JP2008120957A - Sulfonic acid group-containing polyarylene ether based compound, and method for preparation thereof - Google Patents

Sulfonic acid group-containing polyarylene ether based compound, and method for preparation thereof Download PDF

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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 new polymeric material which can be used for forming an ionic conductive membrane being excellent in heat resistance, ionic conductivity, dimensional stability, especially excellent in processability. <P>SOLUTION: The invention relates to the sulfonic acid group-containing polyarylene ether based compound having a structural unit represented by general formula (1) and a structural unit represented by general formula (2) in the molecule chain. In the formulae, X is hydrogen or a monovalent cation species, Y is a sulfone group or a ketone group, Z is a sulfone group, a ketone or a direct bonding, V is hydrogen or fluorine, m, n are each an optional number selected from integers of two or more. When V is fluorine, then Z may be oxygen. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、スルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物に関するものであり、詳しくは、高分子電解質膜及び電解質膜/電極複合体の接着剤として有用なスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物に関するものである。   The present invention relates to a sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound, and more particularly to a sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound useful as an adhesive for polymer electrolyte membranes and electrolyte membrane / electrode composites. is there.

液体電解質のか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を上げることができる。これらに用いられる高分子膜や膜/電極複合体の接着用樹脂としては、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、電気化学的及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、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、パーフルオロカーボンスルホン酸膜を100℃以上の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る。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はできない。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、膜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。パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂を上記接着用樹脂として使用する場合にも同様の問題が指摘されている。
As an example of an electrochemical device using a polymer solid electrolyte as an ionic conductor instead of a liquid electrolyte, a water electrolyzer and a fuel cell can be raised. Polymer membranes and membrane / electrode composite resins used in these materials must be sufficiently stable chemically, thermally, electrochemically and mechanically with proton conductivity as cation exchange membranes. . For this reason, a perfluorocarbon sulfonic acid membrane has been used as one that can be used for a long time.
However, if the perfluorocarbon sulfonic acid membrane is to be operated at a temperature of 100 ° C. or higher, the moisture content of the membrane is drastically lowered and the membrane is also softened. In addition, 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 is pointed out as an obstacle to the establishment of fuel cell technology that the cost of the membrane is too high even in a fuel cell that operates near 80 ° C. using hydrogen as a fuel. The same problem has been pointed out when perfluorocarbon sulfonic acid resin is used as the adhesive resin.

このような欠点を克服するため、非フッ素系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。ポリマー骨格としては、耐熱性や化学的安定性を考慮すると、ポリアリーレンエーテルケトン類やポリアリーレンエーテルスルホン類などの、ポリアリーレンエーテル化合物を有望な構造としてとらえることができ、ポリアリーレンエーテルスルホンをスルホン化したもの(例えば、非特許文献1参照)、ポリエーテルエーテルケトンをスルホン化したもの(例えば、特許文献1参照)等が報告されている。
これらは、ポリマーにスルホン化剤を反応させてスルホン酸基を導入するものであるが、スルホン化されたモノマーを用いた重合により直接スルホン化ポリマーを得る方法も報告されている(例えば、特許文献2〜4参照)。しかし、これらの芳香族炭化水素系膜においても、さらに優れた特性を示すものが求められている。また、膜/電極複合体作製時の接着用樹脂として使用する際には、より高分子電解質膜との接合性を強くするものが求められている。
In order to overcome such drawbacks, various polymer electrolyte membranes in which a sulfonic acid group is introduced into a non-fluorinated aromatic ring-containing polymer have been studied. As the polymer skeleton, polyarylene ether compounds such as polyarylene ether ketones and polyarylene ether sulfones can be considered as promising structures in consideration of heat resistance and chemical stability. (For example, see Non-Patent Document 1), sulfonated polyether ether ketone (for example, see Patent Document 1), and the like have been reported.
In these methods, a sulfonic acid group is introduced by reacting a polymer with a sulfonating agent. However, a method for directly obtaining a sulfonated polymer by polymerization using a sulfonated monomer has also been reported (for example, Patent Documents). 2-4). However, these aromatic hydrocarbon films are also required to have even better characteristics. In addition, when used as an adhesive resin in the production of a membrane / electrode composite, a resin having a stronger bondability with a polymer electrolyte membrane is required.

特開平6−93114号公報JP-A-6-93114 米国特許出願公開第2002/0091225号US Patent Application Publication No. 2002/0091225 国際公開第2003/095509号International Publication No. 2003/095509 国際公開第2004/033534号International Publication No. 2004/033534 ジャーナル・オブ・メンブラン・サイエンス(Journal of Membrane Science)、(オランダ)1993年、83巻、P.211−220Journal of Membrane Science (Netherlands) 1993, 83, p. 211-220

本発明の目的は、フェニレンエーテルオリゴマー構造を有するスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物を提供することであり、さらには、高分子電解質膜、膜電極接合体の接着用樹脂などとしても有用な高分子材料を得ることにある。   An object of the present invention is to provide a sulfonic acid group-containing polyarylene ether-based compound having a phenylene ether oligomer structure, and further, it is useful as a polymer electrolyte membrane, a resin for bonding membrane electrode assemblies, and the like. It is to obtain molecular materials.

本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、下記に示すスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物により、上記目的が達成されることを見いだすに至った。
すなわち、本発明は下記(1)〜(11)により達成される。
(1)分子鎖内に一般式(1)及び一般式(2)で示される構成単位を有し、対数粘度が0.1以上5以下であることを特徴とするスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物。
As a result of intensive studies, the present inventors have found that the above object can be achieved by the following sulfonic acid group-containing polyarylene ether compounds.
That is, the present invention is achieved by the following (1) to (11).
(1) A sulfonic acid group-containing polyarylene ether having a structural unit represented by general formula (1) and general formula (2) in a molecular chain and having a logarithmic viscosity of 0.1 to 5 Compounds.

Figure 2008120957
Figure 2008120957
(ただし、式中、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、Zはスルホン基、ケトン基、直接結合のうちのいずれか、Vは水素又はフッ素、m、nは2以上の整数から選ばれる任意の数を示す。Vがフッ素の場合、Zは酸素であってもよい。)
Figure 2008120957
Figure 2008120957
(Wherein, X is hydrogen or a monovalent cation species, Y is a sulfone group or ketone group, Z is any one of a sulfone group, a ketone group, and a direct bond, V is hydrogen or fluorine, and m and n are Represents an arbitrary number selected from an integer of 2 or more, and when V is fluorine, Z may be oxygen.)

(2)一般式(3)で示される構成単位をさらに含む第1の発明に記載のスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物。 (2) The sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound according to the first invention, further comprising a structural unit represented by the general formula (3).

Figure 2008120957
(ただし、式中、oは2以上の整数から選ばれる任意の数を示す。)
(3)スルホン酸基含有量が、0.3〜5.0meq/gの範囲にある第1の発明又は第2の発明に記載のスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物。
(4)スルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物におけるポリフェニレンエーテル単位が、一般式(4)で表される化合物で、pが異なる複数の成分を含み、pの平均値が1<p≦10の範囲にある末端ジヒドロキシ化合物を原料モノマーの一部として使用することにより導入されてなる第1〜第3の発明のいずれかに記載のスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物。
Figure 2008120957
(In the formula, o represents an arbitrary number selected from an integer of 2 or more.)
(3) The sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound according to the first invention or the second invention, wherein the sulfonic acid group content is in the range of 0.3 to 5.0 meq / g.
(4) The polyphenylene ether unit in the sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound is a compound represented by the general formula (4), and includes a plurality of components having different p, and the average value of p is 1 <p ≦ 10 The sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound according to any one of the first to third inventions, which is introduced by using a terminal dihydroxy compound in a range as a part of a raw material monomer.

