JP2006206779A - Sulfonic group-containing polymer, polymer composition comprising said polymer, ion exchange resin and ion exchange membrane obtained using said polymer, membrane/electrode assembly and fuel cell obtained using said ion exchange membrane, and manufacturing method of said polymer - Google Patents

Sulfonic group-containing polymer, polymer composition comprising said polymer, ion exchange resin and ion exchange membrane obtained using said polymer, membrane/electrode assembly and fuel cell obtained using said ion exchange membrane, and manufacturing method of said polymer Download PDF

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Yoshimitsu Sakaguchi
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sulfonic group-containing polymer that suppresses fuel permeation to realize excellent performances in a solid polymer-type fuel cell. <P>SOLUTION: The sulfonic group-containing polymer has a branched structure where the structures represented by chemical formula (1) are linked together via a trivalent or tetravalent aromatic group (Ar<SP>5</SP>). In the formula, X is an -S(=O)<SB>2</SB>- or -C(=O)- group; Y is H or a monovalent cation; Z<SP>1</SP>and Z<SP>2</SP>are either one of O and S; Ar<SP>1</SP>and Ar<SP>2</SP>are each a bivalent aromatic group; Ar<SP>3</SP>and Ar<SP>4</SP>are each a specific aromatic group; and n and m are each independently such an integer of at least 1 that n+m is at least 5. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、新規な構造のスルホン酸基含有ポリマーと該ポリマーの組成物、該ポリマーを用いたイオン交換樹脂、イオン交換膜、膜/電極接合体、燃料電池、該ポリマーの製造方法に関する。   The present invention relates to a sulfonic acid group-containing polymer having a novel structure, a composition of the polymer, an ion exchange resin using the polymer, an ion exchange membrane, a membrane / electrode assembly, a fuel cell, and a method for producing the polymer.

近年、エネルギー効率や環境性に優れた新しい発電技術が注目を集めている。中でも高分子固体電解質膜を使用した固体高分子形燃料電池はエネルギー密度が高く、また、他の方式の燃料電池に比べて運転温度が低いため起動、停止が容易であるなどの特徴を有するため、電気自動車や分散発電などの電源装置としての開発が進んできている。固体高分子形燃料電池の中でも、燃料としてメタノールを直接供給するダイレクトメタノール形燃料電池は、特に小型化が可能であるためパーソナルコンピューターや携帯機器の電源などの用途に向けた開発が進んでいる。   In recent years, new power generation technologies with excellent energy efficiency and environmental friendliness have attracted attention. Above all, polymer electrolyte fuel cells using polymer electrolyte membranes have high energy density, and because they have features such as being easy to start and stop because of lower operating temperatures than other types of fuel cells. Developments as power supply devices for electric vehicles and distributed power generation are advancing. Among solid polymer fuel cells, a direct methanol fuel cell that directly supplies methanol as a fuel can be miniaturized, and is being developed for applications such as power supplies for personal computers and portable devices.

高分子固体電解質膜には通常プロトン伝導性のイオン交換樹脂を含む膜が使用される。高分子固体電解質膜にはプロトン伝導性以外にも、燃料の水素などの透過を防ぐ燃料透過抑止性や機械的強度などの特性が必要である。このような高分子固体電解質膜としては、例えば米国デュポン社製ナフィオン(登録商標)に代表されるようなスルホン酸基を導入したパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーを含む膜が知られている。   As the polymer solid electrolyte membrane, a membrane containing a proton conductive ion exchange resin is usually used. In addition to proton conductivity, the polymer solid electrolyte membrane must have characteristics such as fuel permeation deterrence and mechanical strength that prevent permeation of hydrogen and the like of the fuel. As such a polymer solid electrolyte membrane, for example, a membrane containing a perfluorocarbon sulfonic acid polymer into which a sulfonic acid group is introduced as represented by Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, USA is known.

しかしながら、パーフルオロカーボンスルホン酸系イオン交換膜は水素やメタノールといった燃料の透過性が比較的大きく、燃料電池としてより高い性能を得るためには燃料の透過を抑制することが必要である。   However, perfluorocarbon sulfonic acid ion exchange membranes have a relatively high permeability for fuels such as hydrogen and methanol, and it is necessary to suppress the permeation of fuel in order to obtain higher performance as a fuel cell.

中でもメタノール水溶液を燃料として用いるダイレクトメタノール形燃料電池では、メタノールが膜を透過して空気極に移行すると出力の低下を起こすため、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマー膜では、高濃度のメタノール水溶液を用いるとメタノールの透過量が大きくなり、出力の低下が著しいという問題があった。そこで、メタノールの透過性が小さい非パーフルオロカーボンスルホン酸系のイオン交換膜が検討されている。(例えば特許文献1〜3参照)
しかしながら、これら特許文献に記載の炭化水素系イオン交換膜は、パーフルオロカーボンスルホン酸系イオン交換膜よりもメタノール透過性は小さくなるものの、燃料電池としたときの性能は十分といえるものではなく、さらに優れたイオン交換膜が求められている。
特開2003−288916号公報 特開2003−331868号公報 米国特許出願公開第2002/0091225号公報
In particular, in direct methanol fuel cells that use aqueous methanol as fuel, the output decreases when methanol passes through the membrane and moves to the air electrode. For perfluorocarbon sulfonic acid polymer membranes, methanol with a high concentration of aqueous methanol is used. There was a problem that the amount of permeated light was increased and the output was significantly reduced. Therefore, non-perfluorocarbon sulfonic acid ion exchange membranes having low methanol permeability have been studied. (For example, see Patent Documents 1 to 3)
However, although the hydrocarbon-based ion exchange membranes described in these patent documents are less permeable to methanol than the perfluorocarbon sulfonic acid-based ion exchange membranes, the performance when used as a fuel cell is not sufficient. There is a need for excellent ion exchange membranes.
JP 2003-288916 A JP 2003-331868 A US Patent Application Publication No. 2002/0091225

本発明は、上記従来技術の課題を解決するためになされたものであり、固体高分子形燃料電池において燃料の透過を抑制し、優れた性能を得ることができる、新規スルホン酸基含有ポリマーとその製造方法、それを用いたイオン交換膜、イオン交換樹脂、並びに当該イオン交換膜を用いた膜/電極接合体と燃料電池を提供することを目的とするものである。   The present invention has been made to solve the above-described problems of the prior art, and includes a novel sulfonic acid group-containing polymer capable of suppressing permeation of fuel and obtaining excellent performance in a solid polymer fuel cell. An object of the present invention is to provide a manufacturing method thereof, an ion exchange membrane using the same, an ion exchange resin, a membrane / electrode assembly using the ion exchange membrane, and a fuel cell.

本発明の1つの局面によれば、下記化学式(1)で表される構造が、3価または4価の芳香族基(Ar)によって互いに連結されて、分岐した構造を有することを特徴とするスルホン酸基含有ポリマーが提供される。 According to one aspect of the present invention, the structure represented by the following chemical formula (1) is connected to each other by a trivalent or tetravalent aromatic group (Ar 5 ) and has a branched structure. A sulfonic acid group-containing polymer is provided.

Figure 2006206779
Figure 2006206779

化学式(1)中、Xは−S(=O)−基または−C(=O)−基であり、YはH原子または1価の陽イオンであり、ZおよびZはそれぞれ独立してO原子またはS原子のいずれかであり、ArおよびArはそれぞれ独立して2価の芳香族基であり、Arは化学式(2)〜(5)で表される芳香族基のいずれかであり、Arは下記化学式(2)〜(7)で表される芳香族基のいずれかであり、nおよびmは、それぞれ独立して、n+mが5以上になるような1以上の整数である。 In the chemical formula (1), X is an —S (═O) 2 — group or —C (═O) — group, Y is an H atom or a monovalent cation, and Z 1 and Z 2 are independent of each other. And Ar 1 and Ar 2 are each independently a divalent aromatic group, and Ar 3 is an aromatic group represented by chemical formulas (2) to (5). Ar 4 is any of the aromatic groups represented by the following chemical formulas (2) to (7), and n and m are each independently 1 such that n + m is 5 or more. It is an integer above.

Figure 2006206779
Figure 2006206779

化学式(6)および化学式(7)中、YはH原子または1価の陽イオンである。 In chemical formula (6) and chemical formula (7), Y is an H atom or a monovalent cation.

好ましくは、化学式(1)で表される構造のモル数(o)と、Arのモル数(p)とは、0.7>p/o≧0.2である。 Preferably, the number of moles (o) of the structure represented by the chemical formula (1) and the number of moles (p) of Ar 5 are 0.7> p / o ≧ 0.2.

好ましくは、n+mが10以上の整数である。   Preferably, n + m is an integer of 10 or more.

好ましくは、ArおよびArが、下記化学式(8)で表される構造である。 Preferably, Ar 1 and Ar 2 have a structure represented by the following chemical formula (8).

Figure 2006206779
Figure 2006206779

好ましくは、Arが、下記化学式(9)〜(15)で表される構造のいずれかである。 Preferably, Ar 5 is any one of structures represented by the following chemical formulas (9) to (15).

Figure 2006206779
Figure 2006206779

本発明の別の局面によれば、上記のいずれかに記載のポリマーを含むことを特徴とするポリマー組成物が提供される。   According to another aspect of the present invention, there is provided a polymer composition comprising any of the polymers described above.

本発明のさらに別の局面によれば、上記のいずれかに記載のポリマーを含むイオン交換樹脂が提供される。   According to still another aspect of the present invention, an ion exchange resin comprising any of the above polymers is provided.

本発明のさらに別の局面によれば、上記のいずれかに記載のポリマーを含むイオン交換膜が提供される。   According to still another aspect of the present invention, an ion exchange membrane comprising any one of the above polymers is provided.

本発明のさらに別の局面によれば、電極層中および/または電極層とイオン交換膜との接合層中に、上記のいずれかに記載のポリマーを含むことを特徴とする燃料電池が提供される。   According to still another aspect of the present invention, there is provided a fuel cell comprising the polymer described in any of the above in the electrode layer and / or the bonding layer between the electrode layer and the ion exchange membrane. The

本発明のさらに別の局面によれば、電極層中および/または電極層とイオン交換膜との接合層中に、上記のいずれかに記載のポリマーを含むことを特徴とする膜/電極接合体が提供される。   According to still another aspect of the present invention, a membrane / electrode assembly comprising any one of the above polymers in the electrode layer and / or in the bonding layer between the electrode layer and the ion exchange membrane. Is provided.

本発明のさらに別の局面によれば、上記のイオン交換膜を用いて得られる膜/電極接合体が提供される。   According to still another aspect of the present invention, there is provided a membrane / electrode assembly obtained using the above ion exchange membrane.

本発明のさらに別の局面によれば、上記のいずれかに記載のポリマーおよび/または上記のイオン交換膜を用いた燃料電池が提供される。   According to still another aspect of the present invention, there is provided a fuel cell using any one of the above polymers and / or the above ion exchange membrane.

本発明のさらに別の局面によれば、電子吸引性基によって活性化されたハロゲン基を有する芳香族ジハロゲン化合物と、フェノール化合物および/またはチオフェノール化合物とを反応させる、分子内に分岐を有する芳香族エーテルポリマーおよび/または芳香族チオエーテルポリマーの製造であって、(A)電子吸引性基によって活性化されたハロゲン基を有する芳香族ジハロゲン化合物と、ビスフェノール化合物および/またはビスチオフェノール化合物を、芳香族ジハロゲン化合物に対する、ビスフェノール化合物および/またはビスチオフェノール化合物のモル比が0.80〜0.99の範囲内になるようにして反応させて、ハロゲン基末端のオリゴマーを得る第一工程と、(B)分子内にフェノール性水酸基を3個または4個有するポリフェノール化合物および/またはチオフェノール性メルカプト基を3個または4個有するポリチオフェノール化合物を、ポリフェノール化合物中のフェノール性水酸基および/またはポリチオフェノール化合物中のチオフェノール性メルカプト基のモル数よりも、第一工程で製造したオリゴマー中のハロゲン基のモル数が等モル以上になるようにして、第一工程で製造したオリゴマーと反応させる第二工程と、を含む、分子内に分岐を有する芳香族エーテルポリマーおよび/または芳香族チオエーテルポリマーの製造方法が提供される。   According to still another aspect of the present invention, a fragrance having a branch in a molecule, which reacts an aromatic dihalogen compound having a halogen group activated by an electron-withdrawing group with a phenol compound and / or a thiophenol compound. Aromatic ether polymer and / or aromatic thioether polymer, wherein (A) an aromatic dihalogen compound having a halogen group activated by an electron-withdrawing group, a bisphenol compound and / or a bisthiophenol compound A first step of obtaining a halogen group-terminated oligomer by reacting such that the molar ratio of the bisphenol compound and / or bisthiophenol compound to the group dihalogen compound is in the range of 0.80 to 0.99; B) 3 or 4 phenolic hydroxyl groups in the molecule The polythiophenol compound and / or the polythiophenol compound having 3 or 4 thiophenolic mercapto groups is more than the number of moles of the phenolic hydroxyl group in the polyphenol compound and / or the thiophenolic mercapto group in the polythiophenol compound. A second step of reacting with the oligomer produced in the first step so that the number of moles of halogen groups in the oligomer produced in the first step is equal to or greater than equimolar, and having aromatic branching in the molecule Methods for producing ether polymers and / or aromatic thioether polymers are provided.

好ましくは、第一工程および第二工程は、アルカリ金属塩の存在下で、不活性ガスの雰囲気または気流下で、有機極性溶媒中で加熱して反応させる。   Preferably, the first step and the second step are reacted by heating in an organic polar solvent in the presence of an alkali metal salt, in an inert gas atmosphere or in an air stream.

好ましくは、第一工程で得られたオリゴマー中のハロゲン基のモル数に対する、ポリフェノール化合物のフェノール性水酸基および/またはポリチオフェノール化合物のチオフェノール性メルカプト基のモル数の比が、0.2〜0.6の範囲内である。   Preferably, the ratio of the number of moles of the phenolic hydroxyl group of the polyphenol compound and / or the thiophenolic mercapto group of the polythiophenol compound to the number of moles of the halogen group in the oligomer obtained in the first step is 0.2 to Within the range of 0.6.

好ましくは、電子吸引性基によって活性化されたハロゲン基を有する芳香族ジハロゲン化合物が、下記化学式(16)または化学式(17)で表される化合物のいずれかを含む。   Preferably, the aromatic dihalogen compound having a halogen group activated by an electron-withdrawing group includes any of the compounds represented by the following chemical formula (16) or chemical formula (17).

Figure 2006206779
Figure 2006206779

化学式(16)および化学式(17)中、XはF、Cl、IまたはBrのハロゲン原子であり、YはLi、NaまたはKのアルカリ金属イオンである。 In chemical formula (16) and chemical formula (17), X is a halogen atom of F, Cl, I or Br, and Y is an alkali metal ion of Li, Na or K.

好ましくは、電子吸引性基によって活性化されたハロゲン基を有する芳香族ジハロゲン化合物が、下記化学式(18)〜(21)で表される化合物のいずれかをさらに含む。   Preferably, the aromatic dihalogen compound having a halogen group activated by an electron-withdrawing group further includes any one of compounds represented by the following chemical formulas (18) to (21).

Figure 2006206779
Figure 2006206779

化学式(18)〜(21)中、XはF、Cl、IまたはBrのハロゲン原子である。 In the chemical formulas (18) to (21), X is a halogen atom of F, Cl, I or Br.

好ましくは、ポリフェノール化合物またはポリチオフェノール化合物が下記(22)〜(28)で表される化合物のいずれかを含む。   Preferably, the polyphenol compound or the polythiophenol compound contains any of the compounds represented by the following (22) to (28).

Figure 2006206779
Figure 2006206779

好ましくは、ビスフェノール化合物が4,4’−ジヒドロキシビフェニルである。   Preferably, the bisphenol compound is 4,4'-dihydroxybiphenyl.

好ましくは、アルカリ金属塩が、炭酸カリウムまたは炭酸ナトリウムである。   Preferably, the alkali metal salt is potassium carbonate or sodium carbonate.

好ましくは、有機極性溶媒が、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシドまたはスルホランのいずれかである。   Preferably, the organic polar solvent is either N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide or sulfolane.

好ましくは、加熱の際の温度が150〜250℃の範囲内に設定される。   Preferably, the temperature at the time of heating is set within a range of 150 to 250 ° C.

