetrakis (triphenylphosphine) nickel, tetrakis (triphenylphosphite) nickel, tetrakis (triphenylphosphine) palladium and the like. Of these, nickel chloride bis (triphenylphosphine) and nickel chloride (2,2′-bipyridine) are preferred.

上記触媒系に使用することができる還元剤としては、例えば、鉄、亜鉛、マンガン、アルミニウム、マグネシウム、ナトリウム、カルシウムなどが挙げられる。これらのうち、亜鉛、マグネシウム、マンガンが好ましい。これらの還元剤は、有機酸などの酸に接触させることにより、より活性化して用いることができる。
また、上記触媒系において使用することのできる「塩」としては、フッ化ナトリウム、塩化ナトリウム、臭化ナトリウム、ヨウ化ナトリウム、硫酸ナトリウムなどのナトリウム化合物、フッ化カリウム、塩化カリウム、臭化カリウム、ヨウ化カリウム、硫酸カリウムなどのカリウム化合物;フッ化テトラエチルアンモニウム、塩化テトラエチルアンモニウム、臭化テトラエチルアンモニウム、ヨウ化テトラエチルアンモニウム、硫酸テトラエチルアンモニウムなどのアンモニウム化合物などが挙げられる。これらのうち、臭化ナトリウム、ヨウ化ナトリウム、臭化カリウム、臭化テトラエチルアンモニウム、ヨウ化テトラエチルアンモニウムが好ましい。
Examples of the reducing agent that can be used in the catalyst system include iron, zinc, manganese, aluminum, magnesium, sodium, calcium, and the like. Of these, zinc, magnesium and manganese are preferred. These reducing agents can be used after being more activated by bringing them into contact with an acid such as an organic acid.
Examples of the “salt” that can be used in the above catalyst system include sodium compounds such as sodium fluoride, sodium chloride, sodium bromide, sodium iodide, sodium sulfate, potassium fluoride, potassium chloride, potassium bromide, Examples include potassium compounds such as potassium iodide and potassium sulfate; ammonium compounds such as tetraethylammonium fluoride, tetraethylammonium chloride, tetraethylammonium bromide, tetraethylammonium iodide, and tetraethylammonium sulfate. Of these, sodium bromide, sodium iodide, potassium bromide, tetraethylammonium bromide, and tetraethylammonium iodide are preferred.

各成分の使用割合は、遷移金属塩または遷移金属錯体が、上記モノマーの総計((D)+(E)、以下同じ)1モルに対し、通常、0.0001〜10モル、好ましくは0.01〜0.5モルである。0.0001モル未満では、重合反応が十分に進行しないことがあり、一方、10モルを超えると、分子量が低下することがある。
触媒系において、遷移金属塩および配位子成分を用いる場合、この配位子成分の使用割合は、遷移金属塩1モルに対し、通常、0.1〜100モル、好ましくは1〜10モルである。0.1モル未満では、触媒活性が不十分となることがあり、一方、100モルを超えると、分子量が低下することがある。
The proportion of each component used is usually 0.0001 to 10 moles, preferably 0.001 moles per mole of transition metal salt or transition metal complex ((D) + (E), hereinafter the same). 01-0.5 mol. When the amount is less than 0.0001 mol, the polymerization reaction may not proceed sufficiently. On the other hand, when the amount exceeds 10 mol, the molecular weight may decrease.
When a transition metal salt and a ligand component are used in the catalyst system, the ratio of the ligand component used is usually 0.1 to 100 mol, preferably 1 to 10 mol, per 1 mol of the transition metal salt. is there. When the amount is less than 0.1 mol, the catalytic activity may be insufficient. On the other hand, when the amount exceeds 100 mol, the molecular weight may decrease.

また、還元剤の使用割合は、上記モノマーの総計1モルに対し、通常、0.1〜100モル、好ましくは1〜10モルである。0.1モル未満では、重合が十分進行しないことがあり、100モルを超えると、得られる重合体の精製が困難になることがある。
さらに、「塩」を使用する場合、その使用割合は、上記モノマーの総計1モルに対し、通常、0.001〜100モル、好ましくは0.01〜1モルである。0.001モル未満では、重合速度を上げる効果が不十分であることがあり、100モルを超えると、得られる重合体の精製が困難となることがある。
Moreover, the usage-amount of a reducing agent is 0.1-100 mol normally with respect to the total of 1 mol of the said monomer, Preferably it is 1-10 mol. If the amount is less than 0.1 mol, polymerization may not proceed sufficiently. If the amount exceeds 100 mol, purification of the resulting polymer may be difficult.
Furthermore, when using "salt", the usage-ratio is 0.001-100 mol normally with respect to the total of 1 mol of the said monomer, Preferably it is 0.01-1 mol. If it is less than 0.001 mol, the effect of increasing the polymerization rate may be insufficient, and if it exceeds 100 mol, purification of the resulting polymer may be difficult.

モノマー(D)とオリゴマー(E)とを反応させる際に使用することのできる重合溶媒としては、例えばテトラヒドロフラン、シクロヘキサノン、ジメチルスルホキシド、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、γ−ブチロラクトン、N,N'−ジメチルイミダゾリジノンなどが挙げられる。これらのうち、テトラヒドロフラン、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、N,N'−ジメチルイミダゾリジノンが好ましい。これらの重合溶媒は、十分に乾燥してから用いることが好ましい。
重合溶媒中における上記モノマーの総計の濃度は、通常、1〜90重量%、好ましくは5〜40重量%である。
また、重合する際の重合温度は、通常、0〜200℃、好ましくは50〜120℃である。また、重合時間は、通常、0.5〜100時間、好ましくは1〜40時間である。
モノマー(D)を用いて得られたスルホン酸エステル基を有するポリアリーレンは、スルホン酸エステル基を加水分解して、スルホン酸基に変換することによりスルホン酸基を有するポリアリーレンとすることができる。
Examples of the polymerization solvent that can be used when the monomer (D) and the oligomer (E) are reacted include tetrahydrofuran, cyclohexanone, dimethyl sulfoxide, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, and N-methyl. -2-pyrrolidone, γ-butyrolactone, N, N′-dimethylimidazolidinone and the like. Of these, tetrahydrofuran, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, and N, N′-dimethylimidazolidinone are preferable. These polymerization solvents are preferably used after sufficiently dried.
The total concentration of the monomers in the polymerization solvent is usually 1 to 90% by weight, preferably 5 to 40% by weight.
Moreover, the superposition | polymerization temperature at the time of superposing | polymerizing is 0-200 degreeC normally, Preferably it is 50-120 degreeC. The polymerization time is usually 0.5 to 100 hours, preferably 1 to 40 hours.
The polyarylene having a sulfonic acid ester group obtained using the monomer (D) can be converted into a polyarylene having a sulfonic acid group by hydrolyzing the sulfonic acid ester group and converting it to a sulfonic acid group. .

