JP2009064606A - Manufacturing method of polymer electrolyte mold, polymer electrolyte material, polymer electrolyte parts, membrane electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高出力、高エネルギー容量および長期耐久性を達成することができる実用性に優れた高分子電解質成型体の製造方法、高分子電解質材料、高分子電解質部品、膜電極複合体および高分子電解質型燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a method for producing a polymer electrolyte molded body excellent in practicality capable of achieving high output, high energy capacity, and long-term durability, a polymer electrolyte material, a polymer electrolyte component, a membrane electrode composite, and a high The present invention relates to a molecular electrolyte fuel cell.
燃料電池は、水素、メタノールなどの燃料を電気化学的に酸化することによって、電気エネルギーを取り出す一種の発電装置であり、近年、クリーンなエネルギー供給源として注目されている。なかでも高分子電解質型燃料電池は、標準的な作動温度が100℃前後と低く、かつ、エネルギー密度が高いことから、比較的小規模の分散型発電施設、自動車や船舶など移動体の発電装置として幅広い応用が期待されている。また、小型移動機器、携帯機器の電源としても注目されており、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの二次電池に替わり、携帯電話やパソコンなどへの搭載が期待されている。 BACKGROUND ART A fuel cell is a kind of power generation device that extracts electrical energy by electrochemically oxidizing a fuel such as hydrogen or methanol, and has recently attracted attention as a clean energy supply source. In particular, the polymer electrolyte fuel cell has a low standard operating temperature of around 100 ° C. and a high energy density, so that it is a relatively small-scale distributed power generation facility, a mobile power generator such as an automobile or a ship. As a wide range of applications are expected. It is also attracting attention as a power source for small mobile devices and portable devices, and is expected to be installed in mobile phones and personal computers in place of secondary batteries such as nickel metal hydride batteries and lithium ion batteries.
高分子電解質型燃料電池においては、水素ガスを燃料とする従来の高分子電解質型燃料電池(以下、PEFCと記載する)に加えて、メタノールを直接供給するダイレクトメタノール型燃料電池(以下、DMFCと記載する。)も注目されている。DMFCは燃料が液体で改質器を用いないために、エネルギー密度が高くなり一充填あたりの携帯機器の使用時間が長時間になるという利点がある。 In polymer electrolyte fuel cells, in addition to conventional polymer electrolyte fuel cells that use hydrogen gas as fuel (hereinafter referred to as PEFC), direct methanol fuel cells that supply methanol directly (hereinafter referred to as DMFC) It is also noted. Since DMFC is liquid and does not use a reformer, it has the advantage that the energy density is high and the usage time of the portable device per filling is long.
燃料電池は通常、発電を担う反応の起こるアノードとカソードの電極と、アノードとカソード間のプロトン伝導体となる高分子電解質膜とが、膜電極複合体(以降、MEAと略称することがある。)を構成し、このMEAがセパレータによって挟まれたセルをユニットとして構成されている。高分子電解質膜は高分子電解質材料を主として構成される。高分子電解質材料は電極触媒層のバインダー等にも用いられる。 In a fuel cell, an anode electrode and a cathode electrode in which a reaction responsible for power generation occurs, and a polymer electrolyte membrane serving as a proton conductor between the anode and the cathode are sometimes referred to as a membrane electrode assembly (hereinafter, abbreviated as MEA). ) And a cell in which this MEA is sandwiched between separators is configured as a unit. The polymer electrolyte membrane is mainly composed of a polymer electrolyte material. The polymer electrolyte material is also used as a binder for the electrode catalyst layer.
高分子電解質膜の要求特性としては、第一に高いプロトン伝導性が挙げられる。また、高分子電解質膜は、燃料と酸素の直接反応を防止するバリアとしての機能を担うため、燃料の低透過性が要求される。特に、メタノールなどの有機溶媒を燃料とするDMFC用高分子電解質膜においては、メタノール透過はメタノールクロスオーバー(以降、MCOと略称することがある。)と呼ばれ、電池出力およびエネルギー効率の低下という問題を引き起こす。また、水素や酸素ガスの透過もラジカル発生源となり、アイオノマーの分解を引き起こす。その他の要求特性としては、燃料電池運転中の強い酸化雰囲気に耐えるための化学的安定性、薄膜化や膨潤乾燥の繰り返しに耐えうる機械強度などを挙げることができる。 The required characteristics of the polymer electrolyte membrane include firstly high proton conductivity. In addition, since the polymer electrolyte membrane functions as a barrier that prevents direct reaction between the fuel and oxygen, low permeability of the fuel is required. In particular, in a polymer electrolyte membrane for DMFC that uses an organic solvent such as methanol as a fuel, methanol permeation is called methanol crossover (hereinafter sometimes abbreviated as MCO), which means a reduction in battery output and energy efficiency. Cause problems. In addition, permeation of hydrogen and oxygen gas becomes a radical generation source, which causes ionomer decomposition. Other required characteristics include chemical stability to withstand a strong oxidizing atmosphere during fuel cell operation and mechanical strength to withstand repeated thinning and swelling and drying.
これまで高分子電解質膜には、パーフルオロスルホン酸系ポリマーであるナフィオン(登録商標)(Nafion(登録商標):デュポン社製)が広く用いられてきた。ナフィオン(登録商標)は多段階合成を経て製造されるため非常に高価であり、かつ、クラスター構造を形成するために燃料クロスオーバーが大きいという課題があった。また、耐熱水性や耐熱メタノール性が不足するため、膨潤乾燥によって作成した膜の機械強度が低下するという問題や軟化点が低く高温で使用できないという問題、さらに、使用後の廃棄処理の問題や材料のリサイクルが困難といった課題もあった。パーフルオロスルホン酸系膜は高分子電解質膜として概ねバランスのとれた特性を有するが、当該電池の実用化が進むにつれて、さらなる特性の改善が要求されるようになってきた。 Until now, Nafion (registered trademark) (Nafion (registered trademark): manufactured by DuPont), which is a perfluorosulfonic acid polymer, has been widely used for the polymer electrolyte membrane. Nafion (registered trademark) is very expensive because it is manufactured through multi-step synthesis, and there is a problem that fuel crossover is large to form a cluster structure. In addition, due to the lack of hot water resistance and methanol resistance, there is a problem that the mechanical strength of the film made by swelling and drying is lowered, a problem that the softening point is low and the film cannot be used at a high temperature, and a disposal problem and materials after use. There was also a problem that it was difficult to recycle. Perfluorosulfonic acid-based membranes have characteristics that are generally balanced as polymer electrolyte membranes, but further improvements in properties have been required as the batteries are put into practical use.
このような欠点を克服するために非パーフルオロ系ポリマーの炭化水素系ポリマーをベースとした高分子電解質材料についても既にいくつかの取り組みがなされている。ポリマー骨格としては、耐熱性、化学的安定性の点から芳香族ポリエーテルケトンや芳香族ポリエーテルスルホンについて特に活発に検討がなされてきた。 In order to overcome such drawbacks, several efforts have already been made on polymer electrolyte materials based on non-perfluoropolymer hydrocarbon polymers. As the polymer skeleton, aromatic polyether ketone and aromatic polyether sulfone have been particularly actively studied from the viewpoint of heat resistance and chemical stability.
例えば、芳香族ポリエーテルケトンである、難溶性の芳香族ポリエーテルエーテルケトン(ビクトレックス(登録商標)PEEK(登録商標)(ビクトレックス社製)等があげられる。)のスルホン化物(例えば、非特許文献1参照。)、芳香族ポリエーテルスルホンである狭義のポリスルホン(以降、PSFと略称することがある。)(UDEL P−1700(アモコ社製)等があげられる)や狭義のポリエーテルスルホン(以降、PESと略称することがある。)(スミカエクセル(登録商標)PES(住友化学社製)等があげられる)のスルホン化物(例えば、非特許文献2)等が報告されたが、プロトン伝導性を高めるためにイオン性基の含有量を増加すると作成した膜が膨潤し、メタノールなどの燃料クロスオーバーが大きいという問題があり、またポリマー分子鎖の凝集力が低いために作成した膜の機械強度が不十分という問題があった。 For example, a sulfonated product (for example, non-soluble aromatic polyetheretherketone (Victrex (registered trademark) PEEK (registered trademark) (manufactured by Victrex), etc.)), which is an aromatic polyetherketone, is used. Patent Document 1), a narrowly defined polysulfone that is an aromatic polyethersulfone (hereinafter sometimes abbreviated as PSF) (UDEL P-1700 (manufactured by Amoco) and the like) and a narrowly defined polyethersulfone. (Hereinafter, it may be abbreviated as PES.) Sulfonated products (for example, Non-Patent Document 2) of SUMIKAEXCEL (registered trademark) PES (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.) have been reported. When the content of ionic groups is increased to increase conductivity, the created membrane swells, and fuel crossover such as methanol is large. Cormorants There is a problem, also the mechanical strength of the film produced due to the low cohesive force of polymer molecular chains is disadvantageously insufficient.
また、芳香族ポリエーテルケトン(以降、PEKと略称することがある。)(ビクトレックス PEEK−HT(ビクトレックス製)等が挙げられる)のスルホン化物(例えば、特許文献1および2)においては、その高い結晶性ゆえに、低いスルホン酸基密度の組成を有するポリマーは、結晶が残存することにより溶剤に不溶で加工性不良となる問題、逆に加工性を高めるためにスルホン酸基密度を増加させると、ポリマーは結晶性でなくなることにより水中で著しく膨潤し、作成した膜の燃料クロスオーバーが大きいだけでなく、作成した膜の強度が不十分であった。 Moreover, in the sulfonated product (for example, Patent Documents 1 and 2) of an aromatic polyether ketone (hereinafter sometimes abbreviated as PEK) (including Victrex PEEK-HT (manufactured by Victrex)). Due to its high crystallinity, a polymer having a low sulfonic acid group density composition is insoluble in a solvent due to residual crystals, resulting in poor processability. Conversely, the sulfonic acid group density is increased to improve processability. When the polymer was not crystalline, it swelled remarkably in water, and not only the fuel crossover of the prepared membrane was large, but also the strength of the prepared membrane was insufficient.
スルホン酸基量を制御する方法として、芳香族ポリエーテルスルホン系においては、スルホン酸基を導入したモノマーを用いて重合し、スルホン酸基量が制御されたスルホン化芳香族ポリエーテルスルホンの報告がなされている(例えば、特許文献3参照)。しかしながら、ここにおいても高温高湿下で作成した膜が膨潤する問題は改善されず、特にメタノールなど燃料水溶液中やスルホン酸基密度が高くなる組成においてはその傾向が顕著で、このような耐熱水性や耐熱メタノール性に劣る高分子電解質膜ではメタノールなどの燃料クロスオーバーを十分に抑制すること、膨潤乾燥サイクルに耐えうる機械強度を付与することは困難であった。 As a method for controlling the amount of sulfonic acid groups, in aromatic polyether sulfone systems, there have been reports of sulfonated aromatic polyether sulfones in which the amount of sulfonic acid groups is controlled by polymerization using monomers introduced with sulfonic acid groups. (For example, refer to Patent Document 3). However, here too, the problem of swelling of the film prepared under high temperature and high humidity is not improved, and this tendency is particularly remarkable in a fuel aqueous solution such as methanol or in a composition having a high sulfonic acid group density. In addition, it has been difficult for a polymer electrolyte membrane having poor heat resistance and methanol resistance to sufficiently suppress fuel crossover such as methanol and to provide mechanical strength that can withstand a swelling and drying cycle.
また、特許文献4には保護基としてケタール基を有する芳香族ポリエーテルケトン系重合体についての記載がある。しかしながら、ここにおいてはケタール基の利用はビスフェノール成分に限定されており、芳香族ジハライド側への保護基導入については反応性から不可能なものであった。従って、主なビスフェノール成分については、ケタール基が脱保護された4,4’−ジヒドロキシベンゾフェノンに限定されるものであり、その他の結晶性の高いビスフェノールを多量に使用することは実質的に不可能であった。 Further, Patent Document 4 describes an aromatic polyether ketone polymer having a ketal group as a protective group. However, the use of the ketal group here is limited to the bisphenol component, and the introduction of the protective group on the aromatic dihalide side is impossible due to the reactivity. Therefore, the main bisphenol component is limited to 4,4′-dihydroxybenzophenone whose ketal group is deprotected, and it is virtually impossible to use a large amount of other highly crystalline bisphenol. Met.
このように、従来技術による高分子電解質材料は経済性、加工性、プロトン伝導性、燃料クロスオーバー、機械強度、ひいては長期耐久性を向上する手段としては不十分であり、産業上有用な燃料電池用高分子電解質材料とはなり得ていなかった。
本発明は、かかる従来技術の背景に鑑み、プロトン伝導性に優れ、かつ、燃料遮断性、機械強度、耐熱水性、耐熱メタノール性、加工性、化学的安定性に優れる上に、高分子電解質型燃料電池としたときに高出力、高エネルギー密度、長期耐久性を達成することができる高分子電解質成型体の製造方法、およびそれを用いた高分子電解質材料、膜電極複合体ならびに高分子電解質型燃料電池を提供せんとするものである。 In view of the background of such prior art, the present invention is excellent in proton conductivity and excellent in fuel cutoff, mechanical strength, hot water resistance, hot methanol resistance, workability, chemical stability, and polymer electrolyte type Method for producing polymer electrolyte molded body capable of achieving high output, high energy density and long-term durability when used as a fuel cell, and polymer electrolyte material, membrane electrode composite and polymer electrolyte mold using the same We intend to provide a fuel cell.
従来技術では、ポリマーのスルホン化反応(高分子反応)により芳香環上にスルホン酸基を導入する方法では、ポリマー中に導入するスルホン酸基の量および位置を精密に制御できないという問題点を有しており、ポリマーの量産化や結晶性と加工性の両立は困難であった。そこで、イオン性基を有する高分子電解質材料の合成に保護基を利用することに着目し、保護基を付けたまま成型する試みやポリマー骨格や保護基の構造、位置、導入量と電気化学特性、機械特性、寸法安定性および加工性等との関係について、燃料電池用途を視野に入れて詳細に検討し、本発明を完成するに至った。 In the prior art, the method of introducing sulfonic acid groups onto the aromatic ring by polymer sulfonation reaction (polymer reaction) has the problem that the amount and position of the sulfonic acid groups introduced into the polymer cannot be precisely controlled. Therefore, mass production of polymers and compatibility between crystallinity and processability have been difficult. Therefore, paying attention to the use of protecting groups for the synthesis of polyelectrolyte materials having ionic groups, attempts to mold with protecting groups and the structure, position, introduction amount and electrochemical properties of polymer skeleton and protecting groups The relationship between mechanical properties, dimensional stability, workability, and the like has been studied in detail with a view to fuel cell applications, and the present invention has been completed.
本発明は、上記課題を解決するために次のような手段を採用するものである。すなわち、第1の手段としては、本発明の高分子電解質成型体の製造方法は、少なくとも保護基およびイオン性基を含有する高分子電解質材料を成型した後、得られた成型体に含有される該保護基の少なくとも一部を脱保護することにより、高分子電解質成型体を得る高分子電解質成型体の製造方法であって、該保護基を含む構成単位が、下記一般式(P1)で表される構成単位であることを特徴とするものである。 The present invention employs the following means in order to solve the above problems. That is, as a first means, the method for producing a polymer electrolyte molded body of the present invention is contained in the molded body obtained after molding a polymer electrolyte material containing at least a protective group and an ionic group. A method for producing a polymer electrolyte molded body in which a polymer electrolyte molded body is obtained by deprotecting at least a part of the protective group, wherein the structural unit containing the protective group is represented by the following general formula (P1). The structural unit is characterized by the following.
(一般式(P1)において、Ar1およびAr2は任意の2価のアリーレン基、A1は任意の2価の有機基、R1は任意の1価の有機基、A2はOまたはNR2(R2は任意の1価の有機基)、m1は0または正の整数を表す。一般式(P1)で表される構成単位は任意に置換されていてもよい。)
また、第2の手段としては、本発明の高分子電解質材料は、少なくとも下記一般式(Q1)とともに(Q2)で表される構成単位を含有する高分子電解質材料であって、一般式(Q1)および(Q2)で表される構成単位を合計50モル%以上含有する芳香族ポリエーテルケトン系共重合体からなることを特徴とするものである。
(In the general formula (P1), Ar 1 and Ar 2 are any divalent arylene group, A 1 is any divalent organic group, R 1 is any monovalent organic group, A 2 is O or NR 2 (R 2 is an arbitrary monovalent organic group), m 1 represents 0 or a positive integer. The structural unit represented by the general formula (P1) may be optionally substituted.)
As a second means, the polymer electrolyte material of the present invention is a polymer electrolyte material containing a structural unit represented by (Q2) together with at least the following general formula (Q1), and the general formula (Q1) ) And (Q2), and is composed of an aromatic polyether ketone copolymer containing a total of 50 mol% or more of the structural units represented by (Q2).
