JP2008069188A - Resin composition and application thereof - Google Patents

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Yoshimitsu Sakaguchi
佳充 坂口
Kota Kitamura
幸太 北村
Hiroki Yamaguchi
裕樹 山口
Masahiro Yamashita
全広 山下
Kosuke Sasai
孝介 佐々井
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a resin composition formable into a film in a simple process and affording a polyelectrolyte film having excellent swelling resistance of the resultant film under high-temperature and high-humidity conditions and high ionic conductivity characteristics. <P>SOLUTION: The resin composition comprising a sulfonic acid group-containing polymer having a molecular structure represented by formula (1) and a polybenzimidazole-based polymer having a molecular structure represented by formula (7) is provided. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、樹脂組成物に関する。詳しくは、特定のスルホン酸基含有ポリマーと特定のポリベンズイミダゾール系ポリマーとが配合されてなる樹脂組成物に関する。さらには、該樹脂組成物の高分子電解質膜などへの用途に関するものである。   The present invention relates to a resin composition. Specifically, it relates to a resin composition comprising a specific sulfonic acid group-containing polymer and a specific polybenzimidazole polymer. Furthermore, the present invention relates to the use of the resin composition for polymer electrolyte membranes.

液体電解質の代わりに高分子固体電解質をイオン伝導体として用いる電気化学的装置の例として、水電解槽や燃料電池がある。これらに用いられる高分子膜は、カチオン交換膜としてプロトン導電率とともに化学的、熱的、電気化学的および力学的に十分安定なものでなくてはならない。このため、長期にわたり使用できるものとしては、主にパーフルオロカーボンスルホン酸膜が使用されてきた。しかしながら、100℃を越える条件で運転しようとすると、膜の含水率が急激に落ちるほか、膜の軟化も顕著となり燃料電池として十分な性能を発揮することができない。また、メタノールを燃料とする燃料電池においては、膜内のメタノール透過による性能低下がおこり、十分な性能を発揮することができない。さらに、水素を燃料として80℃付近で運転する燃料電池においても、パーフルオロカーボンスルホン酸は、膜や接着用樹脂としてのコストが高すぎることが燃料電池技術確立の障害として指摘されている。   Examples of electrochemical devices that use a polymer solid electrolyte as an ionic conductor instead of a liquid electrolyte include a water electrolyzer and a fuel cell. The polymer membrane used for these must be sufficiently stable chemically, thermally, electrochemically and mechanically with proton conductivity as a cation exchange membrane. For this reason, perfluorocarbon sulfonic acid membranes have been mainly used as those that can be used over a long period of time. However, if the operation is performed at a temperature exceeding 100 ° C., the moisture content of the membrane is drastically lowered, and the membrane is also softened, so that sufficient performance as a fuel cell cannot be exhibited. Further, in a fuel cell using methanol as a fuel, the performance is deteriorated due to methanol permeation in the membrane, and sufficient performance cannot be exhibited. Furthermore, it has been pointed out as a hindrance to the establishment of fuel cell technology that perfluorocarbon sulfonic acid is too expensive as a membrane or adhesive resin even in a fuel cell that operates at about 80 ° C. using hydrogen as a fuel.

このような欠点を克服するため、芳香族環含有ポリマーにスルホン酸基を導入した高分子電解質膜が種々検討されている。例えば、高耐熱、高耐久性のポリマーとして知られるポリベンズイミダゾールなどの芳香族ポリアゾール系のポリマーにスルホン酸基を導入して上記目的に利用することが考えられる。このようなポリマー構造として、スルホン酸を含有したポリベンズイミダゾールについては、3,3’−ジアミノベンジジンと3,5−ジカルボキシベンゼンスルホン酸または2,5−ジカルボキシベンゼンスルホン酸から合成するもの(非特許文献1)が、1,2,4,5−ベンゼンテトラミンと2,5−ジカルボキシベンゼンスルホン酸を主成分として合成するもの(特許文献1)が報告されている。しかしながら、これらの報告では、スルホン酸含有ポリベンズイミダゾールの溶解性や耐熱性などには注意が向けられているが、スルホン酸基が持つ電気化学的特性について顧みられることはなかった。特に、これらの物は、耐熱性、耐溶剤性、機械的特性などの物理特性とイオン伝導特性とを両立させる点で劣り、高分子電解質膜などの用途には不適当なものであった。   In order to overcome such drawbacks, various polymer electrolyte membranes in which a sulfonic acid group is introduced into an aromatic ring-containing polymer have been studied. For example, it is conceivable to introduce a sulfonic acid group into an aromatic polyazole-based polymer such as polybenzimidazole, which is known as a high heat resistance and high durability polymer, and use it for the above purpose. As such a polymer structure, polybenzimidazole containing sulfonic acid is synthesized from 3,3′-diaminobenzidine and 3,5-dicarboxybenzenesulfonic acid or 2,5-dicarboxybenzenesulfonic acid ( Non-Patent Document 1) has been reported which synthesizes 1,2,4,5-benzenetetramine and 2,5-dicarboxybenzenesulfonic acid as main components (Patent Document 1). However, in these reports, attention has been paid to the solubility and heat resistance of the sulfonic acid-containing polybenzimidazole, but the electrochemical characteristics of the sulfonic acid group have not been considered. In particular, these materials are inferior in terms of achieving both physical properties such as heat resistance, solvent resistance, and mechanical properties and ion conduction properties, and are unsuitable for uses such as polymer electrolyte membranes.

また、スルホン酸基より耐熱性に優れると考えられるホスホン酸基を有する芳香族ポリマーに関し、4,4’−(2,2,2−トリフルオロ−1−(トリフルオロメチル)エチリデン)ビス(2−アミノフェノール)からなるポリベンズオキサゾールが報告されている(特許文献2)。しかしながら、このポリマーは、アルコール溶解性が特徴であり、この溶解性の良さで複合材料としての可能性に着目するものであり、燃料電池用途の固体高分子電解質としては全く考慮されていない。すなわち、このポリマーはメタノールを燃料とする燃料電池用の固体高分子電解質に適さないことは明白であるとともに、イオン伝導性も低い値しか示さなかった。   Further, regarding an aromatic polymer having a phosphonic acid group, which is considered to have better heat resistance than a sulfonic acid group, 4,4 ′-(2,2,2-trifluoro-1- (trifluoromethyl) ethylidene) bis (2 Polybenzoxazole composed of (aminophenol) has been reported (Patent Document 2). However, this polymer is characterized by alcohol solubility, and pays attention to its potential as a composite material due to its good solubility, and is not considered at all as a solid polymer electrolyte for use in fuel cells. That is, this polymer was clearly not suitable for a solid polymer electrolyte for a fuel cell using methanol as a fuel, and also showed only a low value of ionic conductivity.

一方、高分子固体電解質膜として有望な高分子の骨格構造として、芳香族ポリアリーレンエーテルケトン類や芳香族ポリアリーレンエーテルスルホン類などの芳香族ポリアリーレンエーテル化合物が検討されており、例えば、ポリアリールエーテルスルホンをスルホン化したもの(非特許文献2)、ポリエーテルエーテルケトンをスルホン化したもの(特許文献3)などが報告されている。しかしながら、これらの高分子電解質膜は、イオン伝導性は良い性能を示すものの、高温高湿条件では膜の膨潤が大きく、イオン伝導膜として使用できなくなる欠点を有している。この欠点を克服するため、これらの酸性基含有ポリマーを塩基性ポリマーとブレンドすることにより、高分子鎖間の酸/塩基結合を利用して高温高湿下での電解質膜の膨潤を抑えようとする試みが報告されている(例えば非特許文献3、4及び特許文献4、5)。しかしながら、これらのブレンド膜では、塩基性ポリマーの混合割合を増していくと電解質膜のイオン伝導性が低下してしまうほか、酸/塩基ポリマー混合溶液としたときに沈殿が生じてしまうため、酸性基含有ポリマーを予めアミン塩などにしておく必要があり、製膜後に酸処理が必要であるなど煩雑な製造工程になってしまう欠点があった。さらに、製膜性が改良された酸性基含有ポリベンズイミダゾールと酸性基含有ポリマーを組み合わせた樹脂組成物からなる高分子電解質膜として、特許文献6や特許文献7が報告されているが、燃料電池膜としての特性は十分と言えるものではなかった。
米国特許第5,312,895号明細書 米国特許第5,498,784号明細書 特開平6−93114号公報 国際特許公開WO99−54407号公報 国際特許公開WO99−54389号公報 特開2003−327825号公報 特開2005−139318号公報 Journal of Polymer Science., Polymer Chemistry、1977年、15巻、P.1309 Journal of Membrane Science,1993年、83巻,P.211 Solid State Ionics、1999年、125巻、P.243 Journal of Applied Polymer Science、1999年、74巻、P.67
On the other hand, aromatic polyarylene ether compounds such as aromatic polyarylene ether ketones and aromatic polyarylene ether sulfones have been studied as a polymer skeletal structure that is promising as a polymer solid electrolyte membrane. A sulfonated one of ether sulfone (Non-patent Document 2) and a sulfonated polyether ether ketone (Patent Document 3) have been reported. However, these polymer electrolyte membranes have good ion conductivity, but have a drawback that they cannot be used as an ion conductive membrane due to large swelling of the membrane under high temperature and high humidity conditions. In order to overcome this drawback, these acidic group-containing polymers are blended with a basic polymer to suppress swelling of the electrolyte membrane under high temperature and high humidity by utilizing an acid / base bond between polymer chains. Attempts to do so have been reported (for example, Non-Patent Documents 3 and 4 and Patent Documents 4 and 5). However, in these blend membranes, if the mixing ratio of the basic polymer is increased, the ionic conductivity of the electrolyte membrane is lowered, and precipitation occurs when the acid / base polymer mixed solution is used. The group-containing polymer must be preliminarily made into an amine salt and the like, and there is a drawback that it becomes a complicated manufacturing process such that acid treatment is necessary after film formation. Further, Patent Document 6 and Patent Document 7 have been reported as polymer electrolyte membranes made of a resin composition in which an acidic group-containing polybenzimidazole and an acidic group-containing polymer are improved in film-forming properties. The film characteristics were not satisfactory.
US Pat. No. 5,312,895 US Pat. No. 5,498,784 JP-A-6-93114 International Patent Publication No. WO99-54407 International Patent Publication No. WO99-54389 JP 2003-327825 A JP 2005-139318 A Journal of Polymer Science., Polymer Chemistry, 1977, 15, p. 1309 Journal of Membrane Science, 1993, 83, p. 211 Solid State Ionics, 1999, 125, p. 243 Journal of Applied Polymer Science, 1999, 74, p. 67

本発明の目的は、簡潔な製膜プロセスで成形できるとともに、高温高湿下での膜の膨潤を抑えることができ、かつ高いイオン伝導特性を示す高分子電解質膜として特に優れた特性を示す樹脂組成物を得ることにある。   The object of the present invention is a resin that can be molded by a simple film-forming process, can suppress swelling of the film under high temperature and high humidity, and has a particularly excellent characteristic as a polymer electrolyte membrane exhibiting high ion conduction characteristics It is to obtain a composition.

本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、特定の芳香環上にスルホン酸基および/またはホスホン酸基を有するポリベンズイミダゾール系ポリマーと特定のスルホン酸基含有ポリマーとを配合した樹脂組成物により、上記目的が達成されることを見い出すに至った。   As a result of intensive studies, the present inventors have obtained a resin composition comprising a polybenzimidazole polymer having a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group on a specific aromatic ring and a specific sulfonic acid group-containing polymer. It has been found that the above purpose is achieved.

すなわち本発明は、下記(1)〜(15)の構成を採用することにより達成される。
(1)下記の化学式(1)で示される分子構造を有し、対数粘度が0.1以上のスルホン酸基含有ポリマーと下記の化学式(7)で示される分子構造を有し、対数粘度が0.25以上のポリベンズイミダゾール系ポリマーとを、質量比で99.9:0.1〜30:70の割合で含有することを特徴とする樹脂組成物。

Figure 2008069188
(ただし、Xは水素又は1価のカチオン種、Yはスルホン基又はケトン基、Arは下記化学式(2)である場合か、または化学式(3)および(4)の両方を同時に含む場合かのいずれかを示す。)
Figure 2008069188
(ただし、Arが化学式(2)である場合、Zは酸素原子、nは2以上の任意の整数を示す。Arが化学式(3)および(4)の両方を同時に含む場合、Zは独立して酸素原子又は硫黄原子のいずれかを、Zは酸素原子、硫黄原子、−C(CH−基、−C(CF−基、−CH−基、シクロヘキシル基のいずれかを示す。また、Arが化学式(3)および(4)の両方を同時に含む場合は、上記化学式(1)とともに下記化学式(5)および(6)の分子構造を同時に含む。)
Figure 2008069188
(ただし、Ar、Arは2価の芳香族結合ユニットを、Z、Zは独立して酸素原子又は硫黄原子のいずれかを、Zは酸素原子、硫黄原子、−C(CH−基、−C(CF−基、−CH−基、シクロヘキシル基のいずれかを示す。
Figure 2008069188
(ただし、Rはイミダゾール環を形成できる4価の芳香族結合ユニットを、Rは2価の芳香族結合ユニットを表し、RおよびRはいずれも芳香環の単環であっても複数の芳香環の結合体あるいは縮合環であっても良く、安定な置換基を有していても良い。Zは、スルホン酸基および/またはホスホン酸基を表し、その一部が塩構造となっていても良い。mは1から4の整数を表す。) That is, the present invention is achieved by adopting the following configurations (1) to (15).
(1) A sulfonic acid group-containing polymer having a molecular structure represented by the following chemical formula (1) and having a logarithmic viscosity of 0.1 or more and a molecular structure represented by the following chemical formula (7), wherein the logarithmic viscosity is A resin composition comprising a polybenzimidazole polymer of 0.25 or more in a mass ratio of 99.9: 0.1 to 30:70.
Figure 2008069188
(Where X is hydrogen or a monovalent cation species, Y is a sulfone group or ketone group, and Ar 1 is the following chemical formula (2), or includes both of the chemical formulas (3) and (4) simultaneously) Indicates one of these.)
Figure 2008069188
(However, if Ar 1 is a chemical formula (2), when Z 1 is an oxygen atom, n represents simultaneously contain .Ar 1 showing the arbitrary integer of 2 or more both chemical formula (3) and (4), Z 1 independently represents either an oxygen atom or a sulfur atom, Z 2 represents an oxygen atom, a sulfur atom, a —C (CH 3 ) 2 — group, a —C (CF 3 ) 2 — group, a —CH 2 — group, Any one of cyclohexyl groups, and when Ar 1 contains both of the chemical formulas (3) and (4), the chemical formula (1) and the molecular structure of the following chemical formulas (5) and (6) are included at the same time. .)
Figure 2008069188
(However, Ar 2 and Ar 3 are divalent aromatic bond units, Z 3 and Z 4 are independently oxygen atoms or sulfur atoms, Z 5 is an oxygen atom, sulfur atom, and —C (CH 3) 2 - group shown, one of the cyclohexyl groups - group, -C (CF 3) 2 - group, -CH 2.
Figure 2008069188
(However, R 1 represents a tetravalent aromatic bond unit capable of forming an imidazole ring, R 2 represents a divalent aromatic bond unit, and R 1 and R 2 may be monocyclic aromatic rings. It may be a conjugate of a plurality of aromatic rings or a condensed ring, and may have a stable substituent, Z represents a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group, part of which has a salt structure M 1 represents an integer of 1 to 4.)

(2)スルホン酸基含有ポリマーが、さらに下記の化学式(8)で示される分子構造を有することを特徴とする第1の発明に記載の樹脂組成物。

Figure 2008069188
(ただし、Arは2価の芳香族結合ユニットを、nは2以上の任意の整数を示す。)
(3)スルホン酸基含有ポリマーの分子構造中のAr〜Arが、下記化学式(9)〜(12)で表される分子構造から選ばれる1種以上である第1または2の発明に記載の樹脂組成物。
Figure 2008069188
(4)スルホン酸基含有ポリマーのZとZがいずれも硫黄原子である第1〜3の発明のいずれかに記載の樹脂組成物。 (2) The resin composition according to the first invention, wherein the sulfonic acid group-containing polymer further has a molecular structure represented by the following chemical formula (8).
Figure 2008069188
(However, Ar 4 represents a divalent aromatic bond unit, and n represents an arbitrary integer of 2 or more.)
(3) In the first or second invention, Ar 2 to Ar 4 in the molecular structure of the sulfonic acid group-containing polymer is at least one selected from the molecular structures represented by the following chemical formulas (9) to (12): The resin composition as described.
Figure 2008069188
(4) The resin composition according to any one of the first to third inventions, wherein Z 2 and Z 5 of the sulfonic acid group-containing polymer are both sulfur atoms.

(5)化学式(1)、(5)および(6)でそれぞれ表される繰り返し分子構造及びその他の繰り返し分子構造のモル比が、数式1〜3を満たす第1〜4の発明のいずれかに記載の樹脂組成物。
(数式1) 0.9≦(n1+n2+n3+n4)/(n1+n2+n3+n4+n5)≦1.0
(数式2) 0.05≦(n1+n2)/(n1+n2+n3+n4)≦0.7
(数式3) 0.01≦(n2+n4)/(n1+n2+n3+n4)≦0.95
(上記数式中、n1はArが化学式(3)である場合の化学式(1)で表される繰り返し分子構造のモル%を、n2はArが化学式(4)である場合の化学式(1)で表される繰り返し分子構造のモル%を、n3は化学式(5)で表される繰り返し分子構造のモル%を、n4は化学式(6)で表される繰り返し分子構造のモル%を、n5はその他の繰り返し分子構造のモル%を、それぞれ表す。)
(6)スルホン酸基含有ポリマーが、下記の化学式(13)で表される末端ジヒドロキシ化合物であって、nの異なる複数の成分からなり、かつ平均で表される組成が1<n≦10の範囲にあるものをモノマー成分の一部として使用することにより得られたものである第1〜5の発明のいずれかに記載の樹脂組成物。

Figure 2008069188
(ただし、nは0以上の整数を表す。)
(7)スルホン酸基含有ポリマーのスルホン酸基含有量が0.3〜5.0meq/gの範囲内である第1〜6の発明のいずれかに記載の樹脂組成物。 (5) Any one of the first to fourth inventions in which the molar ratio of the repeating molecular structure represented by the chemical formulas (1), (5), and (6) and the other repeating molecular structures satisfy Formulas 1 to 3. The resin composition as described.
(Formula 1) 0.9 ≦ (n1 + n2 + n3 + n4) / (n1 + n2 + n3 + n4 + n5) ≦ 1.0
(Formula 2) 0.05 ≦ (n1 + n2) / (n1 + n2 + n3 + n4) ≦ 0.7
(Formula 3) 0.01 ≦ (n2 + n4) / (n1 + n2 + n3 + n4) ≦ 0.95
(In the above formula, n1 is the mol% of the repeating molecular structure represented by the chemical formula (1) when Ar 1 is the chemical formula (3), and n2 is the chemical formula (1 when Ar 1 is the chemical formula (4) (1). N3 represents the mol% of the repeating molecular structure represented by the chemical formula (5), n4 represents the mol% of the repeating molecular structure represented by the chemical formula (6), n5 Represents the mol% of other repeating molecular structures, respectively.)
(6) The sulfonic acid group-containing polymer is a terminal dihydroxy compound represented by the following chemical formula (13), and is composed of a plurality of components different from each other, and the average composition is 1 <n ≦ 10. The resin composition in any one of the 1st-5th invention obtained by using what is in a range as a part of monomer component.
Figure 2008069188
(However, n represents an integer of 0 or more.)
(7) The resin composition according to any one of the first to sixth inventions, wherein the sulfonic acid group content of the sulfonic acid group-containing polymer is in the range of 0.3 to 5.0 meq / g.

(8)ポリベンズイミダゾール系ポリマーが下記の化学式(14)と化学式(15)で示される構造で表される結合ユニットをn:(1−n)のモル比で有する第1〜7の発明のいずれかに記載の樹脂組成物。

Figure 2008069188
(ただし、Arは2価の芳香族結合ユニットを表し、Xは−O−、−SO−、−C(CH−、−C(CF−、−OPhO−からなる群から選ばれる1種以上であり、Phは2価の芳香族結合ユニットを表す。また、n(モル比)は、0.2≦n≦1.0の式を満たす。mは1から4の整数を表す。)
(9)ポリベンズイミダゾール系ポリマーが、下記の化学式(16)と化学式(17)で示される分子構造で表される結合ユニットをn:(1−n)のモル比で有する第1〜7の発明のいずれかに記載の樹脂組成物。
Figure 2008069188
(ただし、Arは芳香族結合ユニットを表し、Xは−O−、−SO−、−S−、−CH−、−OPhO−よりなる群から選ばれる1種以上であり、Phは2価の芳香族結合ユニットを表す。また、n(モル比)は、0.2≦n≦1.0の式を満たす。mは1から4の整数を表す。)
(10)ポリベンズイミダゾール系ポリマーが下記の化学式(18)と化学式(19)で示される分子構造で表される結合ユニットをn:(1−n)のモル比で有する第1〜7の発明のいずれかに記載の樹脂組成物。
Figure 2008069188
(ただし、Arは芳香族結合ユニットを表し、Xは−O−、−SO−、−S−、−CH−、−C(CH−、−C(CF−、−OPhO−よりなる群から選ばれる1種以上であり、Phは2価の芳香族結合ユニットを表す。また、n(モル比)は、0.1≦n≦0.9の式を満たす。mおよびmは1から4の整数を表す。)
(11)スルホン酸基含有ポリマーとポリベンズイミダゾール系ポリマーとの割合が、質量比で95:5〜70:30である第1〜10の発明のいずれかに記載の樹脂組成物。 (8) First to seventh polybenzimidazole polymers having a bond unit represented by the structure represented by the following chemical formula (14) and chemical formula (15) in a molar ratio of n 1 : (1-n 1 ). The resin composition in any one of invention.
Figure 2008069188
(However, Ar represents a divalent aromatic bond unit, and X 1 consists of —O—, —SO 2 —, —C (CH 3 ) 2 —, —C (CF 3 ) 2 —, and —OPhO—. at least one element selected from the group, Ph represents a bivalent aromatic bond unit. in addition, n 1 (molar ratio), the .m 1 satisfying the formula of 0.2 ≦ n 1 ≦ 1.0 Represents an integer from 1 to 4.)
(9) The first to first polybenzimidazole polymers having a bond unit represented by the molecular structure represented by the following chemical formula (16) and chemical formula (17) in a molar ratio of n 2 : (1-n 2 ). 8. The resin composition according to any one of the seventh invention.
Figure 2008069188
(However, Ar represents an aromatic bond unit, X 2 is at least one selected from the group consisting of —O—, —SO 2 —, —S—, —CH 2 —, —OPhO—, and Ph is Represents a divalent aromatic bond unit, and n 2 (molar ratio) satisfies a formula of 0.2 ≦ n 2 ≦ 1.0. M 1 represents an integer of 1 to 4.
(10) First to seventh polybenzimidazole polymers having a bond unit represented by the molecular structure represented by the following chemical formula (18) and chemical formula (19) in a molar ratio of n 3 : (1-n 3 ) The resin composition according to any one of the inventions.
Figure 2008069188
(However, Ar represents an aromatic bond unit, and X 3 represents —O—, —SO 2 —, —S—, —CH 2 —, —C (CH 3 ) 2 —, —C (CF 3 ) 2 —. , —OPhO—, wherein Ph represents a divalent aromatic bond unit, and n 3 (molar ratio) is a formula of 0.1 ≦ n 3 ≦ 0.9. M 3 and m 4 represent an integer of 1 to 4.)
(11) The resin composition according to any one of the first to tenth inventions, wherein the ratio of the sulfonic acid group-containing polymer and the polybenzimidazole polymer is 95: 5 to 70:30 by mass ratio.

(12)第1〜11の発明のいずれかに記載の樹脂組成物からなるイオン伝導膜。
(13)第12の発明に記載のイオン伝導膜と電極とが接合された複合体。
(14)第13の発明に記載の複合体をイオン伝導膜/電極接合体として用いた燃料電池。
(15)第1〜11の発明のいずれかに記載の樹脂組成物を含有する接着剤。
(12) An ion conductive membrane comprising the resin composition according to any one of the first to eleventh inventions.
(13) A composite in which the ion conductive membrane according to the twelfth invention and an electrode are joined.
(14) A fuel cell using the composite according to the thirteenth invention as an ion conductive membrane / electrode assembly.
(15) An adhesive containing the resin composition according to any one of the first to eleventh inventions.

本発明の樹脂組成物は、溶剤との混和性に優れて製膜が容易であり、得られた膜は、イオン伝導性に優れるとともに、高温高湿下での寸法安定性に優れているため、燃料電池などのイオン交換膜として好適である。特に、イオン交換膜電極接合体作製時に電極との接合性、加工性に優れ、耐久性に優れた膜電極接合体を得ることができる。さらに、本発明の樹脂組成物は溶剤溶解性に優れていることから、イオン交換膜と電極との接合体などの作製時のバインダー、接着剤等として利用することもできる。
本発明の酸性基含有ポリマーとともに酸性基含有ポリベンズイミダゾール系ポリマーを含む樹脂組成物は、耐久性だけでなく、加工性やイオン伝導性などにおいても優れた性質を示す新規材料である。このような優れた性質を有するため、本発明の樹脂組成物は、燃料電池用の固体高分子電解質膜用材料として好適に使用することができる。
The resin composition of the present invention is excellent in miscibility with a solvent and can be easily formed into a film. The resulting film has excellent ion conductivity and dimensional stability under high temperature and high humidity. It is suitable as an ion exchange membrane for fuel cells. In particular, it is possible to obtain a membrane electrode assembly that is excellent in bondability with an electrode and workability when producing an ion exchange membrane electrode assembly and excellent in durability. Furthermore, since the resin composition of the present invention is excellent in solvent solubility, it can also be used as a binder, an adhesive, and the like when producing a joined body of an ion exchange membrane and an electrode.
The resin composition containing the acidic group-containing polybenzimidazole polymer together with the acidic group-containing polymer of the present invention is a novel material exhibiting excellent properties not only in durability but also in workability and ion conductivity. Since it has such excellent properties, the resin composition of the present invention can be suitably used as a material for a solid polymer electrolyte membrane for a fuel cell.

以下、本発明について詳細に説明する。
本発明におけるスルホン酸基含有ポリマーは、下記の化学構造式(1)で示される構成単位を含有する。

Figure 2008069188
(ただし、Xは水素又は1価のカチオン種、Yはスルホン基又はケトン基、Arは下記化学式(2)かまたは化学式(3)および(4)の両方を含むかのいずれかを示す。nは2以上の任意の整数を示す。)
Figure 2008069188
(ただし、Arが化学式(2)である場合、Zは酸素原子、nは2以上の任意の整数を示す。Arが化学式(3)および(4)の両方を同時に含む場合、Zは独立して酸素原子又は硫黄原子のいずれかを、Zは酸素原子、硫黄原子、−C(CH−基、−C(CF−基、−CH−基、シクロヘキシル基のいずれかを示す。また、Arが化学式(3)および(4)の両方を同時に含む場合は、上記化学式(1)とともに下記化学式(5)および(6)の分子構造を同時に含む。)
Figure 2008069188
(ただし、Ar、Arは2価の芳香族結合ユニットを、Z、Zは独立して酸素原子又は硫黄原子のいずれかを、Zは酸素原子、硫黄原子、−C(CH−基、−C(CF−基、−CH−基、シクロヘキシル基のいずれかを示す。) Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The sulfonic acid group-containing polymer in the present invention contains a structural unit represented by the following chemical structural formula (1).
Figure 2008069188
(However, X represents hydrogen or a monovalent cation species, Y represents a sulfone group or a ketone group, and Ar 1 represents either the following chemical formula (2) or the chemical formulas (3) and (4). n represents an arbitrary integer of 2 or more.)
Figure 2008069188
(However, if Ar 1 is a chemical formula (2), when Z 1 is an oxygen atom, n represents simultaneously contain .Ar 1 showing the arbitrary integer of 2 or more both chemical formula (3) and (4), Z 1 independently represents either an oxygen atom or a sulfur atom, Z 2 represents an oxygen atom, a sulfur atom, a —C (CH 3 ) 2 — group, a —C (CF 3 ) 2 — group, a —CH 2 — group, Any one of cyclohexyl groups, and when Ar 1 contains both of the chemical formulas (3) and (4), the chemical formula (1) and the molecular structure of the following chemical formulas (5) and (6) are included at the same time. .)
Figure 2008069188
(However, Ar 2 and Ar 3 are divalent aromatic bond units, Z 3 and Z 4 are independently oxygen atoms or sulfur atoms, Z 5 is an oxygen atom, sulfur atom, and —C (CH 3) 2 - group, -C (CF 3) 2 - group, -CH 2 - group, any one of a cyclohexyl group).