本発明による新規スルホン酸基含有ポリマーまたは当該ポリマーを含む組成物から得られるイオン交換膜は、従来のイオン交換膜に比べて、メタノールなどの燃料の透過抑制性に優れており、燃料電池として用いた場合に、エネルギーの利用効率をより高めることが可能になるという優れた効果を有している。また、本発明のポリマーの製造方法は、本発明のスルホン酸基含有ポリマーを製造するために適した方法である。   The ion exchange membrane obtained from the novel sulfonic acid group-containing polymer or the composition containing the polymer according to the present invention is superior in permeation suppression of fuel such as methanol as compared with conventional ion exchange membranes, and is used as a fuel cell. In this case, the energy use efficiency can be further improved. The method for producing the polymer of the present invention is a method suitable for producing the sulfonic acid group-containing polymer of the present invention.

(スルホン酸基含有ポリマー)
本発明のスルホン酸基含有ポリマーは、下記化学式(1)で表される構造が、3価または4価の芳香族基(Ar)によって互いに連結された構造を有しており、分岐した構造を有することを特徴とするスルホン酸基含有ポリマーである。
(Sulfonic acid group-containing polymer)
The sulfonic acid group-containing polymer of the present invention has a structure in which the structure represented by the following chemical formula (1) is linked to each other by a trivalent or tetravalent aromatic group (Ar 5 ), and has a branched structure. It is a sulfonic acid group containing polymer characterized by having.

Figure 2006206779
Figure 2006206779

ここで、化学式(1)において、Xは−S(=O)−基または−C(=O)−基であり、YはH原子または1価の陽イオンであり、ZおよびZはそれぞれ独立してO原子またはS原子のいずれかであり、ArおよびArはそれぞれ独立して2価の芳香族基であり、Arは化学式(2)〜(5)で表される芳香族基のいずれかであり、Arは下記化学式(2)〜(7)で表される芳香族基のいずれかであり、nおよびmは、それぞれ独立して、n+mが5以上になるような1以上の整数である Here, in the chemical formula (1), X is an —S (═O) 2 — group or —C (═O) — group, Y is an H atom or a monovalent cation, and Z 1 and Z 2 Are each independently an O atom or an S atom, Ar 1 and Ar 2 are each independently a divalent aromatic group, and Ar 3 is represented by chemical formulas (2) to (5). Ar 4 is any one of the aromatic groups, Ar 4 is any one of the aromatic groups represented by the following chemical formulas (2) to (7), and n and m are each independently n + m is 5 or more. Is an integer greater than or equal to 1

Figure 2006206779
Figure 2006206779

ここで、化学式(6)および(7)において、YはH原子または1価の陽イオンを表す。   Here, in chemical formulas (6) and (7), Y represents an H atom or a monovalent cation.

化学式(1)において、ZおよびZが、S原子であると、耐酸化性が向上するため好ましい。またXが−S(=O)−基であると、ポリマーの溶解性が向上するため好ましい。YはH原子または1価の陽イオンであり、これらの例としては、H(プロトン)、Na、KまたはLiなどのアルカリ金属イオン、アンモニウムイオン、第四級アンモニウムカチオンなどを挙げることができる。中でも、YがH原子であると、プロトン伝導性が向上するため、例えば燃料電池用のプロトン交換膜の原料ポリマーとして好適に使用できる。 In the chemical formula (1), it is preferable that Z 1 and Z 2 are S atoms because oxidation resistance is improved. Further, it is preferable that X is a —S (═O) 2 — group because the solubility of the polymer is improved. Y is an H atom or a monovalent cation. Examples of these include alkali metal ions such as H (proton), Na, K, and Li, ammonium ions, and quaternary ammonium cations. Among them, when Y is an H atom, proton conductivity is improved, and thus, for example, it can be suitably used as a raw material polymer for a proton exchange membrane for a fuel cell.

およびZは、それぞれ独立して2価の芳香族基であり、同じであっても、異なっていてもよく、また、複数の種類の基であってもよい。これに限定されるわけではないが、具体例を以下に示す。 Z 1 and Z 2 are each independently a divalent aromatic group, and may be the same or different, and may be a plurality of types of groups. Although it is not necessarily limited to this, a specific example is shown below.

Figure 2006206779
Figure 2006206779

ここで、上記式中、Rはメチル基を表し、pは0〜2の整数を表す。   Here, in said formula, R represents a methyl group and p represents the integer of 0-2.

pが1または2である場合、メチル基の電子供与性によって電子密度が高まり、求電子置換反応であるポリマーの重合反応には好ましいが、立体障害によってpが0の場合よりもモノマーの反応性が低下し、高重合度のポリマーを得ることが困難な場合がある。また、pが1または2であると、メチル基を利用した架橋反応、たとえば、カルボニル基との光架橋反応などによって、ポリマー間の架橋を行うこともできる。しかしながら、メチル基の導入によって、ポリマーの吸水性が増加して、イオン交換膜としての膨潤性が大きくなり、好ましくない場合がある。このようにポリマーの重合度、イオン交換膜としたときの特性を考慮すると、pが0であることが好ましい。これらの芳香族基の中でも化学式(29A)、(29C)、(29F)、(29G)、(29H)、(29I)および(29M)で表される構造がより好ましい。理由は、これらの構造を有するポリマーから得られるイオン交換膜は適度な機械特性と優れたプロトン伝導性、耐膨潤性、安定性を示すのためである。また、(29A)、(29C)、(29F)および(29H)がさらに好ましい。理由は、これらの構造を有するポリマーから得られるイオン交換膜は上記の構造を有するポリマーから得られるイオン交換膜の中でも、特に、耐膨潤性、耐酸化性、耐メタノール透過性に優れるためである。また、中でも以下に示す化学式(29A’)および(29B’)のいずれかで表される構造が好ましい。理由は、これらの構造を有するポリマーから得られるイオン交換膜は上記の構造を有するポリマーから得られるイオン交換膜の中でも、特に、耐膨潤性、耐酸化性、耐メタノール透過性により優れるためである。さらに、化学式(29A’)で表される構造が最も好ましい。理由は、これらの構造を有するポリマーから得られるイオン交換膜は上記の構造を有するポリマーから得られるイオン交換膜の中でも、特に、耐膨潤性、耐メタノール透過性にさらに優れるためである。   When p is 1 or 2, the electron density is increased by the electron donating property of the methyl group, which is preferable for the polymerization reaction of the polymer that is an electrophilic substitution reaction. In some cases, it may be difficult to obtain a polymer having a high degree of polymerization. Moreover, when p is 1 or 2, crosslinking between polymers can also be performed by a crosslinking reaction using a methyl group, for example, a photocrosslinking reaction with a carbonyl group. However, introduction of a methyl group increases the water absorption of the polymer and increases the swellability as an ion exchange membrane, which may be undesirable. In this way, it is preferable that p is 0 in consideration of the degree of polymerization of the polymer and the characteristics of the ion exchange membrane. Among these aromatic groups, structures represented by chemical formulas (29A), (29C), (29F), (29G), (29H), (29I), and (29M) are more preferable. The reason is that ion exchange membranes obtained from polymers having these structures exhibit moderate mechanical properties and excellent proton conductivity, swelling resistance and stability. (29A), (29C), (29F) and (29H) are more preferable. The reason is that ion exchange membranes obtained from polymers having these structures are particularly excellent in swelling resistance, oxidation resistance, and methanol permeability resistance among ion exchange membranes obtained from polymers having the above structures. . Of these, a structure represented by any of the following chemical formulas (29A ′) and (29B ′) is preferable. The reason is that ion exchange membranes obtained from polymers having these structures are particularly excellent in swelling resistance, oxidation resistance, and methanol permeability resistance among ion exchange membranes obtained from polymers having the above structures. . Furthermore, the structure represented by the chemical formula (29A ′) is most preferable. The reason is that ion exchange membranes obtained from polymers having these structures are particularly superior in swelling resistance and methanol permeation resistance among ion exchange membranes obtained from polymers having the above structure.

Figure 2006206779
Figure 2006206779

化学式(1)におけるArは、上記化学式(2)〜(5)で表される芳香族基のいずれかを表す。中でも化学式(4)または(5)の基であるとメタノール透過性が小さくなるため好ましく、化学式(2)の基であるとポリマーの溶解性が高くなり好ましい。中でも化学式(5)の基が最も好ましい。 Ar 3 in the chemical formula (1) represents any of the aromatic groups represented by the chemical formulas (2) to (5). Among them, the group represented by the chemical formula (4) or (5) is preferable because methanol permeability is reduced, and the group represented by the chemical formula (2) is preferable because the solubility of the polymer is increased. Of these, the group of the chemical formula (5) is most preferable.

化学式(1)におけるArは、上記化学式(2)〜(7)で表される芳香族基のいずれかを表す。化学式(6)および(7)におけるYはH原子または1価の陽イオンであり、具体的には、H(プロトン)、Na、KまたはLiなどのアルカリ金属イオン、アンモニウムイオン、第四級アンモニウムカチオンなどを例として挙げることができる。中でもYがH(プロトン)であると、プロトン伝導性が向上するため、例えば燃料電池用のプロトン交換膜の原料ポリマーとして好適に使用できる。中でも化学式(5)または(6)が好ましい。理由は、化学式(5)の構造であるとイオン交換膜としたときの耐膨潤性を向上させることができるためであり、化学式(6)であるとイオン交換膜としたときのプロトン伝導性を向上させることができるためである。 Ar 4 in the chemical formula (1) represents any of the aromatic groups represented by the chemical formulas (2) to (7). Y in the chemical formulas (6) and (7) is an H atom or a monovalent cation, specifically, an alkali metal ion such as H (proton), Na, K or Li, an ammonium ion, or a quaternary ammonium. A cation etc. can be mentioned as an example. Among them, when Y is H (proton), proton conductivity is improved, and thus, for example, it can be suitably used as a raw material polymer for a proton exchange membrane for a fuel cell. Of these, chemical formula (5) or (6) is preferred. The reason is that the structure of the chemical formula (5) can improve the swelling resistance when the ion exchange membrane is used, and the chemical formula (6) is a proton conductivity when the ion exchange membrane is used. This is because it can be improved.

Arは3価または4価の芳香族基を表す。特に限定されないが、具体的な例を以下に示す。 Ar 5 represents a trivalent or tetravalent aromatic group. Although it does not specifically limit, a specific example is shown below.

Figure 2006206779
Figure 2006206779

これらの中でも化学式(9)、(10)または(14)で表される基であると、高重合度のポリマーを得やすいので好ましく、化学式(12)で表される基であると耐酸化性が向上するので好ましく、化学式(15)で表される基であると、少量で優れた効果を発揮するので好ましい。これらの中でもさらに好ましいのは化学式(9)、(10)および(14)で表される基である。   Among these, a group represented by the chemical formula (9), (10) or (14) is preferable because a polymer having a high degree of polymerization is easily obtained, and an oxidation resistance is a group represented by the chemical formula (12). Is preferable, and the group represented by the chemical formula (15) is preferable because a small amount exhibits an excellent effect. Of these, groups represented by the chemical formulas (9), (10) and (14) are more preferable.

化学式(1)において、nおよびmは、それぞれ独立して、n+mが5以上になるような1以上の整数を表すが、n+mは10以上であることが重合時のポリマーのゲル化が起こりにくくなるために好ましく、20以上であることがイオン交換膜とした場合のメタノール透過性をより小さくできることからさらに好ましい。n+mが100以上になるとポリマーの重合度が大きくなりすぎて溶液の粘度が著しく高くなり、取り扱いが難しい。当該n+mの値は、ゲル分配クロマトグラフィー(GPC)法、光散乱法などの任意の方法で求めたポリマーの分子量と、核磁気共鳴法(NMR)や赤外分光法(IR)などによって求められる繰り返し単位の分子構造、および核磁気共鳴法(NMR)によって求められるn/mの値から求めることができる。より簡便には、後で述べる方法により測定したポリマー溶液の対数粘度で評価することができる。n+mが既知の数種類のポリマーについて対数粘度を測定し、検量線を作成しておくことで、対数粘度からn+mの推定を行うことができる。ポリマーの構造によって対数粘度とn+mの関係は異なってくるが、式(1)で表される構造の対数粘度は0.1dL/g以上であることが好ましく、0.2dL/g以上であることがより好ましく、0.3dL/g以上であることがさらに好ましい。対数粘度が0.8dL/gを超えると、n+mの値が大きくなりすぎ、ポリマー溶液の粘度が著しく高くなるため好ましくない。   In the chemical formula (1), n and m each independently represent an integer of 1 or more such that n + m is 5 or more, and n + m is 10 or more, which makes it difficult for the polymer to gel during polymerization. Therefore, it is more preferable that it is 20 or more because methanol permeability in the case of an ion exchange membrane can be further reduced. When n + m is 100 or more, the degree of polymerization of the polymer becomes too high, the viscosity of the solution becomes remarkably high, and handling is difficult. The value of n + m is determined by the molecular weight of the polymer determined by any method such as gel distribution chromatography (GPC) or light scattering, and by nuclear magnetic resonance (NMR) or infrared spectroscopy (IR). It can be determined from the molecular structure of the repeating unit and the value of n / m determined by nuclear magnetic resonance (NMR). More simply, it can be evaluated by the logarithmic viscosity of the polymer solution measured by the method described later. It is possible to estimate n + m from the logarithmic viscosity by measuring the logarithmic viscosity of several types of polymers with known n + m and preparing a calibration curve. Although the relationship between the logarithmic viscosity and n + m varies depending on the structure of the polymer, the logarithmic viscosity of the structure represented by the formula (1) is preferably 0.1 dL / g or more, and preferably 0.2 dL / g or more. Is more preferably 0.3 dL / g or more. When the logarithmic viscosity exceeds 0.8 dL / g, the value of n + m becomes too large, and the viscosity of the polymer solution becomes extremely high, which is not preferable.

nとmとの比(n/m)は1/99〜99/1の間で任意に設定することができるが、好ましくは10/90〜50/50の範囲内であり、より好ましくは15/85〜45/55の範囲内である。n/mが小さくなるほどメタノール透過性は小さくなるがプロトン伝導性も小さくなってしまうため、目的に応じて適切なn/m比を選択することで優れたプロトン交換膜用のポリマーを得ることができる。当該n/mの値は、核磁気共鳴法(NMR)により、特定の化学シフトのプロトンの数を比較して測定することができる。当該化学シフトは、目的とするモノマー単位に応じて当業者であれば容易に決定できると考えられる。   The ratio of n to m (n / m) can be arbitrarily set between 1/99 and 99/1, but is preferably in the range of 10/90 to 50/50, more preferably 15 It is within the range of / 85 to 45/55. As n / m decreases, methanol permeability decreases but proton conductivity also decreases. Therefore, an excellent polymer for proton exchange membrane can be obtained by selecting an appropriate n / m ratio according to the purpose. it can. The value of n / m can be measured by comparing the number of protons having a specific chemical shift by nuclear magnetic resonance (NMR). The chemical shift is considered to be easily determined by those skilled in the art depending on the target monomer unit.

上記化学式(1)で表される構造のモル数(o)に対して、Arで表される構造のモル数(p)は、1>p/o≧0.1であることが好ましく、0.7≧p/o≧0.2の範囲がより好ましく、0.4≧p/o≧0.2の範囲がさらに好ましい。p/oが大きくなりすぎるとポリマーがゲル状になり重合ができなくなったり、溶液にしたときの粘度が著しく高くなったりしてしまうので好ましくない。p/oが0.1未満であると、ポリマーへの分岐量が小さくなり、メタノール透過抑制効果が得られにくくなるので好ましくない。 The number of moles (p) of the structure represented by Ar 5 is preferably 1> p / o ≧ 0.1 with respect to the number of moles (o) of the structure represented by the chemical formula (1). The range of 0.7 ≧ p / o ≧ 0.2 is more preferable, and the range of 0.4 ≧ p / o ≧ 0.2 is even more preferable. If p / o is too large, the polymer becomes a gel and cannot be polymerized, or the viscosity when it is made into a solution is remarkably increased. When p / o is less than 0.1, the amount of branching to the polymer becomes small, and the effect of suppressing methanol permeation becomes difficult to obtain.