(一般式(Q1)および(Q2)において、Ar11〜Ar16は実質的にイオン性基を含まない任意の2価のアリーレン基、A11、B11は任意の2価の有機基、D11は直接結合、OまたはS、EはOまたはS、M1およびM2は水素、金属カチオンまたはアンモニウムカチオン、a1およびa2は1〜4の整数、m11〜m13は0または正の整数を表す。ただし、一般式(Q1)および(Q2)で表される構成単位の含有モル率は0ではない。一般式(Q1)および(Q2)で表される構成単位はイオン性基以外の基で任意に置換されていてもよい。)
また、本発明の高分子電解質部品、膜電極複合体および高分子電解質型燃料電池は、かかる高分子電解質材料を用いて構成または製造されていることを特徴とするものである。
(In the general formulas (Q1) and (Q2), Ar 11 to Ar 16 are any divalent arylene groups substantially free of ionic groups, A 11 and B 11 are any divalent organic groups, D 11 is a direct bond, O or S, E is O or S, M 1 and M 2 are hydrogen, metal cation or ammonium cation, a1 and a2 are integers of 1 to 4, m 11 to m 13 are 0 or positive integers However, the content molar ratio of the structural units represented by the general formulas (Q1) and (Q2) is not 0. The structural units represented by the general formulas (Q1) and (Q2) are other than ionic groups. Optionally substituted with a group.)
The polymer electrolyte component, the membrane electrode assembly, and the polymer electrolyte fuel cell of the present invention are characterized in that they are constructed or manufactured using such a polymer electrolyte material.
本発明によれば、プロトン伝導性に優れ、かつ、燃料遮断性、機械強度、寸法安定性、加工性、化学的安定性に優れる上に、高分子電解質型燃料電池としたときに高出力、高エネルギー密度、長期耐久性を達成することができる高分子電解質成型体の製造方法、高分子電解質材料、高分子電解質膜部品、膜電極複合体ならびに高分子電解質型燃料電池を提供することができる。 According to the present invention, the proton conductivity is excellent, and the fuel cutoff property, the mechanical strength, the dimensional stability, the workability, and the chemical stability are excellent. A method for producing a polymer electrolyte molded body capable of achieving high energy density and long-term durability, a polymer electrolyte material, a polymer electrolyte membrane component, a membrane electrode assembly, and a polymer electrolyte fuel cell can be provided. .
以下、まず本発明の第1の手段について詳細に説明する。本発明は、前記課題、つまりプロトン伝導性に優れ、かつ、燃料遮断性、機械強度、寸法安定性、加工性、化学的安定性に優れる上に、高分子電解質型燃料電池としたときに高出力、高エネルギー密度、長期耐久性を達成することができる高分子電解質成型体の製造方法について、鋭意検討し、少なくとも保護基およびイオン性基を含有する高分子電解質材料を成型した後、得られた成型体に含有される該保護基の少なくとも一部を脱保護することにより、高分子電解質成型体を得る高分子電解質成型体の製造方法であって、該保護基を含む構成単位が、下記一般式(P1)で表される構成単位である製造方法を試してみたところ、かかる課題を一挙に解決する高分子電解質成型体を提供できることを究明したものである。 Hereinafter, first, the first means of the present invention will be described in detail. The present invention is excellent in the above problems, that is, excellent in proton conductivity, fuel cutoff, mechanical strength, dimensional stability, workability, and chemical stability, and in addition to a polymer electrolyte fuel cell. It can be obtained after earnestly examining the production method of a polymer electrolyte molded body that can achieve output, high energy density, and long-term durability, and molding a polymer electrolyte material containing at least a protective group and an ionic group. A method for producing a polymer electrolyte molded body for obtaining a polymer electrolyte molded body by deprotecting at least a part of the protective group contained in the molded body, wherein the structural unit containing the protective group is: When the production method, which is a structural unit represented by the general formula (P1), was tried, it was found that a polymer electrolyte molded body that can solve such problems at once can be provided.
(一般式(P1)において、Ar1およびAr2は任意の2価のアリーレン基、A1は任意の2価の有機基、R1は任意の1価の有機基、A2はOまたはNR2(R2は任意の1価の有機基)、m1は0または正の整数を表す。一般式(P1)で表される構成単位は任意に置換されていてもよい。)
本発明の高分子電解質成型体としては、膜類(フィルムおよびフィルム状のものを含む)の他、板状、繊維状、中空糸状、粒子状、塊状、微多孔状、コーティング類、発泡体類など、使用用途によって様々な形態をとりうる。低コストで、ポリマ−の設計自由度の向上および機械特性や耐溶剤性等の各種特性の向上が図れることから、幅広い用途に適応可能である。特に、高分子電解質成型体が膜類であるときに好適である。以下、高分子電解質膜の場合において説明する。
(In the general formula (P1), Ar 1 and Ar 2 are any divalent arylene group, A 1 is any divalent organic group, R 1 is any monovalent organic group, A 2 is O or NR 2 (R 2 is an arbitrary monovalent organic group), m 1 represents 0 or a positive integer. The structural unit represented by the general formula (P1) may be optionally substituted.)
The polymer electrolyte molded body of the present invention includes membranes (including films and films), plates, fibers, hollow fibers, particles, lumps, micropores, coatings, and foams. It can take various forms depending on the intended use. It can be applied to a wide range of applications because it can improve the design flexibility of the polymer and various properties such as mechanical properties and solvent resistance at low cost. It is particularly suitable when the polymer electrolyte molded body is a membrane. Hereinafter, the case of the polymer electrolyte membrane will be described.
従来のスルホン化芳香族ポリエーテルケトン、スルホン化芳香族ポリエーテルスルホンを高分子電解質材料として用いた場合には、プロトン伝導性を高めるためにイオン性基の含有量を増加すると膜が膨潤し、メタノールなどの燃料クロスオーバーが大きいという問題、ポリマー分子鎖の凝集力が低いために膜の機械強度や高次構造の安定性が不十分という問題があった。 When conventional sulfonated aromatic polyether ketone or sulfonated aromatic polyethersulfone is used as a polymer electrolyte material, the membrane swells when the content of ionic groups is increased to increase proton conductivity, There was a problem that the fuel crossover of methanol or the like was large, and a problem that the mechanical strength of the membrane and the stability of the higher order structure were insufficient due to the low cohesive force of the polymer molecular chain.
また、結晶性のポリマーの代表例である芳香族ポリエーテルケトン(PEK)系ポリマーはそのパッキングの良さおよび極めて強い分子間凝集力から結晶性を示し、一般的な溶剤に全く溶解しない性質がある。そのため、該ポリマーからなる成型体を得るためには400℃以上といった極めて高温にて溶融せざるを得ず、耐熱性に劣る燃料電池用電解質材料や厚さの薄いフィルム用途への展開は難しかった。これに対し、本発明の少なくとも保護基およびイオン性基を含有する高分子電解質材料は、ポリマー中に保護基を含有させることにより、特にこれまで製膜が困難なものが多かったPEKポリマーを初めとする結晶性ポリマーの結晶性を低減させることで溶解性を付与し、フィルム、膜を初めとする幅広い形態に、また、燃料電池用電解質部品として使用できるようにしたものである。 In addition, aromatic polyetherketone (PEK) -based polymers, which are typical examples of crystalline polymers, exhibit crystallinity because of their good packing and extremely strong intermolecular cohesion, and have the property of not dissolving in general solvents at all. . Therefore, in order to obtain a molded body made of the polymer, it has to be melted at an extremely high temperature of 400 ° C. or higher, and it has been difficult to develop into a fuel cell electrolyte material with poor heat resistance or a thin film application. . On the other hand, the polyelectrolyte material containing at least a protective group and an ionic group according to the present invention includes, in particular, PEK polymers that have been difficult to produce in the past by incorporating protective groups in the polymer. By reducing the crystallinity of the crystalline polymer, solubility is imparted so that it can be used in a wide variety of forms including films and membranes and as electrolyte components for fuel cells.
また、膜等に成形された後には、該ポリマーの分子鎖のパッキングを良くし、分子間凝集力や再び結晶性を付与させるために保護基の少なくとも一部を脱保護せしめ、耐熱水性や耐熱メタノール性などの耐溶剤性、引張強伸度、引裂強度や耐疲労性等の機械特性、メタノールや水素などの燃料遮断性を大幅に向上させた高分子電解質膜を得るものである。この製造工程を経た場合に、特に本発明の高分子電解質膜は高いプロトン伝導性に加え、製膜性(加工性)、低コストと量産性、ならびに寸法安定性、燃料遮断性、機械特性、長期耐久性を両立できるという特徴を有する。 In addition, after being formed into a film or the like, the molecular chain of the polymer is improved, and at least a part of the protective group is deprotected in order to impart intermolecular cohesion or crystallinity, A polymer electrolyte membrane having significantly improved solvent resistance such as methanol, tensile strength and elongation, mechanical properties such as tear strength and fatigue resistance, and fuel barrier properties such as methanol and hydrogen is obtained. In particular, the polymer electrolyte membrane of the present invention has a high proton conductivity, a film forming property (workability), a low cost and a mass productivity, a dimensional stability, a fuel cutoff property, a mechanical property, It has the feature that both long-term durability can be achieved.
本発明においては、PEK系ポリマーのケトン部位を前記一般式(P1)で表されるケチミン部位として保護および脱保護することによって、重合活性を維持したまま、幅広い分子設計を可能としたものである。すなわち、従来技術では、ケタール基の利用は重合反応上、ビスフェノール成分に限定され、主なビスフェノール成分については、ケタール基が脱保護された4,4’−ジヒドロキシベンゾフェノンに限定されるものであり、4,4’−ビフェノールを初めとするその他の結晶性の高いビスフェノールを多量に使用することは実質的に不可能であった。 In the present invention, by protecting and deprotecting the ketone moiety of the PEK-based polymer as a ketimine moiety represented by the general formula (P1), it is possible to design a wide range of molecules while maintaining the polymerization activity. . That is, in the prior art, the use of the ketal group is limited to the bisphenol component in the polymerization reaction, and the main bisphenol component is limited to 4,4′-dihydroxybenzophenone from which the ketal group is deprotected, It was virtually impossible to use a large amount of other highly crystalline bisphenols such as 4,4′-biphenol.
また、本発明によって得られる高分子電解質膜は、その強い分子間凝集力から含水状態であっても非常に破れにくい性質、すわなち、高引裂強度を有しており、膨潤・乾燥を繰り返すような自動車等に用いられる水素を燃料とした高分子電解質型燃料電池の運転条件においても極めて優れた長期耐久性を達成できるという特徴を有する。 In addition, the polymer electrolyte membrane obtained by the present invention has a property that is very difficult to break even in a water-containing state due to its strong intermolecular cohesion, that is, has high tear strength, and repeats swelling and drying. Such a polymer electrolyte fuel cell using hydrogen as a fuel for use in automobiles and the like has a feature that it can achieve extremely excellent long-term durability even under operating conditions.
さらに、溶解性が不十分であるためにこれまで使用できなかった低いスルホン酸基密度を有する種々の結晶性ポリマーの製膜が可能となり、プロトン伝導性と燃料クロスオーバー抑制効果を両立し、耐熱水性、耐熱メタノール性、機械特性、ポリマー高次構造の安定性および長期耐久性に優れた本発明の高分子電解質膜を得ることに成功したものである。 In addition, it becomes possible to form various crystalline polymers with low sulfonic acid group density, which has not been used so far due to insufficient solubility, and achieves both proton conductivity and fuel crossover suppression effect, The present inventors have succeeded in obtaining the polymer electrolyte membrane of the present invention which is excellent in aqueous property, heat-resistant methanol property, mechanical properties, polymer higher-order structure stability and long-term durability.
本発明において、保護基とは、後の段階で除去することを前提に、一時的に導入される置換基であり、反応性の高い官能基を保護し、その後の反応に対して不活性とするものであり、反応後に脱保護して元の官能基に戻すことのできるものである。すなわち、保護される官能基と対となるものであり、例えばt−ブチル基を水酸基の保護基として用いる場合があるが、同じt−ブチル基がアルキレン鎖に導入されている場合は、これを保護基とは呼ばない。保護基を導入する反応を保護(反応)、除去する反応を脱保護(反応)と呼称される。本発明において、保護基を導入する段階としてはモノマー段階からでもオリゴマー段階からでもポリマー段階でもよく、適宜選択することが可能である。 In the present invention, the protecting group is a substituent that is temporarily introduced on the assumption that it is removed at a later stage, protects a highly reactive functional group, and is inert to the subsequent reaction. It can be deprotected after the reaction and returned to the original functional group. That is, it is a pair with a functional group to be protected. For example, a t-butyl group may be used as a protective group for a hydroxyl group, but when the same t-butyl group is introduced into an alkylene chain, It is not called a protecting group. The reaction for introducing a protecting group is called protection (reaction), and the reaction for removal is called deprotection (reaction). In the present invention, the stage for introducing a protecting group may be selected from a monomer stage, an oligomer stage, or a polymer stage, and can be appropriately selected.
本発明において、ポリマーが結晶性であるとは、ポリマーがなんらかの条件で結晶化されうる、結晶化可能な性質を有することを意味する。また、ポリマーが非晶であるとはポリマーの結晶性の有無にかかわらず、使用する際のポリマーの状態として非晶であることを意味するものである。これらポリマーの結晶性の有無、結晶と非晶の状態については、広角X線回折(XRD)における結晶由来の鋭いピークや示差走査熱量分析法(DSC)における結晶化ピーク等によって評価することができる。 In the present invention, the polymer being crystalline means that the polymer has a crystallizable property that can be crystallized under some conditions. The term “amorphous polymer” means that the polymer is amorphous when used, regardless of whether the polymer is crystalline or not. The presence or absence of crystallinity of these polymers and the crystalline and amorphous states can be evaluated by sharp peaks derived from crystals in wide-angle X-ray diffraction (XRD), crystallization peaks in differential scanning calorimetry (DSC), and the like. .
また、本発明において耐熱水性、耐熱メタノール性に優れるとはそれぞれ高温水中、高温メタノール中での寸法変化(膨潤)が小さいことを意味する。この寸法変化が大きい場合には、高分子電解質膜として使用している途中に膜が破損してしまったり、膨潤で電極触媒層と剥離し、抵抗が大きくなるので好ましくない。これら耐熱水性、耐熱メタノール性の特性はいずれも高分子電解質型燃料電池に使用される電解質ポリマーに要求される重要な特性である。 Moreover, in this invention, being excellent in hot water resistance and heat-resistant methanol property means that the dimensional change (swelling) in high-temperature water and high-temperature methanol is respectively small. If this dimensional change is large, the membrane may be broken during use as a polymer electrolyte membrane, or it may swell and peel from the electrode catalyst layer, resulting in an increase in resistance. These hot water resistance and hot methanol properties are both important characteristics required for the electrolyte polymer used in the polymer electrolyte fuel cell.
本発明に使用する保護反応としては、反応性、安定性および導入位置の点で、ケトン部位をケチミン部位で保護/脱保護する方法であり、保護基を含む構成単位としては、前記一般式(P1)で表される構成単位を含有するものである。 The protection reaction used in the present invention is a method of protecting / deprotecting a ketone moiety with a ketimine moiety in terms of reactivity, stability, and introduction position. As the structural unit containing a protecting group, the general formula ( It contains the structural unit represented by P1).
本発明に使用する少なくとも保護基およびイオン性基を含有する高分子電解質材料は、機械強度や化学的安定性などの点から、炭化水素系ポリマーの中でも主鎖に芳香環を有するポリマーがより好ましい。すなわち、主鎖に芳香環を有するポリマーであって、イオン性基を有するものである。主鎖構造は、芳香環を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えばエンジニアリングプラスチックとして使用されるような十分な機械強度を有するものが好ましい。 The polymer electrolyte material containing at least a protective group and an ionic group for use in the present invention is more preferably a polymer having an aromatic ring in the main chain among hydrocarbon polymers from the viewpoint of mechanical strength and chemical stability. . That is, it is a polymer having an aromatic ring in the main chain and having an ionic group. The main chain structure is not particularly limited as long as it has an aromatic ring, but preferably has a sufficient mechanical strength to be used, for example, as an engineering plastic.
