JP2007119654A - Proton-conductive block copolymer, its crosslinked material and proton-conductive film and fuel cell using the same - Google Patents

Proton-conductive block copolymer, its crosslinked material and proton-conductive film and fuel cell using the same Download PDF

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聡子 藤山
Takehiko Onomi
毅彦 尾身
Koji Inoue
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a proton-conductive block copolymer used for fuel cells satisfying both of the water resistance and the high proton conductivity over a long period, its crosslinked product and a proton-conductive film using those, and a fuel cell using the film. <P>SOLUTION: The present invention provides a proton-conductive block copolymer in which the product of proton conductivity (26%RH, 80°C) with ion exchange group equivalent (EW=polymer molecular weight/protonic acid group amount) is ≥0.1, a proton-conductive block copolymer having recurring structure units with a specific structure, crosslinked products of these proton-conductive block copolymers and further provides a proton-conductive film using the proton-conductive block copolymer and its crosslinked product, and a fuel cell. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、水素、アルコールなどを燃料に用いる燃料電池などにおいて用いられるイオン伝導性のプロトン伝導性ブロック共重合芳香族樹脂、それを用いて得られる高分子膜および燃料電池に関する。   The present invention relates to an ion conductive proton conductive block copolymer aromatic resin used in a fuel cell using hydrogen, alcohol or the like as a fuel, a polymer membrane obtained by using the same, and a fuel cell.

高分子電解質型燃料電池とは電解質としてプロトン伝導性高分子を用いる燃料電池で、水素やメタノールなどの燃料を酸素または空気を用いて電気化学的に酸化することにより、燃料の化学エネルギーを電気エネルギーに変換して取り出すものである。高分子電解質型燃料電池には、燃料として、ボンベ、配管などから供給される純水素を用いるタイプのほか、改質器によりガソリンやメタノールから水素を発生させて用いるタイプなどがある。また、燃料としてメタノール水溶液を用いて直接発電を行う直接メタノール型燃料電池(DMFC:Direct Methanol Fuel Cell)も開発されている。
高分子電解質型燃料電池は、高分子電解質膜とこの両側に接触して配置される正極および負極から構成される。燃料の水素あるいはメタノールは負極において電気化学的に酸化されてプロトンと電子を生成する。このプロトンは高分子電解質膜内を、酸素が供給される正極に移動する。一方、負極で生成した電子は電池に接続された負荷を通り、正極に流れ、正極においてプロトンと電子が反応して水を生成する。そのため、電解質膜には高いプロトン伝導性が求められる。
特に水素を燃料とした高分子型燃料電池(PEFC:Polymer Electrolyte Fuel Cell)においては、燃料に水分が存在しない為、低加湿下でのプロトン伝導性が求められている。
A polymer electrolyte fuel cell is a fuel cell that uses a proton-conducting polymer as an electrolyte, and the chemical energy of the fuel is converted into electrical energy by electrochemically oxidizing hydrogen or methanol or other fuel using oxygen or air. It is to be converted and extracted. The polymer electrolyte fuel cell includes a type using pure hydrogen supplied from a cylinder, a pipe, or the like as a fuel, and a type using hydrogen generated from gasoline or methanol by a reformer. In addition, a direct methanol fuel cell (DMFC) that directly generates power using a methanol aqueous solution as a fuel has been developed.
A polymer electrolyte fuel cell includes a polymer electrolyte membrane and a positive electrode and a negative electrode arranged in contact with both sides thereof. Fuel hydrogen or methanol is electrochemically oxidized at the negative electrode to generate protons and electrons. This proton moves in the polymer electrolyte membrane to the positive electrode to which oxygen is supplied. On the other hand, electrons generated at the negative electrode pass through a load connected to the battery and flow to the positive electrode, where protons and electrons react to generate water at the positive electrode. Therefore, high proton conductivity is required for the electrolyte membrane.
In particular, polymer fuel cells (PEFC) using hydrogen as a fuel are required to have proton conductivity under low humidification because there is no water in the fuel.

高いプロトン伝導性を有する高分子電解質膜としては、非フッ素系の高分子化合物の開発が進められたが、主鎖構造が有する3級炭素がラジカルの攻撃を受けやすく、電池内で容易にα位の水素を放出してしまうため、電池特性が経時的に悪化する問題がある。そのため、主鎖に脂肪族鎖を有さない、すなわち芳香族炭化水素系のプロトン酸基含有高分子が数多く開発されている。なかでも、スルホン化したポリエーテルエーテルケトンから成る膜は、耐熱性と化学的耐久性に優れ、高分子電解質として長時間の使用に耐えうることが報告されている(例えば、非特許文献1)。
これらプロトン酸基含有芳香族炭化水素高分子膜のプロトン伝導性を高めるためには、プロトン酸基の導入量を増やす、すなわちイオン交換基当量を小さくすることが必要であるが、プロトン酸基の導入量を増やすと、同時に親水性が増し、吸水率が増加したり水溶性になることが知られている(例えば、特許文献1)。燃料電池は、燃料と酸素の反応により水を副生することから、水溶性の樹脂は燃料電池用の高分子電解質膜として用いることはできない。また、水溶性とならなくても、吸水性が高い場合には、膜の膨潤や強度の低下、吸水した水を介してのメタノールの負極から正極への透過などの問題を生じる。
As a polymer electrolyte membrane having high proton conductivity, development of a non-fluorine polymer compound has been promoted. However, tertiary carbon having a main chain structure is susceptible to radical attack, and α This causes a problem that the battery characteristics deteriorate with time. For this reason, a large number of protonic acid group-containing polymers having no aliphatic chain in the main chain, that is, aromatic hydrocarbons, have been developed. Among them, it has been reported that a membrane made of sulfonated polyether ether ketone is excellent in heat resistance and chemical durability and can withstand long-time use as a polymer electrolyte (for example, Non-Patent Document 1). .
In order to increase the proton conductivity of these proton acid group-containing aromatic hydrocarbon polymer membranes, it is necessary to increase the amount of proton acid groups introduced, that is, to reduce the ion exchange group equivalent. It is known that when the introduction amount is increased, the hydrophilicity is increased at the same time, and the water absorption is increased or becomes water-soluble (for example, Patent Document 1). Since a fuel cell produces water as a by-product by the reaction of fuel and oxygen, a water-soluble resin cannot be used as a polymer electrolyte membrane for a fuel cell. In addition, even if it is not water-soluble, if water absorption is high, problems such as swelling of the film, a decrease in strength, and permeation of methanol from the negative electrode to the positive electrode through the absorbed water occur.

そこで、高分子電解質膜に架橋構造を導入することで、耐水性を向上、低吸水化する方法も開発されている。
例えば、ポリエーテルエーテルケトンの膜中のスルホン酸同士を脱硫酸縮合させたスルホネート結合による架橋方法が報告されている(例えば、特許文献2)が、硫酸などの脱離を伴う架橋機構であり、膜表面と膜内部あるいは膜の裏面で架橋密度が異なる、厚膜化が困難である、膜にボイドができる、脱離した酸性ガスにより製造装置が腐食するといった問題を有していた。さらに、これらプロトン酸基を用いた架橋機構により得られる膜は、架橋密度を向上させるとプロトン酸基が減少(イオン交換基当量が増加)し、イオン伝導性が低下するといった問題があった。
Therefore, a method for improving water resistance and reducing water absorption by introducing a crosslinked structure into the polymer electrolyte membrane has been developed.
For example, a crosslinking method using a sulfonate bond obtained by desulfurization condensation of sulfonic acids in a polyether ether ketone membrane has been reported (for example, Patent Document 2), which is a crosslinking mechanism accompanied by elimination of sulfuric acid, There are problems that the crosslink density is different between the film surface and the inside of the film or the back surface of the film, it is difficult to increase the film thickness, voids are formed in the film, and the production apparatus is corroded by the desorbed acidic gas. Further, the membrane obtained by the crosslinking mechanism using these protonic acid groups has a problem that when the crosslinking density is improved, the protonic acid groups decrease (the ion exchange group equivalent increases) and the ionic conductivity decreases.

硫酸や塩酸などの脱離を伴わない架橋機構としては、クロロスルホン化ポリエーテルケトンのクロロスルホン酸基とアリルアミンを反応させて、スルホンアミド基で結合したアリル基とし、製膜後付加反応により架橋させる機構が報告されている(例えば、特許文献3)が、架橋密度を向上させるためにはプロトン酸基を減少(イオン交換基当量を増加)させる必要がある。また、架橋基を結合するスルホンアミド結合は加水分解を受けやすいといった問題も有していた。   As a crosslinking mechanism that does not involve elimination of sulfuric acid or hydrochloric acid, the chlorosulfonic acid group of chlorosulfonated polyetherketone and allylamine are reacted to form an allyl group bonded with a sulfonamide group. Although the mechanism of making it report is reported (for example, patent document 3), in order to improve a crosslinking density, it is necessary to reduce a proton acid group (increase an ion exchange group equivalent). In addition, the sulfonamide bond that binds the crosslinking group has a problem that it is susceptible to hydrolysis.

プロトン酸基から誘導されず、脱離成分も伴わない架橋機構を有するものとしては、カルボニル基と芳香環に直結したアルキル基との架橋方法が開示されている(例えば、特許文献4)が架橋基を導入する部分を特定していないため、プロトン酸基の存在する部分で架橋が進み過ぎるとポリマー鎖の動きが架橋により制限されたり、プロトン伝導に必要な水分の吸水が低下するため、プロトン伝導性低減の原因になる場合があった。
しかしながら、いずれの方法においても耐水性と高プロトン伝導性を充分に両立した高分子電解質膜は得られておらず、さらなる性能向上が求められていた。
A method of crosslinking a carbonyl group and an alkyl group directly bonded to an aromatic ring is disclosed as one having a crosslinking mechanism that is not derived from a proton acid group and does not involve a leaving component (for example, Patent Document 4). Since the part into which the group is introduced is not specified, if the crosslinking proceeds too much in the part where the proton acid group exists, the movement of the polymer chain is restricted by the crosslinking, or the water absorption necessary for proton conduction decreases. In some cases, the conductivity was reduced.
However, in any of the methods, a polymer electrolyte membrane that sufficiently satisfies both water resistance and high proton conductivity has not been obtained, and further performance improvement has been demanded.

特開平10−45913号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-45913 特表2000−501223号公報JP 2000-501223 Gazette 特開平6−93114号公報JP-A-6-93114 特開2003−217342号公報JP 2003-217342 A 本間格、第3回セパレーションズサイエンス&テクノロジー研究会講座講演要旨集「高分子膜燃料電池の基礎と応用」p17 (1999)Masaru Honma, Abstracts of Lectures of the 3rd Separation of Sciences and Technology "Basics and Applications of Polymer Membrane Fuel Cells" p17 (1999)

本発明の目的は、耐水性と高プロトン伝導性を長期にわたり両立する、燃料電池に用いる、プロトン伝導性ブロック共重合体、その架橋体並びにそれらを用いたプロトン伝導膜及び燃料電池を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a proton conductive block copolymer, a cross-linked product thereof, a proton conductive membrane and a fuel cell using the same, which are used in a fuel cell, which can achieve both water resistance and high proton conductivity for a long period of time. It is in.

本発明者らは、特定のプロトン伝導性ブロック共重合体から得られる高分子電解質膜が、耐水性と高プロトン伝導性を長期にわたり両立することを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、以下の[1]〜[8]に記載した事項により特定される。
The present inventors have found that a polymer electrolyte membrane obtained from a specific proton conductive block copolymer can achieve both water resistance and high proton conductivity over a long period of time, and has completed the present invention.
That is, this invention is specified by the matter described in the following [1]-[8].

[1] プロトン伝導度(26%RH、80℃)とイオン交換基当量(EW=ポリマー分子量/プロトン酸基量)との積が0.1以上であり、プロトン酸基を有するブロックを含有ことを特徴とするプロトン伝導性ブロック共重合体。
[2]一般式(1)で表される構造単位を繰り返し有するブロック(A)と、一般式(2)で表される構造単位を繰り返し有するブロック(B)とからなることを特徴とするプロトン伝導性ブロック共重合体。

Figure 2007119654



Figure 2007119654

[式(1)中、Aは直接結合,−SO−または−CO−であり、式(1)中の芳香環の水素原子は、−C2m+1(mは1〜10の整数)、−F、−CF、−Si(CH、−OSi(CHまたは−CNに置換されていても良い。
式(2)中、Rはプロトン酸基である。式(2)中、Bは−SO−または−CO−であり、式(2)中の芳香環の水素原子は、プロトン酸基に置換されていても良い。
及びYは、式(3)〜(5)のいずれかであり、且つ、の少なくとも1つは式(4)あるいは(5)で表されるナフタレン環構造であり、式(3)、(4)および(5)で表されるYの芳香環の水素原子はプロトン酸基に置換されていても良い。
式(3)中、のDおよびDはそれぞれ独立して直接結合,−CH−、−C(CH−、−C(CF−、−O−、−SO−または−CO−であり、aおよびbはそれぞれ独立して0または1を示す。
式(3)、(4)および(5)中の芳香環の水素原子は−C2m+1(mは1〜10の整数)、−F、−CF、−Si(CH、−OSi(CHまたは−CNに置換されていても良い。]
[3]ブロック(A)のA及びブロック(B)のBが−CO−であり、且つ、式(3)で表されるXあるいはYの芳香環の水素原子が−C2m+1(mは1〜10の整数)で置換された下記式(6)であり、X及びYのいずれか一方が式(4)、(5)で表されるナフタレン環構造で他方が式(6)である架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体であることを特徴とする前記[2]記載のプロトン伝導性ブロック共重合体。


Figure 2007119654

[式(6)中の芳香環の水素原子が−C2m+1(mは1〜10の整数)、−F、−CF、−Si(CH、−OSi(CHまたは−CNに置換されていても良い。]
[4]ブロック(A)及びブロック(B)の一般式(3)又は式(6)であらわされるX又はYのaが0である前記[2]又は[3]記載のプロトン伝導性ブロック共重合体。
[5]プロトン酸基が、−C2n−SOZ、−C2n−PO、−C2n−COOZ(nは0〜10の整数、ZはH、NaまたはKである)のいずれかであることを特徴とする前記[1]〜[4]のいずれか一つに記載のプロトン伝導性ブロック共重合体。
[6]前記[1]〜[5]のいずれか一つに記載のプロトン伝導性ブロック共重合体を架橋してなるプロトン伝導性ブロック共重合架橋体。
[7]前記[1]〜[6]のいずれか一つに記載のプロトン伝導性ブロック共重合体あるいはプロトン伝導性ブロック共重合架橋体を含んでなるプロトン伝導膜。
[8]前記[7]記載のプロトン伝導膜を用いてなる燃料電池。 [1] The product of proton conductivity (26% RH, 80 ° C.) and ion exchange group equivalent (EW = polymer molecular weight / proton acid group amount) is 0.1 or more, and contains a block having a proton acid group A proton conductive block copolymer.
[2] Proton comprising a block (A) having a repeating structural unit represented by the general formula (1) and a block (B) having a repeating structural unit represented by the general formula (2) Conductive block copolymer.

Figure 2007119654



Figure 2007119654

[In the formula (1), A 1 is a direct bond, —SO 2 — or —CO—, and the hydrogen atom of the aromatic ring in the formula (1) is —C m H 2m + 1 (m is an integer of 1 to 10 ), -F, -CF 3 , -Si (CH 3 ) 3 , -OSi (CH 3 ) 3 or -CN.
In formula (2), R 1 is a protonic acid group. In Formula (2), B 1 is —SO 2 — or —CO—, and the hydrogen atom of the aromatic ring in Formula (2) may be substituted with a proton acid group.
X 1 and Y 1 are any one of formulas (3) to (5), and at least one of them is a naphthalene ring structure represented by formula (4) or (5), and the formula (3) , (4) and (5), the hydrogen atom of the aromatic ring of Y 1 may be substituted with a proton acid group.
In formula (3), D 1 and D 2 are each independently a direct bond, —CH 2 —, —C (CH 3 ) 2 —, —C (CF 3 ) 2 —, —O—, —SO 2. -Or -CO-, and a and b each independently represent 0 or 1.
Equation (3), (4) and a hydrogen atom of the aromatic ring in (5) is -C m H 2m + 1 (m is an integer of from 1 to 10), - F, -CF 3, -Si (CH 3) 3, -OSi (CH 3) 3 or may be substituted to -CN. ]
[3] a B 1 block (A) of A 1 and block (B) is -CO-, and, -C hydrogen atom of the aromatic ring of X 1 or Y 1 of the formula (3) m It is the following formula (6) substituted with H 2m + 1 (m is an integer of 1 to 10), and one of X 1 and Y 1 is the naphthalene ring structure represented by formulas (4) and (5), and the other The proton conductive block copolymer according to the above [2], wherein is a cross-linked proton conductive block copolymer represented by the formula (6).


Figure 2007119654

Expression -C hydrogen atom of the aromatic ring in (6) m H 2m + 1 (m is an integer of from 1 to 10), - F, -CF 3, -Si (CH 3) 3, -OSi (CH 3) 3 Alternatively, it may be substituted with -CN. ]
[4] The proton conductivity according to the above [2] or [3], wherein a of X 1 or Y 1 represented by the general formula (3) or the formula (6) of the block (A) and the block (B) is 0 Block copolymer.
[5] protonic acid group, -C n H 2n -SO 3 Z , -C n H 2n -PO 3 Z 2, -C n H 2n -COOZ (n is an integer of 0, Z is H, Na Or K). The proton conductive block copolymer according to any one of [1] to [4], wherein the proton conductive block copolymer is any one of the above.
[6] A proton conductive block copolymer crosslinked product obtained by crosslinking the proton conductive block copolymer according to any one of [1] to [5].
[7] A proton conducting membrane comprising the proton conducting block copolymer or the proton conducting block copolymer crosslinked product according to any one of [1] to [6].
[8] A fuel cell using the proton conducting membrane according to [7].

