JP2006233086A - 機能性膜、燃料電池用電解質膜の製造方法、及び燃料電池用電解質膜 - Google Patents
機能性膜、燃料電池用電解質膜の製造方法、及び燃料電池用電解質膜 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】 非導電性無機粒子を含む高分子フィルム基材に高エネルギー重イオンを104〜1014個/cm2照射し、該フィルム基材に活性種を生成するイオン照射工程と、該イオン照射工程の後に、機能性官能基を有するモノマーであるA群から選択される1種以上のモノマーを加えて、該フィルム基材と該モノマーをグラフト重合させるグラフト重合工程とを含む機能性膜の製造方法。
【選択図】 なし
Description
H.Kudo and Y.Morita、J.Polym.Sci.,Part B、Voi.39、757−762(2001)
(A)気孔率が小さく個々の高分子フィルム基材の持つ物性を維持できる、特に、非導電性無機粒子を含む高分子基材フィルムが有するガスバリア性と機械的強度が、処理後にも効果的に発揮される、
(B)官能基の位置・空間分布、官能基密度の制御が可能である、
(C)イオン交換樹脂の充填量が少ない為、含水による膨潤を抑制できる、
さらに、イオン照射法を用いることにより、既存の多孔質基材にとらわれることなく、フィルム化が可能な全ての高分子材料に適用可能なことから、
(D)イオン交換膜のプロトン伝導度とガスバリア性と機械的強度の物性制御が容易である、
等の特長を有する。
前記潜在飛跡箇所に残っている活性種を利用する場合に、孔径として、最大250nmである貫通孔の孔壁にのみ前記モノマーをグラフト重合させることが好ましい。
(2)スルホン酸エステル基を有するモノマーである、CF2=CF(SO3R1)(式中、R1はアルキル基で−CH3、−C2H5または−C(CH3)3である。以下同じ。)、CH2=CF(SO3R1)、及びCF2=CF(OCH2(CF2)mSO3R1)からなる群から選択される1種類以上のモノマー。
(3)CF2=CF(O(CH2)mX2)(式中、X2はハロゲン基で−Br又は−Clである。以下同じ。)、及びCF2=CF(OCH2(CF2)mX2)からなる群から選択される1種類以上のモノマー。
(4)アクリルモノマーである、CF2=CR2(COOR3)(式中、R2は−CH3又は−Fであり、R3は−H、−CH3、−C2H5又は−C(CH3)3である。以下同じ。)、及びCH2=CR2(COOR3)からなる群から選択される1種類以上のモノマー。
(5)スチレン、スチレン誘導体モノマーである2,4−ジメチルスチレン、ビニルトルエン、及び4−tertブチルスチレンからなる群から選択される1種類以上のモノマー。
(6)アセナフチレン、ビニルケトンCH2=CH(COR4)(式中、R4は−CH3、−C2H5又はフェニル基(−C6H5)である。)、及びビニルエーテルCH2=CH(OR5)(式中、R5は−CnH2n+1(n=1〜5)、−CH(CH3)2、−C(CH3)3、又はフェニル基である。)からなる群から選択される1種類以上のモノマー。
(1)スルホニルハライド基を有するモノマーである、CF2=CF(SO2X1)(式中、X1はハロゲン基で−Fまたは−Clである。以下同じ。)、CH2=CF(SO2X1)、及びCF2=CF(OCH2(CF2)mSO2X1)(式中、mは1〜4である。以下同じ。)からなる群から選択される1種類以上のモノマー。
(2)スルホン酸エステル基を有するモノマーである、CF2=CF(SO3R1)(式中、R1はアルキル基で−CH3、−C2H5または−C(CH3)3である。以下同じ。)、CH2=CF(SO3R1)、及びCF2=CF(OCH2(CF2)mSO3R1)からなる群から選択される1種類以上のモノマー。
(3)CF2=CF(O(CH2)mX2)(式中、X2はハロゲン基で−Br又は−Clである。以下同じ。)、及びCF2=CF(OCH2(CF2)mX2)からなる群から選択される1種類以上のモノマー。
[実施例1〜13]
非導電性無機粒子を含む高分子フィルム基材として、ポリビニリデンフロライド(以下、PVDF)等を用いた。検討した非導電性無機粒子を含む高分子フィルム基材は下記表1の通りである。高分子フィルム基材に対する放射線橋架けの有無については下記表1の通りである。放射線橋架けは表1に示す条件にて電離放射線を照射して行った。