上記化学式(1)で表される構造は、具体的には、下記化学式(30)または(31)で表される構造を、最小の繰り返し単位とすることが好ましい。化学式(30)または(31)で表される繰り返し構造は、化学式(30)または(31)を単独で連続して結合させていてもよい。また、当該繰り返し構造は、交互やランダムに結合している場合も含む。たとえば、交互に結合とは、化学式(30)と(31)とを、(30)、(31)、(30)、(31)、(30)・・・のような順番で結合させることを含む。ここで、同じ繰り返し単位が連続して結合していると、セグメント化ブロックコポリマーと同様の性質を示し、プロトン伝導性やメタノール透過性、吸水性が増加する傾向がある。ただし、nおよびmは、それぞれ独立して、n+mが5以上であるような、1以上の整数という条件を満たす必要がある。   Specifically, the structure represented by the chemical formula (1) preferably has the structure represented by the following chemical formula (30) or (31) as the minimum repeating unit. In the repeating structure represented by the chemical formula (30) or (31), the chemical formula (30) or (31) may be independently and continuously bonded. In addition, the repetitive structure includes a case where they are alternately or randomly combined. For example, alternating bonding refers to bonding chemical formulas (30) and (31) in the order of (30), (31), (30), (31), (30). Including. Here, when the same repeating unit is continuously bonded, the same properties as the segmented block copolymer are exhibited, and proton conductivity, methanol permeability, and water absorption tend to increase. However, n and m must satisfy the condition of an integer of 1 or more such that n + m is 5 or more independently.

Figure 2006206779
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ここで、化学式(30)または(31)において、Xは−S(=O)−基または−C(=O)−基を表し、YはH原子または1価の陽イオンを表し、ZおよびZはそれぞれ独立してO原子またはS原子のいずれかを表し、ArおよびArはそれぞれ独立して2価の芳香族基を表し、Arは化学式(2)〜(5)で表される芳香族基のいずれかを表し、nとmはそれぞれ独立してn+mが5以上になるような1以上の整数を表す。 Here, in the chemical formula (30) or (31), X represents an —S (═O) 2 — group or —C (═O) — group, Y represents an H atom or a monovalent cation, and Z 1 and Z 2 each independently represent either an O atom or an S atom, Ar 1 and Ar 2 each independently represent a divalent aromatic group, and Ar 3 represents a chemical formula (2) to (5). N and m each independently represent an integer of 1 or more such that n + m is 5 or more.

化学式(1)において、YがH(プロトン)であると、プロトン交換樹脂やプロトン交換膜として適している。YはH原子または1価の陽イオンを表すが、1価の陽イオンとしては、例えばNa、KまたはLiなどのアルカリ金属イオンや、アンモニウムイオン、第四アンモニウム塩などが挙げられる。1価の陽イオンがNa、KまたはLiなどのアルカリ金属イオンであると、スルホン酸基の熱安定性が高まり、製膜、溶解、成形などの加工プロセスにおいて高温で処理することができ、ポリマーの加工性を高めることができる。アルカリ金属塩となっているスルホン酸基は、硫酸、塩酸または過塩素酸などの強酸またはその水溶液でポリマーを処理することによって、遊離のスルホン酸基に変換することができる。遊離のスルホン酸基を有するポリマーは高いプロトン伝導性を示し、プロトン交換樹脂や、プロトン交換膜として用いることができる。中でもプロトン交換膜は、固体高分子形燃料電池の電解質として用いることができ、本発明のポリマーを用いると優れた性能を有する燃料電池を得ることができる。   In the chemical formula (1), when Y is H (proton), it is suitable as a proton exchange resin or a proton exchange membrane. Y represents an H atom or a monovalent cation. Examples of the monovalent cation include alkali metal ions such as Na, K and Li, ammonium ions, and quaternary ammonium salts. When the monovalent cation is an alkali metal ion such as Na, K or Li, the thermal stability of the sulfonic acid group is increased, and the polymer can be processed at a high temperature in processing processes such as film formation, dissolution and molding. Can improve the workability. The sulfonic acid group that is an alkali metal salt can be converted to a free sulfonic acid group by treating the polymer with a strong acid such as sulfuric acid, hydrochloric acid or perchloric acid or an aqueous solution thereof. A polymer having a free sulfonic acid group exhibits high proton conductivity, and can be used as a proton exchange resin or a proton exchange membrane. Among them, the proton exchange membrane can be used as an electrolyte of a polymer electrolyte fuel cell, and a fuel cell having excellent performance can be obtained by using the polymer of the present invention.

化学式(1)の好ましい構造の具体例を以下に示すが、本発明の範囲はこれらに限定されるものではない。   Specific examples of preferable structures of the chemical formula (1) are shown below, but the scope of the present invention is not limited thereto.

Figure 2006206779
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これらの中でも、化学式(32−A)、(32−B)、(32−C)、(32−D)、(32−Q)、(32−R)、(32−S)および(32−T)がより好ましい。理由は、プロトン交換膜として、プロトン伝導性、耐膨潤性、耐メタノール透過性、安定性、機械特性に優れるためである。また、化学式(32−A)、(32−D)、(32−Q)および(32−T)がさらに好ましい。理由は、プロトン交換膜として、耐膨潤性、耐メタノール透過性、耐酸化安定性により優れるためである。また、化学式(32−Q)が最も好ましい。理由は、プロトン交換膜として、耐膨潤性、耐メタノール透過性にさらに優れるためである。   Among these, chemical formulas (32-A), (32-B), (32-C), (32-D), (32-Q), (32-R), (32-S) and (32-) T) is more preferred. The reason is that the proton exchange membrane is excellent in proton conductivity, swelling resistance, methanol resistance, stability, and mechanical properties. Further, chemical formulas (32-A), (32-D), (32-Q) and (32-T) are more preferable. The reason is that the proton exchange membrane is more excellent in swelling resistance, methanol permeability resistance and oxidation resistance stability. The chemical formula (32-Q) is most preferable. The reason is that the proton exchange membrane is further excellent in swelling resistance and methanol permeation resistance.

化学式(1)で表される構造の重合度は、後で述べる方法により測定したポリマー溶液の対数粘度で評価することができる。ポリマーの対数粘度が0.1〜1.0dL/gの範囲内であることが好ましい。0.1dL/gよりも小さいとポリマーを重合することが困難になり、1dL/gよりも大きいと最終的なポリマーの重合度が大きくなりすぎて、ポリマー溶液の粘度が著しく増大したり、重合中にゲル化を起こしたりするので好ましくない。より好ましくは0.3〜0.8dL/gの範囲である。   The degree of polymerization of the structure represented by the chemical formula (1) can be evaluated by the logarithmic viscosity of the polymer solution measured by the method described later. The logarithmic viscosity of the polymer is preferably in the range of 0.1 to 1.0 dL / g. If it is less than 0.1 dL / g, it is difficult to polymerize the polymer, and if it is more than 1 dL / g, the degree of polymerization of the final polymer becomes too high, and the viscosity of the polymer solution increases remarkably. It is not preferable because gelation occurs in the inside. More preferably, it is in the range of 0.3 to 0.8 dL / g.

(製法)
また、本発明は、電子吸引性基によって活性化されたハロゲン基を有する芳香族ジハロゲン化合物と、フェノール化合物および/またはチオフェノール化合物とを反応させる、分子内に分岐を有する芳香族エーテルポリマーおよび/または芳香族チオエーテルポリマーの製造であって、(A)前記電子吸引性基によって活性化されたハロゲン基を有する芳香族ジハロゲン化合物と、ビスフェノール化合物および/またはビスチオフェノール化合物を、前記芳香族ジハロゲン化合物に対する、前記ビスフェノール化合物および/またはビスチオフェノール化合物のモル比が0.80〜0.99の範囲内になるようにして反応させて、ハロゲン基末端のオリゴマーを得る第一工程と、(B)分子内にフェノール性水酸基を3個または4個有するポリフェノール化合物および/またはチオフェノール性メルカプト基を3個または4個有するポリチオフェノール化合物を、ポリフェノール化合物中のフェノール性水酸基および/またはポリチオフェノール化合物中のチオフェノール性メルカプト基のモル数よりも、前記第一工程で製造したオリゴマー中のハロゲン基のモル数が等モル以上になるようにして、前記第一工程で製造したオリゴマーと反応させる第二工程と、を含む、分子内に分岐を有する芳香族エーテルポリマーおよび/または芳香族チオエーテルポリマーの製造方法を提供する。
(Manufacturing method)
The present invention also provides an aromatic ether polymer having a branch in the molecule, which reacts an aromatic dihalogen compound having a halogen group activated by an electron-withdrawing group with a phenol compound and / or a thiophenol compound. Or an aromatic thioether polymer, wherein (A) an aromatic dihalogen compound having a halogen group activated by the electron-withdrawing group, a bisphenol compound and / or a bisthiophenol compound, A first step of obtaining a halogen-group-terminated oligomer by reacting such that the molar ratio of the bisphenol compound and / or bisthiophenol compound is within the range of 0.80 to 0.99, and (B) A polymer having 3 or 4 phenolic hydroxyl groups in the molecule The polythiophenol compound having 3 or 4 phenolic compounds and / or thiophenolic mercapto groups is more than the number of moles of phenolic hydroxyl groups in the polyphenolic compounds and / or thiophenolic mercapto groups in the polythiophenolic compounds. A second step of reacting with the oligomer produced in the first step so that the number of moles of halogen groups in the oligomer produced in the first step is equal to or greater than equimolar, and having a branch in the molecule A method for producing an aromatic ether polymer and / or an aromatic thioether polymer is provided.

ここで、第一工程は、実質的に上記化学式(1)の構造を製造する工程に該当し、第二工程は、実質的に化学式(1)の構造とArとを結合する工程に該当する。 Here, the first step substantially corresponds to the step of manufacturing the structure of the chemical formula (1), and the second step substantially corresponds to the step of combining the structure of the chemical formula (1) and Ar 5. To do.

本発明の製造方法において、製造される芳香族エーテルポリマーおよび/または芳香族チオエーテルポリマー中にスルホン酸基を導入する方法としては、第一工程において、上記化学式(16)または化学式(17)のような、スルホン酸基を有する化合物をモノマーの成分の一つとして用いるか、スルホン酸基を含まないモノマーを用いて重合したポリマーに、硫酸、クロル硫酸、無水硫酸などのスルホン化剤を反応させて得ることもできる。   In the production method of the present invention, as a method for introducing a sulfonic acid group into the produced aromatic ether polymer and / or aromatic thioether polymer, in the first step, the chemical formula (16) or the chemical formula (17) is used. In addition, a compound having a sulfonic acid group is used as one of the components of the monomer, or a polymer obtained by polymerization using a monomer having no sulfonic acid group is reacted with a sulfonating agent such as sulfuric acid, chlorosulfuric acid or sulfuric anhydride. It can also be obtained.

ここで、電子吸引性基とは、スルホン基、スルホニル基、カルボニル基、ニトロ基、トリフルオロメチル基、スルホン酸基、ハロゲン基またはシアノ基などを挙げることができる。電子吸引性基で活性化されたハロゲン基とは、該ハロゲン基が結合した芳香環のオルト位またはパラ位に電子吸引性基が結合したハロゲン基を表す。電子吸引性基で活性化されたハロゲン基を有する芳香族ジハロゲン化合物としては、スルホン酸基を有する化合物と有しない化合物を用いることができる。   Here, examples of the electron-withdrawing group include a sulfone group, a sulfonyl group, a carbonyl group, a nitro group, a trifluoromethyl group, a sulfonic acid group, a halogen group, and a cyano group. The halogen group activated with an electron-withdrawing group represents a halogen group with an electron-withdrawing group bonded to the ortho or para position of the aromatic ring to which the halogen group is bonded. As the aromatic dihalogen compound having a halogen group activated with an electron-withdrawing group, a compound having a sulfonic acid group and a compound having no halogen group can be used.

スルホン酸基と、電子吸引性基で活性化されたハロゲン基を有する芳香族ジハロゲン化合物としては、例えば上記化学式(16)または(17)で表される構造の化合物が好ましいがこれらに限定されるものではない。   As the aromatic dihalogen compound having a sulfonic acid group and a halogen group activated with an electron-withdrawing group, for example, compounds having a structure represented by the above chemical formula (16) or (17) are preferable, but are not limited thereto. It is not a thing.

上記化学式(16)または(17)で表される構造の化合物の例としては、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、およびそれらのスルホン酸基が1価陽イオン種との塩になったもの等が挙げられる。1価陽イオン種としては、ナトリウム、カリウムや他の金属種や各種アミン類等でも良く、これらに制限されるわけではない。   Examples of the compound having the structure represented by the chemical formula (16) or (17) include 3,3′-disulfo-4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 3,3′-disulfo-4,4′-difluoro. Diphenyl sulfone, 3,3′-disulfo-4,4′-dichlorodiphenyl ketone, 3,3′-disulfo-4,4′-difluorodiphenyl sulfone, and salts of these sulfonic acid groups with monovalent cationic species And the like. The monovalent cation species may be sodium, potassium, other metal species, various amines, or the like, but is not limited thereto.

スルホン酸基が塩になっている化合物の例としては、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジフルオロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホン酸カリウム4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸カリウム−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸カリウム−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホン酸カリウム−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、または、3,3’−ジスルホン酸カリウム−4,4’−ジフルオロジフェニルケトン、などを挙げることができるが、これらに限定されるものではない。   Examples of the compound in which the sulfonic acid group is a salt include sodium 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenylsulfone, sodium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorodiphenylsulfone. 3,3′-sodium disulfonate-4,4′-dichlorodiphenyl ketone, 3,3′-sodium disulfonate-4,4′-difluorodiphenylsulfone, 3,3′-sodium disulfonate-4,4 ′ Difluorodiphenyl ketone, potassium 3,3′-disulfonate 4,4′-dichlorodiphenyl sulfone, potassium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorodiphenyl sulfone, potassium 3,3′-disulfonate-4 , 4′-dichlorodiphenyl ketone, potassium 3,3′-disulfonate-4,4′-difur B diphenyl sulfone, or 3,3'-disulfonic acid potassium-4,4'-difluoro diphenyl ketone, and the like can be mentioned, but not limited thereto.

これらのスルホン酸基を有する芳香族ジハロゲン化合物は、スルホン酸基に結合水を有している場合があるので、第一工程における重合反応に先立って乾燥しておくことが好ましい。乾燥は、加熱または減圧乾燥によって行うことができる。乾燥温度は50〜200℃の範囲であればよいが、80〜120℃の間がより好ましい。加熱により乾燥する場合には、不活性ガスの雰囲気下または気流下で行うことが好ましい。不活性ガスの雰囲気は、限定されるわけではないが、たとえば、所定の空間のガスを希ガスや窒素ガス等により置換することにより形成することができる。また、不活性ガスの気流は、上記の置換を常に行うことにより達成することができる。   Since these aromatic dihalogen compounds having a sulfonic acid group may have bound water in the sulfonic acid group, it is preferable to dry them prior to the polymerization reaction in the first step. Drying can be performed by heating or drying under reduced pressure. The drying temperature may be in the range of 50 to 200 ° C, but more preferably 80 to 120 ° C. In the case of drying by heating, it is preferably performed in an inert gas atmosphere or an air stream. The atmosphere of the inert gas is not limited, but can be formed, for example, by replacing a gas in a predetermined space with a rare gas, a nitrogen gas, or the like. In addition, the air flow of the inert gas can be achieved by always performing the above replacement.

スルホン酸基を有せず、電子吸引性基で活性化されたハロゲン基を有する芳香族ジハロゲン化合物としては、例えば4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、4,4’−ジクロロベンゾフェノン、4,4’−ジクロロジフェニルホスフィンオキシド、4,4’−ビス(4−クロロフェニルスルホニル)ビフェニル、2,6−ジクロロベンゾニトリル、2,4−ジクロロベンゾニトリル、2,6−ジクロロ−1−トリフルオロメチルベンゼン、2,4−ジクロロ−1−トリフルオロメチルベンゼン、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン、4,4’−ジフルオロジフェニルホスフィンオキシド、4,4’−ビス(4−フルオロフェニルスルホニル)ビフェニル、2,6−ジフルオロベンゾニトリル、2,4−ジフルオロベンゾニトリル、2,6−ジフルオロ−1−トリフルオロメチルベンゼン、または2,4−ジフルオロ1−トリフルオロメチルベンゼンを挙げることができるがこれらに限定されるものではない。   Examples of aromatic dihalogen compounds that have a halogen group that has no sulfonic acid group and is activated with an electron-withdrawing group include 4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 4,4′-dichlorobenzophenone, and 4,4 ′. -Dichlorodiphenylphosphine oxide, 4,4'-bis (4-chlorophenylsulfonyl) biphenyl, 2,6-dichlorobenzonitrile, 2,4-dichlorobenzonitrile, 2,6-dichloro-1-trifluoromethylbenzene, 2 , 4-dichloro-1-trifluoromethylbenzene, 4,4′-difluorodiphenylsulfone, 4,4′-difluorobenzophenone, 4,4′-difluorodiphenylphosphine oxide, 4,4′-bis (4-fluorophenyl) Sulfonyl) biphenyl, 2,6-difluorobenzonitrile, , 4-difluorobenzonitrile, 2,6-difluoro-1-trifluoromethyl benzene, or 2,4-difluoro 1- it can be mentioned trifluoromethylbenzene but not limited thereto.

