JP2006253002A - Manufacturing method of ion exchange membrane - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電池用隔膜、透析用隔膜などに使用されるイオン交換膜の製造方法に関し、特に燃料電池用隔膜として液体燃料透過抑止性に優れるとともに高いイオン伝導性を有するイオン交換膜の製造方法に関するものである。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for producing an ion exchange membrane used for a diaphragm for a battery, a diaphragm for dialysis, and the like, and more particularly, a method for producing an ion exchange membrane having excellent ionic conductivity and excellent liquid fuel permeation deterrence as a diaphragm for a fuel cell. It is about.
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型燃料電池は、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している。特に高分子固体電解質膜を使用し、燃料として有機溶媒などを使用するタイプの燃料電池は、ガソリンと同様に液体燃料を供給可能なため、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. In particular, polymer electrolyte fuel cells using polymer electrolyte membranes have features such as high energy density and low operating temperature compared to other types of fuel cells, making them easy to start and stop. is doing. In particular, fuel cells that use solid polymer electrolyte membranes and use organic solvents as the fuel can supply liquid fuel in the same way as gasoline. Therefore, they are being developed for applications such as power supplies for portable devices. Yes.
液体燃料を使用する燃料電池のイオン交換膜には、通常プロトン伝導性のイオン交換樹脂膜が使用される。該燃料電池のイオン交換膜にはプロトン伝導性以外にも、燃料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(商品名)や日本国旭化成社製アシプレックス(商品名)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膜が知られている。 A proton conductive ion exchange resin membrane is usually used as an ion exchange membrane of a fuel cell using liquid fuel. In addition to proton conductivity, the ion exchange membrane of the fuel cell requires characteristics such as fuel permeation deterrence and mechanical strength to prevent fuel permeation. As such a polymer solid electrolyte membrane, for example, a perfluorocarbon sulfonic acid polymer membrane introduced with a sulfonic acid group represented by Nafion (trade name) manufactured by DuPont of the United States or Aciplex (trade name) manufactured by Asahi Kasei of Japan It has been known.
しかしながら、前記の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は、例えばメタノール等の液体有機燃料を、燃料極側に供給して使用する場合、液体有機燃料が電解質膜を透過して空気極側に流れ込んでしまうクロスオーバーという問題が顕著である。このクロスオーバーが生じると、液体燃料と酸化剤が直接反応してしまい、電力低下の問題や、液体燃料が空気極側から外部に漏れ出すといった問題が発生する。そのため、このクロスオーバーを少なくするために、イオン交換膜の厚みを厚くするという対策が行われている。しかしながら、厚みを厚くすると、燃料電池の高出力化や高効率化のために必要なイオン伝導性を低減させてしまうので、イオン伝導性と液体燃料透過抑止性を両立させることが課題であった。 However, when the perfluorocarbon sulfonic acid polymer introduced with the sulfonic acid group is used by supplying a liquid organic fuel such as methanol to the fuel electrode side, the liquid organic fuel permeates through the electrolyte membrane and is on the air electrode side. The problem of crossover that flows into When this crossover occurs, the liquid fuel and the oxidant directly react to cause a problem of power reduction and a problem that the liquid fuel leaks outside from the air electrode side. Therefore, in order to reduce this crossover, a measure is taken to increase the thickness of the ion exchange membrane. However, if the thickness is increased, the ionic conductivity required for higher output and higher efficiency of the fuel cell is reduced, so it is a problem to achieve both ionic conductivity and liquid fuel permeation deterrence. .
液体燃料透過性抑止の観点から非フッ素系芳香族環含有ポリマー、例えば芳香族ポリアリーレンエーテルケトン類や芳香族ポリアリーレンエーテルスルホン類などの芳香族ポリアリーレンエーテル化合物のスルホン化したイオン交換膜が種々検討されている(例えば、非特許文献1、特許文献1参照。)。しかしながら、これらの高分子材料においても、高分子材料の溶媒溶液を支持体上に流延して膜を製造する方法においては、厚い膜を製造することが困難であり、また、膜の厚みを厚くするとイオン伝導性が低減してしまい、イオン伝導性と液体燃料透過抑止性の両立は十分ではなかった。
本発明の目的は、残留溶媒が極めて少なくイオン伝導性と液体燃料透過抑止性を両立させることに優れた、膜厚みの厚いイオン交換膜およびその製造方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide an ion exchange membrane having a large membrane thickness and a method for producing the same, which is excellent in achieving both ion conductivity and liquid fuel permeation inhibiting properties with very little residual solvent.
本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、上記目的が達成されることを見出すに至った。すなわち、本発明は、以下の構成を採用する。
1.イオン交換樹脂の溶媒溶液を支持体上に流延した後に溶媒を除去するイオン交換膜の製造方法において、溶媒溶液粘度が100〜3000ポイズ(温度30℃)である前記イオン交換樹脂の良溶媒溶液を流延した後、該流延物を前記イオン交換樹脂の貧溶媒と接触させて該流延物から少なくとも一部の前記良溶媒を除去し、さらに250℃以下の温度で乾燥することを特徴とするイオン交換膜の製造方法である。
2.前記イオン交換膜の厚みが20〜500μmであることを特徴とする第1発明に記載のイオン交換膜の製造方法である。
3.前記イオン交換樹脂がスルホン酸基を含有するイオン交換樹脂であることを特徴とする第1又は第2発明に記載のイオン交換膜の製造方法である。
4.前記イオン交換樹脂のスルホン酸基含有量が、0.3〜3.5meq/gであることを特徴とする第3発明に記載のイオン交換膜の製造方法である。
5.前記イオン交換樹脂が一般式(1)及び一般式(2)で示される構成成分を含むポリアリーレンエーテル系化合物であることを特徴とする第3又は4発明に記載のイオン交換膜の製造方法である。
As a result of intensive studies, the present inventors have found that the above object is achieved. That is, the present invention adopts the following configuration.
1. In a method for producing an ion exchange membrane in which a solvent solution is removed after casting a solvent solution of an ion exchange resin on a support, the good solvent solution of the ion exchange resin having a solvent solution viscosity of 100 to 3000 poise (temperature 30 ° C.) After the casting is brought into contact with a poor solvent of the ion exchange resin to remove at least a part of the good solvent from the casting and further dried at a temperature of 250 ° C. or lower. This is a method for producing an ion exchange membrane.
2. The thickness of the said ion exchange membrane is 20-500 micrometers, It is a manufacturing method of the ion exchange membrane as described in 1st invention characterized by the above-mentioned.
3. The ion exchange membrane manufacturing method according to the first or second invention, wherein the ion exchange resin is an ion exchange resin containing a sulfonic acid group.