本発明のプロトン伝導性ブロック共重合体及びその架橋体型プロトン伝導性ブロック共重合体は、プロトン伝導度とイオン交換基当量(ポリマー分子量/プロトン酸基量)との積が大きいため、少ないスルホン酸基量で高いプロトン伝導度を発揮することができる。スルホン酸基量が少なければ、吸水量及び吸水膨張を抑制することが可能であり、低加湿下で作動されるPEFCにおいても問題なく使用することができる。すなわち本発明のプロトン伝導性ブロック共重合体及びその架橋体は、耐水性と高プロトン伝導性を長期にわたり両立し得る電解質膜の材料として好適である。
本発明のプロトン伝導性ブロック共重合体あるいはその架橋体型プロトン伝導性ブロック共重合体を用いた電解質膜は、プロトン伝導を担うプロトン酸基を有する親水性のブロックからなる相と、耐水性に優れ吸水膨張が小さい疎水性ブロックとが適度に相分離しながら、その相界面が同一分子で結合されているため、プロトン伝導を担うブロックの水への溶解や吸水膨張が抑制され、さらには相界面の剥離がない。特に構造中に配向性に優れたナフタレン環構造を有する場合その効果が大きい。すなわち、親水性の相にナフタレン構造を有する場合は、ナフタレン環の良好な配向性により親水性ブロックが集合しスルホン酸基がプロトンの通り道を形成するため、該プロトン伝導膜はプロトン酸基の含有量を増やすことなく高プロトン伝導性を有することができ、耐水性に優れる。また、プロトン酸基が配向しているために、低加湿下でも高プロトン伝導性を維持することができる。さらに、疎水性ブロック部分に架橋基を導入し架橋することにより、疎水性ブロック相の吸水膨張をより小さく耐水性を向上させることができる。一方、疎水性の相にナフタレン構造を有する場合は、ナフタレン環の良好な配向性により疎水性ブロックのパッキングが向上し疎水性ブロック相の吸水膨張をより小さくすることができ耐水性を向上することができる。さらに、架橋基を導入することにより吸水膨張を抑制することができる。従って、本発明のプロトン伝導性ブロック共重合体あるいはその架橋体型プロトン伝導性ブロック共重合体をプロトン伝導膜に用いることにより、プロトン伝導性の低下や吸水膨張による発電効率の低下が起こりにくく、高効率で信頼性に優れた燃料電池を得ることができる。また、ナフタレン環の良好な配向性による吸水膨張抑制によって、燃料電池に使用されるメタノールや水素などの燃料の透過も抑制できるため、発電効率の低下が起こりにくく、高効率で信頼性に優れた燃料電池を得ることができる。
The proton conductive block copolymer and its cross-linked proton conductive block copolymer of the present invention have a small sulfonic acid because the product of proton conductivity and ion exchange group equivalent (polymer molecular weight / protonic acid group amount) is large. High proton conductivity can be exhibited by the base amount. If the amount of the sulfonic acid group is small, it is possible to suppress the amount of water absorption and the water absorption expansion, and it can be used without any problem even in the PEFC operated under low humidification. That is, the proton conductive block copolymer and its cross-linked product of the present invention are suitable as an electrolyte membrane material that can achieve both water resistance and high proton conductivity for a long period of time.
The electrolyte membrane using the proton conductive block copolymer of the present invention or a crosslinked proton conductive block copolymer thereof is excellent in water resistance and a phase composed of a hydrophilic block having a proton acid group responsible for proton conduction. While the phase interface is appropriately separated from the hydrophobic block with small water absorption expansion, the phase interface is bonded with the same molecule, so that dissolution of the block responsible for proton conduction in water and water absorption expansion are suppressed. There is no peeling. The effect is particularly great when the structure has a naphthalene ring structure with excellent orientation. That is, in the case where the hydrophilic phase has a naphthalene structure, the hydrophilic block aggregates due to the good orientation of the naphthalene ring and the sulfonic acid group forms a path for protons. High proton conductivity can be obtained without increasing the amount, and the water resistance is excellent. In addition, since protonic acid groups are oriented, high proton conductivity can be maintained even under low humidification. Furthermore, by introducing a crosslinking group into the hydrophobic block portion and crosslinking, the water absorption expansion of the hydrophobic block phase can be reduced and the water resistance can be improved. On the other hand, when the hydrophobic phase has a naphthalene structure, the good orientation of the naphthalene ring improves the packing of the hydrophobic block, thereby reducing the water absorption expansion of the hydrophobic block phase and improving the water resistance. Can do. Furthermore, water absorption expansion can be suppressed by introducing a crosslinking group. Therefore, by using the proton conductive block copolymer of the present invention or a crosslinked proton conductive block copolymer of the present invention for the proton conductive membrane, it is difficult for a decrease in proton conductivity or a decrease in power generation efficiency due to water absorption expansion. An efficient and reliable fuel cell can be obtained. In addition, by suppressing the water absorption expansion due to the good orientation of the naphthalene ring, it is possible to suppress the permeation of fuel such as methanol and hydrogen used in fuel cells. A fuel cell can be obtained.

以下、本発明に係るプロトン伝導性ブロック共重合体、及びその架橋体、ならびにそれらを用いた燃料電池用プロトン伝導膜及び燃料電池について具体的に説明する。   Hereinafter, the proton conductive block copolymer according to the present invention, the cross-linked product thereof, and the proton conductive membrane for fuel cell and the fuel cell using the same will be described in detail.

プロトン伝導度とイオン交換基当量の積が0.1のプロトン伝導性ブロック共重合体
本発明のプロトン伝導性ブロック共重合体は、プロトン伝導度(26%RH、80℃)とイオン交換基当量の積が0.1以上であり、プロトン酸基を有するブロックを含有することを特徴とする。ここで、プロトン伝導度は、26%RH,80℃の条件下で測定し、好ましくは6.67E−05〜5.00E−04[S/cm]、更に好ましくは1.00E−04〜3.33E−04[S/cm]である。イオン交換基当量とは、プロトン酸基1モル当たりの樹脂重量で定義され、樹脂単位重量当たりのプロトン酸基のモル数の逆数を意味し、200〜1500g/molであることが好ましく、300〜1000g/molであることが更に好ましい。プロトン伝導度(26%RH、80℃)とイオン交換基当量との積は、プロトン伝導性ブロック共重合体中のプロトン酸基1個当りのプロトン伝導度に寄与する割合を表しており、0.1以上が好ましく、0.14以上がより好ましい。プロトン伝導度(26%RH、80℃)とイオン交換基当量の積が、0.1以上であれば吸水膨張を抑制したまま充分なプロトン伝導度を発揮することができる。0.1未満である場合は、充分なプロトン伝導度を発揮するためにはイオン交換基当量をより小さくしなければならず、イオン交換基当量を小さくするとプロトン酸基量が多くなり過ぎる為、吸水量が高くなる。吸水量が高くなると吸水膨張を引き起こす為に好ましくない。また、プロトン酸基1個当りのプロトン伝導度に寄与する割合が高いということは、低加湿下でもプロトン伝導度を発揮できることを示しており、低加湿下で作動されるPEFCにおいても問題なく使用することができる。
Proton Conductive Block Copolymer with Proton Conductivity and Ion Exchange Group Equivalent Product of 0.1 Proton Conductive Block Copolymer of the Present Invention is Proton Conductivity (26% RH, 80 ° C.) and Ion Exchange Group Equivalent The product of is a 0.1 or more, and contains the block which has a proton acid group. Here, the proton conductivity is measured under the conditions of 26% RH and 80 ° C., preferably 6.67E-05 to 5.00E-04 [S / cm], and more preferably 1.00E-04 to 3 .33E-04 [S / cm]. The ion exchange group equivalent is defined by the resin weight per mole of proton acid groups, and means the reciprocal of the number of moles of proton acid groups per unit weight of the resin, preferably 200 to 1500 g / mol, More preferably, it is 1000 g / mol. The product of the proton conductivity (26% RH, 80 ° C.) and the ion exchange group equivalent represents the ratio that contributes to the proton conductivity per proton acid group in the proton conductive block copolymer. .1 or more is preferable, and 0.14 or more is more preferable. When the product of proton conductivity (26% RH, 80 ° C.) and ion exchange group equivalent is 0.1 or more, sufficient proton conductivity can be exhibited while suppressing water absorption expansion. If it is less than 0.1, in order to exhibit sufficient proton conductivity, the ion exchange group equivalent must be made smaller, and if the ion exchange group equivalent is made small, the amount of proton acid groups becomes too large. Increases water absorption. High water absorption is not preferable because it causes water expansion. In addition, the fact that the ratio contributing to the proton conductivity per proton acid group is high indicates that the proton conductivity can be exhibited even under low humidification, and it can be used without problem even in PEFC operated under low humidification. can do.

本発明のプロトン伝導性ブロック共重合体は、プロトン酸基を有するブロックを含有する。プロトン酸基を有するブロックは、親水性のブロックであり、吸水することにより高いプロトン伝導性を示す。プロトン酸基を有するブロックが吸水膨張をしても、プロトン酸基を持たない部分がそれを抑制する。更にプロトン酸基を有するブロックと有さないブロックは同一分子で結合されているため、相分離することなくプロトン酸基を有するブロックの吸収膨張を抑制することができる。その結果、このようなプロトン伝導性ブロック共重合体を用いたプロトン伝導膜は、高プロトン伝導性を有しながら、耐水性に優れる。また、2つのブロックの相界面が同一分子で結合されているため、温度や湿度の変化による膨張収縮の差による相界面でのクラックの発生が抑制される。   The proton conductive block copolymer of the present invention contains a block having a proton acid group. The block having a proton acid group is a hydrophilic block and exhibits high proton conductivity when absorbed. Even if the block having a proton acid group expands due to water absorption, the portion having no proton acid group suppresses it. Furthermore, since the block having a proton acid group and the block not having a proton acid group are bonded by the same molecule, absorption expansion of the block having a proton acid group can be suppressed without phase separation. As a result, a proton conductive membrane using such a proton conductive block copolymer has excellent water resistance while having high proton conductivity. Moreover, since the phase interface of two blocks is couple | bonded with the same molecule | numerator, generation | occurrence | production of the crack by the phase interface by the difference in expansion / contraction by the change of temperature or humidity is suppressed.

本発明のプロトン伝導性ブロック共重合体は、プロトン酸基を有するブロックを繰り返し有する。プロトン酸基としては、具体的には下記式(7)〜(9)で示されるスルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基などが挙げられる。中でも下記式(7)で示されるスルホン酸基が好ましく、下記式(7)においてZ=Hで示されるスルホン酸基が特に好ましい。
−C2n−SOZ(nは0〜10の整数、ZはH,NaまたはK) (7)
−C2n−COOZ(nは0〜10の整数、ZはH,NaまたはK) (8)
−C2n−PO(nは0〜10の整数、ZはH,NaまたはK) (9)
The proton conductive block copolymer of the present invention repeatedly has a block having a proton acid group. Specific examples of the proton acid group include sulfonic acid groups, carboxylic acid groups, and phosphonic acid groups represented by the following formulas (7) to (9). Among them, a sulfonic acid group represented by the following formula (7) is preferable, and a sulfonic acid group represented by Z = H in the following formula (7) is particularly preferable.
-C n H 2n -SO 3 Z ( n is an integer of 0, Z is H, Na or K) (7)
-C n H 2n -COOZ (n is an integer of 0, Z is H, Na or K) (8)
-C n H 2n -PO 3 Z 2 (n is an integer of 0, Z is H, Na or K) (9)

本発明のプロトン伝導性ブロック共重合体は、プロトン伝導度とイオン交換基当量の積が0.1以上で、プロトン酸基を有するブロックを繰り返し有するものであればどのような化合物であっても良い。例えば、後述するブロック(A)およびブロック(B)とからなるプロトン伝導性ブロック共重合体が挙げられるが、これに限定されるものでは無い。   The proton conductive block copolymer of the present invention may be any compound as long as the product of proton conductivity and ion exchange group equivalent is 0.1 or more and has a block having a proton acid group repeatedly. good. For example, although the proton conductive block copolymer which consists of the block (A) and block (B) mentioned later is mentioned, it is not limited to this.

本発明のプロトン伝導性ブロック共重合体の膨潤率は10〜100wt%である。ここで、膨潤率は、乾燥した該樹脂の、25℃24時間純水浸漬前後の体積比から求めることができる。本発明にかかるプロトン伝導性ブロック共重合体は、同等のイオン交換基当量を有する共重合体にくらべ、吸水膨張が小さい。また、プロトン伝導性ブロック共重合体が、架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体の場合はさらに架橋基を持たない共重合体に比べ、更に吸水膨張が小さい。   The swelling ratio of the proton conductive block copolymer of the present invention is 10 to 100 wt%. Here, the swelling ratio can be determined from the volume ratio of the dried resin before and after immersion in pure water at 25 ° C. for 24 hours. The proton conductive block copolymer according to the present invention has a smaller water absorption expansion than a copolymer having an equivalent ion exchange group equivalent. Further, when the proton conductive block copolymer is a crosslinked proton conductive block copolymer, the water absorption expansion is further smaller than that of a copolymer having no crosslinking group.

ブロック(A)およびブロック(B)
本発明のプロトン伝導性ブロック共重合体に係る、耐水性に優れ吸水膨張が小さい特定の構造単位を繰り返し有するブロック(A)と、プロトン酸基を有するブロック(B)は特には限定されないが、ブロック(A)は、以下の一般式(1)で表される構造単位を、ブロック(B)は、以下の一般式(2)で表される構造単位を繰り返し有するのが好ましい。


Figure 2007119654
[式(1)中、Aは直接結合,−SO−または−CO−であり、式(1)中の芳香環の水素原子は、−C2m+1(mは1〜10の整数)、−F、−CF、−Si(CH、−OSi(CHまたは−CNに置換されていても良い。
式(2)中、Rはプロトン酸基である。式(2)中、Bは−SO−または−CO−であり、式(2)中の芳香環の水素原子は、プロトン酸基に置換されていても良い。
及びYは式(3)〜(5)のいずれかであり、且つ、の少なくとも1つは式(4)あるいは(5)で表されるナフタレン環構造であり、(3)、(4)および(5)で表されるYの芳香環の水素原子はプロトン酸基に置換されていても良い。
式(3)中、のDおよびDはそれぞれ独立して直接結合,−CH−、−C(CH−、−C(CF−、−O−、−SO−または−CO−であり、aおよびbはそれぞれ独立して0または1を示す。
式(3)、(4)および(5)中の芳香族環の水素原子は−C2m+1(mは1〜10の整数)、−F、−CF、−Si(CH、−OSi(CHまたは−CNに置換されていても良い。 Block (A) and Block (B)
The block (A) having a specific structural unit having excellent water resistance and small water absorption expansion and the block (B) having a proton acid group according to the proton conductive block copolymer of the present invention are not particularly limited. The block (A) preferably has a structural unit represented by the following general formula (1), and the block (B) preferably has a structural unit represented by the following general formula (2).


Figure 2007119654
[In the formula (1), A 1 is a direct bond, —SO 2 — or —CO—, and the hydrogen atom of the aromatic ring in the formula (1) is —C m H 2m + 1 (m is an integer of 1 to 10 ), -F, -CF 3 , -Si (CH 3 ) 3 , -OSi (CH 3 ) 3 or -CN.
In formula (2), R 1 is a protonic acid group. In Formula (2), B 1 is —SO 2 — or —CO—, and the hydrogen atom of the aromatic ring in Formula (2) may be substituted with a proton acid group.
X 1 and Y 1 are any one of formulas (3) to (5), and at least one of them is a naphthalene ring structure represented by formula (4) or (5), and (3), ( The hydrogen atom of the aromatic ring of Y 1 represented by 4) and (5) may be substituted with a proton acid group.
In formula (3), D 1 and D 2 are each independently a direct bond, —CH 2 —, —C (CH 3 ) 2 —, —C (CF 3 ) 2 —, —O—, —SO 2. -Or -CO-, and a and b each independently represent 0 or 1.
Equation (3), (4) and a hydrogen atom of the aromatic ring in (5) is -C m H 2m + 1 (m is an integer of from 1 to 10), - F, -CF 3, -Si (CH 3) 3 , —OSi (CH 3 ) 3 or —CN may be substituted.

本発明に係る好ましいブロック(A)もしくはブロック(B)は、その少なくとも一つのブロックに配向性に優れたナフタレン環構造を有することになる。そのため、本発明のプロトン伝導性ブロック共重合体を用いてプロトン伝導膜とした場合には、プロトン酸基を有さない疎水性のブロック(A)にナフタレン環を有する場合は、ナフタレン環によるパッキングが良好になるため、より疎水性を示し吸水膨張が小さくなる。一方、プロトン酸基を有する親水性のブロック(B)にナフタレン環を有する場合は、ナフタレン環の配向性によりプロトン酸基が集合または配列し易くなるためにプロトンのプロトン酸基からプロトン酸基への移動が容易になるため高伝導性を示し、好ましい。   The preferred block (A) or block (B) according to the present invention has a naphthalene ring structure with excellent orientation in at least one of the blocks. Therefore, when a proton conductive membrane is formed using the proton conductive block copolymer of the present invention, when a hydrophobic block (A) having no proton acid group has a naphthalene ring, packing with a naphthalene ring is performed. Becomes better, it exhibits more hydrophobic property and water absorption expansion becomes smaller. On the other hand, when the hydrophilic block (B) having a proton acid group has a naphthalene ring, the proton acid group is easily assembled or arranged due to the orientation of the naphthalene ring. This is preferable because it is easy to move.