化学式(1)中、Xにおける1価のカチオン種としては、ナトリウム、カリウムなどの1価の金属塩、アンモニウム塩などの有機塩基化合物との塩などが含まれる。上記化学式(1)の分子構造は、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジハロゲン化ジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジハロゲン化ベンゾフェノンまたはそれらの誘導体と特定の芳香族ジヒドロキシ化合物および/または芳香族ジチオール化合物から芳香族求核置換反応により形成される構造成分である。本発明におけるスルホン化ポリマーは、そのポリマー鎖中に上記化学式(1)の分子構造を含んでいることが特徴であるので、上記化学式(1)で表される分子構造のみからなっていても良いが、上記化学式(1)の分子構造を与える以外の他の芳香族ジヒドロキシ化合物や芳香族ジハロゲン化化合物をそれぞれ1種以上共重合した形のものであっても良い。また、上記化学式(1)を与える分子構造は1種だけでなく、1種以上の分子構造が存在していてもよく、上記化学式(1)以外の分子構造性分も複数存在していても良い。いずれにしても、上記化学式(1)で表される分子構造がスルホン化ポリアリーレンエーテルの中に存在することによって、イオン伝導性、耐熱性、加工性に優れた化合物となる。本発明のスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル中には、上記分子構造式で表される構成単位の割合は10%以上あることが好ましく、20%以上であることがさらに好ましい。   In the chemical formula (1), monovalent cation species for X include monovalent metal salts such as sodium and potassium, salts with organic base compounds such as ammonium salts, and the like. The molecular structure of the above chemical formula (1) has 3,3′-disulfo-4,4′-dihalogenated diphenylsulfone, 3,3′-disulfo-4,4′-dihalogenated benzophenone or derivatives thereof and a specific fragrance. It is a structural component formed from an aromatic dihydroxy compound and / or an aromatic dithiol compound by an aromatic nucleophilic substitution reaction. Since the sulfonated polymer in the present invention is characterized by containing the molecular structure of the chemical formula (1) in the polymer chain, it may be composed only of the molecular structure represented by the chemical formula (1). However, it may be in the form of a copolymer obtained by copolymerizing one or more aromatic dihydroxy compounds or aromatic dihalogenated compounds other than those giving the molecular structure of the chemical formula (1). In addition, the molecular structure giving the chemical formula (1) is not limited to one type, and one or more molecular structures may exist, and a plurality of molecular structural components other than the chemical formula (1) may exist. good. In any case, when the molecular structure represented by the chemical formula (1) is present in the sulfonated polyarylene ether, the compound is excellent in ion conductivity, heat resistance, and processability. In the sulfonic acid group-containing polyarylene ether of the present invention, the proportion of the structural unit represented by the molecular structural formula is preferably 10% or more, and more preferably 20% or more.

化学式(1)における好ましい分子構造は、Arが上記化学式(2)で表されるものであり、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジハロゲン化ジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジハロゲン化ベンゾフェノンまたはそれらの誘導体と末端ヒドロキシル基含有フェニレンエーテルオリゴマーから芳香族求核置換反応により形成される分子構造成分である。フェニレンエーテルオリゴマーから構成される部分は、上記式においてnが2以上の整数から選ばれる任意の数で示される。nは特定の数字からなる単独化合物でも良いが、複数のnが混合されたものであっても良い。また、nが2以上で示される成分を含んでいれば、n=0やn=1に相当するジフェニルエーテルユニットやジフェノキシベンゼンユニットを含んでいても構わない。また、分子鎖中のスルホン酸基量を有効に含有させるためには、nは10以下のものを主に選ばれることが好ましい。本発明においては、nが2以上である上記式(1)の構造を含むことによりポリアリーレンエーテル分子鎖の柔軟性が上がることより特徴が発現するので、本発明のスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル中には、上記分子構造式で表される構成単位の割合は10%以上あることが好ましく、20%以上であることがさらに好ましい。 A preferred molecular structure in the chemical formula (1) is such that Ar 1 is represented by the chemical formula (2), and 3,3′-disulfo-4,4′-dihalogenated diphenylsulfone, 3,3′-disulfo- It is a molecular structural component formed by aromatic nucleophilic substitution reaction from 4,4′-dihalogenated benzophenone or a derivative thereof and a terminal hydroxyl group-containing phenylene ether oligomer. The portion composed of the phenylene ether oligomer is represented by any number selected from the integers of 2 or more in the above formula. n may be a single compound composed of specific numbers, but may be a mixture of a plurality of n. In addition, as long as it includes a component where n is 2 or more, a diphenyl ether unit or a diphenoxybenzene unit corresponding to n = 0 or n = 1 may be included. In order to effectively contain the amount of sulfonic acid group in the molecular chain, it is preferable that n is mainly selected from 10 or less. In the present invention, since the characteristics of the polyarylene ether molecular chain are increased by including the structure of the above formula (1) in which n is 2 or more, the sulfonic acid group-containing polyarylene ether of the present invention Among them, the proportion of the structural unit represented by the molecular structural formula is preferably 10% or more, and more preferably 20% or more.

上述のように本発明におけるスルホン酸基含有ポリマーはその分子構造中に上記化学式(1)で表される構成単位においてArが上記化学式(2)で表される分子構造が含まれていることが重要であるので、上記化学式(1)の分子構造を導入する方法については特に制限されることはない。一般的な方法としては、上記化学式(1)を与えうるスルホン酸基またはスルホン酸基誘導体を含有する4,4’−ジハロゲン化ベンゾフェノンおよび/または4,4’−ジハロゲン化ジフェニルスルホンと末端ヒドロキシル基含有フェニレンエーテルオリゴマーをモノマーの少なくとも一部として使用する芳香族求核置換反応で合成することができる。スルホン酸基またはスルホン酸基誘導体を含有する4,4’−ジハロゲン化ベンゾフェノンおよび/または4,4’−ジハロゲン化ジフェニルスルホンの具体例としては、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジクロロベンゾフェノン、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジフルオロベンゾフェノン、およびそれらのスルホン酸基が1価カチオン種との塩になったもの等が挙げられる。1価カチオン種としては、ナトリウム、カリウムや他の金属種や各種アミン類等でも良く、これらに制限される訳ではない。 As described above, the sulfonic acid group-containing polymer in the present invention includes a molecular structure in which Ar 1 is represented by the chemical formula (2) in the structural unit represented by the chemical formula (1) in the molecular structure. Therefore, the method for introducing the molecular structure of the chemical formula (1) is not particularly limited. As a general method, 4,4′-dihalogenated benzophenone and / or 4,4′-dihalogenated diphenylsulfone containing a sulfonic acid group or a sulfonic acid group derivative capable of giving the above chemical formula (1) and a terminal hydroxyl group The phenylene ether oligomer can be synthesized by an aromatic nucleophilic substitution reaction using at least a part of the monomer. Specific examples of 4,4′-dihalogenated benzophenone and / or 4,4′-dihalogenated diphenylsulfone containing sulfonic acid groups or sulfonic acid group derivatives include 3,3′-disulfo-4,4′-dichloro Diphenyl sulfone, 3,3′-disulfo-4,4′-difluorodiphenyl sulfone, 3,3′-disulfo-4,4′-dichlorobenzophenone, 3,3′-disulfo-4,4′-difluorobenzophenone, and Examples thereof include those in which those sulfonic acid groups are converted to salts with monovalent cation species. The monovalent cation species may be sodium, potassium, other metal species, various amines, or the like, but is not limited thereto.

また、本発明におけるスルホン酸基含有ポリマーは、上記化学式(1)で表される分子構造とともに、下記化学式(8)で示される構成成分を含んでいることが好ましい。

Figure 2008069188
ただし、nは2以上の整数から選ばれる任意の数で示される。nは特定の数字からなる単独化合物でも良いが、複数のnが混合されたものであっても良い。化学式(2)で表される構成成分はフェニレンエーテルオリゴマーが占める割合が大きいため、本発明におけるスルホン酸基含有ポリマーの分子鎖をより柔軟にするのに有効である。本発明におけるスルホン酸基含有ポリマーが上記化学式(1)および化学式(8)で表される構成成分を含む場合は、本発明におけるスルホン化ポリアリーレンエーテルの全構成単位中にそれらの構成単位が40%以上含有されていれば好ましく、60%以上であればさらに好ましい。 Moreover, it is preferable that the sulfonic acid group containing polymer in this invention contains the structural component shown by following Chemical formula (8) with the molecular structure represented by the said Chemical formula (1).
Figure 2008069188
However, n is shown by the arbitrary numbers chosen from an integer greater than or equal to 2. n may be a single compound composed of specific numbers, but may be a mixture of a plurality of n. Since the component represented by the chemical formula (2) has a large proportion of the phenylene ether oligomer, it is effective for making the molecular chain of the sulfonic acid group-containing polymer in the present invention more flexible. When the sulfonic acid group-containing polymer in the present invention contains the constituents represented by the above chemical formulas (1) and (8), the constituent units are 40 in all the constituent units of the sulfonated polyarylene ether in the present invention. % Or more is preferable, and 60% or more is more preferable.

また、上記化学式(8)で表される分子構造は、下記化学式(20)で示される構成成分であることが好ましい。

Figure 2008069188
ただし、nは2以上の整数から選ばれる任意の数で示される。nは特定の数字からなる単独化合物でも良いが、複数のnが混合されたものであっても良い。化学式(2)で表される構成成分はフェニレンエーテルオリゴマーが占める割合が大きいため、本発明におけるスルホン酸基含有ポリマーの分子鎖をより柔軟にするのに有効である。本発明におけるスルホン酸基含有ポリマーが上記化学式(1)および化学式(20)で表される構成成分を含む場合は、本発明におけるスルホン酸基含有ポリマーの全構成単位中にそれらの構成単位が40%以上含有されていれば好ましく、60%以上であればさらに好ましい。
上記化学式(20)を与えることができるジハロゲン化化合物の例として、2,6−ジクロロベンゾニトリル、2,6−ジフルオロベンゾニトリル、等を挙げることができる。 In addition, the molecular structure represented by the chemical formula (8) is preferably a constituent component represented by the following chemical formula (20).
Figure 2008069188
However, n is shown by the arbitrary numbers chosen from an integer greater than or equal to 2. n may be a single compound composed of specific numbers, but may be a mixture of a plurality of n. Since the component represented by the chemical formula (2) has a large proportion of the phenylene ether oligomer, it is effective for making the molecular chain of the sulfonic acid group-containing polymer in the present invention more flexible. When the sulfonic acid group-containing polymer in the present invention contains the structural components represented by the chemical formula (1) and the chemical formula (20), those structural units are 40 in all the structural units of the sulfonic acid group-containing polymer in the present invention. % Or more is preferable, and 60% or more is more preferable.
Examples of the dihalogenated compound that can give the chemical formula (20) include 2,6-dichlorobenzonitrile, 2,6-difluorobenzonitrile, and the like.

本発明におけるスルホン酸基含有ポリマーを得るための芳香族求核置換反応において、上記化学式(1)および(8)を与える末端ヒドロキシル基含有フェニレンエーテルオリゴマーは下記化学式(13)で表すことができる。

Figure 2008069188
ただし、nは2以上の整数から選ばれる任意の数を示す。化学式(13)で表される末端ヒドロキシル基含有フェニレンエーテルオリゴマーはnが単一の化合物からなるものを使用しても良いが、nの異なる複数の成分を含んでいても良い。nの異なる複数の成分を含んでいる場合には、その平均組成が1<n≦10の範囲にあるものをモノマー成分の一部として使用することが好ましい。また、より好ましくは平均組成が2≦n≦10の範囲にあるものをモノマー成分の一部として使用することが好ましい。平均組成としてのnが1より小さいと得られるポリマーのガラス転移温度が高くなり、燃料電池用材料としての加工性が低下する傾向にあり、平均組成がn>10であるとガラス転移温度が低くなり燃料電池材料として使用する際の耐熱性が不十分となる傾向が現れるためである。なお、化学式(13)で表される末端ヒドロキシル基含有フェニレンエーテルオリゴマーがnのことなる複数の成分を含んでいる場合、その平均組成はNMR等により、nのことなる成分の存在率はGPC等により決定することができる。 In the aromatic nucleophilic substitution reaction for obtaining the sulfonic acid group-containing polymer in the present invention, the terminal hydroxyl group-containing phenylene ether oligomer giving the chemical formulas (1) and (8) can be represented by the following chemical formula (13).
Figure 2008069188
However, n shows the arbitrary numbers chosen from 2 or more integers. The terminal hydroxyl group-containing phenylene ether oligomer represented by the chemical formula (13) may be one having n as a single compound, but may contain a plurality of components having different n. When a plurality of components having different n are included, it is preferable to use a component having an average composition in the range of 1 <n ≦ 10 as a part of the monomer component. More preferably, an average composition having a range of 2 ≦ n ≦ 10 is used as a part of the monomer component. When n as an average composition is smaller than 1, the glass transition temperature of the obtained polymer tends to be high, and the processability as a fuel cell material tends to decrease. When the average composition is n> 10, the glass transition temperature is low. This is because the heat resistance when used as a fuel cell material tends to be insufficient. In addition, when the terminal hydroxyl group-containing phenylene ether oligomer represented by the chemical formula (13) includes a plurality of components different from n, the average composition is determined by NMR or the like, and the abundance of components different from n is GPC or the like. Can be determined.

また、化学式(1)における好ましい分子構造は、Arが下記化学式(3)および(4)の両方の分子構造を同時に含む場合である。

Figure 2008069188
(ただし、Zは独立して酸素原子又は硫黄原子のいずれかを、Zは酸素原子、硫黄原子、−C(CH−基、−C(CF−基、−CH−基、シクロヘキシル基のいずれかを示す。また、Arが化学式(3)および(4)の両方を同時に含む場合は、上記化学式(1)とともに下記化学式(5)および(6)の分子構造を同時に含む。)
Figure 2008069188
(ただし、Ar,Arは2価の芳香族結合ユニットを、Z,Zは独立して酸素原子又は硫黄原子のいずれかを、Zは酸素原子、硫黄原子、−C(CH−基、−C(CF−基、−CH−基、シクロヘキシル基のいずれかを示す。 Moreover, preferred molecular structure of the chemical formula (1) is a case Ar 1 simultaneously contain both of the molecular structure of the following chemical formula (3) and (4).
Figure 2008069188
(However, one of Z 1 is independently oxygen atom or sulfur atom, Z 2 is an oxygen atom, a sulfur atom, -C (CH 3) 2 - group, -C (CF 3) 2 - group, -CH In the case where Ar 1 includes both of the chemical formulas (3) and (4), the molecule represented by the following chemical formulas (5) and (6) together with the chemical formula (1) is shown. Including structure at the same time.)
Figure 2008069188
(However, Ar 2 and Ar 3 are divalent aromatic bond units, Z 3 and Z 4 are independently oxygen atoms or sulfur atoms, Z 6 is an oxygen atom, sulfur atom, and —C (CH 3) 2 - group shown, one of the cyclohexyl groups - group, -C (CF 3) 2 - group, -CH 2.

上記化学式(1)におけるArが上記化学式(3)、(4)で表される構成単位および上記化学式(5)、(6)で表される構成単位を含む本発明のスルホン酸基含有ポリマーにおいて、それぞれの構成単位はランダムに結合していてもよいし、同じ繰り返し単位が連続して結合していてもよい。また、その場合、全ての種類の繰り返し単位が連続して結合していてもよいし、一部の種類のみが連続して結合していてもよい。 The sulfonic acid group-containing polymer of the present invention, wherein Ar 1 in the chemical formula (1) includes a structural unit represented by the chemical formulas (3) and (4) and a structural unit represented by the chemical formulas (5) and (6). In the above, each structural unit may be bonded at random, or the same repeating unit may be bonded continuously. In that case, all types of repeating units may be continuously bonded, or only some types may be continuously bonded.

YはH又は1価の陽イオンを表すが、燃料電池のプロトン交換膜として用いる場合には、YはHであることが好ましい。また、溶解、成型、製膜などの加工においては、YがHであるよりも1価の陽イオンであるほうが、スルホン酸基の熱安定性が高まるため好ましい。1価の陽イオンとしては、Na、K、Liなどのアルカリ金属イオンや、アンモニウムイオン、第四級アミン塩などが例として挙げることができ、Na、K、Liなどのアルカリ金属イオンが好ましい。アルカリ金属塩となっているスルホン酸基は、硫酸、塩酸、過塩素酸などの強酸又はその水溶液でポリマーを処理することによって、スルホン酸基に変換することができる。スルホン酸基を有するポリマーは高いプロトン伝導性を示し、プロトン交換樹脂や、プロトン交換膜として用いることができる。中でもプロトン交換膜は、固体高分子形燃料電池の電解質として用いることができ、本発明のポリマーを用いると優れた性能を有する燃料電池を得ることができる。   Y represents H or a monovalent cation, but when used as a proton exchange membrane of a fuel cell, Y is preferably H. In processing such as dissolution, molding, and film formation, it is preferable that Y is a monovalent cation rather than H because the thermal stability of the sulfonic acid group is increased. Examples of monovalent cations include alkali metal ions such as Na, K and Li, ammonium ions and quaternary amine salts, and alkali metal ions such as Na, K and Li are preferred. The sulfonic acid group that is an alkali metal salt can be converted to a sulfonic acid group by treating the polymer with a strong acid such as sulfuric acid, hydrochloric acid, perchloric acid, or an aqueous solution thereof. A polymer having a sulfonic acid group exhibits high proton conductivity, and can be used as a proton exchange resin or a proton exchange membrane. Among them, the proton exchange membrane can be used as an electrolyte of a polymer electrolyte fuel cell, and a fuel cell having excellent performance can be obtained by using the polymer of the present invention.

1、Z、Z4はそれぞれ独立してO又はS原子のいずれかを表す。Z1、Z、Z4がいずれもO原子であると、モノマーのコストや毒性が高くならず、重合における着色などが起こりにくいため好ましい。O原子よりもS原子であるほうが、耐酸化性が高くなる。Z、Zはそれぞれ独立して、O原子、S原子、−C(CH−基、 −C(CF−基、−CH−基、シクロヘキシル基のいずれかを表す。中でもO原子、S原子、−C(CH−基、−C(CF−基、シクロヘキシル基であることが好ましく、O原子及びS原子がより好ましい。 Z 1 , Z 3 and Z 4 each independently represent either an O or S atom. It is preferable that all of Z 1 , Z 3 , and Z 4 are O atoms because the cost and toxicity of the monomer are not increased, and coloring during polymerization hardly occurs. The oxidation resistance is higher when the S atom is used than the O atom. Z 2 and Z 5 each independently represent an O atom, an S atom, a —C (CH 3 ) 2 — group, a —C (CF 3 ) 2 — group, a —CH 2 — group, or a cyclohexyl group. . Among these, an O atom, an S atom, a —C (CH 3 ) 2 — group, a —C (CF 3 ) 2 — group, and a cyclohexyl group are preferable, and an O atom and an S atom are more preferable.

1〜Zのうち、少なくともZ及びZがいずれもS原子であることが耐酸化性の面で好ましく、さらにZ及びZがS原子であるとより好ましい。全てS原子であると、さらに好ましい。 Of Z 1 to Z 5 , at least Z 2 and Z 5 are preferably S atoms in terms of oxidation resistance, and more preferably Z 1 and Z 4 are S atoms. More preferably, all are S atoms.

化学式(5)及び化学式(6)におけるAr及びArは、電子吸引性基を有する芳香族基であることが好ましい。電子吸引性基の例としては、スルホン基、カルボニル基、スルホニル基、ホスフィン基、シアノ基、トリフルオロメチル基などのパーフルオロアルキル基、ニトロ基、ハロゲン基などが挙げられ、シアノ基、スルホン基、カルボニル基が好ましい。さらに、Ar及びArは下記化学式(9)〜(12)で表される分子構造から選ばれる一種以上の基であることが好ましい。化学式9の構造であると、溶媒への溶解性が高まるため好ましい。また、化学式(10)の分子構造であると、ポリマーに光架橋性を付与することが可能になるため好ましい。また、化学式(11)又は(12)の分子構造であると、ポリマーの膨潤性が小さくなるため好ましい。化学式(9)〜(12)の中でも、化学式(11)又は(12)の分子構造が好ましく、化学式(12)の分子構造が最も好ましい。

Figure 2008069188
Ar 2 and Ar 3 in chemical formula (5) and chemical formula (6) are preferably aromatic groups having an electron-withdrawing group. Examples of electron withdrawing groups include sulfone groups, carbonyl groups, sulfonyl groups, phosphine groups, cyano groups, trifluoromethyl groups and other perfluoroalkyl groups, nitro groups, halogen groups, etc., cyano groups, sulfone groups A carbonyl group is preferred. Furthermore, Ar 2 and Ar 3 are preferably one or more groups selected from molecular structures represented by the following chemical formulas (9) to (12). The structure of Chemical Formula 9 is preferable because the solubility in a solvent is increased. Moreover, since it becomes possible to provide photocrosslinkability to a polymer, it is preferable that it is a molecular structure of Chemical formula (10). Moreover, since it is the molecular structure of Chemical formula (11) or (12), since the swelling property of a polymer becomes small, it is preferable. Among the chemical formulas (9) to (12), the molecular structure of the chemical formula (11) or (12) is preferable, and the molecular structure of the chemical formula (12) is most preferable.
Figure 2008069188

上記Arが化学式(3)および(4)で表される際の化学式(1)と化学式(5),(6)でそれぞれ表される繰り返し分子構造、及びその他の繰り返し構造のモル比は、数式1〜3を満たすことが好ましい。その他の繰り返し分子構造は、特に限定されるものではないが、例えば、ホスホン酸基やリン酸基などを含むようなものであると、耐酸化性が向上して好ましい。また、メチル基などのアルキル基や、アリル基、エチニル基、マレイミド基などの架橋性を有する基を含むものであると、ポリマーに架橋性を付与してイオン交換膜の耐久性や強度などを向上させることができるため好ましい。 The molar ratio of the repeating molecular structure represented by the chemical formula (1) and the chemical formulas (5) and (6) when the Ar 1 is represented by the chemical formulas (3) and (4), and the other repeating structures, It is preferable to satisfy Formulas 1-3. Other repeating molecular structures are not particularly limited, but for example, those containing a phosphonic acid group or a phosphoric acid group are preferred because the oxidation resistance is improved. In addition, if it contains an alkyl group such as a methyl group or a group having crosslinkability such as an allyl group, an ethynyl group, or a maleimide group, the polymer is imparted with a crosslinkability to improve the durability and strength of the ion exchange membrane. This is preferable.

(数式1) 0.9≦(n1+n2+n3+n4)/(n1+n2+n3+n4+n5)≦1.0
(数式2) 0.05≦(n1+n2)/(n1+n2+n3+n4)≦0.7
(数式3) 0.01≦(n2+n4)/(n1+n2+n3+n4)≦0.95
(Formula 1) 0.9 ≦ (n1 + n2 + n3 + n4) / (n1 + n2 + n3 + n4 + n5) ≦ 1.0
(Formula 2) 0.05 ≦ (n1 + n2) / (n1 + n2 + n3 + n4) ≦ 0.7
(Formula 3) 0.01 ≦ (n2 + n4) / (n1 + n2 + n3 + n4) ≦ 0.95

(上記式中、n1はArが化学式(3)である場合の化学式(1)で表される繰り返し分子構造のモル%を、n2はArが化学式(4)である場合の化学式(1)で表される繰り返し分子構造のモル%を、n3は化学式(5)で表される繰り返し分子構造のモル%を、n4は化学式(6)で表される繰り返し分子構造のモル%を、n5はその他の繰り返し分子構造のモル%を、それぞれ表す。) (In the above formula, n1 is the mol% of the repeating molecular structure represented by the chemical formula (1) when Ar 1 is the chemical formula (3), and n2 is the chemical formula (1 when the Ar 1 is the chemical formula (4) (1). N3 represents the mol% of the repeating molecular structure represented by the chemical formula (5), n4 represents the mol% of the repeating molecular structure represented by the chemical formula (6), n5 Represents the mol% of other repeating molecular structures, respectively.)

ポリマー中における化学式(1)、(5)、(6)で表される繰り返し単位が、全繰り返し単位に対する割合の好ましい範囲は数式1で表される。(n1+n2+n3+n4)/(n1+n2+n3+n4+n5)は、0.9〜1.0の範囲にあることが好ましく、0.95〜1.0の範囲であることがより好ましく、0.96〜1.0の範囲であることがさらに好ましい。化学式(1),(5),(6)以外のその他の繰り返し単位を含む場合は、全繰り返し単位に対して0.001〜0.04の範囲であることがより好ましい。   A preferred range of the ratio of the repeating units represented by the chemical formulas (1), (5), and (6) in the polymer to all the repeating units is represented by Formula 1. (N1 + n2 + n3 + n4) / (n1 + n2 + n3 + n4 + n5) is preferably in the range of 0.9 to 1.0, more preferably in the range of 0.95 to 1.0, and in the range of 0.96 to 1.0. More preferably it is. When it contains other repeating units other than chemical formula (1), (5), (6), it is more preferable that it is the range of 0.001-0.04 with respect to all the repeating units.

化学式(1)、(5)、(6)で表される繰り返し単位における、スルホン酸基を含む繰り返し単位の好ましい範囲は数式2で表される、(n1+n2)/(n1+n2+n3+n4)は、0.05〜0.7の範囲であることが好ましい。(n1+n2)/(n1+n2+n3+n4)は、0.05よりも低いと充分なイオン伝導性を得ることができず、0.7よりも高いと膨潤性が著しく大きくなったり、水溶性になったりして、イオン交換膜としての使用が困難になるため好ましくない。   In the repeating units represented by the chemical formulas (1), (5) and (6), the preferred range of the repeating unit containing a sulfonic acid group is represented by Formula 2, (n1 + n2) / (n1 + n2 + n3 + n4) is 0.05 It is preferable to be in the range of -0.7. If (n1 + n2) / (n1 + n2 + n3 + n4) is lower than 0.05, sufficient ion conductivity cannot be obtained, and if it is higher than 0.7, the swellability becomes remarkably large or water-soluble. This is not preferable because it is difficult to use as an ion exchange membrane.

化学式(1)、(5)、(6)で表される繰り返し単位における、化学式2及び化学式4で表される分子構造について、その合計の割合の好ましい範囲は数式3で表される。(n2+n4)/(n1+n2+n3+n4)は、0.01〜0.95の範囲であることが好ましいが好ましい。(n2+n4)/(n1+n2+n3+n4)は、0.01よりも小さいと、充分な改善効果を得ることができず、0.95よりも大きいと膜の膨潤性が大きくなるため好ましくない。   The preferred range of the total ratio of the molecular structures represented by Chemical Formula 2 and Chemical Formula 4 in the repeating units represented by Chemical Formulas (1), (5), and (6) is represented by Formula 3. (N2 + n4) / (n1 + n2 + n3 + n4) is preferably in the range of 0.01 to 0.95. If (n2 + n4) / (n1 + n2 + n3 + n4) is smaller than 0.01, a sufficient improvement effect cannot be obtained, and if it is larger than 0.95, the swelling property of the film increases, which is not preferable.

上述の化学式(1)、(5)、(6)からなるスルホン酸基含有ポリマーを使用する本発明の樹脂組成物を、燃料としてメタノール水溶液を直接用いるダイレクトメタノール燃料電池のプロトン交換膜として用いる場合には、下記数式1、4及び5を満たしていることが好ましい。   When the resin composition of the present invention using the sulfonic acid group-containing polymer having the chemical formulas (1), (5) and (6) described above is used as a proton exchange membrane of a direct methanol fuel cell using a methanol aqueous solution directly as a fuel. It is preferable that the following mathematical formulas 1, 4 and 5 are satisfied.

(数式1) 0.9≦(n1+n2+n3+n4)/(n1+n2+n3+n4+n5)≦1.0
(数式4) 0.05≦(n1+n2)/(n1+n2+n3+n4)≦0.5
(数式5) 0.05≦(n2+n4)/(n1+n2+n3+n4)≦0.95
(Formula 1) 0.9 ≦ (n1 + n2 + n3 + n4) / (n1 + n2 + n3 + n4 + n5) ≦ 1.0
(Formula 4) 0.05 ≦ (n1 + n2) / (n1 + n2 + n3 + n4) ≦ 0.5
(Formula 5) 0.05 ≦ (n2 + n4) / (n1 + n2 + n3 + n4) ≦ 0.95

(上記式中、n1はArが化学式(3)である場合の化学式(1)で表される繰り返し分子構造のモル%を、n2はArが化学式(4)である場合の化学式(1)で表される繰り返し分子構造のモル%を、n3は化学式(5)で表される繰り返し分子構造のモル%を、n4は化学式(6)で表される繰り返し分子構造のモル%を、n5はその他の繰り返し分子構造のモル%を、それぞれ表す。) (In the above formula, n1 is the mol% of the repeating molecular structure represented by the chemical formula (1) when Ar 1 is the chemical formula (3), and n2 is the chemical formula (1 when the Ar 1 is the chemical formula (4) (1). N3 represents the mol% of the repeating molecular structure represented by the chemical formula (5), n4 represents the mol% of the repeating molecular structure represented by the chemical formula (6), n5 Represents the mol% of other repeating molecular structures, respectively.)