4). The ion exchange membrane production method according to the third invention, wherein the ion exchange resin has a sulfonic acid group content of 0.3 to 3.5 meq / g.
5. In the method for producing an ion exchange membrane according to the third or fourth invention, the ion exchange resin is a polyarylene ether compound containing the components represented by the general formula (1) and the general formula (2). is there.
本発明によれば、残留溶媒が極めて少なく、高いイオン伝導性と液体燃料透過抑止性を両立させることができ、膜厚みの厚いイオン交換膜を提供することができる。 According to the present invention, the residual solvent is extremely small, and both high ion conductivity and liquid fuel permeation deterrence can be achieved, and an ion exchange membrane having a large membrane thickness can be provided.
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明において、まず、イオン交換樹脂を溶解が可能である良溶媒に溶解させた溶液を調整する。本発明のイオン交換膜に使用されるイオン交換樹脂は、液体燃料透過性抑止の観点から、炭化水素系のイオン交換樹脂を使用することが好ましく、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーに見られるような水クラスター構造を形成しない炭化水素系のイオン交換樹脂が性能的に最も良好である。特に炭化水素系のイオン交換樹脂の中でも、芳香環上にスルホン酸を導入したポリアリーレンエーテル系化合物が、液体燃料透過抑止性、イオン伝導性に優れたイオン交換膜を提供できる。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
In the present invention, first, a solution in which an ion exchange resin is dissolved in a good solvent capable of being dissolved is prepared. The ion exchange resin used in the ion exchange membrane of the present invention is preferably a hydrocarbon-based ion exchange resin from the viewpoint of suppressing liquid fuel permeability, and water clusters such as those found in perfluorocarbon sulfonic acid polymers. A hydrocarbon-based ion exchange resin that does not form a structure is the best in terms of performance. In particular, among hydrocarbon ion exchange resins, a polyarylene ether compound in which a sulfonic acid is introduced onto an aromatic ring can provide an ion exchange membrane excellent in liquid fuel permeation inhibition and ion conductivity.
ポリアリーレンエーテル系化合物としては、電子吸引性の芳香環上にスルホン酸基を導入したモノマーを用いるのが好ましく、3,3'−ジスルホ−4,4'−ジクロロジフェニルスルホン誘導体を用いると、高温でもスルホン酸基が脱離しにくいポリマーになり、また3,3'−ジスルホ−4,4'−ジクロロジフェニルスルホン誘導体とともに2,6−ジクロロベンゾニトリルを併用すると、重合性の低い3,3'−ジスルホ−4,4'−ジクロロジフェニルスルホン誘導体であっても高重合度のポリアリーレンエーテル化合物が得られ、かつ水クラスター構造を形成しない、液体燃料透過抑止性、イオン伝導性に優れたイオン交換膜を提供できる。 As the polyarylene ether compound, it is preferable to use a monomer having a sulfonic acid group introduced on an electron-withdrawing aromatic ring. When a 3,3′-disulfo-4,4′-dichlorodiphenylsulfone derivative is used, However, it becomes a polymer in which the sulfonic acid group is not easily released, and when 3,6-dichlorobenzonitrile is used in combination with 3,3′-disulfo-4,4′-dichlorodiphenylsulfone derivative, 3,3′-, which has low polymerizability. An ion exchange membrane that is a disulfo-4,4′-dichlorodiphenylsulfone derivative, can produce a polyarylene ether compound having a high degree of polymerization, and does not form a water cluster structure, and is excellent in liquid fuel permeation deterrence and ion conductivity. Can provide.
本発明におけるスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物は、下記一般式(1)とともに一般式(2)で示される構成成分を含むことができる。
上記一般式(2)で示される構成成分は、下記一般式(3)で示される構成成分であることが好ましい。 The component represented by the general formula (2) is preferably a component represented by the following general formula (3).
また、本発明におけるスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物においては、上記一般式(1)および一般式(2)で示される以外の構造単位が含まれていても構わない。このとき、上記一般式(1)または一般式(2)で示される以外の構造単位は、50重量%以下であることが好ましい。50質量%以下であることにより、スルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物の特性を活かした組成物とすることができる。 In the sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound in the present invention, structural units other than those represented by the general formula (1) and the general formula (2) may be included. At this time, it is preferable that structural units other than those represented by the general formula (1) or the general formula (2) are 50% by weight or less. By being 50 mass% or less, it can be set as the composition which utilized the characteristic of the sulfonic acid group containing polyarylene ether type compound.
本発明におけるスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物は、イオン交換容量が0.3〜3.5meq/gの範囲にあることが好ましく、より好ましくは1.0〜3.0meq/gである。0.3meq/gよりも少ない場合には、イオン伝導膜として十分なイオン伝導性を示さない傾向があり、3.5meq/gよりも大きい場合には、イオン伝導膜を高温高湿条件においた場合に膜膨潤が大きくなりすぎて使用に適さなくなる傾向がある。なお、スルホン酸基含有量はポリマー組成より計算することができる。 The sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound in the present invention preferably has an ion exchange capacity in the range of 0.3 to 3.5 meq / g, more preferably 1.0 to 3.0 meq / g. When it is less than 0.3 meq / g, there is a tendency that it does not show sufficient ion conductivity as an ion conductive membrane, and when it is larger than 3.5 meq / g, the ion conductive membrane is placed under high temperature and high humidity conditions. In some cases, the film swells so much that it is not suitable for use. The sulfonic acid group content can be calculated from the polymer composition.
また、本発明におけるスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物は、特に下記一般式(4)とともに一般式(5)で示される構成成分を含むものが好ましい。ビフェニレン構造を有していることにより高温高湿条件での寸法安定性に優れるとともに、膜の強靱性も高いものとなる。 In addition, the sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound in the present invention preferably includes a component represented by the general formula (5) together with the following general formula (4). By having a biphenylene structure, the film has excellent dimensional stability under high temperature and high humidity conditions, and also has high film toughness.
さらに、本発明におけるスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物は、下記一般式(6)および一般式(7)で表される化合物をモノマーとして含む芳香族求核置換反応により重合することができる。一般式(6)で表される化合物の具体例としては、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価カチオン種との塩になったもの等が挙げられる。1価カチオン種としては、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訳ではない。一般式(7)で表される化合物としては、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、2,4−ジクロロベンゾニトリル、2,4−ジフルオロベンゾニトリル、等を挙げることができる。 Furthermore, the sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound in the present invention can be polymerized by an aromatic nucleophilic substitution reaction containing compounds represented by the following general formulas (6) and (7) as monomers. Specific examples of the compound represented by the general formula (6) include 3,3′-disulfo-4,4′-dichlorodiphenyl sulfone, 3,3′-disulfo-4,4′-difluorodiphenyl sulfone, 3, 3'-disulfo-4,4'-dichlorodiphenyl ketone, 3,3'-disulfo-4,4'-difluorodiphenyl sulfone, and those whose sulfonic acid groups are converted to salts with monovalent cation species Can be mentioned. The monovalent cation species may be sodium, potassium, other metal species, various amines, or the like, but is not limited thereto. Examples of the compound represented by the general formula (7) include 2,6-dichlorobenzonitrile, 2,6-difluorobenzonitrile, 2,4-dichlorobenzonitrile, 2,4-difluorobenzonitrile, and the like. it can.