本発明に使用する主鎖に芳香環を有するポリマーの具体例としては、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリアリーレンエーテル系ポリマー、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリパラフェニレン、ポリアリーレン系ポリマー、ポリアリーレンケトン、ポリエーテルケトン、ポリアリーレンホスフィンホキシド、ポリエーテルホスフィンホキシド、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾール、ポリベンズイミダゾール、ポリアミド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリイミドスルホン等の構成成分の少なくとも1種を含むポリマーが挙げられる。なお、ここでいうポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトン等は、その分子鎖にスルホン結合、エーテル結合、ケトン結合を有しているポリマーの総称であり、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトンケトン、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン、ポリエーテルケトンスルホンなどを含むとともに、特定のポリマー構造を限定するものではない。 Specific examples of the polymer having an aromatic ring in the main chain used in the present invention include polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene oxide, polyarylene ether-based polymer, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfide sulfone, polyparaphenylene, polyarylene-based polymer, At least one of components such as polyarylene ketone, polyether ketone, polyarylene phosphine oxide, polyether phosphine oxide, polybenzoxazole, polybenzthiazole, polybenzimidazole, polyamide, polyimide, polyetherimide, polyimidesulfone, etc. The polymer containing is mentioned. Polysulfone, polyethersulfone, polyetherketone, and the like referred to here are generic names for polymers having a sulfone bond, an ether bond, and a ketone bond in the molecular chain thereof. Polyetherketoneketone, polyetheretherketone, It includes polyether ether ketone ketone, polyether ketone ether ketone ketone, polyether ketone sulfone and the like, and does not limit the specific polymer structure.
前記主鎖に芳香環を有するポリマーのなかでも、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリアリーレンエーテル系ポリマー、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリアリーレンケトン、ポリエーテルケトン、ポリアリーレンホスフィンホキシド、ポリエーテルホスフィンホキシド等のポリマーが、機械強度、加工性および耐加水分解性の面からより好ましい。 Among the polymers having an aromatic ring in the main chain, polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene oxide, polyarylene ether-based polymer, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfide sulfone, polyarylene ketone, polyether ketone, polyarylene phosphine oxide, poly A polymer such as ether phosphine oxide is more preferable from the viewpoint of mechanical strength, processability and hydrolysis resistance.
具体的には下記一般式(T1)で示される繰返し単位を有する主鎖に芳香族を含有するポリマー、すなわち、ポリエーテル系重合体または芳香族ポリチオエーテル系が挙げられる。 Specifically, a polymer containing an aromatic group in the main chain having a repeating unit represented by the following general formula (T1), that is, a polyether polymer or an aromatic polythioether system can be given.
(ここで、Z1、Z2は芳香環を含む有機基を表す。Z1およびZ2の少なくとも1種のうち、少なくとも一部はイオン性基を含有する。Y1は電子吸引性基を表す。Y2はOまたはSを表す。aおよびbはそれぞれ独立に0または正の整数を表し、ただしaとbは同時に0ではない。)
かかる一般式(T1)で示される繰返し単位を有する主鎖に芳香族を含有するポリマーの中でも、一般式(T1−1)〜一般式(T1−6)で示される繰返し単位を有するポリマーは耐加水分解性、機械強度および製造コストの点でより好ましい。なかでも、機械強度や製造コストの面から、Y2がOである芳香族ポリエーテル系重合体がさらに好ましく、最も好ましくは一般式(T1−3)で示される繰返し単位を有するもの、すなわち、芳香族ポリエーテルケトン系重合体が最も好ましい。
(Here, Z 1 and Z 2 represent an organic group containing an aromatic ring. At least a part of at least one of Z 1 and Z 2 contains an ionic group. Y 1 represents an electron-withdrawing group. Y 2 represents O or S. a and b each independently represent 0 or a positive integer, provided that a and b are not 0 at the same time.)
Among the polymers containing aromatic groups in the main chain having the repeating unit represented by the general formula (T1), the polymers having the repeating units represented by the general formula (T1-1) to the general formula (T1-6) are resistant to It is more preferable in terms of hydrolyzability, mechanical strength and production cost. Among them, from the viewpoint of mechanical strength and production cost, an aromatic polyether polymer in which Y 2 is O is more preferable, and most preferably has a repeating unit represented by the general formula (T1-3), that is, Aromatic polyether ketone polymers are most preferred.
(ここで、Z1、Z2は芳香環を含む有機基を表す。Z1およびZ2の少なくとも1種のうち、少なくとも一部はイオン性基を含有する。aおよびbはそれぞれ独立に0または正の整数を表し、ただしaとbは同時に0ではない。)
Z1として好ましい有機基は、フェニレン基、ナフチレン基、アントラセニレン基である。これらは置換されていてもよい。
(Here, Z 1 and Z 2 represent an organic group containing an aromatic ring. At least a part of at least one of Z 1 and Z 2 contains an ionic group. A and b are each independently 0. Or a positive integer, where a and b are not 0 at the same time.)
Preferred organic groups as Z 1 are a phenylene group, a naphthylene group, and an anthracenylene group. These may be substituted.
一般式(T1−4)におけるRpで示される有機基の好ましい例としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、ノルボルニル基、ビニル基、アリル基、ベンジル基、フェニル基、ナフチル基、フェニルフェニル基などである。工業的な入手の容易さの点ではRpとして最も好ましいのはフェニル基である。 Preferred examples of the organic group represented by R p in the general formula (T1-4) include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, an isopropyl group, a cyclopentyl group, a cyclohexyl group, a norbornyl group, a vinyl group, an allyl group, and a benzyl group. A phenyl group, a naphthyl group, a phenylphenyl group, and the like. From the viewpoint of industrial availability, the most preferable R p is a phenyl group.
本発明において、芳香族ポリエーテル系重合体とは、主として芳香環から構成される重合体において、芳香環ユニットが連結する様式としてエーテル結合が含まれているものをいう。エーテル結合以外に、直接結合、ケトン、スルホン、スルフィド、各種アルキレン、イミド、アミド、エステル、ウレタン等、芳香族系ポリマーの形成に一般的に使用される結合様式が存在していても良い。エーテル結合は主構成成分の繰り返し単位あたり1個以上あることが好ましい。芳香環は炭化水素系芳香環だけでなく、ヘテロ環などを含んでいても良い。また、芳香環ユニットと共に一部脂肪族系ユニットがポリマーを構成していてもかまわない。芳香族ユニットは、アルキル基、アルコキシ基、芳香族基、アリロキシ基等の炭化水素系基、ハロゲン基、ニトロ基、シアノ基、アミノ基、ハロゲン化アルキル基、カルボキシル基、ホスホン酸基、水酸基等、任意の置換基を有していても良い。 In the present invention, the aromatic polyether-based polymer refers to a polymer mainly composed of an aromatic ring and containing an ether bond as a mode in which the aromatic ring units are connected. In addition to the ether bond, there may be a bond mode generally used for forming an aromatic polymer such as a direct bond, ketone, sulfone, sulfide, various alkylenes, imides, amides, esters, and urethanes. The ether bond is preferably at least one per repeating unit of the main constituent component. The aromatic ring may include not only a hydrocarbon aromatic ring but also a hetero ring. Further, a part of the aliphatic units may constitute a polymer together with the aromatic ring unit. Aromatic units include hydrocarbon groups such as alkyl groups, alkoxy groups, aromatic groups, allyloxy groups, halogen groups, nitro groups, cyano groups, amino groups, halogenated alkyl groups, carboxyl groups, phosphonic acid groups, hydroxyl groups, etc. And may have an arbitrary substituent.
芳香族ポリエーテル系重合体が直接結合等のエーテル結合以外の結合様式を含む場合においても、加工性向上の点から、導入される保護基の位置としては芳香族エーテル系重合体部分であることがより好ましい。 Even when the aromatic polyether polymer contains a bonding mode other than an ether bond such as a direct bond, the position of the protective group to be introduced is the aromatic ether polymer part from the viewpoint of improving processability. Is more preferable.
本発明において、A1は任意の2価の有機基であり、重合に関与しなくてもよいので特に限定されるものではなく、アルキレン基でもアリーレン基でも、目的に応じて便宜選択することが可能である。本発明においては、結晶性の観点から、2価のアリーレン基がより好ましい。具体的には、後述のAr1およびAr2と同様である。 In the present invention, A 1 is an arbitrary divalent organic group, and is not particularly limited because it does not have to participate in polymerization. Either an alkylene group or an arylene group can be conveniently selected according to the purpose. Is possible. In the present invention, a divalent arylene group is more preferable from the viewpoint of crystallinity. Specifically, it is the same as Ar 1 and Ar 2 described later.
また、m1としては、製造コストの点で0〜3の整数がより好ましく、最も好ましくは0である。 As the m 1, more preferably an integer of 0 to 3 in terms of production cost, and most preferably 0.
さらに、一般式(P1)中のR1およびR2としては、任意の1価の有機基が使用可能であり、得られる反応性、安定性、ポリマーの溶解性等を考慮して、便宜選択することが可能である。その好適な例としては、アルキル基、環状アルキル基、芳香環を含むアルキル基、アリール基、窒素を含む有機基などが挙げあれる。アルキル基の好適な例としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ヘキシル基等の炭素数1〜12の直鎖アルキル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、ノルボルニル基等の炭素数3〜12の環状アルキル基、ビニル基、アリル基等の不飽和アルキル基、ベンジル基などの芳香環を含むアルキル基、および、フェニル基、ナフチル基、ビフェニル基等のアリール基、ジメチルアミノ基、フェニルアミノ基を初めとする窒素を含む有機基として、置換ヒドラゾン部位、カルバゾン部位、オキシム部位などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。原料コスト、溶解性、安定性の点ではR1およびR2としてさらに好ましいのは、炭素数3〜10の直鎖アルキル基、炭素数5〜10の環状アルキル基およびアリール基であり、最も好ましくはフェニル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基である。また、これらの誘導体も好適な例である。 Furthermore, as R 1 and R 2 in the general formula (P1), any monovalent organic group can be used, and is selected in consideration of the resulting reactivity, stability, polymer solubility, and the like. Is possible. Preferable examples thereof include an alkyl group, a cyclic alkyl group, an alkyl group containing an aromatic ring, an aryl group, and an organic group containing nitrogen. Preferable examples of the alkyl group include a linear alkyl group having 1 to 12 carbon atoms such as a methyl group, an ethyl group, a propyl group, an isopropyl group, and a hexyl group, and a carbon number of 3 to 3 such as a cyclopentyl group, a cyclohexyl group, and a norbornyl group. 12 cyclic alkyl groups, unsaturated alkyl groups such as vinyl and allyl groups, alkyl groups containing aromatic rings such as benzyl groups, and aryl groups such as phenyl, naphthyl and biphenyl groups, dimethylamino groups, and phenylamino groups Examples of the organic group containing nitrogen such as a group include, but are not limited to, a substituted hydrazone moiety, a carbazone moiety, and an oxime moiety. R 1 and R 2 are more preferably linear alkyl groups having 3 to 10 carbon atoms, cyclic alkyl groups having 5 to 10 carbon atoms and aryl groups in terms of raw material cost, solubility, and stability, and are most preferable. Are a phenyl group, a cyclopentyl group, and a cyclohexyl group. These derivatives are also suitable examples.
また、一般式(P1)中のAr1およびAr2として好ましい有機基は、フェニレン基、ナフチレン基、アントラセニレン基またはビフェニレン基である。これらは任意に置換されていてもよい。本発明の芳香族ポリエーテル系重合体としては、溶解性および原料入手の容易さから、前記一般式(P1)中のAr1およびAr2が共にフェニレン基、かつ、m1が0である、すなわち下記一般式(P2)で表される構成単位を含有することがより好ましく、最も好ましくはAr1およびAr2が共にp−フェニレン基である。 In addition, preferred organic groups as Ar 1 and Ar 2 in the general formula (P1) are a phenylene group, a naphthylene group, an anthracenylene group, or a biphenylene group. These may be optionally substituted. As the aromatic polyether polymer of the present invention, Ar 1 and Ar 2 in the general formula (P1) are both phenylene groups and m 1 is 0, because of solubility and easy availability of raw materials. That is, it is more preferable to contain a structural unit represented by the following general formula (P2), and most preferably Ar 1 and Ar 2 are both p-phenylene groups.
(一般式(P2)において、R1は任意の1価の有機基を表す。一般式(P2)で表される構成単位は任意に置換されていてもよい。)
本発明に使用する芳香族ポリエーテル系重合体の合成方法については、実質的に十分な高分子量化が可能な方法であれば特に限定されるものではないが、例えば芳香族活性ジハライド化合物と2価フェノール化合物の芳香族求核置換反応、またはハロゲン化芳香族フェノール化合物の芳香族求核置換反応を利用して合成することができる。
(In General Formula (P2), R 1 represents any monovalent organic group. The structural unit represented by General Formula (P2) may be optionally substituted.)
The method for synthesizing the aromatic polyether polymer used in the present invention is not particularly limited as long as it is a method capable of substantially increasing the molecular weight. For example, the aromatic active dihalide compound and 2 It can be synthesized using an aromatic nucleophilic substitution reaction of a polyhydric phenol compound or an aromatic nucleophilic substitution reaction of a halogenated aromatic phenol compound.
具体的には、例えば前記一般式(P1)で表される構成単位を含有する芳香族ポリエーテル系重合体は、芳香族活性ジハライド化合物として下記一般式(P1−1)で表される化合物を使用し、任意の2価フェノール化合物との芳香族求核置換反応により合成することが可能である。前記一般式(P1)で表される構成単位としては、2価フェノール化合物、芳香族活性ジハライド化合物のどちら側由来でも構わないが、モノマーの反応性の反応性を考慮して芳香族活性ジハライド化合物とする方がより好ましい。また、本発明の特徴は、電子吸引性のケチミン部位で保護することで、2価フェノール化合物側だけでなく、芳香族活性ジハライド化合物側としても使用することが出来る点にある。これにより、従来技術では使用できなかった4,4’‘−ビフェノールを初めとする結晶性の高いモノマーの使用が可能となる。 Specifically, for example, the aromatic polyether polymer containing the structural unit represented by the general formula (P1) is a compound represented by the following general formula (P1-1) as an aromatic active dihalide compound. And can be synthesized by an aromatic nucleophilic substitution reaction with any dihydric phenol compound. The structural unit represented by the general formula (P1) may be derived from either the dihydric phenol compound or the aromatic active dihalide compound, but in consideration of the reactivity of the monomer, the aromatic active dihalide compound Is more preferable. Further, the present invention is characterized in that it can be used not only on the dihydric phenol compound side but also on the aromatic active dihalide compound side by protecting with an electron-withdrawing ketimine moiety. This makes it possible to use monomers having high crystallinity such as 4,4 ′ ′-biphenol which could not be used in the prior art.
(一般式(P1)において、Ar1およびAr2は任意の2価のアリーレン基、A1は任意の2価の有機基、R1は任意の1価の有機基、A2はOまたはNR2(R2は任意の1価の有機基)、m1は0または正の整数、ZはClまたはFを表す。一般式(P1)で表される構成単位は任意に置換されていてもよい。)
本発明に使用する、特に好ましい芳香族ジハライド化合物の具体例としては、下記式(r1)〜(r14)で表される化合物、並びにこれらの芳香族ジハライド化合物由来の誘導体が挙げることができる。本発明で使用する高分子電解質材料としては、式(r13)〜(r14)のように、モノマー化合物の一部分として、一般式(P1)で表される構成単位を含むものも好適な例である。一般式(ただし、本発明の高分子電解質材料はこれらに限定されるものではない。また、これらのハロゲン化芳香族フェノール化合物タイプも好適である。また、ハロゲンとしては重合活性の点でF(フッ素)がより好ましい。
(In the general formula (P1), Ar 1 and Ar 2 are any divalent arylene group, A 1 is any divalent organic group, R 1 is any monovalent organic group, A 2 is O or NR 2 (R 2 is any monovalent organic group), m 1 is 0 or a positive integer, Z represents Cl or F. The structural unit represented by the general formula (P1) may be optionally substituted. Good.)
Specific examples of particularly preferred aromatic dihalide compounds used in the present invention include compounds represented by the following formulas (r1) to (r14), and derivatives derived from these aromatic dihalide compounds. As the polymer electrolyte material used in the present invention, a material containing a structural unit represented by the general formula (P1) as a part of the monomer compound as in the formulas (r13) to (r14) is also a suitable example. . General formula (However, the polyelectrolyte material of the present invention is not limited to these. In addition, these halogenated aromatic phenol compound types are also suitable. Further, as halogen, F ( (Fluorine) is more preferred.
これら芳香族ジハライド化合物のなかでも、原料コスト、重合活性の点から一般式(r1)〜(r5)で表される化合物がより好ましく、溶解性の点でさらに好ましくは一般式(r1)〜(r3)で表される化合物、最も好ましくは一般式(r1)で表される化合物である。 Among these aromatic dihalide compounds, the compounds represented by the general formulas (r1) to (r5) are more preferable from the viewpoint of raw material cost and polymerization activity, and more preferably from the general formulas (r1) to ( A compound represented by r3), most preferably a compound represented by formula (r1).
本発明において、ケトン部位をケチミン部位として保護する方法としては、ケトン基を有する前駆体化合物を、モレキュラーシーブ3Aなどの吸水剤存在下で、各種アミン化合物と反応させる方法が挙げられる。例えば、ケトン前駆体の4,4’−ジフルオロベンゾフェノンとアミン化合物を、芳香族炭化水素などの溶媒中でモレキュラーシーブ3Aなどの吸水剤の存在下で反応させることによって製造できる。アミン化合物はアミン化合物を使用することができる。 In the present invention, as a method for protecting a ketone moiety as a ketimine moiety, a method in which a precursor compound having a ketone group is reacted with various amine compounds in the presence of a water absorbing agent such as molecular sieve 3A. For example, it can be produced by reacting a ketone precursor 4,4'-difluorobenzophenone with an amine compound in a solvent such as an aromatic hydrocarbon in the presence of a water absorbing agent such as molecular sieve 3A. An amine compound can be used as the amine compound.