芳香族ジハロゲン化合物の好ましい例として、上記化学式(18)〜(21)で表される構造の化合物を挙げることができる。上記化学式(18)〜(21)で表される構造の化合物の中でも、4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、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、4,4’−ジクロロベンゾフェノン、4,4’−ジフルオロベンゾフェノンがさらに好ましく、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が最も好ましい。理由は、プロトン交換膜とした場合に、耐膨潤性と耐メタノール透過性を向上することができるためである。   Preferable examples of the aromatic dihalogen compound include compounds having a structure represented by the above chemical formulas (18) to (21). Among the compounds having the structures represented by the chemical formulas (18) to (21), 4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 4,4′-difluorodiphenylsulfone, 2,6-dichlorobenzonitrile, 2,6-difluoro Benzonitrile, 4,4′-dichlorobenzophenone, and 4,4′-difluorobenzophenone are more preferable, and 2,6-dichlorobenzonitrile and 2,6-difluorobenzonitrile are most preferable. The reason is that when a proton exchange membrane is used, the swelling resistance and methanol permeability resistance can be improved.

本発明の製造方法において、ビスフェノール化合物またはビスチオフェノール化合物とは、分子内に、フェノール性の水酸基またはチオフェノール性のメルカプト基を2個有する化合物を表す。フェノール性の水酸基とは、ベンゼン環、ナフタレン環、ピリジン環などの芳香族基に直接結合した水酸基を表す。チオフェノール性のメルカプト基とは、ベンゼン環、ナフタレン環、ピリジン環などの芳香族基に直接結合したメルカプト基を表す。ビスフェノール化合物またはビスチオフェノール化合物は、フェノール性の水酸基またはチオフェノール性のメルカプト基が、同じ芳香族基中に結合していてもよいし、互いに連結された2以上の芳香族基のそれぞれに結合していてもよい。この場合、当該芳香族基においては、フェノール性水酸基のみである場合、チオフェノール性のメルカプト基のみの場合、これらが混在する場合も含む。   In the production method of the present invention, the bisphenol compound or bisthiophenol compound represents a compound having two phenolic hydroxyl groups or thiophenolic mercapto groups in the molecule. A phenolic hydroxyl group represents a hydroxyl group directly bonded to an aromatic group such as a benzene ring, a naphthalene ring, or a pyridine ring. A thiophenolic mercapto group represents a mercapto group bonded directly to an aromatic group such as a benzene ring, a naphthalene ring or a pyridine ring. In the bisphenol compound or bisthiophenol compound, a phenolic hydroxyl group or a thiophenolic mercapto group may be bonded in the same aromatic group, or bonded to each of two or more aromatic groups linked to each other. You may do it. In this case, the aromatic group includes only a phenolic hydroxyl group, a thiophenolic mercapto group, and a mixture of these groups.

これらに限定されるものではないが、ビスフェノール化合物およびビスチオフェノール化合物の例としては、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、9,9−ビス(3−メチル−4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、9,9−ビス(4−メルカプトフェニル)フルオレン、9,9−ビス(3−メチル−4−メルカプトシフェニル)フルオレン、4,4’−ビフェノール、4,4’−ジメルカプトビフェニル、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルホン、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)エタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)メタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ブタン、3,3−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ペンタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジメチルフェニル)プロパン、ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジメチルフェニル)メタン、ビス(4−ヒドロキシ−2,5−ジメチルフェニル)メタン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)フェニルメタン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)ジフェニルメタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン、ハイドロキノン、レゾルシン、1,4−ジメルカプトベンゼン、1,3−ジメルカプトベンゼン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)ケトン、4,4’−チオビスベンゼンチオール、4,4’−チオジフェノール、3−メチル−4,4’−ジヒドロキシ−p−ターフェニル、4,4’−ジヒドロキシ−p−ターフェニル、1,3−ビス(4−ヒドロキシ)アダマンタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシ)アダマンタン、ジヒドロキシナフタレン類、ジメルカプトナフタレン類、ジヒドロキシキノリン、またはジヒドロキシピリジンを挙げることができる。中でも4,4’−ビフェノール、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、4,4’−ジメルカプトビフェニル、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン、4,4’−チオビスベンゼンチオールが好ましい。理由は、プロトン交換膜とした場合、プロトン伝導性、耐膨潤性、耐メタノール透過性、安定性、機械特性に優れるためである。また、4,4’−ビフェノール、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン、4,4’−チオビスベンゼンチオールがより好ましい。理由は、プロトン交換膜とした場合、耐膨潤性、耐メタノール透過性、耐酸化安定性により優れるためである。さらに、4,4’−ビフェノールが特に好ましい。理由は、プロトン交換膜とした場合、耐膨潤性、耐メタノール透過性がさらに優れるためである。   Examples of bisphenol compounds and bisthiophenol compounds include, but are not limited to, 9,9-bis (4-hydroxyphenyl) fluorene, 9,9-bis (3-methyl-4-hydroxyphenyl) Fluorene, 9,9-bis (4-mercaptophenyl) fluorene, 9,9-bis (3-methyl-4-mercaptosiphenyl) fluorene, 4,4′-biphenol, 4,4′-dimercaptobiphenyl, bis (4-hydroxyphenyl) sulfone, 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) ethane, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) propane, bis (4-hydroxyphenyl) methane, 2,2-bis (4 -Hydroxyphenyl) butane, 3,3-bis (4-hydroxyphenyl) pentane, 2,2-bis (4- Droxy-3,5-dimethylphenyl) propane, bis (4-hydroxy-3,5-dimethylphenyl) methane, bis (4-hydroxy-2,5-dimethylphenyl) methane, bis (4-hydroxyphenyl) phenylmethane Bis (4-hydroxyphenyl) diphenylmethane, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane, hydroquinone, resorcin, 1,4-dimercaptobenzene, 1,3-dimercaptobenzene, bis (4-hydroxy Phenyl) ketone, 4,4′-thiobisbenzenethiol, 4,4′-thiodiphenol, 3-methyl-4,4′-dihydroxy-p-terphenyl, 4,4′-dihydroxy-p-terphenyl 1,3-bis (4-hydroxy) adamantane, 2,2-bis (4-hydroxy) Proxy) adamantane, dihydroxy naphthalenes, dimercapto naphthalenes, may be mentioned dihydroxy quinoline or dihydropyridines. Among them, 4,4′-biphenol, 9,9-bis (4-hydroxyphenyl) fluorene, 4,4′-dimercaptobiphenyl, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane, 4,4′- Thiobisbenzenethiol is preferred. The reason is that when a proton exchange membrane is used, it is excellent in proton conductivity, swelling resistance, methanol permeability, stability, and mechanical properties. Further, 4,4'-biphenol, 9,9-bis (4-hydroxyphenyl) fluorene, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane, and 4,4'-thiobisbenzenethiol are more preferable. The reason is that when a proton exchange membrane is used, it is more excellent in swelling resistance, methanol permeability, and oxidation resistance. Furthermore, 4,4'-biphenol is particularly preferred. The reason is that when a proton exchange membrane is used, the swelling resistance and methanol permeability resistance are further excellent.

また、上記のビスフェノール化合物またはビスチオフェノール化合物は、スルホン酸基、ホスホン酸基、リン酸基などのイオン性基を有していてもよい。   The bisphenol compound or bisthiophenol compound may have an ionic group such as a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, or a phosphoric acid group.

本発明の製造方法において、第一工程および第二工程は、アルカリ金属塩の存在下で、不活性ガスの雰囲気または気流下で、有機極性溶媒中で加熱して反応させることが好ましい。また、反応は芳香族求核置換反応により行われることが好ましい。アルカリ金属塩が存在することにより、ビスフェノール化合物またはビスチオフェノール化合物の反応性が高まり、高重合度のポリマーを容易に得ることができ、不活性ガスの雰囲気または気流下で反応させることにより、ビスフェノール化合物またはビスチオフェノール化合物の酸化や分解などの副反応を制御して、高重合度のポリマーを得ることができ、有機極性溶媒中で反応させることにより、重合度が上昇したポリマーが析出することなく溶媒に溶解することで高重合度のポリマーを得ることができ、加熱することにより、反応速度を高めて高重合度のポリマーを得ることができるためである。   In the production method of the present invention, it is preferable that the first step and the second step are heated and reacted in an organic polar solvent in the presence of an alkali metal salt and in an inert gas atmosphere or air stream. The reaction is preferably carried out by an aromatic nucleophilic substitution reaction. The presence of the alkali metal salt increases the reactivity of the bisphenol compound or bisthiophenol compound, and a polymer having a high degree of polymerization can be easily obtained. By reacting in an inert gas atmosphere or air stream, bisphenol can be obtained. A polymer with a high degree of polymerization can be obtained by controlling side reactions such as oxidation or decomposition of the compound or bisthiophenol compound, and a polymer with an increased degree of polymerization can be precipitated by reacting in an organic polar solvent. This is because a polymer with a high degree of polymerization can be obtained by dissolving in a solvent, and a polymer with a high degree of polymerization can be obtained by heating to increase the reaction rate.

本発明の製造方法において、アルカリ金属塩としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素ナトリウム、または炭酸水素カリウム等が挙げられるが、芳香族ジオール類や芳香族ジメルカプト化合物を活性なフェノキシド構造にしうるものであれば、これらに限定されず使用することができる。中でも炭酸カリウムまたは炭酸ナトリウムが好ましい。アルカリ金属塩は、ビスフェノール化合物またはビスチオフェノール化合物に対して100モル%以上の量を用いると良好に重合することができ、好ましくはビスフェノール化合物に対して105〜125モル%の範囲内である。アルカリ金属塩の量が多くなりすぎると、分解などの副反応の原因となるので好ましくない。   In the production method of the present invention, examples of the alkali metal salt include sodium hydroxide, potassium hydroxide, sodium carbonate, potassium carbonate, sodium hydrogen carbonate, potassium hydrogen carbonate and the like, but aromatic diols and aromatic dimercapto compounds Can be used without being limited to these as long as they can have an active phenoxide structure. Of these, potassium carbonate or sodium carbonate is preferred. The alkali metal salt can be polymerized satisfactorily when used in an amount of 100 mol% or more based on the bisphenol compound or bisthiophenol compound, and preferably in the range of 105 to 125 mol% based on the bisphenol compound. An excessive amount of alkali metal salt is not preferable because it causes side reactions such as decomposition.

本発明において、第一工程における反応は、重合反応であるが、0〜350℃の温度範囲で行うことができる。また、50〜300℃の温度範囲内であることが好ましく、150〜250℃の範囲内であることがさらに好ましい。0℃より低い場合には、十分に反応が進まない傾向にあり、350℃より高い場合には、ポリマーの分解も起こり始める傾向がある。反応は、無溶媒下で行うこともできるが、溶媒中で行うことが好ましい。使用できる有機極性溶媒としては、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ジフェニルスルホン、またはスルホランなどを挙げることができるが、これらに限定されることはなく、芳香族求核置換反応において安定な溶媒として使用できるものであればよい。これらの有機溶媒は、単独でも2種以上の混合物として使用されても良い。   In the present invention, the reaction in the first step is a polymerization reaction, but can be performed in a temperature range of 0 to 350 ° C. Moreover, it is preferable that it exists in the temperature range of 50-300 degreeC, and it is still more preferable that it exists in the range of 150-250 degreeC. When the temperature is lower than 0 ° C., the reaction does not proceed sufficiently, and when the temperature is higher than 350 ° C., the polymer tends to be decomposed. The reaction can be carried out in the absence of a solvent, but is preferably carried out in a solvent. Examples of organic polar solvents that can be used include, but are not limited to, N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, diphenyl sulfone, or sulfolane. It is not limited as long as it can be used as a stable solvent in the aromatic nucleophilic substitution reaction. These organic solvents may be used alone or as a mixture of two or more.

本発明において、芳香族求核置換反応においては、副生物として水が生成する場合がある。この際は、重合溶媒とは関係なく、トルエンなどを反応系に共存させて共沸物として水を系外に除去することもできる。水を系外に除去する方法としては、モレキュラーシーブなどの吸水材を使用することもできる。また、重合溶媒と水とを同時に溜去して水を取り除くこともできる。芳香族求核置換反応を溶媒中で行う場合、得られるポリマー濃度として5〜50質量%となるようにモノマーを仕込むことが好ましい。5質量%よりも少ない場合は、重合度が上がりにくい傾向がある。一方、50質量%よりも多い場合には、反応系の粘性が高くなりすぎ、反応物の後処理が困難になる傾向がある。重合反応は、窒素、アルゴンなど不活性ガスの雰囲気下または気流下で行うことが好ましい。   In the present invention, water may be generated as a by-product in the aromatic nucleophilic substitution reaction. In this case, regardless of the polymerization solvent, water can be removed from the system as an azeotrope by coexisting toluene or the like in the reaction system. As a method for removing water out of the system, a water absorbing material such as molecular sieve can also be used. Further, the polymerization solvent and water can be distilled off simultaneously to remove water. When the aromatic nucleophilic substitution reaction is carried out in a solvent, it is preferable to charge the monomer so that the resulting polymer concentration is 5 to 50% by mass. When the amount is less than 5% by mass, the degree of polymerization tends to be difficult to increase. On the other hand, when the amount is more than 50% by mass, the viscosity of the reaction system becomes too high, and post-treatment of the reaction product tends to be difficult. The polymerization reaction is preferably performed in an atmosphere of an inert gas such as nitrogen or argon or in an air stream.

芳香族ジハロゲン化合物と、ビスフェノール化合物および/またはビスチオフェノール化合物を、芳香族ジハロゲン化合物が過剰になるようにして反応させて化学式(1)で表されるハロゲン基末端のオリゴマーを得る第一工程において、芳香族ジハロゲン化合物に対する、ビスフェノール化合物および/またはビスチオフェノール化合物のモル比は0.80〜0.99の範囲内であるが、0.90〜0.98の範囲内がより好ましく、0.91〜0.97の範囲内がより好ましい。理由は、モル比が小さすぎるとオリゴマーの分子量が小さくなり、本発明における第二工程でポリフェノール化合物および/またはポリチオフェノール化合物と反応させる際に、ゲル化が起こりやすくなり、ポリマー溶液粘度が著しく上昇したり、ゲルが溶媒に不溶な異物となり、プロトン交換膜中に存在することで品位や特性に悪影響を及ぼす可能性が高まるため好ましくないためである。また、モル比が1であるとオリゴマーの分子量が大きくなりすぎて、ポリマー溶液の粘度が著しく上昇したり、重合度の制御が困難になるため好ましくないためである。さらに、モル比が1よりも大きいと、ハロゲン基末端のオリゴマーを得ることができず、本発明における第二工程でポリフェノール化合物および/またはポリチオフェノール化合物と反応させることができないためである。   In the first step, an aromatic dihalogen compound is reacted with a bisphenol compound and / or a bisthiophenol compound so that the aromatic dihalogen compound is excessive to obtain an oligomer having a halogen group terminal represented by the chemical formula (1). The molar ratio of the bisphenol compound and / or bisthiophenol compound to the aromatic dihalogen compound is in the range of 0.80 to 0.99, more preferably in the range of 0.90 to 0.98. A range of 91 to 0.97 is more preferable. The reason is that if the molar ratio is too small, the molecular weight of the oligomer becomes small, and gelation tends to occur when reacting with the polyphenol compound and / or polythiophenol compound in the second step in the present invention, and the viscosity of the polymer solution is remarkably high. This is because it is not preferable because it rises or the gel becomes a foreign substance insoluble in the solvent and the presence in the proton exchange membrane increases the possibility of adversely affecting the quality and characteristics. On the other hand, if the molar ratio is 1, the molecular weight of the oligomer becomes too large, which is not preferable because the viscosity of the polymer solution is remarkably increased or the degree of polymerization is difficult to control. Furthermore, when the molar ratio is larger than 1, a halogen-terminated oligomer cannot be obtained and cannot be reacted with a polyphenol compound and / or a polythiophenol compound in the second step in the present invention.