数式1において、(n1+n2+n3+n4)/(n1+n2+n3+n4+n5)は、0.9〜1.0の範囲にあることが好ましく、0.95〜1.0の範囲であることがより好ましく、0.96〜1.0の範囲であることがさらに好ましい。上述の化学式(1)、(5)、(6)以外のその他の繰り返し単位を含む場合は、全繰り返し単位に対して0.001〜0.04の範囲であることがより好ましい。   In Formula 1, (n1 + n2 + n3 + n4) / (n1 + n2 + n3 + n4 + n5) is preferably in the range of 0.9 to 1.0, more preferably in the range of 0.95 to 1.0, and 0.96 to 1. A range of 0 is more preferable. When other repeating units other than the above chemical formulas (1), (5), and (6) are included, it is more preferably in the range of 0.001 to 0.04 with respect to all the repeating units.

数式4において、(n1+n2)/(n1+n2+n3+n4)は0.05〜0.5の範囲であることが好ましい。(n1+n2)/(n1+n2+n3+n4)が、0.05よりも小さいと充分なプロトン伝導性が得られず、燃料電池の出力が低くなり好ましくない。(n1+n2)/(n1+n2+n3+n4)が、0.5よりも大きいとメタノールが膜を透過する量が大きくなりすぎて燃料電池の出力が低下してしまうため好ましくない。(n1+n2)/(n1+n2+n3+n4)のより好ましい範囲は0.07〜0.4である。また、燃料として用いるメタノール水溶液の濃度が低い場合には(n1+n2)/(n1+n2+n3+n4)が大きいほうが、プロトン伝導性が大きくなるため、燃料電池の出力が高くなる。一方、高濃度のメタノール水溶液を用いる場合には、(n1+n2)/(n1+n2+n3+n4)が小さいほうが、メタノールの透過に伴う出力の低下を抑制することができ、燃料電池の出力を大きくすることができる。   In Formula 4, (n1 + n2) / (n1 + n2 + n3 + n4) is preferably in the range of 0.05 to 0.5. When (n1 + n2) / (n1 + n2 + n3 + n4) is smaller than 0.05, sufficient proton conductivity cannot be obtained, and the output of the fuel cell is lowered, which is not preferable. If (n1 + n2) / (n1 + n2 + n3 + n4) is greater than 0.5, the amount of methanol permeating through the membrane becomes too large and the output of the fuel cell is undesirably reduced. A more preferable range of (n1 + n2) / (n1 + n2 + n3 + n4) is 0.07 to 0.4. Further, when the concentration of the aqueous methanol solution used as the fuel is low, the larger (n1 + n2) / (n1 + n2 + n3 + n4) is, the higher the proton conductivity is, and the higher the output of the fuel cell. On the other hand, when a high-concentration methanol aqueous solution is used, a decrease in (n1 + n2) / (n1 + n2 + n3 + n4) can suppress a decrease in output due to the permeation of methanol and increase the output of the fuel cell.

数式5において、(n2+n4)/(n1+n2+n3+n4)は0.05〜0.95の範囲であることが好ましい。(n2+n4)/(n1+n2+n3+n4)が、0.05より小さいと電極や触媒とイオン交換膜を接合する際に、接合不良が起きやすくなり、0.95より大きいと膨潤性が大きくなりすぎるため好ましくない。(n2+n4)/(n1+n2+n3+n4)の、より好ましい範囲は0.2〜0.8の範囲である。(n1+n2)/(n1+n2+n3+n4)が0.2よりも小さい場合には、(n2+n4)/(n1+n2+n3+n4)は0.4〜0.8の範囲であることが好ましい。また、(n1+n2)/(n1+n2+n3+n4)の値が0.2よりも大きい場合には、(n2+n4)/(n1+n2+n3+n4)は0.1〜0.5の範囲であることが好ましい。   In Formula 5, (n2 + n4) / (n1 + n2 + n3 + n4) is preferably in the range of 0.05 to 0.95. If (n2 + n4) / (n1 + n2 + n3 + n4) is smaller than 0.05, poor bonding is likely to occur when the electrode or catalyst is bonded to the ion exchange membrane, and if it is larger than 0.95, the swelling property becomes too large. . A more preferable range of (n2 + n4) / (n1 + n2 + n3 + n4) is a range of 0.2 to 0.8. When (n1 + n2) / (n1 + n2 + n3 + n4) is smaller than 0.2, (n2 + n4) / (n1 + n2 + n3 + n4) is preferably in the range of 0.4 to 0.8. When the value of (n1 + n2) / (n1 + n2 + n3 + n4) is larger than 0.2, (n2 + n4) / (n1 + n2 + n3 + n4) is preferably in the range of 0.1 to 0.5.

上述の化学式(1)、(5)、(6)からなるスルホン酸基含有ポリマーを使用する本発明の樹脂組成物を、燃料として水素を用いる燃料電池のプロトン交換膜として用いる場合には、下記数式1、6及び7を満たしていることが好ましい。   When the resin composition of the present invention using the sulfonic acid group-containing polymer having the chemical formulas (1), (5) and (6) is used as a proton exchange membrane of a fuel cell using hydrogen as a fuel, It is preferable that Formulas 1, 6, and 7 are satisfied.

(数式1) 0.9≦(n1+n2+n3+n4)/(n1+n2+n3+n4+n5)≦1.0
(数式6) 0.3≦(n1+n2)/(n1+n2+n3+n4)≦0.7
(数式7) 0.01≦(n2+n4)/(n1+n2+n3+n4)≦0.25
(Formula 1) 0.9 ≦ (n1 + n2 + n3 + n4) / (n1 + n2 + n3 + n4 + n5) ≦ 1.0
(Formula 6) 0.3 ≦ (n1 + n2) / (n1 + n2 + n3 + n4) ≦ 0.7
(Formula 7) 0.01 ≦ (n2 + n4) / (n1 + n2 + n3 + n4) ≦ 0.25

(上記式中、n1はArが化学式(3)である場合の化学式(1)で表される繰り返し分子構造のモル%を、n2はArが化学式(4)である場合の化学式(1)で表される繰り返し分子構造のモル%を、n3は化学式(5)で表される繰り返し分子構造のモル%を、n4は化学式(6)で表される繰り返し分子構造のモル%を、n5はその他の繰り返し分子構造のモル%を、それぞれ表す。) (In the above formula, n1 is the mol% of the repeating molecular structure represented by chemical formula (1) when Ar 1 is chemical formula (3), and n2 is the chemical formula (1 when Ar 1 is chemical formula (4) (1). N3 represents the mol% of the repeating molecular structure represented by the chemical formula (5), n4 represents the mol% of the repeating molecular structure represented by the chemical formula (6), n5 Represents the mol% of other repeating molecular structures, respectively.)

数式1において、(n1+n2+n3+n4)/(n1+n2+n3+n4+n5)は、0.9〜1.0の範囲にあることが好ましく、0.95〜1.0の範囲であることがより好ましく、0.96〜1.0の範囲であることがさらに好ましい。化学式1〜4以外のその他の繰り返し単位を含む場合は、全繰り返し単位に対して0.001〜0.04の範囲であることがより好ましい。   In Formula 1, (n1 + n2 + n3 + n4) / (n1 + n2 + n3 + n4 + n5) is preferably in the range of 0.9 to 1.0, more preferably in the range of 0.95 to 1.0, and 0.96 to 1. A range of 0 is more preferable. When other repeating units other than chemical formulas 1 to 4 are included, it is more preferably in the range of 0.001 to 0.04 with respect to all the repeating units.

数式6において、(n1+n2)/(n1+n2+n3+n4)は0.3〜0.7の範囲であることが好ましい。(n1+n2)/(n1+n2+n3+n4)が0.3よりも小さいと充分なプロトン伝導性が得られず、燃料電池の出力が低くなり好ましくない。(n1+n2)/(n1+n2+n3+n4)が、0.7よりも大きいと膜の膨潤性が大きくなりすぎて破損や出力低下などが起きやすくなり、好ましくない。(n1+n2)/(n1+n2+n3+n4)のより好ましい範囲は0.35〜0.7であり、さらに好ましくは0.4〜0.5の範囲である。   In Formula 6, (n1 + n2) / (n1 + n2 + n3 + n4) is preferably in the range of 0.3 to 0.7. When (n1 + n2) / (n1 + n2 + n3 + n4) is smaller than 0.3, sufficient proton conductivity cannot be obtained, and the output of the fuel cell is lowered, which is not preferable. If (n1 + n2) / (n1 + n2 + n3 + n4) is greater than 0.7, the film swells too much, and breakage and output decrease are liable to occur. A more preferable range of (n1 + n2) / (n1 + n2 + n3 + n4) is 0.35 to 0.7, and more preferably 0.4 to 0.5.

数式7において、(n2+n4)/(n1+n2+n3+n4)は0.01〜0.25の範囲であることが好ましい。(n2+n4)/(n1+n2+n3+n4)が、0.01より小さいと電極や触媒とイオン交換膜を接合する際に、接合不良が起きやすくなり、0.25より大きいと膨潤性が大きくなりすぎるため好ましくない。(n2+n4)/(n1+n2+n3+n4)の、より好ましい範囲は0.1〜0.2の範囲である。   In Formula 7, (n2 + n4) / (n1 + n2 + n3 + n4) is preferably in the range of 0.01 to 0.25. If (n2 + n4) / (n1 + n2 + n3 + n4) is smaller than 0.01, poor bonding is likely to occur when the electrode or catalyst is bonded to the ion exchange membrane, and if it is larger than 0.25, the swelling property becomes too large, which is not preferable. . A more preferable range of (n2 + n4) / (n1 + n2 + n3 + n4) is a range of 0.1 to 0.2.

上述の化学式(1)、(5)、(6)からなる本発明のおけるスルホン酸基含有ポリマーにおいて、好ましい構造の具体例である化学式(21A)〜(21BJ)を以下に示すが、本発明の範囲は、これらに限定されるものではない。   In the sulfonic acid group-containing polymer of the present invention comprising the above-described chemical formulas (1), (5) and (6), chemical formulas (21A) to (21BJ) which are specific examples of preferred structures are shown below. However, the range is not limited to these.

Figure 2008069188
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化学式21A〜21BJの中でも、化学式21A、21C、21E、21J、21M、21N、21BE、21BFが、プロトン伝導性と耐膨潤性に優れるため好ましく、化学式21A、21C、21Eがさらに好ましく、化学式21Aが最も好ましい。また、化学式21BCで表される構造であると、ポリマーの耐酸化性が向上するため好ましい。また、化学式21BDで表される構造であると、ポリマーが架橋性を有するため、物理特性や耐久性を高めることができる。   Among the chemical formulas 21A to 21BJ, the chemical formulas 21A, 21C, 21E, 21J, 21M, 21N, 21BE, and 21BF are preferable because of excellent proton conductivity and swelling resistance, and the chemical formulas 21A, 21C, and 21E are more preferable, and the chemical formula 21A is more preferable. Most preferred. Further, the structure represented by the chemical formula 21BC is preferable because the oxidation resistance of the polymer is improved. In addition, when the structure is represented by the chemical formula 21BD, since the polymer has crosslinkability, physical properties and durability can be improved.

上記化学式21A〜21BJにおいて、n、m、o、p、qは下記数式8〜10を満たすことが好ましい。
(数式8) 0.9≦(n+m+o+p)/(n+m+o+p+q)≦1.0
(数式9) 0.05≦(n+m)/(n+m+o+p)≦0.7
(数式10) 0.01≦(m+p)/(n+m+o+p)≦0.95
In the above chemical formulas 21A to 21BJ, n, m, o, p, and q preferably satisfy the following formulas 8 to 10.
(Formula 8) 0.9 ≦ (n + m + o + p) / (n + m + o + p + q) ≦ 1.0
(Formula 9) 0.05 ≦ (n + m) / (n + m + o + p) ≦ 0.7
(Formula 10) 0.01 ≦ (m + p) / (n + m + o + p) ≦ 0.95

数式8において、(n+m+o+p)/(n+m+o+p+q)は、0.9〜1.0の範囲であることが好ましい。(n+m+o+p)/(n+m+o+p+q)は、0.95〜1.0の範囲であることがより好ましく、0.96〜1.0の範囲であることがさらに好ましい。qが0でない場合には、(q)/(n+m+o+p+q)が0.001〜0.04の範囲であることがより好ましい。   In Formula 8, (n + m + o + p) / (n + m + o + p + q) is preferably in the range of 0.9 to 1.0. (N + m + o + p) / (n + m + o + p + q) is more preferably in the range of 0.95 to 1.0, and still more preferably in the range of 0.96 to 1.0. When q is not 0, (q) / (n + m + o + p + q) is more preferably in the range of 0.001 to 0.04.

数式9において、(n+m)/(n+m+o+p)は、0.05〜0.7の範囲であることが好ましい。(n+m)/(n+m+o+p)が、0.05よりも低いと充分なイオン伝導性を得ることができず好ましくない。(n+m)/(n+m+o+p)が、0.7よりも高いと、膨潤性が著しく大きくなったり、水溶性になったりして、イオン交換膜としての使用が困難になるため好ましくない。   In Formula 9, (n + m) / (n + m + o + p) is preferably in the range of 0.05 to 0.7. When (n + m) / (n + m + o + p) is lower than 0.05, sufficient ion conductivity cannot be obtained, which is not preferable. When (n + m) / (n + m + o + p) is higher than 0.7, the swellability becomes remarkably large or becomes water-soluble, which makes it difficult to use as an ion exchange membrane.

数式10において、(m+p)/(n+m+o+p)は、0.01〜0.95の範囲であることが好ましい。(m+p)/(n+m+o+p)が0.01よりも小さいと、充分な改善効果を得ることができず好ましくなく、0.95よりも大きいと膜の膨潤性が大きくなるため好ましくない。   In Formula 10, (m + p) / (n + m + o + p) is preferably in the range of 0.01 to 0.95. When (m + p) / (n + m + o + p) is smaller than 0.01, a sufficient improvement effect cannot be obtained, and it is not preferable, and when it is larger than 0.95, the film swellability increases, which is not preferable.

Arが上記化学式(3)、(4)で示される上記化学式(1)で表される構成単位および上記化学式(5)、(6)で表される構成単位を含む本発明のスルホン酸基含有ポリマーにおいて、Arが上記化学式(4)で示されるときの上記化学式(1)及び化学式(6)で表される繰り返し構造が、ポリマーの柔軟性を高め、変形に対する破壊しにくくなったりすることや、ガラス転移温度が低下することによって電極との接合性が高まることなどの効果をもたらしている。また、Arが上記化学式(3)で示されるときの上記化学式(1)及び化学式(5)で表される繰り返し構造は、ポリマー全体の膨潤性を小さくしたり、メタノール透過性を小さくしたりする効果をもたらしている。 Ar 1 includes the structural unit represented by the chemical formula (1) represented by the chemical formulas (3) and (4) and the structural unit represented by the chemical formula (5) and (6). In the containing polymer, the repeating structure represented by the chemical formula (1) and the chemical formula (6) when Ar 1 is represented by the chemical formula (4) increases the flexibility of the polymer and makes it difficult to break against deformation. In addition, the effect of increasing the bondability with the electrode due to the decrease in the glass transition temperature is brought about. Further, when Ar 1 is represented by the above chemical formula (3), the repeating structure represented by the above chemical formula (1) and chemical formula (5) reduces the swelling property of the whole polymer or the methanol permeability. Has an effect.

本発明のイオン交換膜を、燃料としてメタノール水溶液を直接用いるダイレクトメタノール燃料電池のプロトン交換膜として用いる場合には、下記数式8、11及び12を満たしていることが好ましい。   When the ion exchange membrane of the present invention is used as a proton exchange membrane of a direct methanol fuel cell that directly uses an aqueous methanol solution as a fuel, it is preferable that the following mathematical formulas 8, 11, and 12 are satisfied.

(数式8) 0.9≦(n+m+o+p)/(n+m+o+p+q)≦1.0
(数式11) 0.05≦(n+m)/(n+m+o+p)≦0.5
(数式12) 0.05≦(m+p)/(n+m+o+p)≦0.95
(Formula 8) 0.9 ≦ (n + m + o + p) / (n + m + o + p + q) ≦ 1.0
(Formula 11) 0.05 ≦ (n + m) / (n + m + o + p) ≦ 0.5
(Formula 12) 0.05 ≦ (m + p) / (n + m + o + p) ≦ 0.95

数式8において、(n+m+o+p)/(n+m+o+p+q)は、0.9〜1.0の範囲であることが好ましい。(n+m+o+p)/(n+m+o+p+q)は、0.95〜1.0の範囲であることがより好ましく、0.96〜1.0の範囲であることがさらに好ましい。qが0でない場合には、(q)/(n+m+o+p+q)が0.001〜0.04の範囲であることがより好ましい。   In Formula 8, (n + m + o + p) / (n + m + o + p + q) is preferably in the range of 0.9 to 1.0. (N + m + o + p) / (n + m + o + p + q) is more preferably in the range of 0.95 to 1.0, and still more preferably in the range of 0.96 to 1.0. When q is not 0, (q) / (n + m + o + p + q) is more preferably in the range of 0.001 to 0.04.

数式11において、(n+m)/(n+m+o+p)は、0.05〜0.5の範囲であることが好ましい。(n+m)/(n+m+o+p)が、0.05よりも小さいと充分なプロトン伝導性が得られず、燃料電池の出力が低くなり好ましくない。(n+m)/(n+m+o+p)が、0.5よりも大きいとメタノールが膜を透過する量が大きくなりすぎて燃料電池の出力が低下してしまうため好ましくない。(n+m)/(n+m+o+p)のより好ましい範囲は0.07〜0.4である。また、燃料として用いるメタノール水溶液の濃度が低い場合には(n+m)/(n+m+o+p)が大きいほうが、プロトン伝導性が大きくなるため、燃料電池の出力が高くなる。一方、高濃度のメタノール水溶液を用いる場合には(n+m)/(n+m+o+p)が小さいほうが、メタノールの透過に伴う出力の低下を抑制することができ、燃料電池の出力を大きくすることができる。   In Formula 11, (n + m) / (n + m + o + p) is preferably in the range of 0.05 to 0.5. When (n + m) / (n + m + o + p) is smaller than 0.05, sufficient proton conductivity cannot be obtained, and the output of the fuel cell is lowered, which is not preferable. If (n + m) / (n + m + o + p) is greater than 0.5, the amount of methanol permeating through the membrane becomes too large, and the output of the fuel cell is unfavorable. A more preferable range of (n + m) / (n + m + o + p) is 0.07 to 0.4. In addition, when the concentration of the aqueous methanol solution used as the fuel is low, the higher the (n + m) / (n + m + o + p), the higher the proton conductivity, and the higher the output of the fuel cell. On the other hand, when a high-concentration aqueous methanol solution is used, a smaller (n + m) / (n + m + o + p) can suppress a decrease in output due to the permeation of methanol and increase the output of the fuel cell.

数式12において、(m+p)/(n+m+o+p)の値は0.05〜0.95の範囲であることが好ましい。(m+p)/(n+m+o+p)が、0.05より小さいと電極や触媒とイオン交換膜を接合する際に、接合不良が起きやすくなり、0.95より大きいと膨潤性が大きくなりすぎるため好ましくない。(m+p)/(n+m+o+p)のより好ましい範囲は0.2〜0.8の範囲である。(n+m)/(n+m+o+p)の値が0.25よりも小さい場合には、(m+p)/(n+m+o+p)は0.4〜0.8の範囲であることが好ましい。また(n+m)/(n+m+o+p)の値が0.25よりも大きい場合には、(m+p)/(n+m+o+p)は0.1〜0.5の範囲であることが好ましい。   In Formula 12, the value of (m + p) / (n + m + o + p) is preferably in the range of 0.05 to 0.95. If (m + p) / (n + m + o + p) is less than 0.05, bonding failure is likely to occur when the electrode or catalyst is bonded to the ion exchange membrane, and if it is greater than 0.95, the swelling property becomes too large, which is not preferable. . A more preferable range of (m + p) / (n + m + o + p) is a range of 0.2 to 0.8. When the value of (n + m) / (n + m + o + p) is smaller than 0.25, (m + p) / (n + m + o + p) is preferably in the range of 0.4 to 0.8. When the value of (n + m) / (n + m + o + p) is larger than 0.25, (m + p) / (n + m + o + p) is preferably in the range of 0.1 to 0.5.

上述の化学式(1)、(5)、(6)からなるスルホン酸基含有ポリマーを使用する本発明の樹脂組成物を、燃料として水素を用いる燃料電池のプロトン交換膜として用いる場合には、下記数式8、13及び14を満たしていることが好ましい。   When the resin composition of the present invention using the sulfonic acid group-containing polymer having the chemical formulas (1), (5) and (6) is used as a proton exchange membrane of a fuel cell using hydrogen as a fuel, It is preferable that Expressions 8, 13, and 14 are satisfied.

(数式8) 0.9≦(n+m+o+p)/(n+m+o+p+q)≦1.0
(数式13) 0.3≦(n+m)/(n+m+o+p)≦0.7
(数式14) 0.01≦(m+p)/(n+m+o+p)≦0.25
(Formula 8) 0.9 ≦ (n + m + o + p) / (n + m + o + p + q) ≦ 1.0
(Formula 13) 0.3 ≦ (n + m) / (n + m + o + p) ≦ 0.7
(Formula 14) 0.01 ≦ (m + p) / (n + m + o + p) ≦ 0.25

数式8において、(n+m+o+p)/(n+m+o+p+q)は、0.9〜1.0の範囲であることが好ましい。(n+m+o+p)/(n+m+o+p+q)は、0.95〜1.0の範囲であることがより好ましく、0.96〜1.0の範囲であることがさらに好ましい。qが0でない場合には、(q)/(n+m+o+p+q)が0.001〜0.04の範囲であることがより好ましい。   In Formula 8, (n + m + o + p) / (n + m + o + p + q) is preferably in the range of 0.9 to 1.0. (N + m + o + p) / (n + m + o + p + q) is more preferably in the range of 0.95 to 1.0, and still more preferably in the range of 0.96 to 1.0. When q is not 0, (q) / (n + m + o + p + q) is more preferably in the range of 0.001 to 0.04.

数式13において、(n+m)/(n+m+o+p)は、0.3〜0.7の範囲であることが好ましい。(n+m)/(n+m+o+p)が、0.3よりも小さいと充分なプロトン伝導性が得られず、燃料電池の出力が低くなり好ましくない。(n+m)/(n+m+o+p)が、0.7よりも大きいと膜の膨潤性が大きくなりすぎて破損や出力低下などが起きやすくなり、好ましくない。(n+m)/(n+m+o+p)のより好ましい範囲は0.35〜0.7であり、より好ましくは0.4〜0.5の範囲である。   In Formula 13, (n + m) / (n + m + o + p) is preferably in the range of 0.3 to 0.7. When (n + m) / (n + m + o + p) is smaller than 0.3, sufficient proton conductivity cannot be obtained, and the output of the fuel cell is lowered, which is not preferable. If (n + m) / (n + m + o + p) is greater than 0.7, the film swells too much, and breakage or output reduction is likely to occur, which is not preferable. A more preferable range of (n + m) / (n + m + o + p) is 0.35 to 0.7, and a more preferable range is 0.4 to 0.5.

数式14において、(m+p)/(n+m+o+p)の値は0.01〜0.25の範囲であることが好ましい。(m+p)/(n+m+o+p)が、0.01より小さいと電極や触媒とイオン交換膜を接合する際に、接合不良が起きやすくなり、0.25より大きいと膨潤性が大きくなりすぎるため好ましくない。(m+p)/(n+m+o+p)の、より好ましい範囲は0.1〜0.2の範囲である。   In Formula 14, the value of (m + p) / (n + m + o + p) is preferably in the range of 0.01 to 0.25. If (m + p) / (n + m + o + p) is smaller than 0.01, bonding failure is likely to occur when the electrode or catalyst is bonded to the ion exchange membrane, and if it is larger than 0.25, the swellability becomes too large. . A more preferable range of (m + p) / (n + m + o + p) is a range of 0.1 to 0.2.

上述の化学式(1)、(5)、(6)からなるスルホン酸基含有ポリマーは、化学式22〜25で表される化合物を必須成分として含むモノマーの混合物から芳香族求核置換反応により重合することができる。   The sulfonic acid group-containing polymer composed of the above chemical formulas (1), (5), and (6) is polymerized by an aromatic nucleophilic substitution reaction from a mixture of monomers containing the compounds represented by the chemical formulas 22 to 25 as essential components. be able to.

Figure 2008069188
Figure 2008069188

化学式22〜25において、Xは−S(=O)−基又は−C(=O)−基を、YはH又は1価の陽イオンを、Z及びZ10は、それぞれ独立してCl原子、F原子、ニトロ基のいずれかを、Z及びZ11は、それぞれ独立してOH基、SH基、−O−NH−C(=O)−R基、−S−NH−C(=O)−R基のいずれかを[Rは芳香族又は脂肪族の炭化水素基を表す。]、Zは、O原子、S原子、−C(CH−基、 −C(CF−基、−CH−基、シクロヘキシル基のいずれかを、Arは分子中に、スルホン基、カルボニル基、スルホニル基、ホスフィン基、シアノ基、トリフルオロメチル基などのパーフルオロアルキル基、ニトロ基、ハロゲン基などの電子吸引性基を有する芳香族基を表す。 In Chemical Formulas 22 to 25, X represents a —S (═O) 2 — group or —C (═O) — group, Y represents H or a monovalent cation, and Z 7 and Z 10 each independently represent Any one of Cl atom, F atom and nitro group, Z 8 and Z 11 are each independently OH group, SH group, —O—NH—C (═O) —R group, —S—NH—C. Any one of (= O) -R groups [R represents an aromatic or aliphatic hydrocarbon group. Z 9 is an O atom, S atom, —C (CH 3 ) 2 — group, —C (CF 3 ) 2 — group, —CH 2 — group, or cyclohexyl group, and Ar 3 is a molecule. And an aromatic group having an electron-withdrawing group such as a perfluoroalkyl group such as a sulfone group, a carbonyl group, a sulfonyl group, a phosphine group, a cyano group or a trifluoromethyl group, a nitro group or a halogen group.

化学式22で表される化合物の具体例としては、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホブチル−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホブチル−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホブチル−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホブチル−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、及びそれらのスルホン酸基が1価陽イオン種との塩になったもの等が挙げられる。1価陽イオン種としては、ナトリウム、カリウムや他の金属種や各種アミン類等でも良く、これらに制限されるわけではない。化学式22で表される化合物のうち、スルホン酸基が塩になっている化合物の例としては、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジフルオロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホン酸カリウム4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸カリウム4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸カリウム4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホン酸カリウム4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸カリウム4,4’−ジフルオロジフェニルケトンなどを挙げることができる。   Specific examples of the compound represented by Chemical Formula 22 include 3,3′-disulfo-4,4′-dichlorodiphenyl sulfone, 3,3′-disulfo-4,4′-difluorodiphenyl sulfone, 3,3′- Disulfo-4,4′-dichlorodiphenyl ketone, 3,3′-disulfo-4,4′-difluorodiphenyl sulfone, 3,3′-disulfobutyl-4,4′-dichlorodiphenyl sulfone, 3,3′-disulfobutyl- 4,4′-difluorodiphenyl sulfone, 3,3′-disulfobutyl-4,4′-dichlorodiphenyl ketone, 3,3′-disulfobutyl-4,4′-difluorodiphenyl sulfone, and their sulfonic acid groups are monovalent Examples include salts with cation species. The monovalent cation species may be sodium, potassium, other metal species, various amines, or the like, but is not limited thereto. Examples of the compound represented by the chemical formula 22 having a sulfonic acid group as a salt include sodium 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 3,3′-disulfonic acid. Sodium-4,4′-difluorodiphenylsulfone, sodium 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenylketone, sodium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorodiphenylsulfone, 3,3 'Sodium disulfonate-4,4'-difluorodiphenyl ketone, potassium 3,3'-disulfonate 4,4'-dichlorodiphenyl sulfone, potassium 3,3'-disulfonate 4,4'-difluorodiphenyl sulfone, 3, , 3′-Disulfonic acid potassium 4,4′-dichlorodiphenyl ketone, 3,3′-disulfone Potassium 4,4'-difluoro diphenyl sulfone, etc. 3,3'-disulfonic acid potassium 4,4'-difluoro diphenyl ketone and the like.

化学式23で表される化合物の具体例としては2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)メタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン、4,4’−チオビスベンゼンチオール、4,4’−オキシビスベンゼンチオール、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルフィド、4,4’−ジヒドロキシジフェニルエーテル、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサンなどを挙げることができ、4,4’−チオビスベンゼンチオール、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルフィド、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサンが好ましい。   Specific examples of the compound represented by Chemical Formula 23 include 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) propane, bis (4-hydroxyphenyl) methane, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane, 4 , 4′-thiobisbenzenethiol, 4,4′-oxybisbenzenethiol, bis (4-hydroxyphenyl) sulfide, 4,4′-dihydroxydiphenyl ether, 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) cyclohexane, etc. 4,4′-thiobisbenzenethiol, bis (4-hydroxyphenyl) sulfide, and 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) cyclohexane are preferable.

化学式23で表される構造のモノマーが、ポリマーの柔軟性を高め、変形に対する破壊しにくくなったりすることや、ガラス転移温度が低下することによって電極との接合性が高まることなどの効果をもたらしている。   The monomer having the structure represented by Chemical Formula 23 increases the flexibility of the polymer and makes it difficult to break against deformation, and the effect of increasing the bondability with the electrode by lowering the glass transition temperature. ing.