上記の芳香族求核置換反応において、上記一般式(6)、(7)で表される化合物とともに各種活性化ジフルオロ芳香族化合物やジクロロ芳香族化合物をモノマーとして併用することもできる。これらの化合物例としては、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、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン、4,4’−ジクロロベンゾフェノン、デカフルオロビフェニル等が挙げられるがこれらに制限されることなく、芳香族求核置換反応に活性のある他の芳香族ジハロゲン化合物、芳香族ジニトロ化合物、芳香族ジシアノ化合物なども使用することができる。 In the aromatic nucleophilic substitution reaction, various activated difluoroaromatic compounds and dichloroaromatic compounds can be used in combination with the compounds represented by the general formulas (6) and (7) as monomers. Examples of these compounds include 4,4′-dichlorodiphenyl sulfone, 4,4′-difluorodiphenyl sulfone, 4,4′-difluorobenzophenone, 4,4′-dichlorobenzophenone, decafluorobiphenyl, and the like. However, other aromatic dihalogen compounds, aromatic dinitro compounds, aromatic dicyano compounds and the like that are active in aromatic nucleophilic substitution can also be used.
また、上記の一般式(1)で表される構成成分中のArおよび上記の一般式(2)で表される構成成分中のAr’は、一般には芳香族求核置換重合において上記の一般式(6)、(7)で表される化合物とともに使用される芳香族ジオール成分モノマーより導入される構造である。このような芳香族ジオールモノマーの例としては、4,4’−ビフェノール、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、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、ハイドロキノン、レゾルシン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)ケトン等があげられるが、この他にも芳香族求核置換反応によるポリアリーレンエーテル系化合物の重合に用いることができる各種芳香族ジオールを使用することもできる。これら芳香族ジオールは、単独で使用することができるが、複数の芳香族ジオールを併用することも可能である。 In addition, Ar in the structural component represented by the general formula (1) and Ar ′ in the structural component represented by the general formula (2) are generally the same as those described above in the aromatic nucleophilic substitution polymerization. It is a structure introduced from an aromatic diol component monomer used together with the compounds represented by formulas (6) and (7). Examples of such aromatic diol monomers include 4,4′-biphenol, bis (4-hydroxyphenyl) sulfone, 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) ethane, 2,2-bis (4-hydroxy). Phenyl) propane, bis (4-hydroxyphenyl) methane, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) butane, 3,3-bis (4-hydroxyphenyl) pentane, 2,2-bis (4-hydroxy-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, 9,9-bis (4-hydroxyphenyl) fluorene, 9,9- (3-methyl-4-hydroxyphenyl) fluorene, hydroquinone, resorcin, bis (4-hydroxyphenyl) ketone, etc., but also for the polymerization of polyarylene ether compounds by aromatic nucleophilic substitution reaction. Various aromatic diols that can be used can also be used. These aromatic diols can be used alone, but a plurality of aromatic diols can be used in combination.
本発明におけるスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物を芳香族求核置換反応により重合する場合、上記一般式(6)および一般式(7)で表せる化合物を含む活性化ジフルオロ芳香族化合物及び/またはジクロロ芳香族化合物と芳香族ジオール類を塩基性化合物の存在下で反応させることで重合体を得ることができる。重合は、0〜350℃の温度範囲で行うことができるが、50〜250℃の温度であることが好ましい。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。 When the sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound in the present invention is polymerized by an aromatic nucleophilic substitution reaction, an activated difluoroaromatic compound including the compounds represented by the general formula (6) and the general formula (7) and / or A polymer can be obtained by reacting a dichloroaromatic compound and an aromatic diol in the presence of a basic compound. The polymerization can be carried out in the temperature range of 0 to 350 ° C., but is preferably 50 to 250 ° C. 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.
重合反応は、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、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。塩基性化合物としては、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、炭酸水素カリウム等があげられるが、芳香族ジオール類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。 The polymerization reaction can be performed in the absence of a solvent, but is preferably performed in a solvent. Examples of the solvent that can be used include N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, diphenyl sulfone, sulfolane, and the like. And any solvent that 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. Examples of the basic compound include sodium hydroxide, potassium hydroxide, sodium carbonate, potassium carbonate, sodium hydrogen carbonate, potassium hydrogen carbonate, and the like, and those that can convert an aromatic diol into an active phenoxide structure may be used. It can use without being limited to.
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。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10〜40重量%となるようにモノマーを仕込むことが好ましい。10重量%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、40重量%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。 In the aromatic nucleophilic substitution reaction, water may be generated as a by-product. 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. When the aromatic nucleophilic substitution reaction is performed in a solvent, it is preferable to charge the monomer so that the resulting polymer concentration is 10 to 40% by weight. When the amount is less than 10% by weight, the degree of polymerization tends to be difficult to increase. On the other hand, when the amount is more than 40% by weight, the viscosity of the reaction system becomes too high, and the post-treatment of the reaction product tends to be difficult. 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.
ポリマーは、ポリマーの良溶媒に溶解して溶液とする。良溶媒としては、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。この時、30℃での溶液の粘度を100〜3000ポイズの範囲内にすることが重要となる。溶液の粘度が100ポイズ未満の場合、溶液を流延した際、乾燥により固化する以前に溶液は流れてしまい、厚い膜を製造することは困難となる。また、乾燥により発泡しやすく良好な膜が製造できない傾向にあることを発明者らは見出し、粘度が100ポイズ以上になると発泡は大幅に低減できることを見出した。一方、3000ポイズを越えると、送液や脱泡が困難となり良好な膜を製造することが困難となる。溶液中の気泡の存在は、不良の要因となるので完全に排除することが必要であり、公知の手法を用いて除去することができる。 The polymer is dissolved in a good solvent for the polymer to form a solution. Good solvents include aprotic polar solvents such as N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, N-methyl-2-pyrrolidone, 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 mixed and used within the possible range. At this time, it is important to set the viscosity of the solution at 30 ° C. within the range of 100 to 3000 poise. When the viscosity of the solution is less than 100 poise, when the solution is cast, the solution flows before solidifying by drying, and it is difficult to produce a thick film. In addition, the inventors found that a good film tends to be foamed by drying and cannot be produced, and found that foaming can be greatly reduced when the viscosity is 100 poise or more. On the other hand, when it exceeds 3000 poise, liquid feeding and defoaming become difficult, and it becomes difficult to produce a good film. The presence of bubbles in the solution causes a defect and must be completely eliminated, and can be removed using a known method.