本発明における第一工程において、反応は未反応のフェノール性水酸基またはチオフェノール性メルカプト基がなくなるまで行うことが好ましい。反応の終点は、溶液の粘度やオリゴマーの対数粘度を測定して、一定になったことで判断することができる。   In the first step of the present invention, the reaction is preferably carried out until there is no unreacted phenolic hydroxyl group or thiophenolic mercapto group. The end point of the reaction can be judged by measuring the viscosity of the solution and the logarithmic viscosity of the oligomer and becoming constant.

本発明における第一工程で得られたオリゴマーは、反応終了後、一旦重合溶液から単離してからポリフェノール化合物および/またはポリチオフェノール化合物との反応を行ってもよいし、重合溶液にポリフェノール化合物および/またはポリチオフェノール化合物を添加してさらに反応させてもよい。重合溶液にポリフェノール化合物および/またはポリチオフェノール化合物を添加してさらに反応させる場合に、フェノール性水酸基および/またはチオフェノール性メルカプト基に対してアルカリ金属塩が不足する場合には、適当な量のアルカリ金属塩を追加して反応させることができる。   After the completion of the reaction, the oligomer obtained in the first step in the present invention may be once isolated from the polymerization solution and then reacted with a polyphenol compound and / or a polythiophenol compound. In addition, a polythiophenol compound may be added for further reaction. When a polyphenol compound and / or polythiophenol compound is added to the polymerization solution for further reaction, if an alkali metal salt is insufficient relative to the phenolic hydroxyl group and / or thiophenolic mercapto group, an appropriate amount An alkali metal salt can be added and reacted.

本発明の製造方法において、第二工程は、分子内にフェノール性水酸基を3個または4個有するポリフェノール化合物および/またはチオフェノール性メルカプト基を3個または4個有するポリチオフェノール化合物を、ポリフェノール化合物中のフェノール性水酸基および/またはポリチオフェノール化合物中のチオフェノール性メルカプト基のモル数よりも、前記第一工程で製造したオリゴマー中のハロゲン基のモル数が等モル以上になるようにして、前記第一工程で製造したオリゴマーと反応させる工程である。   In the production method of the present invention, in the second step, a polyphenol compound having 3 or 4 phenolic hydroxyl groups and / or a polythiophenol compound having 3 or 4 thiophenolic mercapto groups in the molecule is converted into a polyphenol compound. The number of moles of halogen groups in the oligomer produced in the first step is equal to or more than the number of moles of phenolic hydroxyl groups and / or thiophenolic mercapto groups in the polythiophenol compound, It is a step of reacting with the oligomer produced in the first step.

本発明において、ポリフェノール化合物のフェノール性水酸基および/またはポリチオフェノール化合物のチオフェノール性メルカプト基に対して、式(1)で表されるオリゴマーのハロゲン基末端は等モル以上にすることで、ポリフェノール化合物のフェノール性水酸基および/またはポリチオフェノール化合物のチオフェノール性メルカプト基を全て反応させることができる。未反応のフェノール性水酸基および/またはチオフェノール性メルカプト基が残存していると、メタノール透過の抑制などの効果が得られにくくなる。   In the present invention, the end of the halogen group of the oligomer represented by formula (1) is equimolar or more with respect to the phenolic hydroxyl group of the polyphenol compound and / or the thiophenolic mercapto group of the polythiophenol compound. All of the phenolic hydroxyl group of the compound and / or the thiophenolic mercapto group of the polythiophenol compound can be reacted. If unreacted phenolic hydroxyl groups and / or thiophenolic mercapto groups remain, it becomes difficult to obtain effects such as suppression of methanol permeation.

上記オリゴマーのハロゲン基のモル数に対する、ポリフェノール化合物フェノール性水酸基および/またはポリチオフェノール化合物のチオフェノール性メルカプト基のモル数の比は、1以下であればよいが、0.2〜0.8の範囲であることがより好ましく、0.2〜0.6の範囲であることがさらに好ましい。1に近づくとゲル化が起きやすくなったりすることがあるためである。また0.2以下ではポリマー特性が十分に改良されない場合がある。   The ratio of the number of moles of the phenolic hydroxyl group of the polyphenol compound and / or the thiophenolic mercapto group of the polythiophenol compound to the number of moles of the halogen group of the oligomer may be 1 or less, but 0.2 to 0.8 Is more preferable, and the range of 0.2 to 0.6 is more preferable. This is because gelation tends to occur as the value approaches 1. On the other hand, if it is 0.2 or less, the polymer properties may not be sufficiently improved.

ポリフェノール化合物またはポリチオフェノール化合物は、分子中に3個または4個のフェノール性水酸基またはチオフェノール性メルカプト基を有する化合物を表す。そのような化合物であれば公知の任意の化合物を用いることができる。これらに限定されるものではないが、上記化学式(22)〜(28)の化合物を用いることが好ましく、中でも、化学式(22)、(23)または(27)で表される化合物であると、高重合度のポリマーを得やすいので好ましく、化学式(25)で表される化合物であると耐酸化性が向上するので好ましく、化学式(28)で表される化合物であると、少量で優れた効果を発揮するので好ましい。これらの中でもさらに好ましいのは化学式(22)、(23)または(27)で表される化合物である。   The polyphenol compound or polythiophenol compound represents a compound having 3 or 4 phenolic hydroxyl groups or thiophenolic mercapto groups in the molecule. Any known compound can be used as long as it is such a compound. Although it is not limited to these, It is preferable to use the compound of the said Chemical formula (22)-(28), and when it is a compound represented by Chemical formula (22), (23) or (27) especially, It is preferable because a polymer having a high degree of polymerization can be easily obtained. A compound represented by the chemical formula (25) is preferable because oxidation resistance is improved. A compound represented by the chemical formula (28) is excellent in a small amount. Is preferable. Of these, compounds represented by the chemical formula (22), (23) or (27) are more preferable.

第二工程において、重合反応終了後は、反応溶液より蒸発によって溶媒を除去し、必要に応じて残留物を洗浄することによって、所望のポリマーが得られる。また、反応溶液を、ポリマーの溶解度が低い溶媒中に加えることによって、ポリマーを固体として沈殿させ、沈殿物の濾取によりポリマーを得ることもできる。ポリマーの溶解度が低い溶媒としては、水、アセトンなどを挙げることができる。また副生する塩類を濾過によって取り除いてポリマー溶液を得ることもできる。   In the second step, after completion of the polymerization reaction, the solvent is removed from the reaction solution by evaporation, and the residue is washed as necessary to obtain the desired polymer. In addition, the polymer can be obtained by precipitating the polymer as a solid by adding the reaction solution in a solvent having low polymer solubility, and collecting the precipitate by filtration. Examples of the solvent having low polymer solubility include water and acetone. In addition, a polymer solution can be obtained by removing by-product salts by filtration.

(物性)
また、本発明におけるスルホン酸基含有ポリマーは、後で述べる方法により測定したポリマー対数粘度が0.1以上であることが好ましい。対数粘度が0.1dL/gよりも小さいと、イオン交換膜として成形したときに、膜が脆くなりやすくなる。対数粘度は、0.3dL/g以上であることがさらに好ましく、1.0dL/g以上であることがなお好ましい。一方、対数粘度が3dL/gを越えると、ポリマーの溶解が困難になるなど、加工性での問題が出てくるので好ましくない。なお、対数粘度を測定する溶媒としては、一般にN−メチルピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミドなどの極性有機溶媒を使用することができるが、これらに溶解性が低い場合には濃硫酸を用いて測定することもできる。
(Physical properties)
Further, the sulfonic acid group-containing polymer in the present invention preferably has a polymer log viscosity measured by a method described later of 0.1 or more. When the logarithmic viscosity is less than 0.1 dL / g, the membrane tends to become brittle when molded as an ion exchange membrane. The logarithmic viscosity is more preferably 0.3 dL / g or more, still more preferably 1.0 dL / g or more. On the other hand, if the logarithmic viscosity exceeds 3 dL / g, problems in processability such as difficulty in dissolving the polymer occur, which is not preferable. As a solvent for measuring the logarithmic viscosity, polar organic solvents such as N-methylpyrrolidone and N, N-dimethylacetamide can be generally used. When the solubility in these is low, concentrated sulfuric acid is used. It can also be measured.

本発明におけるスルホン酸基含有ポリマーのイオン交換容量は、0.1meq/gであることが好ましいが、3.5meq/g以下であることがさらに好ましい。イオン交換容量が小さくなるとプロトン伝導性が低下するため好ましくない。イオン交換容量が大きくなると、プロトン伝導性は増大するが、同時に膜が膨潤したり、水に溶解してしまったりする問題が起きやすくなる。より好ましい範囲としては0.5〜2.5meq/g、さらに好ましい範囲としては、0.8〜1.8meq/gを挙げることができる。   The ion exchange capacity of the sulfonic acid group-containing polymer in the present invention is preferably 0.1 meq / g, more preferably 3.5 meq / g or less. A small ion exchange capacity is not preferable because proton conductivity decreases. As the ion exchange capacity increases, proton conductivity increases, but at the same time, problems such as membrane swelling and water dissolution are likely to occur. A more preferred range is 0.5 to 2.5 meq / g, and a further preferred range is 0.8 to 1.8 meq / g.

(用途)
本発明におけるスルホン酸基含有ポリマーは、単体として使用することができるが、他のポリマーとの組み合わせによる樹脂組成物として使用することもできる。これらのポリマーとしては、例えばポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレートなどのポリエステル類、ナイロン6、ナイロン6,6、ナイロン6,10、ナイロン12などのポリアミド類、ポリメチルメタクリレート、ポリメタクリル酸エステル類、ポリメチルアクリレート、ポリアクリル酸エステル類などのアクリレート系樹脂、ポリアクリル酸系樹脂、ポリメタクリル酸系樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレンやジエン系ポリマーを含む各種ポリオレフィン、ポリウレタン系樹脂、酢酸セルロース、エチルセルロースなどのセルロース系樹脂、ポリアリレート、アラミド、ポリカーボネート、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンオキシド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリベンズイミダゾール、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾールなどの芳香族系ポリマー、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ノボラック樹脂、ベンゾオキサジン樹脂などの熱硬化性樹脂等、特に制限はない。ポリベンズイミダゾールやポリビニルピリジンなどの塩基性ポリマーとの樹脂組成物は、ポリマー寸法性の向上のために好ましい組み合わせといえる。これらの塩基性ポリマー中に、さらにスルホン酸基を導入しておくと、組成物の加工性がより好ましいものとなる。これら樹脂組成物として使用する場合には、本発明のスルホン酸基含有ポリマーは、樹脂組成物全体の50質量%以上100質量%未満含まれていることが好ましい。より好ましくは70質量%以上100質量%未満である。本発明のスルホン酸基含有ポリマーの含有量が樹脂組成物全体の50質量%未満の場合には、この樹脂組成物を含むイオン交換膜のスルホン酸基濃度が低くなり良好なイオン伝導性が得られない傾向にあり、また、スルホン酸基を含有するユニットが非連続相となり伝導するイオンの移動度が低下する傾向にある。なお、本発明の組成物は、必要に応じて、例えば酸化防止剤、熱安定剤、滑剤、粘着付与剤、可塑剤、架橋剤、粘度調整剤、静電気防止剤、抗菌剤、消泡剤、分散剤、重合禁止剤、などの各種添加剤を含んでいても良い。
(Use)
The sulfonic acid group-containing polymer in the present invention can be used as a simple substance, but can also be used as a resin composition in combination with other polymers. Examples of these polymers include polyesters such as polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate and polyethylene naphthalate, polyamides such as nylon 6, nylon 6,6, nylon 6,10 and nylon 12, polymethyl methacrylate and polymethacrylate. Acrylate resins such as polymethyl acrylate, polyacrylic acid esters, polyacrylic acid resins, polymethacrylic acid resins, polyethylene, polypropylene, various polyolefins including polystyrene and diene polymers, polyurethane resins, cellulose acetate, Cellulosic resins such as ethyl cellulose, polyarylate, aramid, polycarbonate, polyphenylene sulfide, polyphenylene oxide, polysulfone, polyether Heat curing of aromatic polymers such as sulfone, polyether ether ketone, polyether imide, polyimide, polyamide imide, polybenzimidazole, polybenzoxazole, polybenzthiazole, epoxy resin, phenol resin, novolac resin, benzoxazine resin There are no particular restrictions on the conductive resin. A resin composition with a basic polymer such as polybenzimidazole or polyvinylpyridine can be said to be a preferred combination for improving polymer dimensionality. If a sulfonic acid group is further introduced into these basic polymers, the processability of the composition becomes more preferable. When used as these resin compositions, the sulfonic acid group-containing polymer of the present invention is preferably contained in an amount of 50% by mass or more and less than 100% by mass of the entire resin composition. More preferably, it is 70 mass% or more and less than 100 mass%. When the content of the sulfonic acid group-containing polymer of the present invention is less than 50% by mass of the whole resin composition, the sulfonic acid group concentration of the ion exchange membrane containing this resin composition is lowered, and good ion conductivity is obtained. In addition, the unit containing a sulfonic acid group tends to be a discontinuous phase and the mobility of ions to be conducted tends to be lowered. In addition, the composition of the present invention, if necessary, for example, an antioxidant, a heat stabilizer, a lubricant, a tackifier, a plasticizer, a crosslinking agent, a viscosity modifier, an antistatic agent, an antibacterial agent, an antifoaming agent, Various additives such as a dispersant and a polymerization inhibitor may be included.

本発明におけるスルホン酸基含有ポリマーおよびその樹脂組成物は、適当な溶媒に溶解して、溶液組成物とすることもできる。この溶媒としては、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、N−メチル−2−ピロリドン、ヘキサメチルホスホンアミドなどの非プロトン性極性溶媒や、メタノール、エタノール等のアルコール類から適切なものを選ぶことができるがこれらに限定されるものではない。これらの溶媒は、可能な範囲で複数を混合して使用してもよい。溶液中の化合物濃度は0.1〜50質量%の範囲であることが好ましい。溶液中の化合物濃度が0.1質量%未満であると良好な成形物を得るのが困難となる傾向にあり、50質量%を超えると加工性が悪化する傾向にある。   The sulfonic acid group-containing polymer and the resin composition thereof in the present invention can be dissolved in an appropriate solvent to form a solution composition. Examples of the solvent include aprotic polar solvents such as N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, N-methyl-2-pyrrolidone and hexamethylphosphonamide, and alcohols such as methanol and ethanol. An appropriate one can be selected, but is not limited thereto. A plurality of these solvents may be used as a mixture within a possible range. The compound concentration in the solution is preferably in the range of 0.1 to 50% by mass. If the compound concentration in the solution is less than 0.1% by mass, it tends to be difficult to obtain a good molded product, and if it exceeds 50% by mass, the workability tends to deteriorate.

本発明のイオン交換膜は、本発明のスルホン酸基含有イオン交換樹脂を含む組成物から、押し出し、圧延またはキャストなど任意の方法で得ることができる。中でも適当な溶媒に溶解した溶液から成形することが好ましい。溶液から成形体を得る方法は従来から公知の方法を用いて行うことができる。例えば、加熱、減圧乾燥、ポリマーを溶解する溶媒と混和することができるポリマーを溶解しない溶媒への浸漬等によって、溶媒を除去し成形体を得ることができる。ポリマーを溶解しない溶媒としては、水などが挙げられるがこれらに限定されるものではない。溶媒が、有機溶媒の場合には、加熱または減圧乾燥によって溶媒を留去させることが好ましい。この際、必要に応じて他の化合物と複合された形で成形することもできる。溶解挙動が類似する化合物と組み合わせた場合には、良好な成形ができる点で好ましい。このようにして得られた成形体中のスルホン酸基は陽イオン種との塩の形のものを含んでいても良いが、必要に応じて酸処理することによりフリーのスルホン酸基に変換することもできる。ポリマー中のスルホン酸基は、高温では分解しやすくなるため、加工においては、Na、Kなどのアルカリ金属塩にしておくとスルホン酸基の熱安定性が向上し、加熱時の分解を抑制することができる。   The ion exchange membrane of the present invention can be obtained from the composition containing the sulfonic acid group-containing ion exchange resin of the present invention by any method such as extrusion, rolling or casting. Among these, it is preferable to mold from a solution dissolved in an appropriate solvent. A method of obtaining a molded body from a solution can be performed using a conventionally known method. For example, the molded product can be obtained by removing the solvent by heating, drying under reduced pressure, or immersing in a solvent that does not dissolve the polymer that can be mixed with the solvent that dissolves the polymer. Examples of the solvent that does not dissolve the polymer include water, but are not limited thereto. When the solvent is an organic solvent, it is preferable to distill off the solvent by heating or drying under reduced pressure. At this time, if necessary, it can be molded in a form combined with other compounds. When combined with a compound having a similar dissolution behavior, it is preferable in that good molding can be achieved. The sulfonic acid group in the molded article thus obtained may contain a salt form with a cationic species, but it is converted to a free sulfonic acid group by acid treatment if necessary. You can also. Since the sulfonic acid group in the polymer is easily decomposed at high temperatures, the heat stability of the sulfonic acid group is improved when processing with alkali metal salts such as Na and K, and decomposition during heating is suppressed. be able to.