加水分解は、
(1)少量の塩酸を含む過剰量の水またはアルコールに、上記スルホン酸エステル基を有するポリアリーレンを投入し、5分間以上撹拌する方法
(2)トリフルオロ酢酸中で上記スルホン酸エステル基を有するポリアリーレンを80〜120℃程度の温度で5〜10時間程度反応させる方法
(3)スルホン酸エステル基を有するポリアリーレン中のスルホン酸エステル基(−SO3R)1モルに対して1〜3倍モルのリチウムブロマイドを含む溶液、例えばN−メチルピロリドンなどの溶液中で上記ポリアリーレンを80〜150℃程度の温度で3〜10時間程度反応させた後、塩酸を添加する方法
などを挙げることができる。
Hydrolysis is
(1) A method in which polyarylene having the sulfonic acid ester group is added to an excess amount of water or alcohol containing a small amount of hydrochloric acid and stirred for 5 minutes or longer. (2) The sulfonic acid ester group is contained in trifluoroacetic acid. Method of reacting polyarylene for about 5 to 10 hours at a temperature of about 80 to 120 ° C. (3) 1 to 3 mol per mol of sulfonic acid ester group (—SO 3 R) in polyarylene having a sulfonic acid ester group Examples include a method of reacting the polyarylene in a solution containing double moles of lithium bromide, such as N-methylpyrrolidone, at a temperature of about 80 to 150 ° C. for about 3 to 10 hours, and then adding hydrochloric acid. Can do.

スルホン酸基を有するポリアリーレンは、上記一般式(D)で表されるモノマー(D)と同様の骨格を有しスルホン酸エステル基を有しないモノマーと上記一般式(E)で表されるオリゴマー(E)を共重合させることによりポリアリーレン系共重合体を予め合成し、このポリアリーレン系共重合体をスルホン化することにより合成することもできる。この場合、上記合成方法に準じた方法によりスルホン酸基を有しないポリアリーレンを製造した後、スルホン化剤を用い、スルホン酸基を有しないポリアリーレンにスルホン酸基を導入することによりスルホン酸基を有するポリアリーレンを得ることができる。
このスルホン化の反応条件としては、スルホン酸基を有しないポリアリーレンを、無溶剤下、あるいは溶剤存在下で、スルホン化剤を用い、常法によりスルホン酸基を導入することにより得ることが出来る。
The polyarylene having a sulfonic acid group includes a monomer having a skeleton similar to that of the monomer (D) represented by the general formula (D) and an oligomer represented by the general formula (E). It is also possible to synthesize a polyarylene copolymer in advance by copolymerizing (E) and sulphonate the polyarylene copolymer. In this case, after producing a polyarylene having no sulfonic acid group by a method according to the above synthesis method, a sulfonic acid group is introduced by introducing a sulfonic acid group into the polyarylene having no sulfonic acid group using a sulfonating agent. Can be obtained.
As the reaction conditions for this sulfonation, polyarylene having no sulfonic acid group can be obtained by introducing a sulfonic acid group by a conventional method using a sulfonating agent in the absence of a solvent or in the presence of a solvent. .

スルホン酸基を導入する方法としては、例えば、上記スルホン酸基を有しないポリアリーレンを、無水硫酸、発煙硫酸、クロルスルホン酸、硫酸、亜硫酸水素ナトリウムなどの公知のスルホン化剤を用いて、公知の条件でスルホン化することができる〔Polymer Preprints,Japan,Vol.42,No.3,p.730(1993);Polymer Preprints,Japan,Vol.43,No.3,p.736(1994);Polymer Preprints,Japan,Vol.42,No.7,p.2490〜2492(1993)〕。
すなわち、このスルホン化の反応条件としては、上記スルホン酸基を有しないポリアリーレンを、無溶剤下、あるいは溶剤存在下で、上記スルホン化剤と反応させる。溶剤としては、例えばn−ヘキサンなどの炭化水素溶剤、テトラヒドロフラン、ジオキサンなどのエーテル系溶剤、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシドのような非プロトン系極性溶剤のほか、テトラクロロエタン、ジクロロエタン、クロロホルム、塩化メチレンなどのハロゲン化炭化水素などが挙げられる。反応温度は特に制限はないが、通常、−50〜200℃、好ましくは−10〜100℃である。また、反応時間は、通常、0.5〜1,000時間、好ましくは1〜200時間である。
As a method for introducing a sulfonic acid group, for example, the polyarylene having no sulfonic acid group is known by using a known sulfonating agent such as sulfuric anhydride, fuming sulfuric acid, chlorosulfonic acid, sulfuric acid, sodium hydrogen sulfite and the like. [Polymer Preprints, Japan, Vol. 42, No. 3, p. 730 (1993); Polymer Preprints, Japan, Vol. 43, No. 3, p. 736 (1994); Polymer Preprints, Japan, Vol. 42, No. 7, p. 2490-2492 (1993)].
That is, as the reaction conditions for the sulfonation, the polyarylene having no sulfonic acid group is reacted with the sulfonating agent in the absence of a solvent or in the presence of a solvent. Examples of the solvent include hydrocarbon solvents such as n-hexane, ether solvents such as tetrahydrofuran and dioxane, aprotic polar solvents such as dimethylacetamide, dimethylformamide, and dimethylsulfoxide, tetrachloroethane, dichloroethane, chloroform, and chloride. And halogenated hydrocarbons such as methylene. The reaction temperature is not particularly limited, but is usually −50 to 200 ° C., preferably −10 to 100 ° C. Moreover, reaction time is 0.5 to 1,000 hours normally, Preferably it is 1 to 200 hours.

本発明で用いられるスルホン酸基を有するポリアリーレン中の上記一般式(A)で表される繰り返し構成単位の含有割合は、特に限定されないが、好ましくは0.5〜100モル%、より好ましくは10〜99.999モル%である。また、本発明で用いられるポリアリーレン中の上記一般式(B)で表される繰り返し構成単位の含有割合は、好ましくは
99.5〜0モル%、より好ましくは90〜0.001モル%である。
上記のような方法により製造されるスルホン酸基を有するポリアリーレン(C)中の、スルホン酸基量は通常0.3〜5meq/g、好ましくは0.5〜3meq/g、さらに好ましくは0.8〜2.8meq/gである。0.3meq/g未満では、プロトン伝導度が低く実用的ではない。一方、5meq/gを超えると、耐水性が大幅に低下してしまうことがあるため好ましくない。
The content of the repeating structural unit represented by the general formula (A) in the polyarylene having a sulfonic acid group used in the present invention is not particularly limited, but is preferably 0.5 to 100 mol%, more preferably It is 10-99.999 mol%. In addition, the content of the repeating structural unit represented by the general formula (B) in the polyarylene used in the present invention is preferably 99.5 to 0 mol%, more preferably 90 to 0.001 mol%. is there.
In the polyarylene (C) having a sulfonic acid group produced by the method as described above, the amount of the sulfonic acid group is usually 0.3 to 5 meq / g, preferably 0.5 to 3 meq / g, more preferably 0. .8 to 2.8 meq / g. If it is less than 0.3 meq / g, the proton conductivity is low and not practical. On the other hand, if it exceeds 5 meq / g, the water resistance may be significantly lowered, which is not preferable.

