JP2007327148A - Polyelectrolyte fiber and method for producing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、新規な高分子電解質繊維に関する。
また、本発明は、新規な高分子電解質繊維の製造方法に関する。
The present invention relates to a novel polyelectrolyte fiber.
The present invention also relates to a novel method for producing a polymer electrolyte fiber.
荷電基をもつ繊維、いわゆる「イオン交換繊維」は、気相中のガス成分の吸着除去や液相中のイオン性物質の除去を目的とした分離・精製・浄化プロセスにおけるフィルターから、有機合成における触媒まで広く利用されている。 Fibers with charged groups, so-called “ion exchange fibers”, are used in organic synthesis from filters in separation, purification, and purification processes for the purpose of adsorption removal of gas components in the gas phase and removal of ionic substances in the liquid phase. Even catalysts are widely used.
従来、イオン交換繊維の製造には、(1)ポリオレフィンなどの繊維又は中空繊維に荷電基を導入する方法、(2)複合紡糸によって作製した繊維に荷電基を導入する方法、(3)ガラス繊維の表面をイオン交換樹脂で被覆する方法などが用いられてきた。このような方法において荷電基を導入する基材として使用されている繊維の直径は数ミクロン以上であり、イオン交換繊維を利用した高効率プロセス実現のために繊維の細径化による比表面積の増大が求められている。また、従来の製造方法では、高分子又は無機材料の紡糸を行った後に荷電基の導入を行うため、複数の工程を必要とし、製造コストも大きかった。 Conventionally, the production of ion exchange fibers includes (1) a method of introducing charged groups into fibers such as polyolefin or hollow fibers, (2) a method of introducing charged groups into fibers produced by composite spinning, and (3) glass fibers. For example, a method of coating the surface of this material with an ion exchange resin has been used. In such a method, the diameter of the fiber used as the base material for introducing the charged group is several microns or more, and the specific surface area is increased by reducing the diameter of the fiber in order to realize a high-efficiency process using the ion exchange fiber. Is required. Moreover, in the conventional manufacturing method, since charged groups are introduced after spinning of a polymer or an inorganic material, a plurality of steps are required, and the manufacturing cost is high.
一方、電場を利用した微細加工技術であるエレクトロスプレーデポジション法は常温、大気圧下で簡便に、ナノ〜ミクロンオーダーの直径を持つ繊維の作製が可能であり、近年工業化可能なナノファイバー製造法として注目を集めている(例えば、非特許文献1参照。)。さらに、エレクトロスプレーデポジション法において、同軸二重管をスプレーノズルとして使用することによってワンステップでナノ〜ミクロンオーダーの直径を持つ中空繊維の作製も可能である(例えば、非特許文献2参照。)。 On the other hand, the electrospray deposition method, which is a microfabrication technology using an electric field, can produce fibers with diameters on the order of nano to micron easily at room temperature and atmospheric pressure. (See, for example, Non-Patent Document 1). Furthermore, in the electrospray deposition method, a hollow fiber having a diameter of nano to micron order can be produced in one step by using a coaxial double tube as a spray nozzle (see, for example, Non-Patent Document 2). .
エレクトロスプレーデポジション法を用いた高分子電解質繊維の作製は、アミノ基やカルボキシル基などの弱電解質を荷電基とする高分子電解質繊維の作製について既に報告されている(例えば、非特許文献3及び非特許文献4参照。)。 Production of polyelectrolyte fibers using the electrospray deposition method has already been reported for the production of polyelectrolyte fibers having a weak electrolyte such as an amino group or a carboxyl group as a charged group (for example, Non-Patent Document 3 and (Refer nonpatent literature 4.).
また、エレクトロスプレーデポジション法を用いて作製した高分子繊維に、2次的な化学処理によってスルホン酸基や4級塩基を導入することによって強電解質を荷電基とする高分子繊維を製造している(例えば、非特許文献5参照。)。 In addition, by introducing a sulfonic acid group or a quaternary base into a polymer fiber produced using the electrospray deposition method by secondary chemical treatment, a polymer fiber having a strong electrolyte as a charged group is produced. (For example, see Non-Patent Document 5.)
上述したように、エレクトロスプレーデポジション法を用いた高分子電解質繊維の作製は、アミノ基やカルボキシル基などの弱電解質を荷電基とする高分子電解質繊維の作製について既に報告されている。 As described above, the production of polymer electrolyte fibers using the electrospray deposition method has already been reported on the production of polymer electrolyte fibers having a weak electrolyte such as an amino group or a carboxyl group as a charged group.
しかし、スルホン酸基や4級塩基などの強電解質を荷電基とする高分子電解質の繊維化は難しいとされている。エレクトロスプレーは、電場によってスプレーノズル先端の溶液表面に誘起された電荷間の静電反発に基づく現象であるため、強電解質を荷電基とする高分子電解質のように電気伝導度の高い溶液では、電場によって誘起された電荷が溶液内を電流として流れることによってノズル先端の溶液表面における電荷の蓄積が妨げられる(帯電緩和)のがその理由であると考えられる。 However, it is considered difficult to fiberize a polymer electrolyte using a strong electrolyte such as a sulfonic acid group or a quaternary base as a charged group. Electrospray is a phenomenon based on electrostatic repulsion between charges induced on the solution surface at the tip of the spray nozzle by an electric field. Therefore, in a solution having high electrical conductivity such as a polymer electrolyte having a strong electrolyte as a charged group, It is considered that the reason is that the electric charge induced by the electric field flows as an electric current in the solution, thereby preventing the charge accumulation on the solution surface at the nozzle tip (charging relaxation).
また、エレクトロスプレーデポジション法を用いて作製した高分子繊維に、2次的な化学処理によってスルホン酸基や4級塩基を導入することによって強電解質を荷電基とする高分子繊維を製造している。 In addition, by introducing a sulfonic acid group or a quaternary base into a polymer fiber produced using the electrospray deposition method by secondary chemical treatment, a polymer fiber having a strong electrolyte as a charged group is produced. Yes.
しかし、この方法では、紡糸後に荷電基を導入する反応工程を必要とするため、製造コストの上昇につながる。 However, this method requires a reaction step of introducing a charged group after spinning, leading to an increase in production cost.
そのため、このような課題を解決する、新規な高分子電解質繊維の開発が望まれている。
また、新規な高分子電解質繊維の製造方法の開発が望まれている。
Therefore, development of a novel polymer electrolyte fiber that solves such problems is desired.
In addition, development of a method for producing a novel polymer electrolyte fiber is desired.
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、新規な高分子電解質繊維を提供することを目的とする。
また、本発明は、新規な高分子電解質繊維の製造方法を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a novel polymer electrolyte fiber.
Another object of the present invention is to provide a novel method for producing a polymer electrolyte fiber.
上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の高分子電解質繊維は、高分子電解質およびゾル・ゲル反応生成物を含む。 In order to solve the above problems and achieve the object of the present invention, the polymer electrolyte fiber of the present invention includes a polymer electrolyte and a sol-gel reaction product.
ここで、限定されるわけではないが、高分子電解質は、複数の荷電基をもつ高分子化合物であり、前記荷電基は、カルボキシル基、リン酸基、スルホン酸基の負荷電基、アミノ基、ピリジル基、イミダゾール基、4級アンモニウム基、4級ピリジニウム塩基、4級イミダゾール基の正荷電基、ベタイン基、ホスファチジルコリン基、アミノ酸基の両性荷電基から選ばれるいずれか1種、またはいずれか2種以上の組み合わせからなることが好ましい。 Here, although not limited, the polymer electrolyte is a polymer compound having a plurality of charged groups, and the charged groups include a carboxyl group, a phosphate group, a negatively charged group of a sulfonate group, an amino group. , Pyridyl group, imidazole group, quaternary ammonium group, quaternary pyridinium base, quaternary imidazole group positively charged group, betaine group, phosphatidylcholine group, amphoteric charged group of amino acid group, or any two It is preferable to consist of a combination of more than one species.
また、限定されるわけではないが、高分子電解質は、パーフルオロスルホン酸とポリテトラフルオロエチレンの共重合体、ポリスチレンスルホン酸及びその共重合体、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、硫酸セルロース、カルボキシメチルセルロース、ポリアクリル酸、ポリビニルピリジン及びその4級化物、ポリビニルベンジルトリメチルアンモニウム、ポリアリルアミン、ポリエチレンイミン及びその4級化物、2−メタクリロイルオキシエチルホスホリルコリンの単独重合体及び共重合体から選ばれるいずれか1種、またはいずれか2種以上の組み合わせからなることが好ましい。 Further, although not limited, the polymer electrolyte is a copolymer of perfluorosulfonic acid and polytetrafluoroethylene, polystyrene sulfonic acid and its copolymer, sulfonated polysulfone, sulfonated polyetheretherketone, sulfuric acid. Cellulose, carboxymethylcellulose, polyacrylic acid, polyvinylpyridine and its quaternized product, polyvinylbenzyltrimethylammonium, polyallylamine, polyethyleneimine and its quaternized product, 2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine homopolymer and copolymer It is preferable to consist of any one type or a combination of any two or more types.
また、限定されるわけではないが、ゾル・ゲル反応生成物は、ゾル・ゲル反応前駆体からの反応生成物であり、前記ゾル・ゲル反応前駆体は金属アルコキシドからなり、前記金属アルコキシドの金属は、Si、Ta、Nb、Ti、Zr、Al、Ge、B、Na、Ga、Ce、V、Ta、P、Sbから選ばれるいずれか1種、またはいずれか2種以上の組み合わせからなり、前記金属アルコキシドのアルコキシ基は、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、ブトキシ基を含む、炭素数n(nは1〜8の整数)を有するアルコキシ基から選ばれるいずれか1種、またはいずれか2種以上の組み合わせからなることが好ましい。 Although not limited, the sol-gel reaction product is a reaction product from a sol-gel reaction precursor, the sol-gel reaction precursor is made of a metal alkoxide, and the metal of the metal alkoxide. Consists of any one selected from Si, Ta, Nb, Ti, Zr, Al, Ge, B, Na, Ga, Ce, V, Ta, P, Sb, or a combination of any two or more, The alkoxy group of the metal alkoxide is any one selected from an alkoxy group having a carbon number n (n is an integer of 1 to 8), including a methoxy group, an ethoxy group, a propoxy group, and a butoxy group, or any two It is preferable to consist of a combination of more than one species.