本発明に係る好ましいブロック(A)及びブロック(B)は、芳香族ポリエーテル構造により構成されるので、熱水、酸、アルカリ、アルコールなどの加水分解を受けやすい連結基や耐熱性、耐ラジカル性が低い基を有さないため、燃料電池内で用いた際に劣化や変性がほとんどないので好ましい。一方、ブロック(A)又はブロック(B)が、熱水、酸、アルカリ、アルコールなどの加水分解を受けやすいエステル結合、カーボネート結合、アミド結合、イミド結合や、耐熱性が低くラジカルの攻撃を受けやすいα水素を持つアルキレン結合、脂肪族エーテル結合などを有する場合は、燃料電池内で用いた際に劣化を受けるため好ましくない。   Since the preferred block (A) and block (B) according to the present invention are composed of an aromatic polyether structure, a linking group, heat resistance, and radical resistance that are susceptible to hydrolysis of hot water, acid, alkali, alcohol, etc. Since it does not have a group having low properties, it is preferable because it hardly deteriorates or denatures when used in a fuel cell. On the other hand, block (A) or block (B) is susceptible to hydrolysis by hot water, acids, alkalis, alcohols, etc., ester bonds, carbonate bonds, amide bonds, imide bonds, low heat resistance, and radical attack. When an alkylene bond having an α-hydrogen, an aliphatic ether bond, or the like, which is easy to use, is deteriorated when used in a fuel cell, it is not preferable.

本発明に係るブロック(A)の分子量は、特に制限はなく、任意の分子量とすることができる。
本発明に係る疎水性ブロックは、前記ブロック(A)以外の複数種類の繰り返し構造単位からなっていても良いが、疎水性ブロックが加水分解や吸水による膨張を受けやすいエステル結合、アミド結合、イミド結合やプロトン酸基を含む場合には、ブロック共重合体の水への溶解性、吸水性が高くなる虞があるため、好ましくない。
The molecular weight of the block (A) according to the present invention is not particularly limited and can be any molecular weight.
The hydrophobic block according to the present invention may be composed of a plurality of types of repeating structural units other than the block (A), but the hydrophobic block is susceptible to expansion due to hydrolysis or water absorption, amide bond, imide When it contains a bond or a protonic acid group, the solubility of the block copolymer in water and water absorption may be increased, which is not preferable.

本発明に係るブロック(B)の分子量は、還元粘度(濃度0.5g/dl、35℃で測定)にして0.05〜0.5dl/gが好ましく、0.1〜0.4dl/gがより好ましく、0.15〜0.3dl/gが特に好ましい。該ブロックの分子量が小さすぎる場合には、ブロック(B)と前記ブロック(A)とが相分離せず単一相を形成し、耐水性が低下したり吸水性が増加する虞があるため好ましくない。該ブロックの分子量が大きすぎる場合には、疎水性ブロックと親水性ブロックとが微細な相分離構造を形成しがたく、一部の分子鎖がプロトン酸基を有するブロックのみから形成され、該分子鎖が水に溶出する等の問題がある虞があり好ましくない。   The molecular weight of the block (B) according to the present invention is preferably 0.05 to 0.5 dl / g, preferably 0.1 to 0.4 dl / g, in terms of reduced viscosity (concentration 0.5 g / dl, measured at 35 ° C.). Is more preferable, and 0.15-0.3 dl / g is particularly preferable. When the molecular weight of the block is too small, the block (B) and the block (A) are not separated from each other to form a single phase, which may reduce water resistance or increase water absorption. Absent. When the molecular weight of the block is too large, the hydrophobic block and the hydrophilic block are difficult to form a fine phase separation structure, and some of the molecular chains are formed only from blocks having a proton acid group. There is a possibility that the chain may be eluted in water, which is not preferable.

本発明に係るブロック(B)は、前記構造単位以外に複数種類の繰り返し構造単位を有していても良く、それらはプロトン酸基を含まなくても構わない。この場合、プロトン酸基を有する繰り返し構造単位の含有量は、ブロック(B)全体に対し100〜30モル%であることが好ましく、100〜50モル%であることが特に好ましい。プロトン酸基を有する繰り返し構造単位(B)の含有量が少ない場合には、プロトン伝導性が低すぎるため好ましくない。   The block (B) according to the present invention may have a plurality of types of repeating structural units in addition to the structural unit, and they may not contain a protonic acid group. In this case, the content of the repeating structural unit having a protonic acid group is preferably 100 to 30 mol%, particularly preferably 100 to 50 mol%, based on the entire block (B). When the content of the repeating structural unit (B) having a proton acid group is small, the proton conductivity is too low, which is not preferable.

本発明に係るブロック(B)に含有されるプロトン酸基とは、具体的には下記式(7)〜(9)で示されるスルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基などが挙げられる。中でも下記式(7)で示されるスルホン酸基が好ましく、下記式(7)においてZ=Hで示されるスルホン酸基が特に好ましい。
−C2n−SOZ(nは0〜10の整数、ZはH,NaまたはK) (7)
−C2n−COOZ(nは0〜10の整数、ZはH,NaまたはK) (8)
−C2n−PO(nは0〜10の整数、ZはH,NaまたはK) (9)
Specific examples of the proton acid group contained in the block (B) according to the present invention include sulfonic acid groups, carboxylic acid groups, and phosphonic acid groups represented by the following formulas (7) to (9). Among them, a sulfonic acid group represented by the following formula (7) is preferable, and a sulfonic acid group represented by Z = H in the following formula (7) is particularly preferable.
-C n H 2n -SO 3 Z ( n is an integer of 0, Z is H, Na or K) (7)
-C n H 2n -COOZ (n is an integer of 0, Z is H, Na or K) (8)
-C n H 2n -PO 3 Z 2 (n is an integer of 0, Z is H, Na or K) (9)

前記プロトン酸基は、電子吸引基である−SO−または−CO−に直接結合した芳香環に結合している場合、他の芳香環に結合したプロトン酸基に比べ結合力が強く、分解、解離を受けにくいため、更に好ましく、その中でも、プロトン酸基が、−CO−が直接結合した芳香環に結合していることが特に好ましい。
なお、既存の芳香族ポリエーテルを発煙硫酸などでスルホン化した場合には、電子吸引基である−SO−または−CO−が直接結合していない芳香環にスルホン酸基が導入されることが知られている。
When the protonic acid group is bonded to an aromatic ring directly bonded to —SO 2 — or —CO— which is an electron withdrawing group, the protonic acid group has a stronger binding force than a protonic acid group bonded to another aromatic ring, and is decomposed. It is more preferable because it is less susceptible to dissociation. Among them, it is particularly preferable that the proton acid group is bonded to the aromatic ring to which —CO— is directly bonded.
In addition, when an existing aromatic polyether is sulfonated with fuming sulfuric acid or the like, a sulfonic acid group must be introduced into an aromatic ring to which —SO 2 — or —CO— which is an electron withdrawing group is not directly bonded. It has been known.

本発明に係るブロック(A)又はブロック(B)は、カルボニル基及び、芳香環に直接結合したアルキル基を有すれば、この部分で架橋することができ、プロトン伝導性ブロック共重合体は架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体となる。その場合は、プロトン伝導性ブロック共重合体が耐水性に優れ、吸水膨張が小さいので、プロトン伝導膜として使用する際に膜が膨潤したり強度が低下することが無いので好ましい。具体的には、ブロック(A)のA及びブロック(B)のBが−CO−であり、且つ、式(3)で表されるXあるいはYの芳香環の水素原子が−C2m+1(mは1〜10の整数)で置換された下記式(6)であり、X及びYのいずれか一方が式(4)、(5)で表されるナフタレン環構造で他方が式(6)であるものが挙げられる。

Figure 2007119654

[式(6)中の芳香環の水素原子が−C2m+1(mは1〜10の整数)、−F、−CF、−Si(CH、−OSi(CHまたは−CNに置換されていても良い。]
If the block (A) or the block (B) according to the present invention has a carbonyl group and an alkyl group directly bonded to an aromatic ring, it can be crosslinked at this portion, and the proton conductive block copolymer is crosslinked. Type proton conductive block copolymer. In this case, the proton conductive block copolymer is excellent in water resistance and has a small water absorption expansion, so that the membrane is not swelled or reduced in strength when used as a proton conductive membrane. Specifically, a B 1 A 1 and block of the block (A) (B) is -CO-, and the formula (3) hydrogen atoms of the aromatic ring of X 1 or Y 1 which is expressed by - It is the following formula (6) substituted by C m H 2m + 1 (m is an integer of 1 to 10), and one of X 1 and Y 1 is a naphthalene ring structure represented by formulas (4) and (5) And the other is the formula (6).
Figure 2007119654

Expression -C hydrogen atom of the aromatic ring in (6) m H 2m + 1 (m is an integer of from 1 to 10), - F, -CF 3, -Si (CH 3) 3, -OSi (CH 3) 3 Alternatively, it may be substituted with -CN. ]

プロトン伝導性ブロック共重合体
本発明のプロトン伝導性ブロック共重合体は、プロトン酸基を有するプロトン伝導を担うブロック(B)と、耐水性に優れ吸水膨張が小さいブロック(A)とからなる。プロトン伝導を担うブロック(B)は水へ溶解あるいは吸水膨張をしやすく、ブロック(A)は耐水性に優れ吸水膨張が小さいので、ブロック(B)で水への溶解あるいは吸水膨張をしようとしても、ブロック(A)がこれを抑制する。本発明のプロトン伝導性ブロック共重合体は、例えばプロトン伝導膜に使用した場合には、ブロック(A)とブロック(B)とが適度に相分離する。2つの相の界面は同一分子で結合されているため、ブロック(B)からなる相が水へ溶解あるいは吸水膨張しようとしても、耐水性に優れ吸水膨張が小さく架橋されたブロック(A)からなる相がこれを抑制する。その結果、該プロトン伝導膜はプロトン酸基の含有量が高く、高プロトン伝導性を有しながら、耐水性に優れる。また、2つの相界面が同一分子で結合されているため、温度や湿度の変化による2つの相の膨張収縮の差が抑制され、膨張収縮の差によるクラックの発生が抑制される。
Proton Conductive Block Copolymer The proton conductive block copolymer of the present invention comprises a block (B) responsible for proton conduction having a proton acid group and a block (A) having excellent water resistance and small water absorption expansion. The block (B) responsible for proton conduction is easy to dissolve or absorb water and expand in water, and the block (A) has excellent water resistance and small water absorption and expansion, so even if trying to dissolve or absorb water in the block (B) Block (A) suppresses this. When the proton conductive block copolymer of the present invention is used for, for example, a proton conductive membrane, the block (A) and the block (B) are appropriately phase-separated. Since the interface between the two phases is bonded by the same molecule, even if the phase consisting of the block (B) is dissolved or absorbs water, the block (A) is excellent in water resistance and has a small water absorption expansion and is crosslinked. The phase suppresses this. As a result, the proton conducting membrane has a high proton acid group content and high water conductivity while having high proton conductivity. Further, since the two phase interfaces are bonded by the same molecule, the difference in expansion and contraction between the two phases due to changes in temperature and humidity is suppressed, and the generation of cracks due to the difference in expansion and contraction is suppressed.

本発明のプロトン伝導性ブロック共重合体の膨潤率は10〜100wt%である。ここで、膨潤率は、乾燥した該樹脂の、25℃24時間純水浸漬前後の体積比から求めることができる。本発明にかかるプロトン伝導性ブロック共重合体は、同等のイオン交換基当量を有する共重合体にくらべ、吸水膨張が小さい。また、プロトン伝導性ブロック共重合体が、架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体の場合はさらに架橋基を持たない共重合体に比べ、更に吸水膨張が小さい。   The swelling ratio of the proton conductive block copolymer of the present invention is 10 to 100 wt%. Here, the swelling ratio can be determined from the volume ratio of the dried resin before and after immersion in pure water at 25 ° C. for 24 hours. The proton conductive block copolymer according to the present invention has a smaller water absorption expansion than a copolymer having an equivalent ion exchange group equivalent. Further, when the proton conductive block copolymer is a crosslinked proton conductive block copolymer, the water absorption expansion is further smaller than that of a copolymer having no crosslinking group.

プロトン伝導性共ブロック重合体は、ランダム共重合体の場合は、親水性部分と疎水性部分が相分離せず単一相を形成するため、プロトン伝導を担う繰り返し構造単位の組成が多くなると水への溶解や吸水膨張が起こり、高プロトン伝導性と耐水性を両立できない。
また、プロトン伝導性ブロック共重合体及び耐水性に優れ吸水膨張の小さい樹脂とからなる複合膜は、2つの樹脂の極性が極端に異なるため微細な相分離構造を形成しがたい、相間が分子鎖で結合されていないためプロトン伝導性樹脂の水への溶解や吸水膨張を抑制できない、温度や湿度の変化による2つの相の膨張収縮の差により相界面にクラックが入る等の問題があり、好ましくない。
When the proton conductive coblock polymer is a random copolymer, the hydrophilic portion and the hydrophobic portion do not phase-separate and form a single phase. Therefore, when the composition of repeating structural units responsible for proton conduction increases, Solubility in water and water absorption expansion occur, and high proton conductivity and water resistance cannot be achieved at the same time.
In addition, a composite membrane composed of a proton conductive block copolymer and a resin having excellent water resistance and low water absorption expansion is difficult to form a fine phase separation structure because the polarities of the two resins are extremely different. There is a problem that the dissolution of the proton conductive resin in water and the water absorption expansion cannot be suppressed because they are not bonded by a chain, and the phase interface cracks due to the difference in expansion and contraction of the two phases due to changes in temperature and humidity. It is not preferable.

本発明のプロトン伝導性ブロック共重合体の分子量に特に制限はないが、還元粘度(濃度0.5g/dl、35℃で測定)にして0.4〜2.0dl/gの範囲が好ましく、0.5〜1.5dl/gの範囲が特に好ましい。分子量が低すぎると樹脂強度が低く、得られる膜が乾燥・吸湿時の収縮・膨張により割れる場合がある。また、分子量が高すぎると樹脂の溶剤溶解性が不十分となり、製膜等に支障を生じる場合がある。   The molecular weight of the proton conductive block copolymer of the present invention is not particularly limited, but a reduced viscosity (concentration of 0.5 g / dl, measured at 35 ° C.) is preferably in the range of 0.4 to 2.0 dl / g. A range of 0.5 to 1.5 dl / g is particularly preferred. If the molecular weight is too low, the resin strength is low, and the resulting film may crack due to shrinkage / expansion during drying and moisture absorption. On the other hand, if the molecular weight is too high, the solvent solubility of the resin becomes insufficient, which may cause problems in film formation.

本発明のプロトン伝導性ブロック共重合体は、プロトン伝導度とイオン交換基当量との積が0.1以上が好ましく、0.14以上がより好ましい。プロトン伝導度は、26%RH、80℃下での測定値であり、好ましくは6.67E−05〜5.00E−04[S/cm]、更に好ましくは1.00E−04〜3.33E−04[S/cm]である。   In the proton conductive block copolymer of the present invention, the product of proton conductivity and ion exchange group equivalent is preferably 0.1 or more, and more preferably 0.14 or more. The proton conductivity is a value measured at 26% RH and 80 ° C., preferably 6.67E-05 to 5.00E-04 [S / cm], more preferably 1.00E-04 to 3.33E. -04 [S / cm].

本発明のプロトン伝導性ブロック共重合体において、プロトン酸基を有するブロック(B)と疎水性を示すブロック(A)の割合に特に制限はないが、該プロトン伝導性ブロック共重合体のイオン交換基当量にして200〜1500g/molであることが好ましく、300〜1000g/molであることが特に好ましい。ここで、イオン交換基当量とは、プロトン酸基1モル当たりの樹脂重量で定義され、樹脂単位重量当たりのプロトン酸基のモル数の逆数を意味する。すなわち、イオン交換基当量が小さいほどプロトン酸基を有するブロック(B)の割合が高く、イオン交換基当量が大きいほどプロトン酸基を有するブロック(B)の割合が低いことを示す。イオン交換基当量が小さすぎる場合には、ブロック(A)の割合が少なすぎるため、プロトン伝導性ブロック共重合体の耐水性が不十分となる場合がある。イオン交換基当量が大きすぎる場合には、プロトン酸基を有するブロックの割合が少なすぎるため、十分なプロトン伝導性を得ることができない場合がある。   In the proton conductive block copolymer of the present invention, the ratio of the block (B) having a proton acid group and the block (A) having hydrophobicity is not particularly limited, but ion exchange of the proton conductive block copolymer is not limited. The group equivalent is preferably 200 to 1500 g / mol, and particularly preferably 300 to 1000 g / mol. Here, the ion exchange group equivalent is defined by the resin weight per mole of proton acid groups and means the reciprocal of the number of moles of proton acid groups per resin unit weight. That is, the smaller the ion exchange group equivalent, the higher the proportion of the block (B) having a proton acid group, and the larger the ion exchange group equivalent, the lower the proportion of the block (B) having a proton acid group. If the ion exchange group equivalent is too small, the proportion of the block (A) is too small, and the water resistance of the proton conductive block copolymer may be insufficient. When the ion exchange group equivalent is too large, the ratio of the block having a proton acid group is too small, and thus sufficient proton conductivity may not be obtained.

架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体
本発明のプロトン伝導性ブロック共重合体は、プロトン酸基から誘導されず、かつ脱離成分の生成なしに架橋し得る架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体が好ましい。この架橋は、高分子鎖同士を結合させるためにプロトン酸基を用いない、言い換えれば、架橋後に高分子鎖同士を結合する基または鎖がプロトン酸基から誘導された基または鎖ではない部分が架橋される。すなわち、本発明のプロトン酸基から誘導されない架橋には、架橋反応時にプロトン酸基が化学的に反応する架橋はもちろん、事前にプロトン酸基を介して架橋基を導入し、その後に架橋する架橋も含まれない。
Cross-linked proton-conductive block copolymer The proton-conductive block copolymer of the present invention is not derived from a proton acid group and can be cross-linked without generating a leaving component. A copolymer is preferred. This cross-linking does not use protonic acid groups for bonding polymer chains, in other words, a group or chain that bonds the polymer chains after crosslinking is not a group or chain derived from a protonic acid group. Cross-linked. That is, in the cross-linking not derived from the protonic acid group of the present invention, the cross-linking in which the protonic acid group chemically reacts during the cross-linking reaction, as well as the cross-linking in which the cross-linking group is introduced in advance through the protonic acid group and then cross-linked Is not included.