本発明におけるスルホン酸基含有ポリマーおよびその樹脂組成物からイオン交換膜を成形する手法として最も好ましいのは、溶液からのキャストであり、キャストした溶液から上記のように溶媒を除去してイオン交換膜を得ることができる。当該溶液としてはN−メチルピロリドン、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド等の有機溶媒を用いた溶液や、場合によってはアルコール系溶媒等も挙げることができる。溶媒の除去は、乾燥によることがイオン交換膜の均一性からは好ましい。また、化合物や溶媒の分解や変質を避けるため、減圧下できるだけ低い温度で乾燥することもできる。また、溶液の粘度が高い場合には、基板や溶液を加熱して高温でキャストすると溶液の粘度が低下して容易にキャストすることができる。キャストする際の溶液の厚みは特に制限されないが、10〜2000μmであることが好ましい。より好ましくは50〜1500μmである。溶液の厚みが10μmよりも薄いとイオン交換膜としての形態を保てなくなる傾向にあり、2000μmよりも厚いと不均一な膜ができやすくなる傾向にある。溶液のキャスト厚を制御する方法は公知の方法を用いることができる。例えば、アプリケーター、ドクターブレードなどを用いて一定の厚みにしたり、ガラスシャーレなどを用いてキャスト面積を一定にして溶液の量や濃度で厚みを制御することができる。キャストした溶液は、溶媒の除去速度を調整することでより均一な膜を得ることができる。例えば、加熱する場合には最初の段階では低温にして蒸発速度を下げたりすることができる。また、水などの非溶媒に浸漬する場合には、溶液を空気中や不活性ガス中に適当な時間放置しておくなどして化合物の凝固速度を調整することができる。イオン交換膜として使用する場合、膜中のスルホン酸基は金属塩になっているものを含んでいても良いが、適当な酸処理によりフリーのスルホン酸に変換することもできる。この場合、硫酸、塩酸、等の水溶液中に加熱下あるいは加熱せずに膜を浸漬処理することで行うことも効果的である。   The most preferable method for forming an ion exchange membrane from a sulfonic acid group-containing polymer and a resin composition thereof in the present invention is casting from a solution, and the solvent is removed from the cast solution as described above to remove the ion exchange membrane. Can be obtained. Examples of the solution include a solution using an organic solvent such as N-methylpyrrolidone, N, N-dimethylformamide, and dimethyl sulfoxide, and in some cases, an alcohol solvent. The removal of the solvent is preferably by drying in view of the uniformity of the ion exchange membrane. Moreover, in order to avoid decomposition | disassembly and alteration of a compound or a solvent, it can also dry at the lowest temperature possible under reduced pressure. Further, when the viscosity of the solution is high, when the substrate or the solution is heated and cast at a high temperature, the viscosity of the solution is lowered and the casting can be easily performed. The thickness of the solution at the time of casting is not particularly limited, but is preferably 10 to 2000 μm. More preferably, it is 50-1500 micrometers. If the thickness of the solution is thinner than 10 μm, the form as an ion exchange membrane tends to be not maintained, and if it is thicker than 2000 μm, a non-uniform film tends to be easily formed. As a method for controlling the cast thickness of the solution, a known method can be used. For example, the thickness can be controlled with the amount and concentration of the solution with a constant thickness using an applicator, a doctor blade, or the like, and with a cast area constant using a glass petri dish or the like. The cast solution can obtain a more uniform film by adjusting the solvent removal rate. For example, in the case of heating, the evaporation rate can be reduced by lowering the temperature in the first stage. In addition, when immersed in a non-solvent such as water, the coagulation rate of the compound can be adjusted by leaving the solution in air or an inert gas for an appropriate time. When used as an ion exchange membrane, the sulfonic acid group in the membrane may contain a metal salt, but can be converted to free sulfonic acid by an appropriate acid treatment. In this case, it is also effective to immerse the membrane in an aqueous solution of sulfuric acid, hydrochloric acid, or the like with or without heating.

本発明におけるイオン交換膜は任意の厚みにすることができるが、10μm以下だと所定の特性を満たすことが困難になるので10μm以上であることが好ましく、20μm以上であることがより好ましい。また、300μm以上になると製造が困難になるため、300μm以下であることが好ましい。より好ましい範囲としては20〜100μmの範囲内であり、20〜50μmの範囲であるとさらに好ましい。   The ion exchange membrane in the present invention can be of any thickness, but if it is 10 μm or less, it becomes difficult to satisfy the predetermined characteristics, so that it is preferably 10 μm or more, and more preferably 20 μm or more. Moreover, since manufacture will become difficult when it becomes 300 micrometers or more, it is preferable that it is 300 micrometers or less. A more preferable range is within a range of 20 to 100 μm, and a more preferable range is 20 to 50 μm.

本発明の膜/電極接合体は、本発明のイオン交換膜を電極と接合することによって得ることができる。この接合体の作製方法としては、従来から公知の方法を用いて行うことができ、例えば、電極表面に接着剤を塗布しイオン交換膜と電極とを接着する方法またはイオン交換膜と電極とを加熱加圧する方法や、予めイオン交換膜を水などで膨潤させておいてから電極と接合する方法等がある。この中でも本発明におけるスルホン酸基含有ポリマーおよびその樹脂組成物を主成分とした接着剤を電極表面に塗布して接着する方法が好ましい。イオン交換膜と電極との接着性が向上し、また、イオン交換膜のプロトン伝導性を損なうことが少なくなると考えられるためである。   The membrane / electrode assembly of the present invention can be obtained by bonding the ion exchange membrane of the present invention to an electrode. As a method for producing this joined body, a conventionally known method can be used. For example, an adhesive is applied to the electrode surface to bond the ion exchange membrane and the electrode, or an ion exchange membrane and the electrode. There are a method of heating and pressurizing, a method of pre-swelling the ion exchange membrane with water or the like, and then joining the electrode. Among these, the method of applying and bonding an adhesive mainly composed of the sulfonic acid group-containing polymer and the resin composition thereof to the electrode surface is preferred. This is because the adhesion between the ion exchange membrane and the electrode is improved, and it is considered that the proton conductivity of the ion exchange membrane is less impaired.

本発明の燃料電池は、本発明のイオン交換樹脂膜またはイオン交換膜を用いて作製することができる。燃料電池用のプロトン交換膜に用いるには、スルホン酸基が遊離の酸であるとプロトン伝導性が高まるため好ましい。本発明のイオン交換膜は、固体高分子形燃料電池に適しているが、中でもメタノールを燃料とするダイレクトメタノール型燃料電池により適している。また、ジメチルエーテル、水素など他の物質を燃料として用いる燃料電池にも好適に用いることができ、電解膜、分離膜など、イオン交換膜として公知の任意の用途に用いることができる。   The fuel cell of the present invention can be produced using the ion exchange resin membrane or the ion exchange membrane of the present invention. For use in a proton exchange membrane for a fuel cell, it is preferable that the sulfonic acid group is a free acid because proton conductivity increases. The ion exchange membrane of the present invention is suitable for a polymer electrolyte fuel cell, but is particularly suitable for a direct methanol fuel cell using methanol as a fuel. Moreover, it can be used suitably also for the fuel cell which uses other substances, such as dimethyl ether and hydrogen, as a fuel, and can be used for arbitrary uses known as ion exchange membranes, such as an electrolytic membrane and a separation membrane.

以下本発明を、実施例を用いて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されることはない。なお、各種測定は次のように行った。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated concretely using an Example, this invention is not limited to these Examples. Various measurements were performed as follows.

対数粘度:ポリマー粉末を0.5g/dlの濃度でN−メチルピロリドンに溶解し、30℃の恒温槽中でウベローデ型粘度計を用いて粘度測定を行い、対数粘度ln[ta/tb]/c)で評価した(taは試料溶液の落下秒数、tbは溶媒のみの落下秒数、cはポリマー濃度)。   Logarithmic viscosity: The polymer powder was dissolved in N-methylpyrrolidone at a concentration of 0.5 g / dl, and the viscosity was measured using a Ubbelohde viscometer in a constant temperature bath at 30 ° C., and the logarithmic viscosity ln [ta / tb] / Evaluation was made in c) (ta is the number of seconds that the sample solution was dropped, tb was the number of seconds that the solvent was dropped, and c was the polymer concentration).

プロトン伝導性:自作測定用プローブ(テフロン(登録商標)製)上で短冊状膜試料の表面に白金線(直径:0.2mm)を押しあて、25℃の水中に試料を保持し、白金線間のインピーダンスをSOLARTRON社1250FREQUENCY RESPONSE ANALYSERにより測定した。極間距離を変化させて測定し、極間距離とC−Cプロットから見積もられる抵抗測定値をプロットした勾配から以下の式により膜と白金線間の接触抵抗をキャンセルした導電率を算出した。
導電率[S/cm]=1/膜幅[cm]×膜厚[cm]×抵抗極間勾配[Ω/cm]。
Proton conductivity: A platinum wire (diameter: 0.2 mm) is pressed against the surface of a strip-shaped membrane sample on a self-made measurement probe (manufactured by Teflon (registered trademark)), and the sample is held in water at 25 ° C. The impedance between them was measured by SOLARTRON 1250 FREQUENCY RESPONSE ANALYSER. The measurement was performed while changing the distance between the electrodes, and the conductivity obtained by canceling the contact resistance between the film and the platinum wire was calculated from the gradient obtained by plotting the distance measured between the electrodes and the resistance measurement value estimated from the CC plot.
Conductivity [S / cm] = 1 / film width [cm] × film thickness [cm] × resistance interelectrode gradient [Ω / cm].

メタノール透過性:イオン交換膜の液体燃料透過速度はメタノールの透過速度として、以下の方法で測定した。25℃に調整した5M(モル/リットル)のメタノール水溶液に24時間浸漬したイオン交換膜をH型セルに挟み込み、セルの片側に100mlの5Mメタノール水溶液を、他方のセルに100mlの超純水(18MΩ・cm)を注入し、25℃で両側のセルを撹拌しながら、イオン交換膜を通って超純水中に拡散してくるメタノール量を、ガスクロマトグラフを用いて測定することで算出した(イオン交換膜の面積は、2.0cm)。得られたメタノール透過速度とサンプルの膜厚から、メタノール透過係数を求めた。 Methanol permeability: The liquid fuel permeation rate of the ion exchange membrane was measured as the methanol permeation rate by the following method. An ion exchange membrane immersed in a 5 M (mol / liter) aqueous methanol solution adjusted to 25 ° C. for 24 hours is sandwiched in an H-type cell, 100 ml of 5 M aqueous methanol solution is placed on one side of the cell, and 100 ml of ultrapure water ( 18 MΩ · cm) was injected, and the amount of methanol diffusing into the ultrapure water through the ion-exchange membrane while stirring the cells on both sides at 25 ° C. was calculated using a gas chromatograph ( The area of the ion exchange membrane is 2.0 cm 2 ). A methanol permeability coefficient was determined from the obtained methanol permeation rate and the film thickness of the sample.

発電評価:Pt/Ru触媒担持カーボン(田中貴金属工業株式会社TEC61E54)に少量の超純水およびイソプロピルアルコールを加えて湿らせた後、デュポン社製20%ナフィオン溶液(品番:SE−20192)を、Pt/Ru触媒担持カーボンとナフィオンの重量比が2.5:1になるように加えた。次いで撹拌してアノード用触媒ペーストを調製した。この触媒ペーストを、ガス拡散層となる東レ製カーボンペーパーTGPH−060に白金の付着量が2mg/cmになるようにスクリーン印刷により塗布乾燥して、アノード用電極触媒層付きカーボンペーパーを作製した。また、Pt触媒担持カーボン(田中貴金属工業株式会社TEC10V40E)に少量の超純水およびイソプロピルアルコールを加えて湿らせた後、デュポン社製20%ナフィオン溶液(品番:SE−20192)を、Pt触媒担持カーボンとナフィオンの重量比が2.5:1となるように加え、撹拌してカソード用触媒ペーストを調製した。この触媒ペーストを、撥水加工を施した東レ製カーボンペーパーTGPH−060に白金の付着量が1mg/cmとなるように塗布・乾燥して、カソード用電極触媒層付きカーボンペーパーを作製した。上記2種類の電極触媒層付きカーボンペーパーの間に、膜試料を、電極触媒層が膜試料に接するように挟み、ホットプレス法により130℃、8MPaにて3分間加圧、加熱することにより、膜−電極接合体とした。この接合体をElectrochem社製評価用燃料電池セルFC25−02SPに組み込み、燃料電池発電試験機(株式会社東陽テクニカ製)を用いて発電試験を行った。発電は、セル温度40℃で、アノードおよびカソードにそれぞれ40℃に調整した高純度空気ガス(80ml/min)と、5mol/Lのメタノール水溶液(1.5ml/min)とを供給しながら行った。電流密度が0.01A/cmにおける出力電圧を評価した。 Power generation evaluation: After adding and dampening a small amount of ultrapure water and isopropyl alcohol to Pt / Ru catalyst-supporting carbon (TEC 61E54, Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.), a DuPont 20% Nafion solution (product number: SE-20192) The Pt / Ru catalyst-supported carbon and Nafion were added so that the weight ratio was 2.5: 1. Next, stirring was performed to prepare an anode catalyst paste. The catalyst paste was applied to Toray carbon paper TGPH-060 to be a gas diffusion layer by screen printing so that the adhesion amount of platinum was 2 mg / cm 2, and a carbon paper with an electrode catalyst layer for anode was produced. . Further, after adding a small amount of ultrapure water and isopropyl alcohol to a Pt catalyst-supporting carbon (Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd. TEC10V40E) and moistening it, a DuPont 20% Nafion solution (product number: SE-20192) is added to the Pt catalyst-supporting carbon. A cathode catalyst paste was prepared by adding carbon and Nafion at a weight ratio of 2.5: 1 and stirring. This catalyst paste was applied and dried on Toray carbon paper TGPH-060 that had been subjected to water-repellent treatment so that the amount of platinum deposited was 1 mg / cm 2 , thereby producing a carbon paper with an electrode catalyst layer for cathode. By sandwiching the membrane sample between the two types of carbon paper with the electrode catalyst layer so that the electrode catalyst layer is in contact with the membrane sample, pressurizing and heating at 130 ° C. and 8 MPa for 3 minutes by a hot press method, A membrane-electrode assembly was obtained. This joined body was incorporated into an evaluation fuel cell FC25-02SP manufactured by Electrochem, and a power generation test was performed using a fuel cell power generation tester (manufactured by Toyo Corporation). Power generation was performed at a cell temperature of 40 ° C. while supplying high purity air gas (80 ml / min) adjusted to 40 ° C. and a 5 mol / L aqueous methanol solution (1.5 ml / min) to the anode and the cathode, respectively. . The output voltage at a current density of 0.01 A / cm 2 was evaluated.

イオン交換容量:100℃で1時間乾燥し、窒素雰囲気下室温で一晩放置した試料の重量をはかり、水酸化ナトリウム水溶液と撹拌処理した後、塩酸水溶液による逆滴定でイオン交換容量を求めた。   Ion exchange capacity: A sample dried for 1 hour at 100 ° C. and allowed to stand overnight at room temperature in a nitrogen atmosphere was weighed, stirred with an aqueous sodium hydroxide solution, and then ion exchange capacity was determined by back titration with an aqueous hydrochloric acid solution.