また、限定されるわけではないが、電解質繊維は中空構造を有することができる。 Moreover, although not necessarily limited, electrolyte fiber can have a hollow structure.
本発明の高分子電解質繊維の製造方法は、高分子電解質、ゾル・ゲル反応前駆体、およびゾル・ゲル反応触媒を含む溶液を用い、エレクトロスプレーデポジション法により繊維を作製する。 In the method for producing a polymer electrolyte fiber of the present invention, a fiber is produced by an electrospray deposition method using a solution containing a polymer electrolyte, a sol-gel reaction precursor, and a sol-gel reaction catalyst.
ここで、限定されるわけではないが、高分子電解質は、複数の荷電基をもつ高分子化合物であり、前記荷電基は、カルボキシル基、リン酸基、スルホン酸基の負荷電基、アミノ基、ピリジル基、イミダゾール基、4級アンモニウム基、4級ピリジニウム塩基、4級イミダゾール基の正荷電基、ベタイン基、ホスファチジルコリン基、アミノ酸基の両性荷電基から選ばれるいずれか1種、またはいずれか2種以上の組み合わせからなることが好ましい。 Here, although not limited, the polymer electrolyte is a polymer compound having a plurality of charged groups, and the charged groups include a carboxyl group, a phosphate group, a negatively charged group of a sulfonate group, an amino group. , Pyridyl group, imidazole group, quaternary ammonium group, quaternary pyridinium base, quaternary imidazole group positively charged group, betaine group, phosphatidylcholine group, amphoteric charged group of amino acid group, or any two It is preferable to consist of a combination of more than one species.
また、限定されるわけではないが、高分子電解質は、パーフルオロスルホン酸とポリテトラフルオロエチレンの共重合体、ポリスチレンスルホン酸及びその共重合体、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、硫酸セルロース、カルボキシメチルセルロース、ポリアクリル酸、ポリビニルピリジン及びその4級化物、ポリビニルベンジルトリメチルアンモニウム、ポリアリルアミン、ポリエチレンイミン及びその4級化物、2−メタクリロイルオキシエチルホスホリルコリンの単独重合体及び共重合体から選ばれるいずれか1種、またはいずれか2種以上の組み合わせからなることが好ましい。 Further, although not limited, the polymer electrolyte is a copolymer of perfluorosulfonic acid and polytetrafluoroethylene, polystyrene sulfonic acid and its copolymer, sulfonated polysulfone, sulfonated polyetheretherketone, sulfuric acid. Cellulose, carboxymethylcellulose, polyacrylic acid, polyvinylpyridine and its quaternized product, polyvinylbenzyltrimethylammonium, polyallylamine, polyethyleneimine and its quaternized product, 2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine homopolymer and copolymer It is preferable to consist of any one type or a combination of any two or more types.
また、限定されるわけではないが、ゾル・ゲル反応前駆体は金属アルコキシドからなり、前記金属アルコキシドの金属は、Si、Ta、Nb、Ti、Zr、Al、Ge、B、Na、Ga、Ce、V、Ta、P、Sbから選ばれるいずれか1種、またはいずれか2種以上の組み合わせからなり、前記金属アルコキシドのアルコキシ基は、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、ブトキシ基を含む、炭素数n(nは1〜8の整数)を有するアルコキシ基から選ばれるいずれか1種、またはいずれか2種以上の組み合わせからなることが好ましい。 Although not limited, the sol-gel reaction precursor is made of a metal alkoxide, and the metal of the metal alkoxide is Si, Ta, Nb, Ti, Zr, Al, Ge, B, Na, Ga, Ce. , V, Ta, P, or Sb, or a combination of any two or more thereof, and the alkoxy group of the metal alkoxide includes a methoxy group, an ethoxy group, a propoxy group, and a butoxy group. It is preferably composed of any one selected from alkoxy groups having the number n (n is an integer of 1 to 8), or any combination of two or more.
また、限定されるわけではないが、ゾル・ゲル反応触媒は、酸または塩基からなり、前記酸は、塩酸、硫酸、硝酸、ほう酸の無機酸、酢酸、くえん酸の有機酸から選ばれるいずれか1種、またはいずれか2種以上の組み合わせからなり、前記塩基はアンモニアからなることが好ましい。 Although not limited, the sol-gel reaction catalyst comprises an acid or a base, and the acid is any one selected from hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, inorganic acids of boric acid, acetic acid, and organic acids of citric acid. Preferably, the base is composed of one kind or a combination of two or more kinds, and the base is composed of ammonia.
また、限定されるわけではないが、溶液は、繊維化促進剤を含むことが好ましい。
また、限定されるわけではないが、繊維化促進剤は、ポリビニルアルコール、ポリエチレンオキシド、ポリビニルピロリドン、ポリヒドロキシエチルメタクリレート、ポリアクリルアミドから選ばれるいずれか1種、またはいずれか2種以上の組み合わせからなることが好ましい。
Moreover, although not necessarily limited, it is preferable that a solution contains a fiberization promoter.
Moreover, although not necessarily limited, the fiberization accelerator is composed of any one selected from polyvinyl alcohol, polyethylene oxide, polyvinyl pyrrolidone, polyhydroxyethyl methacrylate, and polyacrylamide, or a combination of any two or more. It is preferable.
本発明は、以下に記載されるような効果を奏する。 The present invention has the following effects.
本発明は、高分子電解質およびゾル・ゲル反応生成物を含むので、新規な高分子電解質繊維を提供することができる。 Since the present invention includes a polymer electrolyte and a sol-gel reaction product, a novel polymer electrolyte fiber can be provided.
本発明は、高分子電解質、ゾル・ゲル反応前駆体、およびゾル・ゲル反応触媒を含む溶液を用い、エレクトロスプレーデポジション法により繊維を作製するので、新規な高分子電解質繊維の製造方法を提供することができる。 The present invention uses a solution containing a polymer electrolyte, a sol-gel reaction precursor, and a sol-gel reaction catalyst to produce fibers by an electrospray deposition method, and therefore provides a novel method for producing polymer electrolyte fibers. can do.
以下、高分子電解質繊維およびその製造方法にかかる発明を実施するための最良の形態について説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the invention relating to a polymer electrolyte fiber and a method for producing the same will be described.
高分子電解質繊維の製造方法について説明する。高分子電解質繊維の製造方法は、高分子電解質、ゾル・ゲル反応前駆体、およびゾル・ゲル反応触媒を含む溶液を用い、エレクトロスプレーデポジション法により繊維を作製する方法である。 A method for producing the polymer electrolyte fiber will be described. The method for producing a polymer electrolyte fiber is a method for producing a fiber by an electrospray deposition method using a solution containing a polymer electrolyte, a sol-gel reaction precursor, and a sol-gel reaction catalyst.
高分子電解質とは、多くの荷電基をもつ高分子化合物である。荷電基としては、カルボキシル基、リン酸基、スルホン酸基などの負荷電基、アミノ基、ピリジル基、イミダゾール基、4級アンモニウム基、4級ピリジニウム塩基、4級イミダゾール基などの正荷電基、ベタイン基、ホスファチジルコリン基、アミノ酸基などの両性荷電基から選ばれるいずれか1種、またはいずれか2種以上の組み合わせを採用することができる。 A polymer electrolyte is a polymer compound having many charged groups. As the charged group, a negatively charged group such as a carboxyl group, a phosphoric acid group, and a sulfonic acid group, a positively charged group such as an amino group, a pyridyl group, an imidazole group, a quaternary ammonium group, a quaternary pyridinium base, and a quaternary imidazole group, Any one type selected from amphoteric charged groups such as a betaine group, a phosphatidylcholine group, and an amino acid group, or a combination of any two or more types can be adopted.
具体的な高分子電解質としては、パーフルオロスルホン酸とポリテトラフルオロエチレンの共重合体(例えば、Nafion(登録商標))、ポリスチレンスルホン酸及びその共重合体、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、硫酸セルロース、カルボキシメチルセルロース、ポリアクリル酸、ポリビニルピリジン及びその4級化物、ポリビニルベンジルトリメチルアンモニウム、ポリアリルアミン、ポリエチレンイミン及びその4級化物、2−メタクリロイルオキシエチルホスホリルコリンの単独重合体及び共重合体などから選ばれるいずれか1種、またはいずれか2種以上の組み合わせを採用することができる。 Specific examples of the polymer electrolyte include a copolymer of perfluorosulfonic acid and polytetrafluoroethylene (for example, Nafion (registered trademark)), polystyrene sulfonic acid and its copolymer, sulfonated polysulfone, and sulfonated polyether ether. Ketone, cellulose sulfate, carboxymethylcellulose, polyacrylic acid, polyvinylpyridine and its quaternized product, polyvinylbenzyltrimethylammonium, polyallylamine, polyethyleneimine and its quaternized product, homopolymer and copolymer of 2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine Any one type selected from the above or a combination of any two or more types can be adopted.
高分子電解質の濃度は1〜50質量%の範囲内にあることが好ましい。また、高分子電解質の濃度は5〜20質量%の範囲内にあることがさらに好ましい。 The concentration of the polymer electrolyte is preferably in the range of 1 to 50% by mass. The concentration of the polymer electrolyte is more preferably in the range of 5 to 20% by mass.
高分子電解質の濃度が50質量%を越えると、溶液電気伝導の増加によって帯電緩和現象がおこり電場印加時においてもスプレーが生じないおそれがある。特に高分子電解質の荷電基が強電解質である場合、濃度は20質量%以下であることが好ましい。 When the concentration of the polymer electrolyte exceeds 50% by mass, the charge relaxation phenomenon occurs due to an increase in solution electric conduction, and there is a possibility that no spray is generated even when an electric field is applied. In particular, when the charged group of the polymer electrolyte is a strong electrolyte, the concentration is preferably 20% by mass or less.
高分子電解質の濃度が5質量%より小さいと、スプレーによって形成体が均一な繊維構造を形成することが難しくなるおそれがある。特に高分子電解質の濃度が1質量%より小さいと、この効果がより顕著になるおそれがある。 If the concentration of the polymer electrolyte is less than 5% by mass, it may be difficult for the formed body to form a uniform fiber structure by spraying. In particular, when the concentration of the polymer electrolyte is less than 1% by mass, this effect may become more remarkable.