アミン化合物の好適な具体例としては、メチルアミン、エチルアミン、プロピルアミン、イソプロピルアミン、ヘキシルアミン等の炭素数1〜12の直鎖アルキルアミン系化合物、シクロペンチルアミン、シクロヘキシルアミン、ノルボルニルアミン等の炭素数3〜12の環状アルキルアミン系化合物、ビニルアミン、アリルアミン等の不飽和アルキルアミン系化合物、ベンジルアミンなどの芳香環を含むアルキルアミン系化合物、および、フェニルアミン、ナフチルアミン、ビフェニルアミン等のアリールアミン系化合物などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。なかでも、安定性から、フェニルアミン、シクロペンチルアミン、シクロヘキシルアミンが特に好ましい。 Preferable specific examples of the amine compound include linear alkylamine compounds having 1 to 12 carbon atoms such as methylamine, ethylamine, propylamine, isopropylamine and hexylamine, cyclopentylamine, cyclohexylamine and norbornylamine. C3-C12 cyclic alkylamine compounds, unsaturated alkylamine compounds such as vinylamine and allylamine, alkylamine compounds containing aromatic rings such as benzylamine, and arylamines such as phenylamine, naphthylamine, and biphenylamine Examples of such compounds are not limited to these. Of these, phenylamine, cyclopentylamine, and cyclohexylamine are particularly preferable from the viewpoint of stability.
反応に伴って副生物として水が生成するので、水を系外に除去する必要があり、モレキュラーシーブ3Aなどの吸水剤を使用することが好適である。この際は、反応溶媒とは関係なく、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。反応水又は反応中に導入された水を除去するのに用いられる共沸剤は、一般に、反応を実質上妨害せず、水と共蒸留し且つ約25℃〜約250℃の間で沸騰する任意の不活性化合物である。普通の共沸剤には、ベンゼン、トルエン、キシレン、クロルベンゼン、塩化メチレン、ジクロルベンゼン、トリクロルベンゼンなどが含まれる。これら共沸剤を反応溶媒と兼ねて使用するのが好ましい。また、一般には、反応は不活性雰囲気下に酸素が存在しない状態で実施するのが望ましい。 Since water is produced as a by-product with the reaction, it is necessary to remove the water from the system, and it is preferable to use a water absorbing agent such as molecular sieve 3A. In this case, regardless of the reaction solvent, water can be removed from the system as an azeotrope by coexisting toluene or the like in the reaction system. Azeotropic agents used to remove reaction water or water introduced during the reaction generally do not substantially interfere with the reaction, co-distill with water and boil between about 25 ° C. and about 250 ° C. Any inert compound. Common azeotropic agents include benzene, toluene, xylene, chlorobenzene, methylene chloride, dichlorobenzene, trichlorobenzene and the like. These azeotropic agents are preferably used also as a reaction solvent. In general, it is desirable to carry out the reaction in an inert atmosphere in the absence of oxygen.
ケチミン化合物を回収するためには、系内を酸性にしないように適切に注意を払えば、標準的な単離方法を用いることができる。一般的には、トルエン等の一般的な溶剤で再結晶し、未反応原料等を除去することが可能である。 In order to recover the ketimine compound, a standard isolation method can be used if appropriate care is taken not to make the system acidic. In general, it is possible to recrystallize with a general solvent such as toluene to remove unreacted raw materials and the like.
また、本発明で使用する高分子電解質材料の溶解性を維持可能な範囲で、他の芳香族活性ジハライド化合物を併用することも可能である。一般式(P1−1)以外の芳香族活性ジハライド化合物としては、2価フェノール化合物との芳香族求核置換反応により高分子量化が可能なものであれば、特に限定される物ではない。その好適な具体例としては、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’−ジクロロジフェニルケトン、4,4’−ジフルオロジフェニルケトン、4,4’−ジクロロジフェニルフェニルホスフィンオキシド、4,4’−ジフルオロジフェニルフェニルホスフィンオキシド、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。中でも4,4’−ジクロロジフェニルケトン、4,4’−ジフルオロジフェニルケトンが結晶性付与、機械強度、耐熱メタノール性、燃料クロスオーバー抑制効果の点からより好ましく、重合活性の点から4,4’−ジフルオロジフェニルケトンが最も好ましい。これら芳香族活性ジハライド化合物は、単独で使用することができるが、複数の芳香族活性ジハライド化合物を併用することも可能である。本発明においては、電子吸引性基としてニトリル基やトリフルオロメチル基を有する化合物を共重合することも本発明の効果を妨げない範囲で好適である。 In addition, other aromatic active dihalide compounds can be used in combination as long as the solubility of the polymer electrolyte material used in the present invention can be maintained. The aromatic active dihalide compound other than the general formula (P1-1) is not particularly limited as long as the molecular weight can be increased by an aromatic nucleophilic substitution reaction with a divalent phenol compound. Preferred examples thereof include 4,4′-dichlorodiphenyl sulfone, 4,4′-difluorodiphenyl sulfone, 4,4′-dichlorodiphenyl ketone, 4,4′-difluorodiphenyl ketone, and 4,4′-dichloro. Examples thereof include diphenylphenylphosphine oxide, 4,4′-difluorodiphenylphenylphosphine oxide, 2,6-dichlorobenzonitrile, 2,6-difluorobenzonitrile and the like. Among these, 4,4′-dichlorodiphenyl ketone and 4,4′-difluorodiphenyl ketone are more preferable in terms of imparting crystallinity, mechanical strength, heat-resistant methanol property, and fuel crossover suppressing effect, and 4,4 ′ from the viewpoint of polymerization activity. -Difluorodiphenyl ketone is most preferred. These aromatic active dihalide compounds can be used alone, but a plurality of aromatic active dihalide compounds can also be used in combination. In the present invention, it is also preferable to copolymerize a compound having a nitrile group or a trifluoromethyl group as an electron-withdrawing group as long as the effects of the present invention are not hindered.
芳香族活性ジハライド化合物として、ジクロロジフェニルケトン、ジフルオロジフェニルケトンを用いて合成した少なくとも保護基およびイオン性基を含有する高分子電解質材料としては、下記一般式(P5)で表される構成部位をさらに含むものとなり、好ましく用いられる。また、本発明で得られた高分子電解質材料(以下本発明で得られた高分子電解質成型体を構成する高分子電解質材料も含む)としては、前記一般式(P1)中のケチミン部位を脱保護し、ケトン基に変換した構成単位であり、分子間凝集力や結晶性を付与する成分となり、燃料として使用されるメタノール水中の高温での寸法安定性や機械強度、さらに水素を燃料とする高分子電解質型燃料電池においては高引裂強度や膨潤・乾燥の繰り返し耐性に優れた材料に有効な成分となるので好ましく用いられる。 As a polyelectrolyte material containing at least a protective group and an ionic group synthesized using dichlorodiphenyl ketone or difluorodiphenyl ketone as an aromatic active dihalide compound, a constituent site represented by the following general formula (P5) is further included. It is included and is preferably used. Moreover, as the polymer electrolyte material obtained in the present invention (hereinafter also including the polymer electrolyte material constituting the polymer electrolyte molded product obtained in the present invention), the ketimine site in the general formula (P1) is removed. A structural unit that is protected and converted to a ketone group. It is a component that imparts intermolecular cohesive strength and crystallinity, and is used as fuel for dimensional stability and mechanical strength at high temperatures in methanol water. The polymer electrolyte fuel cell is preferably used because it is an effective component for a material having high tear strength and excellent resistance to repeated swelling and drying.
(一般式(P5)で表される構成単位は任意に置換されていてもよい。)
本発明の高分子電解質材料として用いるポリマー中のイオン性基はブロック共重合で導入しても、ランダム共重合で導入しても構わない。用いるポリマーの化学構造や結晶性の高さによって適宜選択することができる。燃料遮断性や低含水率が必要である場合にはランダム共重合がより好ましく、プロトン伝導性や高含水率が必要である場合にはブロック共重合がより好ましく用いられる。
(The structural unit represented by the general formula (P5) may be optionally substituted.)
The ionic group in the polymer used as the polymer electrolyte material of the present invention may be introduced by block copolymerization or random copolymerization. It can be appropriately selected depending on the chemical structure of the polymer used and the high crystallinity. Random copolymerization is more preferable when fuel barrier properties and low water content are required, and block copolymerization is more preferably used when proton conductivity and high water content are required.
本発明の高分子電解質材料に使用されるイオン性基は、負電荷を有する原子団であれば特に限定されるものではないが、プロトン交換能を有するものが好ましい。このような官能基としては、スルホン酸基、スルホンイミド基、硫酸基、ホスホン酸基、リン酸基、カルボン酸基が好ましく用いられる。ここで、スルホン酸基は下記一般式(f1)で表される基、スルホンイミド基は下記一般式(f2)で表される基[一般式中Rは任意の原子団を表す。]、硫酸基は下記一般式(f3)で表される基、ホスホン酸基は下記一般式(f4)で表される基、リン酸基は下記一般式(f5)または(f6)で表される基、カルボン酸基は下記一般式(f7)で表される基を意味する。 The ionic group used in the polymer electrolyte material of the present invention is not particularly limited as long as it is a negatively charged atomic group, but preferably has a proton exchange ability. As such a functional group, a sulfonic acid group, a sulfonimide group, a sulfuric acid group, a phosphonic acid group, a phosphoric acid group, and a carboxylic acid group are preferably used. Here, the sulfonic acid group is a group represented by the following general formula (f1), the sulfonimide group is a group represented by the following general formula (f2) [in the general formula, R represents an arbitrary atomic group. The sulfuric acid group is represented by the following general formula (f3), the phosphonic acid group is represented by the following general formula (f4), and the phosphoric acid group is represented by the following general formula (f5) or (f6). And the carboxylic acid group means a group represented by the following general formula (f7).
かかるイオン性基は前記官能基(f1)〜(f7)が塩となっている場合を含むものとする。前記塩を形成するカチオンとしては、任意の金属カチオン、NR4 +(Rは任意の有機基)等を例として挙げることができる。金属カチオンの場合、その価数等特に限定されるものではなく、使用することができる。好ましい金属イオンの具体例を挙げるとすれば、Li、Na、K、Rh、Mg、Ca、Sr、Ti、Al、Fe、Pt、Rh、Ru、Ir、Pd等が挙げられる。中でも、高分子電解質材料としては、安価で、溶解性に悪影響を与えず、容易にプロトン置換可能なNa、Kがより好ましく使用される。 Such ionic groups include cases where the functional groups (f1) to (f7) are salts. Examples of the cation forming the salt include an arbitrary metal cation, NR 4 + (R is an arbitrary organic group), and the like. In the case of a metal cation, the valence and the like are not particularly limited and can be used. Specific examples of preferable metal ions include Li, Na, K, Rh, Mg, Ca, Sr, Ti, Al, Fe, Pt, Rh, Ru, Ir, and Pd. Among them, Na and K that are inexpensive and can easily be proton-substituted without being adversely affected by solubility are more preferably used as the polymer electrolyte material.
これらのイオン性基は前記高分子電解質材料中に2種類以上含むことができ、組み合わせることにより好ましくなる場合がある。組み合わせはポリマーの構造などにより適宜決められる。中でも、高プロトン伝導度の点から少なくともスルホン酸基、スルホンイミド基、硫酸基を有することがより好ましく、耐加水分解性の点から少なくともスルホン酸基を有することが最も好ましい。 Two or more kinds of these ionic groups can be contained in the polymer electrolyte material, and may be preferable by combining them. The combination is appropriately determined depending on the structure of the polymer. Among them, it is more preferable to have at least a sulfonic acid group, a sulfonimide group, and a sulfuric acid group from the viewpoint of high proton conductivity, and most preferable to have at least a sulfonic acid group from the viewpoint of hydrolysis resistance.
これら電解質ポリマーに対してイオン性基を導入する方法は、イオン性基を有するモノマーを用いて重合する方法と、高分子反応でイオン性基を導入する方法が挙げられるが、本発明はイオン性基を有するモノマーを用いて重合する方法を使用する。イオン性基を有するモノマーを用いて重合する方法を使用することにより、イオン性基の導入位置が制御され、高次構造も制御されたポリマーが作成可能となるためである。 Examples of the method for introducing an ionic group into these electrolyte polymers include a method of polymerizing using a monomer having an ionic group and a method of introducing an ionic group by a polymer reaction. A method of polymerizing using a monomer having a group is used. This is because by using a method of polymerizing using a monomer having an ionic group, it is possible to produce a polymer in which the introduction position of the ionic group is controlled and the higher order structure is also controlled.
イオン性基を有するモノマーを用いて重合する方法としては、繰り返し単位中にイオン性基を有したモノマーを用いれば良く、必要により適当な保護基を導入して重合後脱保護基を行えばよい。かかる方法は例えば ジャーナル オブ メンブレン サイエンス(Journal of Membrane Science), 197, 2002, p.231-242 に記載がある。 As a method of polymerizing using a monomer having an ionic group, a monomer having an ionic group in a repeating unit may be used, and if necessary, an appropriate protecting group may be introduced to perform a deprotecting group after polymerization. . Such a method is described, for example, in Journal of Membrane Science, 197, 2002, p.231-242.
イオン性基を導入する方法について例を挙げて説明すると、芳香族環へのホスホン酸基の導入は、例えばポリマー プレプリンツ(Polymer Preprints), 51, 2002, p.750等に記載の方法によって可能である。芳香族環へのリン酸基の導入は、例えばヒドロキシル基を有する芳香族系高分子のリン酸エステル化によって可能である。芳香族環へのカルボン酸基の導入は、例えばアルキル基やヒドロキシアルキル基を有する芳香族系高分子を酸化することによって可能である。芳香族環への硫酸基の導入は、例えばヒドロキシル基を有する芳香族環の硫酸エステル化によって可能である。芳香族環をスルホン化する方法、すなわちスルホン酸基を導入する方法としては、たとえば特開平2−16126号公報あるいは特開平2−208322号公報等に記載の方法が公知である。 The method for introducing an ionic group will be described with an example. The introduction of a phosphonic acid group into an aromatic ring can be achieved by the method described in Polymer Preprints, 51, 2002, p. is there. Introduction of a phosphate group into an aromatic ring is possible by, for example, phosphoric esterification of an aromatic polymer having a hydroxyl group. Introduction of a carboxylic acid group into an aromatic ring is possible, for example, by oxidizing an aromatic polymer having an alkyl group or a hydroxyalkyl group. Introduction of a sulfate group into an aromatic ring is possible, for example, by sulfate esterification of an aromatic ring having a hydroxyl group. As a method for sulfonating an aromatic ring, that is, a method for introducing a sulfonic acid group, for example, methods described in JP-A-2-16126 or JP-A-2-208322 are known.
具体的には、例えば、芳香族環をクロロホルム等の溶媒中でクロロスルホン酸のようなスルホン化剤と反応させたり、濃硫酸や発煙硫酸中で反応することによりスルホン化することができる。スルホン化剤には芳香族環をスルホン化するものであれば特に制限はなく、上記以外にも三酸化硫黄等を使用することができる。この方法により芳香族環をスルホン化する場合には、スルホン化の度合いはスルホン化剤の使用量、反応温度および反応時間により、容易に制御できる。芳香族系高分子へのスルホンイミド基の導入は、例えばスルホン酸基とスルホンアミド基を反応させる方法によって可能である。 Specifically, for example, the aromatic ring can be sulfonated by reacting with a sulfonating agent such as chlorosulfonic acid in a solvent such as chloroform, or by reacting in concentrated sulfuric acid or fuming sulfuric acid. The sulfonating agent is not particularly limited as long as it aromatically sulfonates an aromatic ring, and other than the above, sulfur trioxide and the like can be used. When the aromatic ring is sulfonated by this method, the degree of sulfonation can be easily controlled by the amount of the sulfonating agent used, the reaction temperature and the reaction time. Introduction of a sulfonimide group into an aromatic polymer can be achieved, for example, by a method of reacting a sulfonic acid group and a sulfonamide group.
本発明において、イオン酸基を導入した化合物をモノマーとして用いることは、イオン性基の量、並び方、結晶性を精密制御が可能な点からさらに好ましい。 In the present invention, it is more preferable to use a compound having an ionic acid group introduced as a monomer because the amount, arrangement, and crystallinity of the ionic group can be precisely controlled.