上記のスルホン酸基量は、例えばモノマー(D)とオリゴマー(E)の種類、使用割合、組み合わせを変えることにより、調整することができる。
このようにして得られるスルホン酸基を有するポリアリーレンの分子量は、ゲルパーミエションクロマトグラフィ(GPC)によるポリスチレン換算重量平均分子量で、1万〜100万、好ましくは2万〜80万である。
本発明の高分子電解質膜は、紫外線吸収剤を含むことを特徴とする。
本発明に用いられる、紫外線吸収剤としては、特定波長の紫外線を吸収する効果のあるもの、および、紫外線は吸収しないが、紫外線から樹脂を防御する性能を有するもの(紫外線安定化剤)を用いることができる。
The amount of the sulfonic acid group can be adjusted, for example, by changing the type, usage ratio, and combination of the monomer (D) and the oligomer (E).
The molecular weight of the polyarylene having a sulfonic acid group thus obtained is 10,000 to 1,000,000, preferably 20,000 to 800,000 in terms of polystyrene-equivalent weight average molecular weight by gel permeation chromatography (GPC).
The polymer electrolyte membrane of the present invention is characterized by containing an ultraviolet absorber.
As the ultraviolet absorber used in the present invention, an ultraviolet absorber having an effect of absorbing ultraviolet rays of a specific wavelength and an agent that does not absorb ultraviolet rays but has a performance of protecting the resin from ultraviolet rays (ultraviolet stabilizer) are used. be able to.

このような紫外線吸収剤の具体的な例として、2,4−ジヒドロキシベンゾフェノン、2−ヒドロキシ−4−メトキシベンゾフェノン、2−ヒドロキシ−4−オクトキシベンゾフェノン、2−ヒドロキシ−4−ドデシルオキシベンゾフェノン、2,2’−ジヒドロキシ−4−メトキシベンゾフェノン、2,2’−ジヒドロキシ−4,4’−メトキシベンゾフェノン、2−ヒドロキシ−4−メトキシ−5−スルホベンゾフェノン、ビス(2−メトキシ−4−ヒドロキシ−5−ベンゾイルフェニルメタンなどのベンゾフェノン系紫外線吸収剤、2−(2’−ヒドロキシ−5’−メチルフェニル)ベンゾトリアゾール、2−(2’−ヒドロキシ−5’−tert−ブチルフェニル)ベンゾトリアゾール、2−(2’−ヒドロキシ−3’,5’−ジ−tert−ブチルフェニル)ベンゾトリアゾール、2−(2−ヒドロキシ−3’−tert−ブチル−5’−メチルフェニル)−5−クロロベンゾトリアゾール、2−(2’−ヒドロキシ−3’,5’−ジ−tert−ブチルフェニル)−5−クロロベンゾトリアゾール、2−(2’−ヒドロキシ−3,5’−ジ−tert−アミルフェニル)ベンゾトリアゾール、2−(2’−ヒドロキシ−3’−(3’’,4’’,5’’,6’’−テトラヒドロフタルイミドメチル)−5’−メチルフェニル)ベンゾトリアゾール、2,2−メチレンビス(4−(1,1,3,3−テトラメチルブチル)−6−(2H−ベンゾトリアゾール−2−イル)フェノール)、2−(2’−ヒドロキシ−5’−メタアクリロキシフェニル)−2H−ベンゾトリアゾールなどのベンゾトリアゾール系紫外線吸収剤、2−エチルヘキシル−2−シアノ−3,3’−ジフェニルアクリレート、エチル−2−シアノ−3,3’−ジフェニルアクリレートなどのシアノアクリレート系紫外線吸収剤、ニッケルビス(オクチルフェニル)サルファイド、(2,2’−チオビス(4−tert−オクチルフェニルフェノラート))−n−ブチルアミンニッケル、ニッケル−ジブチルジチオカーバメートなどのニッケル系紫外線吸収剤(安定剤)、アデカスタブLA−77、アデカスタブLA−57、アデカスタブLA−62、アデカスタブLA−67、アデカスタブLA−63、アデカスタブLA−68、アデカスタブLA−82、アデカスタブLA−87(いずれも市販名)などのヒンダードアミン系紫外線安定化剤などをあげることができる。
本発明においては、少なくとも1種以上の紫外線吸収剤を必要に応じて使用できる。
本発明における、高分子電解質に対する紫外線吸収剤の好ましい添加量は0.01重量%以上、10重量%未満である。添加量が0.01重量%未満では、十分な紫外線吸収効果が発現されず、10重量%以上では、プロトン伝導度や機械的特性が低下するため好ましくない。
Specific examples of such ultraviolet absorbers include 2,4-dihydroxybenzophenone, 2-hydroxy-4-methoxybenzophenone, 2-hydroxy-4-octoxybenzophenone, 2-hydroxy-4-dodecyloxybenzophenone, 2 2,2′-dihydroxy-4-methoxybenzophenone, 2,2′-dihydroxy-4,4′-methoxybenzophenone, 2-hydroxy-4-methoxy-5-sulfobenzophenone, bis (2-methoxy-4-hydroxy-5) -Benzophenone ultraviolet absorbers such as benzoylphenylmethane, 2- (2'-hydroxy-5'-methylphenyl) benzotriazole, 2- (2'-hydroxy-5'-tert-butylphenyl) benzotriazole, 2- (2'-hydroxy-3 ', 5'-di-tert-butylphenyl Benzotriazole, 2- (2-hydroxy-3′-tert-butyl-5′-methylphenyl) -5-chlorobenzotriazole, 2- (2′-hydroxy-3 ′, 5′-di-tert-butylphenyl) ) -5-chlorobenzotriazole, 2- (2′-hydroxy-3,5′-di-tert-amylphenyl) benzotriazole, 2- (2′-hydroxy-3 ′-(3 ″, 4 ″) , 5 '', 6 ''-tetrahydrophthalimidomethyl) -5'-methylphenyl) benzotriazole, 2,2-methylenebis (4- (1,1,3,3-tetramethylbutyl) -6- (2H- Benzotriazole-based UV absorbers such as benzotriazol-2-yl) phenol) and 2- (2′-hydroxy-5′-methacryloxyphenyl) -2H-benzotriazole, 2-ethylhexyl-2- Cyanoacrylate ultraviolet absorbers such as ano-3,3′-diphenyl acrylate and ethyl-2-cyano-3,3′-diphenyl acrylate, nickel bis (octylphenyl) sulfide, (2,2′-thiobis (4- tert-octylphenylphenolate))-n-butylamine nickel, nickel-based ultraviolet absorbers (stabilizers) such as nickel-dibutyldithiocarbamate, ADK STAB LA-77, ADK STAB LA-57, ADK STAB LA-62, ADK STAB LA-67 And hindered amine UV stabilizers such as Adekastab LA-63, Adekastab LA-68, Adekastab LA-82, and Adekastab LA-87 (all of which are commercially available).
In the present invention, at least one ultraviolet absorber can be used as necessary.
In the present invention, the preferable amount of the ultraviolet absorber added to the polymer electrolyte is 0.01% by weight or more and less than 10% by weight. When the addition amount is less than 0.01% by weight, a sufficient ultraviolet absorption effect is not exhibited, and when the addition amount is 10% by weight or more, proton conductivity and mechanical properties are deteriorated.