ゾル・ゲル反応前駆体について説明する。ゾル・ゲル反応では金属化合物を出発物質(前駆体)とする。特に金属アルコキシドは反応性に富み、溶液中で酸素−金属−酸素の結合を有する金属酸化物ゾルを形成するため、ゾル・ゲル反応前駆体として好ましい。ゾル・ゲル反応前駆体溶液には、金属アルコキシドのほかに、加水分解の触媒として酸または塩基を添加することができる。また、必要に応じて、加水分解を促進させるための水や前駆体溶液を希釈するための溶媒も添加ことができる。 The sol-gel reaction precursor will be described. In the sol-gel reaction, a metal compound is used as a starting material (precursor). In particular, metal alkoxide is preferable as a sol-gel reaction precursor because it is highly reactive and forms a metal oxide sol having an oxygen-metal-oxygen bond in a solution. In addition to the metal alkoxide, an acid or a base can be added to the sol-gel reaction precursor solution as a hydrolysis catalyst. Moreover, the solvent for diluting the water for promoting a hydrolysis and a precursor solution can also be added as needed.
ゾル・ゲル反応前駆体となる金属アルコキシドの金属としては、Si、Ta、Nb、Ti、Zr、Al、Ge、B、Na、Ga、Ce、V、Ta、P、Sbなどから選ばれるいずれか1種、またはいずれか2種以上の組み合わせを採用することができる。エレクトロスプレーデポジション法に使用するゾル・ゲル反応前駆体は液体であることが好ましいため、Si、Tiが特に好ましい。アルコキシ基としては、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、ブトキシ基を含む、炭素数n(nは1〜8の整数)を有するアルコキシ基から選ばれるいずれか1種、またはいずれか2種以上の組み合わせを採用することができる。メトキシ及びエトキシがより好ましい。特に好ましい金属アルコキシドとしてテトラメトキシシラン及びテトラエトキシシランなどを挙げることができる。 The metal alkoxide used as the sol-gel reaction precursor is selected from Si, Ta, Nb, Ti, Zr, Al, Ge, B, Na, Ga, Ce, V, Ta, P, Sb, etc. 1 type or the combination of any 2 or more types can be adopted. Since the sol-gel reaction precursor used in the electrospray deposition method is preferably a liquid, Si and Ti are particularly preferable. As an alkoxy group, any 1 type chosen from the alkoxy group which has carbon number n (n is an integer of 1-8) including a methoxy group, an ethoxy group, a propoxy group, and a butoxy group, or any 2 or more types Combinations can be employed. More preferred are methoxy and ethoxy. Particularly preferred metal alkoxides include tetramethoxysilane and tetraethoxysilane.
ゾル・ゲル反応前駆体となる金属アルコキシドの濃度は0.1〜50質量%の範囲内にあることが好ましい。また、金属アルコキシドの濃度は0.5〜10質量%の範囲内にあることがさらに好ましい。 The concentration of the metal alkoxide serving as the sol-gel reaction precursor is preferably in the range of 0.1 to 50% by mass. Further, the concentration of the metal alkoxide is more preferably in the range of 0.5 to 10% by mass.
金属アルコキシドの濃度が0.1質量%以上であると、電場印加時における帯電緩和を抑制できるという利点がある。金属アルコキシドの濃度が0.5質量%以上であると、この効果がより顕著になる。 When the concentration of the metal alkoxide is 0.1% by mass or more, there is an advantage that charging relaxation during application of an electric field can be suppressed. This effect becomes more remarkable when the concentration of the metal alkoxide is 0.5% by mass or more.
金属アルコキシドの濃度が50質量%以下であると、作成された繊維中に含まれる高分子電解質成分の比率が大きくなるという利点がある。金属アルコキシドの濃度が10質量%以下であると、この効果に加えて、さらに繊維径の細径化にも効果がある。 When the concentration of the metal alkoxide is 50% by mass or less, there is an advantage that the ratio of the polymer electrolyte component contained in the prepared fiber is increased. When the concentration of the metal alkoxide is 10% by mass or less, in addition to this effect, the fiber diameter is further reduced.
ゾル・ゲル反応触媒としては酸または塩基が使用される。酸としては塩酸、硫酸、硝酸、ほう酸などの無機酸、酢酸、くえん酸などの有機酸から選ばれるいずれか1種、またはいずれか2種以上の組み合わせを採用することができる。塩基としては反応後の除去が容易である揮発性のアンモニアが使用される。エレクトロスプレーデポジション法を用いた繊維及び中空繊維の作製では、線状無機高分子体の形成を促進する酸触媒が好ましい。 An acid or base is used as the sol-gel reaction catalyst. As the acid, any one selected from inorganic acids such as hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid and boric acid, and organic acids such as acetic acid and citric acid, or a combination of any two or more can be employed. As the base, volatile ammonia which can be easily removed after the reaction is used. In the production of fibers and hollow fibers using the electrospray deposition method, an acid catalyst that promotes the formation of a linear inorganic polymer is preferred.
ゾル・ゲル反応触媒を構成する酸の濃度は、0.01〜5質量%の範囲内にあることが好ましい。また、酸の濃度は0.05〜1質量%の範囲内にあることがさらに好ましい。 The concentration of the acid constituting the sol-gel reaction catalyst is preferably in the range of 0.01 to 5% by mass. The acid concentration is more preferably in the range of 0.05 to 1% by mass.
酸の濃度が0.01質量%以上であると、加水分解・縮合反応の進行によって無機分子の分子量が増加し、電場印加時の帯電緩和を抑制できる利点がある。酸の濃度が0.05質量%以上であると、この効果がより顕著になる。 When the acid concentration is 0.01% by mass or more, the molecular weight of the inorganic molecules increases due to the progress of the hydrolysis / condensation reaction, and there is an advantage that charging relaxation during application of an electric field can be suppressed. When the acid concentration is 0.05% by mass or more, this effect becomes more remarkable.
酸の濃度が5質量%以下であると、加水分解・縮合反応の進行による無機分子の分子量の増加に伴う高分子電解質溶液の紡糸性の低下を避けることができるという利点がある。酸の濃度が1質量%以下であると、この効果がより顕著になる。 When the acid concentration is 5% by mass or less, there is an advantage that it is possible to avoid a decrease in spinnability of the polymer electrolyte solution accompanying an increase in the molecular weight of the inorganic molecules due to the progress of the hydrolysis / condensation reaction. This effect becomes more remarkable when the concentration of the acid is 1% by mass or less.
ゾル・ゲル反応触媒を構成する塩基の濃度は1.0×10−7〜2.0×10−4質量%の範囲内にあることが好ましい。また、塩基の濃度は5.0×10−7〜2.0×10−6質量%の範囲内にあることがさらに好ましい。 The concentration of the base constituting the sol-gel reaction catalyst is preferably in the range of 1.0 × 10 −7 to 2.0 × 10 −4 mass%. Further, the concentration of the base is more preferably in the range of 5.0 × 10 −7 to 2.0 × 10 −6 mass%.
塩基の濃度が1.0×10−7質量%以上であると、加水分解・縮合反応の進行によって無機分子の分子量が増加し、電場印加時の帯電緩和を抑制できる利点がある。塩基の濃度が5.0×10−7質量%以上であると、この効果がより顕著になる。 When the concentration of the base is 1.0 × 10 −7 mass% or more, the molecular weight of the inorganic molecules increases due to the progress of the hydrolysis / condensation reaction, and there is an advantage that charging relaxation at the time of applying an electric field can be suppressed. This effect becomes more remarkable when the concentration of the base is 5.0 × 10 −7 mass% or more.
塩基の濃度が2.0×10−4質量%以下であると、加水分解・縮合反応の進行による無機分子の分子量の増加に伴う高分子電解質溶液の紡糸性の低下を避けることができるという利点がある。塩基の濃度が2.0×10−6質量%以下であると、この効果がより顕著になる。 The advantage that when the base concentration is 2.0 × 10 −4 mass% or less, it is possible to avoid a decrease in the spinnability of the polymer electrolyte solution accompanying an increase in the molecular weight of the inorganic molecules due to the progress of the hydrolysis and condensation reaction. There is. This effect becomes more remarkable when the concentration of the base is 2.0 × 10 −6 mass% or less.
高分子電解質繊維の製造方法においては、溶液に繊維化促進剤を含めることができる。 ゾル・ゲル前駆体である金属アルコキシドと相溶性のある繊維化促進剤として、ポリビニルアルコール、ポリエチレンオキシド、ポリビニルピロリドン、ポリヒドロキシエチルメタクリレート、ポリアクリルアミドなどの親水性高分子から選ばれるいずれか1種、またはいずれか2種以上の組み合わせを採用することができる。 In the method for producing a polyelectrolyte fiber, a fiberization accelerator can be included in the solution. As a fiberization accelerator compatible with the metal alkoxide which is a sol-gel precursor, any one selected from hydrophilic polymers such as polyvinyl alcohol, polyethylene oxide, polyvinyl pyrrolidone, polyhydroxyethyl methacrylate, polyacrylamide, Or any 2 or more types of combination is employable.
繊維化促進剤の濃度は0.01〜10質量%の範囲内にあることが好ましい。また、繊維化促進剤の濃度は0.1〜5質量%の範囲内にあることがさらに好ましい。 It is preferable that the density | concentration of a fiberization accelerator exists in the range of 0.01-10 mass%. The concentration of the fiberization accelerator is more preferably in the range of 0.1 to 5% by mass.
繊維化促進剤の濃度が0.01質量%以上であると、繊維化促進剤の効果によって紡糸性が向上するという利点がある。繊維化促進剤の濃度が0.1質量%以上であると、この効果がより顕著になる。 When the concentration of the fiberization accelerator is 0.01% by mass or more, there is an advantage that the spinnability is improved by the effect of the fiberization accelerator. This effect becomes more remarkable when the concentration of the fiberization accelerator is 0.1% by mass or more.
繊維化促進剤の濃度が10質量%以下であると、作製された高分子電解質繊維に含まれる高分子電解質の比率が大きくなるという利点がある。繊維化促進剤の濃度が5質量%以下であると、この効果がより顕著になる。 There exists an advantage that the ratio of the polymer electrolyte contained in the produced polymer electrolyte fiber becomes large as the density | concentration of a fiberization promoter is 10 mass% or less. This effect becomes more prominent when the concentration of the fiberization accelerator is 5% by mass or less.