ポリマー濃度は10〜40重量%にすることが好ましく、厚い膜を製造する際は溶液の粘度が3000ポイズを上限として、ポリマー濃度を高めることにより製造が容易となる。ポリマー濃度が薄い溶液を用いる場合は、流延時に厚塗りする必要があり溶液が流れないうちに乾燥固化を行わせる必要があるので、ポリマー濃度が10重量%以下の溶液では厚い膜を製造することは非常に困難であり、ポリマー濃度が40重量%を越えると、ポリマーを均一溶解させるのに長時間を要することになる。また溶解の不均一は厚み斑の発生要因となるので好ましくない。 The polymer concentration is preferably 10 to 40% by weight. When a thick film is produced, the viscosity of the solution is set to 3000 poise as an upper limit, and the production is facilitated by increasing the polymer concentration. When a solution with a low polymer concentration is used, it is necessary to apply a thick coating during casting, and it is necessary to dry and solidify before the solution flows. Therefore, a solution with a polymer concentration of 10% by weight or less produces a thick film. This is very difficult. When the polymer concentration exceeds 40% by weight, it takes a long time to uniformly dissolve the polymer. Further, non-uniform dissolution is not preferable because it causes generation of thickness spots.
溶液の粘度は、ポリマー濃度、ポリマーの対数粘度、ポリマーを溶解させる溶媒などに依存するので、30℃での溶液の粘度が100〜3000ポイズの範囲内になるように、使用する溶媒、ポリマー濃度やポリマーの対数粘度を選定する必要がある。後で述べる方法により測定したポリマー対数粘度は0.1以上であることが好ましい。対数粘度が0.1よりも小さいと、イオン伝導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0.3以上であることがさらに好ましい。一方、対数粘度が5を超えると、ポリマーの溶解が著しく困難になることがある。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。 Since the viscosity of the solution depends on the polymer concentration, the logarithmic viscosity of the polymer, the solvent in which the polymer is dissolved, the solvent used, the polymer concentration so that the viscosity of the solution at 30 ° C. is within the range of 100 to 3000 poise. It is necessary to select the logarithmic viscosity of the polymer. The logarithmic viscosity of the polymer measured by the method described later is preferably 0.1 or more. When the logarithmic viscosity is less than 0.1, the membrane is likely to be brittle when formed as an ion conductive membrane. The logarithmic viscosity is more preferably 0.3 or more. On the other hand, when the logarithmic viscosity exceeds 5, dissolution of the polymer may be extremely difficult. 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.
なお、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、ラジカル防止剤などの各種添加剤や、電解質膜の特性をコントロールするための無機化合物や無機―有機のハイブリッド化合物などを含んでいても良い。 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, a dispersant, a polymerization inhibitor, Various additives such as radical inhibitors, inorganic compounds for controlling the characteristics of the electrolyte membrane, and inorganic-organic hybrid compounds may be included.
溶液を支持体上に流延する方法としては、コンマコーター、リップコーター、ブレードコーター、バーコーター、ロールコーター、ナイフコーター等の公知の手法を用いることができる。この時、流延時の溶液の厚みが十分でないと、厚みの厚い膜は製造することができない。流延時の溶液の塗布厚みとしては、50〜5000μmが好ましく、より好ましくは100〜3000μmであり、さらに好ましくは300〜2000μmである。膜の厚みは流延時の溶液の塗布厚みに依存するので、溶媒を除去した後の膜厚みの目標に対して適した量の溶液を支持体上に塗布する必要がある。本発明の方法においては、もちろん膜厚みが十分薄い膜も製造可能であるが、従来、困難とされていた膜厚みが十分厚い膜を製造することが実現可能であることに特徴がある。 As a method for casting the solution on the support, known methods such as a comma coater, a lip coater, a blade coater, a bar coater, a roll coater, and a knife coater can be used. At this time, if the thickness of the solution at the time of casting is not sufficient, a thick film cannot be produced. As application thickness of the solution at the time of casting, 50-5000 micrometers is preferable, More preferably, it is 100-3000 micrometers, More preferably, it is 300-2000 micrometers. Since the thickness of the film depends on the coating thickness of the solution at the time of casting, it is necessary to apply an amount of solution suitable for the target of the film thickness after removing the solvent on the support. In the method of the present invention, a film having a sufficiently thin film thickness can be manufactured as a matter of course, but it is characterized in that it is possible to manufacture a film having a sufficiently thick film thickness that has been considered difficult in the past.
溶液を流延する際の支持体としては、ステンレスなどの金属からなるエンドレスベルトやドラム、ポリエチレンテレフタレートなどの樹脂からなるフィルム、ガラスなどを用いることができるがこれらに限定されない。金属からなる支持体の表面に鏡面処理を施したり、樹脂フィルムの表面にコロナ処理等を施すことで、支持体表面が改質されていてもよい。 As the support for casting the solution, an endless belt or drum made of a metal such as stainless steel, a film made of a resin such as polyethylene terephthalate, glass, or the like can be used, but is not limited thereto. The surface of the support may be modified by applying a mirror treatment to the surface of the support made of metal, or applying a corona treatment to the surface of the resin film.
本発明においては、支持体上に流延された溶液は、イオン交換樹脂に対しては溶解性が乏しいがイオン交換樹脂の良溶媒に対しては溶解性か混和性が高い貧溶媒と接触させてイオン交換樹脂の良溶媒を抽出、除去する方法を用いる。加熱のみにより溶媒を揮発させることで除去する方法では、沸点が高い溶媒の場合は高温で長時間を費やす必要があり、工業生産においては生産時のエネルギー消費が大きくなり製造コストが高くなるばかりか、実用段階で問題が発生しない程度まで溶媒を除去することは実現できていないのが現状である。貧溶媒と接触させて溶媒を抽出、除去する方法を加えると、加熱のみの方法よりも短時間で効率よく溶媒を抽出することができることを本発明者らは見出したのである。 In the present invention, the solution cast on the support is poorly soluble in the ion exchange resin but is brought into contact with a poor solvent having high solubility or miscibility in the good solvent of the ion exchange resin. Then, a method of extracting and removing the good solvent of the ion exchange resin is used. In the method of removing by volatilizing the solvent only by heating, it is necessary to spend a long time at a high temperature in the case of a solvent having a high boiling point, and in industrial production, not only the energy consumption during production increases but also the production cost increases. However, the present situation is that it has not been possible to remove the solvent to such an extent that no problem occurs in the practical stage. The present inventors have found that when a method of extracting and removing a solvent by bringing it into contact with a poor solvent is added, the solvent can be extracted efficiently in a shorter time than a method of heating alone.