Figure 2008120957
(5)ガラス転移温度が130℃から220℃の間にある第1〜第4の発明のいずれかに記載のスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物。
Figure 2008120957
(5) The sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound according to any one of the first to fourth inventions having a glass transition temperature between 130 ° C and 220 ° C.

(6)第1〜第5の発明のいずれかに記載のスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物を用いた高分子電解質膜。
(7)第6の発明に記載の高分子電解質膜と電極とを接合した高分子電解質膜/電極複合体。
(8)第7の発明に記載の高分子電解質膜/電極複合体を用いた燃料電池。
(9)メタノールを燃料として使用する第8の発明に記載の燃料電池。
(10)第1〜第5の発明のいずれかに記載のスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物を含有する接着剤。
(6) A polymer electrolyte membrane using the sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound according to any one of the first to fifth inventions.
(7) A polymer electrolyte membrane / electrode composite obtained by joining the polymer electrolyte membrane according to the sixth invention and an electrode.
(8) A fuel cell using the polymer electrolyte membrane / electrode composite according to the seventh invention.
(9) The fuel cell according to the eighth invention, wherein methanol is used as fuel.
(10) An adhesive containing the sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound according to any one of the first to fifth inventions.

(11)第1〜第5の発明のいずれかに記載のスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物の溶剤溶液を、キャスト厚が10〜1500μmの範囲となるようにキャストする工程と、キャストした溶液を乾燥させる工程とを含む高分子電解質膜の製造方法。 (11) A step of casting the solvent solution of the sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound according to any one of the first to fifth inventions so that the cast thickness is in the range of 10 to 1500 μm, and the cast solution A method for producing a polymer electrolyte membrane comprising a step of drying the material.

本発明のスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物により、イオン伝導性、耐熱性、加工性に優れた、燃料電池などの高分子電解質として際立った性能を示す材料を提供することができる。また、本発明のスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物は、高分子電解質膜と良好な接合性を示す膜/電極接合体のバインダー樹脂としても有用である。   The sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound of the present invention can provide a material excellent in ion conductivity, heat resistance, and processability and exhibiting outstanding performance as a polymer electrolyte such as a fuel cell. The sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound of the present invention is also useful as a binder resin for a membrane / electrode assembly exhibiting good bonding properties with a polymer electrolyte membrane.

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明は、芳香環上にスルホン酸基を導入した特定のポリアリーレンエーテル系化合物により、耐熱性、加工性、イオン伝導性にすぐれた、特にイオン伝導膜として有用な高分子電解質材料を提供するものである。すなわち、分子鎖内に一般式(1)及び一般式(2)で示される構成単位を含有し、対数粘度が0.1以上5以下であるスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物である。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The present invention provides a polymer electrolyte material excellent in heat resistance, workability, and ion conductivity, particularly useful as an ion conductive membrane, by a specific polyarylene ether compound having a sulfonic acid group introduced on an aromatic ring. Is. That is, it is a sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound having a structural unit represented by the general formula (1) and the general formula (2) in the molecular chain and having a logarithmic viscosity of 0.1 or more and 5 or less.

Figure 2008120957
Figure 2008120957
(ただし、式中、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、Zはスルホン基、ケトン基、直接結合のうちのいずれか、Vは水素又はフッ素、m、nは2以上の整数から選ばれる任意の数を示す。Vがフッ素の場合、Zは酸素であってもよい。)
Figure 2008120957
Figure 2008120957
(Wherein, X is hydrogen or a monovalent cation species, Y is a sulfone group or ketone group, Z is any one of a sulfone group, a ketone group, and a direct bond, V is hydrogen or fluorine, and m and n are Represents an arbitrary number selected from an integer of 2 or more, and when V is fluorine, Z may be oxygen.)

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。上記一般式(1)の構造単位は、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又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構造単位である。   Examples of the monovalent cation species in X include monovalent metal salts such as sodium and potassium, salts with organic base compounds such as ammonium salts, and the like. The structural unit of the general formula (1) is composed of 3,3′-disulfo-4,4′-dihalogenated diphenylsulfone, 3,3′-disulfo-4,4′-dihalogenated benzophenone or a derivative thereof and a terminal hydroxyl group. It is a structural unit formed from a group-containing phenylene ether oligomer by an aromatic nucleophilic substitution reaction.

上記一般式(2)の構造は、芳香族求核置換反応に対して活性化されたビスハロゲノ芳香族化合物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構造単位である。ビスハロゲノ芳香族化合物の具体例としては、4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、4,4’−ジクロロベンゾフェノン、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン、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、デカフルオロジフェニルスルホン等を挙げることができる。   The structure of the general formula (2) is a structural unit formed by an aromatic nucleophilic substitution reaction from a bishalogenoaromatic compound activated for an aromatic nucleophilic substitution reaction and a terminal hydroxyl group-containing phenylene ether oligomer. . Specific examples of bishalogenoaromatic compounds include 4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 4,4′-difluorodiphenylsulfone, 4,4′-dichlorobenzophenone, 4,4′-difluorobenzophenone, decafluorobiphenyl, decafluoro Examples include diphenyl ether, decafluorobenzophenone, decafluorodiphenyl sulfone and the like.

上記一般式(1)及び(2)におけ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。   The part comprised from the phenylene ether oligomer in the said General formula (1) and (2) is shown by the arbitrary numbers chosen from the integer more than 2 in the said 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.

本発明のスルホン化ポリアリーレンエーテルは、そのポリマー鎖中に上記一般式(1)及び一般式(2)の構造を含んでいることが特徴であるので、上記一般式(1)及び一般式(2)で表される構造のみからなっていても良いが、上記一般式(1)及び一般式(2)の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、上記一般式(1)及び一般式(2)を与える構造は1種だけでなく、2種以上の構造が存在していてもよく、上記一般式(1)及び一般式(2)以外の構造成分も複数存在していても良い。いずれにしても、上記一般式(1)及び一般式(2)で表される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。本発明においては、nが2以上である上記一般式(1)及び一般式(2)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、上記構造式で表される構成単位の割合は30質量%以上あることが好ましく、50質量%以上であることがさらに好ましい。   Since the sulfonated polyarylene ether of the present invention is characterized in that the polymer chain contains the structures of the above general formula (1) and general formula (2), the above general formula (1) and general formula ( 2), it may consist of only the structure represented by the general formula (1) and the general formula (2), but other aromatic dihydroxy compounds and aromatic dihalogenated compounds may be used. A copolymerized form may be used. Moreover, the structure which gives the said General formula (1) and General formula (2) may not only be 1 type, but 2 or more types of structures may exist, Other than the said General formula (1) and General formula (2) There may also be a plurality of structural components. In any case, since the structure represented by the general formula (1) and the general formula (2) is present in the sulfonated polyarylene ether, the compound having excellent ion conductivity, heat resistance, and workability Become. In the present invention, by including the structures of the above general formula (1) and general formula (2) in which n is 2 or more, the polyarylene ether molecular chain is more flexible, and thus features are exhibited. In the sulfonic acid group-containing polyarylene ether, the proportion of the structural unit represented by the above structural formula is preferably 30% by mass or more, and more preferably 50% by mass or more.