これらの紫外線吸収剤は、有害な紫外線のエネルギーにより高分子鎖が切断され、高分子電解質膜が劣化するのを防ぎ、耐久性、耐候性を向上させる効果をもつ。
本発明の高分子電解質膜は、例えば以下のように製造することができる。
高分子電解質を、紫外線吸収剤とともに、いずれもが可溶な有機溶媒に溶解し、基体上にキャストし、溶媒を蒸発させるキャスト法により、紫外線吸収剤を含む高分子電解質からなるプロトン伝導膜を得ることができる。ここで、基体としては、通常の溶液キャスティング法に用いられる基体であれば特に限定されず、たとえばプラスチック製、金属製などの基体が用いられ、好ましくは、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルムなどの熱可塑性樹脂からなる基体が用いられる。
These ultraviolet absorbers have an effect of preventing the polymer chain from being broken by harmful ultraviolet energy and preventing the polymer electrolyte membrane from being deteriorated, and improving durability and weather resistance.
The polymer electrolyte membrane of the present invention can be produced, for example, as follows.
A proton conducting membrane made of a polymer electrolyte containing an ultraviolet absorber is obtained by a casting method in which a polymer electrolyte is dissolved in an organic solvent, which is soluble in any UV absorber, cast on a substrate, and the solvent is evaporated. Can be obtained. Here, the substrate is not particularly limited as long as it is a substrate used in a normal solution casting method. For example, a substrate made of plastic or metal is used, and preferably a thermoplastic such as a polyethylene terephthalate (PET) film. A substrate made of resin is used.

また、高分子電解質膜を調製する際に、固体高分子電解質以外に、硫酸、リン酸などの無機酸、カルボン酸を含む有機酸、適量の水などを併用してもよい。
高分子電解質としてスルホン酸基を有するポリアリーレン系重合体を用いる場合には、たとえば、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルホルムアミド、γ−ブチロラクトン、N,N−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、ジメチル尿素、ジメチルイミダゾリジノンなどの非プロトン系極性溶剤が挙げられ、特に溶解性、溶液粘度の面から、N−メチル−2−ピロリドン(以下「NMP」ともいう。)が好ましい。非プロトン系極性溶剤は、1種単独で、または2種以上を組み合わせて用いることができる。
また、スルホン酸基を有するポリアリーレン系重合体を溶解させる溶媒として、上記非プロトン系極性溶剤とアルコールとの混合物も用いることができる。アルコールとしては、たとえば、メタノール、エタノール、プロピルアルコール、iso−プロピルアルコール、sec−ブチルアルコール、tert−ブチルアルコールなどが挙げられ、特にメタノールが幅広い組成範囲で溶液粘度を下げる効果があり好ましい。アルコールは、1種単独で、または2種以上を組み合わせて用いることができる。
In preparing the polymer electrolyte membrane, an inorganic acid such as sulfuric acid and phosphoric acid, an organic acid containing a carboxylic acid, an appropriate amount of water, and the like may be used in addition to the solid polymer electrolyte.
When a polyarylene polymer having a sulfonic acid group is used as the polymer electrolyte, for example, N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylformamide, γ-butyrolactone, N, N-dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide And aprotic polar solvents such as dimethylurea and dimethylimidazolidinone, and N-methyl-2-pyrrolidone (hereinafter also referred to as “NMP”) is preferable from the viewpoint of solubility and solution viscosity. The aprotic polar solvent can be used alone or in combination of two or more.
In addition, as a solvent for dissolving the polyarylene polymer having a sulfonic acid group, a mixture of the above aprotic polar solvent and alcohol can also be used. Examples of the alcohol include methanol, ethanol, propyl alcohol, iso-propyl alcohol, sec-butyl alcohol, tert-butyl alcohol and the like, and methanol is particularly preferable because it has an effect of lowering the solution viscosity in a wide composition range. Alcohol can be used individually by 1 type or in combination of 2 or more types.

上記溶媒として、非プロトン系極性溶剤とアルコールとの混合物を用いる場合には、非プロトン系極性溶剤が95〜25重量%、好ましくは90〜25重量%、アルコールが5〜75重量%、好ましくは10〜75重量%(但し、合計は100重量%)からなる。アルコールの量が上記範囲内にあると、溶液粘度を下げる効果に優れる。
溶液のポリマー濃度は、スルホン酸基を有するポリアリーレン系重合体の分子量にもよるが、通常、5〜40重量%、好ましくは7〜25重量%である。5重量%未満では、厚膜化し難く、また、ピンホールが生成しやすい。一方、40重量%を超えると、溶液粘度が高すぎてフィルム化し難く、また、表面平滑性に欠けることがある。
なお、溶液粘度は、スルホン酸基を有するポリアリーレン系重合体の分子量や、ポリマー濃度にもよるが、通常、2,000〜100,000mPa・s、好ましくは3,000〜50,000mPa・sである。2,000mPa・s未満では、成膜中の溶液の滞留性が悪く、基体から流れてしまうことがある。一方、100,000mPa・sを超えると、粘度が高過ぎて、ダイからの押し出しができず、流延法によるフィルム化が困難となることがある。
When a mixture of an aprotic polar solvent and an alcohol is used as the solvent, the aprotic polar solvent is 95 to 25% by weight, preferably 90 to 25% by weight, and the alcohol is 5 to 75% by weight, preferably 10 to 75% by weight (however, the total is 100% by weight). When the amount of alcohol is within the above range, the effect of lowering the solution viscosity is excellent.
The polymer concentration of the solution is usually 5 to 40% by weight, preferably 7 to 25% by weight, although it depends on the molecular weight of the polyarylene polymer having a sulfonic acid group. If it is less than 5% by weight, it is difficult to form a thick film, and pinholes are easily generated. On the other hand, if it exceeds 40% by weight, the solution viscosity is so high that it is difficult to form a film, and surface smoothness may be lacking.
The solution viscosity is usually 2,000 to 100,000 mPa · s, preferably 3,000 to 50,000 mPa · s, although it depends on the molecular weight of the polyarylene polymer having a sulfonic acid group and the polymer concentration. It is. If it is less than 2,000 mPa · s, the retention of the solution during film formation is poor, and it may flow from the substrate. On the other hand, if it exceeds 100,000 mPa · s, the viscosity is too high to be extruded from the die and it may be difficult to form a film by the casting method.