本発明の架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体は、ブロック(A)及びブロック(B)がカルボニル基及び、芳香環に直接結合したアルキル基を有し、この部分で架橋することが可能である。架橋により、プロトン伝導性ブロック共重合体の鎖同士を結合することができるので耐水性に優れ、吸水膨張が小さいので、プロトン伝導膜として使用する際に膜が膨潤したり強度が低下することが無いので好ましい。中でも、前記芳香環に直接結合したアルキル基が炭素原子数1〜10のアルキル基であることが望ましい。具体的には、ブロック(A)のA及びブロック(B)のBが−CO−であり、且つ、式(3)で表されるXあるいはYの芳香環の水素原子が−C2m+1(nは1〜10の整数)で置換された下記式(6)であり、X及びYのいずれか一方が式(4)又は(5)で表されるナフタレン環構造で他方は式(6)である架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体が挙げられる。 In the crosslinked proton conductive block copolymer of the present invention, the block (A) and the block (B) have a carbonyl group and an alkyl group directly bonded to an aromatic ring, and can be crosslinked at this portion. . Crosslinking allows the proton-conductive block copolymer chains to be bonded to each other, so the water resistance is excellent and the water absorption expansion is small, so that the membrane may swell or decrease in strength when used as a proton-conductive membrane. Since there is no, it is preferable. Especially, it is desirable that the alkyl group directly bonded to the aromatic ring is an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms. Specifically, a B 1 A 1 and block of the block (A) (B) is -CO-, and the formula (3) hydrogen atoms of the aromatic ring of X 1 or Y 1 which is expressed by - A naphthalene ring structure which is the following formula (6) substituted with C m H 2m + 1 (n is an integer of 1 to 10), and any one of X 1 and Y 1 is represented by formula (4) or (5) And the other is a cross-linked proton conductive block copolymer of the formula (6).

Figure 2007119654

[式(6)中の芳香環の水素原子が−C2m+1(mは1〜10の整数)、−F、−CF、−Si(CH、−OSi(CHまたは−CNに置換されていても良い。]
この場合、前記一般式(2)のプロトン酸基は、電子吸引基である−CO−に直接結合した芳香環に結合しており、他の芳香環に結合したプロトン酸基に比べ結合力が強く、分解、解離を受けにくいため、特に好ましい。
Figure 2007119654

Expression -C hydrogen atom of the aromatic ring in (6) m H 2m + 1 (m is an integer of from 1 to 10), - F, -CF 3, -Si (CH 3) 3, -OSi (CH 3) 3 Alternatively, it may be substituted with -CN. ]
In this case, the protonic acid group of the general formula (2) is bonded to the aromatic ring directly bonded to the electron-withdrawing group —CO—, and has a binding force compared to the protonic acid group bonded to the other aromatic ring. It is particularly preferable because it is strong and is difficult to be decomposed or dissociated.

本発明に係る架橋は、樹脂のプロトン酸基量を減少(イオン交換基当量を増大)させることなく、樹脂の架橋密度を制御することができるので好ましい。一方、プロトン酸基から誘導される架橋は、架橋密度を増大させるためには、より多くのプロトン酸基を用いる必要があり、その結果、得られる樹脂のイオン伝導性が低下するため好ましくない。
本発明の架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体は、その共重合体を構成する繰り返し単位1単位中にプロトン酸基、カルボニル基、アルキル基をそれぞれ同時に1つ以上含有することができ、著しく高い架橋密度を得ることができるため、特に好ましい。また、この架橋機構は架橋により生成する結合中にラジカルの攻撃を受けやすい3級炭素のα位の水素を含まないため、特に好ましい。
The crosslinking according to the present invention is preferable because the crosslinking density of the resin can be controlled without decreasing the amount of proton acid groups of the resin (increasing the ion exchange group equivalent). On the other hand, cross-linking derived from protonic acid groups is not preferable because it is necessary to use more protonic acid groups in order to increase the crosslink density, and as a result, the ionic conductivity of the resulting resin is lowered.
The crosslinked proton conductive block copolymer of the present invention can contain one or more protonic acid groups, carbonyl groups, and alkyl groups simultaneously in one repeating unit constituting the copolymer, and is extremely high. Since a crosslinking density can be obtained, it is particularly preferable. Further, this crosslinking mechanism is particularly preferred because it does not contain hydrogen at the α-position of the tertiary carbon that is susceptible to radical attack in the bond formed by crosslinking.

本発明に係るカルボニル基と芳香環に直接結合した炭素原子数1〜10のアルキル基との架橋機構について説明する。ポリマー中のカルボニル基、および、ポリマー中の芳香環に直接結合した炭素原子数1〜10のアルキル基は次のような形で架橋反応に関与していると推定される。下記反応式はアルキル基がメチル基の場合について示した。

Figure 2007119654
The crosslinking mechanism between the carbonyl group according to the present invention and the alkyl group having 1 to 10 carbon atoms directly bonded to the aromatic ring will be described. It is presumed that the carbonyl group in the polymer and the alkyl group having 1 to 10 carbon atoms directly bonded to the aromatic ring in the polymer are involved in the crosslinking reaction in the following manner. The following reaction formula shows the case where the alkyl group is a methyl group.

Figure 2007119654

上記反応式に示すように、紫外線照射や加熱処理などによるエネルギー供給により、ベンゾフェノン上にラジカルが発生し、これがメチル基から水素を引き抜く。引き続き、ベンジルラジカルの二量化、ベンジルラジカルとアルコール性炭素ラジカルカップリング反応、アルコール性炭素ラジカルの二量化のような反応が起こることで、ポリマー同士の架橋が起こっていると推定される。   As shown in the above reaction formula, radicals are generated on benzophenone by supplying energy by ultraviolet irradiation or heat treatment, and this extracts hydrogen from the methyl group. Subsequently, it is presumed that cross-linking of the polymers is caused by reactions such as dimerization of benzyl radical, reaction of benzyl radical and alcoholic carbon radical coupling, and dimerization of alcoholic carbon radical.

本発明のプロトン伝導性ブロック共重合体および架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体の形態は、特に制限はなく、粉体、溶剤に溶解あるいは分散したワニス、該ワニスを塗布、乾燥して得られる膜などの形態を有することができる。なお、該プロトン伝導性ブロック共重合体を溶剤に溶解あるいは分散したワニスとする場合には、その溶剤に特に制限はなく、例えば、水、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、ブタノールなどのアルコール類、トルエン、キシレンなどの炭化水素類、塩化メチル、塩化メチレンなどのハロゲン化炭化水素類、ジクロロエチルエーテル、1,4−ジオキサン、テトラヒドロフランなどのエーテル類、酢酸メチル、酢酸エチルなどの脂肪酸エステル類、アセトン、メチルエチルケトンなどのケトン類のほか、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド、炭酸ジメチルなどの非プロトン性極性溶剤類などを単独で、あるいは混合して使用できる。   The form of the proton conductive block copolymer and the cross-linked proton conductive block copolymer of the present invention is not particularly limited, and can be obtained by applying a powder, a varnish dissolved or dispersed in a solvent, and applying and drying the varnish. It can have a form such as a membrane. When the proton conductive block copolymer is used as a varnish dissolved or dispersed in a solvent, the solvent is not particularly limited. For example, water, methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, butanol, etc. Alcohols, hydrocarbons such as toluene and xylene, halogenated hydrocarbons such as methyl chloride and methylene chloride, ethers such as dichloroethyl ether, 1,4-dioxane and tetrahydrofuran, fatty acids such as methyl acetate and ethyl acetate In addition to esters, acetone, methyl ethyl ketone and other ketones, aprotic polar solvents such as N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethyl sulfoxide, dimethyl carbonate, etc. alone or in combination Can be used.

プロトン伝導性ブロック共重合体および架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体の製造法
本発明のプロトン伝導性ブロック共重合体および架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体の製造方法に特に制限はないが、具体的な製造方法を芳香族ポリエーテル構造を例として以下に例示する。
Proton Conductive Block Copolymer and Crosslinked Proton Conductive Block Copolymer Production Method There are no particular restrictions on the method for producing the proton conductive block copolymer and crosslinkable proton conductive block copolymer of the present invention, A specific production method is exemplified below by taking an aromatic polyether structure as an example.

1.芳香族ジヒドロキシ化合物とプロトン酸基を有する芳香族ジハライド化合物、芳香族ジハライド化合物とプロトン酸基を有する芳香族ジヒドロキシ化合物、あるいは、プロトン酸基を有する芳香族ジハライド化合物とプロトン酸基を有する芳香族ジヒドロキシ化合物を縮合重合し、35℃における還元粘度が0.05〜0.4dl/gの繰り返し構造単位を有するプロトン酸基含有オリゴマーを合成する。これに芳香族ジヒドロキシ化合物と芳香族ジハライド化合物をそれぞれ添加して縮合重合することによりブロック共重合体とする。 1. Aromatic dihydroxy compound and aromatic dihalide compound having proton acid group, aromatic dihalide compound and aromatic dihydroxy compound having proton acid group, or aromatic dihydroxy compound having proton acid group and aromatic dihydroxy compound having proton acid group The compound is subjected to condensation polymerization to synthesize a protonic acid group-containing oligomer having a repeating structural unit having a reduced viscosity at 35 ° C. of 0.05 to 0.4 dl / g. An aromatic dihydroxy compound and an aromatic dihalide compound are added to this and subjected to condensation polymerization to obtain a block copolymer.

2.芳香族ジヒドロキシ化合物とプロトン酸基を有する芳香族ジハライド化合物、芳香族ジハライド化合物とプロトン酸基を有する芳香族ジヒドロキシ化合物、あるいは、プロトン酸基を有する芳香族ジハライド化合物とプロトン酸基を有する芳香族ジヒドロキシ化合物を、それぞれ縮合重合し、35℃における還元粘度が0.05〜0.4dl/gの繰り返し構造単位を有するプロトン酸基含有オリゴマーを合成する。別途、芳香族ジヒドロキシ化合物と芳香族ジハライド化合物をそれぞれ重縮合して疎水性オリゴマーを得る。前記プロトン酸基含有オリゴマーに前記疎水性オリゴマーを添加して縮合重合することによりブロック共重合体とする。 2. Aromatic dihydroxy compound and aromatic dihalide compound having proton acid group, aromatic dihalide compound and aromatic dihydroxy compound having proton acid group, or aromatic dihydroxy compound having proton acid group and aromatic dihydroxy compound having proton acid group The compounds are each subjected to condensation polymerization to synthesize a protonic acid group-containing oligomer having a repeating structural unit having a reduced viscosity at 35 ° C. of 0.05 to 0.4 dl / g. Separately, an aromatic dihydroxy compound and an aromatic dihalide compound are respectively polycondensed to obtain a hydrophobic oligomer. The hydrophobic oligomer is added to the protonic acid group-containing oligomer and subjected to condensation polymerization to obtain a block copolymer.

ここで、本発明にかかるプロトン伝導性ブロック共重合体の製造において用いるモノマー類に特に制限はないが、代表的な具体例を以下に例示する。   Here, although there is no restriction | limiting in particular in the monomers used in manufacture of the proton conductive block copolymer concerning this invention, A typical example is illustrated below.

芳香族ジハライド化合物としては、前記式例えば、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン、3,3’−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、3,3’−ジクロロベンゾフェノン、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、1,4−ジフルオロベンゼン、1,3−ジフルオロベンゼン、2,6−ジクロロベンゾニトリル、4,4’−ジフルオロビフェニル、3,3’−ジブロモ−4,4’−ジフルオロビフェニル、4,4’−ジフルオロジフェニルメタン、4,4’−ジクロロジフェニルメタン、4,4’−ジフルオロジフェニルエーテル、2,2−ビス(4−フルオロフェニル)プロパン、2,2−ビス(4−クロロフェニル)プロパン、α,α’−ビス(4−フルオロフェニル)−1,4−ジイソプロピルベンゼン、3,3’−ジメチル−4,4’−ジフルオロベンゾフェノン、3,3’−ジエチル−4,4’−ジフルオロベンゾフェノン、3,3’,5,5’−テトラメチル−4,4’−ジフルオロベンゾフェノン、3,3’−ジメチル−4,4’−ジクロロベンゾフェノン、3,3’,4,4’−テトラメチル−5,5’−ジクロロベンゾフェノン、3,3’−ジメチル−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジメチル−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、2,5−ジフルオロトルエン、2,5−ジフルオロエチルベンゼン、2,5−ジフルオロ−p−キシレンなどを挙げられ、単独あるいは2種以上を混合して用いることができる。   Examples of the aromatic dihalide compound include the above-mentioned formulas such as 4,4′-difluorobenzophenone, 3,3′-difluorobenzophenone, 4,4′-dichlorobenzophenone, 3,3′-dichlorobenzophenone, 4,4′-difluorodiphenyl. Sulfone, 4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 1,4-difluorobenzene, 1,3-difluorobenzene, 2,6-dichlorobenzonitrile, 4,4′-difluorobiphenyl, 3,3′-dibromo-4, 4'-difluorobiphenyl, 4,4'-difluorodiphenylmethane, 4,4'-dichlorodiphenylmethane, 4,4'-difluorodiphenyl ether, 2,2-bis (4-fluorophenyl) propane, 2,2-bis (4 -Chlorophenyl) propane, α, α'-bis (4-fluoro Phenyl) -1,4-diisopropylbenzene, 3,3′-dimethyl-4,4′-difluorobenzophenone, 3,3′-diethyl-4,4′-difluorobenzophenone, 3,3 ′, 5,5′- Tetramethyl-4,4′-difluorobenzophenone, 3,3′-dimethyl-4,4′-dichlorobenzophenone, 3,3 ′, 4,4′-tetramethyl-5,5′-dichlorobenzophenone, 3,3 '-Dimethyl-4,4'-difluorodiphenylsulfone, 3,3'-dimethyl-4,4'-dichlorodiphenylsulfone, 2,5-difluorotoluene, 2,5-difluoroethylbenzene, 2,5-difluoro-p -Xylene etc. are mentioned, It can use individually or in mixture of 2 or more types.

前記式(3)及び、(6)芳香族ジヒドロキシ化合物としては、例えば、ハイドロキノン、レゾルシン、カテコール、4,4’−ジヒドロキシビフェニル、4,4’−ジヒドロキシジフェニルスルフィド、4,4’−ジヒドロキシジフェニルメタン、4,4’−ジヒドロキシジフェニルエーテル、4,4’−ジヒドロキシジフェニルスルホン、4,4’−ジヒドロキシベンゾフェノン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン、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、1,4−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ベンゼン、α,α’−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,4−ジメチルベンゼン、α,α’−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,4−ジイソプロピルベンゼン、α,α’−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,3−ジイソプロピルベンゼン、4,4’−ジヒドロキシベンゾフェノン、1,4−ビス(4−ヒドロキシベンゾイル)ベンゼン、3,3’−ジフルオロ−4,4’−ジヒドロキビフェニル、2−メチルハイドロキノン、2−エチルハイドロキノン、2−イソプロピルハイドロキノン、2−オクチルハイドロキノン、2,3−ジメチルハイドロキノン、2,3−ジエチルハイドロキノン、2,5−ジメチルハイドロキノン、2,5−ジエチルハイドロキノン、2,5−ジイソプロピルハイドロキノン、2,6−ジメチルハイドロキノン、2,3,5−トリメチルハイドロキノン、2,3,5,6−テトラメチルハイドロキノン、3,3’−ジメチル−4,4’−ジヒドロキシビフェニル、3,3’,5,5’−テトラメチル−4,4’−ジヒドロキシビフェニル、3,3’−ジメチル−4,4’−ジヒドロキシジフェニルメタン、3,3’,5,5’−テトラメチル−4,4’−ジヒドロキシジフェニルメタン、3,3’,5,5’−テトラエチル−4,4’−ジヒドロキシジフェニルメタン、3,3’−ジメチル−4,4’−ジヒドロキシジフェニルエーテル、3,3’,5,5’−テトラメチル−4,4’−ジヒドロキシジフェニルエーテル、3,3’−ジメチル−4,4’−ジヒドロキシジフェニルスルフィド、3,3’,5,5’−テトラメチル−4,4’−ジヒドロキシジフェニルスルフィド、3,3’−ジメチル−4,4’−ジヒドロキシジフェニルスルホン、3,3’,5,5’−テトラメチル−4,4’−ジヒドロキシジフェニルスルホン、2,2−ビス(3−メチル−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(3−エチル−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(3,5−ジメチル−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、α,α’−ビス(3−メチル−4−ヒドロキシフェニル)−1,4−ジイソプロピルベンゼン、α,α’−ビス(3,5−ジメチル−4−ヒドロキシフェニル)−1,4−ジイソプロピルベンゼン、α,α’−ビス(3−メチル−4−ヒドロキシフェニル)−1,3−ジイソプロピルベンゼン、α,α’−ビス(3,5−ジメチル−4−ヒドロキシフェニル)−1,3−ジイソプロピルベンゼンなどを挙げることができ、これらを単独あるいは2種以上を混合して用いることができる。   Examples of the formula (3) and (6) aromatic dihydroxy compound include hydroquinone, resorcin, catechol, 4,4′-dihydroxybiphenyl, 4,4′-dihydroxydiphenyl sulfide, 4,4′-dihydroxydiphenylmethane, 4,4′-dihydroxydiphenyl ether, 4,4′-dihydroxydiphenyl sulfone, 4,4′-dihydroxybenzophenone, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) propane, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) hexa Fluoropropane, 1,4-bis (4-hydroxyphenyl) benzene, α, α′-bis (4-hydroxyphenyl) -1,4-dimethylbenzene, α, α′-bis (4-hydroxyphenyl) -1 , 4-Diisopropylbenzene, α, α'-bis (4-hydride Xylphenyl) -1,3-diisopropylbenzene, 4,4′-dihydroxybenzophenone, 1,4-bis (4-hydroxybenzoyl) benzene, 3,3′-difluoro-4,4′-dihydrokibiphenyl, 2-methyl Hydroquinone, 2-ethylhydroquinone, 2-isopropylhydroquinone, 2-octylhydroquinone, 2,3-dimethylhydroquinone, 2,3-diethylhydroquinone, 2,5-dimethylhydroquinone, 2,5-diethylhydroquinone, 2,5-diisopropyl Hydroquinone, 2,6-dimethylhydroquinone, 2,3,5-trimethylhydroquinone, 2,3,5,6-tetramethylhydroquinone, 3,3′-dimethyl-4,4′-dihydroxybiphenyl, 3,3 ′, 5,5'-tetramethyl -4,4'-dihydroxybiphenyl, 3,3'-dimethyl-4,4'-dihydroxydiphenylmethane, 3,3 ', 5,5'-tetramethyl-4,4'-dihydroxydiphenylmethane, 3,3', 5,5′-tetraethyl-4,4′-dihydroxydiphenylmethane, 3,3′-dimethyl-4,4′-dihydroxydiphenyl ether, 3,3 ′, 5,5′-tetramethyl-4,4′-dihydroxydiphenyl ether 3,3′-dimethyl-4,4′-dihydroxydiphenyl sulfide, 3,3 ′, 5,5′-tetramethyl-4,4′-dihydroxydiphenyl sulfide, 3,3′-dimethyl-4,4 ′ -Dihydroxydiphenylsulfone, 3,3 ', 5,5'-tetramethyl-4,4'-dihydroxydiphenylsulfone, 2 2-bis (3-methyl-4-hydroxyphenyl) propane, 2,2-bis (3-ethyl-4-hydroxyphenyl) propane, 2,2-bis (3,5-dimethyl-4-hydroxyphenyl) propane , Α, α′-bis (3-methyl-4-hydroxyphenyl) -1,4-diisopropylbenzene, α, α′-bis (3,5-dimethyl-4-hydroxyphenyl) -1,4-diisopropylbenzene , Α, α′-bis (3-methyl-4-hydroxyphenyl) -1,3-diisopropylbenzene, α, α′-bis (3,5-dimethyl-4-hydroxyphenyl) -1,3-diisopropylbenzene These can be used alone or in combination of two or more.