エッチングによる穿孔形成は表1に示す条件にて行った。
エッチングによる穿孔形成を行ったサンプルについては、表1に示す条件にて電離線を照射した。
スルホン化処理もしくはプロトン化処理を行なった後、純水に浸漬し、洗浄を行なった。これを浸漬溶液が中性になるまで繰り返した。
真空乾燥炉でサンプルを乾燥させた。
X = (W2−W1)/W1 × 100
W1:グラフト重合前の高分子フィルム基材の重量(g)
W2:グラフト重合後の高分子フィルム基材の重量(g)
SiO2:アモルファスシリカ(アエロゾルA380)
Al2O3:アルミナ
PVDF:ポリフッ化ビニリデン
ETFE:エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体
PI:ポリイミド
NMXD6:ナイロン
St:スチレン
DVB:ジビニルベンゼン
PFVBr:CF2=CF−O−CF2−CF2−Br
TFS:トリフルオロスチレン
MeSt:メチルスチレン
SSS:スチレンスルホン酸ナトリウム
NaClO:次亜塩素酸ナトリウム
寸法変化=L1/L0 × 100 (%)
であり、
L0=室温における乾燥電解質膜の寸法
L1=80℃における飽和膨潤(水)電解質膜の寸法
である。
高分子フィルム基材として、非導電性無機粒子を含まないポリビニリデンフロライド(以下、PVDF)等を用いた他は、実施例1〜13と同様に行った。検討した充填剤、放射線橋架けの有無、イオンビームの照射条件、エッチングの有無、グラフト重合の条件、モノマー等については下記表3の通りである。表3中、化合物の略号は表1と同じである。
Claims (39)
- 非導電性無機粒子を含む高分子フィルム基材に高エネルギー重イオンを104〜1014個/cm2照射し、該フィルム基材に活性種を生成するイオン照射工程と、該イオン照射工程の後に、機能性官能基を有するモノマーであるA群から選択される1種以上のモノマーを加えて、該フィルム基材と該モノマーをグラフト重合させるグラフト重合工程とを含む機能性膜の製造方法。
- 前記イオン照射工程において、高エネルギー重イオン照射によって損傷を受けた潜在飛跡が該フィルムを貫通することを特徴とする請求項1に記載の機能性膜の製造方法。
- 非導電性無機粒子を含む高分子フィルム基材に高エネルギー重イオンを104〜1014個/cm2照射して、照射損傷を形成するイオン照射工程と、該イオン照射工程の後、該照射損傷を化学的または熱的にエッチング処理して該フィルム基材に貫通孔を形成するエッチング工程と、得られた穿孔フィルム基材に、イオン照射によって損傷を受けた潜在飛跡箇所に残っている活性種又は真空もしくは不活性ガス雰囲気下で新たにガンマ線、電子線、プラズマのいずれかの照射によって生成した活性種を利用することで、機能性官能基を有するモノマーであるA群から選択される1種以上のモノマーを加えて、該フィルム基材の表面や孔壁にのみ該モノマーをグラフト重合させるグラフト重合工程とを含む機能性膜の製造方法。
- 前記潜在飛跡箇所に残っている活性種を利用する場合に、孔径として、1〜250nmの範囲である貫通孔の孔壁にのみ前記モノマーをグラフト重合させることを特徴とする請求項3に記載の機能性膜の製造方法。
- 前記真空もしくは不活性ガス雰囲気下で新たにガンマ線、電子線、プラズマのいずれかの照射によって生成した活性種を利用する場合に、孔径として、1nm〜5μmの範囲である貫通孔の孔壁と該フィルム基材の表面にのみ前記モノマーをグラフト重合させることを特徴とする請求項3に記載の機能性膜の製造方法。
- 前記グラフト重合工程において、ガンマ線、電子線、プラズマのいずれかを前照射し前記モノマーを後グラフト重合させることを特徴とする請求項5に記載の機能性膜の製造方法。
- 前記グラフト重合工程において、前記フィルム基材に前記モノマーを導入した後、ガンマ線、電子線、プラズマのいずれかを照射し同時グラフト重合させることを特徴とする請求項5に記載の機能性膜の製造方法。
- 前記イオン照射工程の後に、前記機能性官能基を有するモノマーであるA群から選択される1種以上のモノマーに、A群モノマーに対し架橋剤であるB群からなるモノマー5〜80mol%を加えて、該フィルム基材と該モノマーをグラフト重合させるグラフト重合工程とを含む請求項1乃至7のいずれかに記載の機能性膜の製造方法。