上記のようにして成膜した後、得られた未乾燥フィルムを水に浸漬すると、未乾燥フィルム中の有機溶剤を水と置換することができ、得られる高分子電解質膜の残留溶媒量を低減することができる。
なお、成膜後、未乾燥フィルムを水に浸漬する前に、未乾燥フィルムを予備乾燥してもよい。予備乾燥は、未乾燥フィルムを通常50〜150℃の温度で、0.1〜10時間保持することにより行われる。
After film formation as described above, when the obtained undried film is immersed in water, the organic solvent in the undried film can be replaced with water, and the amount of residual solvent in the resulting polymer electrolyte membrane is reduced. can do.
In addition, after film formation, before immersing an undried film in water, you may predry an undried film. The preliminary drying is performed by holding the undried film at a temperature of usually 50 to 150 ° C. for 0.1 to 10 hours.

未乾燥フィルムを水に浸漬する際は、枚葉を水に浸漬するバッチ方式であってもよく、通常得られる基板フィルム(たとえば、PET)上に成膜された状態の積層フィルムのまま、または基板から分離した膜を水に浸漬させて、巻き取っていく連続方法でもよい。
バッチ方式の場合は、処理フィルムを枠にはめるなどの方式が処理されたフィルムの表面の皺形成が抑制されるので好都合である。
未乾燥フィルムを水に浸漬する際には、未乾燥フィルム1重量部に対し、水が10重量部以上、好ましくは30重量部以上の接触比となるようにすることがよい。得られるプロトン伝導膜の残存溶媒量をできるだけ少なくするためには、できるだけ大きな接触比を維持するのがよい。また、浸漬に使用する水を交換したり、オーバーフローさせたりして、常に水中の有機溶媒濃度を一定濃度以下に維持しておくことも、得られる高分子電解質膜の残存溶媒量の低減に有効である。高分子電解質膜中に残存する有機溶媒量の面内分布を小さく抑えるためには、水中の有機溶媒濃度を撹拌等によって均質化させることは効果がある。
When immersing an undried film in water, it may be a batch system in which a single wafer is immersed in water, or a laminated film in a state where it is usually formed on a substrate film (for example, PET), or A continuous method may be used in which the film separated from the substrate is immersed in water and wound.
In the case of the batch method, the formation of wrinkles on the surface of the film that has been treated by a method such as placing the treated film in a frame is advantageous.
When the undried film is immersed in water, the contact ratio of water is 10 parts by weight or more, preferably 30 parts by weight or more with respect to 1 part by weight of the undried film. In order to minimize the amount of residual solvent in the resulting proton conducting membrane, it is preferable to maintain a contact ratio as large as possible. It is also effective to reduce the amount of residual solvent in the resulting polymer electrolyte membrane by changing the water used for immersion or allowing it to overflow so that the organic solvent concentration in the water is always kept below a certain level. It is. In order to suppress the in-plane distribution of the amount of the organic solvent remaining in the polymer electrolyte membrane, it is effective to homogenize the concentration of the organic solvent in water by stirring or the like.

未乾燥フィルムを水に浸漬する際の水の温度は、好ましくは5〜80℃の範囲である。高温ほど、有機溶媒と水との置換速度は速くなるが、フィルムの吸水量も大きくなるので、乾燥後に得られる高分子電解質膜の表面状態が荒れる懸念がある。通常、置換速度と取り扱いやすさから10〜60℃の温度範囲が好都合である。
浸漬時間は、初期の残存溶媒量や接触比、処理温度にもよるが、通常10分〜240時間の範囲である。好ましくは30分〜100時間の範囲である。
上記のように未乾燥フィルムを水に浸漬した後乾燥すると、残存溶媒量が低減された高分子電解質膜が得られるが、このようにして得られる高分子電解質膜の残存溶媒量は、通常5重量%以下である。
また、浸漬条件によっては、得られる高分子電解質膜の残存溶媒量を1重量%以下とすることができる。このような条件としては、たとえば、未乾燥フィルムと水との接触比を、未乾燥フィルム1重量部に対し、水が50重量部以上、浸漬する際の水の温度を10〜60℃、浸漬時間を10分〜10時間とする方法がある。
上記のように未乾燥フィルムを水に浸漬した後、フィルムを30〜100℃、好ましくは50〜80℃で、10〜180分、好ましくは15〜60分乾燥し、次いで、50〜150℃で、好ましくは500mmHg〜0.1mmHgの減圧下、0.5〜24時間、真空乾燥することにより、高分子電解質膜を得ることができる。
本発明の方法により得られる高分子電解質膜は、その乾燥膜厚が、通常10〜100μm、好ましくは20〜80μmである。
The temperature of water when the undried film is immersed in water is preferably in the range of 5 to 80 ° C. The higher the temperature, the faster the replacement rate of the organic solvent and water, but the greater the amount of water absorbed by the film, so there is a concern that the surface state of the polymer electrolyte membrane obtained after drying will be rough. Usually, a temperature range of 10 to 60 ° C. is convenient because of the replacement speed and ease of handling.
The immersion time is usually in the range of 10 minutes to 240 hours, although depending on the initial residual solvent amount, contact ratio, and treatment temperature. Preferably, it is in the range of 30 minutes to 100 hours.
When the undried film is immersed in water and dried as described above, a polymer electrolyte membrane with a reduced amount of residual solvent is obtained. The residual solvent amount of the polymer electrolyte membrane thus obtained is usually 5%. % By weight or less.
Further, depending on the dipping conditions, the amount of the remaining solvent in the obtained polymer electrolyte membrane can be 1% by weight or less. As such conditions, for example, the contact ratio between the undried film and water is 50 parts by weight or more with respect to 1 part by weight of the undried film. There is a method of setting the time to 10 minutes to 10 hours.
After immersing the undried film in water as described above, the film is dried at 30-100 ° C, preferably 50-80 ° C, for 10-180 minutes, preferably 15-60 minutes, and then at 50-150 ° C. The polymer electrolyte membrane can be obtained by vacuum drying under reduced pressure of 500 mmHg to 0.1 mmHg for 0.5 to 24 hours.
The polymer electrolyte membrane obtained by the method of the present invention has a dry film thickness of usually 10 to 100 μm, preferably 20 to 80 μm.