本発明における貧溶媒は、ポリマーの良溶媒とは少なくとも混和できる溶媒であって、接触させる方法は、液相状態であっても気相状態であっても良い。貧溶媒としては、水の他、アルコール類、グリコール類、グリセリンなどの有機溶媒等を利用することができるがこれらに限定されない。温度は特に限定されないが、5〜80℃の範囲が好ましく、より好ましくは10〜60℃の範囲であり、処理時間は10秒以上行うことが好ましく、30秒以上がより好ましい。残溶媒量はイオン交換樹脂に対して5重量%以下、より好ましく1重量%以下、さらに好ましくは0.5重量%以下である。溶媒抽出効率の向上を目的として、膜にスプレーで吹きつけたりすることは生産性の向上に繋がる。 The poor solvent in the present invention is a solvent that is at least miscible with the polymer good solvent, and the contacting method may be in a liquid phase state or in a gas phase state. Examples of the poor solvent include water, but also organic solvents such as alcohols, glycols, and glycerin, but are not limited thereto. Although temperature is not specifically limited, The range of 5-80 degreeC is preferable, More preferably, it is the range of 10-60 degreeC, It is preferable to process for 10 seconds or more, and 30 seconds or more are more preferable. The amount of residual solvent is 5% by weight or less, more preferably 1% by weight or less, and still more preferably 0.5% by weight or less based on the ion exchange resin. Spraying the film with a spray for the purpose of improving the solvent extraction efficiency leads to an improvement in productivity.
溶媒が除去された膜はその後乾燥される。乾燥工程での温度は250℃以下である必要があり、好ましくは80〜220℃、より好ましくは90〜200℃である。250℃以上の温度で乾燥を行うと、ポリマー分解やイオン性基の脱離が進行してしまうため好ましくない。乾燥時間は特に限定されないが、10秒以上行うことが好ましく、より好ましくは30秒以上である。乾燥時はピンやクリップ等でフィルムの両端部を固定しながら乾燥させることが寸法安定性を向上させるために好ましい。 The film from which the solvent has been removed is then dried. The temperature in the drying step needs to be 250 ° C. or lower, preferably 80 to 220 ° C., more preferably 90 to 200 ° C. Drying at a temperature of 250 ° C. or higher is not preferable because polymer decomposition and ionic group elimination proceed. Although drying time is not specifically limited, It is preferable to carry out for 10 seconds or more, More preferably, it is 30 seconds or more. In order to improve the dimensional stability, it is preferable to dry the film while fixing both ends of the film with pins or clips.
溶媒を除去した後の膜の厚みは、20〜500μmであり、好ましくは50〜300μm、より好ましくは120〜300μmである。20μmよりも薄くなると液体燃料透過抑止性が低下するため発電性能が低下するので好ましくない。また、膜が薄すぎるとピンホールや破断が発生しやすくなる。逆に500μmよりも厚くなるとイオン伝導性が不十分となることがある。 The thickness of the film after removing the solvent is 20 to 500 μm, preferably 50 to 300 μm, more preferably 120 to 300 μm. If the thickness is less than 20 μm, the liquid fuel permeation deterrence is lowered, and the power generation performance is lowered. If the film is too thin, pinholes and breakage are likely to occur. On the other hand, if it is thicker than 500 μm, the ion conductivity may be insufficient.
本発明のイオン交換膜をイオン伝導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ができる。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が効果的である。また、イオン伝導膜のイオン伝導率は1.0×10-3S/cm以上であることが好ましい。イオン伝導率が1.0×10-3S/cm以上である場合には、そのイオン伝導膜を用いた燃料電池において良好な出力が得られる傾向にあり、1.0×10-3S/cm未満である場合には燃料電池の出力低下が起こる傾向にある。 When the ion exchange membrane of the present invention is used as an ion conductive membrane, the sulfonic acid group in the membrane may contain a metal salt, but it can be converted to free sulfonic acid by an appropriate acid treatment. Can do. In this case, it is effective to immerse the membrane in an aqueous solution of sulfuric acid, hydrochloric acid, etc. with or without heating. The ion conductivity of the ion conductive membrane is preferably 1.0 × 10 −3 S / cm or more. When the ion conductivity of 1.0 × 10 -3 S / cm or higher, tend to better output is obtained in the fuel cell using the ion conductive membrane, 1.0 × 10 -3 S / When it is less than cm, the output of the fuel cell tends to decrease.
また、液体燃料として代表的なメタノールが透過する速度、すなわちメタノール透過速度は、0.1〜3.5mmol/m2/sの範囲にあることが好ましく、より好適には、0.2〜3.0mmol/m2/sの範囲にあることが望ましい。本発明のイオン交換膜においては、従来のイオン交換膜よりも、薄い厚みで上記のメタノール透過速度を達成可能であり、高いイオン伝導性も発現可能であり、イオン伝導性と液体燃料透過抑止性を両立させることができる。 Further, the rate at which methanol as a typical liquid fuel permeates, that is, the methanol permeation rate, is preferably in the range of 0.1 to 3.5 mmol / m 2 / s, and more preferably 0.2 to 3 It is desirable to be in the range of 0.0 mmol / m 2 / s. In the ion exchange membrane of the present invention, the above methanol permeation rate can be achieved with a thinner thickness than conventional ion exchange membranes, high ionic conductivity can also be exhibited, and ionic conductivity and liquid fuel permeation deterrence. Can be made compatible.
本発明のイオン交換膜は、耐熱性、加工性、イオン伝導性および寸法安定性に優れているため、水電解槽のような電気化学的装置用膜や高分子固体電解質膜・電極接合体として燃料電池に用いることができる。また、高温での運転にも耐えることができ、作製が容易で、良好な出力が得られ、メタノールを直接燃料とする燃料電池に使用することができる。 Since the ion exchange membrane of the present invention is excellent in heat resistance, processability, ion conductivity and dimensional stability, it can be used as a membrane for an electrochemical device such as a water electrolyzer or a polymer solid electrolyte membrane / electrode assembly. It can be used for a fuel cell. In addition, it can withstand operation at high temperature, is easy to produce, has good output, and can be used in a fuel cell using methanol as a direct fuel.