- 前記非導電性無機粒子が、超微粒子状のシリカ(SiO2)、アルミナ(Al2O3)、ジルコニア(ZrO2)及びH+型モルデナイトから選択される1種以上であることを特徴とする請求項1乃至8のいずれかに記載の機能性膜の製造方法。
- 前記高分子フィルム基材が、室温における酸素透過係数が10.0[cc*mm/(m2*day*atm)]以下であることを特徴とする請求項1乃至9のいずれかに記載の機能性膜の製造方法。
- 前記高分子フィルム基材と前記機能性官能基を有するモノマーであるA群から選択される1種以上のモノマーが同種の元素からなることを特徴とする請求項1乃至10のいずれかに記載の機能性膜の製造方法。
- 前記高分子フィルム基材が炭化水素系高分子からなり、前記機能性官能基を有するモノマーであるA群から選択される1種以上のモノマーが炭化水素系モノマーからなることを特徴とする請求項11に記載の機能性膜の製造方法。
- 前記高分子フィルム基材が炭化フッ素系高分子からなり、前記機能性官能基を有するモノマーであるA群から選択される1種以上のモノマーが炭化フッ素系モノマーからなることを特徴とする請求項11に記載の機能性膜の製造方法。
- 前記グラフト重合工程において、200以上の分子量を持つ機能性モノマーであるC群から選択される1種以上のモノマーを加えることを特徴とする請求項1乃至13のいずれかに記載の機能性膜の製造方法。
- 前記グラフト重合工程において、グラフト重合し難い機能性官能基を有するモノマーであるD群から選択される1種以上のモノマーを加えることを特徴とする請求項1乃至14のいずれかに記載の機能性膜の製造方法。
- 前記イオン照射工程の後に、前記フィルム基材をガスと接触させることで前記活性種を消失させ、次いで真空もしくは不活性ガス雰囲気下で該フィルム基材にガンマ線、電子線、プラズマのいずれかを照射することで、再度活性種を生成することを特徴とする請求項1乃至15のいずれかに記載の機能性膜の製造方法。
- 前記高分子フィルム基材に架橋構造を付与することを特徴とする請求項1乃至16のいずれかに記載の機能性膜の製造方法。
- 前記高分子フィルム基材が、炭化水素系、炭化フッ素系、炭化水素・フッ素系高分子フィルムのいずれかであることを特徴とする請求項1乃至17のいずれかに記載の機能性膜の製造方法。
- 請求項1乃至18のいずれかに記載の製造方法によって製造された機能性膜。
- 室温における酸素透過係数が10.0[cc*mm/(m2*day*atm)]以下である非導電性無機粒子を含む高分子フィルム基材に、孔径が1nm〜5μmの範囲である機能性基含有パスを有する機能性膜。
- 前記機能性基含有パスの孔径が1nm〜250nmの範囲であることを特徴とする請求項20に記載の機能性膜。
- 非導電性無機粒子を含む高分子フィルム基材に高エネルギー重イオンを104〜1014個/cm2照射・貫通させ、該フィルム基材に活性種を生成するイオン照射工程と、カチオン交換基または後工程でカチオン交換基に変換可能な官能基を有するモノマーであるA群から選択される1種以上のモノマーを加えて、該フィルム基材と該モノマーをグラフト重合させるグラフト重合工程とを含む燃料電池用高分子電解質膜の製造方法。
- 非導電性無機粒子を含む高分子フィルム基材に高エネルギー重イオンを104〜1014個/cm2照射・貫通させ、該フィルム基材に活性種を生成するイオン照射工程と、カチオン交換基または後工程でカチオン交換基に変換可能な官能基を有するモノマーであるA群から選択される1種以上のモノマーを加えて、該フィルム基材と該モノマーをグラフト重合させるグラフト重合工程とを含む燃料電池用高分子電解質膜の製造方法。
- 前記イオン照射工程の後に、前記フィルム基材をガスと接触させることで前記活性種を消失させ、次いで真空または不活性ガス雰囲気下で該フィルム基材にガンマ線、電子線、プラズマのいずれかを照射することで、再度活性種を生成することを特徴とする請求項23に記載の燃料電池用高分子電解質膜の製造方法。