以下、実施例に基づいて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
実施例において、スルホン酸当量、分子量およびプロトン伝導度は以下のようにして求めた。
1.スルホン酸当量
得られたスルホン酸基を有する重合体の水洗水が中性になるまで洗浄し、フリーに残存している酸を除いて充分に水洗し、乾燥後、所定量を秤量し、THF/水の混合溶剤に溶解したフェノールフタレインを指示薬とし、NaOHの標準液を用いて滴定を行い、中和点から、スルホン酸当量を求めた。
2.分子量の測定
スルホン酸基を有しないポリアリーレン重量平均分子量は、溶剤としてテトラヒドロフラン(THF)を用い、GPCによって、ポリスチレン換算の分子量を求めた。スルホン酸基を有するポリアリーレンの分子量は、溶剤として臭化リチウムと燐酸を添加したN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を溶離液として用い、GPCによって、ポリスチレン換算の分子量を求めた。
3.引張強度
引張強度は、室温での引張試験によって測定した。
4.紫外線照射試験
フィルムに紫外線照射装置(QUV)を用いて、紫外線(UVA−310)を24時間照射した。
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated further more concretely based on an Example, this invention is not limited to these Examples.
In the examples, the sulfonic acid equivalent, molecular weight, and proton conductivity were determined as follows.
1. Sulfonic acid equivalent The polymer having the sulfonic acid group was washed with water until the water was neutral, thoroughly washed with water except for free remaining acid, dried, weighed a predetermined amount, THF / Phenolphthalein dissolved in a mixed solvent of water was used as an indicator, titration was performed using a standard solution of NaOH, and the sulfonic acid equivalent was determined from the neutralization point.
2. Measurement of molecular weight The polyarylene weight average molecular weight having no sulfonic acid group was determined by GPC using tetrahydrofuran (THF) as a solvent, and the molecular weight in terms of polystyrene was obtained. The molecular weight of the polyarylene having a sulfonic acid group was determined by GPC using N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) to which lithium bromide and phosphoric acid were added as a solvent as an eluent.
3. Tensile strength Tensile strength was measured by a tensile test at room temperature.
4). Ultraviolet irradiation test The film was irradiated with ultraviolet rays (UVA-310) for 24 hours using an ultraviolet irradiation device (QUV).

[合成例]
合成例1
撹拌機、温度計、冷却管、Dean-Stark管、窒素導入の三方コックを取り付けた1Lの三つ口のフラスコに、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン(ビスフェノールAF)67.3g(0.20モル)、4,4'−ジクロロベンゾフェノン(4,4'−DCBP)60.3g(0.24モル)、炭酸カリウム71.9g(0.52モル)、N,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)300mL、トルエン150mLをとり、オイルバス中、窒素雰囲気下で加熱し撹拌下130℃で反応させた。反応により生成する水をトルエンと共沸させ、Dean-Stark管で系外に除去しながら反応させると、約3時間で水の生成がほとんど認められなくなった。反応温度を130から徐々に150℃まで上げた。その後、反応温度を徐々に150℃まで上げながら大部分のトルエンを除去し、150で10時間反応を続けた後、4,4'−DCBP10.0g(0.040モル)を加え、さらに5時間反応した。得られた反応液を放冷後、副生した無機化合物の沈殿物を濾過除去し、濾液を4Lのメタノール中に投入した。沈殿した生成物を濾別、回収し乾燥後、テトラヒドロフラン300mLに溶解した。これをメタノール4Lに再沈殿し、目的の化合物95g(収率85%)を得た。
得られた重合体のGPC(THF溶媒)で求めたポリスチレン換算の重量平均分子量は11,200であった。また、得られた重合体はTHF、NMP、DMAc、スルホランなどに可溶で、Tgは110℃、熱分解温度は498℃であった。
得られた化合物は式(I)で表されるオリゴマー(以下、「BCPAFオリゴマー」という)であった。
[Synthesis example]
Synthesis example 1
2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,1,1,3 was added to a 1 L three-necked flask equipped with a stirrer, thermometer, cooling tube, Dean-Stark tube, and three-way cock for introducing nitrogen. , 3,3-hexafluoropropane (bisphenol AF) 67.3 g (0.20 mol), 4,4′-dichlorobenzophenone (4,4′-DCBP) 60.3 g (0.24 mol), potassium carbonate 71 .9 g (0.52 mol), N, N-dimethylacetamide (DMAc) 300 mL, and toluene 150 mL were taken and heated in an oil bath under a nitrogen atmosphere and reacted at 130 ° C. with stirring. When water produced by the reaction was azeotroped with toluene and reacted while being removed from the system with a Dean-Stark tube, almost no water was produced in about 3 hours. The reaction temperature was gradually increased from 130 to 150 ° C. Thereafter, most of the toluene was removed while gradually raising the reaction temperature to 150 ° C., and the reaction was continued at 150 for 10 hours. Then, 10.0 g (0.040 mol) of 4,4′-DCBP was added, and another 5 hours. Reacted. The resulting reaction solution was allowed to cool, and then the by-product inorganic compound precipitate was removed by filtration, and the filtrate was put into 4 L of methanol. The precipitated product was separated by filtration, collected, dried, and dissolved in 300 mL of tetrahydrofuran. This was reprecipitated in 4 L of methanol to obtain 95 g (yield 85%) of the target compound.
The weight average molecular weight in terms of polystyrene determined by GPC (THF solvent) of the obtained polymer was 11,200. Further, the obtained polymer was soluble in THF, NMP, DMAc, sulfolane and the like, Tg was 110 ° C., and thermal decomposition temperature was 498 ° C.
The obtained compound was an oligomer represented by the formula (I) (hereinafter referred to as “BCPAF oligomer”).