前記式(4)および(5)で表される芳香族ジヒドロキシ化合物としては、1,2-ジヒドロキシナフタレン、1,3-ジヒドロキシナフタレン、1,4-ジヒドロキシナフタレン、1,5-ジヒドロキシナフタレン、1,6-ジヒドロキシナフタレン、1,7-ジヒドロキシナフタレン、2,3-ジヒドロキシナフタレン、2,6-ジヒドロキシナフタレン、2,7-ジヒドロキシナフタレンなどを挙げられ、これらを単独あるいは2種以上を混合して用いることができる。   Examples of the aromatic dihydroxy compounds represented by the formulas (4) and (5) include 1,2-dihydroxynaphthalene, 1,3-dihydroxynaphthalene, 1,4-dihydroxynaphthalene, 1,5-dihydroxynaphthalene, 1, Examples include 6-dihydroxynaphthalene, 1,7-dihydroxynaphthalene, 2,3-dihydroxynaphthalene, 2,6-dihydroxynaphthalene, 2,7-dihydroxynaphthalene, and these may be used alone or in combination of two or more. Can do.

プロトン酸基を有する芳香族ジハライド化合物としては、前記の芳香族ジハライド化合物のスルホン化物、アルキルスルホン化物のほか、2,5−ジクロロ安息香酸、2,5−ジフルオロ安息香酸、5,5’−カルボニルビス(2−フルオロ安息香酸)、5,5’−スルホニルビス(2−フルオロ安息香酸)、2,5−ジクロロフェニルホスホン酸、5,5’−カルボニルビス(2−フルオロベンゼンホスホン酸)およびそのアルカリ金属塩などを挙げることができる。   Examples of the aromatic dihalide compound having a proton acid group include sulfonated products and alkylsulfonated products of the above-mentioned aromatic dihalide compounds, 2,5-dichlorobenzoic acid, 2,5-difluorobenzoic acid, and 5,5′-carbonyl. Bis (2-fluorobenzoic acid), 5,5′-sulfonylbis (2-fluorobenzoic acid), 2,5-dichlorophenylphosphonic acid, 5,5′-carbonylbis (2-fluorobenzenephosphonic acid) and alkalis thereof A metal salt etc. can be mentioned.

プロトン酸基を有する芳香族ジヒドロキシ化合物としては、前記の芳香族ジヒドロキシ化合物のスルホン化物、アルキルスルホン化物のほか、2,5−ジヒドロキシ安息香酸、2,5−ジヒドロキシテレフタル酸、5,5’−メチレンジサリチル酸、5,5’−チオジサリチル酸、2,5−ジヒドロキシフェニルホスホン酸などを有する芳香族ジヒドロキシ化合物およびそのアルカリ金属塩などを挙げることができる。   Examples of the aromatic dihydroxy compound having a proton acid group include sulfonated products and alkylsulfonated products of the above aromatic dihydroxy compounds, 2,5-dihydroxybenzoic acid, 2,5-dihydroxyterephthalic acid, and 5,5′-methylene. Examples thereof include aromatic dihydroxy compounds having disalicylic acid, 5,5′-thiodisalicylic acid, 2,5-dihydroxyphenylphosphonic acid, and alkali metal salts thereof.

なお、芳香族ジハライド化合物及び芳香族ジヒドロキシ化合物のスルホン化物、アルキルスルホン化物は、前記芳香族ジハライド化合物及び前記芳香族ジヒドロキシ化合物を、発煙硫酸などの公知のスルホン化剤でスルホン化(Macromol. Chem. Phys., 199, 1421(1998))する等の方法により得ることができる。 The aromatic dihalide compound and aromatic dihydroxy compound sulfonated product and alkyl sulfonated product are obtained by sulfonating the aromatic dihalide compound and the aromatic dihydroxy compound with a known sulfonating agent such as fuming sulfuric acid (Macromol. Chem. Phys., 199 , 1421 (1998)).

プロトン伝導性ブロック共重合架橋体
本発明のプロトン伝導性ブロック共重合架橋体は、前記プロトン伝導性ブロック共重合体を架橋してなるものであり、架橋されるプロトン伝導性ブロック共重合体は、架橋型であっても架橋型でなくても良い。本発明のプロトン伝導性ブロック共重合架橋体は、プロトン酸基から誘導されない架橋体であり、高分子鎖同士を結合させるためにプロトン酸基を用いない架橋体、言い換えれば、架橋後に高分子鎖同士を結合する基または鎖がプロトン酸基から誘導された基または鎖ではない架橋体である。種々の形態をとることができるが、主に、カルボニル基とアルキル基とが架橋する形態をとる。尚、プロトン伝導性ブロック共重合体が架橋体をとることは、IR測定におけるカルボニル基の吸収ピークの減少や架橋前後の溶剤溶解性の違いによって確認することができる。
Proton-conductive block copolymer cross-linked product The proton-conductive block copolymer cross-linked product of the present invention is obtained by cross-linking the proton conductive block copolymer. Even if it is a bridge type, it does not need to be a bridge type. The proton conductive block copolymer crosslinked product of the present invention is a crosslinked product that is not derived from a protonic acid group, and is a crosslinked product that does not use a protonic acid group for bonding polymer chains, in other words, a polymer chain after crosslinking. A cross-linked product in which the group or chain that binds each other is not a group or chain derived from a proton acid group. Although various forms can be taken, the form which bridge | crosslinks a carbonyl group and an alkyl group mainly takes. In addition, it can confirm that the proton-conductive block copolymer takes a crosslinked body by the reduction | decrease in the absorption peak of a carbonyl group in IR measurement, or the difference in the solvent solubility before and behind bridge | crosslinking.

本発明に係る架橋とは、脱離成分を生成しない反応により、高分子鎖同士を結合することをいう。ここで、脱離成分とは、例えば、フリーデルクラフト反応におけるハロゲン化炭化水素または塩、縮合反応における、水、ハロゲン化水素または塩といった、反応において生成し、樹脂鎖と結合していない副生物を示す。本発明に係る脱離成分を生成しない架橋は、脱離成分による電極材料の変性、劣化がなく、膜厚方向での架橋密度が均一であり、厚膜化が容易で、製造装置を腐食するガスも発生しないため好ましい。一方、脱離成分を生成する架橋は、脱離成分の除去操作が必要である、脱離成分の除去効率の異なる膜表面と膜内部あるいは膜裏面で架橋密度が異なる、厚膜化が困難である、膜にボイドができる、脱離した酸性ガスにより電極材料や製造装置が腐食するなどの問題を有し、好ましくない。 The crosslinking according to the present invention means that polymer chains are bonded to each other by a reaction that does not generate a leaving component. Here, the elimination component is, for example, a by-product which is generated in the reaction and is not bonded to the resin chain, such as a halogenated hydrocarbon or salt in the Friedel-Craft reaction, water, hydrogen halide or salt in the condensation reaction. Indicates. Crosslinking that does not generate a desorbing component according to the present invention does not cause denaturation or degradation of the electrode material due to the desorbing component, has a uniform crosslink density in the film thickness direction, is easy to thicken, and corrodes the manufacturing equipment. It is preferable because no gas is generated. On the other hand, the cross-linking that generates the desorbing component requires a desorbing component removal operation, the cross-linking density is different between the film surface and the inside of the film or the back surface of the film having different desorbing component removal efficiencies, and it is difficult to increase the film thickness. There are problems such as the formation of voids in the film and the corrosion of the electrode material and the manufacturing apparatus due to the desorbed acidic gas.

架橋方法には種々の方法が知られているが、本発明に係るカルボニル基とアルキル基からなる架橋は、プロトン酸基から誘導されない架橋であり、高分子鎖同士を結合させるためにプロトン酸基を用いない架橋、言い換えれば、架橋後に高分子鎖同士を結合する基または鎖がプロトン酸基から誘導された基または鎖ではない架橋である。すなわち、本発明のプロトン酸基から誘導されない架橋には、架橋反応時にプロトン酸基が化学的に反応する架橋はもちろん、事前にプロトン酸基を介して架橋基を導入し、その後に架橋する架橋も含まれない。本発明のような架橋であれば、樹脂のプロトン酸基量を減少(イオン交換基当量を増大)させることなく、樹脂の架橋密度を制御することができるので好ましい。一方、プロトン酸基から誘導される架橋は、架橋密度を増大させるためには、より多くのプロトン酸基を用いる必要があり、その結果、得られる架橋樹脂のイオン伝導性が低下するため好ましくない。   Although various methods are known as the crosslinking method, the crosslinking composed of a carbonyl group and an alkyl group according to the present invention is a crosslinking not derived from a protonic acid group, and a protonic acid group is used for bonding polymer chains to each other. In other words, a group or chain that bonds polymer chains to each other after crosslinking is not a group or chain derived from a protonic acid group. That is, in the cross-linking not derived from the protonic acid group of the present invention, the cross-linking in which the protonic acid group chemically reacts during the cross-linking reaction, as well as the cross-linking in which the cross-linking group is introduced in advance through the protonic acid group and then cross-linked Is not included. The cross-linking as in the present invention is preferable because the cross-linking density of the resin can be controlled without decreasing the amount of proton acid groups of the resin (increasing the ion exchange group equivalent). On the other hand, cross-linking derived from protonic acid groups is not preferable because it is necessary to use more protonic acid groups in order to increase the cross-linking density, and as a result, the ionic conductivity of the resulting cross-linked resin decreases. .

プロトン伝導膜
本発明のプロトン伝導膜は、本発明のプロトン伝導性ブロック共重合体およびそれを架橋してなる型プロトン伝導性ブロック共重合架橋体を含んでなるプロトン伝導膜である。ここで、本発明のプロトン伝導膜には、自立膜のみならず、基材、電極膜や他のプロトン伝導膜等に密着した塗膜も含む。ここで、本発明のプロトン伝導膜の厚みに特に制限はないが、自立膜である場合には10〜200μm、塗膜である場合には1〜100μmであることが好ましい。
本発明のプロトン伝導膜は、本発明のプロトン伝導性ブロック共重合体あるいは架橋型プロトン伝導性ブロック共重合架橋体を含んでいればよく、電気導電性を有する導電材、水素の酸化反応、酸素の還元反応を促進する触媒などと複合化されていても良い。
Proton Conducting Membrane The proton conducting membrane of the present invention is a proton conducting membrane comprising the proton conducting block copolymer of the present invention and a type proton conducting block copolymer crosslinked product obtained by crosslinking the proton conducting block copolymer. Here, the proton conducting membrane of the present invention includes not only a self-supporting membrane but also a coating film in close contact with a substrate, an electrode membrane, other proton conducting membranes, and the like. Here, although there is no restriction | limiting in particular in the thickness of the proton conductive film | membrane of this invention, when it is a self-supporting film | membrane, it is preferable that it is 10-100 micrometers in the case of being a coating film.
The proton conductive membrane of the present invention only needs to contain the proton conductive block copolymer or cross-linked proton conductive block copolymer cross-linked product of the present invention, and is a conductive material having electrical conductivity, hydrogen oxidation reaction, oxygen It may be combined with a catalyst that promotes the reduction reaction.

導電材としては、電気伝導性物質であればいずれのものでもよく、各種金属や炭素材料
などが上げられる。例えば、アセチレンブラック等のカーボンブラック、活性炭および黒鉛等が挙げられ、これらは単独あるいは混合して、粉末状あるいはシート状で使用される。
触媒としては、水素の酸化反応および酸素の還元反応を促進する金属であれば特に限定されないが、例えば鉛、鉄、マンガン、コバルト、クロム、ガリウム、バナジウム、タングステン、ルテニウム、イリジウム、パラジウム、白金、ロジウムまたはそれらの合金が挙げられる。
As the conductive material, any conductive material may be used, and various metals, carbon materials, and the like can be used. Examples thereof include carbon black such as acetylene black, activated carbon, graphite and the like, and these are used alone or mixed and used in the form of powder or sheet.
The catalyst is not particularly limited as long as it promotes hydrogen oxidation reaction and oxygen reduction reaction. For example, lead, iron, manganese, cobalt, chromium, gallium, vanadium, tungsten, ruthenium, iridium, palladium, platinum, Rhodium or an alloy thereof.

燃料電池
本発明のプロトン伝導膜は、種々公知の燃料電池の電解質膜として使用することができ、燃料電池の燃料源としては、例えば、天然ガス、水素、メタノール等のアルコールを用いることができる。本発明のプロトン伝導膜を用いた燃料電池は、膜の溶解、樹脂の溶出やプロトン酸基の脱離、燃料のクロスオーバーによる出力低下が生じにくく、発電効率と信頼性に優れる。
Fuel Cell The proton conductive membrane of the present invention can be used as an electrolyte membrane of various known fuel cells, and as a fuel source of the fuel cell, for example, natural gas, hydrogen, alcohol such as methanol can be used. The fuel cell using the proton conducting membrane of the present invention is excellent in power generation efficiency and reliability, because it does not easily cause membrane degradation, resin elution, proton acid group elimination, or fuel crossover, resulting in a decrease in output.

以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。
実施例中の各種試験の試験方法は次に示すとおりである。
(i)還元粘度(ηinh)
プロトン伝導性ブロック共重合体またはそのオリゴマー0.50gをジメチルスルホキシダあるいはN−メチルピロリドン100mlに加熱溶解したのち、35℃において、ウベローデ粘度計で測定した。
(ii)イオン交換基当量(EW)
100℃真空下において乾燥させたプロトン伝導性ブロック共重合体またはプロトン伝導膜を密閉できるガラス容器中に精秤し、そこに過剰量の塩化ナトリウム水溶液を添加して一晩攪拌した。系内に発生した塩化水素を0.01N水酸化ナトリウム標準水溶液にてフェノールフタレイン指示薬を用いて滴定し、計算した。
(iii)膨潤率
窒素通風下120℃12時間乾燥したプロトン伝導性ブロック共重合体またはプロトン伝導膜を、23℃純水に24時間浸漬し、その体積変化より算出した。
(iv)プロトン伝導度
プロトン伝導膜を、サンプルとして幅5mm、長さ40mmに切り出した後、PTFEホルダー上に設置し、4本の電極を圧接し、4端子法の交流インピーダンス法で求まる円弧から抵抗率を測定した。電圧端子間は20mmとした。インピーダンスの測定はLCRメーター(日置電機社製3532)を使用した。温度は電極を接続したサンプルをアルミブロック製の恒温槽内に設置することにより80℃に制御した。加湿は常圧の恒温槽内への蒸気の導入により行い、水蒸気発生器にて一定温度に蒸留水を加熱し、生成する蒸気を使用し、恒温槽内の湿度が26%RHあるいは65%RH一定となるように設定し伝導度を測定した。湿度はRotronic社製露点計で測定した。また、膜厚は乾燥状態でマイクロメータを用いて測定した。
(v)メタノール透過性
室温にて蒸留水と、1mol/L メタノール水溶液を、直径23mmφのプロトン伝導膜を介して接し、3時間までの蒸留水側のメタノール濃度変化をガスクロにて測定した。得られたメタノール濃度増加直線の傾きより、膜厚50μmでのメタノール透過速度を計算し、これをメタノール透過性とした。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not restrict | limited at all by this.
Test methods of various tests in the examples are as follows.
(I) Reduced viscosity (ηinh)
After 0.50 g of the proton conductive block copolymer or oligomer thereof was dissolved by heating in 100 ml of dimethylsulfoxide or N-methylpyrrolidone, it was measured with an Ubbelohde viscometer at 35 ° C.
(Ii) Ion exchange group equivalent (EW)
The proton conductive block copolymer or proton conductive membrane dried under vacuum at 100 ° C. was precisely weighed in a glass container that could be sealed, and an excess amount of sodium chloride aqueous solution was added thereto and stirred overnight. The hydrogen chloride generated in the system was titrated with a 0.01N sodium hydroxide standard aqueous solution using a phenolphthalein indicator and calculated.
(Iii) Swelling rate A proton conductive block copolymer or proton conductive membrane dried at 120 ° C. for 12 hours under nitrogen ventilation was immersed in pure water at 23 ° C. for 24 hours, and the volume change was calculated.
(Iv) Proton conductivity A proton conducting membrane is cut out as a sample to a width of 5 mm and a length of 40 mm, then placed on a PTFE holder, four electrodes are pressed, and an arc obtained by the AC impedance method of the 4-terminal method is used. The resistivity was measured. The distance between the voltage terminals was 20 mm. For the measurement of impedance, an LCR meter (manufactured by Hioki Electric Co., Ltd., 3532) was used. The temperature was controlled at 80 ° C. by placing the sample connected with the electrode in a thermostat made of aluminum block. Humidification is performed by introducing steam into a constant temperature thermostat, heating distilled water to a constant temperature with a steam generator, and using the generated steam, the humidity in the thermostat is 26% RH or 65% RH. The conductivity was measured by setting it to be constant. Humidity was measured with a Rotronic dew point meter. The film thickness was measured using a micrometer in a dry state.
(V) Methanol permeability Distilled water and a 1 mol / L aqueous methanol solution were brought into contact with each other through a proton conductive membrane having a diameter of 23 mmφ at room temperature, and the change in methanol concentration on the distilled water side up to 3 hours was measured by gas chromatography. The methanol permeation rate at a film thickness of 50 μm was calculated from the slope of the obtained methanol concentration increasing line, and this was defined as methanol permeability.