<実施例1>
まず、第一工程にて化学式(1)で表される部分の合成を行った。3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン(略号:S−DCDPS)9.971g(20.30mmol)、2,6−ジクロロベンゾニトリル(略号:DCBN)8.147g(47.36mol)、4,4’−ジヒドロキシビフェニル(略号:BP)12.347g(66.31mmol)、炭酸カリウム10.539g(76.25mmol)、乾燥したモレキュラーシーブ3−A 7gを200ml四つ口フラスコに計り取り、窒素を流した。
<Example 1>
First, the portion represented by the chemical formula (1) was synthesized in the first step. Sodium 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenylsulfone (abbreviation: S-DCDPS) 9.971 g (20.30 mmol), 2,6-dichlorobenzonitrile (abbreviation: DCBN) 8.147 g (47 .36 mol), 4,4′-dihydroxybiphenyl (abbreviation: BP) 12.347 g (66.31 mmol), potassium carbonate 10.539 g (76.25 mmol), and dried molecular sieve 3-A 7 g in a 200 ml four-necked flask. And then flushed with nitrogen.

これに、80mlのN−メチル−2−ピロリドン(略号:NMP)を入れて、150℃で30分撹拌した後、反応温度を195〜200℃に上昇させて8時間反応させた。(i)実施例1における、芳香族ジハロゲン化合物に対する、ビスフェノール化合物および/またはビスチオフェノール化合物のモル比は、芳香族ジハロゲン化合物であるS−DCDPSとDCBNのモル数の合計67.66mmolと、ビスフェノール化合物であるBPのモル数66.31mmolの比で表され、0.98である。次に、第二工程にて第一工程で合成したオリゴマ−をポリチオフェノール化合物と反応させた。その後放冷して温度が150℃になったときに、トリチオシアヌル酸(略号:TCA)0.152g(0.86mmol)を加えて放冷しながら10時間攪拌し、その後加熱温度を再び195〜200℃に上昇させて8時間反応させた。(ii)実施例1における、化学式(1)で表される構造のモル数(o)は、S−DCDPS、DCBN、BPの仕込み量から反応によって末端基が全てクロロ基になったとして、S−DCDPSとDCBNのモル数の合計からBPのモル数を差し引いて、o=1.35mmolと求めることができる。また、3価または4価の芳香族基(Ar)のモル数(p)は、TCAの仕込み量からp=0.86mmolである。よってp/oは0.86/1.35=0.64と求められる。(iii)また、化学式(1)で表される構造を合成するため第一の工程で得られたオリゴマ−におけるハロゲン基のモル数は、上記の化学式(1)で表される構造1つあたりに2個のハロゲン基が含まれていることから、1.35×2=2.70mmolと求めることができる。一方、ポリフェノール化合物のフェノール性水酸基および/またはポリチオフェノール化合物のチオフェノール性メルカプト基のモル数は、TCAの場合、一分子中にメルカプト基を3個有することから、0.86×3=2.58mmolと求められる。以上より、前記第1工程で得られたオリゴマー中のハロゲン基のモル数に対する、前記ポリフェノール化合物のフェノール性水酸基および/またはポリチオフェノール化合物のチオフェノール性メルカプト基のモル数の比は、2.58/2.70=0.96と求められる。 To this, 80 ml of N-methyl-2-pyrrolidone (abbreviation: NMP) was added and stirred at 150 ° C. for 30 minutes, and then the reaction temperature was raised to 195 to 200 ° C. and reacted for 8 hours. (I) The molar ratio of the bisphenol compound and / or bisthiophenol compound to the aromatic dihalogen compound in Example 1 is 67.66 mmol in total of the number of moles of S-DCDPS and DCBN, which are aromatic dihalogen compounds, and bisphenol It is represented by a ratio of 66.31 mmol of BP which is a compound, and is 0.98. Next, the oligomer synthesized in the first step in the second step was reacted with the polythiophenol compound. Thereafter, the mixture was allowed to cool and when the temperature reached 150 ° C., 0.152 g (0.86 mmol) of trithiocyanuric acid (abbreviation: TCA) was added and stirred for 10 hours while cooling, and then the heating temperature was again changed to 195 to 200. The temperature was raised to 0 ° C. and reacted for 8 hours. (Ii) The number of moles (o) of the structure represented by the chemical formula (1) in Example 1 is calculated based on the fact that all terminal groups are converted to chloro groups by reaction from the charged amounts of S-DCDPS, DCBN, and BP. -By subtracting the number of moles of BP from the total number of moles of DCDPS and DCBN, it can be determined that o = 1.35 mmol. The number of moles (p) of the trivalent or tetravalent aromatic group (Ar 5 ) is p = 0.86 mmol from the amount of TCA charged. Therefore, p / o is obtained as 0.86 / 1.35 = 0.64. (Iii) In addition, the number of moles of halogen groups in the oligomer obtained in the first step for synthesizing the structure represented by the chemical formula (1) is as follows per structure represented by the chemical formula (1). Since two halogen groups are contained in 1.35 × 2 = 2.70 mmol, it can be determined. On the other hand, since the number of moles of the phenolic hydroxyl group of the polyphenol compound and / or the thiophenolic mercapto group of the polythiophenol compound has three mercapto groups in one molecule in the case of TCA, 0.86 × 3 = 2 .58 mmol. From the above, the ratio of the number of moles of the phenolic hydroxyl group of the polyphenol compound and / or the thiophenolic mercapto group of the polythiophenol compound to the number of moles of the halogen group in the oligomer obtained in the first step is 2. 58 / 2.70 = 0.96.

その後、沈降しているモレキュラーシーブを除いて水中にストランド状に沈殿させた。得られたポリマーは、沸騰水中で1時間洗浄した後、乾燥した。ポリマーの対数粘度は0.97dL/gを示した。ポリマー10gをNMP30mlに溶解し、ホットプレート上ガラス板に約600μm厚にキャストして80℃で1時間、120℃で1時間、150℃で1時間加熱した後、窒素雰囲気の150℃のオーブン中で1時間乾燥し、ガラス板からフィルムを剥離した。   Thereafter, the precipitated molecular sieve was removed, and the resultant was precipitated in water in a strand shape. The obtained polymer was washed in boiling water for 1 hour and then dried. The logarithmic viscosity of the polymer was 0.97 dL / g. 10 g of polymer is dissolved in 30 ml of NMP, cast on a glass plate on a hot plate to a thickness of about 600 μm, heated at 80 ° C. for 1 hour, 120 ° C. for 1 hour, 150 ° C. for 1 hour, and then in an oven at 150 ° C. in a nitrogen atmosphere. And dried for 1 hour to peel the film from the glass plate.

得られたフィルムは室温の純水に1日浸漬した後、2mol/Lの硫酸水溶液に2時間浸漬した。その後、洗浄水が中性になるまでフィルムを純水で洗浄し、空気中に放置して乾燥して、イオン交換膜を得た。得られたイオン交換膜について表1および2に示すような評価を行った。   The obtained film was immersed in pure water at room temperature for 1 day, and then immersed in a 2 mol / L sulfuric acid aqueous solution for 2 hours. Thereafter, the film was washed with pure water until the washing water became neutral, and allowed to stand in the air and dried to obtain an ion exchange membrane. The obtained ion exchange membrane was evaluated as shown in Tables 1 and 2.

<実施例2>
S−DCDPSの量を9.768g(19.88mmol)、DCBNの量を4.353g(25.31mmol)、BPの量を8.246g(44.28mmol)、TCAの量を0.1015g(0.57mmol)、炭酸カリウムの量を7.039g(50.93mmol)に変更した他は、実施例1と同様にしてイオン交換膜を作製し評価を行った。
<Example 2>
The amount of S-DCDPS was 9.768 g (19.88 mmol), the amount of DCBN was 4.353 g (25.31 mmol), the amount of BP was 8.246 g (44.28 mmol), the amount of TCA was 0.1015 g (0 .57 mmol), and an ion exchange membrane was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the amount of potassium carbonate was changed to 7.039 g (50.93 mmol).

また、得られたポリマーのNMRスペクトルを図1に示す。図1より、スルホン酸基の隣のプロトンがaだけでなくjも検出されているので、TCAがポリマー中に導入されていることがわかる。   Moreover, the NMR spectrum of the obtained polymer is shown in FIG. FIG. 1 shows that not only a but also j is detected as the proton next to the sulfonic acid group, so that TCA is introduced into the polymer.

<実施例3>
S−DCDPSの量を10.000g(20.36mmol)、DCBNの量を4.456g(25.91mmol)、BPの量を8.274g(44.43mmol)、炭酸カリウムの量を7.062g(51.10mmol)に変更し、TCAの代わりに1,1,1−トリス(4−ヒドロキシフェニル)エタン(略号:THP)0.1852g(0.60mmol)を用いた他は実施例1と同様にしてポリマーを重合した。
<Example 3>
The amount of S-DCDPS was 10.000 g (20.36 mmol), the amount of DCBN was 4.456 g (25.91 mmol), the amount of BP was 8.274 g (44.43 mmol), and the amount of potassium carbonate was 7.062 g ( 51.10 mmol), except that 0.1852 g (0.60 mmol) of 1,1,1-tris (4-hydroxyphenyl) ethane (abbreviation: THP) was used instead of TCA. The polymer was polymerized.

重合中に溶液の粘度が上昇してきたので10mLのNMPを追加した。その後、沈降しているモレキュラーシーブを除いて水中にストランド状に沈殿させた。得られたポリマーは、沸騰水中で1時間洗浄した後、乾燥した。   As the viscosity of the solution increased during the polymerization, 10 mL of NMP was added. Thereafter, the precipitated molecular sieve was removed, and the resultant was precipitated in water in a strand shape. The obtained polymer was washed in boiling water for 1 hour and then dried.

ポリマーの対数粘度は1.99dL/gだった。ポリマー6gをNMP34gに溶解し、ホットプレート上ガラス板に約600μm厚にキャストして80℃で1時間、120℃で1時間、150℃で1時間加熱した後、窒素雰囲気の150℃のオーブン中で1時間乾燥し、ガラス板からフィルムを剥離した。得られたフィルムは室温の純水に1日浸漬した後、2mol/Lの硫酸水溶液に2時間浸漬した。その後、洗浄水が中性になるまでフィルムを純水で洗浄し、空気中に放置して乾燥して、イオン交換膜を得た。得られたイオン交換膜について評価を行った。   The logarithmic viscosity of the polymer was 1.99 dL / g. 6 g of polymer was dissolved in 34 g of NMP, cast on a glass plate on a hot plate to a thickness of about 600 μm, heated at 80 ° C. for 1 hour, 120 ° C. for 1 hour, 150 ° C. for 1 hour, and then in an oven at 150 ° C. in a nitrogen atmosphere. And dried for 1 hour to peel the film from the glass plate. The obtained film was immersed in pure water at room temperature for 1 day, and then immersed in a 2 mol / L sulfuric acid aqueous solution for 2 hours. Thereafter, the film was washed with pure water until the washing water became neutral, and allowed to stand in the air and dried to obtain an ion exchange membrane. The obtained ion exchange membrane was evaluated.

<実施例4>
DCBNの量を8.170g(47.50mmol)、BPの量を12.135g(65.17mmol)、炭酸カリウムの量を10.358g(74.94mmol)、THPの量を0.2716g(0.89mmol)に変更し、THPは8mLのNMPに溶解して添加した他は実施例1と同様にしてポリマーを重合した。重合中に溶液の粘度が上昇してきたので20mLのNMPを追加した。その後、沈降しているモレキュラーシーブを除いて水中にストランド状に沈殿させた。得られたポリマーは、沸騰水中で1時間洗浄した後、乾燥した。ポリマーの対数粘度は2.64dL/gだった。得られたポリマーから実施例3と同様にしてイオン交換膜を得た。得られたイオン交換膜について評価を行った。
<Example 4>
The amount of DCBN was 8.170 g (47.50 mmol), the amount of BP was 12.135 g (65.17 mmol), the amount of potassium carbonate was 10.358 g (74.94 mmol), and the amount of THP was 0.2716 g (0. The polymer was polymerized in the same manner as in Example 1 except that THP was dissolved in 8 mL of NMP and added. As the viscosity of the solution increased during the polymerization, 20 mL of NMP was added. Thereafter, the precipitated molecular sieve was removed, and the resultant was precipitated in water in a strand shape. The obtained polymer was washed in boiling water for 1 hour and then dried. The logarithmic viscosity of the polymer was 2.64 dL / g. An ion exchange membrane was obtained from the obtained polymer in the same manner as in Example 3. The obtained ion exchange membrane was evaluated.

また、得られたポリマーのNMRスペクトルを図2に、その拡大図を図3に示す。図2および図3より、THP由来のシグナルがjに検出されているので、THPがポリマー中に導入されていることがわかる。   Moreover, the NMR spectrum of the obtained polymer is shown in FIG. 2, and its enlarged view is shown in FIG. 2 and 3, since a signal derived from THP is detected at j, it can be seen that THP is introduced into the polymer.

<実施例5>
BPの量を11.645g(62.53mmol)、炭酸カリウムの量を9.939g(71.91mmol)、THPの量を0.5322g(1.74mmol)に変更した他は実施例1と同様にしてポリマーを重合した。重合中に溶液の粘度が上昇してきたので10mLのNMPを追加した。その後、沈降しているモレキュラーシーブを除いて水中にストランド状に沈殿させた。得られたポリマーは、沸騰水中で1時間洗浄した後、乾燥した。ポリマーの対数粘度は1.73dL/gだった。得られたポリマーから実施例3と同様にしてイオン交換膜を得た。得られたイオン交換膜について評価を行った。
<Example 5>
The procedure of Example 1 was repeated except that the amount of BP was changed to 11.645 g (62.53 mmol), the amount of potassium carbonate was changed to 9.939 g (71.91 mmol), and the amount of THP was changed to 0.5322 g (1.74 mmol). The polymer was polymerized. As the viscosity of the solution increased during the polymerization, 10 mL of NMP was added. Thereafter, the precipitated molecular sieve was removed, and the resultant was precipitated in water in a strand shape. The obtained polymer was washed in boiling water for 1 hour and then dried. The logarithmic viscosity of the polymer was 1.73 dL / g. An ion exchange membrane was obtained from the obtained polymer in the same manner as in Example 3. The obtained ion exchange membrane was evaluated.

また、得られたポリマーのNMRスペクトルを図4に示す。図4より、THP由来のシグナルがjに検出されているので、THPがポリマー中に導入されていることがわかる。   Moreover, the NMR spectrum of the obtained polymer is shown in FIG. FIG. 4 shows that a THP-derived signal is detected in j, so that THP is introduced into the polymer.

<比較例1>
構造が公知である下記のスルホン酸基含有ポリマーを用いて実施例1と同様にして、イオン交換膜を作製し評価を行った。
<Comparative Example 1>
An ion exchange membrane was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 using the following sulfonic acid group-containing polymer having a known structure.

Figure 2006206779
Figure 2006206779

<比較例2>
構造が公知である下記のスルホン酸基含有ポリマーを用いて実施例1と同様にして、イオン交換膜を作製し評価を行った。
<Comparative example 2>
An ion exchange membrane was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 using the following sulfonic acid group-containing polymer having a known structure.

Figure 2006206779
Figure 2006206779

<比較例3>
構造が公知である下記のスルホン酸基含有ポリマーを用いて実施例1と同様にして、イオン交換膜を作製し評価を行った。
<Comparative Example 3>
An ion exchange membrane was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 using the following sulfonic acid group-containing polymer having a known structure.

Figure 2006206779
Figure 2006206779

<比較例4>
市販のイオン交換膜であるナフィオン(商品名)112について各種評価を行った。
<Comparative example 4>
Various evaluations were performed on Nafion (trade name) 112, which is a commercially available ion exchange membrane.

<比較例5>
市販のイオン交換膜であるナフィオン(商品名)117について各種評価を行った。
<Comparative Example 5>
Various evaluations were performed on Nafion (trade name) 117 which is a commercially available ion exchange membrane.

<比較例6>
TCAの量を0.2030g(1.14mmol)に変更した他は、実施例2と同様にして重合を行ったが、TCAを添加した後、加熱温度を再び195〜200℃に上昇させて反応させたが、2時間後に反応溶液がゲル化し、流動性を示さなくなった。
<Comparative Example 6>
Polymerization was carried out in the same manner as in Example 2 except that the amount of TCA was changed to 0.2030 g (1.14 mmol), but after adding TCA, the heating temperature was raised again to 195 to 200 ° C. to react. However, the reaction solution gelled after 2 hours and no longer showed fluidity.

<比較例7>
THPの量を0.8578g(2.80mmol)に変更した他は、実施例4と同様にして重合を行ったが、THPを添加した後、加熱温度を再び195〜200℃に上昇させて反応させたが、1時間後に反応溶液がゲル化し、流動性を示さなくなった。
<Comparative Example 7>
Polymerization was conducted in the same manner as in Example 4 except that the amount of THP was changed to 0.8578 g (2.80 mmol). After adding THP, the reaction was carried out by increasing the heating temperature again to 195 to 200 ° C. However, the reaction solution gelled after 1 hour and no longer showed fluidity.