Figure 2005135652
Figure 2005135652

[合成例2]
ネオペンチル基を保護基としたポリアリーレン共重合体(PolyAB−SO3 neo-Pe)の調製
撹拌機、温度計、冷却管、Dean-Stark管、窒素導入の三方コックを取り付けた1Lの三つ口のフラスコに、4−[4−(2,5−ジクロロベンゾイル)フェノキシ]ベンゼンスルホン酸neo-ペンチル(A−SO3 neo-Pe)39.58g(98.64ミリモル)とBCPAFオリゴマー(Mn=11200)15.23g(1.36ミリモル)、Ni(PPh32Cl2 1.67g(2.55ミリモル)、PPh3 10.49g(40ミリモル)、NaI 0.45g(3ミリモル)、亜鉛末 15.69g(240ミリモル)、乾燥NMP 390mLを窒素下で加えた。反応系を攪拌下に加熱し(最終的には75℃まで加温)、3時間反応させた。重合反応液をTHF 250mLで希釈し、30分攪拌し、セライトをろ過助剤に用い、ろ過紙、ろ液を大過剰のメタノール1500mLに注ぎ、凝固させた。凝固物を濾集、風乾し、さらにTHF/NMP(それぞれ200/300mL)に再溶解し、大過剰のメタノール1500mLで凝固析出させた。風乾後、加熱乾燥により目的の黄色繊維状のネオペンチル基で保護されたスルホン酸誘導体からなる共重合体(PolyAB-SO3neo-Pe)47.0g(収率99%)を得た。GPCによる分子量はMn=47,600、Mw=159,000であった。
こうして得られたPolyAB-SO3neo-Pe 5.1gをNMP60mLに溶解し、90℃に加温した。反応系にメタノール50mLと濃塩酸8mLの混合物を一時に加えた。懸濁状態となりながら、温和の還流条件で10時間反応させた。蒸留装置を設置し、過剰のメタノールを溜去させ、淡緑色の透明溶液を得た。この溶液を大量の水/メタノール(1:1重量比)中に注いで、ポリマーを凝固させた後、洗浄水のPHが6以上となるまで、イオン交換水でポリマーを洗浄した。こうして得られたポリマーのIRスペクトルおよびイオン交換容量の定量分析から、スルホン酸エステル基(−SO3a)は定量的にスルホン酸基(−SO3H)に転換していることがわかった。
得られたスルホン酸基を有するポリアリーレン共重合体はのGPCによる分子量は、Mn=53,200、Mw=185,000であり、スルホン酸等量は1.9meq/gであった。
[Synthesis Example 2]
Preparation of polyarylene copolymer (PolyAB-SO 3 neo-Pe) with neopentyl group as protecting group 1L three-neck equipped with a stirrer, thermometer, cooling pipe, Dean-Stark pipe, and three-way cock for introducing nitrogen In a flask, 39.58 g (98.64 mmol) of 4- [4- (2,5-dichlorobenzoyl) phenoxy] benzenesulfonate neo-pentyl (A-SO 3 neo-Pe) and a BCPAF oligomer (Mn = 11200) 15.23 g (1.36 mmol), Ni (PPh 3 ) 2 Cl 2 1.67 g (2.55 mmol), PPh 3 10.49 g (40 mmol), NaI 0.45 g (3 mmol), zinc dust 15.69 g (240 mmol), 390 mL dry NMP was added under nitrogen. The reaction system was heated with stirring (finally heated to 75 ° C.) and allowed to react for 3 hours. The polymerization reaction liquid was diluted with 250 mL of THF, stirred for 30 minutes, Celite was used as a filter aid, the filter paper and the filtrate were poured into 1500 mL of a large excess of methanol, and solidified. The coagulum was collected by filtration, air-dried, redissolved in THF / NMP (200/300 mL each), and coagulated with 1500 mL of a large excess of methanol. After air drying, 47.0 g (yield 99%) of a copolymer (PolyAB-SO 3 neo-Pe) composed of a sulfonic acid derivative protected with a target yellow fibrous neopentyl group was obtained by heat drying. The molecular weight by GPC was Mn = 47,600 and Mw = 159,000.
Thus obtained 5.1 g of PolyAB-SO 3 neo-Pe was dissolved in 60 mL of NMP and heated to 90 ° C. A mixture of 50 mL of methanol and 8 mL of concentrated hydrochloric acid was added to the reaction system at one time. While in suspension, the reaction was allowed to proceed for 10 hours under mild reflux conditions. A distillation apparatus was installed, and excess methanol was distilled off to obtain a light green transparent solution. This solution was poured into a large amount of water / methanol (1: 1 weight ratio) to solidify the polymer, and then the polymer was washed with ion exchange water until the pH of the washing water was 6 or more. From the IR spectrum of the polymer thus obtained and the quantitative analysis of the ion exchange capacity, it was found that the sulfonic acid ester group (—SO 3 R a ) was quantitatively converted to the sulfonic acid group (—SO 3 H). .
The obtained polyarylene copolymer having a sulfonic acid group had molecular weights by GPC of Mn = 53,200 and Mw = 185,000, and the sulfonic acid equivalent was 1.9 meq / g.

[合成例3]
(ポリアリーレン系共重合体の合成)
上記合成例1で得られた式(I)のオリゴマー 28.1g(2.5mmol)、2,5−ジクロロ−4'−(4−フェノキシ)フェノキシベンゾフェノン(DCPPB)35.9g(82.5mmol)、ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケルジクロリド 1.67g(2.6mmol)、ヨウ化ナトリウム 1.66g(11.1mmol)、トリフェニルホスフィン 8.92g(34.0mmol)、亜鉛末 13.3g(204mmol)をフラスコにとり、乾燥窒素置換した。N−メチル−2−ピロリドン160mlを加え、80℃に加熱し、4時間攪拌し、重合をおこなった。重合溶液をTHFで希釈し、塩酸/メタノールで凝固回収し、メタノール洗滌を繰り返し、THFで溶解、メタノールへ再沈殿による精製し、濾集した重合体を真空乾燥し目的の共重合体51.0g(90%)を得た。GPC(THF)で求めたポリスチレン換算の数平均分子量は38,900、重量平均分子量は160,000であった。
(スルホン酸基を有するポリアリーレンの合成)
上記共重合体50gを攪拌装置、温度計を取り付けた1000mlのセパラブルフラスコに入れ、濃度98%硫酸500mlを加え、内温を25℃に保ちながら窒素気流下で24時間攪拌した。得られた溶液を大量のイオン交換水の中に注ぎ入れ、重合体を沈殿させた。洗浄水のpHが5になるまで重合体の洗浄を繰り返した。乾燥して、56g(95%)のスルホン酸基含有重合体を得た。スルホン酸基含有重合体のGPC(NMP)で求めたポリスチレン換算の数平均分子量は45,500、重量平均分子量は176,000であった。本スルホン酸基含有重合体のスルホン酸等量は2.1meq/gであった。
[Synthesis Example 3]
(Synthesis of polyarylene copolymer)
28.1 g (2.5 mmol) of the oligomer of formula (I) obtained in Synthesis Example 1 above, 35.9 g (82.5 mmol) of 2,5-dichloro-4 ′-(4-phenoxy) phenoxybenzophenone (DCPPB) Bis (triphenylphosphine) nickel dichloride 1.67 g (2.6 mmol), sodium iodide 1.66 g (11.1 mmol), triphenylphosphine 8.92 g (34.0 mmol), zinc powder 13.3 g (204 mmol) Was placed in a flask and purged with dry nitrogen. 160 ml of N-methyl-2-pyrrolidone was added, and the mixture was heated to 80 ° C. and stirred for 4 hours to carry out polymerization. The polymerization solution is diluted with THF, coagulated and recovered with hydrochloric acid / methanol, repeatedly washed with methanol, dissolved in THF, purified by reprecipitation into methanol, and the collected polymer is vacuum-dried to obtain 51.0 g of the desired copolymer. (90%) was obtained. The number average molecular weight in terms of polystyrene determined by GPC (THF) was 38,900, and the weight average molecular weight was 160,000.
(Synthesis of polyarylene having a sulfonic acid group)
50 g of the copolymer was placed in a 1000 ml separable flask equipped with a stirrer and a thermometer, 500 ml of sulfuric acid having a concentration of 98% was added, and the mixture was stirred for 24 hours under a nitrogen stream while maintaining the internal temperature at 25 ° C. The obtained solution was poured into a large amount of ion exchange water to precipitate a polymer. The washing of the polymer was repeated until the washing water had a pH of 5. By drying, 56 g (95%) of a sulfonic acid group-containing polymer was obtained. The number average molecular weight in terms of polystyrene determined by GPC (NMP) of the sulfonic acid group-containing polymer was 45,500, and the weight average molecular weight was 176,000. The sulfonic acid equivalent of this sulfonic acid group-containing polymer was 2.1 meq / g.