以下に本発明の実施例を示すが本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。各種測定は次のように行った。
<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、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)。
<溶液粘度の測定>
E型粘度計(東機産業株式会社 VISCONIC ED型)を用いて温度30℃にて測定した。
Examples of the present invention are shown below, but the present invention is not limited to these Examples. Various measurements were performed as follows.
<Logarithmic viscosity>
The polymer powder was dissolved in N-methylpyrrolidone at a concentration of 0.5 g / dl, the viscosity was measured using a Ubbelohde viscometer in a thermostatic bath at 30 ° C., and evaluated by ln [ta / tb] / c). (Ta is the falling seconds of the sample solution, tb is the falling seconds of the solvent only, and c is the polymer concentration).
<Measurement of solution viscosity>
It measured at 30 degreeC using the E-type viscosity meter (Toki Sangyo Co., Ltd. VISCONIC ED type | mold).
<イオン交換容量の測定>
膜100mgを0.01NのNaOH水溶液50mlに浸漬し、25℃で一晩攪拌した。その後、0.05NのHCl水溶液で中和滴定した。イオン交換容量は下記式で求めた。
イオン交換容量[meq/g]=(10−滴定量[ml])/2
<膜の厚み測定>
膜の厚みは、マイクロメーター(Mitutoyo 標準マイクロメーター 0−25mm 0.01mm)を用いて測定した。測定は10箇所行い、その平均値を厚みとした。
<Measurement of ion exchange capacity>
100 mg of the membrane was immersed in 50 ml of 0.01N NaOH aqueous solution and stirred at 25 ° C. overnight. Then, neutralization titration with 0.05N HCl aqueous solution was performed. The ion exchange capacity was determined by the following formula.
Ion exchange capacity [meq / g] = (10-titration [ml]) / 2
<Measurement of film thickness>
The thickness of the membrane was measured using a micrometer (Mitutoyo standard micrometer 0-25 mm 0.01 mm). Measurement was performed at 10 locations, and the average value was taken as the thickness.
<イオン伝導性測定>
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、80℃、95%RHの恒温・恒湿オーブン(株式会社ナガノ科学機械製作所、LH−20−01)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]
<Ion conductivity measurement>
A platinum wire (diameter: 0.2 mm) was pressed against the surface of the strip-shaped film sample on a self-made measuring probe (manufactured by Teflon (registered trademark)), and a constant temperature and humidity oven at 80 ° C. and 95% RH (Nagano Co., Ltd.) The specimen was held in Science Machine Mfg. Co., Ltd., LH-20-01), and the impedance between the platinum wires 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]
<メタノール透過速度>
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5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5モル/リットルの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、2.0cm2)。なお具体的には、超純水を入れたセルのメタノール濃度変化速度[Ct](mmol/L/s)より以下の式を用いて算出した。
メタノール透過速度[mmol/m2/s]=(Ct[mmol/L/s]× 0.1[L])/2×10-4[m2]
<Methanol permeation rate>
The liquid fuel permeation rate of the ion exchange membrane was measured as the permeation rate of methanol by the following method. An ion exchange membrane immersed in a 5 mol / liter methanol aqueous solution adjusted to 25 ° C. for 24 hours is sandwiched between H-type cells, 100 ml of 5 mol / liter methanol aqueous solution is placed on one side of the cell, and 100 ml of ultrapure is placed on the other cell. It was calculated by injecting water (18 MΩ · cm) and measuring the amount of methanol diffusing into the ultrapure water through the ion exchange membrane while stirring the cells on both sides at 25 ° C. (The area of the ion exchange membrane is 2.0 cm 2 ). Specifically, it was calculated using the following formula from the methanol concentration change rate [Ct] (mmol / L / s) of the cell containing ultrapure water.
Methanol permeation rate [mmol / m 2 / s] = (Ct [mmol / L / s] × 0.1 [L]) / 2 × 10 −4 [m 2 ]
<実施例1>
3,3’−ジスルホ−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン2ナトリウム塩625g、2,6−ジクロロベンゾニトリル508g、4,4’−ビフェノール779g、炭酸カリウム665g、N−メチル−2−ピロリドンを4780g入れて、窒素雰囲気下にて150℃で60分間撹拌した後、反応温度を200℃に上昇させて系の粘性が十分上がるのを目安に反応を続けた(約15時間)。放冷の後、水中にストランド状に沈殿させた。得られたポリマーは、水中で40時間洗浄した後、乾燥した。ポリマーの対数粘度は2.13であった。得られたポリマーを、軽く攪拌させた55℃の95%硫酸中に浸漬することでスルホン化処理を施した後に、最終的に水溶液のpHが6.5になるまで徐々に硫酸濃度を下げながら洗浄を繰り返した。その後、得られたポリマーを乾燥させたところ、イオン交換容量が1.47meq/gのポリマーを得た。このポリマーをN−メチル−2−ピロリドンを溶媒として用い、ポリマー濃度が15重量%となるように溶液を調整した。30℃での溶液の粘度は210ポイズであった。調整した溶液を脱泡した後に、ガラス板を支持体として塗布時の厚みが1050μmになるよう温度26℃で流延し、温度50℃の水に30分間接触させることで溶媒の除去を実施した。その後、金属の枠に膜を固定して温度100℃で5分間乾燥させて膜を製造した。得られた膜の残溶媒量は0.2重量%であった。
<Example 1>
625 g of 3,3′-disulfo-4,4′-dichlorodiphenylsulfone disodium salt, 508 g of 2,6-dichlorobenzonitrile, 779 g of 4,4′-biphenol, 665 g of potassium carbonate, 4780 g of N-methyl-2-pyrrolidone The mixture was stirred at 150 ° C. for 60 minutes in a nitrogen atmosphere, and then the reaction temperature was raised to 200 ° C., and the reaction was continued with the aim of sufficiently increasing the viscosity of the system (about 15 hours). After cooling, it was precipitated in strands in water. The obtained polymer was washed in water for 40 hours and then dried. The logarithmic viscosity of the polymer was 2.13. The resulting polymer was subjected to sulfonation treatment by immersing it in 95% sulfuric acid at 55 ° C. with light stirring, and then the sulfuric acid concentration was gradually lowered until the pH of the aqueous solution finally reached 6.5. The washing was repeated. Thereafter, when the obtained polymer was dried, a polymer having an ion exchange capacity of 1.47 meq / g was obtained. Using this polymer as a solvent, N-methyl-2-pyrrolidone was used to prepare a solution so that the polymer concentration was 15% by weight. The viscosity of the solution at 30 ° C. was 210 poise. After defoaming the adjusted solution, the solvent was removed by casting at a temperature of 26 ° C. using a glass plate as a support so that the thickness when applied was 1050 μm and contacting with water at a temperature of 50 ° C. for 30 minutes. . Thereafter, the membrane was fixed to a metal frame and dried at a temperature of 100 ° C. for 5 minutes to produce a membrane. The residual solvent amount of the obtained film was 0.2% by weight.