高分子電解質溶液の溶媒としては、水、メタノール、エタノール、1−プロピルアルコール、2−プロピルアルコール、ブタノール、酢酸、ギ酸などのプロトン性極性溶媒、アセトン、メチルエチルケトン、アセトニトリル、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシドなどの非プロトン性極性溶媒、ヘキサン、シクロヘキサン、シクロヘキサノン、ジクロロメタン、ジクロロエタン、トリクロロエタン、クロロホルム、トリクロロエチレン、ベンゼン、エチルベンゼン、キシレン、トルエン、ジエチルエーテル、1,4−ジオキサン、酢酸メチル、酢酸エチル、テトラヒドロフラン、塩化メチレンなどの無極性溶媒などの群から選ばれるいずれか1種、またはいずれか2種以上の組み合わせからなる混合物を採用することができる。 As the solvent for the polymer electrolyte solution, water, methanol, ethanol, 1-propyl alcohol, 2-propyl alcohol, butanol, acetic acid, protic polar solvents such as formic acid, acetone, methyl ethyl ketone, acetonitrile, N, N-dimethylformamide, Aprotic polar solvents such as N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethyl sulfoxide, hexane, cyclohexane, cyclohexanone, dichloromethane, dichloroethane, trichloroethane, chloroform, trichloroethylene, benzene, ethylbenzene, xylene, toluene, diethyl Any one selected from the group of nonpolar solvents such as ether, 1,4-dioxane, methyl acetate, ethyl acetate, tetrahydrofuran, and methylene chloride, or any Mixture may be employed either of two or more combinations.
高分子電解質繊維の製造方法においては、同軸二重管ノズル(後述する)を用いることにより、中空構造を有する電解質繊維を作製することができる。同軸二重管ノズルの内管に供給するコア形成剤としては、ミネラルオイルなどゾル・ゲル前駆体を含む高分子電解質溶液(外管液)と相溶性のない疎水性の液体が好ましい。また、外管液と相溶性のない高分子溶液を採用することもできる。 In the method for producing a polymer electrolyte fiber, an electrolyte fiber having a hollow structure can be produced by using a coaxial double tube nozzle (described later). The core forming agent supplied to the inner tube of the coaxial double tube nozzle is preferably a hydrophobic liquid that is not compatible with the polymer electrolyte solution (outer tube solution) containing a sol-gel precursor such as mineral oil. In addition, a polymer solution that is not compatible with the outer tube solution may be employed.
ノズルと導電性基板(後述する)間の印加電場は5〜500kV/mの範囲内にあることが好ましい。エレクトロスプレーの現象には少なくとも5kV/m程度の電場が必要である。電場強度が大きいほど、スプレー性及び紡糸性は向上するが印加電圧が500kV/mを越えると、ノズル先端部分のスプレー状態が不安定になる。 The applied electric field between the nozzle and the conductive substrate (described later) is preferably in the range of 5 to 500 kV / m. An electric field of at least about 5 kV / m is necessary for the phenomenon of electrospray. As the electric field strength increases, the sprayability and spinnability improve, but when the applied voltage exceeds 500 kV / m, the spray state at the nozzle tip becomes unstable.
単一管からなるノズル(後述する)における、シリンジの供給流速は1〜500μL/分の範囲内にあることが好ましい。シリンジの供給流速が1μL/分以上であると、ノズル先端部分において溶液供給不足が起こらず安定したスプレー状態を長時間保持できるという利点がある。シリンジの供給流速が500μL/分以下であると、ノズル先端からの液垂れのない安定したスプレー状態を長時間保持できるという利点がある。 The supply flow rate of the syringe in a nozzle composed of a single tube (described later) is preferably in the range of 1 to 500 μL / min. When the supply flow rate of the syringe is 1 μL / min or more, there is an advantage that a stable spray state can be maintained for a long time without insufficient solution supply at the nozzle tip. When the supply flow rate of the syringe is 500 μL / min or less, there is an advantage that a stable spray state without dripping from the nozzle tip can be maintained for a long time.
同軸二重管ノズルの内管における、シリンジの供給流速は0.1〜500μL/分の範囲内にあることが好ましい。シリンジの供給流速が0.1μL/分より小さいと、中空構造の形成が妨げられるおそれがある。シリンジの供給流速が500μL/分を越えると、電場印加時に安定なスプレーを維持できなくなるおそれがある。 The supply flow rate of the syringe in the inner tube of the coaxial double tube nozzle is preferably in the range of 0.1 to 500 μL / min. When the supply flow rate of the syringe is smaller than 0.1 μL / min, formation of the hollow structure may be hindered. When the supply flow rate of the syringe exceeds 500 μL / min, there is a possibility that a stable spray cannot be maintained when an electric field is applied.
同軸二重管ノズルの外管における、シリンジの供給流速は1〜500μL/分の範囲内にあることが好ましい。シリンジの供給流速が1μL/分より小さいと均一な中空構造の形成が妨げられるおそれがある。シリンジの供給流速が500μL/分を越えると、電場印加時に安定なスプレーを維持できなくなるおそれがある。 The supply flow rate of the syringe in the outer tube of the coaxial double tube nozzle is preferably in the range of 1 to 500 μL / min. If the supply flow rate of the syringe is less than 1 μL / min, formation of a uniform hollow structure may be hindered. When the supply flow rate of the syringe exceeds 500 μL / min, there is a possibility that a stable spray cannot be maintained when an electric field is applied.
高分子電解質繊維の製造方法において、紡糸の温度は10〜50℃の範囲内にあることが好ましい。紡糸の温度が50℃を超えると、一部の高分子電解質溶液では溶媒が蒸発するおそれがある。紡糸の温度が10℃未満であると、一部の高分子電解質溶液では溶媒が凝固するおそれがある。 In the method for producing a polymer electrolyte fiber, the spinning temperature is preferably in the range of 10 to 50 ° C. When the spinning temperature exceeds 50 ° C., the solvent may evaporate in some polymer electrolyte solutions. If the spinning temperature is less than 10 ° C., the solvent may be solidified in some polymer electrolyte solutions.
本発明の方法により作製された高分子電解質繊維について説明する。 The polymer electrolyte fiber produced by the method of the present invention will be described.
高分子電解質繊維は、高分子電解質およびゾル・ゲル反応生成物を含むものである。
ゾル・ゲル反応生成物は、ゾル・ゲル反応前駆体からの反応生成物である。ゾル・ゲル反応前駆体の一つである金属アルコキシドでは、ゾル・ゲル反応触媒下で加水分解反応および、脱水或いは脱アルコール縮合反応が進行し、金属−酸素の結合からなる重合体が生成される。とくに、金属が珪素である場合は、珪素−酸素の結合(シロキサン結合)からなる重合体(ポリシロキサン)が生成される。エレクトスプレー・デポジションでは、溶液中でまず加水分解反応が進行し、続いてエレクトロスプレー中の溶媒の蒸発と共に重縮合反応が進行すると考えられる。
The polymer electrolyte fiber contains a polymer electrolyte and a sol-gel reaction product.
The sol-gel reaction product is a reaction product from a sol-gel reaction precursor. In the metal alkoxide which is one of the sol-gel reaction precursors, a hydrolysis reaction and a dehydration or dealcohol condensation reaction proceed under a sol-gel reaction catalyst to produce a polymer composed of a metal-oxygen bond. . In particular, when the metal is silicon, a polymer (polysiloxane) composed of a silicon-oxygen bond (siloxane bond) is produced. In electrospray deposition, it is considered that the hydrolysis reaction first proceeds in the solution, and then the polycondensation reaction proceeds with the evaporation of the solvent in the electrospray.
高分子電解質繊維の平均繊維径は5nm〜50μmの範囲内にあることが好ましい。また、高分子電解質繊維の平均繊維径は50nm〜5μmの範囲内にあることがさらに好ましい。 The average fiber diameter of the polymer electrolyte fiber is preferably in the range of 5 nm to 50 μm. The average fiber diameter of the polymer electrolyte fiber is more preferably in the range of 50 nm to 5 μm.
高分子電解質繊維の平均繊維径が50μm以下であると、高分子電解質繊維及び高分子電解質繊維集合体の比表面積の増大効果が期待できる。平均繊維径が細くなるほど、この効果がより顕著になる。繊維径がナノオーダーになると繊維1本の機械的強度が十分でなくハンドリングも難しくなるため、平均繊維径は5nm以上あることが好ましく、50nm以上あることがさらに好ましい。 When the average fiber diameter of the polymer electrolyte fiber is 50 μm or less, an effect of increasing the specific surface area of the polymer electrolyte fiber and the polymer electrolyte fiber aggregate can be expected. This effect becomes more prominent as the average fiber diameter decreases. When the fiber diameter is nano-order, the mechanical strength of one fiber is not sufficient and handling becomes difficult, so the average fiber diameter is preferably 5 nm or more, and more preferably 50 nm or more.
高分子電解質繊維集合体としては、不織布、膜、膜モジュール及び高分子電解質繊維が基板または多孔質体などの支持体と一体化さているものを挙げることができる。 Examples of the polymer electrolyte fiber aggregate include those in which a nonwoven fabric, a membrane, a membrane module, and a polymer electrolyte fiber are integrated with a support such as a substrate or a porous body.
以上のことから、本発明を実施するための最良の形態によれば、以下の効果が得られる。 From the above, according to the best mode for carrying out the present invention, the following effects can be obtained.
本発明者達は、ゾル・ゲル反応前駆体が溶媒蒸発によって硬化が促進されることに注目し、高分子電解質溶液にゾル・ゲル反応前駆体を加えることによって、ノズル先端における帯電緩和現象を抑制できることを見出し、エレクトロスプレーデポジション法による高分子電解質の紡糸を実現した。本発明の製造方法では繊維のサイズ制御も容易であるため、ナノ〜マイクロスケールの直径をもつ高分子電解質繊維を常温・大気圧下で効率よく製造できる。 The present inventors noted that the curing of the sol-gel reaction precursor is accelerated by solvent evaporation, and the charging relaxation phenomenon at the nozzle tip is suppressed by adding the sol-gel reaction precursor to the polymer electrolyte solution. We found out that we could do this, and realized the spinning of polymer electrolytes by electrospray deposition. Since the fiber size can be easily controlled in the production method of the present invention, a polymer electrolyte fiber having a diameter of nano to micro scale can be efficiently produced at normal temperature and atmospheric pressure.