実施例1
合成例2で得られた重合体10gと、2,4−ジヒドロキシベンゾフェノン0.1gとを、N-メチルピロリドン100mLに溶解した。この溶液からキャスト法により、フィルムを作成した。
Example 1
10 g of the polymer obtained in Synthesis Example 2 and 0.1 g of 2,4-dihydroxybenzophenone were dissolved in 100 mL of N-methylpyrrolidone. A film was prepared from this solution by a casting method.

実施例2
2,4−ジヒドロキシベンゾフェノン0.1gのかわりに、2−(2’−ヒドロキシ−5’−メチルフェニル)ベンゾトリアゾール0.1gを用いて、実施例1と同様にフィルムを作成した。
Example 2
A film was prepared in the same manner as in Example 1 except that 0.1 g of 2- (2′-hydroxy-5′-methylphenyl) benzotriazole was used instead of 0.1 g of 2,4-dihydroxybenzophenone.

実施例3
合成例2で得られた重合体10gのかわりに、合成例3で得られた重合体10gを用いて、実施例1と同様にフィルムを作成した。
Example 3
A film was prepared in the same manner as in Example 1 using 10 g of the polymer obtained in Synthesis Example 3 instead of 10 g of the polymer obtained in Synthesis Example 2.

比較例1
合成例2で得られた重合体10gを、N-メチルピロリドン100mLに溶解した。この溶液からキャスト法により、フィルムを作成した。
Comparative Example 1
10 g of the polymer obtained in Synthesis Example 2 was dissolved in 100 mL of N-methylpyrrolidone. A film was prepared from this solution by a casting method.

比較例2
合成例3で得られた重合体10gを、N-メチルピロリドン100mLに溶解した。この溶液からキャスト法により、フィルムを作成した。
各フィルムに、24時間紫外線(UVA351)を照射した。照射前後の分子量、機械的特性を測定し、結果を表にまとめた。紫外線吸収剤を含まない比較例の場合に、分子の切断による分子量の低下と、これに起因する引張強度の低下が著しいのに対し、本発明の紫外線吸収剤を含む場合には、これらの影響が非常によく抑えられていることがわかる。
Comparative Example 2
10 g of the polymer obtained in Synthesis Example 3 was dissolved in 100 mL of N-methylpyrrolidone. A film was prepared from this solution by a casting method.
Each film was irradiated with ultraviolet rays (UVA351) for 24 hours. The molecular weight and mechanical properties before and after irradiation were measured, and the results were summarized in a table. In the case of the comparative example not containing the ultraviolet absorber, the molecular weight is significantly reduced due to molecular cutting and the tensile strength resulting therefrom is significantly reduced. It can be seen that is suppressed very well.

Figure 2005135652

Figure 2005135652

Claims (6)

(a)高分子電解質および(b)紫外線吸収剤を含むことを特徴とする高分子電解質組成物。 A polymer electrolyte composition comprising (a) a polymer electrolyte and (b) an ultraviolet absorber. 前記高分子電解質が、スルホン酸基を有する芳香族系ポリマーであることを特徴とする請求項1記載の高分子電解質組成物。 The polymer electrolyte composition according to claim 1, wherein the polymer electrolyte is an aromatic polymer having a sulfonic acid group. スルホン酸基を有する芳香族系ポリマーが、スルホン基を有するポリアリーレンであることを特徴とする請求項2記載の高分子電解質膜。 3. The polymer electrolyte membrane according to claim 2, wherein the aromatic polymer having a sulfonic acid group is a polyarylene having a sulfonic group. スルホン酸基を有するポリアリーレンが、下記一般式(A)で表される繰り返し単位および下記一般式(B)で表される繰り返し単位からなることを特徴とする請求項3記載の高分子電解質膜。

Figure 2005135652
(式中、Aは2価の電子吸引性基を示し、Bは2価の電子供与基または直接結合を示し、Arは−SO3Hで表される置換基を有する芳香族基を示し、mは0〜10の整数を示し、nは0〜10の整数を示し、kは1〜4の整数を示す。)。

Figure 2005135652

(式(B)中、R1〜R8は互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子、アルキル基、フッ素置換アルキル基、アリル基、アリール基およびシアノ基からなる群より選ばれた少なくとも1種の原子または基を示し、Wは2価の電子吸引性基または単結合を示し、Tは単結合または2価の有機基を示し、pは0または正の整数を示す。)
4. The polymer electrolyte membrane according to claim 3, wherein the polyarylene having a sulfonic acid group comprises a repeating unit represented by the following general formula (A) and a repeating unit represented by the following general formula (B). .

Figure 2005135652
(In the formula, A represents a divalent electron-withdrawing group, B represents a divalent electron-donating group or a direct bond, Ar represents an aromatic group having a substituent represented by —SO 3 H, m represents an integer of 0 to 10, n represents an integer of 0 to 10, and k represents an integer of 1 to 4.

Figure 2005135652

(In Formula (B), R 1 to R 8 may be the same or different from each other, and are selected from the group consisting of a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group, an allyl group, an aryl group, and a cyano group. And at least one kind of atom or group, W represents a divalent electron-withdrawing group or single bond, T represents a single bond or a divalent organic group, and p represents 0 or a positive integer.)
紫外線吸収剤がベンゾフェノン系紫外線吸収剤、ベンゾトリアゾール系紫外線吸収剤、シアノアクリレート系紫外線吸収剤およびニッケル系紫外線吸収剤から選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする請求項1記載の高分子電解質組成物。 2. The polymer electrolyte according to claim 1, wherein the ultraviolet absorber is at least one selected from a benzophenone ultraviolet absorber, a benzotriazole ultraviolet absorber, a cyanoacrylate ultraviolet absorber, and a nickel ultraviolet absorber. Composition. 請求項1〜5いずれかに記載の高分子電解質組成物からなるプロトン伝導膜。
A proton conducting membrane comprising the polymer electrolyte composition according to claim 1.
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