化学式24で表される化合物としては、同一芳香環にハロゲン、ニトロ基などの求核置換反応における脱離基と、それを活性化する電子吸引性基を有する化合物を挙げることができる。具体例としては、2,6−ジクロロベンゾニトリル、2,4−ジクロロベンゾニトリル、2,6−ジフルオロベンゾニトリル、2,4−ジフルオロベンゾニトリル、4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン、4,4’−ジクロロベンゾフェノン、デカフルオロビフェニル等が挙げられるがこれらに制限されることなく、芳香族求核置換反応に活性のある他の芳香族ジハロゲン化合物、芳香族ジニトロ化合物、芳香族ジシアノ化合物なども使用することができる。   Examples of the compound represented by Chemical Formula 24 include compounds having a leaving group in a nucleophilic substitution reaction such as halogen and nitro group on the same aromatic ring and an electron-withdrawing group that activates the same. Specific examples include 2,6-dichlorobenzonitrile, 2,4-dichlorobenzonitrile, 2,6-difluorobenzonitrile, 2,4-difluorobenzonitrile, 4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 4,4 ′. -Difluorodiphenyl sulfone, 4,4'-difluorobenzophenone, 4,4'-dichlorobenzophenone, decafluorobiphenyl, and the like, but not limited thereto, other aromatics active in aromatic nucleophilic substitution reaction A group dihalogen compound, an aromatic dinitro compound, an aromatic dicyano compound, and the like can also be used.

化学式25で表される化合物の例としては、4,4’−ビフェノール、4、4’−ジメルカプトビフェノールなどを挙げることができ、4,4’−ビフェノールが好ましい。   Examples of the compound represented by Chemical Formula 25 include 4,4'-biphenol, 4,4'-dimercaptobiphenol, and 4,4'-biphenol is preferred.

上述の芳香族求核置換反応において、化学式22〜25で表される化合物とともに他の各種活性化ジハロゲン芳香族化合物やジニトロ芳香族化合物、ビスフェノール化合物、ビスチオフェノール化合物をモノマーとして併用することもできる。   In the above aromatic nucleophilic substitution reaction, other various activated dihalogen aromatic compounds, dinitroaromatic compounds, bisphenol compounds, and bisthiophenol compounds can be used in combination with the compounds represented by the chemical formulas 22 to 25. .

本発明におけるスルホン酸基含有ポリマーを得るための芳香族求核置換反応において、上記化学式(1)、(5)、(6)、(8)以外の構造を与えるモノマーを併用して使用することができる。その際に使用できる活性化ジフルオロ芳香族化合物やジクロロ芳香族化合物として、例えば、デカフルオロビフェニル、デカフルオロジフェニルエーテル、デカフルオロベンゾフェノン、2,4−ジクロロベンゾニトリル、2,4−ジフルオロベンゾニトリル、4,4’−ジクロロベンゾフェノン、4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、等の化合物が例示されるがこれらに制限されることなく、芳香族求核置換反応に活性のある他の芳香族ジハロゲン化化合物、芳香族ジニトロ化合物、芳香族ジシアノ化合物なども使用することができる。また、これらの化合物は単独で使用しても良いが、2種以上の混合物として使用しても良い。   In the aromatic nucleophilic substitution reaction for obtaining a sulfonic acid group-containing polymer in the present invention, a monomer giving a structure other than the chemical formulas (1), (5), (6) and (8) is used in combination. Can do. Examples of the activated difluoroaromatic compound and dichloroaromatic compound that can be used in this case include decafluorobiphenyl, decafluorodiphenyl ether, decafluorobenzophenone, 2,4-dichlorobenzonitrile, 2,4-difluorobenzonitrile, 4, Examples of compounds such as 4′-dichlorobenzophenone, 4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 4,4′-difluorobenzophenone, 4,4′-difluorodiphenylsulfone, and the like are not limited thereto, but are aromatic. Other aromatic dihalogenated compounds, aromatic dinitro compounds, aromatic dicyano compounds and the like that are active in nucleophilic substitution reactions can also be used. These compounds may be used alone or as a mixture of two or more.

また、スルホン酸基含有ポリマーにおける上述の化学式(1)、(5)、(6)、(8)以外の分子構造の芳香族ジオール成分も本発明におけるスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系ポリマーを得るための芳香族求核置換反応に使用することができる。これらの例としては、4,4’−ビフェノール、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルホン、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)エタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)メタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ブタン、3,3−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ペンタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジメチルフェニル)プロパン、ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジメチルフェニル)メタン、ビス(4−ヒドロキシ−2,5−ジメチルフェニル)メタン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)フェニルメタン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)ジフェニルメタン、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、9,9−ビス(3−メチル−4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、9,9−ビス(3−フェニル−4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン、ハイドロキノン、レゾルシン、1,4−ジヒドロキシナフタレン、1,8−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、2,6−ジヒドロキシナフタレン、2,7−ジヒドロキシナフタレン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)ケトン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)エーテル、ビス(4−ヒドロキシフェニル)チオエーテル、ビス(4−ヒドロキシフェノキシ)−1,4−ベンゼン、ビス(4−ヒドロキシフェノキシ)−1,3−ベンゼン、フェノールフタレイン、等を使用することができるが、この他にも芳香族求核置換反応によるポリアリーレンエーテル系化合物の重合に用いることができる各種芳香族ジオールを使用することもできる。また、これらの芳香族ジオールには、メチル基、ハロゲン、シアノ基、スルホン酸基およびその塩化合物などの置換基が結合していても良い。置換基の種類は特に限定されることはなく、芳香環あたり0〜2個であることが好ましい。さらに、芳香族ジオールと同様の反応が可能な、ジフェニルチオエーテル−4,4’−ジチオール、1,4−ベンゼンジチオール、1,3−ベンゼンジチオールなども使用することができる。これら芳香族ジオール等は、単独で使用することができる他、複数の芳香族ジオール等を併用することも可能である。   In addition, aromatic diol components having molecular structures other than the above-described chemical formulas (1), (5), (6), and (8) in the sulfonic acid group-containing polymer also obtain the sulfonic acid group-containing polyarylene ether polymer in the present invention. Can be used for aromatic nucleophilic substitution reactions. Examples of these are 4,4′-biphenol, bis (4-hydroxyphenyl) sulfone, 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) ethane, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) propane, bis ( 4-hydroxyphenyl) methane, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) butane, 3,3-bis (4-hydroxyphenyl) pentane, 2,2-bis (4-hydroxy-3,5-dimethylphenyl) Propane, bis (4-hydroxy-3,5-dimethylphenyl) methane, bis (4-hydroxy-2,5-dimethylphenyl) methane, bis (4-hydroxyphenyl) phenylmethane, bis (4-hydroxyphenyl) diphenylmethane 9,9-bis (4-hydroxyphenyl) fluorene, 9,9-bis (3-methyl-4-hydride) Xylphenyl) fluorene, 9,9-bis (3-phenyl-4-hydroxyphenyl) fluorene, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane, hydroquinone, resorcin, 1,4-dihydroxynaphthalene, 1,8 -Dihydroxynaphthalene, 1,5-dihydroxynaphthalene, 1,6-dihydroxynaphthalene, 1,7-dihydroxynaphthalene, 2,6-dihydroxynaphthalene, 2,7-dihydroxynaphthalene, bis (4-hydroxyphenyl) ketone, bis ( 4-hydroxyphenyl) ether, bis (4-hydroxyphenyl) thioether, bis (4-hydroxyphenoxy) -1,4-benzene, bis (4-hydroxyphenoxy) -1,3-benzene, phenolphthalein, etc. use DOO but can, also possible to use various types of aromatic diols which can be used for the polymerization of polyarylene ether-based compound according to aromatic nucleophilic substitution reaction in addition to this. In addition, a substituent such as a methyl group, a halogen, a cyano group, a sulfonic acid group, and a salt compound thereof may be bonded to these aromatic diols. The kind of substituent is not particularly limited, and is preferably 0 to 2 per aromatic ring. Furthermore, diphenylthioether-4,4'-dithiol, 1,4-benzenedithiol, 1,3-benzenedithiol, and the like capable of reacting in the same manner as aromatic diols can also be used. These aromatic diols can be used alone, or a plurality of aromatic diols can be used in combination.

本発明のスルホン酸基含有ポリマーの重合においては、ハロゲン化芳香族ヒドロキシ化合物を反応性モノマー成分として加えて重合することもできる。この際に用いるハロゲン化芳香族ヒドロキシ化合物も特に制限されることはないが、4−ヒドロキシ−4’−クロロベンゾフェノン、4−ヒドロキシ−4’−フルオロベンゾフェノン、4−ヒドロキシ−4’−クロロジフェニルスルホン、4−ヒドロキシ−4’−フルオロジフェニルスルホン、4−クロロ−4’−(p−ヒドロキシフェニル)ジフェニルスルホン、4−フルオロ−4’−(p−ヒドロキシフェニル)ベンゾフェノン、等を例として挙げることができる。これらは、単独で使用することができるほか、2種以上の混合物として使用することもできる。   In the polymerization of the sulfonic acid group-containing polymer of the present invention, a halogenated aromatic hydroxy compound can be added as a reactive monomer component for polymerization. The halogenated aromatic hydroxy compound used in this case is not particularly limited, but 4-hydroxy-4′-chlorobenzophenone, 4-hydroxy-4′-fluorobenzophenone, 4-hydroxy-4′-chlorodiphenylsulfone. 4-hydroxy-4′-fluorodiphenylsulfone, 4-chloro-4 ′-(p-hydroxyphenyl) diphenylsulfone, 4-fluoro-4 ′-(p-hydroxyphenyl) benzophenone, and the like. it can. These can be used alone or can be used as a mixture of two or more.

このほか、本発明のスルホン酸基含有ポリマーには、その分子鎖中、すなわちポリマーの主鎖、側鎖、末端基として、熱および/または光により架橋する成分を含有していてもよい。熱架橋性基としては、エチレン基、エチニル基、エチニレン基などの反応性不飽和結合含有成分等が例示されるが、これらに限定されることはなく、熱による反応でポリマー鎖間に新たな結合を形成しうるものであればよい。光架橋性基としては、ベンゾフェノン基、α−ジケトン基、アシロイン基、アシロインエーテル基、ベンジルアルキルケタール基、アセトフェノン基、多核キノン類、チオキサントン基、アシルフォスフィン基、エチレン性不飽和基などを挙げることができる。中でもベンゾフェノン基などの光によりラジカルを発生することのできる基と、メチル基やエチル基などの炭化水素基を有する芳香族基などの、ラジカルと反応することのできる基との組み合わせが好ましい。エチレン性不飽和基を用いる場合には、ベンゾフェノン類、α−ジケトン類、アシロイン類、アシロインエーテル類、ベンジルアルキルケタール類、アセトフェノン類、多核キノン類、チオキサントン類、アシルフォスフィン類などの光重合開始剤を加えておくことが好ましい。   In addition, the sulfonic acid group-containing polymer of the present invention may contain a component that crosslinks by heat and / or light in the molecular chain, that is, as the main chain, side chain, or terminal group of the polymer. Examples of thermally crosslinkable groups include reactive unsaturated bond-containing components such as ethylene group, ethynyl group, and ethynylene group, but are not limited to these, and a new reaction between polymer chains is caused by reaction by heat. Any material that can form a bond may be used. Examples of photocrosslinkable groups include benzophenone groups, α-diketone groups, acyloin groups, acyloin ether groups, benzyl alkyl ketal groups, acetophenone groups, polynuclear quinones, thioxanthone groups, acylphosphine groups, and ethylenically unsaturated groups. Can be mentioned. Among them, a combination of a group capable of generating a radical by light such as a benzophenone group and a group capable of reacting with a radical such as an aromatic group having a hydrocarbon group such as a methyl group or an ethyl group is preferable. When using ethylenically unsaturated groups, photopolymerization of benzophenones, α-diketones, acyloins, acyloin ethers, benzyl alkyl ketals, acetophenones, polynuclear quinones, thioxanthones, acylphosphines It is preferable to add an initiator.

また、上述の架橋性末端構造を導入する場合には、本発明のスルホン酸基含有ポリマーの重合の際に、架橋基含有末端構造を与える一官能性末端封鎖剤を加えることで得ることができる。一官能性末端封鎖剤の例としては、具体的には3−フルオロプロペン、3−フルオロ−1−プロピン、4−フルオロ−1−ブテン、4−フルオロ−1−ブチン、3−フルオロシクロヘキセン、4−フルオロスチレン、3−フルオロスチレン、2−フルオロスチレン、4−フルオロエチニルベンゼン、3−フルオロエチニルベンゼン、α−フルオロ−4−エチニルトルエン、4−フルオロスチルベン、4−(フェニルエチニル)フルオロベンゼン、3−(フェニルエチニル)フルオロベンゼン、3−クロロプロペン、3−クロロ−1−プロピン、4−クロロ−1−ブテン、4−クロロ−1−ブチン、3−クロロシクロヘキセン、4−クロロスチレン、3−クロロスチレン、2−クロロスチレン、4−クロロエチニルベンゼン、3−クロロエチニルベンゼン、α−クロロ−4−エチニルトルエン、4−クロロスチルベン、4−(フェニルエチニル)クロロベンゼン、3−(フェニルエチニル)クロロベンゼン、3−ヒドロキシプロペン、3−ヒドロキシ−1−プロピン、4−ヒドロキシ−1−ブテン、4−ヒドロキシ−1−ブチン、4−ヒドロキシスチレン、3−ヒドロキシスチレン、2−ヒドロキシスチレン、4−ヒドロキシエチニルベンゼン、3−エチニルフェノール、4−エチニルベンジルアルコール、4−ヒドロキシスチルベン、4−(フェニルエチニル)フェノール、3−(フェニルエチニル)フェノール、4−クロロベンゾフェノン、4−フルオロベンゾフェノン、4−ヒドロキシベンゾフェノン、4−メチルフェノール、3−メチルフェノール、2−メチルフェノール、4−エチルフェノール、3−エチルフェノール、4−プロピルフェノール、4−ブチルフェノール、4−ペンチルフェノール,4−ベンジルフェノール等が挙げられる。これらの架橋基含有末端封鎖剤は、単独で使用してもよいが2種以上を混合して使用してもよい。   In addition, when the above-mentioned crosslinkable terminal structure is introduced, it can be obtained by adding a monofunctional end-blocking agent that gives a crosslinkable group-containing terminal structure during the polymerization of the sulfonic acid group-containing polymer of the present invention. . Examples of monofunctional end-capping agents are specifically 3-fluoropropene, 3-fluoro-1-propyne, 4-fluoro-1-butene, 4-fluoro-1-butyne, 3-fluorocyclohexene, 4 -Fluorostyrene, 3-fluorostyrene, 2-fluorostyrene, 4-fluoroethynylbenzene, 3-fluoroethynylbenzene, α-fluoro-4-ethynyltoluene, 4-fluorostilbene, 4- (phenylethynyl) fluorobenzene, 3 -(Phenylethynyl) fluorobenzene, 3-chloropropene, 3-chloro-1-propyne, 4-chloro-1-butene, 4-chloro-1-butyne, 3-chlorocyclohexene, 4-chlorostyrene, 3-chloro Styrene, 2-chlorostyrene, 4-chloroethynylbenzene, 3-chloroethini Benzene, α-chloro-4-ethynyltoluene, 4-chlorostilbene, 4- (phenylethynyl) chlorobenzene, 3- (phenylethynyl) chlorobenzene, 3-hydroxypropene, 3-hydroxy-1-propyne, 4-hydroxy-1 -Butene, 4-hydroxy-1-butyne, 4-hydroxystyrene, 3-hydroxystyrene, 2-hydroxystyrene, 4-hydroxyethynylbenzene, 3-ethynylphenol, 4-ethynylbenzyl alcohol, 4-hydroxystilbene, 4- (Phenylethynyl) phenol, 3- (phenylethynyl) phenol, 4-chlorobenzophenone, 4-fluorobenzophenone, 4-hydroxybenzophenone, 4-methylphenol, 3-methylphenol, 2-methylphenol, 4 Ethylphenol, 3-ethylphenol, 4-propyl phenol, 4-butylphenol, 4-pentylphenol, 4-benzyl-phenol, and the like. These crosslinking group-containing end-capping agents may be used alone or in combination of two or more.

また、架橋性基を有するモノマーとしての具体例としては、1−ブテン−3,4−ジオール、3,5−ジヒドロキシスチレン、3,5−ジヒドロキシスチルベン、1−ブチン−3,4−ジオール、1−ブテン−3,4−ジオール、2,4−ヘキサジイン−1,6−ジオール、2−エチニルヒドロキノン、2−(フェニルエチニル)ヒドロキノン、5−エチニルレゾルシン、2−ブテン−1,4−ジオール、4,4'−ジヒドロキシスチルベン、1,4−ブチンジオール、1,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)アセチレン、1,2−ビス(3−ヒドロキシフェニル)アセチレン、3,3−ジフルオロプロペン、3,3−ジフルオロプロピン、3,3,3−トリフルオロプロピン、3,4−ジフルオロ−1−ブテン、1,4−ジフルオロ−2−ブテン、3,4−ジフルオロ−1−ブチン、1,4−ジフルオロ−2−ブチン、1,6−ジフルオロ−2,4−ヘキサジイン、3,4−ジフルオロスチレン、2,6−ジフルオロスチレン、2,5−ジフルオロエチニルベンゼン、3,5−ジフルオロエチニルベンゼン、α,α−ジフルオロ−4−エチニルトルエン、α,α,α−トリフルオロ−4−エチニルトルエン、2,4−ジフルオロスチルベン、4,4'−ジフルオロスチルベン、1,2−ビス(4−フルオロフェニル)アセチレン、3,4−ジフルオロ(フェニルエチニル)ベンゼン、3,3−ジクロロプロペン、3,3−ジクロロプロピン、3,3,3−トリクロロプロピン、3,4−ジクロロ−1−ブテン、1,4−ジクロロ−2−ブテン、3,4−ジクロロ−1−ブチン、1,4−ジクロロ−2−ブチン、3,4−ジクロロスチレン、2,6−ジクロロスチレン、2,4−ジフルオロシナミック酸、2,5−ジクロロエチニルベンゼン、3,5−ジクロロエチニルベンゼン、α,α−ジクロロ−4−エチニルトルエン、α,α,α−トリクロロ−4−エチニルトルエン、2,4−ジクロロスチルベン、4,4'−ジクロロスチルベン、1,2−ビス(4−クロロフェニル)アセチレン、3,4−ジクロロ(フェニルエチニル)ベンゼン、4,4’−ジヒドロキシベンゾフェノン、4,4’−ジクロロベンゾフェノン、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン、4−クロロベンゾフェノン、4−フルオロベンゾフェノン、4−ヒドロキシベンゾフェノン1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)エタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)メタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ブタン、3,3−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ペンタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジメチルフェニル)プロパン、ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジメチルフェニル)メタン、ビス(4−ヒドロキシ−2,5−ジメチルフェニル)メタン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)フェニルメタン、4−ベンジルレゾルシン、2,5−ジメチルレゾルシン、4−エチルレゾルシン、等が挙げられる。これらの架橋基モノマーを本発明のポリアリーレンエーテル系化合物の重合の際に加えることで、分子鎖内部に架橋性基を導入することができる。   Specific examples of the monomer having a crosslinkable group include 1-butene-3,4-diol, 3,5-dihydroxystyrene, 3,5-dihydroxystilbene, 1-butyne-3,4-diol, -Butene-3,4-diol, 2,4-hexadiyne-1,6-diol, 2-ethynylhydroquinone, 2- (phenylethynyl) hydroquinone, 5-ethynylresorcin, 2-butene-1,4-diol, 4 , 4′-dihydroxystilbene, 1,4-butynediol, 1,2-bis (4-hydroxyphenyl) acetylene, 1,2-bis (3-hydroxyphenyl) acetylene, 3,3-difluoropropene, 3,3 -Difluoropropyne, 3,3,3-trifluoropropyne, 3,4-difluoro-1-butene, 1,4-difluoro-2- Butene, 3,4-difluoro-1-butyne, 1,4-difluoro-2-butyne, 1,6-difluoro-2,4-hexadiyne, 3,4-difluorostyrene, 2,6-difluorostyrene, 2, 5-difluoroethynylbenzene, 3,5-difluoroethynylbenzene, α, α-difluoro-4-ethynyltoluene, α, α, α-trifluoro-4-ethynyltoluene, 2,4-difluorostilbene, 4,4 ′ -Difluorostilbene, 1,2-bis (4-fluorophenyl) acetylene, 3,4-difluoro (phenylethynyl) benzene, 3,3-dichloropropene, 3,3-dichloropropyne, 3,3,3-trichloro Propyne, 3,4-dichloro-1-butene, 1,4-dichloro-2-butene, 3,4-dichloro-1-butyne, 1,4 Dichloro-2-butyne, 3,4-dichlorostyrene, 2,6-dichlorostyrene, 2,4-difluorocinamic acid, 2,5-dichloroethynylbenzene, 3,5-dichloroethynylbenzene, α, α-dichloro -4-ethynyltoluene, α, α, α-trichloro-4-ethynyltoluene, 2,4-dichlorostilbene, 4,4′-dichlorostilbene, 1,2-bis (4-chlorophenyl) acetylene, 3,4- Dichloro (phenylethynyl) benzene, 4,4′-dihydroxybenzophenone, 4,4′-dichlorobenzophenone, 4,4′-difluorobenzophenone, 4-chlorobenzophenone, 4-fluorobenzophenone, 4-hydroxybenzophenone 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) ethane, 2,2-bis (4-hydro) Cyphenyl) propane, bis (4-hydroxyphenyl) methane, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) butane, 3,3-bis (4-hydroxyphenyl) pentane, 2,2-bis (4-hydroxy-3) , 5-dimethylphenyl) propane, bis (4-hydroxy-3,5-dimethylphenyl) methane, bis (4-hydroxy-2,5-dimethylphenyl) methane, bis (4-hydroxyphenyl) phenylmethane, 4- Benzylresorcin, 2,5-dimethylresorcin, 4-ethylresorcin, etc. are mentioned. By adding these crosslinking group monomers in the polymerization of the polyarylene ether compound of the present invention, a crosslinking group can be introduced into the molecular chain.

本発明のスルホン酸基含有ポリマーとしては、スルホン酸基含有量が0.3〜5.0meq/gの範囲にあることが好ましい。0.3meq/gよりも少ない場合には、高分子電解質膜として使用したときに十分なイオン伝導性を示さない傾向があり、5.0meq/gよりも大きくしてもイオン伝導性は頭打ちになる傾向がある。なお、スルホン酸基含有量は、酸性水溶液処理によりスルホン酸基を酸型構造にした後、後に述べる滴定法により決定することができる。なお好ましくは0.5〜3.5meq/gである。   The sulfonic acid group-containing polymer of the present invention preferably has a sulfonic acid group content in the range of 0.3 to 5.0 meq / g. When it is less than 0.3 meq / g, there is a tendency that it does not show sufficient ionic conductivity when used as a polymer electrolyte membrane. Tend to be. The sulfonic acid group content can be determined by a titration method described later after the sulfonic acid group is converted to an acid type structure by an acidic aqueous solution treatment. In addition, Preferably it is 0.5-3.5 meq / g.

また、本発明のスルホン酸基含有ポリマーとしては、そのガラス転移温度が130℃から220℃の間にあることが好ましい。ガラス転移温度が130℃より低い場合には、高分子電解質膜として使用する際の耐熱性が不十分となる傾向が現れるはじめ、ガラス転移温度が220℃よりも高い場合には電解質膜/電極複合体を作製するときの加工性が低下する傾向が現れ始めるためである。ガラス転移温度が130℃から220℃の間にあることにより、電解質膜/電極複合体を作製するときの加工性に優れるとともに、燃料電池として使用する際の耐熱性も特に良好なものとなる。なお、ここで言うガラス転移温度は後に述べる動的粘弾性測定により決定することができる。   The sulfonic acid group-containing polymer of the present invention preferably has a glass transition temperature between 130 ° C. and 220 ° C. When the glass transition temperature is lower than 130 ° C., the heat resistance when used as a polymer electrolyte membrane tends to be insufficient, and when the glass transition temperature is higher than 220 ° C., the electrolyte membrane / electrode composite This is because a tendency for processability to decrease when a body is produced begins to appear. When the glass transition temperature is between 130 ° C. and 220 ° C., the processability when producing the electrolyte membrane / electrode composite is excellent, and the heat resistance when used as a fuel cell is particularly good. In addition, the glass transition temperature said here can be determined by the dynamic viscoelasticity measurement mentioned later.

本発明のスルホン酸基含有ポリマーを芳香族求核置換反応により重合する場合、活性化ジフルオロ芳香族化合物及び/またはジクロロ芳香族化合物と芳香族ジオール類を塩基性化合物の存在下で反応させることで重合体を得ることができる。重合は、0〜350℃の温度範囲で行うことができるが、50〜250℃の温度であることが好ましい。0℃より低い場合には、十分に反応が進まない傾向にあり、350℃より高い場合には、ポリマーの分解も起こり始める傾向がある。反応は、無溶媒下で行うこともできるが、溶媒中で行うことが好ましい。使用できる溶媒としては、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ジフェニルスルホン、スルホランなどを挙げることができるが、これらに限定されることはなく、芳香族求核置換反応において安定な溶媒として使用できるものであればよい。これらの有機溶媒は、単独でも2種以上の混合物として使用されても良い。塩基性化合物としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム等があげられるが、芳香族ジオール類を活性なフェノキシド構造にしうるものであれば、これらに限定されず使用することができる。芳香族求核置換反応においては、副生物として水が生成する場合がある。この際は、重合溶媒とは関係なく、トルエンなどを反応系に共存させて共沸物として水を系外に除去することもできる。水を系外に除去する方法としては、モレキュラーシーブなどの吸水剤を使用することもできる。芳香族求核置換反応を溶媒中で行う場合、得られるポリマー濃度として5〜50質量%となるようにモノマーを仕込むことが好ましい。5質量%よりも少ない場合は、重合度が上がりにくい傾向がある。一方、50質量%よりも多い場合には、反応系の粘性が高くなりすぎ、反応物の後処理が困難になる傾向がある。重合は、モノマーを反応初期に一括して投入し、ランダム性の高い連鎖分布を持つポリマーにすることが好ましい。重合反応終了後は、反応溶液より蒸発によって溶媒を除去し、必要に応じて残留物を洗浄することによって、所望のポリマーが得られる。また、反応溶液を、ポリマーの溶解度が低い溶媒中に加えることによって、ポリマーを固体として沈殿させ、沈殿物の濾取によりポリマーを得ることもできる。必要に応じて、沈殿生成前に、濾過処理を行っても良い。   When the sulfonic acid group-containing polymer of the present invention is polymerized by an aromatic nucleophilic substitution reaction, an activated difluoroaromatic compound and / or a dichloroaromatic compound and an aromatic diol are reacted in the presence of a basic compound. A polymer can be obtained. The polymerization can be carried out in the temperature range of 0 to 350 ° C., but is preferably 50 to 250 ° C. When the temperature is lower than 0 ° C., the reaction does not proceed sufficiently, and when the temperature is higher than 350 ° C., the polymer tends to be decomposed. The reaction can be carried out in the absence of a solvent, but is preferably carried out in a solvent. Examples of the solvent that can be used include N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, diphenyl sulfone, sulfolane, and the like. And any solvent that can be used as a stable solvent in the aromatic nucleophilic substitution reaction. These organic solvents may be used alone or as a mixture of two or more. Examples of the basic compound include sodium hydroxide, potassium hydroxide, sodium carbonate, potassium carbonate, sodium hydrogen carbonate, potassium hydrogen carbonate, and the like, and those that can convert an aromatic diol into an active phenoxide structure may be used. It can use without being limited to. In the aromatic nucleophilic substitution reaction, water may be generated as a by-product. In this case, regardless of the polymerization solvent, water can be removed from the system as an azeotrope by coexisting toluene or the like in the reaction system. As a method for removing water out of the system, a water-absorbing agent such as molecular sieve can also be used. When the aromatic nucleophilic substitution reaction is carried out in a solvent, it is preferable to charge the monomer so that the resulting polymer concentration is 5 to 50% by mass. When the amount is less than 5% by mass, the degree of polymerization tends to be difficult to increase. On the other hand, when the amount is more than 50% by mass, the viscosity of the reaction system becomes too high, and post-treatment of the reaction product tends to be difficult. For the polymerization, it is preferable to add monomers at the beginning of the reaction to form a polymer having a highly random chain distribution. After completion of the polymerization reaction, the solvent is removed from the reaction solution by evaporation, and the residue is washed as necessary to obtain the desired polymer. In addition, the polymer can be obtained by precipitating the polymer as a solid by adding the reaction solution in a solvent having low polymer solubility, and collecting the precipitate by filtration. If necessary, a filtration treatment may be performed before the precipitation.