<実施例2>
実施例1に記載の方法より作製したポリマーを、N−メチル−2−ピロリドンを溶媒として用い、ポリマー濃度が22重量%となるように溶液を調整した。30℃での溶液の粘度は1430ポイズであった。その後、実施例1に記載の方法より膜を製造した。得られた膜の残溶媒量は0.3重量%であった。
<Example 2>
A polymer prepared by the method described in Example 1 was prepared using N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent, and the solution was adjusted so that the polymer concentration was 22% by weight. The viscosity of the solution at 30 ° C. was 1430 poise. Thereafter, a membrane was produced by the method described in Example 1. The residual solvent amount of the obtained film was 0.3% by weight.
<実施例3>
3,3’−ジスルホ−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン2ナトリウム塩723g、2,6−ジクロロベンゾニトリル411g、4,4’−ビフェノール712g、炭酸カリウム607g、N−メチル−2−ピロリドンを4658g入れて、窒素雰囲気下にて150℃で60分間撹拌した後、反応温度を200℃に上昇させて系の粘性が十分上がるのを目安に反応を続けた(約8時間)。放冷の後、水中にストランド状に沈殿させた。得られたポリマーは、水中で42時間洗浄した後、乾燥した。ポリマーの対数粘度は0.94であった。得られたポリマーを、軽く攪拌させた50℃の95%硫酸中に浸漬しすることでスルホン化処理を施した後に、最終的に水溶液のpHが6.5になるまで徐々に硫酸濃度を下げながら洗浄を繰り返した。その後、得られたポリマーを乾燥させたところ、イオン交換容量が1.79meq/gのポリマーを得た。このポリマーを、N−メチル−2−ピロリドンを溶媒として用い、ポリマー濃度が31重量%となるように溶液を調整した。30℃での溶液の粘度は2340ポイズであった。調整した溶液を脱泡した後に、ガラス板を支持体として塗布時の厚みが1250μmになるよう温度24℃で流延した後に、温度60℃の水に180分間接触させることで溶媒の除去を実施した。その後、金属の枠に膜を固定して温度100℃で5分間乾燥させて膜を製造した。得られた膜の残溶媒量は0.4重量%であった。
<Example 3>
723 g of 3,3′-disulfo-4,4′-dichlorodiphenylsulfone disodium salt, 411 g of 2,6-dichlorobenzonitrile, 712 g of 4,4′-biphenol, 607 g of potassium carbonate, 4658 g of N-methyl-2-pyrrolidone The mixture was stirred at 150 ° C. for 60 minutes in a nitrogen atmosphere, and then the reaction temperature was increased to 200 ° C., and the reaction was continued with a sufficient increase in system viscosity (approximately 8 hours). After cooling, it was precipitated in strands in water. The polymer obtained was washed in water for 42 hours and then dried. The logarithmic viscosity of the polymer was 0.94. The polymer obtained was immersed in 95% sulfuric acid at 50 ° C. with light agitation, and after sulfonation, the sulfuric acid concentration was gradually lowered until the pH of the aqueous solution finally reached 6.5. Washing was repeated. Thereafter, when the obtained polymer was dried, a polymer having an ion exchange capacity of 1.79 meq / g was obtained. A solution of this polymer was prepared using N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent so that the polymer concentration was 31% by weight. The viscosity of the solution at 30 ° C. was 2340 poise. After defoaming the prepared solution, casting was performed at a temperature of 24 ° C. so that the thickness when applied was 1250 μm using a glass plate as a support, and then the solvent was removed by contacting with water at a temperature of 60 ° C. for 180 minutes. did. Thereafter, the membrane was fixed to a metal frame and dried at a temperature of 100 ° C. for 5 minutes to produce a membrane. The amount of residual solvent in the obtained film was 0.4% by weight.
<実施例4>
3,3’−ジスルホ−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン2ナトリウム塩763g、2,6−ジクロロベンゾニトリル540g、4,4’−ビフェノール865g、炭酸カリウム738g、N−メチル−2−ピロリドンを5439g入れて、窒素雰囲気下にて150℃で60分間撹拌した後、反応温度を200℃に上昇させて系の粘性が十分上がるのを目安に反応を続けた(約7時間)。放冷の後、水中にストランド状に沈殿させた。得られたポリマーは、水中で48時間洗浄した後、乾燥した。ポリマーの対数粘度は1.24であった。得られたポリマーを、軽く攪拌させた60℃の95%硫酸中に浸漬しすることでスルホン化処理を施した後に、最終的に水溶液のpHが6.5になるまで徐々に硫酸濃度を下げながら洗浄を繰り返した。その後、得られたポリマーを乾燥させたところ、イオン交換容量が1.58meq/gのポリマーを得た。このポリマーを、N−メチル−2−ピロリドンを溶媒として用い、ポリマー濃度が24重量%となるように溶液を調整した。30℃での溶液の粘度は1430ポイズであった。調整した溶液を脱泡した後に、ガラス板を支持体として塗布時の厚みが1300μmになるよう温度24℃で流延した後に、温度55℃の水に90分間接触させることで溶媒の除去を実施した。その後、金属の枠に膜を固定して温度100℃で5分間乾燥させて膜を製造した。得られた膜の残溶媒量は0.3重量%であった。
<Example 4>
763 g of 3,3′-disulfo-4,4′-dichlorodiphenylsulfone disodium salt, 540 g of 2,6-dichlorobenzonitrile, 865 g of 4,4′-biphenol, 738 g of potassium carbonate, 5439 g of N-methyl-2-pyrrolidone The mixture was stirred at 150 ° C. for 60 minutes under a nitrogen atmosphere, and then the reaction temperature was increased to 200 ° C., and the reaction was continued with a sufficient increase in system viscosity (about 7 hours). After cooling, it was precipitated in strands in water. The polymer obtained was washed in water for 48 hours and then dried. The logarithmic viscosity of the polymer was 1.24. The polymer obtained was immersed in 95% sulfuric acid at 60 ° C. with light stirring, and then subjected to sulfonation treatment, and then the sulfuric acid concentration was gradually lowered until the pH of the aqueous solution finally reached 6.5. Washing was repeated. Then, when the obtained polymer was dried, the polymer whose ion exchange capacity is 1.58 meq / g was obtained. A solution of this polymer was prepared using N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent so that the polymer concentration was 24% by weight. The viscosity of the solution at 30 ° C. was 1430 poise. After defoaming the prepared solution, casting was performed at a temperature of 24 ° C. so that the thickness when applied was 1300 μm using a glass plate as a support, and then the solvent was removed by contacting with water at a temperature of 55 ° C. for 90 minutes. did. Thereafter, the membrane was fixed to a metal frame and dried at a temperature of 100 ° C. for 5 minutes to produce a membrane. The residual solvent amount of the obtained film was 0.3% by weight.