上述のように本発明のスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル化合物は、その構造中に上記一般式(1)及び一般式(2)で表される構成単位が含まれていることが重要であり、上記一般式(1)及び一般式(2)の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、上記一般式(1)を与えうるスルホン酸基又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及び/又は4,4’−ジハロゲン化ジフェニルスルホン及び上記一般式(2)を与えうるビスハロゲノ芳香族化合物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。   As described above, it is important that the sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound of the present invention contains the structural units represented by the general formula (1) and the general formula (2) in the structure thereof, The method for introducing the structures of the general formula (1) and the general formula (2) 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 general formula (1) and the above general It can be synthesized by an aromatic nucleophilic substitution reaction using a bishalogenoaromatic compound that can give formula (2) and a terminal hydroxyl group-containing phenylene ether oligomer as at least part of the monomer.

スルホン酸基又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及び/又は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、及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。ビスハロゲノ芳香族化合物の具体例としては、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、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、デカフルオロジフェニルスルホン等を挙げることができるが、これらに制限されるわけではない。   Specific examples of 4,4′-dihalogenated benzophenone and / or 4,4′-dihalogenated diphenylsulfone containing a sulfonic acid group or a sulfonic acid group derivative 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. Specific examples of bishalogenoaromatic compounds include 4,4′-dichlorobenzophenone, 4,4′-difluorobenzophenone, decafluorobiphenyl, decafluorodiphenyl ether, decafluorobenzophenone, decafluorodiphenyl sulfone, etc. You are not limited to these.

また、本発明のスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物は、上記一般式(1)及び一般式(2)で表される構造とともに、下記一般式(3)で示される構成単位を含んでいることが好ましい。   In addition, the sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound of the present invention includes a structural unit represented by the following general formula (3) together with the structures represented by the general formula (1) and the general formula (2). It is preferable.

Figure 2008120957
ただし、一般式(3)において、oは2以上の整数から選ばれる任意の数で示される。o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。一般式(3)で表される構成単位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、本発明のポリアリーレンエーテルの分子鎖をより柔軟にするのに有効である。本発明のスルホン化ポリアリーレンエーテルが上記一般式(1)及び一般式(2)とともに一般式(3)で表される構成単位を含む場合は、本発明の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50質量%以上含有されていれば好ましく、70質量%以上であればさらに好ましい。
Figure 2008120957
However, in General formula (3), o is shown by the arbitrary numbers chosen from 2 or more integers. Although o may be a single compound consisting of specific numbers, it may be a mixture of a plurality of n. The constitutional unit represented by the general formula (3) is effective in making the molecular chain of the polyarylene ether of the present invention more flexible because the proportion of the phenylene ether oligomer is large. When the sulfonated polyarylene ether of the present invention includes the structural unit represented by the general formula (3) together with the general formula (1) and the general formula (2), all the structural units of the sulfonated polyarylene ether of the present invention It is preferable that those structural units are contained in an amount of 50% by mass or more, and more preferably 70% by mass or more.

上記一般式(3)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。   Examples of the dihalogenated compound that can give the general formula (3) include 2,6-dichlorobenzonitrile, 2,6-difluorobenzonitrile, and the like.

本発明のスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物を得るための芳香族求核置換反応において、上記一般式(1)〜(3)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一般式(4)で表すことができる。   In the aromatic nucleophilic substitution reaction for obtaining the sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound of the present invention, the terminal hydroxyl group-containing phenylene ether oligomer giving the above general formulas (1) to (3) is represented by the following general formula (4). Can be expressed as

Figure 2008120957
ただし、一般式(4)において、pは2以上の整数から選ばれる任意の数を示す。一般式(4)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pが単一の化合物からなるものを使用しても良いが、pの異なる複数の成分を含んでいても良い。pの異なる複数の成分を含んでいる場合には、pの平均値が1<p≦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≦p≦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。平均値としてのp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、p>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、一般式(4)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pの異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、pの異なる成分の存在率はGPC等により決定することができる。
Figure 2008120957
However, in General formula (4), p shows the arbitrary numbers chosen from 2 or more integers. As the terminal hydroxyl group-containing phenylene ether oligomer represented by the general formula (4), p may be composed of a single compound, but may contain a plurality of components having different p. When a plurality of components having different p are included, it is preferable to use a component having an average value of p in the range of 1 <p ≦ 10 as a part of the monomer component. More preferably, the monomer having an average composition in the range of 2 ≦ p ≦ 10 is used as a part of the monomer component. When p as an average value 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 p> 10, the glass transition temperature becomes low and the fuel cell becomes low. This is because the heat resistance when used as a material tends to be insufficient. In addition, when the terminal hydroxyl group-containing phenylene ether oligomer represented by the general formula (4) includes a plurality of components having different p, the average composition is determined by NMR, and the abundance of components having different p is determined by GPC, etc. Can be determined.

本発明のスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物を得るための芳香族求核置換反応において、上記一般式(1)〜(3)以外の構造を与え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をモノマーとして一緒に使用することができる。例えば、2,4−ジクロロベンゾニトリル、2,4−ジフルオロベンゾニトリル等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 the sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound of the present invention, an activated difluoroaromatic compound or dichloroaromatic compound that gives a structure other than the above general formulas (1) to (3) Can be used together as monomers. Examples include compounds such as 2,4-dichlorobenzonitrile and 2,4-difluorobenzonitrile, but are not limited thereto, and other aromatic dihalogenated compounds that are active in aromatic nucleophilic substitution reactions Aromatic dinitro compounds, aromatic dicyano compounds, and the like can also be used. These compounds may be used alone or as a mixture of two or more.

また、本発明のスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物における上述の一般式(1)〜(3)以外の構成単位を与える芳香族ジオール成分も本発明のスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物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、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、スルホン酸基及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。   Moreover, the aromatic diol component which gives structural units other than the general formula (1)-(3) in the sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound of the present invention is also the sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound of the present invention. Can be used in aromatic nucleophilic substitution reactions to obtain. 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, etc. may be used. Yes, but this It may be used various aromatic diols which can be used for the polymerization of polyarylene ether-based compound according to aromatic nucleophilic substitution reaction. 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 etc. which can react like an aromatic diol 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アリーレンエーテル系化合物の重合においては、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 polyarylene ether compound 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アリーレンエーテル系化合物には、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、熱及び/又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 polyarylene ether compound of the present invention contains a component that crosslinks by heat and / or light in its molecular chain, that is, as the main chain, side chain, or terminal group of the polymer. Also good. 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、本発明のポリアリーレンエーテル系化合物の重合の際に、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 polyarylene ether compound 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, -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-H Loxyphenyl) 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アリーレンエーテル系化合物としては、スルホン酸基含有量がイオン交換容量として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 polyarylene ether compound of the present invention preferably has a sulfonic acid group content in the range of 0.3 to 5.0 meq / g as an ion exchange capacity. 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アリーレンエーテル系化合物としては、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 polyarylene ether compound 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アリーレンエーテル系化合物を芳香族求核置換反応により重合する場合、活性化ジフルオロ芳香族化合物及び/又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。   When the sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound of the present invention is polymerized by an aromatic nucleophilic substitution reaction, the activated difluoroaromatic compound and / or the dichloroaromatic compound and the aromatic diol in the presence of a basic compound. A polymer can be obtained by reacting. 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.

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。   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アリーレンエーテル系化合物は、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5以下である。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 polyarylene ether compound of the present invention has a polymer logarithmic viscosity of 0.1 or more and 5 or less measured by a method described later. 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 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.