また、本発明のスルホン酸基含有ポリマーは、後で述べる方法により測定したポリマー対数粘度が0.1以上であることが好ましい。対数粘度が0.1よりも小さいと、高分子電解質膜として成形したときに、膜が脆くなりやすくなる。対数粘度は、0.3以上であることがさらに好ましい。一方、対数粘度が5を超えると、ポリマーの溶解が困難になるなど、加工性での問題が出てくるので好ましくない。なお、対数粘度を測定する溶媒としては、一般にN−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミドなどの極性有機溶媒を使用することができるが、これらに溶解性が低い場合には濃硫酸を用いて測定することもできる。   The sulfonic acid group-containing polymer of the present invention preferably has a polymer log viscosity measured by a method described later of 0.1 or more. When the logarithmic viscosity is less than 0.1, the membrane tends to become brittle when molded as a polymer electrolyte membrane. The logarithmic viscosity is more preferably 0.3 or more. On the other hand, when the logarithmic viscosity exceeds 5, problems in processability such as difficulty in dissolving the polymer occur, which is not preferable. As the solvent for measuring the logarithmic viscosity, polar organic solvents such as N-methyl-2-pyrrolidone and N, N-dimethylacetamide can be generally used. Can also be measured.

本発明における酸性基含有ポリベンズイミダゾール系ポリマーは、下記の化学式(7)で表される分子構造を含んでいることを特徴としている。   The acidic group-containing polybenzimidazole polymer in the present invention is characterized by including a molecular structure represented by the following chemical formula (7).

Figure 2008069188
(Rはイミダゾール環を形成できる4価の芳香族結合ユニットを、Rは2価の芳香族結合ユニットを表し、RおよびRはいずれも芳香環の単環であっても複数の芳香環の結合体あるいは縮合環であっても良く、安定な置換基を有していても良い。Zは、スルホン酸基および/またはホスホン酸基を表し、その一部が塩構造となっていても良い。nは2以上の任意の整数を示す。mは1から4の整数を表す。)
Figure 2008069188
(R 1 represents a tetravalent aromatic bond unit capable of forming an imidazole ring, R 2 represents a divalent aromatic bond unit, and R 1 and R 2 may be a single aromatic ring or a plurality of aromatic rings. It may be an aromatic ring conjugate or a condensed ring, and may have a stable substituent, Z represents a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group, and a part thereof has a salt structure. (N represents an arbitrary integer of 2 or more, and m 1 represents an integer of 1 to 4.)

上記の化学式(7)で示す構造を含む本発明のポリベンズイミダゾール系ポリマーを合成する経路は特には限定されないが、通常は化合物中のイミダゾール環を形成し得る芳香族テトラミン類およびそれらの誘導体よりなる群から選ばれる一種以上の化合物と、芳香族ジカルボン酸およびその誘導体よりなる群から選ばれる一種以上の化合物との反応により合成することができる。その際、使用するジカルボン酸の中にスルホン酸基やホスホン酸基、またはそれらの塩を含有するジカルボン酸を使用することで、得られるポリベンズイミダゾール中にスルホン酸基やホスホン酸基を導入することができる。スルホン酸基やホスホン酸基を含むジカルボン酸はそれぞれ一種以上組み合わせて使用することが出来るが、スルホン酸基含有ジカルボン酸とホスホン酸基含有ジカルボン酸を同時に使用することも可能である。   The route for synthesizing the polybenzimidazole polymer of the present invention containing the structure represented by the above chemical formula (7) is not particularly limited, but usually from aromatic tetramines and their derivatives capable of forming an imidazole ring in the compound. It can be synthesized by a reaction of one or more compounds selected from the group consisting of one or more compounds selected from the group consisting of aromatic dicarboxylic acids and derivatives thereof. At that time, by using a dicarboxylic acid containing a sulfonic acid group or a phosphonic acid group or a salt thereof in the dicarboxylic acid to be used, a sulfonic acid group or a phosphonic acid group is introduced into the resulting polybenzimidazole. be able to. One or more dicarboxylic acids containing a sulfonic acid group or a phosphonic acid group can be used in combination, but a sulfonic acid group-containing dicarboxylic acid and a phosphonic acid group-containing dicarboxylic acid can be used simultaneously.

ここで、本発明のポリベンズイミダゾール系ポリマーの構成要素であるベンズイミダゾール系結合ユニットや、スルホン酸基および/またはホスホン酸基を有する芳香族ジカルボン酸結合ユニットや、スルホン酸基もホスホン酸基も有さない芳香族ジカルボン酸結合ユニットや、その他の結合ユニットは、ランダム重合および/または交互的重合により結合していることが好ましい。また、これらの重合形式は一種に限られず、二種以上の重合形式が同一の化合物中で並存していてもよい。   Here, a benzimidazole-based binding unit that is a constituent element of the polybenzimidazole-based polymer of the present invention, an aromatic dicarboxylic acid binding unit having a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group, a sulfonic acid group, and a phosphonic acid group. It is preferable that the aromatic dicarboxylic acid bonding unit that is not present and other bonding units are bonded by random polymerization and / or alternating polymerization. Moreover, these polymerization formats are not limited to one type, and two or more polymerization types may coexist in the same compound.

上記の化学式(7)で示される構成成分を含むスルホン酸基含有ポリベンズイミダゾール系ポリマーのうち、下記の化学式(14)と(15)で示される構造で表される結合ユニットをn:(1−n)のモル比で構成成分として含むものが特に好ましい。 Among the sulfonic acid group-containing polybenzimidazole-based polymers including the structural component represented by the above chemical formula (7), a binding unit represented by the structure represented by the following chemical formulas (14) and (15) is represented by n 1 :( What is contained as a structural component in the molar ratio of 1-n 1 ) is particularly preferable.

Figure 2008069188
(ただし、Arは2価の芳香族結合ユニットを表し、Xは−O−、−SO−、−C(CH−、−C(CF−、−OPhO−からなる群から選ばれる1種以上であり、Phは2価の芳香族結合ユニットを表す。また、n(モル比)は、0.2≦n≦1.0の式を満たす。mは1から4の整数を表す。)
Figure 2008069188
(However, Ar represents a divalent aromatic bond unit, and X 1 consists of —O—, —SO 2 —, —C (CH 3 ) 2 —, —C (CF 3 ) 2 —, and —OPhO—. at least one element selected from the group, Ph represents a bivalent aromatic bond unit. in addition, n 1 (molar ratio), the .m 1 satisfying the formula of 0.2 ≦ n 1 ≦ 1.0 Represents an integer from 1 to 4.)

上記の化学式(14)、(15)において、mが5よりも大きいと、得られるポリマーの耐水性が劣る傾向にあり、n(モル比)が0.2よりも小さいと、十分なイオン伝導性を示さない傾向となる。 In the above chemical formulas (14) and (15), if m 1 is larger than 5, the water resistance of the resulting polymer tends to be inferior, and if n 1 (molar ratio) is smaller than 0.2, sufficient It tends to show no ionic conductivity.

上記の化学式(7)で示される構成成分を含むスルホン酸基含有ポリベンズイミダゾール系ポリマーを与える芳香族テトラミンの具体例としては、特に限定されるものではないが、たとえば、1,2,4,5−テトラアミノベンゼン、3,3’−ジアミノベンジジン、3,3’,4,4’−テトラアミノジフェニルエーテル、3,3’,4,4’−テトラアミノジフェニルチオエーテル、3,3’,4,4’−テトラアミノジフェニルスルホン、2,2−ビス(3,4−ジアミノフェニル)プロパン、ビス(3,4−ジアミノフェニル)メタン、2,2−ビス(3,4−ジアミノフェニル)ヘキサフルオロプロパン、1,4−ビス(3,4−ジアミノフェノキシ)ベンゼン、などおよびこれらの誘導体が挙げられる。これらのうち、式(14)で表される結合ユニットを形成することができる、3,3’,4,4’−テトラアミノジフェニルエーテル、3,3’,4,4’−テトラアミノジフェニルスルホン、2,2−ビス(3,4−ジアミノフェニル)プロパン、2,2−ビス(3,4−ジアミノフェニル)ヘキサフルオロプロパン、1,4−ビス(3,4−ジアミノフェノキシ)ベンゼンおよびこれらの誘導体が特に好ましい。   Specific examples of the aromatic tetramine that gives the sulfonic acid group-containing polybenzimidazole-based polymer including the structural component represented by the above chemical formula (7) are not particularly limited. For example, 1, 2, 4, 5-tetraaminobenzene, 3,3′-diaminobenzidine, 3,3 ′, 4,4′-tetraaminodiphenyl ether, 3,3 ′, 4,4′-tetraaminodiphenylthioether, 3,3 ′, 4, 4'-tetraaminodiphenyl sulfone, 2,2-bis (3,4-diaminophenyl) propane, bis (3,4-diaminophenyl) methane, 2,2-bis (3,4-diaminophenyl) hexafluoropropane 1,4-bis (3,4-diaminophenoxy) benzene, and the like and derivatives thereof. Among these, 3,3 ′, 4,4′-tetraaminodiphenyl ether, 3,3 ′, 4,4′-tetraaminodiphenylsulfone, which can form a binding unit represented by the formula (14), 2,2-bis (3,4-diaminophenyl) propane, 2,2-bis (3,4-diaminophenyl) hexafluoropropane, 1,4-bis (3,4-diaminophenoxy) benzene and derivatives thereof Is particularly preferred.

これらの芳香族テトラミン類の誘導体の具体例としては、塩酸、硫酸、リン酸などの酸との塩などを挙げることができる。また、これらの化合物は単独で使用してもよいが、同時に複数使用することもできる。さらに、これらの化合物は、必要に応じて塩化すず(II)や亜リン酸化合物などの公知の酸化防止剤を含んでいてもよい。   Specific examples of these aromatic tetramine derivatives include salts with acids such as hydrochloric acid, sulfuric acid and phosphoric acid. These compounds may be used alone or in combination. Furthermore, these compounds may contain known antioxidants such as tin (II) chloride and phosphorous acid compounds as necessary.

上述の化学式(7)の構造を与えるスルホン酸基含有ジカルボン酸は、芳香族系ジカルボン酸中に1個から4個のスルホン酸基を含有するものを選択することができるが、具体例としては、例えば、2,5−ジカルボキシベンゼンスルホン酸、3,5−ジカルボキシベンゼンスルホン酸、2,5−ジカルボキシ−1,4−ベンゼンジスルホン酸、4,6−ジカルボキシ−1,3−ベンゼンジスルホン酸、2,2’−ジスルホ−4,4’−ビフェニルジカルボン酸、3,3’−ジスルホ−4,4’−ビフェニルジカルボン酸、等のスルホン酸含有ジカルボン酸及びこれらの誘導体を挙げることができる。誘導体としては、ナトリウム、カリウムなどのアルカリ金属塩や、アンモニウム塩、アルキルアンモニウム塩などをあげることができる。スルホン酸基含有ジカルボン酸の構造は特にこれらに限定されることはない。上述の式(7)におけるmは、1から4の整数より選ばれる。mが5以上であると、ポリマーの耐水性が低下する傾向が出てくるので好ましくない。 As the sulfonic acid group-containing dicarboxylic acid giving the structure of the above chemical formula (7), one containing 1 to 4 sulfonic acid groups in the aromatic dicarboxylic acid can be selected. For example, 2,5-dicarboxybenzenesulfonic acid, 3,5-dicarboxybenzenesulfonic acid, 2,5-dicarboxy-1,4-benzenedisulfonic acid, 4,6-dicarboxy-1,3-benzene Mention may be made of sulfonic acid-containing dicarboxylic acids such as disulfonic acid, 2,2′-disulfo-4,4′-biphenyldicarboxylic acid, 3,3′-disulfo-4,4′-biphenyldicarboxylic acid, and derivatives thereof. it can. Examples of the derivatives include alkali metal salts such as sodium and potassium, ammonium salts, and alkyl ammonium salts. The structure of the sulfonic acid group-containing dicarboxylic acid is not particularly limited to these. M 1 in the above formula (7) is selected from integers of 1 to 4. If m 1 is 5 or more, the water resistance of the polymer tends to decrease, such being undesirable.

スルホン酸基含有ジカルボン酸はそれら単独だけでなく、スルホン酸基を含有しないジカルボン酸とともに共重合の形で導入することができる。スルホン酸基含有ジカルボン酸とともに使用できるスルホン酸基およびホスホン酸基を含有しないジカルボン酸例としては、テレフタル酸、イソフタル酸、ナフタレンジカルボン酸、ジフェニルエーテルジカルボン酸、ジフェニルスルホンジカルボン酸、ビフェニルジカルボン酸、ターフェニルジカルボン酸、2,2−ビス(4−カルボキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン等ポリエステル原料として報告されている一般的なジカルボン酸を使用することができ、ここで例示したものに限定されるものではない。   The sulfonic acid group-containing dicarboxylic acids can be introduced not only by themselves but also with dicarboxylic acids not containing sulfonic acid groups in the form of copolymerization. Examples of dicarboxylic acids not containing sulfonic acid groups and phosphonic acid groups that can be used with sulfonic acid group-containing dicarboxylic acids include terephthalic acid, isophthalic acid, naphthalene dicarboxylic acid, diphenyl ether dicarboxylic acid, diphenyl sulfone dicarboxylic acid, biphenyl dicarboxylic acid, terphenyl Common dicarboxylic acids reported as polyester raw materials such as dicarboxylic acid and 2,2-bis (4-carboxyphenyl) hexafluoropropane can be used, and are not limited to those exemplified here.

スルホン酸基を含有するジカルボン酸の純度は特に制限されるものではないが、98%以上が好ましく、99%以上がより好ましい。スルホン酸基を含有するジカルボン酸を原料として重合されたポリイミダゾールは、スルホン酸基を含有しないジカルボン酸を用いた場合に比べて、重合度が低くなる傾向が見られるため、スルホン酸基を含有するジカルボン酸はできるだけ純度が高いものを用いることが好ましい。スルホン酸基含有ジカルボン酸とともにスルホン酸基を含有しないジカルボン酸を使用する場合、スルホン酸基含有ジカルボン酸を全ジカルボン酸中の20モル%以上とすることでスルホン酸の効果を明確にすることができる。スルホン酸のきわだった効果を引き出すためには、50モル%以上であることがさらに好ましい。スルホン酸基を有する芳香族ジカルボン酸の含有率が20モル%未満の場合には、本発明のポリベンズイミダゾール系ポリマーの導電率が低下して固体高分子電解質の材料として適さないものとなる傾向がある。   The purity of the dicarboxylic acid containing a sulfonic acid group is not particularly limited, but is preferably 98% or more, and more preferably 99% or more. Polyimidazole polymerized using dicarboxylic acid containing sulfonic acid group as a raw material contains a sulfonic acid group because the degree of polymerization tends to be lower than when dicarboxylic acid containing no sulfonic acid group is used. It is preferable to use a dicarboxylic acid having as high purity as possible. When using a dicarboxylic acid not containing a sulfonic acid group together with a sulfonic acid group-containing dicarboxylic acid, the effect of the sulfonic acid can be clarified by setting the sulfonic acid group-containing dicarboxylic acid to 20 mol% or more of the total dicarboxylic acid. it can. In order to bring out the remarkable effect of sulfonic acid, it is more preferably 50 mol% or more. When the content of the aromatic dicarboxylic acid having a sulfonic acid group is less than 20 mol%, the conductivity of the polybenzimidazole polymer of the present invention tends to be low, which makes it unsuitable as a material for a solid polymer electrolyte. There is.

上記の化学式(7)で示される構成成分を含むホスホン酸基含有ポリベンズイミダゾール系ポリマーとしては、下記の化学式(16)と式(17)で示される構造で表される結合ユニットをn2:(1−n2)のモル比で構成成分として含むものが特に好ましい。 As the phosphonic acid group-containing polybenzimidazole-based polymer containing the structural component represented by the above chemical formula (7), a bonding unit represented by the structure represented by the following chemical formula (16) and formula (17) is represented by n 2 : It is particularly preferable to contain a component with (1-n 2) molar ratio.

Figure 2008069188
(Arは芳香族結合ユニットを表し、X2は−O−、−SO−、−S−、−CH−,−OPhO−より群から選ばれる1種以上であり、Phは2価の芳香族結合ユニットを表すものとする。また、n2(モル比)は、0.2≦n2≦1.0の式を満たす。mは1から4の整数を表す。)
Figure 2008069188
(Ar represents an aromatic bond unit, X 2 is at least one selected from the group consisting of —O—, —SO 2 —, —S—, —CH 2 —, —OPhO—, and Ph is a divalent group. (It is assumed that it represents an aromatic bond unit, and n 2 (molar ratio) satisfies the formula of 0.2 ≦ n 2 ≦ 1.0. M 1 represents an integer of 1 to 4.)

上記の化学式(16)、(17)において、m2が5よりも大きいと、得られるポリマーの耐水性が劣る傾向にあり、n2(モル比)が0.2よりも小さいと、十分なイオン伝導性を示さない傾向となる。 In the above chemical formulas (16) and (17), if m 2 is larger than 5, the resulting polymer tends to have poor water resistance, and if n 2 (molar ratio) is smaller than 0.2, sufficient It tends to show no ionic conductivity.

上記の化学式(7)で示されるホスホン酸基含有ポリイミダゾールを与える芳香族テトラミンの具体例としては、特に限定されるものではないが、たとえば、1,2,4,5−テトラアミノベンゼン、3,3’−ジアミノベンジジン、3,3’,4,4’−テトラアミノジフェニルエーテル、3,3’,4,4’−テトラアミノジフェニルチオエーテル、3,3’,4,4’−テトラアミノジフェニルスルホン、2,2−ビス(3,4−ジアミノフェニル)プロパン、ビス(3,4−ジアミノフェニル)メタン、2,2−ビス(3,4−ジアミノフェニル)ヘキサフルオロプロパン、1,4−ビス(3,4−ジアミノフェノキシ)ベンゼン、などおよびこれらの誘導体が挙げられる。これらのうち、上記の式(16)で表される結合ユニットを形成することが出来る、3,3’,4,4’−テトラアミノジフェニルエーテル、3,3’,4,4’−テトラアミノジフェニルスルホン、3,3’,4,4’−テトラアミノジフェニルチオエーテル、ビス(3,4−ジアミノフェニル)メタン、1,4−ビス(3,4−ジアミノフェノキシ)ベンゼンおよびこれらの誘導体が特に好ましい。   Specific examples of the aromatic tetramine that gives the phosphonic acid group-containing polyimidazole represented by the above chemical formula (7) are not particularly limited. For example, 1,2,4,5-tetraaminobenzene, 3 3,3′-diaminobenzidine, 3,3 ′, 4,4′-tetraaminodiphenyl ether, 3,3 ′, 4,4′-tetraaminodiphenylthioether, 3,3 ′, 4,4′-tetraaminodiphenylsulfone 2,2-bis (3,4-diaminophenyl) propane, bis (3,4-diaminophenyl) methane, 2,2-bis (3,4-diaminophenyl) hexafluoropropane, 1,4-bis ( 3,4-diaminophenoxy) benzene, and the like and their derivatives. Among these, 3,3 ′, 4,4′-tetraaminodiphenyl ether, 3,3 ′, 4,4′-tetraaminodiphenyl, which can form a binding unit represented by the above formula (16). Sulfone, 3,3 ′, 4,4′-tetraaminodiphenyl thioether, bis (3,4-diaminophenyl) methane, 1,4-bis (3,4-diaminophenoxy) benzene and derivatives thereof are particularly preferred.

これらの芳香族テトラミン類の誘導体の具体例としては、塩酸、硫酸、リン酸などの酸との塩などを挙げることができる。また、これらの化合物は単独で使用してもよいが、同時に複数使用することもできる。さらに、これらの化合物は、必要に応じて塩化すず(II)や亜リン酸化合物などの公知の酸化防止剤を含んでいてもよい。   Specific examples of these aromatic tetramine derivatives include salts with acids such as hydrochloric acid, sulfuric acid and phosphoric acid. These compounds may be used alone or in combination. Furthermore, these compounds may contain known antioxidants such as tin (II) chloride and phosphorous acid compounds as necessary.

上記の化学式(7)で示されるホスホン酸基を有するポリベンズイミダゾール系ポリマーを合成する際に用いるホスホン酸基を有する芳香族ジカルボン酸およびその誘導体としては、特に限定されるものではなく、芳香族ジカルボン酸骨格中に1個から4個のホスホン酸基を有する化合物を好適に使用することができる。具体例としては、2,5−ジカルボキシフェニルホスホン酸、3,5−ジカルボキシフェニルホスホン酸、2,5−ビスホスホノテレフタル酸、などのホスホン酸基を有する芳香族ジカルボン酸およびこれらの誘導体を挙げることができる。芳香族ジカルボン酸骨格中に5個以上のホスホン酸基を有すると、ポリマーの耐水性が低下する傾向が出てくるので好ましくない。   An aromatic dicarboxylic acid having a phosphonic acid group and a derivative thereof used for synthesizing a polybenzimidazole polymer having a phosphonic acid group represented by the above chemical formula (7) are not particularly limited. A compound having 1 to 4 phosphonic acid groups in the dicarboxylic acid skeleton can be preferably used. Specific examples include aromatic dicarboxylic acids having a phosphonic acid group such as 2,5-dicarboxyphenylphosphonic acid, 3,5-dicarboxyphenylphosphonic acid, 2,5-bisphosphonoterephthalic acid, and derivatives thereof. Can be mentioned. It is not preferable to have 5 or more phosphonic acid groups in the aromatic dicarboxylic acid skeleton because the water resistance of the polymer tends to be lowered.

ここで、これらのホスホン酸基を有する芳香族ジカルボン酸のホスホン酸誘導体としては、ナトリウム、カリウムなどのアルカリ金属塩や、アンモニウム塩、アルキルアンモニウム塩などをあげることができる。また、これらの化合物は単独で使用してもよいが、同時に複数使用することもできる。さらに、これらの化合物は、必要に応じて塩化すず(II)や亜リン酸化合物などの公知の酸化防止剤を含んでいてもよい。   Here, examples of the phosphonic acid derivatives of aromatic dicarboxylic acids having these phosphonic acid groups include alkali metal salts such as sodium and potassium, ammonium salts and alkylammonium salts. These compounds may be used alone or in combination. Furthermore, these compounds may contain known antioxidants such as tin (II) chloride and phosphorous acid compounds as necessary.

そして、ホスホン酸基を有する芳香族ジカルボン酸の構造はこれらに限定されることはないが、ここに示したようなフェニルホスホン酸基型のホスホン酸基を有する芳香族ジカルボン酸が好ましい。   The structure of the aromatic dicarboxylic acid having a phosphonic acid group is not limited to these, but an aromatic dicarboxylic acid having a phosphonic acid group of the phenylphosphonic acid group type shown here is preferred.

本発明におけるポリベンズイミダゾール系ポリマーの合成に用いる、ホスホン酸基を有する芳香族ジカルボン酸の純度は特に限定されるものではないが、97%以上が好ましく、98%以上がより好ましい。ホスホン酸基を有する芳香族ジカルボン酸を原料として重合されたポリベンズイミダゾール系ポリマーは、スルホン酸基およびホスホン酸基を有さない芳香族ジカルボン酸を原料として用いた場合に比べて、重合度が低くなる傾向が見られるため、ホスホン酸基を有する芳香族ジカルボン酸はできるだけ純度が高いものを用いることが好ましい。すなわち、芳香族ジカルボン酸の純度が97%未満の場合には、得られるポリベンズイミダゾール系ポリマーの重合度が低下して固体高分子電解質の材料として適さないものとなる傾向がある。   The purity of the aromatic dicarboxylic acid having a phosphonic acid group used for the synthesis of the polybenzimidazole polymer in the present invention is not particularly limited, but is preferably 97% or more, more preferably 98% or more. The polybenzimidazole polymer polymerized using an aromatic dicarboxylic acid having a phosphonic acid group as a raw material has a degree of polymerization as compared with the case where an aromatic dicarboxylic acid having no sulfonic acid group and phosphonic acid group is used as a raw material. Since a tendency to decrease is observed, it is preferable to use an aromatic dicarboxylic acid having a phosphonic acid group as high as possible. That is, when the purity of the aromatic dicarboxylic acid is less than 97%, the degree of polymerization of the resulting polybenzimidazole polymer tends to be low, and it tends to be unsuitable as a solid polymer electrolyte material.

上記のホスホン酸基を有する芳香族ジカルボン酸はそれら単独だけで使用してもよいが、ホスホン酸基を含有しない芳香族ジカルボン酸とともに共重合反応することにより、本発明のホスホン酸基を有するポリベンズイミダゾール系ポリマーの合成に用いてもよい。ホスホン酸基を有する芳香族ジカルボン酸とともに使用できるスルホン酸基およびホスホン酸基を有さない芳香族ジカルボン酸としては、特に限定されるものではないが、たとえば、テレフタル酸、イソフタル酸、ナフタレンジカルボン酸、ジフェニルエーテルジカルボン酸、ジフェニルスルホンジカルボン酸、ビフェニルジカルボン酸、ターフェニルジカルボン酸、2,2−ビス(4−カルボキシフェニル)ヘキサフルオロプロパンなどのポリエステル原料として報告されている一般的な芳香族ジカルボン酸を使用することができる。   The above-mentioned aromatic dicarboxylic acids having a phosphonic acid group may be used alone. However, by copolymerizing with an aromatic dicarboxylic acid not containing a phosphonic acid group, the polyphosphoric acid having a phosphonic acid group of the present invention is used. You may use for the synthesis | combination of a benzimidazole-type polymer. The sulfonic acid group that can be used together with the aromatic dicarboxylic acid having a phosphonic acid group and the aromatic dicarboxylic acid not having a phosphonic acid group are not particularly limited. For example, terephthalic acid, isophthalic acid, naphthalenedicarboxylic acid General aromatic dicarboxylic acids reported as polyester raw materials such as diphenyl ether dicarboxylic acid, diphenyl sulfone dicarboxylic acid, biphenyl dicarboxylic acid, terphenyl dicarboxylic acid, and 2,2-bis (4-carboxyphenyl) hexafluoropropane Can be used.

また、これらの化合物は単独で使用してもよいが、同時に複数使用することもできる。さらに、これらの化合物は、必要に応じて塩化すず(II)や亜リン酸化合物などの公知の酸化防止剤を含んでいてもよい。   These compounds may be used alone or in combination. Furthermore, these compounds may contain known antioxidants such as tin (II) chloride and phosphorous acid compounds as necessary.

本発明におけるポリベンズイミダゾール系ポリマーの合成において、ホスホン酸基を有する芳香族ジカルボン酸とともにホスホン酸基を有さない芳香族ジカルボン酸を使用する場合、全芳香族ジカルボン酸中におけるホスホン酸基を有する芳香族ジカルボン酸の含有率を20モル%以上となるように配合することで、本発明におけるポリベンズイミダゾール系ポリマーがホスホン酸基を有することによる優れた効果を明確にすることができる。また、本発明におけるポリベンズイミダゾール系ポリマーがホスホン酸基を有することによるきわだった効果を引き出すためには、ホスホン酸基を有する芳香族ジカルボン酸の含有率を50モル%以上となるように配合することがさらに好ましい。ホスホン酸基を有する芳香族ジカルボン酸の含有率が20モル%未満の場合には、本発明におけるポリベンズイミダゾール系ポリマーの導電率が低下して固体高分子電解質の材料として適さないものとなる傾向がある。   In the synthesis of the polybenzimidazole polymer in the present invention, when an aromatic dicarboxylic acid not having a phosphonic acid group is used together with an aromatic dicarboxylic acid having a phosphonic acid group, the aromatic carboxylic acid group has a phosphonic acid group in the wholly aromatic dicarboxylic acid. By blending the aromatic dicarboxylic acid content so as to be 20 mol% or more, the excellent effect of the polybenzimidazole polymer in the present invention having a phosphonic acid group can be clarified. Further, in order to bring out the remarkable effect of the polybenzimidazole polymer in the present invention having a phosphonic acid group, the content of the aromatic dicarboxylic acid having a phosphonic acid group is blended so as to be 50 mol% or more. More preferably. When the content of the aromatic dicarboxylic acid having a phosphonic acid group is less than 20 mol%, the electrical conductivity of the polybenzimidazole polymer in the present invention tends to be low, making it unsuitable as a solid polymer electrolyte material. There is.

ここで、上記のスルホン酸基を有する芳香族ジカルボン酸およびホスホン酸基を有する芳香族ジカルボン酸は、それら単独だけで使用してもよいが、両者を共重合反応することにより、本発明におけるスルホン酸基および/またはホスホン酸基を有するポリベンズイミダゾール系ポリマーの合成に用いてもよい。この際、下記の化学式(18)、(19)で示される構造で表される結合ユニットをn:(1−n)のモル比で構成成分として含む場合が特に好ましい。 Here, the aromatic dicarboxylic acid having a sulfonic acid group and the aromatic dicarboxylic acid having a phosphonic acid group may be used alone, but the sulfone in the present invention can be obtained by copolymerizing both of them. You may use for the synthesis | combination of the polybenzimidazole type polymer which has an acid group and / or a phosphonic acid group. In this case, it is particularly preferable that the binding unit represented by the structure represented by the following chemical formulas (18) and (19) is included as a constituent component at a molar ratio of n 3 : (1-n 3 ).