本発明に使用される成型用高分子電解質材料としては、前記一般式(P1)で表される構成単位とともに、イオン性基を有する必要がある。該イオン性基を含有する構成単位としては、プロトン伝導性と重合活性が十分であれば特に限定されることなく、使用することが可能である。中でも、重合活性、機械特性、寸法安定性の点で、下記一般式(P3)で表される構成単位を有するものがより好ましい。芳香族活性ジハライド化合物にイオン酸基を導入した化合物をモノマーとして用いることは、イオン性基の量を精密制御が可能な点から好ましい。 The molding polymer electrolyte material used in the present invention needs to have an ionic group together with the structural unit represented by the general formula (P1). The structural unit containing the ionic group is not particularly limited as long as proton conductivity and polymerization activity are sufficient, and can be used. Among these, those having a structural unit represented by the following general formula (P3) are more preferable in terms of polymerization activity, mechanical properties, and dimensional stability. It is preferable to use a compound in which an ionic acid group is introduced into an aromatic active dihalide compound as a monomer because the amount of the ionic group can be precisely controlled.
(一般式(P3)において、Ar3およびAr4は任意の2価のアリーレン基、B1は任意の2価の有機基、M1およびM2は水素、金属カチオンまたはアンモニウムカチオン、a1およびa2は1〜4の整数、m2は0または正の整数を表す。一般式(P3)で表される構成単位は任意に置換されていてもよい。)
本発明において、B1は任意の2価の有機基であり、重合に関与しなくてもよいので特に限定されるものではなく、アルキレン基でもアリーレン基でも、目的に応じて便宜選択することが可能である。本発明においては、結晶性の観点から、2価のアリーレン基がより好ましい。具体的には、後述のAr3およびAr4と同様である。
(In the general formula (P3), Ar 3 and Ar 4 are any divalent arylene group, B 1 is any divalent organic group, M 1 and M 2 are hydrogen, a metal cation or an ammonium cation, a1 and a2 Represents an integer of 1 to 4, m 2 represents 0 or a positive integer, and the structural unit represented by the general formula (P3) may be optionally substituted.)
In the present invention, B 1 is an arbitrary divalent organic group, and is not particularly limited because it does not have to participate in polymerization. Either an alkylene group or an arylene group can be conveniently selected according to the purpose. Is possible. In the present invention, a divalent arylene group is more preferable from the viewpoint of crystallinity. Specifically, it is the same as Ar 3 and Ar 4 described later.
また、m2としては、製造コストの点で0〜3の整数がより好ましく、最も好ましくは0である。 As the m 2, more preferably an integer of 0 to 3 in terms of production cost, and most preferably 0.
また、一般式(P3)中のAr3およびAr4として好ましい有機基は、フェニレン基、ナフチレン基、アントラセニレン基またはビフェニレン基である。これらは任意に置換されていてもよい。本発明の芳香族ポリエーテル系重合体としては、溶解性および原料入手の容易さから、前記一般式(P3)中のAr3およびAr4が共にフェニレン基、かつ、m2が0である、すなわち下記一般式(P6)で表される構成単位を含有することがより好ましく、最も好ましくはAr1およびAr2が共にp−フェニレン基である。 A preferable organic group as Ar 3 and Ar 4 in the general formula (P3) is a phenylene group, a naphthylene group, an anthracenylene group, or a biphenylene group. These may be optionally substituted. As the aromatic polyether-based polymer of the present invention, Ar 3 and Ar 4 in the general formula (P3) are both phenylene groups and m 2 is 0 because of solubility and availability of raw materials. That is, it is more preferable to contain a structural unit represented by the following general formula (P6), and most preferably Ar 1 and Ar 2 are both p-phenylene groups.
(一般式(P6)中、M1およびM2は水素、金属カチオン、アンモニウムカチオン、a1およびa2は1〜4の整数を表す。一般式(P6)で表される構成単位はさらに任意に置換されていてもよい。)
具体的には、例えば前記一般式(P3)で表される構成単位を含有する芳香族ポリエーテル系重合体は、芳香族活性ジハライド化合物として下記一般式(P3−1)で表される化合物を使用し、任意の2価フェノール化合物との芳香族求核置換反応により合成することが可能である。また、ハロゲンとしては重合活性の点でFがより好ましい。
(In General Formula (P6), M 1 and M 2 represent hydrogen, metal cation, ammonium cation, a1 and a2 each represent an integer of 1 to 4. The structural unit represented by General Formula (P6) is further optionally substituted. May be.)
Specifically, for example, the aromatic polyether polymer containing the structural unit represented by the general formula (P3) is a compound represented by the following general formula (P3-1) as an aromatic active dihalide compound. And can be synthesized by an aromatic nucleophilic substitution reaction with any dihydric phenol compound. Further, as halogen, F is more preferable from the viewpoint of polymerization activity.
(一般式(P3−1)において、Ar3およびAr4は任意の2価のアリーレン基、B1は任意の2価の有機基、M1およびM2は水素、金属カチオンまたはアンモニウムカチオン、a1およびa2は1〜4の整数、m2は0または正の整数、YはClまたはFを表す。一般式(P3)で表される構成単位は任意に置換されていてもよい。)
イオン性基としてスルホン酸基を有するモノマーの好適な例としては、一般式(P3−1)で表される化合物とともに、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジクロロジフェニルフェニルホスフィンオキシド、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロジフェニルフェニルホスフィンオキシド、等を挙げることができる。
(In general formula (P3-1), Ar 3 and Ar 4 are any divalent arylene group, B 1 is any divalent organic group, M 1 and M 2 are hydrogen, a metal cation or an ammonium cation, a1 and a2 is an integer from 1 to 4, m 2 is 0 or a positive integer, Y is a structural unit represented by represents Cl or F. formula (P3) may be optionally substituted.)
Preferable examples of the monomer having a sulfonic acid group as an ionic group include 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenylsulfone together with the compound represented by the general formula (P3-1), 3, 3′-disulfonate-4,4′-difluorodiphenyl sulfone, 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenyl ketone, 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorodiphenyl ketone, 3 , 3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenylphenylphosphine oxide, 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorodiphenylphenylphosphine oxide, and the like.
プロトン伝導度および耐加水分解性の点からイオン性基としてはスルホン酸基が最も好ましいが、本発明に使用されるイオン性基を有するモノマーは他のイオン性基を有していても構わない。なかでも耐熱メタノール性、燃料クロスオーバー抑制効果の点から3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロジフェニルケトンがより好ましく、重合活性の点から3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロジフェニルケトンが最も好ましい。 In terms of proton conductivity and hydrolysis resistance, a sulfonic acid group is most preferable as an ionic group, but the monomer having an ionic group used in the present invention may have another ionic group. . Among these, 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenyl ketone and 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorodiphenyl ketone are more preferable from the viewpoint of heat resistance methanol resistance and fuel crossover suppression effect. From the viewpoint of polymerization activity, 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorodiphenyl ketone is most preferred.
イオン性基を有するモノマーとして、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロジフェニルケトンを用いて合成した少なくとも保護基およびイオン性基を含有する高分子電解質材料としては、一般式(P6)で表される構成単位をさらに含むものとなり、好ましく用いられる。また、本発明で得られた高分子電解質材料としは、ケトン基の有する高い結晶性の特性に加え、スルホン基よりも耐熱メタノール性に優れる成分となり、燃料として使用されるメタノール水中の高温での寸法安定性や機械強度に優れた材料に有効な成分となるのでさらに好ましく用いられる。これらのスルホン酸基は重合の際には、スルホン酸基が1価カチオン種との塩になっていることが好ましい。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。これら芳香族活性ジハライド化合物は、単独で使用することができるが、複数の芳香族活性ジハライド化合物を併用することも可能である。 At least a protective group synthesized using 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenyl ketone, 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorodiphenyl ketone as a monomer having an ionic group; The polymer electrolyte material containing an ionic group further includes a structural unit represented by the general formula (P6), and is preferably used. In addition, the polymer electrolyte material obtained in the present invention has a high crystallinity characteristic of a ketone group, and a component that is more excellent in heat-resistant methanol than a sulfone group, and is used at a high temperature in methanol water used as a fuel. Since it becomes an effective component for the material excellent in dimensional stability and mechanical strength, it is used more preferably. These sulfonic acid groups are preferably salted with a monovalent cationic species during polymerization. The monovalent cation species may be sodium, potassium, other metal species, various amines, or the like, but is not limited thereto. These aromatic active dihalide compounds can be used alone, but a plurality of aromatic active dihalide compounds can also be used in combination.
本発明で使用する2価フェノール化合物としては、芳香族求核置換反応による芳香族ポリエーテル系重合体の重合に用いることができる各種2価フェノール化合物を使用することができ、特に限定されるものではない。また、これらの芳香族ジヒドロキシ化合物にスルホン酸基が導入されたものをモノマーとして用いることもできる。 As the dihydric phenol compound used in the present invention, various dihydric phenol compounds that can be used for the polymerization of an aromatic polyether polymer by an aromatic nucleophilic substitution reaction can be used, and are particularly limited. is not. Moreover, what introduce | transduced the sulfonic acid group into these aromatic dihydroxy compounds can also be used as a monomer.
また、ハロゲン化芳香族ヒドロキシ化合物として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−(4’−ヒドロキシビフェニル)(4−クロロフェニル)スルホン、4−(4’−ヒドロキシビフェニル)(4−フルオロフェニル)スルホン、4−(4’−ヒドロキシビフェニル)(4−クロロフェニル)ケトン、4−(4’−ヒドロキシビフェニル)(4−フルオロフェニル)ケトン、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。さらに、活性化ジハロゲン化芳香族化合物と芳香族ジヒドロキシ化合物の反応においてこれらのハロゲン化芳香族ヒドロキシ化合物を共に反応させて芳香族ポリエーテル系化合物を合成しても良い。 The halogenated aromatic hydroxy compound is not particularly limited, but 4-hydroxy-4′-chlorobenzophenone, 4-hydroxy-4′-fluorobenzophenone, 4-hydroxy-4′-chlorodiphenyl sulfone, 4-hydroxy-4′-fluorodiphenylsulfone, 4- (4′-hydroxybiphenyl) (4-chlorophenyl) sulfone, 4- (4′-hydroxybiphenyl) (4-fluorophenyl) sulfone, 4- (4′- Examples thereof include hydroxybiphenyl) (4-chlorophenyl) ketone, 4- (4′-hydroxybiphenyl) (4-fluorophenyl) ketone, and the like. These can be used alone or can be used as a mixture of two or more. Further, in the reaction of the activated dihalogenated aromatic compound and the aromatic dihydroxy compound, these halogenated aromatic hydroxy compounds may be reacted together to synthesize an aromatic polyether compound.
本発明で使用する2価フェノール化合物としては、保護基の脱保護後の結晶性および機械特性の観点から、2価フェノール残査として下記一般式(P5)で表される構成単位をさらに含有するものがより好ましい。なお、本発明の明細書において、2価フェノール残査とは対応する2価フェノール化合物が芳香族活性ジハライドと反応した後に残る構成単位を意味する。 The dihydric phenol compound used in the present invention further contains a structural unit represented by the following general formula (P5) as a dihydric phenol residue from the viewpoint of crystallinity after deprotection of the protecting group and mechanical properties. Those are more preferred. In the specification of the present invention, the dihydric phenol residue means a structural unit remaining after the corresponding dihydric phenol compound reacts with the aromatic active dihalide.
(一般式(P4)において、EはOまたはS、Ar5およびAr6は任意の2価のアリーレン基、D1は直接結合、ケトン基、OまたはS、m3は0または正の整数を表す。一般式(P4)で表される構成単位は任意に置換されていてもよい。)
本発明において、D1は直接結合、ケトン基、O、Sから選ばれた少なくとも1種であるが、重合活性および寸法安定性の点で、より好ましくは直接結合、O、S、さらに好ましくは直接結合である。また、m3としては、製造コストの点で0〜3の整数がより好ましく、最も好ましくは0または1である。さらに、EはOまたはSであるが、コスト、耐酸化性の点でOがより好ましい。
(In the general formula (P4), E is O or S, Ar 5 and Ar 6 are any divalent arylene group, D 1 is a direct bond, ketone group, O or S, m 3 is 0 or a positive integer. (The structural unit represented by the general formula (P4) may be optionally substituted.)
In the present invention, D 1 is at least one selected from a direct bond, a ketone group, O, and S, and more preferably a direct bond, O, S, and more preferably in view of polymerization activity and dimensional stability. It is a direct bond. As the m 3, more preferably an integer of 0 to 3 in terms of production cost, and most preferably 0 or 1. Furthermore, E is O or S, but O is more preferable in terms of cost and oxidation resistance.
また、一般式(P1)中のAr5およびAr6は任意の2価のアリーレン基であるが、コストの点で、なかでもフェニレン基、ナフチレン基、アントラセニレン基またはビフェニレン基がより好ましい。これらは任意に置換されていてもよいが、結晶性の点で無置換がさらに好ましい。 In addition, Ar 5 and Ar 6 in the general formula (P1) are arbitrary divalent arylene groups, and among them, a phenylene group, a naphthylene group, an anthracenylene group, or a biphenylene group is more preferable from the viewpoint of cost. These may be optionally substituted, but unsubstituted is more preferred in terms of crystallinity.
具体的には、例えば前記一般式(P4)で表される構成単位を含有する芳香族ポリエーテル系重合体は、2価フェノール化合物として下記一般式(P4−1)で表される化合物を使用し、芳香族ジハライドとの芳香族求核置換反応により合成することが可能である。 Specifically, for example, the aromatic polyether polymer containing the structural unit represented by the general formula (P4) uses a compound represented by the following general formula (P4-1) as a divalent phenol compound. And can be synthesized by an aromatic nucleophilic substitution reaction with an aromatic dihalide.
(一般式(P4−1)において、EはOまたはS、Ar5およびAr6は任意の2価のアリーレン基、D1は直接結合、ケトン基、OまたはS、m3は0または正の整数を表す。一般式(P4−1)で表される構成単位は任意に置換されていてもよい。)
一般式(P4−1)で表される2価フェノール化合物の具体例としては、下記一般式(Y−1)〜(Y−9)で表される2価フェノール化合物が挙げられる。なお、これら2価フェノール化合物のヘテロ原子誘導体である2価チオール化合物も好適な例である。また、本発明の効果に悪影響を及ぼさない範囲で、これらの2価フェノール化合物にスルホン酸基が導入されたものをモノマーとして用いることもできるが、結晶性の点でスルホン酸基は持たない方がより好ましい。
(In General Formula (P4-1), E is O or S, Ar 5 and Ar 6 are any divalent arylene group, D 1 is a direct bond, ketone group, O or S, and m 3 is 0 or positive. Represents an integer. The structural unit represented by formula (P4-1) may be optionally substituted.)
Specific examples of the divalent phenol compound represented by the general formula (P4-1) include divalent phenol compounds represented by the following general formulas (Y-1) to (Y-9). Divalent thiol compounds that are heteroatom derivatives of these divalent phenol compounds are also suitable examples. In addition, these dihydric phenol compounds into which sulfonic acid groups are introduced can be used as monomers within a range that does not adversely affect the effects of the present invention, but those having no sulfonic acid groups in terms of crystallinity. Is more preferable.
なかでも、結晶性を向上できる基、コストという観点から、一般式(Y−1)〜(Y−5)で表される2価フェノール化合物がより好ましく、さらに好ましくは(Y−1)〜(Y−3)で表される2価フェノール化合物である。結晶性の向上により、得られる高分子電解質材料は、機械特性、耐溶剤性、燃料遮断性、長期耐久性等に優れた性能を発揮できるので好ましく使用できる。 Among these, from the viewpoint of the group capable of improving crystallinity and cost, the divalent phenol compounds represented by the general formulas (Y-1) to (Y-5) are more preferable, and (Y-1) to (Y It is a dihydric phenol compound represented by Y-3). Due to the improvement in crystallinity, the obtained polymer electrolyte material can be preferably used because it can exhibit performances excellent in mechanical properties, solvent resistance, fuel cutoff properties, long-term durability, and the like.
(一般式(Y−1)〜(Y−5)で表される2価フェノール化合物は、任意に置換されていてもよいが、イオン性基は含まない。 (The divalent phenol compound represented by the general formulas (Y-1) to (Y-5) may be optionally substituted, but does not contain an ionic group.
(一般式(Y−6)〜(Y−9)で表される2価フェノール化合物は、任意に置換されていてもよいが、nは1以上の整数を表す。)
本発明の高分子電解質材料としては、前記(P4−1)で表される疎水性で結晶性の高い2価フェノール化合物とともに、親水性で結晶性の高い成分を共重合することも好適である。その具体例としては、下記式(Y−10)〜(Y−11)、(Y−13)〜(Y−15)が挙げられる。なかでも、結晶性と寸法安定性の点で、(Y−10)、(Y−14)、(Y−15)で表される2価フェノール化合物がさらに好ましい。
(The divalent phenol compounds represented by the general formulas (Y-6) to (Y-9) may be optionally substituted, but n represents an integer of 1 or more.)