(実施例1)
窒素導入管、温度計、トルエンで満たした分液器を備えた冷却器、及び撹拌装置を備えたフラスコに、3,3’−カルボニルビス(6−フルオロベンゼンスルホン酸ナトリウム)6.7566g(0.016mol)、1,4−ジヒドロキシナフタレン3.2034g(0.020mol)および無水炭酸カリウム2.65g(0.019mol)を精秤した。これにジメチルスルホキシド(以下、DMSOと略す)40.0gおよびトルエン16.0gを加え、窒素ガスを通じ撹拌しながら、140℃まで昇温した後、7.5時間反応を行った。反応はトルエン還留下に行い、留出する水は分液器により分液回収した。冷却後、反応マスの一部をサンプリングし、DMSOで希釈、その上澄みをメタノールに排出してオリゴマーを析出させ、アセトンで洗浄したのち、窒素通風下150℃4時間乾燥してオリゴマーを得た。得られたオリゴマーは、芳香環に直接結合したプロトン酸基(スルホン酸ナトリウム基)を含みかつナフタレン環構造を含む化合物であり、その還元粘度は0.19dl/g(DMSO)であった。
Example 1
To a flask equipped with a nitrogen inlet tube, a thermometer, a separator filled with toluene, and a stirrer, 6.7756 g (0,3,3′-carbonylbis (6-fluorobenzenesulfonic acid sodium salt)) 0.016 mol), 3.2034 g (0.020 mol) of 1,4-dihydroxynaphthalene and 2.65 g (0.019 mol) of anhydrous potassium carbonate were precisely weighed. To this, 40.0 g of dimethyl sulfoxide (hereinafter abbreviated as DMSO) and 16.0 g of toluene were added, and the temperature was raised to 140 ° C. with stirring through nitrogen gas, followed by reaction for 7.5 hours. The reaction was performed under toluene return distillation, and the distilled water was separated and collected by a separator. After cooling, a part of the reaction mass was sampled, diluted with DMSO, the supernatant was discharged into methanol, the oligomer was precipitated, washed with acetone, and then dried at 150 ° C. for 4 hours under nitrogen flow to obtain the oligomer. The obtained oligomer was a compound containing a protonic acid group (sodium sulfonate group) directly bonded to an aromatic ring and a naphthalene ring structure, and its reduced viscosity was 0.19 dl / g (DMSO).

前記反応マスに、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン7.4188g(0.034mol)、3,3’,5,5’−テトラメチル−4,4’−ジヒドロキシジフェニルメタン7.6905g(0.041mol)、無水炭酸カリウム5.63g(0.041mol)、DMSO60.0gおよびトルエン24.0gを添加し、窒素ガスを通じ撹拌しながら、140℃まで昇温した後6時間、さらにトルエンを留去しながら160℃まで昇温し、3.5時間反応を行った。   To the reaction mass, 7.4188 g (0.034 mol) of 4,4′-difluorobenzophenone, 7.6905 g (0.041 mol) of 3,3 ′, 5,5′-tetramethyl-4,4′-dihydroxydiphenylmethane, Anhydrous potassium carbonate (5.63 g, 0.041 mol), DMSO (60.0 g), and toluene (24.0 g) were added, and the mixture was heated to 140 ° C. with stirring through nitrogen gas. The reaction was continued for 3.5 hours.

得られた粘稠な反応マス(110℃)を、ホモミキサーを用いてアセトン1.5Lに排出し、析出したポリマーを濾集、蒸留水2Lで2回、アセトン2Lで1回、それぞれ1時間ずつスラッジした後、濾集した。50℃で8時間、150℃で4時間(いずれも窒素雰囲気下)乾燥してプロトン酸基(スルホン酸ナトリウム基)を有する架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体を得た。得られたブロック共重合体22.4g(収率90.0%)で、還元粘度(ηinh)は0.6dl/g(N−メチルピロリドン)であった。
得られたブロック共重合体4gを12.0gのN−メチルピロリドンに溶解し、ポリマー濃度25%のワニスを得た。得られたワニスをスペーサーを有するブレードを用いてガラス基板上にキャストし、窒素通風下室温から200℃まで2時間かけて昇温した後200℃で4時間保持乾燥し、厚さ50μmのフィルムを得た。
得られたフィルムはガラス基板上からはがし、メタルハライドランプを用いて両面に各500mJ/cm2の光照射を行い架橋させ、フィルム状のプロトン伝導性ブロック共重合架橋体を得た。
この架橋したフィルムを2N硫酸水溶液および蒸留水に1日づつ浸漬してスルホン酸ナトリウム基のプロトン交換を行い、フリーのスルホン酸基を有するフィルムを得た。
得られたフィルムのイオン交換基当量(EW)は799g/mol、膨潤率は20%、プロトン伝導度は26%RHで2.14E−04S/cm、65%RHで2.77E−02S/cmであった。メタノール透過性は0.5μmol/cm2/minであった。
The obtained viscous reaction mass (110 ° C.) was discharged into 1.5 L of acetone using a homomixer, and the precipitated polymer was collected by filtration, twice with 2 L of distilled water and once with 2 L of acetone for 1 hour. Each sludge was collected by filtration. It was dried at 50 ° C. for 8 hours and at 150 ° C. for 4 hours (both in a nitrogen atmosphere) to obtain a crosslinked proton-conductive block copolymer having a proton acid group (sodium sulfonate group). The obtained block copolymer was 22.4 g (yield 90.0%), and the reduced viscosity (ηinh) was 0.6 dl / g (N-methylpyrrolidone).
4 g of the obtained block copolymer was dissolved in 12.0 g of N-methylpyrrolidone to obtain a varnish having a polymer concentration of 25%. The obtained varnish was cast on a glass substrate using a blade having a spacer, heated from room temperature to 200 ° C. under nitrogen flow over 2 hours, and then held and dried at 200 ° C. for 4 hours to obtain a film having a thickness of 50 μm. Obtained.
The obtained film was peeled off from the glass substrate and cross-linked by irradiation with light of 500 mJ / cm 2 on both sides using a metal halide lamp to obtain a film-like proton conductive block copolymer cross-linked product.
This crosslinked film was immersed in a 2N aqueous sulfuric acid solution and distilled water for 1 day to perform proton exchange of sodium sulfonate groups, thereby obtaining a film having free sulfonic acid groups.
The film obtained had an ion exchange group equivalent (EW) of 799 g / mol, a swelling rate of 20%, a proton conductivity of 2.14E-04S / cm at 26% RH, and 2.77E-02S / cm at 65% RH. Met. The methanol permeability was 0.5 μmol / cm2 / min.

(実施例2)
窒素導入管、温度計、トルエンで満たした分液器を備えた冷却器、及び撹拌装置を備えたフラスコに、3,3’−カルボニルビス(6−フルオロベンゼンスルホン酸ナトリウム)13.5133g(0.032mol)、1,6−ジヒドロキシナフタレン6.4068g(0.040mol)および無水炭酸カリウム5.30g(0.038mol)を精秤した。これにジメチルスルホキシド80.0gおよびトルエン32.0gを加え、窒素ガスを通じ撹拌しながら、140℃まで昇温した後、8時間反応を行った。反応はトルエン還留下に行い、留出する水は分液器により分液回収した。冷却後、反応マスの一部をサンプリングし、DMSOで希釈、その上澄みをメタノールに排出してオリゴマーを析出させ、アセトンで洗浄したのち、窒素通風下150℃4時間乾燥してオリゴマーを得た。得られたオリゴマーは、芳香環に直接結合したプロトン酸基(スルホン酸ナトリウム基)を含みかつナフタレン環構造を含む化合物であり、オリゴマーの還元粘度は0.21dl/g(DMSO)であった。
(Example 2)
Into a flask equipped with a nitrogen inlet tube, a thermometer, a separator equipped with a separator filled with toluene, and a stirrer, 13.5133 g (0,3,3′-carbonylbis (sodium 6-fluorobenzenesulfonate)) 0.032 mol), 1,6-dihydroxynaphthalene (6.4068 g, 0.040 mol) and anhydrous potassium carbonate (5.30 g, 0.038 mol) were precisely weighed. To this, 80.0 g of dimethyl sulfoxide and 32.0 g of toluene were added, and the temperature was raised to 140 ° C. while stirring through nitrogen gas, followed by reaction for 8 hours. The reaction was performed under toluene return distillation, and the distilled water was separated and collected by a separator. After cooling, a part of the reaction mass was sampled, diluted with DMSO, the supernatant was discharged into methanol, the oligomer was precipitated, washed with acetone, and then dried at 150 ° C. for 4 hours under nitrogen flow to obtain the oligomer. The obtained oligomer was a compound containing a protonic acid group (sodium sulfonate group) directly bonded to an aromatic ring and a naphthalene ring structure, and the reduced viscosity of the oligomer was 0.21 dl / g (DMSO).

前記反応マスに、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン14.8376g(0.068mol)、3,3’,5,5’−テトラメチル−4,4’−ジヒドロキシジフェニルメタン15.3810g(0.060mol)、無水炭酸カリウム11.26g(0.082mol)、DMSO121.0gおよびトルエン48.0gを添加し、窒素ガスを通じ撹拌しながら、140℃まで昇温した後7時間、さらにトルエンを留去しながら160℃まで昇温し、2時間反応を行った。   In the reaction mass, 4,4′-difluorobenzophenone 14.8376 g (0.068 mol), 3,3 ′, 5,5′-tetramethyl-4,4′-dihydroxydiphenylmethane 15.3810 g (0.060 mol), 11.26 g (0.082 mol) of anhydrous potassium carbonate, 121.0 g of DMSO and 48.0 g of toluene were added, the temperature was raised to 140 ° C. with stirring through nitrogen gas, and then the temperature was increased to 140 ° C. for 7 hours. The reaction was continued for 2 hours.

得られた粘稠な反応マス(110℃)を、ホモミキサーを用いてアセトン3Lに排出し、析出したポリマーを濾集、蒸留水4Lで2回、アセトン4Lで1回、それぞれ1時間ずつスラッジした後、濾集した。50℃で8時間、150℃で4時間(いずれも窒素雰囲気下)乾燥してプロトン酸基(スルホン酸ナトリウム基)を有する架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体を得た。得られたブロック共重合体は46.2g(収率92.8%)、還元粘度は1.00dl/g(N−メチルピロリドン)であった。
得られたブロック共重合体4gを16.0gのN−メチルピロリドンに溶解し、ポリマー濃度20%のワニスを得た。得られたワニスをスペーサーを有するブレードを用いてガラス基板上にキャストし、窒素通風下室温から200℃まで2時間かけて昇温した後200℃で4時間保持乾燥し、厚さ50μmのフィルムを得た。
得られたフィルムはガラス基板上からはがし、メタルハライドランプを用いて両面に各500mJ/cm2の光照射を行い架橋させ、フィルム状のプロトン伝導性ブロック共重合架橋体を得た。
この架橋したフィルムを2N硫酸水溶液および蒸留水に1日づつ浸漬してスルホン酸ナトリウム基のプロトン交換を行い、フリーのスルホン酸基を有するフィルムを得た。
得られたフィルムのイオン交換基当量は752g/mol、膨潤率は31%、プロトン伝導度は26%RHで2.35E−04S/cm、65%RHで2.82E−02S/cmであった。メタノール透過性は0.6μmol/cm2/minであった。
The obtained viscous reaction mass (110 ° C.) was discharged into 3 L of acetone using a homomixer, and the precipitated polymer was collected by filtration, twice with 4 L of distilled water and once with 4 L of acetone, each for 1 hour each. And then collected by filtration. It was dried at 50 ° C. for 8 hours and at 150 ° C. for 4 hours (both in a nitrogen atmosphere) to obtain a crosslinked proton-conductive block copolymer having a proton acid group (sodium sulfonate group). The obtained block copolymer was 46.2 g (yield 92.8%), and the reduced viscosity was 1.00 dl / g (N-methylpyrrolidone).
4 g of the obtained block copolymer was dissolved in 16.0 g of N-methylpyrrolidone to obtain a varnish having a polymer concentration of 20%. The obtained varnish was cast on a glass substrate using a blade having a spacer, heated from room temperature to 200 ° C. under nitrogen flow over 2 hours, and then held and dried at 200 ° C. for 4 hours to obtain a film having a thickness of 50 μm. Obtained.
The obtained film was peeled off from the glass substrate and cross-linked by irradiation with light of 500 mJ / cm 2 on both sides using a metal halide lamp to obtain a film-like proton conductive block copolymer cross-linked product.
This crosslinked film was immersed in a 2N aqueous sulfuric acid solution and distilled water for 1 day to perform proton exchange of sodium sulfonate groups, thereby obtaining a film having free sulfonic acid groups.
The film obtained had an ion exchange group equivalent of 752 g / mol, a swelling rate of 31%, a proton conductivity of 2.35E-04S / cm at 26% RH and 2.82E-02S / cm at 65% RH. . The methanol permeability was 0.6 μmol / cm2 / min.

(実施例3)
窒素導入管、温度計、トルエンで満たした分液器を備えた冷却器、及び撹拌装置を備えたフラスコに、3,3’−カルボニルビス(6−フルオロベンゼンスルホン酸ナトリウム)13.5133g(0.032mol)、2,7−ジヒドロキシナフタレン6.4068g(0.040mol)および無水炭酸カリウム5.300g(0.038mol)を精秤した。これにDMSO80.0gおよびトルエン32.0gを加え、窒素ガスを通じ撹拌しながら、140℃まで昇温した後、4時間反応を行った。反応はトルエン還留下に行い、留出する水は分液器により分液回収した。冷却後、反応マスの一部をサンプリングし、DMSOで希釈、その上澄みをメタノールに排出してオリゴマーを析出させ、アセトンで洗浄したのち、窒素通風下150℃4時間乾燥してオリゴマーを得た。得られたオリゴマーは、芳香環に直接結合したプロトン酸基(スルホン酸ナトリウム基)を含み且つナフタレン環構造を含む化合物であり、オリゴマーの還元粘度は0.20dl/g(DMSO)であった。
(Example 3)
Into a flask equipped with a nitrogen inlet tube, a thermometer, a separator equipped with a separator filled with toluene, and a stirrer, 13.5133 g (0,3,3′-carbonylbis (sodium 6-fluorobenzenesulfonate)) 0.032 mol), 2,7-dihydroxynaphthalene 6.4068 g (0.040 mol) and 5.300 g (0.038 mol) anhydrous potassium carbonate were precisely weighed. DMSO 80.0g and toluene 32.0g were added to this, and it heated up to 140 degreeC, stirring for 4 hours, and reacted for 4 hours. The reaction was performed under toluene return distillation, and the distilled water was separated and collected by a separator. After cooling, a part of the reaction mass was sampled, diluted with DMSO, the supernatant was discharged into methanol, the oligomer was precipitated, washed with acetone, and then dried at 150 ° C. for 4 hours under nitrogen flow to obtain the oligomer. The obtained oligomer was a compound containing a protonic acid group (sodium sulfonate group) directly bonded to an aromatic ring and a naphthalene ring structure, and the reduced viscosity of the oligomer was 0.20 dl / g (DMSO).

前記反応マスに、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン14.8376g(0.068mol)、3,3’,5,5’−テトラメチル−4,4’−ジヒドロキシジフェニルメタン15.3810g(0.060mol)、無水炭酸カリウム11.20g(0.081mol)、DMSO120.0gおよびトルエン48.0gを添加し、窒素ガスを通じ撹拌しながら、140℃まで昇温した後6時間30分、さらにトルエンを留去しながら160℃まで昇温し、2時間反応を行った。   In the reaction mass, 4,4′-difluorobenzophenone 14.8376 g (0.068 mol), 3,3 ′, 5,5′-tetramethyl-4,4′-dihydroxydiphenylmethane 15.3810 g (0.060 mol), Anhydrous potassium carbonate (11.20 g, 0.081 mol), DMSO (120.0 g) and toluene (48.0 g) were added, and the mixture was heated to 140 ° C. with stirring through nitrogen gas. After 6 hours and 30 minutes, toluene was further distilled off. The temperature was raised to 160 ° C. and the reaction was performed for 2 hours.