実施例および比較例のイオン交換膜の評価結果を表1に示す。   Table 1 shows the evaluation results of the ion exchange membranes of Examples and Comparative Examples.

Figure 2006206779
Figure 2006206779

Figure 2006206779
Figure 2006206779

表1からわかるように実施例のイオン交換膜は、同程度のイオン交換容量を有する公知構造のポリマーからなる比較例1〜3のイオン交換膜に対して、同等以上のプロトン伝導性と出力電圧を有しつつ、メタノール透過速度は小さく、高い出力およびプロトン伝導性と、メタノールの透過阻止性を両立できる、優れた膜であることがわかる。また、市販のイオン交換膜であるナフィオン(商品名)112や117に比べて優れた出力電圧を示し、メタノール透過の阻止性が大きく改善されていることがわかる。これらのことから、本発明のスルホン酸基含有ポリマーは、燃料電池用イオン交換膜に用いることによってその特性を大きく改善することができ、産業界に寄与すること大である。   As can be seen from Table 1, the ion exchange membranes of the examples are equivalent to or higher in proton conductivity and output voltage than the ion exchange membranes of Comparative Examples 1 to 3 made of a polymer having a known structure having a comparable ion exchange capacity. It can be seen that this is an excellent membrane that has a low methanol permeation rate and can achieve both high output and proton conductivity and methanol permeation-preventing properties. Moreover, it shows that the output voltage is superior to Nafion (trade name) 112 and 117, which are commercially available ion exchange membranes, and the methanol permeation-preventing property is greatly improved. From these facts, the sulfonic acid group-containing polymer of the present invention can greatly improve its characteristics when used in an ion exchange membrane for fuel cells, and contributes greatly to the industry.

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

本発明における実施例2で合成したポリマー10mgを0.6mLの重水素化ジメチルスルホキシドに溶解し、VARIAN社製UNITY−500を用いて、70℃で測定したH−NMRスペクトルを表す図である。The polymer 10mg synthesized in Example 2 of the present invention was dissolved in deuterated dimethyl sulfoxide 0.6 mL, using a VARIAN Co. UNITY-500, is a diagram showing the 1 H-NMR spectrum was measured at 70 ° C. . 本発明における実施例4で合成したポリマー10mgを0.6mLの重水素化ジメチルスルホキシドに溶解し、VARIAN社製UNITY−500を用いて、70℃で測定したH−NMRスペクトルを表す図である。The polymer 10mg synthesized in Example 4 of the present invention was dissolved in deuterated dimethyl sulfoxide 0.6 mL, using a VARIAN Co. UNITY-500, is a diagram showing the 1 H-NMR spectrum was measured at 70 ° C. . 本発明における実施例4で合成したポリマー10mgを0.6mLの重水素化ジメチルスルホキシドに溶解し、VARIAN社製UNITY−500を用いて、70℃で測定したH−NMRスペクトルを拡大したスペクトルを表す図である。10 mg of the polymer synthesized in Example 4 of the present invention was dissolved in 0.6 mL of deuterated dimethyl sulfoxide, and a spectrum obtained by enlarging a 1 H-NMR spectrum measured at 70 ° C. using UNITY-500 manufactured by VARIAN was obtained. FIG. 本発明における実施例5で合成したポリマー10mgを0.6mLの重水素化ジメチルスルホキシドに溶解し、VARIAN社製UNITY−500を用いて、70℃で測定したH−NMRスペクトルを拡大したスペクトルを表す図である。10 mg of the polymer synthesized in Example 5 in the present invention was dissolved in 0.6 mL of deuterated dimethyl sulfoxide, and a spectrum obtained by enlarging the 1 H-NMR spectrum measured at 70 ° C. using UNITY-500 manufactured by VARIAN was obtained. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

DMSO 重水素化ジメチルスルホキシド中のジメチルスルホキシドに由来するシグナル、HO ポリマーに吸着した水に由来するシグナル、a〜j ポリマーに由来するシグナル。 DMSO Signal derived from dimethyl sulfoxide in deuterated dimethyl sulfoxide, signal derived from water adsorbed on H 2 O polymer, signal from aj polymer.

Claims (22)

下記化学式(1)で表される構造が、3価または4価の芳香族基(Ar)によって互いに連結されて、分岐した構造を有することを特徴とするスルホン酸基含有ポリマー。
Figure 2006206779
化学式(1)中、Xは−S(=O)−基または−C(=O)−基であり、YはH原子または1価の陽イオンであり、ZおよびZはそれぞれ独立してO原子またはS原子のいずれかであり、ArおよびArはそれぞれ独立して2価の芳香族基であり、Arは化学式(2)〜(5)で表される芳香族基のいずれかであり、Arは下記化学式(2)〜(7)で表される芳香族基のいずれかであり、nおよびmは、それぞれ独立して、n+mが5以上になるような1以上の整数である。
Figure 2006206779
化学式(6)および化学式(7)中、YはH原子または1価の陽イオンである。
A sulfonic acid group-containing polymer having a branched structure in which the structure represented by the following chemical formula (1) is linked to each other by a trivalent or tetravalent aromatic group (Ar 5 ).
Figure 2006206779
In the chemical formula (1), X is an —S (═O) 2 — group or —C (═O) — group, Y is an H atom or a monovalent cation, and Z 1 and Z 2 are independent of each other. And Ar 1 and Ar 2 are each independently a divalent aromatic group, and Ar 3 is an aromatic group represented by chemical formulas (2) to (5). Ar 4 is any of the aromatic groups represented by the following chemical formulas (2) to (7), and n and m are each independently 1 such that n + m is 5 or more. It is an integer above.
Figure 2006206779
In chemical formula (6) and chemical formula (7), Y is an H atom or a monovalent cation.
化学式(1)で表される構造のモル数(o)と、Arのモル数(p)とは、0.7>p/o≧0.2であることを特徴とする、請求項1に記載のスルホン酸基含有ポリマー。 The number of moles (o) of the structure represented by the chemical formula (1) and the number of moles (p) of Ar 5 satisfy 0.7> p / o ≧ 0.2. The sulfonic acid group-containing polymer described in 1. n+mが10以上の整数であることを特徴とする、請求項1または2に記載のスルホン酸基含有ポリマー。   n + m is an integer greater than or equal to 10, The sulfonic acid group containing polymer of Claim 1 or 2 characterized by the above-mentioned. ArおよびArが、下記化学式(8)で表される構造であることを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載のスルホン酸基含有ポリマー。
Figure 2006206779
The sulfonic acid group-containing polymer according to claim 1, wherein Ar 1 and Ar 2 have a structure represented by the following chemical formula (8).
Figure 2006206779
Arが、下記化学式(9)〜(15)で表される構造のいずれかであることを特徴とする、請求項1〜4のいずれかに記載のスルホン酸基含有ポリマー。
Figure 2006206779
Ar 5, characterized in that any one of structures represented by the following chemical formula (9) to (15), a sulfonic acid group-containing polymer according to claim 1.
Figure 2006206779
請求項1〜5のいずれかに記載のポリマーを含むことを特徴とするポリマー組成物。   A polymer composition comprising the polymer according to claim 1. 請求項1〜5のいずれかに記載のポリマーを含むことを特徴とするイオン交換樹脂。   An ion exchange resin comprising the polymer according to claim 1. 請求項1〜5のいずれかに記載のポリマーを含むことを特徴とするイオン交換膜。   An ion exchange membrane comprising the polymer according to claim 1. 電極層中および/または電極層とイオン交換膜との接合層中に、請求項1〜5のいずれかに記載のポリマーを含むことを特徴とする燃料電池。   A fuel cell comprising the polymer according to any one of claims 1 to 5 in an electrode layer and / or a bonding layer between an electrode layer and an ion exchange membrane. 電極層中および/または電極層とイオン交換膜との接合層中に、請求項1〜5のいずれかに記載のポリマーを含むことを特徴とする膜/電極接合体。   A membrane / electrode assembly comprising the polymer according to any one of claims 1 to 5 in an electrode layer and / or in a bonding layer between an electrode layer and an ion exchange membrane. 請求項8に記載のイオン交換膜を用いて得られる膜/電極接合体。   A membrane / electrode assembly obtained using the ion exchange membrane according to claim 8. 請求項8に記載のイオン交換膜を用いた燃料電池。   A fuel cell using the ion exchange membrane according to claim 8. 電子吸引性基によって活性化されたハロゲン基を有する芳香族ジハロゲン化合物と、フェノール化合物および/またはチオフェノール化合物とを反応させる、分子内に分岐を有する芳香族エーテルポリマーおよび/または芳香族チオエーテルポリマーの製造方法であって、
(A)前記電子吸引性基によって活性化されたハロゲン基を有する芳香族ジハロゲン化合物と、ビスフェノール化合物および/またはビスチオフェノール化合物とを、前記芳香族ジハロゲン化合物に対する、前記ビスフェノール化合物および/またはビスチオフェノール化合物のモル比が0.80〜0.99の範囲内になるようにして反応させて、ハロゲン基末端のオリゴマーを得る第一工程と、
(B)分子内にフェノール性水酸基を3個または4個有するポリフェノール化合物および/またはチオフェノール性メルカプト基を3個または4個有するポリチオフェノール化合物を、ポリフェノール化合物中のフェノール性水酸基および/またはポリチオフェノール化合物中のチオフェノール性メルカプト基のモル数よりも、前記第一工程で製造したオリゴマー中のハロゲン基のモル数が等モル以上になるようにして、第一工程で製造したオリゴマーと反応させる第二工程と、
を含む、分子内に分岐を有する芳香族エーテルポリマーおよび/または芳香族チオエーテルポリマーの製造方法。
An aromatic ether polymer and / or an aromatic thioether polymer having a branch in the molecule, wherein an aromatic dihalogen compound having a halogen group activated by an electron-withdrawing group is reacted with a phenol compound and / or a thiophenol compound. A manufacturing method comprising:
(A) An aromatic dihalogen compound having a halogen group activated by the electron-withdrawing group, a bisphenol compound and / or a bisthiophenol compound, the bisphenol compound and / or bisthio with respect to the aromatic dihalogen compound. A first step of obtaining a halogen group-terminated oligomer by reacting such that the molar ratio of the phenol compound is within the range of 0.80 to 0.99;
(B) A polyphenol compound having 3 or 4 phenolic hydroxyl groups and / or a polythiophenol compound having 3 or 4 thiophenol mercapto groups in the molecule is converted into a phenolic hydroxyl group and / or poly in the polyphenol compound. Reacts with the oligomer produced in the first step so that the number of moles of the halogen group in the oligomer produced in the first step is equal to or more than the number of moles of the thiophenolic mercapto group in the thiophenol compound. A second step of
A process for producing an aromatic ether polymer and / or an aromatic thioether polymer having a branch in the molecule.
前記第一工程および前記第二工程は、アルカリ金属塩の存在下で、不活性ガスの雰囲気または気流下で、有機極性溶媒中で加熱して反応させることを特徴とする、請求項13に記載の分子内に分岐を有する芳香族エーテルポリマーおよび/または芳香族チオエーテルポリマーの製造方法。   14. The reaction according to claim 13, wherein the first step and the second step are performed by heating in an organic polar solvent in an inert gas atmosphere or air stream in the presence of an alkali metal salt. A method for producing an aromatic ether polymer and / or an aromatic thioether polymer having a branch in the molecule. 前記第一工程で得られたオリゴマー中のハロゲン基のモル数に対する、前記ポリフェノール化合物のフェノール性水酸基および/またはポリチオフェノール化合物のチオフェノール性メルカプト基のモル数の比が、0.2〜0.6の範囲内であることを特徴とする、請求項13または14に記載の分子内に分岐を有する芳香族エーテルポリマーおよび/または芳香族チオエーテルポリマーの製造方法。   The ratio of the number of moles of the phenolic hydroxyl group of the polyphenol compound and / or the thiophenolic mercapto group of the polythiophenol compound to the number of moles of the halogen group in the oligomer obtained in the first step is 0.2-0. The method for producing an aromatic ether polymer and / or an aromatic thioether polymer having a branch in the molecule according to claim 13 or 14, wherein the method is within a range of .6. 前記電子吸引性基によって活性化されたハロゲン基を有する芳香族ジハロゲン化合物が、下記化学式(16)または化学式(17)で表される化合物のいずれかを含むことを特徴とする、請求項13〜15のいずれかに記載の分子内に分岐を有する芳香族エーテルポリマーおよび/または芳香族チオエーテルポリマーの製造方法。
Figure 2006206779
化学式(16)および化学式(17)中、XはF、Cl、IまたはBrのハロゲン原子であり、YはLi、NaまたはKのアルカリ金属イオンである。
The aromatic dihalogen compound having a halogen group activated by the electron-withdrawing group includes any one of the compounds represented by the following chemical formula (16) or chemical formula (17). 15. The method for producing an aromatic ether polymer and / or an aromatic thioether polymer having a branch in the molecule according to any one of 15.
Figure 2006206779
In chemical formula (16) and chemical formula (17), X is a halogen atom of F, Cl, I or Br, and Y is an alkali metal ion of Li, Na or K.
前記電子吸引性基によって活性化されたハロゲン基を有する芳香族ジハロゲン化合物が、下記化学式(18)〜(21)で表される化合物のいずれかをさらに含むことを特徴とする、請求項13〜15のいずれかに記載の分子内に分岐を有する芳香族エーテルポリマーおよび/または芳香族チオエーテルポリマーの製造方法。
Figure 2006206779
化学式(18)〜(21)中、XはF、Cl、IまたはBrのハロゲン原子である。
The aromatic dihalogen compound having a halogen group activated by the electron-withdrawing group further includes any one of compounds represented by the following chemical formulas (18) to (21). 15. The method for producing an aromatic ether polymer and / or an aromatic thioether polymer having a branch in the molecule according to any one of 15.
Figure 2006206779
In the chemical formulas (18) to (21), X is a halogen atom of F, Cl, I or Br.
前記ポリフェノール化合物またはポリチオフェノール化合物が下記(22)〜(28)で表される化合物のいずれかを含むことを特徴とする、請求項13〜17のいずれかに記載の分子内に分岐を有する芳香族エーテルポリマーおよび/または芳香族チオエーテルポリマーの製造方法。
Figure 2006206779
The said polyphenol compound or polythiophenol compound contains either of the compounds represented by following (22)-(28), It has a branch in the molecule | numerator in any one of Claims 13-17 characterized by the above-mentioned. A process for producing an aromatic ether polymer and / or an aromatic thioether polymer.
Figure 2006206779
前記ビスフェノール化合物が4,4’−ジヒドロキシビフェニルであることを特徴とする、請求項13〜18のいずれかに記載の分子内に分岐を有する芳香族エーテルポリマーおよび/または芳香族チオエーテルポリマーの製造方法。   The method for producing an aromatic ether polymer and / or an aromatic thioether polymer having a branch in a molecule according to any one of claims 13 to 18, wherein the bisphenol compound is 4,4'-dihydroxybiphenyl. . 前記アルカリ金属塩が、炭酸カリウムまたは炭酸ナトリウムであることを特徴とする、請求項14〜19のいずれかに記載の分子内に分岐を有する芳香族エーテルポリマーおよび/または芳香族チオエーテルポリマーの製造方法。   The method for producing an aromatic ether polymer and / or aromatic thioether polymer having a branch in the molecule according to any one of claims 14 to 19, wherein the alkali metal salt is potassium carbonate or sodium carbonate. . 前記有機極性溶媒が、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシドまたはスルホランのいずれかであることを特徴とする、請求項14〜20のいずれかに記載の分子内に分岐を有する芳香族エーテルポリマーおよび/または芳香族チオエーテルポリマーの製造方法。   The intramolecular molecule according to any one of claims 14 to 20, wherein the organic polar solvent is N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide or sulfolane. A method for producing a branched aromatic ether polymer and / or aromatic thioether polymer. 前記加熱の際の温度が150〜250℃の範囲内に設定されることを特徴とする、請求項14〜21のいずれかに記載の分子内に分岐を有する芳香族エーテルポリマーおよび/または芳香族チオエーテルポリマーの製造方法。   The temperature during the heating is set in a range of 150 to 250 ° C, and the aromatic ether polymer and / or aromatic having a branch in the molecule according to any one of claims 14 to 21 A method for producing a thioether polymer.
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