Figure 2008069188
(Arは芳香族結合ユニットを表し、Xは−O−、−SO−、−S−、−CH−,−C(CH−、−C(CF−、−OPhO−より群から選ばれる1種以上であり、Phは2価の芳香族結合ユニットを表すものとする。また、n(モル比)は、0.1≦n≦0.9の式を満たす。mおよびmは1から4の整数を表す。)
Figure 2008069188
(Ar represents an aromatic bond unit, and X 3 represents —O—, —SO 2 —, —S—, —CH 2 —, —C (CH 3 ) 2 —, —C (CF 3 ) 2 —, — It is at least one selected from the group consisting of OPhO—, Ph represents a divalent aromatic bond unit, and n 3 (molar ratio) is a formula of 0.1 ≦ n 3 ≦ 0.9. M 3 and m 4 represent an integer of 1 to 4.)

また、このとき、上記のスルホン酸基を有する芳香族ジカルボン酸およびホスホン酸基を有する芳香族ジカルボン酸は、それらのみで混合使用してもよいが、スルホン酸基およびホスホン酸基を含有しない芳香族ジカルボン酸とともに共重合反応することにより、本発明のスルホン酸基および/またはホスホン酸基を有するポリベンズイミダゾール系ポリマーを合成しても良い。   At this time, the aromatic dicarboxylic acid having a sulfonic acid group and the aromatic dicarboxylic acid having a phosphonic acid group may be mixed and used alone, but the aromatic dicarboxylic acid having no sulfonic acid group and phosphonic acid group may be used. A polybenzimidazole-based polymer having a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group of the present invention may be synthesized by copolymerization reaction with an aliphatic dicarboxylic acid.

上述の芳香族テトラミン類およびそれらの誘導体よりなる群から選ばれる一種以上の化合物と、芳香族ジカルボン酸およびその誘導体よりなる群から選ばれる一種以上の化合物とを用いて、スルホン酸基および/またはホスホン酸基を有するポリベンズイミダゾール系ポリマーを合成する方法は、特に限定されるものではないが、例えば、J.F.Wolfe, Encyclopedia of Polymer Science and Engineering, 2nd Ed., Vol.11, P.601(1988)に記載されるようなポリリン酸を溶媒とする脱水、環化重合により合成することができる。また、ポリリン酸のかわりにメタンスルホン酸/五酸化リン混合溶媒系を用いた同様の機構による重合を適用することもできる。なお、熱安定性の高いポリベンズイミダゾール系ポリマーを合成するには、一般によく使用されるポリリン酸を用いた重合が好ましい。   Using one or more compounds selected from the group consisting of the above-mentioned aromatic tetramines and derivatives thereof, and one or more compounds selected from the group consisting of aromatic dicarboxylic acids and derivatives thereof, sulfonic acid groups and / or A method for synthesizing a polybenzimidazole-based polymer having a phosphonic acid group is not particularly limited.For example, JFWolfe, Encyclopedia of Polymer Science and Engineering, 2nd Ed., Vol. 11, P. 601 (1988) ) Can be synthesized by dehydration and cyclopolymerization using polyphosphoric acid as a solvent. Further, polymerization by a similar mechanism using a mixed solvent system of methanesulfonic acid / phosphorus pentoxide instead of polyphosphoric acid can be applied. In order to synthesize a polybenzimidazole polymer having high thermal stability, polymerization using polyphosphoric acid that is commonly used is preferred.

さらに、本発明におけるポリベンズイミダゾール系ポリマーを得るには、たとえば、適当な有機溶媒中や混合原料モノマー融体の形での反応でポリアミド構造などを有する前駆体ポリマーを合成しておき、その後の適当な熱処理などによる環化反応で目的のポリベンズイミダゾール構造に変換する方法なども使用することができる。   Furthermore, in order to obtain the polybenzimidazole polymer in the present invention, for example, a precursor polymer having a polyamide structure is synthesized by a reaction in a suitable organic solvent or in the form of a mixed raw material monomer melt, A method of converting to a target polybenzimidazole structure by a cyclization reaction by an appropriate heat treatment can also be used.

また、本発明におけるポリベンズイミダゾール系ポリマーを合成する際の反応時間は、個々の原料モノマーの組み合わせにより最適な反応時間があるので一概には規定できないが、従来報告されているような長時間をかけた反応では、スルホン酸基および/またはホスホン酸基を有する芳香族ジカルボン酸などの原料モノマーを含む系では、得られたポリベンズイミダゾール系ポリマーの熱安定性が低下してしまう場合もあり、この場合には反応時間を本発明の効果の得られる範囲で短くすることが好ましい。このように反応時間を短くすることにより、スルホン酸基および/またはホスホン酸基を有するポリベンズイミダゾール系ポリマーも熱安定性の高い状態で得ることができる。   In addition, the reaction time when synthesizing the polybenzimidazole-based polymer in the present invention cannot be defined unconditionally because there is an optimum reaction time depending on the combination of individual raw material monomers, but it takes a long time as previously reported. In the applied reaction, in a system containing a raw material monomer such as an aromatic dicarboxylic acid having a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group, the thermal stability of the obtained polybenzimidazole polymer may be lowered. In this case, it is preferable to shorten the reaction time as long as the effect of the present invention is obtained. By shortening the reaction time as described above, a polybenzimidazole polymer having a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group can also be obtained in a highly heat stable state.

そして、本発明におけるポリベンズイミダゾール系ポリマーを合成する際の反応温度は、個々の原料モノマーの組み合わせにより最適な反応温度があるので一概には規定できないが、従来報告されているような高温による反応では、スルホン酸基および/またはホスホン酸基を有する芳香族ジカルボン酸などの原料モノマーを含む系では、得られたポリベンズイミダゾール系ポリマーへのスルホン酸基および/またはホスホン酸基の導入量の制御が不能となる場合もあり、この場合には反応温度を本発明の効果の得られる範囲で低くすることが好ましい。このように反応温度を低くすることにより、酸性基の量が多いポリベンズイミダゾール系ポリマーへのスルホン酸基および/またはホスホン酸基の導入量の制御を可能とすることができる。   The reaction temperature for synthesizing the polybenzimidazole polymer in the present invention cannot be defined unconditionally because there is an optimum reaction temperature depending on the combination of individual raw material monomers, but the reaction at a high temperature as reported conventionally. In a system containing a raw material monomer such as an aromatic dicarboxylic acid having a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group, control of the amount of sulfonic acid group and / or phosphonic acid group introduced into the obtained polybenzimidazole polymer In this case, it is preferable to lower the reaction temperature within a range where the effects of the present invention can be obtained. By lowering the reaction temperature in this way, it is possible to control the amount of sulfonic acid groups and / or phosphonic acid groups introduced into the polybenzimidazole polymer having a large amount of acidic groups.

また、本発明におけるポリベンズイミダゾール系ポリマーの合成後においては繰り返し単位を構成することになる原料モノマーが複数の種類からなる場合には、該繰返し単位同士はランダム重合および/または交互的重合により結合していることで、高分子電解質膜の材料として安定した性能を示す特徴を持つ。ここで、本発明におけるポリベンズイミダゾール系ポリマーをランダム重合および/または交互的重合の重合形式により合成するには、すべてのモノマー原料を重合初期から当量性を合わせた配合割合で仕込んでおく方法で作ることが好ましい。   Further, after the synthesis of the polybenzimidazole polymer in the present invention, when the raw material monomer constituting the repeating unit is composed of plural kinds, the repeating units are bonded by random polymerization and / or alternating polymerization. As a result, the polymer electrolyte membrane has the characteristic of showing stable performance. Here, in order to synthesize the polybenzimidazole-based polymer in the present invention by random polymerization and / or alternating polymerization, all monomer materials are charged at a blending ratio that combines equivalence from the initial stage of polymerization. It is preferable to make.

なお、ポリベンズイミダゾール系ポリマーをランダム重合や交互的重合ではなくブロック重合により合成することもできるが、その際には、当量性をずらした配合割合のモノマー原料の仕込み条件で第一成分のオリゴマーを合成し、さらにモノマー原料を追加して第二成分も含めて当量性が合う形に配合割合を調整した上で重合を行なうことが好ましい。   Polybenzimidazole polymers can also be synthesized by block polymerization instead of random polymerization or alternating polymerization, but in this case, the first component oligomer is used under the charging conditions of the monomer raw material with a blending ratio shifted in equivalence. It is preferable to carry out the polymerization after adding the monomer raw material and adjusting the blending ratio so that the equivalence is matched including the second component.

本発明におけるスルホン酸基および/またはホスホン酸基を有するポリベンズイミダゾール系ポリマーの重量平均分子量は、特に限定されるものではないが、1,000以上であり、3,000以上が好ましい。また、この分子量は1,000,000以下であることが好ましく、200,000以下がより好ましい。この分子量が1,000未満の場合には、粘度の低下によりポリベンズイミダゾール系ポリマーから良好な性質を備えた成形物を得ることが困難となる。また、この分子量が1,000,000を超えると粘度の上昇によりポリベンズイミダゾール系ポリマーを成形することが困難になる。
また、本発明におけるスルホン酸基および/またはホスホン酸基を有するポリベンズイミダゾール系ポリマーの分子量は、実質的には濃硫酸中で測定した場合の対数粘度で評価することができる。本発明におけるポリベンズイミダゾール系ポリマーの対数粘度は0.25以上であることが好ましく、特に0.40以上であればより好ましい。また、この対数粘度は10以下であることが好ましく、特に8以下であればより好ましい。この対数粘度が0.25未満の場合には、粘度の低下によりポリベンズイミダゾール系ポリマーから良好な性質を備えた成形物を得ることが困難となる。また、この対数粘度が10を超えると粘度の上昇によりポリベンズイミダゾール系ポリマーを成形することが困難になる。
The weight average molecular weight of the polybenzimidazole polymer having a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group in the present invention is not particularly limited, but is 1,000 or more, preferably 3,000 or more. The molecular weight is preferably 1,000,000 or less, and more preferably 200,000 or less. When this molecular weight is less than 1,000, it becomes difficult to obtain a molded product having good properties from a polybenzimidazole polymer due to a decrease in viscosity. On the other hand, when the molecular weight exceeds 1,000,000, it becomes difficult to mold a polybenzimidazole polymer due to an increase in viscosity.
Further, the molecular weight of the polybenzimidazole polymer having a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group in the present invention can be substantially evaluated by a logarithmic viscosity when measured in concentrated sulfuric acid. The logarithmic viscosity of the polybenzimidazole polymer in the present invention is preferably 0.25 or more, and more preferably 0.40 or more. The logarithmic viscosity is preferably 10 or less, more preferably 8 or less. When this logarithmic viscosity is less than 0.25, it is difficult to obtain a molded product having good properties from the polybenzimidazole polymer due to the decrease in viscosity. On the other hand, when the logarithmic viscosity exceeds 10, it becomes difficult to mold a polybenzimidazole polymer due to the increase in viscosity.

本発明における酸性化含有ポリマーは、本発明におけるポリベンズイミダゾール系ポリマーとともに混合して使用されるが、酸性基含有ポリマーと酸性基含有ポリベンズイミダゾール系ポリマーとの割合が、質量比で99.9:0.1〜30:70であることが必要であり、99:1〜50:50であることがより好ましく、95:5〜70:30であれば特に好ましい。酸性基含有ポリベンズイミダゾールの含有率が0.1質量%より少ない場合は、イオン伝導膜として高温高湿時の膨潤性が高くなりすぎる傾向となり、70質量%より多い場合には、寸法安定性はよいもののイオン伝導特性が低くなってしまう傾向があるからである。   The acidification-containing polymer in the present invention is used by mixing with the polybenzimidazole polymer in the present invention, but the ratio of the acid group-containing polymer and the acid group-containing polybenzimidazole polymer is 99.9 by mass ratio. : 0.1 to 30:70 is required, 99: 1 to 50:50 is more preferable, and 95: 5 to 70:30 is particularly preferable. When the content of the acidic group-containing polybenzimidazole is less than 0.1% by mass, the swellability at high temperature and high humidity tends to be too high as an ion conductive membrane, and when it is more than 70% by mass, the dimensional stability is increased. This is because, though good, there is a tendency that the ionic conductivity is lowered.

本発明におけるスルホン酸基含有ポリマーとポリベンズイミダゾール系ポリマーとを含有する樹脂組成物は、ポリベンズイミダゾール系ポリマーとスルホン酸基含有ポリマーとを公知の方法で混合すればよく、例えば、重合溶液、単離したポリマー、および再溶解させたポリマー溶液を混合することなどによって得ることができる。この混合された樹脂組成物は、押し出し、紡糸、圧延、キャストなど任意の方法で繊維やフィルムに成形することができる。これらの成形過程の中では、適当な溶媒に溶解した溶液から成形することが好ましい。溶解する溶媒としては、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、N−メチル−2−ピロリドン、ヘキサメチルホスホンアミドなど非プロトン極性溶媒や、ポリリン酸、メタンスルホン酸、硫酸、トリフルオロ酢酸などの強酸から適切なものを選ぶことができるがこれらに限定されるものではない。これらのうち、特に有機溶媒系から成形することが好ましい。これらの溶媒は、可能な範囲で複数を混合して使用してもよい。また、溶解性を向上させる手段として、臭化リチウム、塩化リチウム、塩化アルミニウムなどのルイス酸を有機溶媒に添加したものを溶媒としてもよい。溶液中のポリマー濃度は0.1〜50質量%の範囲であることが好ましい。低すぎると成形性が悪化しやすく、高すぎると加工性が悪化することがある。   The resin composition containing the sulfonic acid group-containing polymer and the polybenzimidazole polymer in the present invention may be prepared by mixing the polybenzimidazole polymer and the sulfonic acid group-containing polymer by a known method, for example, a polymerization solution, It can be obtained by mixing the isolated polymer and the redissolved polymer solution. The mixed resin composition can be formed into a fiber or a film by any method such as extrusion, spinning, rolling, and casting. Among these molding processes, it is preferable to mold from a solution dissolved in a suitable solvent. Soluble solvents include aprotic polar solvents such as N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, N-methyl-2-pyrrolidone, hexamethylphosphonamide, polyphosphoric acid, methanesulfonic acid, sulfuric acid, A suitable acid can be selected from strong acids such as trifluoroacetic acid, but is not limited thereto. Among these, it is particularly preferable to mold from an organic solvent system. A plurality of these solvents may be used as a mixture within a possible range. As a means for improving the solubility, a solvent obtained by adding a Lewis acid such as lithium bromide, lithium chloride, or aluminum chloride to an organic solvent may be used. The polymer concentration in the solution is preferably in the range of 0.1 to 50% by mass. If it is too low, the moldability tends to deteriorate, and if it is too high, the workability may deteriorate.

これまで報告されている、酸性基含有ポリマーとポリベンズイミダゾール等の塩基性ポリマーからなるブレンド樹脂組成物は、ポリマー間の酸塩基相互作用で、ポリマーの溶解時に沈殿が起こってしまう場合が多い。そのため、アミン化合物などを添加することで、酸性基ポリマーを塩にすることで、両ポリマーを同一溶媒に溶解させている。このため、例えばイオン伝導膜に成形した後、プロトン伝導性を付与するためには、酸処理をしてアミン塩をはずす工程が必要であった。本発明の酸性基含有ポリベンズイミダゾールは塩基性ポリマー鎖内に酸性基を有しているため、特開2003−327825号公報や特開平2005−139318号公報で示されているように、加えた酸性基含有ポリマーと塩を形成して沈殿することがない特徴を有している。このため、両ポリマーをそのまま同一溶媒に均一に溶解することが出来、イオン伝導膜として成形した後、そのままプロトン伝導特性を示すという利点も有している。   In the case of a blend resin composition composed of an acidic group-containing polymer and a basic polymer such as polybenzimidazole, which has been reported so far, precipitation often occurs during the dissolution of the polymer due to an acid-base interaction between the polymers. Therefore, both polymers are dissolved in the same solvent by adding an amine compound or the like to make the acidic group polymer into a salt. For this reason, for example, after forming into an ion conductive membrane, in order to provide proton conductivity, the process of acid-treating and removing an amine salt was required. Since the acidic group-containing polybenzimidazole of the present invention has an acidic group in the basic polymer chain, it was added as disclosed in JP-A No. 2003-327825 and JP-A No. 2005-139318. It has the characteristic of not forming a salt with an acid group-containing polymer and precipitating. For this reason, both polymers can be uniformly dissolved in the same solvent as they are, and after forming as an ion conductive membrane, they also have the advantage of exhibiting proton conduction characteristics as they are.

溶剤溶液から成形体を得る方法は公知の方法を用いることができる。例えば加熱、減圧乾燥、ポリマーを溶解する溶媒と混和できるポリマー非溶媒への浸漬などによって、溶媒を除去しスルホン酸基および/またはホスホン酸基含有ポリベンズイミダゾールの成形体を得ることができる。溶媒が有機溶媒の場合は、加熱又は減圧乾燥で溶媒を留去させることが好ましい。溶媒が強酸の場合には、水、メタノール、アセトンなどに浸漬することが好ましい。   A known method can be used as a method of obtaining a molded body from a solvent solution. For example, the molded product of polybenzimidazole containing a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group can be obtained by removing the solvent by heating, drying under reduced pressure, or dipping in a polymer non-solvent that is miscible with a solvent that dissolves the polymer. When the solvent is an organic solvent, the solvent is preferably distilled off by heating or drying under reduced pressure. When the solvent is a strong acid, it is preferably immersed in water, methanol, acetone or the like.

また、必要に応じて本発明における酸性基含有ポリベンズイミダゾールと酸性基含有ポリマーは、他のポリマーと複合された形で樹脂組成物とし、繊維やフィルムに成形することもできる。複合化に使用できるポリマーとしては、例えばポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレートなどのポリエステル類、ナイロン6、ナイロン66、ナイロン610、ナイロン12などのポリアミド類、ポリメチルメタクリレート、ポリメタクリル酸エステル類、ポリメチルアクリレート、ポリアクリル酸エステル類などのアクリレート系樹脂、ポリアクリル酸系樹脂、ポリメタクリル酸系樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレンやジエン系ポリマーを含む各種ポリオレフィン、ポリウレタン系樹脂、酢酸セルロース、エチルセルロースなどのセルロース系樹脂、ポリアリレート、アラミド、ポリカーボネート、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンオキシド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾールなどの芳香族系ポリマー、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ノボラック樹脂、ベンゾオキサジン樹脂などの熱硬化性樹脂等、特に制限はない。これらのポリマーとの樹脂組成物として使用する場合には、本発明のポリベンズイミダゾール系ポリマーと酸性基含有ポリマーは、樹脂組成物全体の50質量%以上100質量%未満含まれていることが好ましい。より好ましくは70質量%以上100質量%未満である。本発明のポリベンズイミダゾール系ポリマーと酸性基含有ポリマーの含有量が樹脂組成物全体の50質量%未満の場合には、この樹脂組成物を含むイオン伝導膜は良好なイオン伝導性が得られない傾向にあり、また、酸性基を含有するユニットが非連続相となり伝導するイオンの移動度が低下する傾向にある。なお、本発明の樹脂組成物は、必要に応じて、例えば酸化防止剤、熱安定剤、滑剤、粘着付与剤、可塑剤、架橋剤、粘度調整剤、静電気防止剤、抗菌剤、消泡剤、分散剤、重合禁止剤、などの各種添加剤を含んでいても良い。さらに、Pt、Pt−Ruなどの触媒を担持したカーボン粒子や、フッ素樹脂など、他の成分を含んでいてもよい。   If necessary, the acid group-containing polybenzimidazole and the acid group-containing polymer in the present invention can be formed into a fiber or film by forming a resin composition in a form combined with another polymer. Examples of the polymer that can be used for the composite are polyesters such as polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, and polyethylene naphthalate, polyamides such as nylon 6, nylon 66, nylon 610, and nylon 12, polymethyl methacrylate, and polymethacrylates. Acrylate resins such as polymethyl acrylate and polyacrylates, polyacrylic acid resins, polymethacrylic acid resins, polyethylene, polypropylene, various polyolefins including polystyrene and diene polymers, polyurethane resins, cellulose acetate, ethyl cellulose Cellulosic resins such as polyarylate, aramid, polycarbonate, polyphenylene sulfide, polyphenylene oxide, polysulfone, poly -Thermosulfon such as ether sulfone, polyether ether ketone, polyether imide, polyimide, polyamide imide, polybenzoxazole, polybenzthiazole, epoxy resin, phenol resin, novolac resin, benzoxazine resin, etc. There is no particular limitation. When used as a resin composition with these polymers, the polybenzimidazole polymer and the acidic group-containing polymer of the present invention are preferably contained in an amount of 50% by mass or more and less than 100% by mass of the entire resin composition. . More preferably, it is 70 mass% or more and less than 100 mass%. When the content of the polybenzimidazole-based polymer and the acidic group-containing polymer of the present invention is less than 50% by mass of the entire resin composition, the ion conductive membrane containing this resin composition cannot obtain good ion conductivity. In addition, the unit containing an acidic group tends to be a discontinuous phase and the mobility of ions to be conducted tends to be lowered. The resin composition of the present invention can be used, for example, as necessary, for example, an antioxidant, a heat stabilizer, a lubricant, a tackifier, a plasticizer, a crosslinking agent, a viscosity modifier, an antistatic agent, an antibacterial agent, and an antifoaming agent. In addition, various additives such as a dispersant and a polymerization inhibitor may be contained. Further, it may contain other components such as carbon particles carrying a catalyst such as Pt and Pt—Ru, and a fluororesin.

本発明におけるスルホン酸基含有ポリマーと本発明における酸性基含有ポリベンズイミダゾールポリマーとを含む樹脂組成物を成形する好ましい方法としては、溶液からのキャスト法がある。キャストした溶液から前記のように溶媒を除去して膜を得ることができる。溶媒の除去は、乾燥することが膜の均一性からは好ましい。また、ポリマーや溶媒の分解や変質をさけるため、減圧下でできるだけ低い温度で乾燥することが好ましい。キャストする基板には、ガラス板やテフロン(登録商標)板などを用いることができる。溶液の粘度が高い場合には、基板や溶液を加熱して高温でキャストすると溶液の粘度が低下して容易にキャストすることができる。キャストする際の溶液の厚みは特に制限されないが、10〜1000μmであることが好ましい。薄すぎると膜としての形態を保てなくなり、厚すぎると不均一な膜ができやすくなる。より好ましくは100〜500μmである。溶液のキャスト厚を制御する方法は公知の方法を用いることができる。例えば、アプリケーター、ドクターブレードなどを用いて一定の厚みにしたり、ガラスシャーレなどを用いてキャスト面積を一定にして溶液の量や濃度で厚みを制御することができる。キャストした溶液は、溶媒の除去速度を調整することでより均一な膜を得ることができる。例えば、加熱する場合には最初の段階では低温にして蒸発速度を下げたりすることができる。また、水などの非溶媒に浸漬する場合には、溶液を空気中や不活性ガス中に適当な時間放置しておくなどしてポリマーの凝固速度を調整することができる。本発明の膜は目的に応じて任意の膜厚にすることができるが、イオン伝導性の面からはできるだけ薄いことが好ましい。具体的には200μm以下であることが好ましく、50μm以下であることがさらに好ましく、20μm以下であることが最も好ましい。   A preferable method for molding a resin composition containing the sulfonic acid group-containing polymer in the present invention and the acidic group-containing polybenzimidazole polymer in the present invention is a casting method from a solution. The film can be obtained by removing the solvent from the cast solution as described above. The solvent is preferably dried from the viewpoint of film uniformity. Further, in order to avoid decomposition or alteration of the polymer or solvent, it is preferable to dry at a temperature as low as possible under reduced pressure. As the substrate to be cast, a glass plate, a Teflon (registered trademark) plate, or the like can be used. When the viscosity of the solution is high, when the substrate or the solution is heated and cast at a high temperature, the viscosity of the solution is lowered and can be easily cast. The thickness of the solution at the time of casting is not particularly limited, but is preferably 10 to 1000 μm. If it is too thin, the shape of the film cannot be maintained, and if it is too thick, a non-uniform film can be easily formed. More preferably, it is 100-500 micrometers. As a method for controlling the cast thickness of the solution, a known method can be used. For example, the thickness can be controlled with the amount and concentration of the solution with a constant thickness using an applicator, a doctor blade, or the like, and with a cast area constant using a glass petri dish or the like. The cast solution can obtain a more uniform film by adjusting the solvent removal rate. For example, in the case of heating, the evaporation rate can be reduced by lowering the temperature in the first stage. In addition, when immersed in a non-solvent such as water, the solidification rate of the polymer can be adjusted by leaving the solution in air or an inert gas for an appropriate time. The film of the present invention can have any film thickness depending on the purpose, but is preferably as thin as possible from the viewpoint of ion conductivity. Specifically, it is preferably 200 μm or less, more preferably 50 μm or less, and most preferably 20 μm or less.

以下、本発明を実施例を用いて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されることはない。なお、各種測定は次のように行った。
・溶液粘度:
スルホン酸基含有ポリマーは、0.5g/dlの濃度でN−メチルピロリドンに溶解し、30℃の恒温槽中でウベローデ型粘度計を用いて粘度測定を行い、対数粘度ln[ta/tb]/c)で評価した(taは試料溶液の落下秒数、tbは溶媒のみの落下秒数、cはポリマー濃度)。酸性基含有ポリベンズイミダゾールは、0.5g/dlの濃度で濃硫酸に溶解し、30℃の恒温槽中でオストワルド粘度計を用いて粘度測定を行い、同様の計算式で対数粘度を算出した。
・TGA:
島津製作所社製熱重量測定計(TGA−50)を用い、アルゴン雰囲気中、昇温速度10℃/minで測定を行った(途中、150℃で30分保持して水分を十分除去する)。
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated concretely using an Example, this invention is not limited to these Examples. Various measurements were performed as follows.
・ Solution viscosity:
The sulfonic acid group-containing polymer is dissolved in N-methylpyrrolidone at a concentration of 0.5 g / dl, and the viscosity is measured using a Ubbelohde viscometer in a constant temperature bath at 30 ° C. to obtain a logarithmic viscosity ln [ta / tb]. / C) (ta is the drop time of the sample solution, tb is the drop time of the solvent only, and c is the polymer concentration). The acidic group-containing polybenzimidazole was dissolved in concentrated sulfuric acid at a concentration of 0.5 g / dl, the viscosity was measured using an Ostwald viscometer in a thermostatic bath at 30 ° C., and the logarithmic viscosity was calculated using the same calculation formula. .
・ TGA:
Using a thermogravimetry meter (TGA-50) manufactured by Shimadzu Corporation, measurement was carried out in an argon atmosphere at a temperature rising rate of 10 ° C./min (while being kept at 150 ° C. for 30 minutes to sufficiently remove moisture).

・イオン伝導性測定:
自作測定用プローブ(テフロン(登録商標)製)上で短冊状膜試料の表面に白金線(直径:0.2mm)を押しあて、80℃95%RHの恒温・恒湿オーブン(ナガノ科学機械製作所社製LH−20−01)中に試料を保持し、白金線間のインピーダンスをSOLARTRON社1250FREQUENCY RESPONSE ANALYSERにより測定した。極間距離を変化させて測定し、極間距離とC−Cプロットから見積もられる抵抗測定値をプロットした勾配から以下の式により膜と白金線間の接触抵抗をキャンセルした導電率を算出した。また、測定プローブを25℃に保った超純水中に浸漬することで同様の測定を行い、水中プロトン導電率も算出した。
導電率[S/cm]=1/膜幅[cm]×膜厚[cm]×抵抗極間勾配[Ω/cm]
・スルホン酸基含有量:
窒素雰囲気下で一晩乾燥した試料の重量をはかり、水酸化ナトリウム水溶液と撹拌処理した後、塩酸水溶液による逆滴定でイオン交換容量(IEC)(meq/g)を求めた。
・ Ion conductivity measurement:
A platinum wire (diameter: 0.2 mm) is pressed against the surface of a strip-shaped film sample on a self-made measuring probe (manufactured by Teflon (registered trademark)), and a constant temperature and humidity oven at 80 ° C. and 95% RH (Nagano Science Machinery Co., Ltd.) The sample was held in LH-20-01), and the impedance between the platinum wires was measured by SOLARTRON 1250 FREQUENCY RESPONSE ANALYSER. The measurement was performed while changing the distance between the electrodes, and the conductivity obtained by canceling the contact resistance between the film and the platinum wire was calculated from the gradient obtained by plotting the distance measured between the electrodes and the resistance measurement value estimated from the CC plot. Moreover, the same measurement was performed by immersing the measurement probe in ultrapure water kept at 25 ° C., and proton conductivity in water was also calculated.
Conductivity [S / cm] = 1 / film width [cm] × film thickness [cm] × resistance interelectrode gradient [Ω / cm]
・ Sulfonic acid group content:
The sample dried overnight under a nitrogen atmosphere was weighed, stirred with an aqueous sodium hydroxide solution, and then ion exchange capacity (IEC) (meq / g) was determined by back titration with an aqueous hydrochloric acid solution.