得られた粘稠な反応マス(110℃)を、ホモミキサーを用いてアセトン3Lに排出し、析出したポリマーを濾集、蒸留水4Lで2回、アセトン4Lで1回、それぞれ1時間ずつスラッジした後、濾集した。50℃で8時間、150℃で4時間(いずれも窒素雰囲気下)乾燥してプロトン酸基(スルホン酸ナトリウム基)を有する架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体を得た。得られたブロック共重合体は46.7g(収率93.8%)、還元粘度は1.45dl/g(N−メチルピロリドン)であった。
得られたブロック共重合体4gを21.0gのN−メチルピロリドンに加熱溶解し、ポリマー濃度16%のワニスを得た。得られたワニスをスペーサーを有するブレードを用いてガラス基板上にキャストし、窒素通風下室温から200℃まで2時間かけて昇温した後200℃で4時間保持乾燥し、厚さ50μmのフィルムを得た。
得られたフィルムはガラス基板上からはがし、メタルハライドランプを用いて両面に各500mJ/cm2の光照射を行い架橋させ、フィルム状のプロトン伝導性ブロック共重合架橋体を得た。
この架橋したフィルムを2N硫酸水溶液および蒸留水に1日づつ浸漬してスルホン酸ナトリウム基のプロトン交換を行い、フリーのスルホン酸基を有するフィルムを得た。
得られたフィルムのイオン交換基当量は796g/mol、膨潤率は25%、プロトン伝導度は26%RHで1.83E−04S/cm、65%RHで2.31E−02S/cmであった。メタノール透過性は0.5μmol/cm2/minであった。
The obtained viscous reaction mass (110 ° C.) was discharged into 3 L of acetone using a homomixer, and the precipitated polymer was collected by filtration, twice with 4 L of distilled water and once with 4 L of acetone, each for 1 hour each. And then collected by filtration. It was dried at 50 ° C. for 8 hours and at 150 ° C. for 4 hours (both in a nitrogen atmosphere) to obtain a crosslinked proton-conductive block copolymer having a proton acid group (sodium sulfonate group). The obtained block copolymer was 46.7 g (yield 93.8%), and the reduced viscosity was 1.45 dl / g (N-methylpyrrolidone).
4 g of the obtained block copolymer was dissolved by heating in 21.0 g of N-methylpyrrolidone to obtain a varnish having a polymer concentration of 16%. The obtained varnish was cast on a glass substrate using a blade having a spacer, heated from room temperature to 200 ° C. under nitrogen flow over 2 hours, and then held and dried at 200 ° C. for 4 hours to obtain a film having a thickness of 50 μm. Obtained.
The obtained film was peeled off from the glass substrate and cross-linked by irradiation with light of 500 mJ / cm 2 on both sides using a metal halide lamp to obtain a film-like proton conductive block copolymer cross-linked product.
This crosslinked film was immersed in a 2N aqueous sulfuric acid solution and distilled water for 1 day to perform proton exchange of sodium sulfonate groups, thereby obtaining a film having free sulfonic acid groups.
The film obtained had an ion exchange group equivalent of 796 g / mol, a swelling rate of 25%, a proton conductivity of 1.83E-04S / cm at 26% RH, and 2.31E-02S / cm at 65% RH. . The methanol permeability was 0.5 μmol / cm2 / min.

(実施例4)
窒素導入管、温度計、トルエンで満たした分液器を備えた冷却器、及び撹拌装置を備えたフラスコに、3,3’−カルボニルビス(6−フルオロベンゼンスルホン酸ナトリウム)22.3814g(0.053mol)、1,4−ジヒドロキシナフタレン10.6113g(0.06625mol)および無水炭酸カリウム8.78g(0.064mol)を精秤した。これにDMSO132.0gおよびトルエン53.0gを加え、窒素ガスを通じ撹拌しながら、140℃まで昇温した後、9時間反応を行った。反応はトルエン還留下に行い、留出する水は分液器により分液回収した。冷却後、反応マスの一部をサンプリングし、DMSOで希釈、その上澄みをメタノールに排出してオリゴマーを析出させ、アセトンで洗浄したのち、窒素通風下150℃4時間乾燥してオリゴマーを得た。得られたオリゴマーは、芳香環に直接結合したプロトン酸基(スルホン酸ナトリウム基)を含み且つナフタレン環構造を含む化合物であり、オリゴマーの還元粘度は0.17dl/g(DMSO)であった。
Example 4
Into a flask equipped with a nitrogen inlet tube, a thermometer, a cooler equipped with a separator filled with toluene, and a stirrer, 22.3814 g (0,3,6'-sodium 6-fluorobenzenesulfonate) 0.053 mol), 10.4-113 g (0.06625 mol) of 1,4-dihydroxynaphthalene and 8.78 g (0.064 mol) of anhydrous potassium carbonate were precisely weighed. To this, 132.0 g of DMSO and 53.0 g of toluene were added, and the mixture was heated to 140 ° C. while stirring through nitrogen gas, and then reacted for 9 hours. The reaction was performed under toluene return distillation, and the distilled water was separated and collected by a separator. After cooling, a part of the reaction mass was sampled, diluted with DMSO, the supernatant was discharged into methanol, the oligomer was precipitated, washed with acetone, and then dried at 150 ° C. for 4 hours under nitrogen flow to obtain the oligomer. The obtained oligomer was a compound containing a protonic acid group (sodium sulfonate group) directly bonded to an aromatic ring and a naphthalene ring structure, and the reduced viscosity of the oligomer was 0.17 dl / g (DMSO).

前記反応マスに、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン10.2554g(0.047mol)、3,3’,5,5’−テトラメチル−4,4’−ジヒドロキシジフェニルメタン8.6518g(0.03375mol)、無水炭酸カリウム7.78g(0.056mol)、DMSO76.0gおよびトルエン30.0gを添加し、窒素ガスを通じ撹拌しながら、140℃まで昇温した後5時間、さらにトルエンを留去しながら160℃まで昇温し、4時間30分反応を行った。   To the reaction mass, 10.4554 g (0.047 mol) of 4,4′-difluorobenzophenone, 8.6518 g (0.03375 mol) of 3,3 ′, 5,5′-tetramethyl-4,4′-dihydroxydiphenylmethane, Anhydrous potassium carbonate (7.78 g, 0.056 mol), DMSO (76.0 g) and toluene (30.0 g) were added, and the mixture was heated to 140 ° C. with stirring through nitrogen gas. The temperature was raised to 4 hours and 30 minutes.

得られた粘稠な反応マス(110℃)を、ホモミキサーを用いてアセトン3Lに排出し、析出したポリマーを濾集、蒸留水4Lで2回、アセトン4Lで1回、それぞれ1時間ずつスラッジした後、濾集した。50℃で8時間、150℃で4時間(いずれも窒素雰囲気下)乾燥してプロトン酸基(スルホン酸ナトリウム基)を有する架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体を得た。得られたブロック共重合体は48.2g(収率93.6%)、還元粘度は0.56dl/g(N−メチルピロリドン)であった。
得られたブロック共重合体4gを8.5gのN−メチルピロリドンに溶解し、ポリマー濃度32%のワニスを得た。得られたワニスをスペーサーを有するブレードを用いてガラス基板上にキャストし、窒素通風下室温から200℃まで2時間かけて昇温した後200℃で4時間保持乾燥し、厚さ50μmのフィルムを得た。
得られたフィルムはガラス基板上からはがし、メタルハライドランプを用いて両面に各500mJ/cm2の光照射を行い架橋させ、フィルム状のプロトン伝導性ブロック共重合架橋体を得た。
この架橋したフィルムを2N硫酸水溶液および蒸留水に1日づつ浸漬してスルホン酸ナトリウム基のプロトン交換を行い、フリーのスルホン酸基を有するフィルムを得た。
得られたフィルムのイオン交換基当量は457g/mol、膨潤率は76%、プロトン伝導度は26%RHで9.99E−04S/cm、65%RHで8.05E−02S/cmであった。メタノール透過性は1.3μmol/cm2/minであった。
The obtained viscous reaction mass (110 ° C.) was discharged into 3 L of acetone using a homomixer, and the precipitated polymer was collected by filtration, twice with 4 L of distilled water and once with 4 L of acetone, each for 1 hour each. And then collected by filtration. It was dried at 50 ° C. for 8 hours and at 150 ° C. for 4 hours (both in a nitrogen atmosphere) to obtain a crosslinked proton-conductive block copolymer having a proton acid group (sodium sulfonate group). The obtained block copolymer was 48.2 g (yield 93.6%), and the reduced viscosity was 0.56 dl / g (N-methylpyrrolidone).
4 g of the obtained block copolymer was dissolved in 8.5 g of N-methylpyrrolidone to obtain a varnish having a polymer concentration of 32%. The obtained varnish was cast on a glass substrate using a blade having a spacer, heated from room temperature to 200 ° C. under nitrogen flow over 2 hours, and then held and dried at 200 ° C. for 4 hours to obtain a film having a thickness of 50 μm. Obtained.
The obtained film was peeled off from the glass substrate and cross-linked by irradiation with light of 500 mJ / cm 2 on both sides using a metal halide lamp to obtain a film-like proton conductive block copolymer cross-linked product.
This crosslinked film was immersed in a 2N aqueous sulfuric acid solution and distilled water for 1 day to perform proton exchange of sodium sulfonate groups, thereby obtaining a film having free sulfonic acid groups.
The obtained film had an ion exchange group equivalent of 457 g / mol, a swelling rate of 76%, a proton conductivity of 9.99E-04S / cm at 26% RH, and 8.05E-02S / cm at 65% RH. . The methanol permeability was 1.3 μmol / cm2 / min.

(実施例5)
窒素導入管、温度計、トルエンで満たした分液器を備えた冷却器、及び撹拌装置を備えたフラスコに、3,3’−カルボニルビス(6−フルオロベンゼンスルホン酸ナトリウム)23.2260g(0.055mol)、3,3’,5,5’−テトラメチル−4,4’−ジヒドロキシジフェニルメタン17.6241g(0.06875mol)および無水炭酸カリウム9.11g(0.066mol)を精秤した。これにDMSO163.0gおよびトルエン65.0gを加え、窒素ガスを通じ撹拌しながら、140℃まで昇温した後、9間反応を行った。反応はトルエン還留下に行い、留出する水は分液器により分液回収した。冷却後、反応マスの一部をサンプリングし、DMSOで希釈、その上澄みをメタノールに排出してオリゴマーを析出させ、アセトンで洗浄したのち、窒素通風下150℃4時間乾燥してオリゴマーを得た。得られたオリゴマーは、芳香環に直接結合したプロトン酸基(スルホン酸ナトリウム基)を含む化合物であり、オリゴマーの還元粘度は0.17dl/g(DMSO)であった。
(Example 5)
Into a flask equipped with a nitrogen inlet tube, a thermometer, a condenser equipped with a separator filled with toluene, and a stirrer, 23.2260 g (0,3,6'-sodium 6-fluorobenzenesulfonate) 0.055 mol), 3,3 ′, 5,5′-tetramethyl-4,4′-dihydroxydiphenylmethane (17.241 g, 0.06875 mol) and anhydrous potassium carbonate (9.11 g, 0.066 mol) were precisely weighed. DMSO (163.0 g) and toluene (65.0 g) were added thereto, and the mixture was heated to 140 ° C. with stirring through nitrogen gas, and then reacted for 9 minutes. The reaction was performed under toluene return distillation, and the distilled water was separated and collected by a separator. After cooling, a part of the reaction mass was sampled, diluted with DMSO, the supernatant was discharged into methanol, the oligomer was precipitated, washed with acetone, and then dried at 150 ° C. for 4 hours under nitrogen flow to obtain the oligomer. The obtained oligomer was a compound containing a proton acid group (sodium sulfonate group) directly bonded to an aromatic ring, and the reduced viscosity of the oligomer was 0.17 dl / g (DMSO).

前記反応マスに、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン9.8190g(0.045mol)、2,7−ジヒドロキシナフタレン5.0053g(0.03125mol)、無水炭酸カリウム7.45g(0.054mol)、DMSO59.0gおよびトルエン24.0gを添加し、窒素ガスを通じ撹拌しながら、140℃まで昇温した後5時間、さらにトルエンを留去しながら160℃まで昇温し、12時間反応を行った。   To the reaction mass, 9.8190 g (0.045 mol) of 4,4′-difluorobenzophenone, 5.0053 g (0.03125 mol) of 2,7-dihydroxynaphthalene, 7.45 g (0.054 mol) of anhydrous potassium carbonate, DMSO 59. 0 g and 24.0 g of toluene were added, the temperature was raised to 140 ° C. while stirring through nitrogen gas, and then the temperature was raised to 160 ° C. for 5 hours, and further toluene was distilled off, and the reaction was carried out for 12 hours.

得られた粘稠な反応マス(110℃)を、ホモミキサーを用いてアセトン3Lに排出し、析出したポリマーを濾集、蒸留水4Lで2回、アセトン4Lで1回、それぞれ1時間ずつスラッジした後、濾集した。50℃で8時間、150℃で4時間(いずれも窒素雰囲気下)乾燥してプロトン酸基(スルホン酸ナトリウム基)を有する架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体を得た。得られたブロック共重合体は45.8g(収率84.7%)、還元粘度は1.12dl/g(N−メチルピロリドン)であった。
得られたブロック共重合体4gを12.0gのN−メチルピロリドンに加熱溶解し、ポリマー濃度25%のワニスを得た。得られたワニスをスペーサーを有するブレードを用いてガラス基板上にキャストし、窒素通風下室温から200℃まで2時間かけて昇温した後200℃で4時間保持乾燥し、厚さ50μmのフィルムを得た。
得られたフィルムはガラス基板上からはがし、メタルハライドランプを用いて両面に各500mJ/cm2の光照射を行い架橋させ、フィルム状のプロトン伝導性ブロック共重合架橋体を得た。
この架橋したフィルムを2N硫酸水溶液および蒸留水に1日づつ浸漬してスルホン酸ナトリウム基のプロトン交換を行い、フリーのスルホン酸基を有するフィルムを得た。
得られたフィルムのイオン交換基当量は453g/mol、膨潤率は74%、プロトン伝導度は26%RHで2.40E−04S/cm、65%RHで4.54E−02S/cmであった。メタノール透過性は1.1μmol/cm2/minであった。
The obtained viscous reaction mass (110 ° C.) was discharged into 3 L of acetone using a homomixer, and the precipitated polymer was collected by filtration, twice with 4 L of distilled water and once with 4 L of acetone, each for 1 hour each. And then collected by filtration. It was dried at 50 ° C. for 8 hours and at 150 ° C. for 4 hours (both in a nitrogen atmosphere) to obtain a crosslinked proton-conductive block copolymer having a proton acid group (sodium sulfonate group). The obtained block copolymer was 45.8 g (yield 84.7%), and the reduced viscosity was 1.12 dl / g (N-methylpyrrolidone).
4 g of the obtained block copolymer was dissolved by heating in 12.0 g of N-methylpyrrolidone to obtain a varnish having a polymer concentration of 25%. The obtained varnish was cast on a glass substrate using a blade having a spacer, heated from room temperature to 200 ° C. under nitrogen flow over 2 hours, and then held and dried at 200 ° C. for 4 hours to obtain a film having a thickness of 50 μm. Obtained.
The obtained film was peeled off from the glass substrate and cross-linked by irradiation with light of 500 mJ / cm 2 on both sides using a metal halide lamp to obtain a film-like proton conductive block copolymer cross-linked product.
This crosslinked film was immersed in a 2N aqueous sulfuric acid solution and distilled water for 1 day to perform proton exchange of sodium sulfonate groups, thereby obtaining a film having free sulfonic acid groups.
The film obtained had an ion exchange group equivalent of 453 g / mol, a swelling rate of 74%, a proton conductivity of 2.40E-04S / cm at 26% RH and 4.54E-02S / cm at 65% RH. . The methanol permeability was 1.1 μmol / cm2 / min.

(比較例1)
窒素導入管、温度計、トルエンで満たした分液器を備えた冷却器、及び撹拌装置を備え
たフラスコに、3,3’−カルボニルビス(6−フルオロベンゼンスルホン酸ナトリウム)14.7802g(0.035mol)、3,3’,5,5’−テトラメチル−4,4’−ジヒドロキシジフェニルメタン11.2153g(0.043mol)および無水炭酸カリウム5.80g(0.042mol)を精秤した。これにジメチルスルホキシド104.0gおよびトルエン42.0gを加え、窒素ガスを通じ撹拌しながら、140℃まで昇温した後、8間反応を行った。反応はトルエン還留下に行い、留出する水は分液器により分液回収した。冷却後、反応マスの一部をサンプリングし、DMSOで希釈、その上澄みをメタノールに排出してオリゴマーを析出させ、アセトンで洗浄したのち、窒素通風下150℃4時間乾燥してオリゴマーを得た。得られたオリゴマーは、芳香環にプロトン酸基及びアルキル基が直接結合した化合物であり、還元粘度は0.20dl/g(DMSO)であった。
(Comparative Example 1)
Into a flask equipped with a nitrogen inlet tube, a thermometer, a cooler equipped with a separator filled with toluene, and a stirrer, 147,802 g (0,3,3′-carbonylbis (6-fluorobenzenesulfonic acid sodium salt)) 0.035 mol), 3,3 ′, 5,5′-tetramethyl-4,4′-dihydroxydiphenylmethane, 11.153 g (0.043 mol), and 5.80 g (0.042 mol) of anhydrous potassium carbonate were precisely weighed. To this, 104.0 g of dimethyl sulfoxide and 42.0 g of toluene were added, the temperature was raised to 140 ° C. while stirring through nitrogen gas, and a reaction was carried out for 8 hours. The reaction was performed under toluene return distillation, and the distilled water was separated and collected by a separator. After cooling, a part of the reaction mass was sampled, diluted with DMSO, the supernatant was discharged into methanol, the oligomer was precipitated, washed with acetone, and then dried at 150 ° C. for 4 hours under nitrogen flow to obtain the oligomer. The obtained oligomer was a compound in which a protonic acid group and an alkyl group were directly bonded to an aromatic ring, and the reduced viscosity was 0.20 dl / g (DMSO).