As the polymer electrolyte material of the present invention, it is also preferable to copolymerize a hydrophilic and highly crystalline component together with the hydrophobic and highly crystalline divalent phenol compound represented by (P4-1). . Specific examples thereof include the following formulas (Y-10) to (Y-11), (Y-13) to (Y-15). Of these, divalent phenol compounds represented by (Y-10), (Y-14), and (Y-15) are more preferable in terms of crystallinity and dimensional stability.
また、保護基による成型性付与と脱保護前の成型用可溶性高分子電解質材料としてポリマーのパッキング性のバランスを図る観点から、結晶性が高い成分と併用される結晶性の低い2価フェノール化合物を共重合することも本発明の効果を損なわない範囲で可能である。その具体例としては、(Y−12)、(Y−16)〜(Y−30)で表される2価フェノール化合物が挙げられる。 In addition, from the viewpoint of balancing the packing property of the polymer as a molding soluble polymer electrolyte material before molding and imparting moldability with a protecting group, a divalent phenol compound with low crystallinity used in combination with a component with high crystallinity is used. Copolymerization is also possible as long as the effects of the present invention are not impaired. Specific examples thereof include divalent phenol compounds represented by (Y-12) and (Y-16) to (Y-30).
(一般式(Y−10)〜(Y−19)で表される2価フェノール化合物は、任意に置換されていてもよいが、nおよびmは1以上の整数、Rpは任意の有機基を表す。) (The dihydric phenol compounds represented by the general formulas (Y-10) to (Y-19) may be optionally substituted, but n and m are integers of 1 or more, and Rp is an arbitrary organic group. To express.)
(一般式(Y−20)〜(Y−30)で表される2価フェノール化合物は、任意に置換されていてもよい。)
これらの中でも、かかる保護基を含まない基としては、寸法安定性、製造コストおよび結晶性の観点から、一般式(Y−1)〜(Y−4)から選ばれた少なくとも1種がより好ましく、さらに好ましくは(Y−1)または(Y−2)である。一般式(Y−1)は保護基としてケタール基を使用した場合に、脱保護後のケトン基と同構造を有するために、規則性や結晶性が高く好ましく使用できる。一方、一般式(Y−2)は高い反応性と結晶性を有するために好ましく使用できる。
(The dihydric phenol compounds represented by the general formulas (Y-20) to (Y-30) may be optionally substituted.)
Among these, as the group not containing such a protecting group, at least one selected from general formulas (Y-1) to (Y-4) is more preferable from the viewpoints of dimensional stability, production cost, and crystallinity. More preferably, (Y-1) or (Y-2). When a ketal group is used as a protecting group, the general formula (Y-1) has the same structure as the ketone group after deprotection, and thus can be preferably used because of high regularity and crystallinity. On the other hand, general formula (Y-2) can be preferably used since it has high reactivity and crystallinity.
本発明の高分子電解質材料において、前記一般式(P1)で表される構成単位の含有量は、核磁気共鳴スペクトル(NMR)、熱重量減少測定(TGA)、昇温熱脱離−質量分析法(TPD−MS)による発生ガス分析、熱分解ガスクロマトグラフ、熱分解GC−MS、赤外吸収スペクトル(IR)、元素分析等によって測定することが可能である。 In the polymer electrolyte material of the present invention, the content of the structural unit represented by the general formula (P1) is as follows: nuclear magnetic resonance spectrum (NMR), thermogravimetry (TGA), temperature-programmed thermal desorption-mass spectrometry It can be measured by evolved gas analysis by (TPD-MS), pyrolysis gas chromatograph, pyrolysis GC-MS, infrared absorption spectrum (IR), elemental analysis and the like.
本発明の高分子電解質材料中に含有する保護基の量が多い場合には、溶剤溶解性があるため核磁気共鳴スペクトル(NMR)が保護基の定量に好適である。しかしながら、保護基の量がごく少量で溶剤不溶性である場合には、NMRやIRで正確に定量することは困難な場合がある。そうした場合には、元素分析による窒素原子の定量が好適な定量方法となる。 When the amount of the protective group contained in the polymer electrolyte material of the present invention is large, since it has solvent solubility, nuclear magnetic resonance spectrum (NMR) is suitable for quantification of the protective group. However, when the amount of the protecting group is very small and insoluble in the solvent, it may be difficult to accurately quantify by NMR or IR. In such a case, quantification of nitrogen atoms by elemental analysis is a suitable quantification method.
本発明の成型用可溶性高分子電解質材料としては、前記一般式(P1)で表される構成単位の含有量は特に限定されるものではなく、イオン性基の量や溶解性に応じて便宜選択することが可能である。なかでも、使用するモノマー単位として計算した場合に、5モル%以上、50モル%以下であることがより好ましく、さらに好ましくは15モル%以上、45モル%以下、最も好ましくは20モル%以上、40モル%以下である。5モル%未満である場合には、溶解性が不足する場合があり、50モル%を越える場合には、重合が困難であったり、機械特性や寸法安定性が不足する場合があり、好ましくない。 As the soluble polymer electrolyte material for molding according to the present invention, the content of the structural unit represented by the general formula (P1) is not particularly limited, and is conveniently selected according to the amount and solubility of the ionic group. Is possible. Among them, when calculated as a monomer unit to be used, it is more preferably 5 mol% or more and 50 mol% or less, more preferably 15 mol% or more and 45 mol% or less, most preferably 20 mol% or more, It is 40 mol% or less. If the amount is less than 5 mol%, the solubility may be insufficient. If the amount exceeds 50 mol%, polymerization may be difficult, and mechanical properties and dimensional stability may be insufficient. .
一方、本発明で得られた高分子電解質材料としては、耐溶剤性や機械特性を必要とする場合には、10モル%以下であることがより好ましく、さらに好ましくは5モル%以下、最も好ましくは2モル%以下である。 On the other hand, the polymer electrolyte material obtained in the present invention is preferably 10 mol% or less, more preferably 5 mol% or less, most preferably when solvent resistance and mechanical properties are required. Is 2 mol% or less.
本発明で得られた高分子電解質膜は、特に機械強度、耐熱メタノール性および燃料クロスオーバー抑制効果の点から、保護基の全てが脱保護され、ケトン部位に戻っていることがより好ましい。しかし、耐熱水性、耐熱メタノール性および燃料クロスオーバー抑制効果に悪影響を与えない範囲で保護基で保護したケトン部位が一部残っていても構わない。ここで、保護基で保護したケトン部位の全てが脱保護されているとは、前記分析方法によって保護基で保護したケトン部位の残存量が測定限界以下であることを意味する。 In the polymer electrolyte membrane obtained by the present invention, it is more preferable that all of the protecting groups are deprotected and returned to the ketone moiety, particularly from the viewpoint of mechanical strength, heat-resistant methanol resistance and fuel crossover suppression effect. However, a portion of the ketone moiety protected with a protecting group may remain within a range that does not adversely affect the hot water resistance, hot methanol resistance, and fuel crossover suppression effect. Here, the fact that all of the ketone moiety protected by the protecting group is deprotected means that the residual amount of the ketone moiety protected by the protecting group by the analysis method is below the measurement limit.
本発明によって得られた高分子電解質成型体は、従来の結晶性ポリマーのスルホン化物とは異なる高次構造を有するものである。本発明の製造方法を経ることによって、結晶性を有するポリマーに可溶性を与え、均一で強靱な膜を得ることができる。また、従来は溶剤不溶性で製膜することが困難であった低いスルホン酸基密度領域の組成についても、均一で強靱かつ燃料遮断性や耐溶剤性に優れた高分子電解質膜を得ることができる。 The molded polymer electrolyte obtained by the present invention has a higher-order structure different from a conventional sulfonated crystalline polymer. By passing through the production method of the present invention, the polymer having crystallinity can be made soluble and a uniform and tough film can be obtained. In addition, a polymer electrolyte membrane having a uniform, tough, excellent fuel barrier property and solvent resistance can be obtained with respect to the composition of a low sulfonic acid group density region, which was conventionally insoluble in a solvent and difficult to form a membrane. .
次に、本発明の第2の手段について詳細に説明する。本発明の高分子電解質材料は少なくとも下記一般式(Q1)および(Q2)で表される構成単位を含有する高分子電解質材料であって、一般式(Q1)および(Q2)で表される構成単位を合計50wt%以上含有する芳香族ポリエーテルケトン系共重合体からなることを特徴とするものである。 Next, the second means of the present invention will be described in detail. The polymer electrolyte material of the present invention is a polymer electrolyte material containing at least structural units represented by the following general formulas (Q1) and (Q2), and is represented by the general formulas (Q1) and (Q2) It consists of an aromatic polyether ketone copolymer containing a total of 50 wt% or more units.
(一般式(Q1)および(Q2)において、Ar11〜Ar16は実質的にイオン性基を含まない任意の2価のアリーレン基、A11、B11は任意の2価の有機基、D11は直接結合、OまたはS、EはOまたはS、M1およびM2は水素、金属カチオンまたはアンモニウムカチオン、a1およびa2は1〜4の整数、m11〜m13は0または正の整数を表す。ただし、一般式(Q1)および(Q2)で表される構成単位の含有モル率は0ではない。一般式(Q1)および(Q2)で表される構成単位はイオン性基以外の基で任意に置換されていてもよい。)
本発明の高分子電解質材料は、高いプロトン伝導性に加え、その高い規則性から、ポリマーの分子鎖のパッキングが良好で結晶性あるいは分子間凝集力が高いため、耐熱水性や耐熱メタノール性などの耐溶剤性、引張強伸度、引裂強度や耐疲労性等の機械特性、メタノールや水素などの燃料遮断性に優れるものである。また、スルホン酸基は隣接する電子吸引性のケトン基の影響で電子密度が低いため、高い化学的安定性、すわなち、耐ラジカル性、耐酸化性を有する。
(In the general formulas (Q1) and (Q2), Ar 11 to Ar 16 are any divalent arylene groups substantially free of ionic groups, A 11 and B 11 are any divalent organic groups, D 11 is a direct bond, O or S, E is O or S, M 1 and M 2 are hydrogen, metal cation or ammonium cation, a1 and a2 are integers of 1 to 4, m 11 to m 13 are 0 or positive integers However, the content molar ratio of the structural units represented by the general formulas (Q1) and (Q2) is not 0. The structural units represented by the general formulas (Q1) and (Q2) are other than ionic groups. Optionally substituted with a group.)
Since the polymer electrolyte material of the present invention has high proton conductivity and high regularity, the polymer molecular chain packing is good and the crystallinity or intermolecular cohesion is high. It is excellent in solvent resistance, tensile strength and elongation, mechanical properties such as tear strength and fatigue resistance, and fuel barrier properties such as methanol and hydrogen. In addition, since the sulfonic acid group has a low electron density due to the influence of the adjacent electron-withdrawing ketone group, it has high chemical stability, that is, radical resistance and oxidation resistance.
本発明の高分子電解質材料において、一般式(Q1)および(Q2)で表される構成単位の含有量としては、50wt%以上が必要であり、より好ましくは70wt%以上、さらに好ましくは90wt%以上である。50wt%未満である場合には、結晶性や耐久性が不足する場合があり好ましくない。本発明のケチミン保護基を利用した製造方法であれば、該含有量が100wt%の高分子電解質材料も作製可能である。 In the polymer electrolyte material of the present invention, the content of the structural units represented by the general formulas (Q1) and (Q2) needs to be 50 wt% or more, more preferably 70 wt% or more, and still more preferably 90 wt%. That's it. When it is less than 50 wt%, crystallinity and durability may be insufficient, which is not preferable. If it is a manufacturing method using the ketimine protecting group of this invention, the polymer electrolyte material whose said content is 100 wt% is also producible.
ここで、一般式(Q1)および(Q2)で表される構成単位の含有量とは、異なる構造であっても、一般式(Q1)および(Q2)を満たすものであれば、すべて含めるものとする。 Here, even if it is a structure different from the content of the structural units represented by the general formulas (Q1) and (Q2), it is included as long as it satisfies the general formulas (Q1) and (Q2) And
本発明の高分子電解質材料は、ポリマーの後スルホン化やスルホン酸基を有するモノマーを用いた直接重合などといった従来技術では、作製することが不可能である。なぜならば、これらの構造を有するポリマーは高い結晶性故に、溶剤に不要で重合や成型が困難なためである。また、ポリマーを後スルホン化した場合には、電子密度の高い芳香環にスルホン酸基が導入されるだけでなく、スルホン化位置を制御するのは困難であるため、本発明の高分子電解質材料と同じ構造を有するポリマーを作製することは不可能である。つまり、本発明の高分子電解質材料は、イオン性基と保護基の両方を有する成型用高分子電解質材料を成型した後、脱保護せしめることでしか実現することができないものである。 The polymer electrolyte material of the present invention cannot be produced by conventional techniques such as post-sulphonation of a polymer or direct polymerization using a monomer having a sulfonic acid group. This is because polymers having these structures are highly crystalline and are unnecessary for a solvent and are difficult to polymerize and mold. In addition, when the polymer is post-sulfonated, not only is the sulfonic acid group introduced into the aromatic ring having a high electron density, but it is difficult to control the sulfonation position, so the polymer electrolyte material of the present invention It is impossible to make a polymer with the same structure. That is, the polymer electrolyte material of the present invention can only be realized by molding a molding polymer electrolyte material having both an ionic group and a protecting group and then deprotecting it.
なかでも、成型用高分子電解質材料として、一般式(Q1)中のケトン基を保護することにより、溶解性を付与することが好適であり、これにより一般式(Q1)および(Q2)で表される構成単位のように、ビスフェノール成分に結晶性の高い成分を導入することが可能となる。 Among them, as a polymer electrolyte material for molding, it is preferable to provide solubility by protecting the ketone group in the general formula (Q1), and thus, it is represented by the general formulas (Q1) and (Q2). As a structural unit, a highly crystalline component can be introduced into the bisphenol component.
前記一般式(Q1)および(Q2)で表される構成単位は、さらに任意に置換されていてもよいが、イオン性基その他の置換基を持たないものが結晶性、機械特性、耐久性の点でより好ましい。前記一般式(Q1)および(Q2)において、一般式(Q1)で表される構成単位は結晶性により機械強度、耐溶剤性等を向上させる効果の高い成分、一般式(Q3)で表される構成単位はプロトン伝導性を付与する成分であり、本発明において特に好ましい構成単位である。 The structural units represented by the general formulas (Q1) and (Q2) may be further optionally substituted, but those having no ionic group or other substituent have crystallinity, mechanical properties, and durability. More preferable in terms. In the general formulas (Q1) and (Q2), the structural unit represented by the general formula (Q1) is represented by the general formula (Q3), a component having a high effect of improving mechanical strength, solvent resistance and the like due to crystallinity. The structural unit is a component that imparts proton conductivity, and is a particularly preferred structural unit in the present invention.
従来の結晶性芳香族ポリエーテルケトン系樹脂への高分子反応によるスルホン酸基導入では、より電子密度の低い芳香環、すなわち、Ar15とAr16にスルホン酸基が優先的に導入されるため、一般式(Q2)で表される構成単位であって、Ar15とAr16にスルホン酸基を持たない構成単位を多量に含むことは不可能である。 In the introduction of a sulfonic acid group by a polymer reaction into a conventional crystalline aromatic polyether ketone resin, a sulfonic acid group is preferentially introduced into an aromatic ring having a lower electron density, that is, Ar 15 and Ar 16. In addition, it is impossible to contain a large amount of a structural unit represented by the general formula (Q2) and having no sulfonic acid group in Ar 15 and Ar 16 .
本発明において、一般式(Q1)中のm11としては、製造コストの点で0〜3の整数がより好ましく、最も好ましくは0である。また、一般式(Q1)中のAr11およびAr12として好ましい有機基は、フェニレン基、ナフチレン基、アントラセニレン基またはビフェニレン基である。これらは任意に置換されていてもよいが、無置換がより好ましい。本発明の高分子電解質材料としては、溶解性および原料入手の容易さから、前記一般式(P1)中のAr11およびAr12が共にフェニレン基、かつ、m1が0である構成単位を含有することがより好ましく、最も好ましくはAr11およびAr12が共にp−フェニレン基である。 In the present invention, m 11 in the general formula (Q1) is more preferably an integer of 0 to 3 and most preferably 0 in terms of production cost. In addition, a preferable organic group as Ar 11 and Ar 12 in the general formula (Q1) is a phenylene group, a naphthylene group, an anthracenylene group, or a biphenylene group. These may be optionally substituted, but unsubstituted is more preferred. The polymer electrolyte material of the present invention contains a structural unit in which both Ar 11 and Ar 12 in the general formula (P1) are phenylene groups and m 1 is 0 because of solubility and easy availability of raw materials. More preferably, Ar 11 and Ar 12 are both p-phenylene groups.