本発明のスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物は、単体として使用することができるが、他のポリマーとの組み合わせによる樹脂組成物として使用することもできる。これらのポリマーとしては、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、ポリベンズイミダゾール、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。ポリベンズイミダゾールやポリビニルピリジンなどの塩基性ポリマーとの樹脂組成物は、ポリマー寸法性の向上のために好ましい組み合わせと言える、これらの塩基性ポリマー中に、さらにスルホン酸基、ホスホン酸基等の酸性基を導入しておくと、組成物の加工性がより好ましいものとなる。   The sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound of the present invention can be used as a simple substance, but can also be used as a resin composition in combination with other polymers. Examples of these polymers include polyesters such as polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, and polyethylene naphthalate, polyamides such as nylon 6, nylon 66, nylon 610, and nylon 12, polymethyl methacrylate, polymethacrylates, and polymethyl. Acrylate resins such as acrylates and polyacrylates, polyacrylic acid resins, polymethacrylic acid resins, polyethylene, polypropylene, various polyolefins including polystyrene and diene polymers, polyurethane resins, cellulose acetate, cellulose such as ethyl cellulose Resin, polyarylate, aramid, polycarbonate, polyphenylene sulfide, polyphenylene oxide, polysulfone, polyethers Thermal curing of aromatic polymers such as phon, polyetheretherketone, polyetherimide, polyimide, polyamideimide, polybenzimidazole, polybenzoxazole, polybenzthiazole, epoxy resin, phenol resin, novolac resin, benzoxazine resin There are no particular restrictions on the conductive resin. Resin compositions with basic polymers such as polybenzimidazole and polyvinylpyridine can be said to be a preferred combination for improving polymer dimensionality. In addition to these basic polymers, acidic compositions such as sulfonic acid groups and phosphonic acid groups are also included. When a group is introduced, the processability of the composition becomes more preferable.

これら樹脂組成物として使用する場合には、本発明のスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物は、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。本発明のスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物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高分子電解質膜のスルホン酸基濃度が低くなり良好なイオン伝導性が得られない傾向にあり、また、スルホン酸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、本発明の化合物及び組成物は、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。   When used as these resin compositions, the sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound of the present invention is 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 sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound of the present invention is less than 50% by mass of the entire resin composition, the polymer electrolyte membrane containing this resin composition has a low sulfonic acid group concentration, which is favorable. There is a tendency that ion conductivity cannot be obtained, and a unit containing a sulfonic acid group becomes a discontinuous phase and the mobility of ions to be conducted tends to be lowered. In addition, the compound and composition of the present invention may contain, for example, an antioxidant, a heat stabilizer, a lubricant, a tackifier, a plasticizer, a cross-linking agent, a viscosity modifier, an antistatic agent, an antibacterial agent, and an antifoam as necessary. Various additives such as an agent, a dispersant, and a polymerization inhibitor may be included.

本発明のスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物及びその樹脂組成物は、押し出し、紡糸、圧延又はキャストなど任意の方法で繊維やフィルムなどの成形体とすることができる。中でも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。この溶媒としては、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、N−メチル−2−ピロリドン、ヘキサメチルホスホンアミドなどの非プロトン性極性溶媒や、メタノール、エタノール等のアルコール類、ケトン類、水等の組合せから選ばれる混合溶媒等が使用できるがこれらに限定されるものではない。これらの溶媒は、可能な範囲で複数を混合して使用してもよい。溶液中の化合物濃度は0.1〜50質量%の範囲であることが好ましい。溶液中の化合物濃度が0.1質量%未満であると良好な成形物を得るのが困難となる傾向にあり、50質量%を超えると加工性が悪化する傾向にある。   The sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound and the resin composition thereof according to the present invention can be formed into a molded body such as a fiber or a film by any method such as extrusion, spinning, rolling, or casting. Among these, it is preferable to mold from a solution dissolved in an appropriate solvent. Examples of the solvent include aprotic polar solvents such as N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, N-methyl-2-pyrrolidone and hexamethylphosphonamide, alcohols such as methanol and ethanol, A mixed solvent selected from a combination of ketones, water and the like can be used, but is not limited thereto. A plurality of these solvents may be used as a mixture within a possible range. The compound concentration in the solution is preferably in the range of 0.1 to 50% by mass. If the compound concentration in the solution is less than 0.1% by mass, it tends to be difficult to obtain a good molded product, and if it exceeds 50% by mass, the workability tends to deteriorate.

溶液から成形体を得る方法は従来から公知の方法を用いて行うことができる。たとえば、加熱、減圧乾燥、化合物を溶解する溶媒と混和することができる化合物非溶媒への浸漬等によって、溶媒を除去し成形体を得ることができる。溶媒が、有機溶媒の場合には、加熱又は減圧乾燥によって溶媒を留去させることが好ましい。この際、必要に応じて他の化合物と複合された形で繊維状、フィルム状、ペレット状、プレート状、ロッド状、パイプ状、ボール状、ブロック状などの様々な形状に成形することもできる。溶解挙動が類似する化合物と組み合わせた場合には、良好な成形ができる点で好ましい。このようにして得られた成形体中のスルホン酸基はカチオン種との塩の形のものを含んでいても良いが、必要に応じて酸処理することによりフリーのスルホン酸基に変換することもできる。   A method of obtaining a molded body from a solution can be performed using a conventionally known method. For example, the molded product can be obtained by removing the solvent by heating, drying under reduced pressure, immersion in a compound non-solvent that can be mixed with a solvent that dissolves the compound, or the like. When the solvent is an organic solvent, the solvent is preferably distilled off by heating or drying under reduced pressure. At this time, it can be formed into various shapes such as a fiber shape, a film shape, a pellet shape, a plate shape, a rod shape, a pipe shape, a ball shape, and a block shape in a composite form with other compounds as necessary. . When combined with a compound having a similar dissolution behavior, it is preferable in that good molding can be achieved. The sulfonic acid group in the molded article thus obtained may contain a salt form with a cationic species, but it can be converted to a free sulfonic acid group by acid treatment as necessary. You can also.

本発明のスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物及びその樹脂組成物から高分子電解質膜を作製することもできる。高分子電解質膜を成形する手法として最も好ましいのは、溶液からのキャストであり、キャストした溶液から上記のように溶媒を除去して高分子電解質膜を得ることができる。当該溶液としてはN−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド等の有機溶媒を用いた溶液や、場合によってはアルコール類、ケトン類、水等の組合せから選ばれる混合溶媒等も挙げることができる。溶媒の除去は、乾燥により行うことがイオン伝導膜の均一性からは好ましい。また、化合物や溶媒の分解や変質を避けるため、減圧下でできるだけ低い温度で乾燥することもできる。また、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。   A polymer electrolyte membrane can also be produced from the sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound of the present invention and the resin composition thereof. The most preferable method for forming the polymer electrolyte membrane is casting from a solution, and the polymer electrolyte membrane can be obtained by removing the solvent from the cast solution as described above. Examples of the solution include a solution using an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, and in some cases alcohols, ketones, water, etc. Examples thereof include a mixed solvent selected from combinations. The removal of the solvent is preferably performed by drying in view of the uniformity of the ion conductive membrane. Moreover, in order to avoid decomposition | disassembly and alteration of a compound or a solvent, it can also dry at the lowest temperature possible under reduced pressure. Further, 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 the casting can be easily performed.