また、ゾル・ゲル反応前駆体を加えた高分子電解質溶液では、同軸二重管ノズルを用いたエレクトロスプレーデポジション法によって中空構造の高分子電解質繊維の作製も可能であることを見出した。
また、ナノ〜ミクロンオーダーの直径を持つ高分子電解質からなる繊維又は中空繊維から、それらの集合体を効率良く製造することができる。
In addition, it was found that a polymer electrolyte solution having a sol-gel reaction precursor can be used to produce a polymer electrolyte fiber having a hollow structure by an electrospray deposition method using a coaxial double tube nozzle.
Moreover, those aggregates can be efficiently produced from fibers or hollow fibers made of a polymer electrolyte having a diameter of nano to micron order.
このような繊維あるいは繊維集合体は水処理材料、フィルター材料、燃料電池材料、センサー材料などに使用できる。ナノ〜マイクロスケールの中空構造の高分子電解質繊維は新規なイオン交換材料であり、高容量中空糸膜モジュール、ナノ・マイクロ流体デバイス、ナノ・マイクロチューブ燃料電池への展開が期待される。 Such fibers or fiber aggregates can be used for water treatment materials, filter materials, fuel cell materials, sensor materials and the like. Nano- to micro-scale hollow polymer electrolyte fibers are novel ion exchange materials, and are expected to be developed into high-capacity hollow fiber membrane modules, nano / microfluidic devices, and nano / microtube fuel cells.
なお、本発明は上述の発明を実施するための最良の形態に限らず本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得ることはもちろんである。 The present invention is not limited to the best mode for carrying out the above-described invention, and various other configurations can be adopted without departing from the gist of the present invention.
つぎに、本発明にかかる実施例について具体的に説明する。ただし、本発明はこれら実施例に限定されるものではないことはもちろんである。 Next, specific examples of the present invention will be described. However, it goes without saying that the present invention is not limited to these examples.
[実施例1](ゾル・ゲル反応前駆体とゾル・ゲル反応触媒の添加の効果) [Example 1] (Effect of addition of sol-gel reaction precursor and sol-gel reaction catalyst)
<サンプル溶液の作製>
市販の20質量%Nafion溶液(和光純薬製DE2021、溶媒は水34質量%と1−プロパノール44質量%)にテトラエトキシシラン(TEOS、関東化学製有機合成用試薬)とホウ酸(H3BO3、和光純薬製特級試薬)を加えてサンプル溶液を調製した。この溶液では、高分子電解質(Nafion)濃度は13.1質量%、ゾル・ゲル反応前駆体(TEOS)濃度は1.6質量%、ゾル・ゲル反応触媒(H3BO3)濃度は0.2質量%である。また、Nafionはパーフルオロスルホン酸とポリテトラフルオロエチレン共重合体であり、強電解質であるスルホン酸基を荷電基とするフッ素系の高分子電解質である。化学的安定性とプロトン導電性に優れた高分子電解質であるため、燃料電池用電解質膜、センサー材料、触媒として使用されている。
<Preparation of sample solution>
Commercially available 20% by mass Nafion solution (DE2021, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., solvent 34% by mass water and 44% by mass 1-propanol), tetraethoxysilane (TEOS, Kanto Chemical Co., Ltd. organic synthesis reagent) and boric acid (H 3 BO 3 , a Wako Pure Chemicals special grade reagent) was added to prepare a sample solution. In this solution, the polymer electrolyte (Nafion) concentration was 13.1% by mass, the sol-gel reaction precursor (TEOS) concentration was 1.6% by mass, and the sol-gel reaction catalyst (H 3 BO 3 ) concentration was 0. 2% by mass. Nafion is a perfluorosulfonic acid and polytetrafluoroethylene copolymer, and is a fluorine-based polymer electrolyte having a sulfonic acid group, which is a strong electrolyte, as a charged group. Since it is a polymer electrolyte excellent in chemical stability and proton conductivity, it is used as an electrolyte membrane for fuel cells, a sensor material, and a catalyst.
<高分子電解質繊維の作製>
エレクトロスプレーデポジション法には図1に示すような装置を使用した。装置は、直流高圧安定化電源1(パルス電子工業製HDV−20K)、シリンジポンプ2(ミナトコンセプト製MCIP-III)、導電性基板3(アルミニウム板)から構成される。サンプル溶液は、内径1mmステンレススチール製の単一管からなるノズル4を取り付けた容量1mLのガラス製のシリンジ5に入れ、このシリンジをシリンジポンプに取り付ける。なお、図1ではノズルと導電性基板の位置は縦方向に設置されているが、ノズルを導電性基板に対して横方向に設置することも可能である。エレクトロスプレー条件は、印加電圧15kV、ノズル−導電性基板間距離10cm、シリンジ溶液供給流速5μL/分とした。
<Production of polymer electrolyte fiber>
An apparatus as shown in FIG. 1 was used for the electrospray deposition method. The apparatus is composed of a DC high-voltage stabilized power supply 1 (HDV-20K manufactured by Pulse Electronics Industry), a syringe pump 2 (MCIP-III manufactured by Minato Concept), and a conductive substrate 3 (aluminum plate). The sample solution is placed in a glass syringe 5 having a capacity of 1 mL to which a nozzle 4 made of a single tube made of stainless steel having an inner diameter of 1 mm is attached, and this syringe is attached to a syringe pump. In FIG. 1, the positions of the nozzle and the conductive substrate are installed in the vertical direction, but the nozzle can be installed in the horizontal direction with respect to the conductive substrate. The electrospray conditions were an applied voltage of 15 kV, a nozzle-conductive substrate distance of 10 cm, and a syringe solution supply flow rate of 5 μL / min.
<観察・測定方法>
スプレー状態については、ノズル先端部に250Wメタルハライドランプ(メジロプロシジョン製LS−M250)を照射し、散乱像を用いて観察を行った。また、走査型電子顕微鏡(SEM、TOPCON製SM−200)を用いて繊維の構造観察を行った。観察は加速電圧10kVの条件で行った。なお観察試料として、高分子繊維表面にファインコーター(日本電子製JFC−1200)を用いて厚さ約5nmの金コートしたものを用いた。得られた2次電子像から繊維上の任意の100点の繊維径を測定し、平均繊維径を求めた。
<Observation / Measurement Method>
As for the spray state, the nozzle tip was irradiated with a 250 W metal halide lamp (LS-M250 manufactured by Megilo Procedure) and observed using a scattered image. In addition, the structure of the fiber was observed using a scanning electron microscope (SEM, SM-200 manufactured by TOPCON). Observation was performed under the condition of an acceleration voltage of 10 kV. As an observation sample, a surface of a polymer fiber coated with gold having a thickness of about 5 nm using a fine coater (JFC-1200 manufactured by JEOL Ltd.) was used. From the obtained secondary electron image, the fiber diameters at 100 arbitrary points on the fiber were measured, and the average fiber diameter was determined.
<観察・測定結果>
電場印加後にノズル先端からの溶液のスプレーが確認された。図2にSEM観察より得られた高分子電解質繊維の2次電子像を示す。作製された高分子電解質繊維の平均繊維径は2.5μmであった。
<Observation and measurement results>
After applying the electric field, spraying of the solution from the nozzle tip was confirmed. FIG. 2 shows a secondary electron image of the polymer electrolyte fiber obtained by SEM observation. The produced polymer electrolyte fiber had an average fiber diameter of 2.5 μm.
高分子電解質溶液にゾル・ゲル反応前駆体および反応触媒を添加することにより、Nafion単独溶液では起こらなかったスプレーが実現し、エレクトロスプレーデポジション法を用いたワンステップでの高分子電解質の繊維化が可能になった。ここでは、ゾル・ゲル反応前駆体と反応触媒の添加が電場印加時の帯電緩和の抑制に寄与していると考えられる。 By adding the sol-gel reaction precursor and reaction catalyst to the polymer electrolyte solution, a spray that did not occur with Nafion alone solution was realized, and the polyelectrolyte fiberization in one step using the electrospray deposition method Became possible. Here, it is considered that the addition of the sol-gel reaction precursor and the reaction catalyst contributes to the suppression of the charge relaxation when the electric field is applied.
高い電気伝導性を持つ高分子電解質溶液に、反応の進行により溶液粘度を増加させる物質を添加すれば、電場印加時に溶液内に発生する電流によって引き起こされる帯電緩和を抑制することができ、エレクトロスプレーデポジション法を用いたワンステップの高分子電解質溶液の繊維化が可能になると考えられる。 If a substance that increases the viscosity of the polymer electrolyte solution with the progress of the reaction is added to the polymer electrolyte solution with high electrical conductivity, the charge relaxation caused by the current generated in the solution when an electric field is applied can be suppressed. One-step polyelectrolyte solution using the deposition method is considered possible.
[比較例1] [Comparative Example 1]
<サンプル溶液の作製>
比較のため、13.1質量%Nafion単独溶液を調製した。
<Preparation of sample solution>
For comparison, a 13.1% by weight Nafion single solution was prepared.
<高分子電解質繊維の作製>
高分子電解質繊維の作製に使用した装置および作製条件は実施例1と同じである。
<Production of polymer electrolyte fiber>
The apparatus and production conditions used for production of the polymer electrolyte fiber are the same as those in Example 1.
<観察・測定方法>
スプレー状態の観察および走査型電子顕微鏡を用いた高分子電解質繊維観察方法と繊維径評価方法は実施例1と同じである。
<Observation / Measurement Method>
The observation of the spray state and the method for observing the polymer electrolyte fiber using the scanning electron microscope and the method for evaluating the fiber diameter are the same as in Example 1.
<観察・測定結果>
電場を印加してもNafion単独溶液のスプレーは確認できなかった。
<Observation and measurement results>
Even when an electric field was applied, spraying of a Nafion single solution could not be confirmed.