前記反応マスに、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン14.1830g(0.065mol)、3,3’,5,5’−テトラメチル−4,4’−ジヒドロキシジフェニルメタン14.4197g(0.05625mol)、無水炭酸カリウム10.76g(0.12mol)、DMSO114.0gおよびトルエン46.0gを添加し、窒素ガスを通じ撹拌しながら、140℃まで昇温した後8時間、さらにトルエンを留去しながら160℃まで昇温し、8時間反応を行った。   To the reaction mass, 14.4830 g (0.065 mol) of 4,4′-difluorobenzophenone, 14.4197 g (0.05625 mol) of 3,3 ′, 5,5′-tetramethyl-4,4′-dihydroxydiphenylmethane, Anhydrous potassium carbonate (10.76 g, 0.12 mol), DMSO (114.0 g), and toluene (46.0 g) were added, and the mixture was heated to 140 ° C. with stirring through nitrogen gas. The reaction was continued for 8 hours.

得られた粘稠な反応マス(110℃)を、ホモミキサーを用いてアセトン3Lに排出し、析出したポリマーを濾集、蒸留水4Lで2回、アセトン4Lで1回、それぞれ1時間ずつスラッジした後、濾集した。50℃で8時間、150℃で4時間(いずれも窒素雰囲気下)乾燥してプロトン酸基(スルホン酸ナトリウム基)を有するブロック共重合体46.1g(収率91.1%)を得た。
得られたブロック共重合体の還元粘度は1.10dl/g(N−メチルピロリドン)であった。
得られたブロック共重合体4gを14.2gのN−メチルピロリドンに加熱溶解し、ポリマー濃度22%のワニスを得た。得られたワニスをスペーサーを有するブレードを用いてガラス基板上にキャストし、窒素通風下室温から200℃まで2時間かけて昇温した後200℃で4時間保持乾燥し、厚さ50μmのフィルムを得た。
得られたフィルムはガラス基板上からはがし、メタルハライドランプを用いて両面に各500mJ/cm2の光照射を行い架橋させた。
この架橋したフィルムを2N硫酸水溶液および蒸留水に1日づつ浸漬してスルホン酸ナトリウム基のプロトン交換を行い、フリーのスルホン酸基を有するフィルムを得た。
得られたフィルムのイオン交換基当量は761g/mol、膨潤率は44%、プロトン伝導度は26%RHで2.95E−05S/cm、65%RHで9.41E−03であった。メタノール透過性は0.8μmol/cm2/minであった。
The obtained viscous reaction mass (110 ° C.) was discharged into 3 L of acetone using a homomixer, and the precipitated polymer was collected by filtration, twice with 4 L of distilled water and once with 4 L of acetone, each for 1 hour each. And then collected by filtration. It was dried at 50 ° C. for 8 hours and at 150 ° C. for 4 hours (both in a nitrogen atmosphere) to obtain 46.1 g (yield 91.1%) of a block copolymer having a proton acid group (sodium sulfonate group). .
The reduced viscosity of the obtained block copolymer was 1.10 dl / g (N-methylpyrrolidone).
4 g of the obtained block copolymer was dissolved by heating in 14.2 g of N-methylpyrrolidone to obtain a varnish having a polymer concentration of 22%. The obtained varnish was cast on a glass substrate using a blade having a spacer, heated from room temperature to 200 ° C. under nitrogen flow over 2 hours, and then held and dried at 200 ° C. for 4 hours to obtain a film having a thickness of 50 μm. Obtained.
The obtained film was peeled off from the glass substrate and cross-linked by irradiation with light of 500 mJ / cm 2 on both sides using a metal halide lamp.
This crosslinked film was immersed in a 2N aqueous sulfuric acid solution and distilled water for 1 day to perform proton exchange of sodium sulfonate groups, thereby obtaining a film having free sulfonic acid groups.
The ion exchange group equivalent of the obtained film was 761 g / mol, the swelling rate was 44%, the proton conductivity was 2.95E-05S / cm at 26% RH, and 9.41E-03 at 65% RH. The methanol permeability was 0.8 μmol / cm2 / min.

(比較例2)
窒素導入管、温度計、トルエンで満たした分液器を備えた冷却器、及び撹拌装置を備え
たフラスコに、3,3’−カルボニルビス(6−フルオロベンゼンスルホン酸ナトリウム)
25.3374g(0.060mol)、3,3’,5,5’−テトラメチル−4,4’−ジヒドロキシジフェニルメタン17.0900g(0.06667mol)および無水炭酸カリウム10.35g(0.075mol)を精秤した。これにジメチルスルホキシド170.0gおよびトルエン68.0gを加え、窒素ガスを通じ撹拌しながら、140℃まで昇温した後、11時間反応を行った。反応はトルエン還留下に行い、留出する水は分液器により分液回収した。冷却後、反応マスの一部をサンプリングし、DMSOで希釈、その上澄みをメタノールに排出してオリゴマーを析出させ、アセトンで洗浄したのち、窒素通風下150℃4時間乾燥してオリゴマーを得た。得られたオリゴマーは、芳香環にプロトン酸基及びアルキル基が直接結合した化合物であり、還元粘度は0.25dl/g(DMSO)であった。
(Comparative Example 2)
To a flask equipped with a nitrogen inlet tube, a thermometer, a separator filled with toluene, and a stirrer, 3,3′-carbonylbis (sodium 6-fluorobenzenesulfonate)
25.3374 g (0.060 mol), 3,3 ′, 5,5′-tetramethyl-4,4′-dihydroxydiphenylmethane 17.0900 g (0.06667 mol) and anhydrous potassium carbonate 10.35 g (0.075 mol). Weighed precisely. Dimethyl sulfoxide (170.0 g) and toluene (68.0 g) were added thereto, and the mixture was heated to 140 ° C. with stirring through nitrogen gas, and then reacted for 11 hours. The reaction was performed under toluene return distillation, and the distilled water was separated and collected by a separator. After cooling, a part of the reaction mass was sampled, diluted with DMSO, the supernatant was discharged into methanol, the oligomer was precipitated, washed with acetone, and then dried at 150 ° C. for 4 hours under nitrogen flow to obtain the oligomer. The obtained oligomer was a compound in which a protonic acid group and an alkyl group were directly bonded to an aromatic ring, and the reduced viscosity was 0.25 dl / g (DMSO).

前記反応マスに、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン8.7280g(0.040mol)、3,3’,5,5’−テトラメチル−4,4’−ジヒドロキシジフェニルメタン8.5450g(0.03333mol)、無水炭酸カリウム6.90g(0.050mol)、DMSO69.0gおよびトルエン28.0gを添加し、窒素ガスを通じ撹拌しながら、140℃まで昇温した後9時間、さらにトルエンを留去しながら160℃まで昇温し、7時間反応を行った。   To the reaction mass, 8.7280 g (0.040 mol) of 4,4′-difluorobenzophenone, 8.5450 g (0.03333 mol) of 3,3 ′, 5,5′-tetramethyl-4,4′-dihydroxydiphenylmethane, 6.90 g (0.050 mol) of anhydrous potassium carbonate, 69.0 g of DMSO and 28.0 g of toluene were added, the temperature was raised to 140 ° C. while stirring through nitrogen gas, and then 160 ° C. while distilling off toluene further for 9 hours. The temperature was raised to 7, and the reaction was carried out for 7 hours.

得られた粘稠な反応マス(110℃)を、ホモミキサーを用いてアセトン3Lに排出し、析出したポリマーを濾集、蒸留水4Lで2回、アセトン4Lで1回、それぞれ1時間ずつスラッジした後、濾集した。50℃で8時間、150℃で4時間(いずれも窒素雰囲気下)乾燥してプロトン酸基(スルホン酸ナトリウム基)を有するブロック共重合体54.6g(収率92.1%)を得た。
得られたブロック共重合体の還元粘度は1.03dl/g(N−メチルピロリドン)であった。
得られたブロック共重合体4gを16.0gのN−メチルピロリドンに加熱溶解し、ポリマー濃度20%のワニスを得た。得られたワニスをスペーサーを有するブレードを用いてガラス基板上にキャストし、窒素通風下室温から200℃まで2時間かけて昇温した後200℃で4時間保持乾燥し、厚さ50μmのフィルムを得た。
得られたフィルムはガラス基板上からはがし、メタルハライドランプを用いて両面に各500mJ/cm2の光照射を行い架橋させた。
この架橋したフィルムを2N硫酸水溶液および蒸留水に1日づつ浸漬してスルホン酸ナトリウム基のプロトン交換を行い、フリーのスルホン酸基を有するフィルムを得た。
得られたフィルムのイオン交換基当量は445g/mol、膨潤率は86%、プロトン伝導度は26%RHで2.04E−04S/cm、65%RHで4.17E−05S/cmであった。メタノール透過性は1.7μmol/cm2/minであった。
The obtained viscous reaction mass (110 ° C.) was discharged into 3 L of acetone using a homomixer, and the precipitated polymer was collected by filtration, twice with 4 L of distilled water and once with 4 L of acetone, each for 1 hour each. And then collected by filtration. It was dried at 50 ° C. for 8 hours and at 150 ° C. for 4 hours (both in a nitrogen atmosphere) to obtain 54.6 g (yield 92.1%) of a block copolymer having a protonic acid group (sodium sulfonate group). .
The reduced viscosity of the obtained block copolymer was 1.03 dl / g (N-methylpyrrolidone).
4 g of the obtained block copolymer was dissolved by heating in 16.0 g of N-methylpyrrolidone to obtain a varnish having a polymer concentration of 20%. The obtained varnish was cast on a glass substrate using a blade having a spacer, heated from room temperature to 200 ° C. under nitrogen flow over 2 hours, and then held and dried at 200 ° C. for 4 hours to obtain a film having a thickness of 50 μm. Obtained.
The obtained film was peeled off from the glass substrate and cross-linked by irradiation with light of 500 mJ / cm 2 on both sides using a metal halide lamp.
This crosslinked film was immersed in a 2N aqueous sulfuric acid solution and distilled water for 1 day to perform proton exchange of sodium sulfonate groups, thereby obtaining a film having free sulfonic acid groups.
The film obtained had an ion exchange group equivalent of 445 g / mol, a swelling rate of 86%, a proton conductivity of 2.04E-04S / cm at 26% RH, and 4.17E-05S / cm at 65% RH. . The methanol permeability was 1.7 μmol / cm2 / min.


Figure 2007119654
Figure 2007119654

表1より、実施例1〜5のプロトン伝導度(26%RH、80℃)とイオン交換基当量(EW=ポリマー分子量/プロトン酸基量)の積の値はいずれも0.1以上であり、比較例1及び2に比較して高いことがわかる。またEW値の近い実施例1〜3と比較例1、あるいは実施例4〜6と比較例2を比較すると、実施例ではいずれも膨潤率は低下しているにも関わらず、低加湿下でのプロトン伝導度が向上されているのが判る。このことから、ナフタレン環構造を導入することにより膨潤率を抑制したまま、プロトン伝導度を向上させることができることが判る。また、実施例1〜3と比較例1、あるいは実施例4〜6と比較例2を比較すると、実施例ではいずれもメタノール透過性が低減しているのがわかる。
From Table 1, the product values of proton conductivity (26% RH, 80 ° C.) and ion exchange group equivalent (EW = polymer molecular weight / protonic acid group amount) in Examples 1 to 5 are all 0.1 or more. It can be seen that it is higher than Comparative Examples 1 and 2. Further, when Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 having close EW values, or Examples 4 to 6 and Comparative Example 2 were compared, in all of the Examples, the swelling rate was lowered, but under low humidification. It can be seen that the proton conductivity is improved. From this, it can be seen that by introducing a naphthalene ring structure, the proton conductivity can be improved while suppressing the swelling rate. Further, when Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 or Examples 4 to 6 and Comparative Example 2 are compared, it can be seen that methanol permeability is reduced in all Examples.

Claims (8)

プロトン伝導度(26%RH、80℃)とイオン交換基当量(EW=ポリマー分子量/プロトン酸基量)との積が0.1以上であり、プロトン酸基を有するブロックを含むことを特徴とするプロトン伝導性ブロック共重合体。   The product of proton conductivity (26% RH, 80 ° C.) and ion exchange group equivalent (EW = polymer molecular weight / proton acid group amount) is 0.1 or more, and includes a block having a proton acid group Proton conductive block copolymer. ブロック(A)が一般式(1)で表される構造単位を繰り返し有し、ブロック(B)が一般式(2)で表される構造単位を繰り返し有することを特徴とするプロトン伝導性ブロック共重合体。

Figure 2007119654



Figure 2007119654

[式(1)中、Aは直接結合,−SO−または−CO−であり、式(1)中の芳香環の水素原子は、−C2m+1(mは1〜10の整数)、−F、−CF、−Si(CH、−OSi(CHまたは−CNに置換されていても良い。
式(2)中、Rはプロトン酸基である。式(2)中、Bは−SO−または−CO−であり、式(2)中の芳香環の水素原子は、プロトン酸基に置換されていても良い。
及びYは、式(3)〜(5)のいずれかであり、且つ、の少なくとも1つは式(4)あるいは(5)で表されるナフタレン環構造であり、式(3)、(4)および(5)で表されるYの芳香環の水素原子はプロトン酸基に置換されていても良い。
式(3)中、のDおよびDはそれぞれ独立して直接結合,−CH−、−C(CH−、−C(CF−、−O−、−SO−または−CO−であり、aおよびbはそれぞれ独立して0または1を示す。
式(3)、(4)および(5)中の芳香環の水素原子は−C2m+1(mは1〜10の整数)、−F、−CF、−Si(CH、−OSi(CHまたは−CNに置換されていても良い。]
The proton conductive block copolymer is characterized in that the block (A) has repeating structural units represented by the general formula (1) and the block (B) has repeating structural units represented by the general formula (2). Polymer.

Figure 2007119654



Figure 2007119654

[In the formula (1), A 1 is a direct bond, —SO 2 — or —CO—, and the hydrogen atom of the aromatic ring in the formula (1) is —C m H 2m + 1 (m is an integer of 1 to 10 ), -F, -CF 3 , -Si (CH 3 ) 3 , -OSi (CH 3 ) 3 or -CN.
In formula (2), R 1 is a protonic acid group. In Formula (2), B 1 is —SO 2 — or —CO—, and the hydrogen atom of the aromatic ring in Formula (2) may be substituted with a proton acid group.
X 1 and Y 1 are any one of formulas (3) to (5), and at least one of them is a naphthalene ring structure represented by formula (4) or (5), and the formula (3) , (4) and (5), the hydrogen atom of the aromatic ring of Y 1 may be substituted with a proton acid group.
In formula (3), D 1 and D 2 are each independently a direct bond, —CH 2 —, —C (CH 3 ) 2 —, —C (CF 3 ) 2 —, —O—, —SO 2. -Or -CO-, and a and b each independently represent 0 or 1.
Equation (3), (4) and a hydrogen atom of the aromatic ring in (5) is -C m H 2m + 1 (m is an integer of from 1 to 10), - F, -CF 3, -Si (CH 3) 3, -OSi (CH 3) 3 or may be substituted to -CN. ]
式(1)で表されるブロック(A)のA及び式(2)で表されるブロック(B)のBが−CO−であり、且つ、式(3)で表されるXあるいはYの芳香環の水素原子が−C2m+1(mは1〜10の整数)で置換された下記式(6)であり、X及びYのいずれか一方が式(4)、(5)で表されるナフタレン環構造で他方が式(6)である架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体であることを特徴とする請求項2記載のプロトン伝導性ブロック共重合体。


Figure 2007119654

[式(6)中の芳香環の水素原子が−C2m+1(mは1〜10の整数)、−F、−CF、−Si(CH、−OSi(CHまたは−CNに置換されていても良い。]
A 1 of the block (A) represented by the formula (1) and B 1 of the block (B) represented by the formula (2) are —CO— and X 1 represented by the formula (3) or -C hydrogen atom of an aromatic ring m H 2m + 1 of Y 1 (m is an integer of from 1 to 10) and the following formula substituted with (6), either the expression of X 1 and Y 1 (4) The proton-conductive block copolymer according to claim 2, wherein the proton-conductive block copolymer is a cross-linked proton-conductive block copolymer represented by formula (6), wherein the other is a naphthalene ring structure represented by (5):


Figure 2007119654

Expression -C hydrogen atom of the aromatic ring in (6) m H 2m + 1 (m is an integer of from 1 to 10), - F, -CF 3, -Si (CH 3) 3, -OSi (CH 3) 3 Alternatively, it may be substituted with -CN. ]
ブロック(A)及びブロック(B)の一般式(3)又は式(6)であらわされるX又はYのaが0である請求項2又は3記載のプロトン伝導性ブロック共重合体。 The proton conductive block copolymer according to claim 2 or 3, wherein a of X 1 or Y 1 represented by the general formula (3) or the formula (6) of the block (A) and the block (B) is 0. プロトン酸基が、−C2n−SOZ、−C2n−PO、−C2n−COOZ(nは0〜10の整数、ZはH、NaまたはKである)のいずれかであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一つに記載のプロトン伝導性ブロック共重合体。 Protonic acid group, -C n H 2n -SO 3 Z , -C n H 2n -PO 3 Z 2, -C n H 2n -COOZ (n is an integer of 0, Z is H, with Na or K The proton-conductive block copolymer according to claim 1, wherein the proton-conductive block copolymer is any one of the above. 請求項1〜5のいずれか一つに記載のプロトン伝導性ブロック共重合体を架橋してなるプロトン伝導性ブロック共重合架橋体。   A proton conductive block copolymer crosslinked product obtained by crosslinking the proton conductive block copolymer according to claim 1. 請求項1〜6のいずれか一つに記載のプロトン伝導性ブロック共重合体あるいはプロトン伝導性ブロック共重合架橋体を含んでなるプロトン伝導膜。   A proton conducting membrane comprising the proton conducting block copolymer or the proton conducting block copolymer crosslinked product according to claim 1. 請求項7記載のプロトン伝導膜を用いてなる燃料電池。
A fuel cell comprising the proton conducting membrane according to claim 7.
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