キャストする際の溶液の厚みは特に制限されないが、10〜1500μmであることが好ましい。より好ましくは50〜500μmである。溶液の厚みが10μmよりも薄いと高分子電解質膜としての形態を保てなくなる傾向にあり、1500μmよりも厚いと不均一な高分子電解質膜ができやすくなる傾向にある。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することや、溶液の流れ出しを防ぐ枠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にすることができる。例えば、加熱により溶媒除去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化合物の凝固速度や溶媒除去速度を調整することができる。
本発明の高分子電解質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5〜250μmであることが好ましく、5〜100μmであることがさらに好ましく、5〜50μmであることが最も好ましい。高分子電解質膜の厚みが5μmより薄いと高分子電解質膜の取扱が困難となり燃料電池を作製した場合に短絡等が起こる傾向にあり、250μmよりも厚いとイオン伝導膜の電気抵抗値が高くなり燃料電池の発電性能が低下する傾向にある。
The thickness of the solution at the time of casting is not particularly limited, but is preferably 10 to 1500 μm. More preferably, it is 50-500 micrometers. If the thickness of the solution is thinner than 10 μm, the shape as a polymer electrolyte membrane tends to be not maintained, and if it is thicker than 1500 μm, a non-uniform polymer electrolyte membrane tends to be easily formed. 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 by making the thickness constant by using an applicator, a doctor blade, or the like, and making the cast area constant by using a frame that prevents the solution from flowing out. The cast solution can be formed into a more uniform film by adjusting the solvent removal rate. For example, when removing the solvent by heating, the evaporation rate can be reduced by lowering the temperature in the first stage. Further, when immersed in a non-solvent such as water, the coagulation rate and solvent removal rate of the compound can be adjusted by leaving the solution in air or an inert gas for an appropriate time.
The polymer electrolyte membrane 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 5 to 250 μm, more preferably 5 to 100 μm, and most preferably 5 to 50 μm. If the thickness of the polymer electrolyte membrane is less than 5 μm, it is difficult to handle the polymer electrolyte membrane and a short circuit or the like tends to occur when a fuel cell is manufactured. If the thickness is greater than 250 μm, the electric resistance value of the ion conductive membrane increases. The power generation performance of the fuel cell tends to decrease.

イオン伝導膜として使用する場合、膜中のスルホン酸基は金属塩になっているものを含んでいても良いが、適当な酸処理によりフリーのスルホン酸に変換することもできる。この場合、硫酸、塩酸、等の水溶液中に加熱下あるいは加熱せずに膜を浸漬処理することで行うことも効果的である。また、高分子電解質膜のイオン伝導率は1.0×10−3S/cm以上であることが好ましい。イオン伝導率が1.0×10−3S/cm以上である場合には、その高分子電解質膜を用いた燃料電池において良好な出力が得られる傾向にあり、1.0×10−3S/cm未満である場合には燃料電池の出力低下が起こる傾向にある。 When used as an ion conductive membrane, the sulfonic acid group in the membrane may contain a metal salt, but it can be converted to free sulfonic acid by an appropriate acid treatment. In this case, it is also effective to immerse the membrane in an aqueous solution of sulfuric acid, hydrochloric acid, etc. with or without heating. The ionic conductivity of the polymer electrolyte membrane is preferably 1.0 × 10 −3 S / cm or more. When the ionic conductivity is 1.0 × 10 −3 S / cm or more, there is a tendency that a good output is obtained in a fuel cell using the polymer electrolyte membrane, and 1.0 × 10 −3 S If it is less than / cm, the output of the fuel cell tends to decrease.

本発明の高分子電解質膜は、メタノールを燃料とするダイレクトメタノール型燃料電池にも有用であることが特徴である。平均厚さ50μmの膜を作製し、5Mメタノール水溶液を用いて25℃で測定したメタノール透過速度が7mmol/m・sec以下の値を示す高分子電解質膜が好ましい。メタノール透過速度は4mmol/m・sec以下であればさらに好ましく、1mmol/m・sec以下であればより好ましい。このようなメタノール透過性を示すときに特に優れた発電特性を示すためである。メタノール透過特性は膜厚に依存する場合があるため、メタノール透過性評価は平均厚み50μmの試料を作製して評価しているが、実際に燃料電池用イオン伝導膜として使用する際には、特に膜厚を限定しているわけではない。平均厚み50μmの膜とは、実質上は平均厚み48〜52μmの範囲に入っているものを示すものとする。 The polymer electrolyte membrane of the present invention is also useful for direct methanol fuel cells using methanol as fuel. A polymer electrolyte membrane in which a membrane with an average thickness of 50 μm is prepared and the methanol permeation rate measured at 25 ° C. using a 5 M aqueous methanol solution is 7 mmol / m 2 · sec or less is preferred. The methanol permeation rate is further preferably 4 mmol / m 2 · sec or less, and more preferably 1 mmol / m 2 · sec or less. This is because power generation characteristics particularly excellent when such methanol permeability is exhibited. Since methanol permeation characteristics may depend on the film thickness, methanol permeability evaluation is performed by preparing a sample having an average thickness of 50 μm, but when actually used as an ion conductive membrane for a fuel cell, The film thickness is not limited. A film having an average thickness of 50 μm substantially indicates a film having an average thickness in the range of 48 to 52 μm.

本発明のスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物及びその樹脂組成物から高分子電解質膜において、熱及び/又は光により架橋する成分を含有している場合は、熱処理及び/又は光照射処理により架橋構造を導入することによりさらに寸法安定性に優れたものとすることができる。熱架橋させる際の加熱温度は、架橋性ポリアリーレンエーテルの構造、架橋基の種類、架橋基導入量などにより異なるが、通常150〜450℃、好ましくは200〜400℃である。加熱時間は加熱温度や架橋性ポリアリーレンエーテルの構造などにより異なるが、通常0.01〜50時間、好ましくは0.02〜24時間である。圧力は常圧、減圧、加圧のいずれでもかまわない。ガス雰囲気は空気雰囲気、窒素雰囲気、アルゴン雰囲気のいずれでもかまわない。加熱温度が高い場合には、スルホン酸基は塩の状態にして熱処理することが好ましい。また、光架橋する際に用いる光源としては、特に限定されないが、低圧水銀灯、高圧水銀灯、キセノンランプ、メタルハライド灯等を使用することができる。照射線量はポリマー構造及びその膜厚により異なるが、通常、100〜50000mJ/cm、好ましくは300〜30000mJ/cmである。 In the polymer electrolyte membrane from the sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound of the present invention and the resin composition thereof, when it contains a component that crosslinks by heat and / or light, it is crosslinked by heat treatment and / or light irradiation treatment. By introducing the structure, the dimensional stability can be further improved. The heating temperature at the time of thermal crosslinking varies depending on the structure of the crosslinkable polyarylene ether, the type of crosslinking group, the amount of crosslinking group introduced, and the like, but is usually 150 to 450 ° C, preferably 200 to 400 ° C. The heating time varies depending on the heating temperature and the structure of the crosslinkable polyarylene ether, but is usually 0.01 to 50 hours, preferably 0.02 to 24 hours. The pressure may be normal pressure, reduced pressure, or increased pressure. The gas atmosphere may be an air atmosphere, a nitrogen atmosphere, or an argon atmosphere. When the heating temperature is high, the sulfonic acid group is preferably heat-treated in a salt state. The light source used for photocrosslinking is not particularly limited, and a low-pressure mercury lamp, a high-pressure mercury lamp, a xenon lamp, a metal halide lamp, or the like can be used. The irradiation dose may vary depending on the polymer structure and its thickness, usually, 100~50000mJ / cm 2, preferably 300~30000mJ / cm 2.

また、上述した本発明の高分子電解質膜又はフィルム等を電極に接合することによって、本発明の高分子電解質膜又はフィルム等と電極との接合体を得ることができる。この接合体の作製方法としては、従来から公知の方法を用いて行うことができ、例えば、電極表面に接着剤を塗布し高分子電解質膜と電極とを接着する方法又は高分子電解質膜と電極とを加熱加圧する方法等がある。この中でも本発明のスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物及びその樹脂組成物を主成分とした接着剤を電極表面に塗布して接着する方法が好ましい。高分子電解質膜と電極との接着性が向上し、また、高分子電解質膜のイオン伝導性を損なうことが少なくなると考えられるためである。   Moreover, the joined body of the polymer electrolyte membrane or film of the present invention and the electrode can be obtained by joining the above-described polymer electrolyte membrane or film of the present invention to the electrode. As a method for producing this joined body, a conventionally known method can be used. For example, a method of applying an adhesive to the electrode surface and bonding the polymer electrolyte membrane and the electrode, or a polymer electrolyte membrane and the electrode There is a method of heating and pressurizing. Among these, the method of applying and bonding an adhesive mainly composed of the sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound and the resin composition of the present invention to the electrode surface is preferable. This is because the adhesion between the polymer electrolyte membrane and the electrode is improved, and it is considered that the ion conductivity of the polymer electrolyte membrane is less impaired.