また、本発明において、一般式(Q2)中のm12としては、製造コストの点で0〜3の整数がより好ましく、最も好ましくは0である。また、一般式(Q2)中のAr13およびAr14として好ましい有機基は、フェニレン基、ナフチレン基、アントラセニレン基またはビフェニレン基である。これらは任意に置換されていてもよいが、無置換がより好ましい。本発明の高分子電解質材料としては、溶解性および原料入手の容易さから、前記一般式(Q2)中のAr13およびAr14が共にフェニレン基、かつ、m12が0である構成単位を含有することがより好ましく、最も好ましくはAr13およびAr14が共にp−フェニレン基である。 Further, in the present invention, the m 12 in the general formula (Q2), more preferably an integer of 0 to 3 in terms of production cost, and most preferably 0. In addition, a preferable organic group as Ar 13 and Ar 14 in the general formula (Q2) is a phenylene group, a naphthylene group, an anthracenylene group, or a biphenylene group. These may be optionally substituted, but unsubstituted is more preferred. The polymer electrolyte material of the present invention contains a structural unit in which Ar 13 and Ar 14 in the general formula (Q2) are both a phenylene group and m 12 is 0 because of solubility and easy availability of raw materials. More preferably, Ar 13 and Ar 14 are both p-phenylene groups.
本発明において、D11は直接結合、ケトン基、O、Sから選ばれた少なくとも1種であるが、重合活性および寸法安定性の点で、より好ましくは直接結合、O、S、さらに好ましくは直接結合である。また、m13としては、製造コストの点で0〜3の整数がより好ましく、最も好ましくは0または1である。さらに、EはOまたはSであるが、コスト、耐酸化性の点でOがより好ましい。 In the present invention, D 11 is at least one selected from a direct bond, a ketone group, O, and S, and more preferably a direct bond, O, S, and more preferably in view of polymerization activity and dimensional stability. It is a direct bond. As the m 13, more preferably an integer of 0 to 3 in terms of production cost, and most preferably 0 or 1. Furthermore, E is O or S, but O is more preferable in terms of cost and oxidation resistance.
また、一般式(Q1)および(Q2)中のAr15およびAr16は任意の2価のアリーレン基であるが、コストの点で、なかでもフェニレン基、ナフチレン基、アントラセニレン基またはビフェニレン基がより好ましい。これらは任意に置換されていてもよいが、結晶性の点で無置換がさらに好ましい。 Ar 15 and Ar 16 in the general formulas (Q1) and (Q2) are arbitrary divalent arylene groups, but in terms of cost, phenylene group, naphthylene group, anthracenylene group or biphenylene group is more preferable. preferable. These may be optionally substituted, but unsubstituted is more preferred in terms of crystallinity.
前記一般式(Q1)および(Q2)の好ましい例としては、一般式(P1)〜(P4)で表される構成単位で記載した通りである。 Preferred examples of the general formulas (Q1) and (Q2) are as described in the structural units represented by the general formulas (P1) to (P4).
本発明の高分子電解質材料において、一般式(Q2)の含有率としては、一般式(Q1)と(Q2)の含有量の和を基準とした場合に、5モル%以上、95モル%以下であることがより好ましい。さらに、好ましくは20モル%以上、70モル%以下、最も好ましくは、25モル%以上、50モル%以下である。一般式(Q2)の含有率が5モル%未満である場合には、プロトン伝導性が不足するので好ましくない。また、95モル%を越える場合には耐水性が不足するので好ましくない。 In the polymer electrolyte material of the present invention, the content of the general formula (Q2) is 5 mol% or more and 95 mol% or less, based on the sum of the contents of the general formulas (Q1) and (Q2). It is more preferable that Furthermore, it is preferably 20 mol% or more and 70 mol% or less, and most preferably 25 mol% or more and 50 mol% or less. When the content of the general formula (Q2) is less than 5 mol%, proton conductivity is insufficient, which is not preferable. On the other hand, if it exceeds 95 mol%, the water resistance is insufficient.
本発明によって得られる一般式(Q1)とともに(Q2)で表される構成単位を含有する高分子電解質材料としては、一般式(Q1)で表される構成単位が下記一般式(Q3)で示される構成単位であり、かつ、前記一般式(Q2)で表される構成単位が下記一般式(Q4)で示される構成単位であることがさらに好ましい。 As the polymer electrolyte material containing the structural unit represented by (Q2) together with the general formula (Q1) obtained by the present invention, the structural unit represented by the general formula (Q1) is represented by the following general formula (Q3). More preferably, the structural unit represented by the general formula (Q2) is a structural unit represented by the following general formula (Q4).
(一般式(Q3)および(Q4)において、Xは下記一般式(X−1)〜(X−6)から選ばれた少なくとも1種である。一般式(Q4)中、M1およびM2は水素、金属カチオンまたはアンモニウムカチオン、a1およびa2は1〜4の整数を表す。一般式(Q3)および(Q4)で表される構成単位はイオン性基以外の基で任意に置換されていてもよい。) (In general formulas (Q3) and (Q4), X is at least one selected from the following general formulas (X-1) to (X-6). In general formula (Q4), M1 and M2 are hydrogen atoms). , A metal cation or an ammonium cation, a1 and a2 each represent an integer of 1 to 4. The structural units represented by the general formulas (Q3) and (Q4) may be optionally substituted with a group other than an ionic group. .)
(一般式(X−1)〜(X−6)で表される基は、イオン性基以外の基で任意に置換されていてもよい。)
前記一般式(Q3)、(Q4)、(X−1)〜(X−6)で表される構成単位は、さらに任意に置換されていてもよいが、イオン性基その他の置換基を持たないものが結晶性、機械特性、耐久性の点でより好ましい。
(The groups represented by the general formulas (X-1) to (X-6) may be optionally substituted with groups other than ionic groups.)
The structural units represented by the general formulas (Q3), (Q4), and (X-1) to (X-6) may be further optionally substituted, but have an ionic group or other substituent. Those not present are more preferable in terms of crystallinity, mechanical properties and durability.
本発明によって得られる高分子電解質材料としては、主鎖骨格がフェニレン基のパラ位でつながること、ならびにスルホン酸基がモノマー段階で導入され、位置が制御されていることがさらに好ましい。フェニレン基がパラ位であり、スルホン酸基の位置が規則正しいことにより、結晶性が高められ、機械強度や耐溶剤性に優れるという利点がある。 In the polymer electrolyte material obtained by the present invention, it is more preferable that the main chain skeleton is connected at the para position of the phenylene group and that the position is controlled by introducing a sulfonic acid group at the monomer stage. Since the phenylene group is in the para position and the position of the sulfonic acid group is regular, there is an advantage that crystallinity is improved and mechanical strength and solvent resistance are excellent.
なかでも、結晶性、耐久性、寸法安定性、機械特性の点から、特に好ましい具体例として、下記一般式(Q5−1)〜(Q11−2)で表される構成単位を挙げることができる。これらの高分子電解質材料は溶剤に不溶性であることから、従来技術では合成または加工が困難で作製することが出来なかったが、本発明においてはモノマー段階でスルホン酸基と保護基を含有させることでこれら化学構造が厳密に制御された結晶性ポリマーの作製が可能となった。 Among these, structural units represented by the following general formulas (Q5-1) to (Q11-2) can be given as particularly preferred specific examples in terms of crystallinity, durability, dimensional stability, and mechanical properties. . Since these polyelectrolyte materials are insoluble in solvents, they could not be prepared because they were difficult to synthesize or process in the prior art, but in the present invention, a sulfonic acid group and a protecting group are contained at the monomer stage. This makes it possible to produce crystalline polymers whose chemical structures are strictly controlled.
(一般式(Q5−1)〜(Q7−2)において、M9は水素、金属カチオン、アンモニウムカチオンを表し、ナフタレン環はどこでエーテル基と接合しても構わない。) (In the general formula (Q5-1) ~ (Q7-2), M 9 represents a hydrogen, metal cation, an ammonium cation, a naphthalene ring Where may be bonded to the ether group.)
(一般式(Q8−1)〜(Q11−2)において、M9は水素、金属カチオン、アンモニウムカチオンを表す。)
なかでも、耐久性と結晶性の観点から、一般式(Q5−1)〜(Q7−2)で表される構成単位がより好ましく、最も好ましくは一般式(Q5−1)および(Q5−2)で表される構成単位である。
(In the general formula (Q8-1) ~ (Q11-2), M 9 represents hydrogen, a metal cation, an ammonium cation.)
Among these, from the viewpoints of durability and crystallinity, structural units represented by general formulas (Q5-1) to (Q7-2) are more preferable, and most preferable are general formulas (Q5-1) and (Q5-2). ).
なお、本発明の高分子電解質材料の化学構造は、赤外線吸収スペクトルによって、1,030〜1,045cm-1 、1,160〜1,190cm-1のS=O吸収、1,130〜1,250cm-1のC−O−C吸収、1,640〜1,660cm-1のC=O吸収などにより確認でき、これらの組成比は、スルホン酸基の中和滴定や、元素分析により知ることができる。また、核磁気共鳴スペクトル( 1 H−NMR)により、例えば6.8〜8.0ppmの芳香族プロトンのピークから、その構造を確認することができる。また、溶液13C−NMRや固体13C−NMRによって、スルホン酸基の付く位置や並び方を確認することができる。 The chemical structure of the polymer electrolyte material of the present invention has an S = O absorption of 1,030 to 1,045 cm −1 , 1,160 to 1,190 cm −1 , 1,130 to 1 , C-O-C absorption at 250 cm -1, can be confirmed by such C = O absorption of 1,640~1,660Cm -1, these composition ratio, neutralization titration or sulfonic acid groups, knowing by elemental analysis Can do. Moreover, the structure can be confirmed from the peak of an aromatic proton of 6.8 to 8.0 ppm, for example, by nuclear magnetic resonance spectrum ( 1 H-NMR). Further, the position and arrangement of sulfonic acid groups can be confirmed by solution 13 C-NMR and solid 13 C-NMR.
一般式(Q1)〜(Q7)の含有量や並び方については分析が困難な場合が多いものの1 H−NMR、溶液13C−NMRおよび固体13C−NMRを使用し、モデルサンプル等と詳細に比較することにより構造決定することが可能である。 Although it is often difficult to analyze the contents and arrangement of the general formulas (Q1) to (Q7), use 1 H-NMR, solution 13 C-NMR, and solid 13 C-NMR to obtain details such as model samples. The structure can be determined by comparison.
本発明に使用される芳香族ポリエーテル系重合体を得るために行う芳香族求核置換反応による重合は、上記モノマー混合物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,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド、スルホラン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、ヘキサメチルホスホントリアミド等の非プロトン性極性溶媒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。 Polymerization by the aromatic nucleophilic substitution reaction to obtain the aromatic polyether polymer used in the present invention can be obtained by reacting the monomer mixture in the presence of a basic compound. . The polymerization can be carried out in the temperature range of 0 to 350 ° C., but is preferably 50 to 250 ° C. When the temperature is lower than 0 ° C., the reaction does not proceed sufficiently, and when the temperature is higher than 350 ° C., the polymer tends to be decomposed. The reaction can be carried out in the absence of a solvent, but is preferably carried out in a solvent. Solvents that can be used include N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethyl sulfoxide, sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, hexamethylphosphontriamide and the like. However, it is not limited to these, and any solvent that can be used as a stable solvent in the aromatic nucleophilic substitution reaction may be used. These organic solvents may be used alone or as a mixture of two or more.
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。 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。 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.
反応水又は反応中に導入された水を除去するのに用いられる共沸剤は、一般に、重合を実質上妨害せず、水と共蒸留し且つ約25℃〜約250℃の間で沸騰する任意の不活性化合物である。普通の共沸剤には、ベンゼン、トルエン、キシレン、クロルベンゼン、塩化メチレン、ジクロルベンゼン、トリクロルベンゼンなどが含まれる。もちろん、その沸点が用いた双極性溶媒の沸点よりも低いような共沸剤を選定することが有益である。共沸剤が普通用いられるが、高い反応温度、例えば200℃以上の温度が用いられるとき、特に反応混合物に不活性ガスを連続的に散布させるときにはそれは常に必要ではない。一般には、反応は不活性雰囲気下に酸素が存在しない状態で実施するのが望ましい。 Azeotropic agents used to remove reaction water or water introduced during the reaction generally do not substantially interfere with polymerization, co-distill with water and boil between about 25 ° C and about 250 ° C. Any inert compound. Common azeotropic agents include benzene, toluene, xylene, chlorobenzene, methylene chloride, dichlorobenzene, trichlorobenzene and the like. Of course, it is beneficial to select an azeotropic agent whose boiling point is lower than that of the dipolar solvent used. An azeotropic agent is commonly used, but it is not always necessary when high reaction temperatures are used, such as temperatures above 200 ° C., especially when the inert gas is continuously sparged into the reaction mixture. In general, it is desirable to carry out the reaction in an inert atmosphere and in the absence of oxygen.
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重量%となるようにモノマーを仕込むことが好ましい。5重量%よりも少ない場合は、重合度が上がりにくい傾向がある。一方、50重量%よりも多い場合には、反応系の粘性が高くなりすぎ、反応物の後処理が困難になる傾向がある。 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 weight. When the amount is less than 5% by weight, the degree of polymerization tends to be difficult to increase. On the other hand, when the amount is more than 50% by weight, the viscosity of the reaction system becomes too high, and the post-treatment of the reaction product tends to be difficult.
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く、副生する無機塩の溶解度が高い溶媒中に加えることによって、無機塩を除去、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。回収されたポリマーは場合により水やアルコール又は他の溶媒で洗浄され、乾燥される。所望の分子量が得られたならば、ハライドあるいはフェノキシド末端基は場合によっては安定な末端基を形成させるフェノキシドまたはハライド末端封止剤を導入することにより反応させることができる。 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, by adding the reaction solution to a solvent having low polymer solubility and high by-product inorganic salt solubility, the inorganic salt is removed, the polymer is precipitated as a solid, and the polymer is obtained by filtering the precipitate. You can also. The recovered polymer is optionally washed with water, alcohol or other solvent and dried. Once the desired molecular weight is obtained, halide or phenoxide end groups can optionally be reacted by introducing a phenoxide or halide end-capping agent that forms a stable end group.
本発明においては、加工性の観点から製膜段階まで保護基を脱保護させずに導入しておく必要があることから、保護基が安定に存在できる条件を考慮して、重合および精製を行う必要がある。例えば、ケチミン部位を保護基として使用する場合には、酸性下では脱保護反応が進行してしまうため、系を中性あるいはアルカリ性に保つ必要がある。 In the present invention, from the viewpoint of processability, it is necessary to introduce the protective group without deprotecting it until the film-forming stage. Therefore, polymerization and purification are performed in consideration of the conditions under which the protective group can exist stably. There is a need. For example, when a ketimine moiety is used as a protecting group, the deprotection reaction proceeds under acidic conditions, so the system must be kept neutral or alkaline.
本発明において、ケチミン部位で保護したケトン部位の少なくとも一部を脱保護せしめ、ケトン部位とする方法は特に限定されるものではない。前記脱保護反応は、不均一又は均一条件下に水及び酸の存在下において行うことが可能であるが、機械強度や耐溶剤性の観点からは、膜等に成型した後で酸処理する方法がより好ましい。具体的には、成型された膜を塩酸水溶液中に浸漬することにより脱保護することが可能であり、酸の濃度や水溶液の温度については適宜選択することができる。 In the present invention, the method for deprotecting at least a part of the ketone moiety protected by the ketimine moiety to form a ketone moiety is not particularly limited. The deprotection reaction can be performed in the presence of water and acid under non-uniform or uniform conditions, but from the viewpoint of mechanical strength and solvent resistance, a method of acid treatment after molding into a film or the like Is more preferable. Specifically, it is possible to deprotect the molded membrane by immersing it in an aqueous hydrochloric acid solution, and the acid concentration and the aqueous solution temperature can be appropriately selected.
ポリマーに対して必要な酸性水溶液の重量比は、好ましくは1〜100倍であるけれども更に大量の水を使用することもできる。酸触媒は好ましくは存在する水の0.1〜50重量%の濃度において使用する。好適な酸触媒としては塩酸、硝酸、フルオロスルホン酸、硫酸などのような強鉱酸、及びp−トルエンスルホン酸、トリフルオロメタンルスホン酸などのような強有機酸が挙げられる。ポリマーの膜厚等に応じて、酸触媒及び過剰水の量、反応圧力などは適宜選択できる。 The weight ratio of the acidic aqueous solution required for the polymer is preferably 1 to 100 times, but a larger amount of water can be used. The acid catalyst is preferably used at a concentration of 0.1 to 50% by weight of water present. Suitable acid catalysts include strong mineral acids such as hydrochloric acid, nitric acid, fluorosulfonic acid, sulfuric acid, and strong organic acids such as p-toluenesulfonic acid, trifluoromethane sulfonic acid, and the like. Depending on the film thickness of the polymer and the like, the amount of acid catalyst and excess water, reaction pressure, and the like can be selected as appropriate.