・メタノール透過速度:
25℃に調整した5M(モル/リットル)のメタノール水溶液に24時間浸漬した膜をH型セルに挟み込み、セルの片側に100mlの5Mメタノール水溶液を、他方のセルに100mlの超純水(18MΩ・cm)を注入し、25℃で両側のセルを撹拌しながら、イオン交換膜を通って超純水中に拡散してくるメタノール量をガスクロマトグラフを用いて測定することで算出した(イオン交換膜の面積は、2.0cm)。
・ガラス転移温度:
オリエンテック社製Rheogel−E4000を用い、試料幅5mm、有効試料長15mmのフィルム試料について引っ張り正弦波を与え、昇温速度2℃/分で動的粘弾性測定を行った。温度上昇により弾性率が低下し始める温度をガラス転移点と定義する。
・ Methanol permeation rate:
A membrane immersed in a 5 M (mol / liter) aqueous methanol solution adjusted to 25 ° C. for 24 hours is sandwiched between H-type cells, 100 ml of 5 M aqueous methanol solution is placed on one side of the cell, and 100 ml of ultrapure water (18 MΩ · cm), and the amount of methanol diffusing into the ultrapure water through the ion exchange membrane while stirring the cells on both sides at 25 ° C. was calculated using a gas chromatograph (ion exchange membrane). The area is 2.0 cm 2 ).
·Glass-transition temperature:
Using a Rheogel-E4000 manufactured by Orientec Corp., a tensile sine wave was applied to a film sample having a sample width of 5 mm and an effective sample length of 15 mm, and dynamic viscoelasticity measurement was performed at a heating rate of 2 ° C./min. The temperature at which the elastic modulus begins to decrease with increasing temperature is defined as the glass transition point.

・メタノールを燃料とする発電特性の評価:
Pt/Ru触媒担持カーボン(田中貴金属工業社TEC61E54)に少量の超純水およびイソプロピルアルコールを加えて湿らせた後、デュポン社製20%ナフィオン(登録商標)溶液(品番:SE−20192)を、Pt/Ru触媒担持カーボンとナフィオンの質量比が2.5:1になるように加えた。次いで撹拌してアノード用触媒ペーストを調製した。この触媒ペーストを、ガス拡散層となるカーボンペーパー(東レ社製TGPH−060)に白金の付着量が2mg/cmになるようにスクリーン印刷により塗布乾燥して、アノード用電極触媒層付きカーボンペーパーを作製した。また、Pt触媒担持カーボン(田中貴金属工業社TEC10V40E)に少量の超純水およびイソプロピルアルコールを加えて湿らせた後、デュポン社製20%ナフィオン溶液(品番:SE−20192)を、Pt触媒担持カーボンとナフィオンの質量比が2.5:1となるように加え、撹拌してカソード用触媒ペーストを調製した。この触媒ペーストを、撥水加工を施したカーボンペーパー(東レ社製TGPH−060)に白金の付着量が1mg/cmとなるように塗布・乾燥して、カソード用電極触媒層付きカーボンペーパーを作製した。上記2種類の電極触媒層付きカーボンペーパーの間に、膜試料を、電極触媒層が膜試料に接するように挟み、ホットプレス法により160℃、8MPaにて3分間加圧、加熱することにより、膜−電極接合体とした。この接合体をElectrochem社製評価用燃料電池セルFC25−02SPに組み込み、燃料電池発電試験機(株式会社東陽テクニカ製)を用いて発電試験を行った。発電は、セル温度40℃で、アノードおよびカソードにそれぞれ40℃に調整した2mol/lのメタノール水溶液(1.5ml/min)および高純度酸素ガス(80ml/min)を供給しながら行った。
・ Evaluation of power generation characteristics using methanol as fuel:
After adding and moistening a small amount of ultrapure water and isopropyl alcohol to Pt / Ru catalyst-supported carbon (Tanaka Kikinzoku Kogyo TEC61E54), a DuPont 20% Nafion (registered trademark) solution (product number: SE-20192) is used. The Pt / Ru catalyst-supported carbon and Nafion were added so that the mass ratio was 2.5: 1. Next, stirring was performed to prepare an anode catalyst paste. This catalyst paste is applied to a carbon paper (TGPH-060 manufactured by Toray Industries, Inc.) serving as a gas diffusion layer by screen printing so that the amount of platinum deposited is 2 mg / cm 2, and then carbon paper with an electrode catalyst layer for an anode. Was made. Further, after adding a small amount of ultrapure water and isopropyl alcohol to a Pt catalyst-supporting carbon (Tanaka Kikinzoku Kogyo TEC10V40E) and moistening it, a DuPont 20% Nafion solution (product number: SE-20192) was added to the Pt catalyst-supporting carbon. And a Nafion mass ratio of 2.5: 1 were added and stirred to prepare a cathode catalyst paste. The catalyst paste was applied and dried on carbon paper (TGPH-060 manufactured by Toray Industries, Inc.) subjected to water repellent treatment so that the amount of platinum deposited was 1 mg / cm 2. Produced. By sandwiching the membrane sample between the two types of carbon paper with the electrode catalyst layer so that the electrode catalyst layer is in contact with the membrane sample, pressurizing and heating at 160 ° C. and 8 MPa for 3 minutes by a hot press method, A membrane-electrode assembly was obtained. This joined body was incorporated into an evaluation fuel cell FC25-02SP manufactured by Electrochem, and a power generation test was performed using a fuel cell power generation tester (manufactured by Toyo Corporation). Power generation was performed at a cell temperature of 40 ° C. while supplying a 2 mol / l aqueous methanol solution (1.5 ml / min) and high-purity oxygen gas (80 ml / min) adjusted to 40 ° C. to the anode and cathode, respectively.

・水素を燃料とする発電特性の評価:
デュポン社製20%ナフィオン(登録商標)溶液に、市販の40%Pt触媒担持カーボン(田中貴金属工業社製 燃料電池用触媒 TEC10V40E)と、少量の超純水及びイソプロパノールを加えた後、均一になるまで撹拌し、触媒ペーストを調製した。この触媒ペーストを、カーボンペーパー(東レ社製TGPH−060)に白金の付着量が0.5mg/cmになるように均一に塗布・乾燥して、電極触媒層付きガス拡散層を作製した。上記の電極触媒層付きガス拡散層の間に、イオン交換膜を、電極触媒層が膜に接するように挟み、ホットプレス法により160℃、8MPaにて3分間加圧、加熱することにより、膜−電極接合体とした。この接合体をElectrochem社製の評価用燃料電池セルFC25−02SPに組み込んでセル温度80℃で、アノード及びカソードにそれぞれ75℃で加湿した水素と空気を供給して発電特性を評価した。
・ Evaluation of power generation characteristics using hydrogen as fuel:
It becomes uniform after adding commercially available 40% Pt catalyst-supporting carbon (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo TEC10V40E), a small amount of ultrapure water and isopropanol to a DuPont 20% Nafion (registered trademark) solution. To prepare a catalyst paste. This catalyst paste was uniformly applied to carbon paper (TGPH-060 manufactured by Toray Industries, Inc.) so that the amount of platinum deposited was 0.5 mg / cm 2 and dried to prepare a gas diffusion layer with an electrode catalyst layer. An ion exchange membrane is sandwiched between the gas diffusion layers with an electrode catalyst layer so that the electrode catalyst layer is in contact with the membrane, and the membrane is pressed and heated at 160 ° C. and 8 MPa for 3 minutes by a hot press method. -It was set as the electrode assembly. The joined body was assembled in an evaluation fuel cell FC25-02SP manufactured by Electrochem, and hydrogen and air humidified at 75 ° C. were supplied to the anode and the cathode at a cell temperature of 80 ° C., and the power generation characteristics were evaluated.

(合成例1)
3,3’−ジスルホ−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン2ナトリウム塩(略号:S−DCDPS)10.2452g(0.020855mole)、ジクロロベンゾニトリル(略号:DCBN)9.2246g(0.053628mole)、末端ヒドロキシル基含有フェニレンエーテルオリゴマー(略号:DPE、大日本インキ社製SPECIANOL DPE−PL、ロットC001)20.4777g(0.03724mole)、4,4’ジヒドロキシジフェニルエーテル7.5307g(0.03724mole)、炭酸カリウム11.8385g(0.08566mole)を200ml四つ口フラスコに計り取り、窒素を流した。140mlのN−メチル−2−ピロリドンを入れて、加熱撹拌し、反応温度を195−200℃に上昇させて16時間反応させた。放冷の後、重合液を水中に注いでポリマーをストランド状に沈殿させた。得られたポリマーは、1日新鮮な水に浸漬後、乾燥した。得られたポリマーの対数粘度は1.05であった。
得られたポリマー20gをNMP80mlに溶解し、ホットプレート上ガラス板に約500μm厚にキャストし、フィルム状になるまでNMPを留去した後、水中に一晩以上浸漬した。得られたフィルムは、希硫酸(濃硫酸6ml、水300ml)中で1日浸漬処理して塩をはずした後、純水中に1時間づつ2回浸漬することで酸成分を除去し、乾燥した。本フィルムのイオン伝導性を測定したところ80℃95%RHにおいて0.05S/cm、25℃水中において0.020S/cmの値を示した。本フィルムの熱重量測定による減量開始温度(200℃での試料重量を基準にして測定)は297℃、3%重量減少温度は362℃であった。滴定で求めたIECは0.92meq/gを示した。メタノール透過係数は0.052μmol/m・secを示した。動的粘弾性測定によるガラス転移温度は153℃を示した。
(Synthesis Example 1)
3,3′-disulfo-4,4′-dichlorodiphenylsulfone disodium salt (abbreviation: S-DCDPS) 10.2452 g (0.020855 mole), dichlorobenzonitrile (abbreviation: DCBN) 9.2246 g (0.053628 mole) , Terminal hydroxyl group-containing phenylene ether oligomer (abbreviation: DPE, SPECIANOL DPE-PL, lot C001, manufactured by Dainippon Ink Co., Ltd.) 20.4777 g (0.03724 mole), 4,4 ′ dihydroxydiphenyl ether 7.5307 g (0.03724 mole), 11.8385 g (0.08566 mole) of potassium carbonate was weighed into a 200 ml four-necked flask and flushed with nitrogen. 140 ml of N-methyl-2-pyrrolidone was added, and the mixture was heated and stirred, and the reaction temperature was raised to 195 to 200 ° C. to react for 16 hours. After allowing to cool, the polymerization solution was poured into water to precipitate the polymer into strands. The obtained polymer was dipped in fresh water for one day and then dried. The logarithmic viscosity of the obtained polymer was 1.05.
20 g of the obtained polymer was dissolved in 80 ml of NMP, cast to a thickness of about 500 μm on a glass plate on a hot plate, NMP was distilled off until a film was formed, and then immersed in water overnight. The obtained film was immersed in dilute sulfuric acid (6 ml of concentrated sulfuric acid, 300 ml of water) for 1 day to remove the salt, and then immersed in pure water twice for 1 hour to remove the acid component and dried. did. When the ionic conductivity of this film was measured, it showed a value of 0.05 S / cm at 80 ° C. and 95% RH and 0.020 S / cm in 25 ° C. water. The weight loss starting temperature (measured based on the sample weight at 200 ° C.) by thermogravimetry of this film was 297 ° C., and the 3% weight reduction temperature was 362 ° C. The IEC determined by titration was 0.92 meq / g. The methanol permeability coefficient was 0.052 μmol / m · sec. The glass transition temperature measured by dynamic viscoelasticity was 153 ° C.

(合成例2)
S−DCDPS11.0125g(0.022417mole)、DCBN4.0134g(0.02333mole)、DPE(大日本インキ社製SPECIANOL DPE−PL、ロットC001)12.5779g(0.022875mole)、4,4’ジヒドロキシジフェニルエーテル4.6255g(0.022875mole)、炭酸カリウム7.2715g(0.05261mole)を200ml四つ口フラスコに計り取り、窒素を流した。100mlのN−メチル−2−ピロリドン(略号:NMP)を入れて、加熱撹拌し、反応温度を195−200℃に上昇させて5時間反応させた。放冷の後、重合液を水中に注いでポリマーをストランド状に沈殿させた。得られたポリマーは、1日新鮮な水に浸漬後、乾燥した。得られたポリマーの対数粘度は1.11であった。
得られたポリマー20gをNMP80mlに溶解し、ホットプレート上ガラス板に約500μm厚にキャストし、フィルム状になるまでNMPを留去した後、水中に一晩以上浸漬した。得られたフィルムは、希硫酸(濃硫酸6ml、水300ml)中で1日浸漬処理して塩をはずした後、純水中に1時間づつ2回浸漬することで酸成分を除去し、乾燥した。本フィルムのイオン伝導性を測定したところ80℃95%RHにおいて0.19S/cm、25℃水中において0.091S/cmの値を示した。本フィルムの熱重量測定による減量開始温度(200℃での試料重量を基準にして測定)は284℃、3%重量減少温度は346℃であった。滴定で求めたIECは1.52meq/gを示した。メタノール透過係数は0.22μmol/m・secを示した。動的粘弾性測定によるガラス転移温度は162℃を示した。
(Synthesis Example 2)
S-DCDPS 11.0125 g (0.022417 mole), DCBN 4.0134 g (0.02333 mole), DPE (Dai Nippon Ink & Co., Ltd. SPECIANOL DPE-PL, lot C001) 12.5779 g (0.022875 mole), 4,4 ′ dihydroxydiphenyl ether 4.6255 g (0.022875 mole) and 7.2715 g (0.05261 mole) of potassium carbonate were weighed into a 200 ml four-necked flask and flushed with nitrogen. 100 ml of N-methyl-2-pyrrolidone (abbreviation: NMP) was added, heated and stirred, and the reaction temperature was raised to 195-200 ° C. and reacted for 5 hours. After allowing to cool, the polymerization solution was poured into water to precipitate the polymer into strands. The obtained polymer was dipped in fresh water for one day and then dried. The logarithmic viscosity of the obtained polymer was 1.11.
20 g of the obtained polymer was dissolved in 80 ml of NMP, cast to a thickness of about 500 μm on a glass plate on a hot plate, NMP was distilled off until a film was formed, and then immersed in water overnight. The obtained film was immersed in dilute sulfuric acid (6 ml of concentrated sulfuric acid, 300 ml of water) for 1 day to remove the salt, and then immersed in pure water twice for 1 hour to remove the acid component and dried. did. When the ion conductivity of this film was measured, it showed a value of 0.19 S / cm at 80 ° C. and 95% RH and 0.091 S / cm in 25 ° C. water. The weight loss starting temperature (measured based on the sample weight at 200 ° C.) by thermogravimetry of this film was 284 ° C., and the 3% weight reduction temperature was 346 ° C. The IEC determined by titration was 1.52 meq / g. The methanol permeability coefficient was 0.22 μmol / m · sec. The glass transition temperature measured by dynamic viscoelasticity was 162 ° C.

(合成例3)
S−DCDPS7.1016g(0.01446mole)、DCBN6.3941g(0.03717mole)、DPE(大日本インキ社製SPECIANOL DPE−PL、ロットC001)14.7491g(0.025815mole)、4,4’-ビフェノール4.8069g(0.025815mole)、炭酸カリウム8.2060g(0.059373mole)を200ml四つ口フラスコに計り取り、窒素を流した。100mlのN−メチル−2−ピロリドンを入れて、加熱撹拌し、反応温度を195−200℃に上昇させて15時間反応させた。放冷の後、重合液を水中に注いでポリマーをストランド状に沈殿させた。得られたポリマーは、1日新鮮な水に浸漬後、乾燥した。得られたポリマーの対数粘度は0.94であった。
得られたポリマー20gをNMP80mlに溶解し、ホットプレート上ガラス板に約500μm厚にキャストし、フィルム状になるまでNMPを留去した後、水中に一晩以上浸漬した。得られたフィルムは、希硫酸(濃硫酸6ml、水300ml)中で1日浸漬処理して塩をはずした後、純水中に1時間づつ2回浸漬することで酸成分を除去し、乾燥した。本フィルムのイオン伝導性を測定したところ80℃95%RHにおいて0.08S/cm、25℃水中において0.042S/cmの値を示した。滴定で求めたIECは0.95meq/gを示した。メタノール透過係数は0.048μmol/m・secを示した。
(Synthesis Example 3)
S-DCDPS 7.1016 g (0.01446 mole), DCBN 6.3941 g (0.03717 mole), DPE (Dai Nippon Ink & Co., SPECIANOL DPE-PL, lot C001) 14.7491 g (0.025815 mole), 4,4′-biphenol 4. 8069 g (0.025815 mole) and potassium carbonate 8.2060g (0.059373 mole) were weighed into a 200 ml four-necked flask and flushed with nitrogen. 100 ml of N-methyl-2-pyrrolidone was added, the mixture was stirred with heating, the reaction temperature was raised to 195-200 ° C., and the mixture was reacted for 15 hours. After allowing to cool, the polymerization solution was poured into water to precipitate the polymer into strands. The obtained polymer was dipped in fresh water for one day and then dried. The logarithmic viscosity of the obtained polymer was 0.94.
20 g of the obtained polymer was dissolved in 80 ml of NMP, cast to a thickness of about 500 μm on a glass plate on a hot plate, NMP was distilled off until a film was formed, and then immersed in water overnight. The obtained film was immersed in dilute sulfuric acid (6 ml of concentrated sulfuric acid, 300 ml of water) for 1 day to remove the salt, and then immersed in pure water twice for 1 hour to remove the acid component and dried. did. When the ionic conductivity of this film was measured, it was 0.08 S / cm at 80 ° C. and 95% RH, and 0.042 S / cm in 25 ° C. water. The IEC determined by titration was 0.95 meq / g. The methanol permeability coefficient was 0.048 μmol / m · sec.

(合成例4)
S−DCDPS8.3450g(0.016987mole)、4,4’−ジクロロジフェニルスルホン9.9040g(0.03449mole)、DPE(大日本インキ社製SPECIANOL DPE−PL、ロットC001)14.7056g(0.025738mole)、4,4’ジヒドロキシジフェニルエーテル5.2045g(0.025738mole)、炭酸カリウム8.1817g(0.05920mole)を200ml四つ口フラスコに計り取り、窒素を流した。115mlのN−メチル−2−ピロリドンを入れて、加熱撹拌し、反応温度を195−200℃に上昇させて19時間反応させた。放冷の後、重合液を水中に注いでポリマーをストランド状に沈殿させた。得られたポリマーは、1日新鮮な水に浸漬後、乾燥した。得られたポリマーの対数粘度は0.99であった。
得られたポリマー20gをNMP80mlに溶解し、ホットプレート上ガラス板に約500μm厚にキャストし、フィルム状になるまでNMPを留去した後、水中に一晩以上浸漬した。得られたフィルムは、希硫酸(濃硫酸6ml、水300ml)中で1日浸漬処理して塩をはずした後、純水中に1時間づつ2回浸漬することで酸成分を除去し、乾燥した。本フィルムのイオン伝導性を測定したところ80℃95%RHにおいて0.09S/cm、25℃水中において0.039S/cmの値を示した。滴定で求めたIECは0.93meq/gを示した。メタノール透過係数は0.14μmol/m・secを示した。
(Synthesis Example 4)
S-DCDPS 8.3450 g (0.016987 mole), 4,4′-dichlorodiphenylsulfone 9.9040 g (0.03449 mole), DPE (Dai Nippon Ink Co., Ltd. SPECIANOL DPE-PL, lot C001) 14.7056 g (0.025738 mole) ), 4,4′dihydroxydiphenyl ether (5.2045 g, 0.025738 mole) and 8.1817 g (0.05920 mole) of potassium carbonate were weighed into a 200 ml four-necked flask and flushed with nitrogen. 115 ml of N-methyl-2-pyrrolidone was added, and the mixture was heated and stirred, and the reaction temperature was raised to 195 to 200 ° C. and reacted for 19 hours. After allowing to cool, the polymerization solution was poured into water to precipitate the polymer into strands. The obtained polymer was dipped in fresh water for one day and then dried. The logarithmic viscosity of the obtained polymer was 0.99.
20 g of the obtained polymer was dissolved in 80 ml of NMP, cast to a thickness of about 500 μm on a glass plate on a hot plate, NMP was distilled off until a film was formed, and then immersed in water overnight. The obtained film was immersed in dilute sulfuric acid (6 ml of concentrated sulfuric acid, 300 ml of water) for 1 day to remove the salt, and then immersed in pure water twice for 1 hour to remove the acid component and dried. did. When the ionic conductivity of this film was measured, it was 0.09 S / cm at 80 ° C. and 95% RH, and 0.039 S / cm in 25 ° C. water. The IEC determined by titration was 0.93 meq / g. The methanol permeability coefficient was 0.14 μmol / m · sec.

(合成例5)
S−DCDPS6.9499g(0.01415mole)、DCBN9.7340g0.05659mole)、4,4’−ビフェノール(略号:BP)6.5860g(0.03537mole)、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルフィド(略号: BPS)7.7199g(0.03537mole)、炭酸カリウム10.7542g(0.07782mole)、乾燥したモレキュラーシーブ3−A 7gを200ml四つ口フラスコに計り取り、窒素を流した。80mlのNMPを入れて、150℃で30分撹拌した後、反応温度を195−200℃に上昇させて系の粘性が十分上がるのを目安に反応を続けた(約10時間)。放冷の後、沈降しているモレキュラーシーブを除いて水中にストランド状に沈殿させた。得られたポリマーは、沸騰水中で1時間洗浄した後、乾燥した。得られたポリマーの対数粘度は1.21dl/gであった。得られたポリマー7gをNMP28gに溶解し、ホットプレート上ガラス板に約400μm厚にキャストして80℃で0.5時間、120℃で0.5時間、150℃で0.5時間加熱した後、窒素雰囲気の150℃のオーブン中で1時間乾燥し、ガラス板からフィルムを剥離した。得られたフィルムは室温の純水に1日浸漬した後、2mol/リットルの濃度の硫酸水溶液に2時間浸漬した。その後、洗浄水が中性になるまでフィルムを純水で洗浄し、空気中に放置して乾燥して、イオン交換膜を得た。本フィルムのイオン伝導性を測定したところ25℃水中において0.019S/cmの値を示した。滴定で求めたIECは1.07meq/gを示した。メタノール透過係数は0.051μmol/m・secを示した。
(Synthesis Example 5)
S-DCDPS 6.9499 g (0.01415 mole), DCBN 9.7340 g 0.05659 mole), 4,4′-biphenol (abbreviation: BP) 6.5860 g (0.03537 mole), bis (4-hydroxyphenyl) sulfide (abbreviation: BPS) ) 7.7199 g (0.03537 mole), potassium carbonate 10.75542 g (0.07782 mole), and 7 g of dried molecular sieve 3-A were weighed into a 200 ml four-necked flask and flushed with nitrogen. After adding 80 ml of NMP and stirring at 150 ° C. for 30 minutes, the reaction temperature was increased to 195-200 ° C., and the reaction was continued with the aim of sufficiently increasing the viscosity of the system (about 10 hours). After standing to cool, the precipitated molecular sieve was removed and the mixture was precipitated in water as a strand. The obtained polymer was washed in boiling water for 1 hour and then dried. The logarithmic viscosity of the obtained polymer was 1.21 dl / g. 7 g of the obtained polymer was dissolved in 28 g of NMP, cast on a glass plate on a hot plate to a thickness of about 400 μm, and heated at 80 ° C. for 0.5 hour, 120 ° C. for 0.5 hour, and 150 ° C. for 0.5 hour. Then, it was dried in an oven at 150 ° C. in a nitrogen atmosphere for 1 hour, and the film was peeled from the glass plate. The obtained film was immersed in pure water at room temperature for 1 day, and then immersed in an aqueous sulfuric acid solution having a concentration of 2 mol / liter for 2 hours. Thereafter, the film was washed with pure water until the washing water became neutral, and allowed to stand in the air and dried to obtain an ion exchange membrane. When the ion conductivity of this film was measured, it showed a value of 0.019 S / cm in 25 ° C. water. The IEC determined by titration was 1.07 meq / g. The methanol permeability coefficient was 0.051 μmol / m · sec.

(合成例6)
BPSの代わりに、4,4’−チオビスベンゼンチオール(略号:TBT)4.6054g(18.39mmol)を用い、BPの量を9.7472g(52.35mmol)に変更した他は合成例5と同様にしてイオン交換膜を作製し評価を行った。25℃水中におけるイオン伝導性は0.023S/cmの値を示した。滴定で求めたIECは1.02meq/gを示した。メタノール透過係数は0.047μmol/m・secを示した。
(Synthesis Example 6)
Synthetic Example 5 except that 4.6054 g (18.39 mmol) of 4,4′-thiobisbenzenethiol (abbreviation: TBT) was used instead of BPS, and the amount of BP was changed to 9.7472 g (52.35 mmol). In the same manner, an ion exchange membrane was prepared and evaluated. The ionic conductivity in water at 25 ° C. was 0.023 S / cm. The IEC determined by titration was 1.02 meq / g. The methanol permeability coefficient was 0.047 μmol / m · sec.

(合成例7)
S−DCDPS6.9499g(0.03113mole)、DCBN9.7340g(0.03961mole)、BP6.5860g(0.06367mole)、BPS7.7199g(0.00707mole)、炭酸カリウム10.7542g(0.07782mole)、乾燥したモレキュラーシーブ3−A 7gを200ml四つ口フラスコに計り取り、窒素を流した。80mlのNMPを入れて、150℃で30分撹拌した後、反応温度を195−200℃に上昇させて系の粘性が十分上がるのを目安に反応を続けた(約14時間)。放冷の後、沈降しているモレキュラーシーブを除いて水中にストランド状に沈殿させた。得られたポリマーは、沸騰水中で1時間洗浄した後、乾燥した。得られたポリマーの対数粘度は0.97dl/gであった。得られたポリマー7gをNMP28gに溶解し、ホットプレート上ガラス板に約400μm厚にキャストして80℃で0.5時間、120℃で0.5時間、150℃で0.5時間加熱した後、窒素雰囲気の150℃のオーブン中で1時間乾燥し、ガラス板からフィルムを剥離した。得られたフィルムは室温の純水に1日浸漬した後、2mol/リットルの濃度の硫酸水溶液に2時間浸漬した。その後、洗浄水が中性になるまでフィルムを純水で洗浄し、空気中に放置して乾燥して、イオン交換膜を得た。本フィルムのイオン伝導性を測定したところ80℃95%RHにおいて0.26S/cm、の値を示した。滴定で求めたIECは2.00meq/gを示した。
(Synthesis Example 7)
S-DCDPS 6.9499 g (0.03113 mole), DCBN 9.7340 g (0.03961 mole), BP 6.5860 g (0.06367 mole), BPS 7.7199 g (0.00707 mole), potassium carbonate 10.75542 g (0.07782 mole), dried 7 g of the molecular sieve 3-A was weighed into a 200 ml four-necked flask and flushed with nitrogen. After adding 80 ml of NMP and stirring at 150 ° C. for 30 minutes, the reaction temperature was raised to 195-200 ° C., and the reaction was continued with the aim of sufficiently increasing the viscosity of the system (about 14 hours). After standing to cool, the precipitated molecular sieve was removed and the mixture was precipitated in water as a strand. The obtained polymer was washed in boiling water for 1 hour and then dried. The logarithmic viscosity of the obtained polymer was 0.97 dl / g. 7 g of the obtained polymer was dissolved in 28 g of NMP, cast on a glass plate on a hot plate to a thickness of about 400 μm, and heated at 80 ° C. for 0.5 hour, 120 ° C. for 0.5 hour, and 150 ° C. for 0.5 hour. Then, it was dried in an oven at 150 ° C. in a nitrogen atmosphere for 1 hour, and the film was peeled from the glass plate. The obtained film was immersed in pure water at room temperature for 1 day, and then immersed in an aqueous sulfuric acid solution having a concentration of 2 mol / liter for 2 hours. Thereafter, the film was washed with pure water until the washing water became neutral, and allowed to stand in the air and dried to obtain an ion exchange membrane. When the ion conductivity of this film was measured, it showed a value of 0.26 S / cm at 80 ° C. and 95% RH. The IEC determined by titration was 2.00 meq / g.

(合成例8)
3,3’,4,4’−テトラアミノジフェニルスルホン(略号:TAS)1.500g(5.389×10−3mole)、2,5−ジカルボキシベンゼンスルホン酸モノナトリウム(略号:STA、純度99%)1.445g(5.389×10−3mole)、ポリリン酸(五酸化リン含量75%)20.48g、五酸化リン16.41gを重合容器に量り取る。窒素を流し、オイルバス上ゆっくり撹拌しながら100℃まで昇温 する。100℃で1時間保持した後、150℃に昇温 して1時間、200℃に昇温 して4時間重合した。重合終了後放冷し、水を加えて重合物を取り出し、家庭用ミキサーを用いてpH試験紙中性になるまで水洗を繰り返した。得られたポリマーは80℃で終夜減圧乾燥した。得られたポリマーの対数粘度は、1.92であった。
(Synthesis Example 8)
3,3 ′, 4,4′-tetraaminodiphenylsulfone (abbreviation: TAS) 1.500 g (5.389 × 10 −3 mole), monosodium 2,5-dicarboxybenzenesulfonate (abbreviation: STA, purity) 99%) 1.445 g (5.389 × 10 −3 mole), polyphosphoric acid (phosphorus pentoxide content 75%) 20.48 g, and phosphorus pentoxide 16.41 g are weighed in a polymerization vessel. Flow nitrogen and raise the temperature to 100 ° C while stirring gently on an oil bath. After maintaining at 100 ° C. for 1 hour, the temperature was raised to 150 ° C. for 1 hour, and the temperature was raised to 200 ° C. and polymerized for 4 hours. After completion of the polymerization, the mixture was allowed to cool, water was added, the polymer was taken out, and washing with water was repeated until the pH test paper became neutral using a household mixer. The obtained polymer was dried under reduced pressure at 80 ° C. overnight. The logarithmic viscosity of the obtained polymer was 1.92.