上述した高分子電解質膜又はフィルム等と電極との接合体を用いて、燃料電池を作製することもできる。本発明の高分子電解質膜又はフィルム等は、耐熱性、加工性、イオン伝導性及び寸法安定性に優れているため、高温での運転にも耐えることができ、作製が容易で、良好な出力を有する燃料電池を提供することができる。また、メタノールを直接燃料とする燃料電池として使用することも好ましい。   A fuel cell can also be produced using the assembly of the polymer electrolyte membrane or film described above and an electrode. The polymer electrolyte membrane or film of the present invention is excellent in heat resistance, processability, ion conductivity and dimensional stability, and therefore can withstand operation at high temperature, easy to produce, and good output Can be provided. It is also preferable to use it as a fuel cell using methanol as a direct fuel.

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>
ポリマー粉末を0.5g/dlの濃度でN−メチルピロリドンに溶解し、30℃の恒温槽中でウベローデ型粘度計を用いて粘度測定を行い、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)。
<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)。
<イオン伝導性測定>
自作測定用プローブ(テトラフルオロエチレン製)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、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]
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 polymer powder was dissolved in N-methylpyrrolidone at a concentration of 0.5 g / dl, and the viscosity was measured using a Ubbelohde viscometer in a constant temperature bath at 30 ° C., and the logarithmic viscosity ln [ta / tb] / c) Evaluation was made (ta is the number of seconds for dropping the sample solution, tb is the number of seconds for dropping only the solvent, and c is the polymer concentration).
<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).
<Ion conductivity measurement>
A platinum wire (diameter: 0.2 mm) was pressed against the surface of the strip-shaped film sample on a probe for self-made measurement (made of tetrafluoroethylene), and a constant temperature / 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]

<イオン交換容量>
窒素雰囲気下で一晩乾燥した試料の質量をはかり、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スルホン酸基含有量を測定してイオン交換容量(IEC:meq/g)を求めた。
<メタノール透過速度>
25℃に調整した5M(モル/リットル)の濃度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の濃度のメタノール水溶液を、他方のセルに100mlの超純水(18MΩ・cm)を注入し、25℃で両側のセルを撹拌しながら、イオン交換膜を通って超純水中に拡散してくるメタノール量をガスクロマトグラフを用いて測定することで算出した(イオン交換膜の面積は、2.0cm)。
<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。
<HNMR測定>
試料を重水素化ジメチルスルホキシドに溶解し、バリアン社GEMINI200NMR分光器を使用して、80℃で測定した。
<Ion exchange capacity>
Weigh the sample dried overnight under a nitrogen atmosphere, and after stirring with aqueous sodium hydroxide, measure the sulfonic acid group content by back titration with aqueous hydrochloric acid to determine the ion exchange capacity (IEC: meq / g). Asked.
<Methanol permeation rate>
A membrane immersed in an aqueous methanol solution with a concentration of 5 M (mol / liter) adjusted to 25 ° C. for 24 hours is sandwiched in an H-type cell, 100 ml of an aqueous methanol solution with a concentration of 5 M is added to one side of the cell, and an excess of 100 ml is added to the other cell. Calculated by injecting pure water (18 MΩ · cm) and measuring the amount of methanol diffusing into the ultrapure water through the ion exchange membrane while stirring the cells on both sides at 25 ° C. (The area of the ion exchange membrane was 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 temperature rising 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.
<HNMR measurement>
Samples were dissolved in deuterated dimethyl sulfoxide and measured at 80 ° C. using a Varian GEMINI 200 NMR spectrometer.

<発電評価>
Pt/Ru触媒担持カーボン(田中貴金属工業社 TEC61E54)に少量の超純水及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)に少量の超純水及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130℃、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(東陽テクニカ社製)を用いて発電試験を行った。発電は、セル温度40℃で、アノード及びカソードにそれぞれ40℃に調整した2mol/lの濃度のメタノール水溶液(1.5ml/min)及び高純度酸素ガス(80ml/min)を供給しながら行った。
<Evaluation of power generation>
After adding and dampening a small amount of ultrapure water and isopropyl alcohol to Pt / Ru catalyst-supporting 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 carbon paper with an electrode catalyst layer for anode Was made. Further, after adding a small amount of ultrapure water and isopropyl alcohol to a Pt catalyst-supporting carbon (Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd. TEC10V40E) and moistening, a 20% Nafion solution (product number: SE-20192) manufactured by DuPont is used. And a Nafion mass ratio of 2.5: 1 were added and stirred to prepare a cathode catalyst paste. This catalyst paste was applied and dried on carbon paper (TGPH-060 manufactured by Toray Industries, Inc.) that had been 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, by pressurizing and heating at 130 ° 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 Technica). 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. .

(実施例1)
3,3’−ジスルホ−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン2ナトリウム塩(略号:S−DCDPS)8.3450g(0.016987mole)、4,4’−ジクロロジフェニルスルホン(略号:DCDPS)9.8984g(0.034489mole)、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C008)(一般式(4)において、複数のp成分を含む混合物。NMRによる平均組成はp=2.3)21.1054g(0.051477mole)、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。120ml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9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。ポリマーの対数粘度は1.14であった。
ポリマー20gをNMP80mlに溶解し、ホットプレートの上ガラス板に約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0.025S/cmの値を示した。滴定で求めたIECは0.94meq/gであった。メタノール透過速度は2.7mmol/m・secを示した。動的粘弾性測定によるガラス転移温度は164℃であった。
(Example 1)
3,3′-Disulfo-4,4′-dichlorodiphenylsulfone disodium salt (abbreviation: S-DCDPS) 8.3450 g (0.016987 mole), 4,4′-dichlorodiphenylsulfone (abbreviation: DCDPS) 9.8984 g (0.034489 mole), terminal hydroxyl group-containing phenylene ether oligomer (abbreviation: DPE) (Dainippon Ink & Co., Ltd. SPECIANOL DPE-PL, lot C008) (in formula (4), a mixture containing a plurality of p components. NMR) The average composition was p = 2.3) 21.1054 g (0.051477 mole) and potassium carbonate 8.1817 g (0.05920 mole) were weighed into a 200 ml four-necked flask and flushed with nitrogen. 120 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 9 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 polymer was 1.14.
20 g of the polymer was dissolved in 80 ml of NMP, cast to a thickness of about 500 μm on the upper glass plate of the 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 0.025 S / cm in 25 ° C. water. The IEC determined by titration was 0.94 meq / g. The methanol permeation rate was 2.7 mmol / m 2 · sec. The glass transition temperature measured by dynamic viscoelasticity was 164 ° C.