- 非導電性無機粒子を含む高分子フィルム基材に高エネルギー重イオンを104〜1014個/cm2照射して、照射損傷を形成するイオン照射工程と、該イオン照射工程の後、該照射損傷を化学的または熱的にエッチング処理して該フィルム基材に貫通孔を形成するエッチング工程と、得られた穿孔フィルム基材に、イオン照射によって損傷を受けた潜在飛跡箇所に残っている活性種又は真空もしくは不活性ガス雰囲気下で新たにガンマ線、電子線、プラズマのいずれかの照射によって生成した活性種を利用することで、機能性官能基を有するモノマーであるA群から選択される1種以上のモノマーを加えて、該フィルム基材の表面や孔壁にのみ該モノマーをグラフト重合させるグラフト重合工程とを含む燃料電池用高分子電解質膜の製造方法。
- 前記エッチング工程で得られた穿孔フィルム基材に、イオン照射によって損傷を受けた潜在飛跡箇所に残っている活性種ないしは真空または不活性ガス雰囲気下で新たにガンマ線、電子線、プラズマのいずれかの照射によって生成した活性種を利用することでカチオン交換基或いは後工程でカチオン交換基に変換可能な官能基を有するモノマーであるA群から選択される1種以上のモノマーを加えて、該フィルム基材の表面や孔壁にのみ該モノマーをグラフト重合させ、該官能基を導入して得られることを特徴とする請求項25に記載の燃料電池用高分子電解質膜の製造方法。
- 前記イオン照射工程の後に、前記機能性官能基を有するモノマーであるA群から選択される1種以上のモノマーに、A群モノマーに対し架橋剤であるB群からなるモノマー5〜80mol%を加えて、該フィルム基材と該モノマーをグラフト重合させるグラフト重合工程とを含む請求項22乃至26のいずれかに記載の燃料電池用高分子電解質膜の製造方法。
- 前記非導電性無機粒子が、超微粒子状のシリカ(SiO2)、アルミナ(Al2O3)、ジルコニア(ZrO2)及びH+型モルデナイトから選択される1種以上であることを特徴とする請求項22乃至27のいずれかに記載の燃料電池用高分子電解質膜の製造方法。
- 前記高分子フィルム基材が、室温における酸素透過係数が10.0[cc*mm/(m2*day*atm)]以下であることを特徴とする請求項22乃至28のいずれかに記載の燃料電池用高分子電解質膜の製造方法。
- 前記グラフト重合工程において、A群に対し架橋剤であるB群からなる1種以上のモノマーを最大80mol%を加えることを特徴とする請求項22乃至29のいずれかに記載の燃料電池用高分子電解質膜の製造方法。
- 前記高分子フィルム基材に架橋構造を付与することを特徴とする請求項22乃至30のいずれかに記載の燃料電池用高分子電解質膜の製造方法。
- 前記高分子フィルム基材が、炭化水素系、炭化フッ素系、炭化水素・フッ素系高分子フィルムのいずれかであることを特徴とする請求項22乃至31のいずれかに記載の燃料電池用高分子電解質膜の製造方法。
- 前記潜在飛跡箇所に残っている活性種を利用する場合に、孔径として、最大250nmである貫通孔の孔壁にのみ前記モノマーをグラフト重合させることを特徴とする請求項26乃至32のいずれかに記載の燃料電池用高分子電解質膜の製造方法。
- 前記真空または不活性ガス雰囲気下で新たにガンマ線、電子線、プラズマのいずれかの照射によって生成した活性種を利用する場合に、孔径として、最大1μmである貫通孔の孔壁に前記モノマーをグラフト重合させることを特徴とする請求項26乃至32のいずれかに記載の燃料電池用高分子電解質膜の製造方法。
- 前記モノマーをグラフト重合させ、該カチオン交換基を導入した結果、前記貫通孔全体が該カチオン交換基で満たされた状態で、かつ前記フィルム基材内部にカチオン交換基が導入されていないことを特徴とする請求項34に記載の燃料電池用高分子電解質膜の製造方法。
- 前記グラフト重合工程において、200以上の分子量を持つカチオン交換基または後工程でカチオン交換基に変換可能な官能基を有するモノマーであるC群から選択される1種以上のモノマーを加えることを特徴とする請求項22乃至35のいずれかに記載の燃料電池用高分子電解質膜の製造方法。
- 請求項22乃至36のいずれかに記載の製造方法によって製造された燃料電池用電解質膜膜。
- 室温における酸素透過係数が10.0[cc*mm/(m2*day*atm)]以下である非導電性無機粒子を含む高分子フィルム基材に、孔径が1nm〜5μmの範囲であるカチオン交換基含有パスを有する燃料電池用電解質膜。
- 前記カチオン交換基含有パスの孔径が1nm〜250nmの範囲であることを特徴とする請求項38に記載の燃料電池用電解質膜。
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