[実施例2](繊維化促進剤の添加の効果) [Example 2] (Effect of addition of fiberization accelerator)
<サンプル溶液の作製>
市販の20質量%Nafion溶液(和光純薬製DE2021、溶媒は水34質量%と1−プロパノール44質量%)と、平均重量分子量約8万のポリビニルアルコール(PVA、和光純薬製)を水に溶解した7質量%水溶液を重量比40:20の割合で混合し、さらにテトラエトキシシラン(TEOS、関東化学製有機合成用試薬)とホウ酸(H3BO3、和光純薬製特級試薬)を加えてサンプル溶液を調製した。この溶液の高分子電解質(Nafion)濃度は13.1質量%、繊維化促進剤(PVA)濃度は2.6質量%、ゾル・ゲル反応前駆体(TEOS)濃度は1.6質量%、ゾル・ゲル反応触媒(H3BO3)濃度は0.2質量%である。
<Preparation of sample solution>
Commercially available 20% by mass Nafion solution (DE2021, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., solvent: 34% by mass water and 44% by mass 1-propanol) and polyvinyl alcohol (PVA, manufactured by Wako Pure Chemical Industries) with an average weight molecular weight of about 80,000 in water. A dissolved 7% by mass aqueous solution is mixed at a weight ratio of 40:20, and tetraethoxysilane (TEOS, a reagent for organic synthesis manufactured by Kanto Chemical) and boric acid (H 3 BO 3 , a special grade reagent manufactured by Wako Pure Chemical Industries) are further added. In addition, a sample solution was prepared. This solution has a polyelectrolyte (Nafion) concentration of 13.1% by mass, a fiberization accelerator (PVA) concentration of 2.6% by mass, a sol-gel reaction precursor (TEOS) concentration of 1.6% by mass, a sol gel catalyst (H 3 BO 3) concentration is 0.2 wt%.
<高分子電解質繊維の作製>
高分子電解質繊維の作製に使用した装置および作製条件は実施例1と同じである。
<Production of polymer electrolyte fiber>
The apparatus and production conditions used for production of the polymer electrolyte fiber are the same as those in Example 1.
<観察・測定方法>
スプレー状態の観察および走査型電子顕微鏡を用いた高分子電解質繊維観察方法と繊維径評価方法は実施例1と同じである。
<Observation / Measurement Method>
The observation of the spray state and the method for observing the polymer electrolyte fiber using the scanning electron microscope and the method for evaluating the fiber diameter are the same as in Example 1.
<観察・測定結果>
電場印加後は実施例1よりさらに安定したスプレーが得られた。図3にSEM観察より得られた高分子電解質繊維の2次電子像を示す。2次電子像より得られた高分子電解質繊維の平均繊維径は430nmであった。
<Observation and measurement results>
After application of the electric field, a more stable spray was obtained than in Example 1. FIG. 3 shows a secondary electron image of the polymer electrolyte fiber obtained by SEM observation. The average fiber diameter of the polymer electrolyte fiber obtained from the secondary electron image was 430 nm.
高分子電解質溶液に繊維化促進剤とゾル・ゲル反応前駆体および反応触媒を添加することにより、安定したスプレー性が実現し、均一な繊維の作製が可能になった。また、促進剤を添加してない場合に比べて繊維径も細くなった。この理由として、高分子量の線状高分子の添加による高分子電解質溶液の紡糸性の向上が考えられる。 By adding a fiberization accelerator, a sol-gel reaction precursor and a reaction catalyst to the polymer electrolyte solution, stable sprayability was realized, and uniform fibers could be produced. In addition, the fiber diameter was thinner than when no accelerator was added. The reason for this is considered to be an improvement in the spinnability of the polymer electrolyte solution by the addition of a high molecular weight linear polymer.
[実施例3](シリンジ供給流速の効果) [Example 3] (Effect of syringe supply flow rate)
<サンプル溶液の作製>
市販の20質量%Nafion溶液(和光純薬製DE2021、溶媒は水34質量%と1−プロパノール44質量%)と、平均重量分子量約8万のポリビニルアルコール(PVA、和光純薬製)を水に溶解した7質量%水溶液を重量比40:20の割合で混合し、さらにテトラエトキシシラン(TEOS、関東化学製有機合成用試薬)とホウ酸(H3BO3、和光純薬製特級試薬)を加えてサンプル溶液を調製した。ここでは、実施例2と同じように高分子電解質(Nafion)濃度を13.1質量%、繊維化促進剤(PVA)濃度を2.6質量%、ゾル・ゲル反応前駆体(TEOS)の濃度を1.6質量%とゾル・ゲル反応触媒(H3BO3)濃度を0.2質量%とした。
<Preparation of sample solution>
Commercially available 20% by mass Nafion solution (DE2021, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., solvent: 34% by mass water and 44% by mass 1-propanol) and polyvinyl alcohol (PVA, manufactured by Wako Pure Chemical Industries) with an average weight molecular weight of about 80,000 in water. A dissolved 7% by mass aqueous solution is mixed at a weight ratio of 40:20, and tetraethoxysilane (TEOS, a reagent for organic synthesis manufactured by Kanto Chemical) and boric acid (H 3 BO 3 , a special grade reagent manufactured by Wako Pure Chemical Industries) are further added. In addition, a sample solution was prepared. Here, as in Example 2, the concentration of the polymer electrolyte (Nafion) was 13.1% by mass, the concentration of the fiberization accelerator (PVA) was 2.6% by mass, and the concentration of the sol-gel reaction precursor (TEOS) Was 1.6 mass%, and the sol-gel reaction catalyst (H 3 BO 3 ) concentration was 0.2 mass%.
<高分子電解質繊維の作製>
高分子電解質繊維の作製に使用した装置は実施例1と同じである。エレクトロスプレー条件は、印加電圧15kV、ノズル−導電性基板間距離10cm、シリンジ供給流速を10μL/分とした。
<Production of polymer electrolyte fiber>
The apparatus used for producing the polyelectrolyte fiber is the same as in Example 1. The electrospray conditions were an applied voltage of 15 kV, a nozzle-conductive substrate distance of 10 cm, and a syringe supply flow rate of 10 μL / min.
<観察・測定方法>
スプレー状態の観察および走査型電子顕微鏡を用いた高分子電解質繊維観察方法と繊維径評価方法は実施例1と同じである。
<Observation / Measurement Method>
The observation of the spray state and the method for observing the polymer electrolyte fiber using the scanning electron microscope and the method for evaluating the fiber diameter are the same as in Example 1.
<観察・測定結果>
シリンジ供給流速10μL/分の条件では、電場印加後のスプレー状態の安定性は低下した。2次電子像より得られた高分子電解質繊維の平均繊維径は490nmであった。
<Observation and measurement results>
Under the condition of a syringe supply flow rate of 10 μL / min, the stability of the spray state after application of the electric field decreased. The average fiber diameter of the polymer electrolyte fiber obtained from the secondary electron image was 490 nm.
実施例2(シリンジ供給流速5μL/分、平均繊維径430nm)と比較すると、シリンジ供給流速の増加によって、高分子電解質繊維の繊維径は少し増加した。この理由として、シリンジ供給流速の増加によって単位時間あたりの溶液スプレー量の増加がおこることが考えられる。 Compared to Example 2 (syringe supply flow rate 5 μL / min, average fiber diameter 430 nm), the fiber diameter of the polymer electrolyte fiber slightly increased as the syringe supply flow rate increased. The reason for this may be that the amount of solution spray per unit time increases due to an increase in the syringe supply flow rate.
[実施例4](ゾル・ゲル反応前駆体とゾル・ゲル反応触媒の濃度の効果) [Example 4] (Effect of concentration of sol-gel reaction precursor and sol-gel reaction catalyst)
<サンプル溶液の作製>
市販の20質量%Nafion溶液(和光純薬製DE2021、溶媒は水34質量%と1−プロパノール44質量%)と、平均重量分子量約8万のポリビニルアルコール(PVA、和光純薬製)を水に溶解した7質量%水溶液を重量比40:20の割合で混合し、さらにテトラエトキシシラン(TEOS、関東化学製有機合成用試薬)とホウ酸(H3BO3、和光純薬製特級試薬)を加えてサンプル溶液を調製した。ここでは、実施例2と同じように高分子電解質(Nafion)濃度を13.1質量%、繊維化促進剤(PVA)濃度を2.6質量%に固定し、ゾル・ゲル反応前駆体(TEOS)の濃度を3.2質量%と6.4質量%に変えた溶液を調製した。ゾル・ゲル反応触媒(H3BO3)濃度はそれぞれ、0.4質量%、0.8質量%とした。
<Preparation of sample solution>
Commercially available 20% by mass Nafion solution (DE2021, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., solvent: 34% by mass water and 44% by mass 1-propanol) and polyvinyl alcohol (PVA, manufactured by Wako Pure Chemical Industries) with an average weight molecular weight of about 80,000 in water. A dissolved 7% by mass aqueous solution is mixed at a weight ratio of 40:20, and tetraethoxysilane (TEOS, a reagent for organic synthesis manufactured by Kanto Chemical) and boric acid (H 3 BO 3 , a special grade reagent manufactured by Wako Pure Chemical Industries) are further added. In addition, a sample solution was prepared. Here, as in Example 2, the polymer electrolyte (Nafion) concentration was fixed at 13.1% by mass, and the fiberization accelerator (PVA) concentration was fixed at 2.6% by mass, and the sol-gel reaction precursor (TEOS) was fixed. ) Was changed to 3.2 mass% and 6.4 mass%. The sol-gel reaction catalyst (H 3 BO 3 ) concentration was 0.4% by mass and 0.8% by mass, respectively.
<高分子電解質繊維の作製>
高分子電解質繊維の作製に使用した装置は実施例1と同じである。エレクトロスプレー条件は、印加電圧15kV、ノズル−導電性基板間距離10cm、シリンジ供給流速10μL/とした。
<Production of polymer electrolyte fiber>
The apparatus used for producing the polyelectrolyte fiber is the same as in Example 1. The electrospray conditions were an applied voltage of 15 kV, a nozzle-conductive substrate distance of 10 cm, and a syringe supply flow rate of 10 μL /.
<観察・測定方法>
スプレー状態の観察および走査型電子顕微鏡を用いた高分子電解質繊維観察方法と繊維径評価方法は実施例1と同じである。
<Observation / Measurement Method>
The observation of the spray state and the method for observing the polymer electrolyte fiber using the scanning electron microscope and the method for evaluating the fiber diameter are the same as in Example 1.
<観察・測定結果>
電場印加後は実施例2と同様の安定したスプレー状態が得られた。図4および図5にそれぞれ、TEOS3.2質量%溶液とTEOS6.4質量%溶液から作製した高分子電解質繊維の2次電子像を示す。得られた高分子電解質繊維の平均繊維径はTEOS3.2質量%溶液から作製した繊維が890nm、TEOS6.4質量%溶液から作製した繊維が1.82μmであった。
<Observation and measurement results>
After application of the electric field, the same stable spray state as in Example 2 was obtained. 4 and 5 show secondary electron images of polymer electrolyte fibers prepared from a 3.2 mass% TEOS solution and a 6.4 mass% TEOS solution, respectively. The average fiber diameter of the obtained polymer electrolyte fiber was 890 nm for a fiber prepared from a 3.2 mass% TEOS solution and 1.82 μm for a fiber prepared from a 6.4 mass% TEOS solution.