<比較例1>
実施例4に記載の方法より製造したポリマーを、N−メチル−2−ピロリドンを溶媒として用い、ポリマー濃度が27重量%となるように溶液を調整した。30℃での溶液の粘度は3780ポイズであった。調整した溶液の脱泡を試みたが非常に困難であった。この溶液を、ガラス板を支持体として塗布時の厚みが1300μmになるよう温度24℃で流延したが、送液時に気泡が多量に混入してしまい、良好な膜を製造することはできなかった。
<Comparative Example 1>
A polymer prepared by the method described in Example 4 was prepared using N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent, and the solution was adjusted so that the polymer concentration was 27% by weight. The viscosity of the solution at 30 ° C. was 3780 poise. An attempt was made to degas the adjusted solution, but it was very difficult. This solution was cast at a temperature of 24 ° C. so that the thickness upon application was 1300 μm using a glass plate as a support, but a large amount of bubbles were mixed during liquid feeding, and a good film could not be produced. It was.
<比較例2>
実施例4に記載の方法より製造したポリマーを、N−メチル−2−ピロリドンを溶媒として用い、ポリマー濃度が12.5重量%となるように溶液を調整した。30℃での溶液の粘度は54ポイズであった。調整した溶液を脱泡した後に、ガラス板を支持体として塗布時の厚みが2000μmになるよう温度25℃で流延した後に、温度55℃の水に90分間接触させることで溶媒の除去を実施した。その後、金属の枠に膜を固定して温度100℃で5分間乾燥させて膜を製造した。得られた膜は凸凹しており厚みムラが非常に大きい膜であった。
<Comparative example 2>
A polymer prepared by the method described in Example 4 was prepared using N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent, and the solution was adjusted so that the polymer concentration was 12.5% by weight. The viscosity of the solution at 30 ° C. was 54 poise. After defoaming the prepared solution, casting was performed at a temperature of 25 ° C. so that the thickness when applied was 2000 μm using a glass plate as a support, and then the solvent was removed by contacting with water at a temperature of 55 ° C. for 90 minutes. did. Thereafter, the membrane was fixed to a metal frame and dried at a temperature of 100 ° C. for 5 minutes to produce a membrane. The obtained film was uneven and had very large thickness unevenness.
<比較例3>
実施例1に記載の方法より製造したポリマー膜を金属の金枠に膜を固定して270℃で20分間乾燥させて膜を製造した。膜のイオン交換容量を測定した結果は、0.28meq/gであった。高温で長時間の乾燥によりイオン性基が脱離したと考えられる。
<Comparative Example 3>
The polymer film produced by the method described in Example 1 was fixed to a metal frame and dried at 270 ° C. for 20 minutes to produce a film. The result of measuring the ion exchange capacity of the membrane was 0.28 meq / g. It is considered that the ionic group was eliminated by drying at high temperature for a long time.
<比較例4>
実施例3に記載の方法より製造した溶液を、ガラス板を支持体として塗布時の厚みが1250μmになるよう温度26℃で流延した後に温度200℃で10時間乾燥を行うことで溶媒を除去させて膜を製造した。乾燥時に発泡してしまい良好な膜を製造できなかった。また、得られた膜の残溶媒量は2.3重量%であり十分に溶媒を除去することができなかった。
<Comparative example 4>
The solution prepared by the method described in Example 3 was cast at a temperature of 26 ° C. so that the thickness when applied was 1250 μm using a glass plate as a support, and then the solvent was removed by drying at a temperature of 200 ° C. for 10 hours. To produce a membrane. A good film could not be produced due to foaming during drying. Further, the amount of residual solvent in the obtained film was 2.3% by weight, and the solvent could not be removed sufficiently.
<比較例5>
デュポン社製ナフィオン(商品名)117膜を用いた。この膜はパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーからなる。
<Comparative Example 5>
A Nafion (trade name) 117 membrane manufactured by DuPont was used. This membrane consists of a perfluorocarbon sulfonic acid polymer.
実施例1、2、3、4、比較例1、2、3、4、5の物性値を表1に示す。 The physical property values of Examples 1, 2, 3, 4 and Comparative Examples 1, 2, 3, 4, 5 are shown in Table 1.
実施例1、2、3、4および比較例1、2から溶液の粘度は100〜3000ポイズの範囲にすることが好ましいことがわかる。また、実施例1、2、3、4および比較例3から、乾燥は250℃以下で実施することが好ましいことがわかる。また、実施例1、2、3、4および比較例4から、加熱のみで溶媒を揮発させることで除去する方法よりも本発明の方法は効率がよく、残溶媒量をさらに低減できることがわかる。また、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマー膜より本発明の炭化水素系のイオン交換樹脂からなる膜のほうが、高いイオン伝導度とメタノール透過抑止性の両立の点で優れていることがわかる。 From Examples 1, 2, 3, 4 and Comparative Examples 1, 2, it can be seen that the viscosity of the solution is preferably in the range of 100 to 3000 poise. In addition, Examples 1, 2, 3, 4 and Comparative Example 3 show that drying is preferably performed at 250 ° C. or less. Further, Examples 1, 2, 3, 4 and Comparative Example 4 show that the method of the present invention is more efficient than the method of removing the solvent by volatilizing it only by heating, and the amount of residual solvent can be further reduced. It can also be seen that the membrane made of the hydrocarbon ion exchange resin of the present invention is superior to the perfluorocarbon sulfonic acid polymer membrane in terms of both high ionic conductivity and methanol permeation deterrence.
本発明により、高いイオン伝導性と液体燃料透過抑止性を両立可能な膜厚みの厚いイオン交換膜を従来に比べて容易に提供することができ、該イオン交換膜は、電気化学装置のイオン伝導体として用いることができ、例えばメタノール等の液体有機燃料を用いる燃料電池に利用した場合は、発電効率の高い高性能な燃料電池を供給することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to easily provide a thick ion exchange membrane capable of achieving both high ion conductivity and liquid fuel permeation inhibiting properties as compared with conventional ones. For example, when used in a fuel cell that uses a liquid organic fuel such as methanol, a high-performance fuel cell with high power generation efficiency can be supplied.
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