(実施例2)
S−DCDPS8.4000g(0.017099mole)、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン11.1932g(0.051298mole)、DPE(大日本インキ社製 SPECIANOL DPE−PL、ロットC008)(28.0428g(0.068397mole)、炭酸カリウム10.8711g(0.078656mole)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11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。ポリマーの対数粘度は0.89であった。
ポリマー20gをNMP80mlに溶解し、ホットプレートの上ガラス板に約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、25℃水中において0.016S/cmの値を示した。滴定で求めたIECは0.80meq/gであった。メタノール透過速度は2.2mmol/m・secを示した。動的粘弾性測定によるガラス転移温度は155℃であった。
(Example 2)
S-DCDPS 8.4000 g (0.017099 mole), 4,4′-difluorobenzophenone 11.1932 g (0.051298 mole), DPE (Dai Nippon Ink & Co., Ltd. SPECIANOL DPE-PL, lot C008) (28.0428 g (0.068397 mole) ), 10.87711 g (0.078656 mole) of potassium carbonate were 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 stirred with heating to a reaction temperature of 195-200. The mixture was allowed to react for 11 hours by raising the temperature to 0 ° C. After allowing to cool, the polymerization solution was poured into water to precipitate the polymer into strands, and the resulting polymer was immersed in fresh water for one day and dried. The logarithmic viscosity of the polymer was 0.89.
20 g of the polymer was dissolved in 80 ml of NMP, cast to a thickness of about 500 μm on the upper glass plate of the 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 0.016 S / cm in 25 ° C. water. The IEC determined by titration was 0.80 meq / g. The methanol permeation rate was 2.2 mmol / m 2 · sec. The glass transition temperature measured by dynamic viscoelasticity was 155 ° C.

(実施例3)
S−DCDPS9.0000g(0.018321mole)、DCDPS9.7703g(0.034023mole)、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン3.5849g(0.015703mole)、DPE(大日本インキ社製 SPECIANOL DPE−PL、ロットC008)15.0229g(0.036641mole)、炭酸カリウム8.3197g(0.060196mole)を200ml四つ口フラスコに計り取り、窒素を流した。110ml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11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。ポリマーの対数粘度は1.31であった。
ポリマー20gをNMP80mlに溶解し、ホットプレートの上ガラス板に約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、25℃水中において0.033S/cmの値を示した。滴定で求めたIECは1.09meq/gであった。メタノール透過速度は3.0mmol/m・secを示した。
(Example 3)
S-DCDPS 9.0000 g (0.018321 mole), DCDPS 9.7703 g (0.034023 mole), 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) propane 3.5849 g (0.015703 mole), DPE (SPECIANOL DPE manufactured by Dainippon Ink & Chemicals, Inc.) -PL, lot C008) 15.0229 g (0.036641 mole) and potassium carbonate 8.3197 g (0.060196 mole) were weighed into a 200 ml four-necked flask and flushed with nitrogen. 110 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 11 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 polymer was 1.31.
20 g of the polymer was dissolved in 80 ml of NMP, cast to a thickness of about 500 μm on the upper glass plate of the 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 0.033 S / cm in 25 ° C. water. The IEC determined by titration was 1.09 meq / g. The methanol permeation rate was 3.0 mmol / m 2 · sec.

(実施例4)
3,3’−ジスルホ−4,4’−ジフルオロベンゾフェノン2ナトリウム塩8.5000g(0.020128mole)、DCDPS6.4299g(0.037381mole)、DPE(大日本インキ社製 SPECIANOL DPE−PL、ロットC008)23.5789g(0.05751mole)、炭酸カリウム9.1407g(0.06614mole)を200ml四つ口フラスコに計り取り、窒素を流した。110ml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13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。ポリマーの対数粘度は0.96であった。
ポリマー20gをNMP80mlに溶解し、ホットプレートの上ガラス板に約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、25℃水中において0.031S/cmの値を示した。滴定で求めたIECは1.13meq/gであった。
Example 4
3,3′-disulfo-4,4′-difluorobenzophenone disodium salt 8.5000 g (0.020128 mole), DCDPS 6.4299 g (0.037381 mole), DPE (SPECIANOL DPE-PL, lot C008, manufactured by Dainippon Ink & Chemicals, Inc.) 23.5789 g (0.05751 mole) and 9.1407 g (0.06614 mole) of potassium carbonate were weighed into a 200 ml four-necked flask and flushed with nitrogen. 110 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 13 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 polymer was 0.96.
20 g of the polymer was dissolved in 80 ml of NMP, cast to a thickness of about 500 μm on the upper glass plate of the 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 0.031 S / cm in 25 ° C. water. The IEC determined by titration was 1.13 meq / g.

(実施例5)
実施例3において2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパンの変わりに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5.2798g(0.015703mole)を用いてポリマーを得た。ポリマーの対数粘度は0.76であった。
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、25℃水中において0.017S/cmの値を示した。滴定で求めたIECは1.00meq/gであった。
(Example 5)
In Example 3, instead of 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) propane, 2,798 g (0.01573 mole) of 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane was used to obtain a polymer. The logarithmic viscosity of the polymer was 0.76.
20 g of the polymer was dissolved in 80 ml of NMP, cast on a glass plate on a hot plate to a thickness of about 500 μm, NMP was distilled off until it became a film, 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 0.017 S / cm in 25 ° C. water. The IEC determined by titration was 1.00 meq / g.

(実施例6)
S−DCDPS7.5000g(0.015267mole)、デカフルオロベンゾフェノン11.2246g(0.030997mole)、DPE(大日本インキ社製 SPECIANOL DPE−PL、ロットC008)18.9683g(0.046264mole)、炭酸カリウム7.3533g(0.05320mole)を200ml四つ口フラスコに計り取り、窒素を流した。120mlのN−メチル−2−ピロリドン。30mlのベンゼンを入れて、加熱撹拌し、反応温度を100℃で4時間、120℃で8時間、195−200℃に上昇させてさらに8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。ポリマーの対数粘度は0.67であった。
ポリマー20gをNMP80mlに溶解し、ホットプレートの上ガラス板に約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0.011S/cmの値を示した。滴定で求めたIECは0.88meq/gであった。
(Example 6)
S-DCDPS 7.5000 g (0.015267 mole), decafluorobenzophenone 11.2246 g (0.030997 mole), DPE (Dai Nippon Ink & Co., Ltd. SPECIANOL DPE-PL, lot C008) 18.9683 g (0.046264 mole), potassium carbonate 7 3533 g (0.05320 mole) was weighed into a 200 ml four-necked flask and flushed with nitrogen. 120 ml N-methyl-2-pyrrolidone. 30 ml of benzene was added and the mixture was heated and stirred, and the reaction temperature was raised to 100 ° C. for 4 hours, 120 ° C. for 8 hours, and 195 to 200 ° C. for further 8 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 polymer was 0.67.
20 g of the polymer was dissolved in 80 ml of NMP, cast to a thickness of about 500 μm on the upper glass plate of the 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 0.08 S / cm at 80 ° C. and 95% RH and 0.011 S / cm in water at 25 ° C. The IEC determined by titration was 0.88 meq / g.

(実施例7)
3,3’,4,4’−テトラアミノジフェニルスルホン1.500g(5.389×10−3mole)、2,5−ジカルボキシベンゼンスルホン酸1.445g(5.389×10−3mole)、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。ポリマーの対数粘度は、2.19を示した。本ポリマー1gを10mlのN−メチル−2−ピロリドンに加熱溶解し、実施例1で作製した製膜用溶液40mlと混合した後、キャスト厚みを調整した以外は実施例1と同様にして厚さ50μmの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25℃水中において0.05S/cmの値を示した。
(Example 7)
3,3 ′, 4,4′-tetraaminodiphenylsulfone 1.500 g (5.389 × 10 −3 mole), 1.445 g of 2,5-dicarboxybenzenesulfonic acid (5.389 × 10 −3 mole) 20.5 g of polyphosphoric acid (phosphorus pentoxide content: 75%) and 16.5 g of phosphorus pentoxide are weighed into a polymerization vessel. The temperature is raised to 100 ° C. while slowly stirring on an oil bath while flowing nitrogen. 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. for 4 hours to polymerize. 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 was 2.19. 1 g of this polymer was dissolved by heating in 10 ml of N-methyl-2-pyrrolidone, mixed with 40 ml of the film-forming solution prepared in Example 1, and then the thickness was adjusted in the same manner as in Example 1 except that the cast thickness was adjusted. A 50 μm film was prepared. When the ion conductivity of this film was measured, it showed a value of 0.05 S / cm in 25 ° C. water.