ゾル・ゲル反応前駆体濃度の増加に伴って、高分子電解質繊維の繊維径は増加した。この理由として、前駆体濃度の増加に伴い、ゾル・ゲル反応によって溶液中で形成される無機分子の高分子量化が促進されることが考えられる。 As the concentration of the sol-gel reaction precursor increased, the fiber diameter of the polymer electrolyte fiber increased. The reason for this is considered that the increase in the molecular weight of inorganic molecules formed in the solution by the sol-gel reaction is promoted as the precursor concentration increases.
[実施例5](ノズルと導電性基板間の印加電圧の効果) [Example 5] (Effect of applied voltage between nozzle and conductive substrate)
<サンプル溶液の作製>
市販の20質量%Nafion溶液(和光純薬製DE2021、溶媒は水34質量%と1−プロパノール44質量%)と、平均重量分子量約8万のポリビニルアルコール(PVA、和光純薬製)を水に溶解した7質量%水溶液を重量比40:20の割合で混合し、さらにテトラエトキシシラン(TEOS、関東化学製有機合成用試薬)とホウ酸(H3BO3、和光純薬製特級試薬)を加えてサンプル溶液を調製した。ここでは、実施例2と同じように高分子電解質(Nafion)濃度を13.1質量%、繊維化促進剤(PVA)濃度を2.6質量%、ゾル・ゲル反応前駆体(TEOS)の濃度を1.6質量%とゾル・ゲル反応触媒(H3BO3)濃度を0.2質量%とした。
<Preparation of sample solution>
Commercially available 20% by mass Nafion solution (DE2021, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., solvent: 34% by mass water and 44% by mass 1-propanol) and polyvinyl alcohol (PVA, manufactured by Wako Pure Chemical Industries) with an average weight molecular weight of about 80,000 in water. A dissolved 7% by mass aqueous solution is mixed at a weight ratio of 40:20, and tetraethoxysilane (TEOS, a reagent for organic synthesis manufactured by Kanto Chemical) and boric acid (H 3 BO 3 , a special grade reagent manufactured by Wako Pure Chemical Industries) are further added. In addition, a sample solution was prepared. Here, as in Example 2, the concentration of the polymer electrolyte (Nafion) was 13.1% by mass, the concentration of the fiberization accelerator (PVA) was 2.6% by mass, and the concentration of the sol-gel reaction precursor (TEOS) Was 1.6 mass%, and the sol-gel reaction catalyst (H 3 BO 3 ) concentration was 0.2 mass%.
<高分子電解質繊維の作製>
高分子電解質繊維の作製に使用した装置は実施例1と同じである。エレクトロスプレー条件は、印加電圧20kV、ノズル−導電性基板間距離10cm、シリンジ供給流速を5μL/分とした。
<Production of polymer electrolyte fiber>
The apparatus used for producing the polyelectrolyte fiber is the same as in Example 1. The electrospray conditions were an applied voltage of 20 kV, a nozzle-conductive substrate distance of 10 cm, and a syringe supply flow rate of 5 μL / min.
<観察・測定方法>
スプレー状態の観察および走査型電子顕微鏡を用いた高分子電解質繊維観察方法と繊維径評価方法は実施例1と同じである。
<Observation / Measurement Method>
The observation of the spray state and the method for observing the polymer electrolyte fiber using the scanning electron microscope and the method for evaluating the fiber diameter are the same as in Example 1.
<観察・測定結果>
印加電圧20kVの条件でも電場印加後は安定したスプレー状態が得られた。2次電子像より得られた高分子電解質繊維の平均繊維径は520nmであった。
<Observation and measurement results>
Even under the condition of an applied voltage of 20 kV, a stable spray state was obtained after application of the electric field. The average fiber diameter of the polymer electrolyte fiber obtained from the secondary electron image was 520 nm.
実施例2(印加電圧15kV、平均繊維径430nm)と比較すると、印加電圧の増加によって、高分子電解質繊維の繊維径は増加した。この理由として、電圧の増加に伴う帯電量の増加によって単位時間あたりの溶液スプレー量の増加がおこることが考えられる。 Compared to Example 2 (applied voltage 15 kV, average fiber diameter 430 nm), the fiber diameter of the polymer electrolyte fiber increased with the increase of the applied voltage. As a reason for this, it is conceivable that the amount of solution spray per unit time increases due to an increase in charge amount accompanying an increase in voltage.
[実施例6](同軸二重管ノズルにおける、シリンジの供給流速の効果) [Example 6] (Effect of supply flow rate of syringe in coaxial double tube nozzle)
<サンプル溶液の作製>
市販の20質量%Nafion溶液(和光純薬製DE2021、溶媒は水34質量%と1−プロパノール44質量%)と、平均重量分子量約8万のポリビニルアルコール(PVA、和光純薬製)を水に溶解した7質量%水溶液を重量比40:20の割合で混合し、さらにテトラエトキシシラン(TEOS、関東化学製有機合成用試薬)とホウ酸(H3BO3、和光純薬製特級試薬)を加えてサンプル溶液を調製した。ここでは、高分子電解質(Nafion)濃度を12.9質量%、繊維化促進剤(PVA)濃度を2.3質量%、ゾル・ゲル反応前駆体(TEOS)の濃度を3.2質量%とゾル・ゲル反応触媒(H3BO3)濃度を0.4質量%とし、この溶液を外管液とした。
<Preparation of sample solution>
Commercially available 20% by mass Nafion solution (DE2021, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., solvent: 34% by mass water and 44% by mass 1-propanol) and polyvinyl alcohol (PVA, manufactured by Wako Pure Chemical Industries) with an average weight molecular weight of about 80,000 in water. A dissolved 7% by mass aqueous solution is mixed at a weight ratio of 40:20, and tetraethoxysilane (TEOS, a reagent for organic synthesis manufactured by Kanto Chemical) and boric acid (H 3 BO 3 , a special grade reagent manufactured by Wako Pure Chemical Industries) are further added. In addition, a sample solution was prepared. Here, the polymer electrolyte (Nafion) concentration is 12.9% by mass, the fiberization accelerator (PVA) concentration is 2.3% by mass, and the concentration of the sol-gel reaction precursor (TEOS) is 3.2% by mass. The sol-gel reaction catalyst (H 3 BO 3 ) concentration was 0.4% by mass, and this solution was used as the outer tube liquid.
<高分子電解質繊維の作製>
高分子電解質繊維の作製に使用した装置は概ね実施例1と同じである。異なる点は、ステンレススチール製ノズルのかわりに図6に示すようなスチール製の同軸二重管ノズルを使用したこと、二重管ノズルの内管、外管が、それぞれ試料溶液の入ったシリンジを搭載したシリンジポンプと接続されている点である。外管に上述の高分子電解質溶液、内管にミネラルオイル(アルドリッチ製試薬)を供給し、エレクトロスプレーを行った。エレクトロスプレー条件は、印加電圧15kV、ノズル−導電性基板間距離10cm、外管の供給流速10μL/分、内管の供給流速3μL/分とした。また、外管の供給流速を10μL/分に固定し、内管の供給流速を1μL/分に変化させた場合についてもスプレーを行った。
<Production of polymer electrolyte fiber>
The apparatus used for producing the polyelectrolyte fiber is almost the same as in Example 1. The difference is that instead of a stainless steel nozzle, a steel coaxial double tube nozzle as shown in Fig. 6 was used, and the inner tube and the outer tube of the double tube nozzle each had a syringe containing a sample solution. It is a point connected to the mounted syringe pump. The above polymer electrolyte solution was supplied to the outer tube, and mineral oil (Aldrich reagent) was supplied to the inner tube, and electrospraying was performed. The electrospray conditions were an applied voltage of 15 kV, a nozzle-conductive substrate distance of 10 cm, an outer tube supply flow rate of 10 μL / min, and an inner tube supply flow rate of 3 μL / min. Spraying was also performed when the supply flow rate of the outer tube was fixed at 10 μL / min and the supply flow rate of the inner tube was changed to 1 μL / min.
<観察・測定方法>
スプレー状態の観察および走査型電子顕微鏡を用いた高分子電解質繊維観察方法と繊維径評価方法は実施例1と同じである。また、高分解能透過型分析電子顕微鏡(TOPCON製EM−002B/P−20およびSTEMシステム)を用いて作製した繊維試料の断面構造観察も行った。観察は加速電圧200kVの条件で行った。なお、観察試料として高分子繊維をオスミウム酸溶液で染色した後、エポキシ樹脂に包埋し、ウルトラミクロトームを用いて切片化したものを使用した。
<Observation / Measurement Method>
The observation of the spray state and the method for observing the polymer electrolyte fiber using the scanning electron microscope and the method for evaluating the fiber diameter are the same as in Example 1. Moreover, cross-sectional structure observation of the fiber sample produced using the high-resolution transmission type | mold analytical electron microscope (EM-002B / P-20 and STEM system by TOPCON) was also performed. Observation was performed under the condition of an acceleration voltage of 200 kV. As an observation sample, a polymer fiber dyed with an osmic acid solution, embedded in an epoxy resin, and sectioned using an ultramicrotome was used.
<観察・測定結果>
電場印加後は安定したスプレー状態が得られた。スプレーの結果、外管の供給流速10μL/分、内管の供給流速3μL/分のとき、図7に示す断面構造を持つ芯鞘型繊維が得られた。外側の黒い部分がオスミウム酸で染色した高分子電解質(Nafion)、内側の白い部分がミネラルオイルである。この繊維をオクタンに12時間浸漬することによって芯部分を除去し、図8に示す中空構造の繊維を得た。中空構造繊維の外径は1.51μm、内径は1.22μmであった。また、外管の供給流速10μL/分、内管の供給流速1μL/分のとき、中空構造繊維の外径は1.58μm、内径は1.00μmであった。
<Observation and measurement results>
A stable spray state was obtained after applying the electric field. As a result of spraying, when the outer tube supply flow rate was 10 μL / min and the inner tube supply flow rate was 3 μL / min, core-sheath fibers having the cross-sectional structure shown in FIG. 7 were obtained. The outer black portion is a polyelectrolyte (Nafion) stained with osmic acid, and the inner white portion is mineral oil. The core portion was removed by immersing this fiber in octane for 12 hours to obtain a fiber having a hollow structure shown in FIG. The hollow structure fiber had an outer diameter of 1.51 μm and an inner diameter of 1.22 μm. Further, when the outer tube supply flow rate was 10 μL / min and the inner tube supply flow rate was 1 μL / min, the hollow fiber had an outer diameter of 1.58 μm and an inner diameter of 1.00 μm.