(合成例9)
TAS1.830g(6.575×10−3mole)、3,5−ジカルボキシフェニルホスホン酸1.084g(略号:DCP)4.405×10−3mole)、テレフタル酸0.360g(2.170×10−3mole)、ポリリン酸(五酸化リン含量75%)20.5g、五酸化リン16.5gを重合容器に量り取る。窒素を流し、オイルバス上ゆっくり撹拌しながら100℃まで昇温 する。100℃で1時間保持した後、150℃に昇温 して1時間、200℃に昇温 して7時間重合した。重合終了後放冷し、水を加えて重合物を取り出し、家庭用ミキサーを用いてpH試験紙中性になるまで水洗を繰り返した。得られたポリマーは80℃で終夜減圧乾燥した。硫酸を用いて測定したポリマーの対数粘度は、1.18であった。
(Synthesis Example 9)
TAS1.830 g (6.575 × 10 −3 mole), 3,5-dicarboxyphenylphosphonic acid 1.084 g (abbreviation: DCP) 4.405 × 10 −3 mole), terephthalic acid 0.360 g (2.170) × 10 −3 mole), 20.5 g of polyphosphoric acid (phosphorus pentoxide content: 75%), and 16.5 g of phosphorus pentoxide are weighed in a polymerization vessel. Flow nitrogen and raise the temperature to 100 ° C while stirring gently on an oil bath. After maintaining at 100 ° C. for 1 hour, the temperature was raised to 150 ° C. for 1 hour, and the temperature was raised to 200 ° C. and polymerized for 7 hours. After completion of the polymerization, the mixture was allowed to cool, water was added, the polymer was taken out, and washing with water was repeated until the pH test paper became neutral using a household mixer. The obtained polymer was dried under reduced pressure at 80 ° C. overnight. The logarithmic viscosity of the polymer measured using sulfuric acid was 1.18.

(合成例10)
TAS1.830g(6.575×10−3mole)、STA(純度99%)0.529g(1.973×10−3mole)、DCP(純度98%)1.133g(4.602×10−3mole)、ポリリン酸(五酸化リン含量75%)24.98g、五酸化リン20.02gを重合容器に量り取る。窒素を流し、オイルバス上ゆっくり撹拌しながら100℃まで昇温 する。100℃で1時間保持した後、150℃に昇温 して1時間、200℃に昇温 して5時間重合した。重合終了後放冷し、水を加えて重合物を取り出し、家庭用ミキサーを用いてpH試験紙中性になるまで水洗を繰り返した。得られたポリマーは80℃で終夜減圧乾燥した。得られたポリマーの対数粘度は、1.14であった。
(Synthesis Example 10)
TAS1.830g (6.575 × 10 -3 mole) , STA ( purity 99%) 0.529g (1.973 × 10 -3 mole), DCP ( purity 98%) 1.133g (4.602 × 10 - 3 moles), 24.98 g of polyphosphoric acid (phosphorus pentoxide content 75%) and 20.02 g of phosphorus pentoxide are weighed into a polymerization vessel. Flow nitrogen and raise the temperature to 100 ° C while stirring gently on an oil bath. After maintaining at 100 ° C. for 1 hour, the temperature was raised to 150 ° C. for 1 hour, and the temperature was raised to 200 ° C. and polymerized for 5 hours. After completion of the polymerization, the mixture was allowed to cool, water was added, the polymer was taken out, and washing with water was repeated until the pH test paper became neutral using a household mixer. The obtained polymer was dried under reduced pressure at 80 ° C. overnight. The logarithmic viscosity of the obtained polymer was 1.14.

(合成例11)
S−DCDPS5.2335g(0.01065mole)、DCBN2.3323g(0.013559mole)、BP4.5086g(0.02421mole)、炭酸カリウム3.8484g(0.02784mole)、モレキュラーシーブ2.61gを100ml四つ口フラスコに計り取り、窒素を流した。35mlのNMPを入れて、150℃で一時間撹拌した後、反応温度を195〜200℃に上昇させて系の粘性が十分上がるのを目安に反応を続けた(約5時間)。放冷の後、沈降しているモレキュラーシーブを除いて水中にストランド状に沈殿させた。得られたポリマーは、沸騰水中で1時間洗浄した後、乾燥した。得られたポリマーの対数粘度は1.27であった。
得られたポリマー1gをNMP5mlに溶解し、ホットプレート上ガラス板に約200μm厚にキャストし、フィルム状になるまでNMPを留去した後、水中に一晩以上浸漬した。得られたフィルムは、希硫酸(濃硫酸6ml、水300ml)中で1時間沸騰水処理して塩をはずした後、純水でさらに1時間煮沸することで酸成分を除去した。本フィルムのイオン伝導性を測定したところ、80℃95%RHにおいて0.17S/cmの値を示した。本フィルムの熱重量測定による3%重量減少温度(200℃での試料重量を基準にして測定)は392℃であった。
(Synthesis Example 11)
S-DCDPS 5.2335 g (0.01065 mole), DCBN 2.3323 g (0.035559 mole), BP 4.5086 g (0.02421 mole), potassium carbonate 3.8484 g (0.02784 mole), 100 ml of molecular sieve 2.61 g The flask was weighed and flushed with nitrogen. After adding 35 ml of NMP and stirring at 150 ° C. for 1 hour, the reaction was continued by raising the reaction temperature to 195 to 200 ° C. and sufficiently increasing the viscosity of the system (about 5 hours). After standing to cool, the precipitated molecular sieve was removed and the mixture was precipitated in water as a strand. The obtained polymer was washed in boiling water for 1 hour and then dried. The logarithmic viscosity of the obtained polymer was 1.27.
1 g of the obtained polymer was dissolved in 5 ml of NMP, cast on a glass plate on a hot plate to a thickness of about 200 μm, NMP was distilled off until a film was formed, and then immersed in water overnight. The obtained film was treated with boiling water in dilute sulfuric acid (concentrated sulfuric acid 6 ml, water 300 ml) for 1 hour to remove the salt, and then boiled with pure water for 1 hour to remove the acid component. When the ionic conductivity of this film was measured, it showed a value of 0.17 S / cm at 80 ° C. and 95% RH. The 3% weight loss temperature (measured based on the sample weight at 200 ° C.) by thermogravimetry of this film was 392 ° C.

(合成例12)
合成例10において、STAを用いずにテレフタル酸のみをジカルボン酸成分として用いてポリベンズイミダゾールを合成した。得られたポリマーの対数粘度は、1.95であった。
(Synthesis Example 12)
In Synthesis Example 10, polybenzimidazole was synthesized using only terephthalic acid as a dicarboxylic acid component without using STA. The logarithmic viscosity of the obtained polymer was 1.95.

(実施例1)
20mgの合成例8で作製したポリマーを0.5mlのNMPにオイルバス上で170℃に加熱して溶解させたものと、180mgの合成例1で作製したポリマーをNMP2mlに50℃で溶解させたものを、室温で混合することにより均一溶液を得た。この溶液を、ホットプレート上で、ガラス板上に約200μm厚に流延し、NMPを蒸発させた。フィルムをガラス板からはがし、80℃の水中に1時間浸積してイオン伝導性測定用フィルムを作製した。本フィルムのイオン伝導性を測定したところ80℃95%RHにおいて0.04S/cm、25℃水中において0.018S/cmの値を示した。メタノール透過係数は0.047μmol/m・secを示した。本フィルムをメタノールを燃料とする発電評価手順に沿って膜電極接合体を作製したところ、接着性が十分にある良好な接合体が得られた。
(実施例2)
合成例1で作製したポリマーの代わりに合成例2〜7で作製したポリマーを用いる以外は実施例1と同様にブレンドフィルムを作製し評価した。結果を表1に示す。
(Example 1)
20 mg of the polymer prepared in Synthesis Example 8 was dissolved in 0.5 ml of NMP by heating to 170 ° C. on an oil bath, and 180 mg of the polymer prepared in Synthesis Example 1 was dissolved in 2 ml of NMP at 50 ° C. Those were mixed at room temperature to obtain a homogeneous solution. This solution was cast on a glass plate to a thickness of about 200 μm on a hot plate to evaporate NMP. The film was peeled off from the glass plate and immersed in water at 80 ° C. for 1 hour to prepare an ion conductivity measurement film. When the ionic conductivity of this film was measured, it showed a value of 0.04 S / cm at 80 ° C. and 95% RH and 0.018 S / cm in water at 25 ° C. The methanol permeability coefficient was 0.047 μmol / m · sec. When the membrane electrode assembly was produced according to the power generation evaluation procedure using methanol as a fuel for this film, a good assembly with sufficient adhesion was obtained.
(Example 2)
A blend film was produced and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the polymer produced in Synthesis Examples 2 to 7 was used instead of the polymer produced in Synthesis Example 1. The results are shown in Table 1.

(実施例3)
合成例8で作製したポリマーの代わりに合成例9で作製したポリマーを用いる以外は実施例1と同様にブレンドフィルムを作製し評価した。結果を表1に示す。
(実施例4)
合成例1で作製したポリマーの代わりに合成例2〜7で作製したポリマーを用いる以外は実施例3と同様にブレンドフィルムを作製し評価した。結果を表1に示す。
(実施例5)
合成例8で作製したポリマーの代わりに合成例10で作製したポリマーを用いる以外は実施例1と同様にブレンドフィルムを作製し評価した。結果を表1に示す。
(実施例6)
合成例1で作製したポリマーの代わりに合成例2〜7で作製したポリマーを用いる以外は実施例5と同様にブレンドフィルムを作製し評価した。結果を表1に示す。
(Example 3)
A blend film was produced and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the polymer produced in Synthesis Example 9 was used instead of the polymer produced in Synthesis Example 8. The results are shown in Table 1.
Example 4
A blend film was produced and evaluated in the same manner as in Example 3 except that the polymer produced in Synthesis Examples 2 to 7 was used instead of the polymer produced in Synthesis Example 1. The results are shown in Table 1.
(Example 5)
A blend film was produced and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the polymer produced in Synthesis Example 10 was used instead of the polymer produced in Synthesis Example 8. The results are shown in Table 1.
(Example 6)
A blend film was produced and evaluated in the same manner as in Example 5 except that the polymer produced in Synthesis Examples 2 to 7 was used instead of the polymer produced in Synthesis Example 1. The results are shown in Table 1.

Figure 2008069188
Figure 2008069188

(実施例7)
60mgの合成例8で作製したポリマーを1.5mlのNMPに溶解させることと、140mgの合成例1で作製したポリマーをNMP1.5mlに溶解する以外は実施例1と同様にブレンドフィルムを作製し評価した。本フィルムのイオン伝導性を測定したところ80℃95%RHにおいて0.03S/cm、25℃水中において0.014S/cmの値を示した。メタノール透過係数は0.038μmol/m・secを示した。本フィルムをメタノールを燃料とする発電性評価手順に沿って膜電極接合体を作製したところ、接着性が十分にある良好な接合体が得られた。
(Example 7)
A blend film was prepared in the same manner as in Example 1 except that 60 mg of the polymer prepared in Synthesis Example 8 was dissolved in 1.5 ml of NMP and 140 mg of the polymer prepared in Synthesis Example 1 was dissolved in 1.5 ml of NMP. evaluated. When the ionic conductivity of this film was measured, it showed a value of 0.03 S / cm at 80 ° C. and 95% RH and 0.014 S / cm in water at 25 ° C. The methanol permeability coefficient was 0.038 μmol / m · sec. When a membrane / electrode assembly was produced according to the power generation evaluation procedure using this film as a fuel for methanol, a good assembly having sufficient adhesion was obtained.

(実施例8)
100mgの合成例8で作製したポリマーを2.5mlのNMPに溶解させることと、100mgの合成例1で作製したポリマーをNMP1.0mlに溶解する以外は実施例1と同様にブレンドフィルムを作製し評価した。本フィルムのイオン伝導性を測定したところ80℃95%RHにおいて0.15S/cm、25℃水中において0.055S/cmの値を示した。メタノール透過係数は0.098μmol/m・secを示した。本フィルムをメタノールを燃料とする発電性評価手順に沿って膜電極接合体を作製したところ、接着性が十分にある良好な接合体が得られた。
(Example 8)
A blend film was prepared in the same manner as in Example 1 except that 100 mg of the polymer prepared in Synthesis Example 8 was dissolved in 2.5 ml of NMP, and 100 mg of the polymer prepared in Synthesis Example 1 was dissolved in 1.0 ml of NMP. evaluated. When the ionic conductivity of this film was measured, it showed a value of 0.15 S / cm at 80 ° C. and 95% RH and 0.055 S / cm in water at 25 ° C. The methanol permeability coefficient was 0.098 μmol / m · sec. When a membrane / electrode assembly was produced according to the power generation evaluation procedure using this film as a fuel for methanol, a good assembly having sufficient adhesion was obtained.

(比較例1)
合成例1で作製したポリマーの代わりに合成例11で作製したポリマーを用いる以外は実施例1と同様にブレンドフィルムを作製した。本フィルムをメタノールを燃料とする発電性評価手順に沿って膜電極接合体を作製したところ、接着性が十分でなく評価に供する膜電極接合体が作製できなかった。
(Comparative Example 1)
A blend film was produced in the same manner as in Example 1 except that the polymer produced in Synthesis Example 11 was used instead of the polymer produced in Synthesis Example 1. When a membrane / electrode assembly was produced in accordance with the power generation evaluation procedure using methanol as a fuel for this film, the adhesion was not sufficient and a membrane / electrode assembly for evaluation could not be produced.

(比較例2)
合成例8で作製したポリマーの代わりに合成例12で作製したポリマーを用いる以外は実施例1と同様にブレンドフィルムの作製を試みたが、ポリマー溶液を混合した時点で溶液に濁りが生じ良好な製膜を行うことができなかった。
(Comparative Example 2)
An attempt was made to produce a blend film in the same manner as in Example 1 except that the polymer produced in Synthesis Example 12 was used instead of the polymer produced in Synthesis Example 8, but when the polymer solution was mixed, the solution was turbid and good. Film formation could not be performed.

(実施例11)
実施例1で作製したフィルムを用いてメタノールを燃料とする発電性評価を実施したところ、100mAの電流密度において0.33Vと、良好な発電特性が得られた。
(実施例12)
実施例7で作製したフィルムを用いて水素を燃料とする発電性評価を実施したところ、1Aの電流密度において0.53Vと、良好な発電特性が得られた。
(Example 11)
When the film produced in Example 1 was used for power generation evaluation using methanol as a fuel, a favorable power generation characteristic of 0.33 V at a current density of 100 mA was obtained.
Example 12
When the power generation performance evaluation using hydrogen as a fuel was performed using the film produced in Example 7, a favorable power generation characteristic of 0.53 V at a current density of 1 A was obtained.

(実施例13)
実施例1における膜電極接合体の作製において、ナフィオン溶液の代わりに、合成例1で作製したポリマーの10%NMP溶液を用いて膜電極接合体を作製したものは、電極剥がれのない良好な接合体であった。
(Example 13)
In the production of the membrane electrode assembly in Example 1, the membrane electrode assembly was produced using the 10% NMP solution of the polymer produced in Synthesis Example 1 instead of the Nafion solution. It was a body.

本発明の樹脂組成物は、溶剤との混和性に優れて製膜が容易であり、得られた膜は、イオン伝導性に優れるとともに、高温高湿下での寸法安定性に優れているため、燃料電池などのイオン交換膜として好適である。また、イオン交換膜と電極との接合体などの作製時のバインダー、接着剤、燃料電池用の固体高分子電解質膜用材料等として利用することができる。   The resin composition of the present invention is excellent in miscibility with a solvent and can be easily formed into a film. The resulting film has excellent ion conductivity and dimensional stability under high temperature and high humidity. It is suitable as an ion exchange membrane for fuel cells and the like. Further, it can be used as a binder, an adhesive, a material for a solid polymer electrolyte membrane for a fuel cell, and the like at the time of producing a joined body of an ion exchange membrane and an electrode.

Claims (15)

下記の化学式(1)で示される分子構造を有し、対数粘度が0.1以上のスルホン酸基含有ポリマーと下記の化学式(7)で示される分子構造を有し、対数粘度が0.25以上のポリベンズイミダゾール系ポリマーとを、質量比で99.9:0.1〜30:70の割合で含有することを特徴とする樹脂組成物。
Figure 2008069188
(ただし、Xは水素又は1価のカチオン種、Yはスルホン基又はケトン基、Arは下記化学式(2)である場合か、または化学式(3)および(4)の両方を同時に含む場合かのいずれかを示す。nは2以上の任意の整数を示す。)
Figure 2008069188
(ただし、Arが化学式(2)である場合、Zは酸素原子、nは2以上の任意の整数を示す。Arが化学式(3)および(4)の両方を同時に含む場合、Zは独立して酸素原子又は硫黄原子のいずれかを、Zは酸素原子、硫黄原子、−C(CH−基、−C(CF−基、−CH−基、シクロヘキシル基のいずれかを示す。また、Arが化学式(3)および(4)の両方を同時に含む場合は、上記化学式(1)とともに下記化学式(5)および(6)の分子構造を同時に含む。)
Figure 2008069188
(ただし、Ar、Arは2価の芳香族結合ユニットを、Z、Zは独立して酸素原子又は硫黄原子のいずれかを、Zは酸素原子、硫黄原子、−C(CH−基、−C(CF−基、−CH−基、シクロヘキシル基のいずれかを示す。
Figure 2008069188
(ただし、Rはイミダゾール環を形成できる4価の芳香族結合ユニットを、Rは2価の芳香族結合ユニットを表し、RおよびRはいずれも芳香環の単環であっても複数の芳香環の結合体あるいは縮合環であっても良く、安定な置換基を有していても良い。Zは、スルホン酸基および/またはホスホン酸基を表し、その一部が塩構造となっていても良い。nは2以上の任意の整数を示す。mは1から4の整数を示す。)
A sulfonic acid group-containing polymer having a molecular structure represented by the following chemical formula (1) and having a logarithmic viscosity of 0.1 or more and a molecular structure represented by the following chemical formula (7) and having a logarithmic viscosity of 0.25 A resin composition comprising the above polybenzimidazole polymer in a mass ratio of 99.9: 0.1 to 30:70.
Figure 2008069188
(Where X is hydrogen or a monovalent cation species, Y is a sulfone group or ketone group, and Ar 1 is the following chemical formula (2), or includes both of the chemical formulas (3) and (4) simultaneously) N represents any integer of 2 or more.)
Figure 2008069188
(However, if Ar 1 is a chemical formula (2), when Z 1 is an oxygen atom, n represents simultaneously contain .Ar 1 showing the arbitrary integer of 2 or more both chemical formula (3) and (4), Z 1 independently represents either an oxygen atom or a sulfur atom, Z 2 represents an oxygen atom, a sulfur atom, a —C (CH 3 ) 2 — group, a —C (CF 3 ) 2 — group, a —CH 2 — group, Any one of cyclohexyl groups, and when Ar 1 contains both of the chemical formulas (3) and (4), the chemical formula (1) and the molecular structure of the following chemical formulas (5) and (6) are included at the same time. .)
Figure 2008069188
(However, Ar 2 and Ar 3 are divalent aromatic bond units, Z 3 and Z 4 are independently oxygen atoms or sulfur atoms, Z 5 is an oxygen atom, sulfur atom, and —C (CH 3) 2 - group shown, one of the cyclohexyl groups - group, -C (CF 3) 2 - group, -CH 2.
Figure 2008069188
(However, R 1 represents a tetravalent aromatic bond unit capable of forming an imidazole ring, R 2 represents a divalent aromatic bond unit, and R 1 and R 2 may be monocyclic aromatic rings. It may be a conjugate of a plurality of aromatic rings or a condensed ring, and may have a stable substituent, Z represents a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group, part of which has a salt structure (N represents an arbitrary integer of 2 or more, and m 1 represents an integer of 1 to 4.)
スルホン酸基含有ポリマーが、さらに下記の化学式(8)で示される分子構造を含む請求項1に記載の樹脂組成物。
Figure 2008069188
(ただし、Arは2価の芳香族結合ユニットを、nは2以上の任意の整数を示す。)
The resin composition according to claim 1, wherein the sulfonic acid group-containing polymer further comprises a molecular structure represented by the following chemical formula (8).
Figure 2008069188
(However, Ar 4 represents a divalent aromatic bond unit, and n represents an arbitrary integer of 2 or more.)
スルホン酸基含有ポリマーの分子構造中のAr〜Arが、下記化学式(9)〜(12)で表される分子構造から選ばれる1種以上である請求項1または2に記載の樹脂組成物。
Figure 2008069188
The resin composition according to claim 1 or 2, wherein Ar 2 to Ar 4 in the molecular structure of the sulfonic acid group-containing polymer is at least one selected from the molecular structures represented by the following chemical formulas (9) to (12). object.
Figure 2008069188
スルホン酸基含有ポリマーのZとZがいずれも硫黄原子である請求項1〜3のいずれかに記載の樹脂組成物。 The resin composition according to any one of claims 1 to 3 Z 2 and Z 5 of the sulfonic acid group-containing polymer is either a sulfur atom. 化学式(1)、(5)および(6)でそれぞれ表される繰り返し分子構造及びその他の繰り返し分子構造のモル比が、数式1〜3を満たす請求項1〜4のいずれかに記載の樹脂組成物。
(数式1) 0.9≦(n1+n2+n3+n4)/(n1+n2+n3+n4+n5)≦1.0
(数式2) 0.05≦(n1+n2)/(n1+n2+n3+n4)≦0.7
(数式3) 0.01≦(n2+n4)/(n1+n2+n3+n4)≦0.95
(上記数式中、n1はArが化学式(3)である場合の化学式(1)で表される繰り返し分子構造のモル%を、n2はArが化学式(4)である場合の化学式(1)で表される繰り返し分子構造のモル%を、n3は化学式(5)で表される繰り返し分子構造のモル%を、n4は化学式(6)で表される繰り返し分子構造のモル%を、n5はその他の繰り返し分子構造のモル%を、それぞれ表す。)
The resin composition according to any one of claims 1 to 4, wherein a molar ratio of the repeating molecular structure represented by the chemical formulas (1), (5), and (6) and the other repeating molecular structures satisfy Formulas 1 to 3. object.
(Formula 1) 0.9 ≦ (n1 + n2 + n3 + n4) / (n1 + n2 + n3 + n4 + n5) ≦ 1.0
(Formula 2) 0.05 ≦ (n1 + n2) / (n1 + n2 + n3 + n4) ≦ 0.7
(Formula 3) 0.01 ≦ (n2 + n4) / (n1 + n2 + n3 + n4) ≦ 0.95
(In the above formula, n1 is the mol% of the repeating molecular structure represented by the chemical formula (1) when Ar 1 is the chemical formula (3), and n2 is the chemical formula (1 when Ar 1 is the chemical formula (4) (1). N3 represents the mol% of the repeating molecular structure represented by the chemical formula (5), n4 represents the mol% of the repeating molecular structure represented by the chemical formula (6), n5 Represents the mol% of other repeating molecular structures, respectively.)
スルホン酸基含有ポリマーが、下記の化学式(13)で表される末端ジヒドロキシ化合物であって、nの異なる複数の成分からなり、かつ平均で表される組成が1<n≦10の範囲にあるものをモノマー成分の一部として使用することにより得られたものである請求項1〜5のいずれかに記載の樹脂組成物。
Figure 2008069188
(ただし、nは0以上の整数を表す。)
The sulfonic acid group-containing polymer is a terminal dihydroxy compound represented by the following chemical formula (13), and is composed of a plurality of components different from each other, and the average composition is in the range of 1 <n ≦ 10. The resin composition according to any one of claims 1 to 5, which is obtained by using the product as a part of a monomer component.
Figure 2008069188
(However, n represents an integer of 0 or more.)
スルホン酸基含有ポリマーのスルホン酸基含有量が0.3〜5.0meq/gの範囲内である請求項1〜6のいずれかに記載の樹脂組成物。   The resin composition according to any one of claims 1 to 6, wherein the sulfonic acid group-containing polymer has a sulfonic acid group content within a range of 0.3 to 5.0 meq / g. ポリベンズイミダゾール系ポリマーが下記の化学式(14)と化学式(15)で示される構造で表される結合ユニットをn:(1−n)のモル比で有する構成成分として含むことを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の樹脂組成物。
Figure 2008069188
(ただし、Arは2価の芳香族結合ユニットを表し、Xは−O−、−SO−、−C(CH−、−C(CF−、−OPhO−からなる群から選ばれる1種以上であり、Phは2価の芳香族結合ユニットを表す。また、n(モル比)は、0.2≦n≦1.0の式を満たす。mは1から4の整数を表す。)
The polybenzimidazole-based polymer contains a binding unit represented by the structure represented by the following chemical formula (14) and chemical formula (15) as a constituent component having a molar ratio of n 1 : (1-n 1 ). The resin composition according to any one of claims 1 to 7.
Figure 2008069188
(However, Ar represents a divalent aromatic bond unit, and X 1 consists of —O—, —SO 2 —, —C (CH 3 ) 2 —, —C (CF 3 ) 2 —, and —OPhO—. at least one element selected from the group, Ph represents a bivalent aromatic bond unit. in addition, n 1 (molar ratio), the .m 1 satisfying the formula of 0.2 ≦ n 1 ≦ 1.0 Represents an integer from 1 to 4.)
ポリベンズイミダゾール系ポリマーが下記の化学式(16)と化学式(17)で示される分子構造で表される結合ユニットをn:(1−n)のモル比で有する請求項1〜7のいずれかに記載の樹脂組成物。
Figure 2008069188
(ただし、Arは芳香族結合ユニットを表し、Xは−O−、−SO−、−S−、−CH−、−OPhO−よりなる群から選ばれる1種以上であり、Phは2価の芳香族結合ユニットを表す。また、n(モル比)は、0.2≦n≦1.0の式を満たす。mは1から4の整数を表す。)
The polybenzimidazole polymer has a bonding unit represented by a molecular structure represented by the following chemical formula (16) and chemical formula (17) in a molar ratio of n 2 : (1-n 2 ). A resin composition according to claim 1.
Figure 2008069188
(However, Ar represents an aromatic bond unit, X 2 is at least one selected from the group consisting of —O—, —SO 2 —, —S—, —CH 2 —, —OPhO—, and Ph is Represents a divalent aromatic bond unit, and n 2 (molar ratio) satisfies a formula of 0.2 ≦ n 2 ≦ 1.0. M 1 represents an integer of 1 to 4.
ポリベンズイミダゾール系ポリマーが下記の化学式(18)と化学式(19)で示される分子構造で表される結合ユニットをn:(1−n)のモル比で有する請求項1〜7のいずれかに記載の樹脂組成物。
Figure 2008069188
(ただし、Arは芳香族結合ユニットを表し、Xは−O−、−SO−、−S−、−CH−、−C(CH−、−C(CF−、−OPhO−よりなる群から選ばれる1種以上であり、Phは2価の芳香族結合ユニットを表す。また、n(モル比)は、0.1≦n≦0.9の式を満たす。mおよびmは1から4の整数を表す。)
The polybenzimidazole-based polymer has a binding unit represented by the molecular structure represented by the following chemical formula (18) and chemical formula (19) in a molar ratio of n 3 : (1-n 3 ). A resin composition according to claim 1.
Figure 2008069188
(However, Ar represents an aromatic bond unit, and X 3 represents —O—, —SO 2 —, —S—, —CH 2 —, —C (CH 3 ) 2 —, —C (CF 3 ) 2 —. , —OPhO—, wherein Ph represents a divalent aromatic bond unit, and n 3 (molar ratio) is a formula of 0.1 ≦ n 3 ≦ 0.9. M 3 and m 4 represent an integer of 1 to 4.)
スルホン酸基含有ポリマーとポリベンズイミダゾール系ポリマーとの割合が、質量比で95:5〜70:30である請求項1〜10のいずれかに記載の樹脂組成物。   The ratio of a sulfonic acid group containing polymer and a polybenzimidazole-type polymer is 95: 5-70: 30 by mass ratio, The resin composition in any one of Claims 1-10. 請求項1〜11のいずれかに記載の樹脂組成物からなるイオン伝導膜。   The ion conductive film which consists of a resin composition in any one of Claims 1-11. 請求項12に記載のイオン伝導膜と電極とが接合された複合体。   The composite_body | complex with which the ion conductive film and electrode of Claim 12 were joined. 請求項13に記載の複合体をイオン伝導膜/電極接合体として用いた燃料電池。   A fuel cell using the composite according to claim 13 as an ion conductive membrane / electrode assembly. 請求項1〜11のいずれかに記載の樹脂組成物を含有する接着剤。   The adhesive agent containing the resin composition in any one of Claims 1-11.
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CN113527685A (en) * 2021-06-10 2021-10-22 中国科学院山西煤炭化学研究所 Polybenzimidazole ion solvent membrane and preparation method and application thereof

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