(実施例8)
実施例2で作製したフィルムを用いて発電評価を実施したところ、100mAの電流密度において0.31Vと、良好な発電特性が得られた。
(Example 8)
When the power generation evaluation was performed using the film produced in Example 2, a favorable power generation characteristic of 0.31 V was obtained at a current density of 100 mA.

(実施例9)
上述の膜/電極接合体の作製において、ナフィオン溶液の代わりに、実施例4で合成したポリマーの10%N−メチル−2−ピロリドン溶液を用いて膜/電極接合体を作製した。得られたものは、電極のはがれのない良好な接合体であった。
Example 9
In the preparation of the membrane / electrode assembly described above, a membrane / electrode assembly was prepared using a 10% N-methyl-2-pyrrolidone solution of the polymer synthesized in Example 4 instead of the Nafion solution. What was obtained was a good bonded body without electrode peeling.

(実施例10)
実施例4において、平均組成がp=4.5に相当するDPEを同じモル数用いて、ポリマーの重合及び製膜を行い、実施例9と同様にして膜/電極接合体の作製を試みたところ、電極剥がれのない良好な接合体が得られた。
(Example 10)
In Example 4, polymerization of the polymer and film formation were performed using the same mole number of DPE having an average composition corresponding to p = 4.5, and production of a membrane / electrode assembly was attempted in the same manner as in Example 9. However, a good joined body without electrode peeling was obtained.

(比較例1)
実施例4において、平均組成がn=1.5に相当するDPEを同じモル数用いて、ポリマーの重合及び製膜を行い、実施例9と同様にして膜/電極接合体の作製を試みたが、部分的に電極が剥がれる現象を示した。
(Comparative Example 1)
In Example 4, polymerization of the polymer and film formation were performed using the same mole number of DPE having an average composition corresponding to n = 1.5, and production of a membrane / electrode assembly was attempted in the same manner as in Example 9. However, it showed a phenomenon that the electrode was partially peeled off.

本発明のスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物により、イオン伝導性だけでなく耐熱性、加工性及び寸法安定性に優れた、高分子電解質材料を提供することができる。これらは、イオン伝導膜として、水素やメタノールを原料として使用する燃料電池や水電解槽に使うことができるが、各種電池用電解質、加湿用膜、湿度調整膜、表示素子、センサー、バインダー類、添加剤などとしても利用することが期待される。   The sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound of the present invention can provide a polymer electrolyte material that is excellent not only in ion conductivity but also in heat resistance, workability, and dimensional stability. These can be used for fuel cells and water electrolyzers that use hydrogen or methanol as raw materials as ion conductive membranes, but various battery electrolytes, humidifying membranes, humidity adjusting membranes, display elements, sensors, binders, It is expected to be used as an additive.

Claims (11)

分子鎖内に一般式(1)及び一般式(2)で示される構成単位を有し、対数粘度が0.1以上5以下であることを特徴とするスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物。
Figure 2008120957
Figure 2008120957
(ただし、式中、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、Zはスルホン基、ケトン基、直接結合のうちのいずれか、Vは水素又はフッ素、m、nは2以上の整数から選ばれる任意の数を示す。Vがフッ素の場合、Zは酸素であってもよい。)
A sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound having structural units represented by general formulas (1) and (2) in a molecular chain and having a logarithmic viscosity of 0.1 or more and 5 or less.
Figure 2008120957
Figure 2008120957
(Wherein, X is hydrogen or a monovalent cation species, Y is a sulfone group or ketone group, Z is any one of a sulfone group, a ketone group, and a direct bond, V is hydrogen or fluorine, and m and n are Represents an arbitrary number selected from an integer of 2 or more, and when V is fluorine, Z may be oxygen.)
一般式(3)で示される構成単位をさらに有する請求項1に記載のスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物。
Figure 2008120957
(ただし、式中、oは2以上の整数から選ばれる任意の数を示す。)
The sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound according to claim 1, further comprising a structural unit represented by the general formula (3).
Figure 2008120957
(In the formula, o represents an arbitrary number selected from an integer of 2 or more.)
スルホン酸基含有量が、0.3〜5.0meq/gの範囲にあることを特徴とする請求項1又は2に記載のスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物。   The sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound according to claim 1 or 2, wherein the sulfonic acid group content is in the range of 0.3 to 5.0 meq / g. スルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物におけるポリフェニレンエーテル単位が、一般式(4)で表される化合物で、pが異なる複数の成分を含み、pの平均値が1<p≦10の範囲にある末端ジヒドロキシ化合物を原料モノマーの一部として使用することにより導入されてなる請求項1〜3のいずれかに記載のスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物。
Figure 2008120957
The polyphenylene ether unit in the sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound is a compound represented by the general formula (4), includes a plurality of components having different p, and the average value of p is in the range of 1 <p ≦ 10. The sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound according to any one of claims 1 to 3, which is introduced by using a terminal dihydroxy compound as a part of a raw material monomer.
Figure 2008120957
ガラス転移温度が130〜220℃の間にある請求項1〜4のいずれかに記載のスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物。   The sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound according to any one of claims 1 to 4, wherein the glass transition temperature is between 130 and 220 ° C. 請求項1〜5のいずれかに記載のスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物を用いた高分子電解質膜。   A polymer electrolyte membrane using the sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound according to claim 1. 請求項6に記載の高分子電解質膜と電極とを接合した高分子電解質膜/電極複合体。   A polymer electrolyte membrane / electrode composite obtained by joining the polymer electrolyte membrane according to claim 6 and an electrode. 請求項7に記載の高分子電解質膜/電極複合体を用いた燃料電池。   A fuel cell using the polymer electrolyte membrane / electrode composite according to claim 7. メタノールを燃料として使用する請求項8に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 8, wherein methanol is used as a fuel. 請求項1〜5のいずれかに記載のスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物を含有する接着剤。   An adhesive containing the sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound according to any one of claims 1 to 5. 請求項1〜5のいずれかに記載のスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物の溶剤溶液を、キャスト厚が10〜1500μmの範囲となるようにキャストする工程と、キャストした溶液を乾燥させる工程とを含む高分子電解質膜の製造方法。   A step of casting the solvent solution of the sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound according to any one of claims 1 to 5 so that a cast thickness is in a range of 10 to 1500 µm, and a step of drying the cast solution. A method for producing a polymer electrolyte membrane comprising:
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100963409B1 (en) 2008-06-02 2010-06-14 광주과학기술원 Sulfonated PolyArylene Ether Alternating Copolymer and Sulfonated PolyArylene Ether Alternating Copolymer containing Crosslinkable Moiety in the End of the Polymer, and Polymer Electrolyte Membrane using the Sulfonated PolyArylene Ether Alternating Copolymer
KR101403481B1 (en) 2012-03-13 2014-06-11 한국화학연구원 Block copolymers linked by perfluorocyclobutane groups and preparation method thereof
CN114786795A (en) * 2019-12-05 2022-07-22 索尔维特殊聚合物美国有限责任公司 Process for preparing poly (aryl ether sulfone) (PAES) polymers

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