二重管ノズルを使用することによって、高分子電解質中空構造繊維を作製することができた。また、内管供給流速の変化によって中空構造繊維の内径と壁の厚さが変化した。このことからスプレー直後の同軸ジェット内では内管からのスプレーと外管からのスプレーの界面で摩擦などの力が働いているものと考えられる。 By using a double tube nozzle, a polymer electrolyte hollow structure fiber could be produced. Further, the inner diameter and wall thickness of the hollow structure fiber changed due to the change in the inner pipe supply flow rate. From this, it is considered that friction and other forces are acting at the interface between the spray from the inner tube and the spray from the outer tube in the coaxial jet immediately after spraying.
1‥‥電源、2‥‥シリンジポンプ、3‥‥導電性基板、4‥‥ノズル、5‥‥シリンジ、6‥‥同軸二重管ノズル、7‥‥内管、8‥‥内管液、9‥‥外管、10‥‥外管液、11‥‥同軸スプレージェット DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Power supply, 2 ... Syringe pump, 3 ... Conductive substrate, 4 ... Nozzle, 5 ... Syringe, 6 ... Coaxial double pipe nozzle, 7 ... Inner pipe, 8 ... Inner pipe liquid, 9 ... Outer tube, 10 ... Outer tube liquid, 11 ... Coaxial spray jet
Claims (19)
高分子電解質繊維。 A polyelectrolyte fiber comprising a polyelectrolyte and a sol-gel reaction product.
前記荷電基は、カルボキシル基、リン酸基、スルホン酸基の負荷電基、アミノ基、ピリジル基、イミダゾール基、4級アンモニウム基、4級ピリジニウム塩基、4級イミダゾール基の正荷電基、ベタイン基、ホスファチジルコリン基、アミノ酸基の両性荷電基から選ばれるいずれか1種、またはいずれか2種以上の組み合わせからなる
請求項1記載の高分子電解質繊維。 A polymer electrolyte is a polymer compound having a plurality of charged groups,
The charged group is a negatively charged group of a carboxyl group, a phosphate group, a sulfonate group, an amino group, a pyridyl group, an imidazole group, a quaternary ammonium group, a quaternary pyridinium base, a quaternary imidazole group, a positively charged group, or a betaine group. 2. The polymer electrolyte fiber according to claim 1, comprising any one selected from a phosphatidylcholine group and an amphoteric charged group of an amino acid group, or a combination of any two or more thereof.
請求項1記載の高分子電解質繊維。 The polymer electrolyte is a copolymer of perfluorosulfonic acid and polytetrafluoroethylene, polystyrene sulfonic acid and its copolymer, sulfonated polysulfone, sulfonated polyetheretherketone, cellulose sulfate, carboxymethylcellulose, polyacrylic acid, polyvinyl Any one or any two selected from pyridine and its quaternized product, polyvinylbenzyltrimethylammonium, polyallylamine, polyethyleneimine and its quaternized product, 2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine homopolymer and copolymer The polymer electrolyte fiber according to claim 1, comprising the above combination.
前記ゾル・ゲル反応前駆体は金属アルコキシドからなり、
前記金属アルコキシドの金属は、Si、Ta、Nb、Ti、Zr、Al、Ge、B、Na、Ga、Ce、V、Ta、P、Sbから選ばれるいずれか1種、またはいずれか2種以上の組み合わせからなり、
前記金属アルコキシドのアルコキシ基は、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、ブトキシ基を含む、炭素数n(nは1〜8の整数)を有するアルコキシ基から選ばれるいずれか1種、またはいずれか2種以上の組み合わせからなる
請求項1記載の高分子電解質繊維。 The sol-gel reaction product is a reaction product from a sol-gel reaction precursor,
The sol-gel reaction precursor comprises a metal alkoxide,
The metal of the metal alkoxide is any one selected from Si, Ta, Nb, Ti, Zr, Al, Ge, B, Na, Ga, Ce, V, Ta, P, and Sb, or any two or more A combination of
The alkoxy group of the metal alkoxide is any one selected from an alkoxy group having a carbon number n (n is an integer of 1 to 8), including a methoxy group, an ethoxy group, a propoxy group, and a butoxy group, or any two The polymer electrolyte fiber according to claim 1, comprising a combination of at least species.
請求項1記載の高分子電解質繊維。 The polymer electrolyte fiber according to claim 1, wherein the fiber diameter is 5 nm to 50 μm.
請求項1記載の高分子電解質繊維。 The polymer electrolyte fiber according to claim 1, wherein the polymer electrolyte is made of a copolymer of perfluorosulfonic acid and polytetrafluoroethylene.
前記ゾル・ゲル反応前駆体はテトラエトキシシランからなる
請求項6記載の高分子電解質繊維。 The sol-gel reaction product is a reaction product from a sol-gel reaction precursor,
The polymer electrolyte fiber according to claim 6, wherein the sol-gel reaction precursor is made of tetraethoxysilane.
請求項1記載の高分子電解質繊維。 The polymer electrolyte fiber according to claim 1, wherein the electrolyte fiber has a hollow structure.
請求項8記載の高分子電解質繊維。 The polymer electrolyte fiber according to claim 8, wherein the fiber diameter (outer diameter) is 5 nm to 50 μm.
高分子電解質繊維の製造方法。 A method for producing a polymer electrolyte fiber, comprising producing a fiber by an electrospray deposition method using a solution containing a polymer electrolyte, a sol-gel reaction precursor, and a sol-gel reaction catalyst.
前記荷電基は、カルボキシル基、リン酸基、スルホン酸基の負荷電基、アミノ基、ピリジル基、イミダゾール基、4級アンモニウム基、4級ピリジニウム塩基、4級イミダゾール基の正荷電基、ベタイン基、ホスファチジルコリン基、アミノ酸基の両性荷電基から選ばれるいずれか1種、またはいずれか2種以上の組み合わせからなる
請求項10記載の高分子電解質繊維の製造方法。 A polymer electrolyte is a polymer compound having a plurality of charged groups,
The charged group is a negatively charged group of a carboxyl group, a phosphate group, a sulfonate group, an amino group, a pyridyl group, an imidazole group, a quaternary ammonium group, a quaternary pyridinium base, a quaternary imidazole group, a positively charged group, or a betaine group. The method for producing a polyelectrolyte fiber according to claim 10, comprising any one selected from the group consisting of phosphatidylcholine groups and amphoteric charged groups of amino acid groups, or a combination of any two or more thereof.
請求項10記載の高分子電解質繊維の製造方法。 The polymer electrolyte is a copolymer of perfluorosulfonic acid and polytetrafluoroethylene, polystyrene sulfonic acid and its copolymer, sulfonated polysulfone, sulfonated polyetheretherketone, cellulose sulfate, carboxymethylcellulose, polyacrylic acid, polyvinyl Any one or any two selected from pyridine and its quaternized product, polyvinylbenzyltrimethylammonium, polyallylamine, polyethyleneimine and its quaternized product, 2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine homopolymer and copolymer It consists of the above combination. The manufacturing method of the polymer electrolyte fiber of Claim 10.
前記金属アルコキシドの金属は、Si、Ta、Nb、Ti、Zr、Al、Ge、B、Na、Ga、Ce、V、Ta、P、Sbから選ばれるいずれか1種、またはいずれか2種以上の組み合わせからなり、
前記金属アルコキシドのアルコキシ基は、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、ブトキシ基を含む、炭素数n(nは1〜8の整数)を有するアルコキシ基から選ばれるいずれか1種、またはいずれか2種以上の組み合わせからなる
請求項10記載の高分子電解質繊維の製造方法。 The sol-gel reaction precursor consists of a metal alkoxide,
The metal of the metal alkoxide is any one selected from Si, Ta, Nb, Ti, Zr, Al, Ge, B, Na, Ga, Ce, V, Ta, P, and Sb, or any two or more A combination of
The alkoxy group of the metal alkoxide is any one selected from an alkoxy group having a carbon number n (n is an integer of 1 to 8), including a methoxy group, an ethoxy group, a propoxy group, and a butoxy group, or any two The method for producing a polymer electrolyte fiber according to claim 10, comprising a combination of at least species.
前記酸は、塩酸、硫酸、硝酸、ほう酸の無機酸、酢酸、くえん酸の有機酸から選ばれるいずれか1種、またはいずれか2種以上の組み合わせからなり、
前記塩基はアンモニアからなる
請求項10記載の高分子電解質繊維の製造方法。 The sol-gel reaction catalyst consists of an acid or a base,
The acid is any one selected from hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, inorganic acid such as boric acid, acetic acid, organic acid such as citric acid, or any combination of two or more thereof.
The method for producing a polymer electrolyte fiber according to claim 10, wherein the base is made of ammonia.
請求項10記載の高分子電解質繊維の製造方法。 The method for producing a polymer electrolyte fiber according to claim 10, wherein the solution contains a fiberization accelerator.
請求項15記載の高分子電解質繊維の製造方法。 16. The polymer electrolyte fiber according to claim 15, wherein the fiberization accelerator comprises any one selected from polyvinyl alcohol, polyethylene oxide, polyvinyl pyrrolidone, polyhydroxyethyl methacrylate, and polyacrylamide, or a combination of any two or more thereof. Production method.
請求項10記載の高分子電解質繊維の製造方法。 The method for producing a polymer electrolyte fiber according to claim 10, wherein the polymer electrolyte comprises a copolymer of perfluorosulfonic acid and polytetrafluoroethylene.
ゾル・ゲル反応触媒はほう酸からなる
請求項17記載の高分子電解質繊維の製造方法。 The sol-gel reaction precursor consists of tetraethoxysilane,
The method for producing a polymer electrolyte fiber according to claim 17, wherein the sol-gel reaction catalyst comprises boric acid.
請求項17記載の高分子電解質繊維の製造方法。 The method for producing a polymer electrolyte fiber according to claim 17, wherein the solution contains polyvinyl alcohol.
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