例えば、膜厚50μmの膜であれば、6N塩酸水溶液に例示されるような酸性水溶液中に浸漬し、95℃で1〜48時間加熱することにより、容易にほぼ全量を脱保護することが可能である。また、25℃の1N塩酸水溶液に24時間浸漬しても、大部分の保護基を脱保護することは可能である。ただし、脱保護の条件としてはこれらに限定される物ではなく、酸性ガスや有機酸等で脱保護したり、熱処理によって脱保護しても構わない。 For example, if it is a film with a thickness of 50 μm, it can be easily deprotected by immersing it in an acidic aqueous solution as exemplified by a 6N hydrochloric acid aqueous solution and heating at 95 ° C. for 1 to 48 hours. It is. Further, even when immersed in a 1N aqueous hydrochloric acid solution at 25 ° C. for 24 hours, most of the protecting groups can be deprotected. However, the deprotection conditions are not limited to these, and the deprotection may be performed with an acid gas, an organic acid, or the like, or may be deprotected by heat treatment.
このようにして得られる本発明の少なくとも保護基とイオン性基を含有する高分子電解質材料として用いるポリマーの分子量は、ポリスチレン換算重量平均分子量で、0.1万〜500万、好ましくは1万〜50万である。0.1万未満では、成型した膜にクラックが発生するなど機械強度が不十分な場合がある。一方、500万を超えると、溶解性が不充分となり、また溶液粘度が高く、加工性が不良になるなどの問題がある場合がある。なお、本発明で得られる高分子電解質材料は、溶剤不溶性であるため分子量の測定が困難な場合がある。 The molecular weight of the polymer used as the polymer electrolyte material containing at least a protective group and an ionic group of the present invention thus obtained is a polystyrene-equivalent weight average molecular weight of 10,000 to 5,000,000, preferably 10,000 to 500,000. If it is less than 10,000, the mechanical strength may be insufficient, such as cracking in the molded film. On the other hand, if it exceeds 5 million, there may be problems such as insufficient solubility, high solution viscosity, and poor processability. In addition, since the polymer electrolyte material obtained by the present invention is insoluble in a solvent, it may be difficult to measure the molecular weight.
本発明の高分子電解質材料は、広角X線回折(XRD)によって測定される結晶化度が0.5%未満であることがより好ましい。 The polymer electrolyte material of the present invention preferably has a crystallinity of less than 0.5% as measured by wide angle X-ray diffraction (XRD).
本発明で使用する少なくとも保護基およびイオン性基を含有する高分子電解質材料は加工性が必要な成型用可溶性高分子電解質材料としての観点から、非晶性であることがより好ましく、0.5%未満であることが好ましい。結晶化度が0.5%以上である場合には、加工性が不足して均一で強靱な電解質膜が得られない場合があるので好ましくない。また、本発明によって得られた高分子電解質成型体としても、成型用可溶性高分子電解質材料の結晶化度の影響を受けるため、結晶化度は0.5%未満であることがより好ましい。結晶化度が0.5%以上である場合に、靭性が不足して長期耐久性が不足する場合があり、好ましくない。 The polymer electrolyte material containing at least a protective group and an ionic group used in the present invention is more preferably amorphous from the viewpoint of a soluble polymer electrolyte material for molding that requires workability. It is preferable that it is less than%. When the degree of crystallinity is 0.5% or more, workability is insufficient and a uniform and tough electrolyte membrane may not be obtained. Moreover, since the polymer electrolyte molded body obtained by the present invention is also affected by the crystallinity of the soluble polymer electrolyte material for molding, the crystallinity is more preferably less than 0.5%. When the crystallinity is 0.5% or more, the toughness is insufficient and the long-term durability may be insufficient, which is not preferable.
本発明で得られた高分子電解質材料においては、燃料遮断性や高濃度燃料使用による高エネルギー容量化の観点から、耐溶剤性に優れる、すなわち100℃のN−メチルピロリドンに2時間浸漬後の重量減が70重量%以下であることがより好ましい。液体燃料としてはメタノールなどのアルコール類が使用される場合が多いが、本発明において耐溶剤性評価としてはポリマー種に関係なく優れた溶解性を有するN−メチルピロリドンを用いて評価する。さらに好ましくは50重量%以下、最も好ましくは30重量%以下である。重量減が70重量%を越える場合は、燃料遮断性だけでなく、結晶性が不足するために機械強度や長期耐久性が不十分であったり、高温高濃度のメタノール水溶液を燃料として用いるDMFC用に用いた場合には、膜が溶解したり大きく膨潤するので好ましくない。また、高分子電解質膜に直接、触媒ペーストを塗工して膜電極複合体を作製することが困難となり、製造コストが増大するだけでなく、触媒層との界面抵抗が大きくなり、十分な発電特性が得られない場合がある。 The polymer electrolyte material obtained in the present invention is excellent in solvent resistance from the viewpoint of fuel barrier properties and high energy capacity by using a high concentration fuel, that is, after being immersed in N-methylpyrrolidone at 100 ° C. for 2 hours. More preferably, the weight loss is 70% by weight or less. Alcohols such as methanol are often used as the liquid fuel. In the present invention, the solvent resistance is evaluated using N-methylpyrrolidone having excellent solubility regardless of the polymer type. More preferably, it is 50 weight% or less, Most preferably, it is 30 weight% or less. When the weight loss exceeds 70% by weight, not only the fuel barrier property but also the crystallinity is insufficient, resulting in insufficient mechanical strength and long-term durability, or for DMFC using high-temperature and high-concentration methanol aqueous solution as fuel When used in the above, it is not preferable because the film dissolves or swells greatly. In addition, it becomes difficult to apply a catalyst paste directly to the polymer electrolyte membrane to produce a membrane electrode assembly, which not only increases the manufacturing cost but also increases the interfacial resistance with the catalyst layer, resulting in sufficient power generation. Characteristics may not be obtained.
本発明の高分子電解質材料を燃料電池用として使用する際には、通常膜の状態および触媒層のバインダーで使用される。 When the polymer electrolyte material of the present invention is used for a fuel cell, it is usually used in a membrane state and a binder for a catalyst layer.
本発明の少なくとも保護基およびイオン性基を含有する高分子電解質材料を高分子電解質膜に成型する方法に特に制限はないが、ケチミン部位等の保護基を有する段階で、溶液状態より製膜する方法あるいは溶融状態より製膜する方法等が可能である。前者では、たとえば、該高分子電解質材料をN−メチル−2−ピロリドン等の溶媒に溶解し、その溶液をガラス板等の上に流延塗布し、溶媒を除去することにより製膜する方法が例示できる。 There is no particular limitation on the method of molding the polymer electrolyte material containing at least a protecting group and an ionic group into a polymer electrolyte membrane according to the present invention. A method or a method of forming a film from a molten state is possible. In the former, for example, the polymer electrolyte material is dissolved in a solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone, the solution is cast on a glass plate or the like, and the solvent is removed to form a film. It can be illustrated.
製膜に用いる溶媒としては、芳香族ポリエーテル系重合体を溶解し、その後に除去し得るものであればよく、例えば、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド、スルホラン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、ヘキサメチルホスホントリアミド等の非プロトン性極性溶媒、γ−ブチロラクトン、酢酸ブチルなどのエステル系溶媒、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートなどのカーボネート系溶媒、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等のアルキレングリコールモノアルキルエーテル、あるいはイソプロパノールなどのアルコール系溶媒、水およびこれらの混合物が好適に用いられるが、非プロトン性極性溶媒が最も溶解性が高く好ましい。 The solvent used for film formation is not particularly limited as long as it can dissolve the aromatic polyether polymer and then remove it. For example, N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, N-methyl- Aprotic polar solvents such as 2-pyrrolidone, dimethyl sulfoxide, sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, hexamethylphosphontriamide, ester solvents such as γ-butyrolactone, butyl acetate, ethylene carbonate, propylene carbonate Carbonate solvents such as ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, propylene glycol monomethyl ether, propylene glycol monoethyl ether and other alkylene glycol monoalkyl ethers, or isopropanol Alcohol solvents such as Le, water and mixtures thereof is preferably used, is preferred for high highest solubility aprotic polar solvent.
必要な固形分濃度に調製したポリマー溶液を常圧の濾過もしくは加圧濾過などに供し、高分子電解質溶液中に存在する異物を除去することは強靱な膜を得るために好ましい方法である。ここで用いる濾材は特に限定されるものではないが、ガラスフィルターや金属性フィルターが好適である。該濾過で、ポリマー溶液が通過する最小のフィルターの孔径は、1μm以下が好ましい。濾過を行わないと異物の混入を許すこととなり、膜破れが発生したり、耐久性が不十分となるので好ましくない。 It is a preferable method to obtain a tough membrane by subjecting the polymer solution prepared to a required solid content concentration to normal pressure filtration or pressure filtration to remove foreign substances present in the polymer electrolyte solution. The filter medium used here is not particularly limited, but a glass filter or a metallic filter is suitable. In the filtration, the pore size of the minimum filter through which the polymer solution passes is preferably 1 μm or less. If filtration is not carried out, foreign matter is allowed to enter, and film breakage occurs or durability becomes insufficient.
次いで、本発明で得られた高分子電解質膜はイオン性基の少なくとも一部を金属塩の状態で熱処理することが好ましい。用いる高分子電解質材料が重合時に金属塩の状態で重合するものであれば、そのまま製膜、熱処理することが好ましい。金属塩の金属はスルホン酸と塩を形成しうるものであればよいが、価格および環境負荷の点からはLi、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Mo、Wなどが好ましく、これらの中でもLi、Na、K、Ca、Sr、Baがより好ましく、Li、Na、Kがさらに好ましい。この熱処理の温度は好ましくは150〜550℃、さらに好ましくは160〜400℃、特に好ましくは180〜350℃である。熱処理時間は、好ましくは10秒〜12時間、さらに好ましくは30秒〜6時間、特に好ましくは1分〜1時間である。熱処理温度が低すぎると、燃料透過性の抑制効果や弾性率、破断強度が不足する。一方、高すぎると膜材料の劣化を生じやすくなる。熱処理時間が10秒未満であると熱処理の効果が不足する。一方、12時間を超えると膜材料の劣化を生じやすくなる。熱処理により得られた高分子電解質膜は必要に応じて酸性水溶液に浸漬することによりプロトン置換することができる。この方法で成形することによって本発明の高分子電解質膜はプロトン伝導度と燃料遮断性、ならびに機械特性、長期耐久性、耐溶剤性をより良好なバランスで両立することが可能となる。 Next, the polymer electrolyte membrane obtained in the present invention is preferably heat-treated in the state of a metal salt at least part of the ionic groups. If the polymer electrolyte material to be used is polymerized in the form of a metal salt at the time of polymerization, it is preferable to perform film formation and heat treatment as it is. The metal of the metal salt is not limited as long as it can form a salt with sulfonic acid, but Li, Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Mo, W, and the like are preferable. Among these, Li, Na, K, Ca, Sr, and Ba are more preferable, and Li, Na, and K are more preferable. The temperature of this heat treatment is preferably 150 to 550 ° C, more preferably 160 to 400 ° C, and particularly preferably 180 to 350 ° C. The heat treatment time is preferably 10 seconds to 12 hours, more preferably 30 seconds to 6 hours, and particularly preferably 1 minute to 1 hour. If the heat treatment temperature is too low, the fuel permeability suppressing effect, elastic modulus, and breaking strength are insufficient. On the other hand, if it is too high, the film material tends to deteriorate. If the heat treatment time is less than 10 seconds, the heat treatment effect is insufficient. On the other hand, when it exceeds 12 hours, the film material tends to deteriorate. The polymer electrolyte membrane obtained by the heat treatment can be proton-substituted by being immersed in an acidic aqueous solution as necessary. By molding by this method, the polymer electrolyte membrane of the present invention can achieve both a good balance between proton conductivity and fuel barrier properties, mechanical properties, long-term durability, and solvent resistance.
本発明で使用される高分子電解質材料を高分子電解質膜へ転化する方法としては、該芳香族ポリエーテル系重合体から構成される膜を前記手法により作製後、ケチミン部位で保護したケトン部位の少なくとも一部を脱保護せしめ、ケトン部位とするものである。この方法によれば、溶解性に乏しい低スルホン酸基量ポリマーの溶液製膜が可能となり、プロトン伝導性と燃料クロスオーバー抑制効果の両立、優れた耐溶剤性、機械特性、寸法安定性を達成可能となる。 As a method of converting the polymer electrolyte material used in the present invention into a polymer electrolyte membrane, a membrane composed of the aromatic polyether-based polymer is prepared by the above method, and then the ketone moiety protected with a ketimine moiety is used. At least a part is deprotected to form a ketone moiety. This method makes it possible to form a solution of a low sulfonic acid group polymer with poor solubility, achieving both proton conductivity and a fuel crossover suppression effect, excellent solvent resistance, mechanical properties, and dimensional stability. It becomes possible.
本発明において、ケチミン部位で保護したケトン部位の一部または全部を脱保護せしめ、ケトン部位とする方法は特に限定されるものではないが、成型した後で、酸処理する方法が挙げられる。具体的には、成型された膜を塩酸や硫酸水溶液中に浸漬することにより脱保護することが可能であり、酸の濃度や水溶液の温度については成型体への染みこみ安さ等を考慮して適宜選択することができる。例えば、膜厚50μmの膜であれば6N塩酸水溶液に例示されるような酸性水溶液中に浸漬し、95℃で8時間加熱することにより、容易に脱保護することが可能である。ただし、脱保護の条件としてはこれらに限定される物ではなく、酸性ガスや有機酸等で脱保護しても構わない。 In the present invention, a method of deprotecting a ketone moiety protected by a ketimine moiety to form a ketone moiety is not particularly limited, and examples thereof include a method of acid treatment after molding. Specifically, it is possible to deprotect the molded membrane by immersing it in an aqueous hydrochloric acid or sulfuric acid solution. The acid concentration and aqueous solution temperature take into account the ease of soaking into the molded product. It can be selected appropriately. For example, if the film has a thickness of 50 μm, it can be easily deprotected by dipping in an acidic aqueous solution as exemplified by a 6N hydrochloric acid aqueous solution and heating at 95 ° C. for 8 hours. However, the deprotection conditions are not limited to these, and the deprotection may be performed with an acid gas or an organic acid.
本発明によって得られる高分子電解質膜は、さらに必要に応じて放射線照射などの手段によって高分子構造を架橋せしめることもできる。かかる高分子電解質膜を架橋せしめることにより、燃料クロスオーバーおよび燃料に対する膨潤をさらに抑制する効果が期待でき、機械的強度が向上し、より好ましくなる場合がある。かかる放射線照射の種類としては例えば、電子線照射やγ線照射を挙げることができる。 The polymer electrolyte membrane obtained by the present invention can further have a polymer structure crosslinked by means such as radiation irradiation, if necessary. By crosslinking such a polymer electrolyte membrane, an effect of further suppressing fuel crossover and swelling with respect to the fuel can be expected, and the mechanical strength may be improved, which may be more preferable. Examples of such radiation irradiation include electron beam irradiation and γ-ray irradiation.
本発明によって得られる高分子電解質膜の膜厚としては、好ましくは1〜2000μmのものが好適に使用される。実用に耐える膜の強度を得るには1μmより厚い方がより好ましく、膜抵抗の低減つまり発電性能の向上のためには2000μmより薄い方が好ましい。かかる膜厚のさらに好ましい範囲は3〜500μm、特に好ましい範囲は5〜250μmである。かかる膜厚は、溶液濃度あるいは基板上への塗布厚により制御することができる。 The thickness of the polymer electrolyte membrane obtained by the present invention is preferably 1 to 2000 μm. A thickness of more than 1 μm is more preferable for obtaining the strength of a film that can withstand practical use, and a thickness of less than 2000 μm is preferable for reducing film resistance, that is, improving power generation performance. A more preferable range of the film thickness is 3 to 500 μm, and a particularly preferable range is 5 to 250 μm. The film thickness can be controlled by the solution concentration or the coating thickness on the substrate.
また、本発明によって得られる高分子電解質膜には、通常の高分子化合物に使用される結晶化核剤、可塑剤、安定剤、酸化防止剤あるいは離型剤等の添加剤を、本発明の目的に反しない範囲内で添加することができる。また、微多孔膜、不織布、メッシュ等で補強しても良い。 In addition, the polymer electrolyte membrane obtained by the present invention contains additives such as crystallization nucleating agents, plasticizers, stabilizers, antioxidants or mold release agents used in ordinary polymer compounds. It can be added within a range not contrary to the purpose. Moreover, you may reinforce with a microporous film, a nonwoven fabric, a mesh, etc.
また、本発明によって得られる高分子電解質膜には、前述の諸特性に悪影響をおよぼさない範囲内で機械的強度、熱安定性、加工性などの向上を目的に、各種ポリマー、エラストマー、フィラー、微粒子、各種添加剤などを含有させてもよい。 In addition, the polymer electrolyte membrane obtained by the present invention has various polymers, elastomers, and the like for the purpose of improving mechanical strength, thermal stability, workability, etc. within a range that does not adversely affect the above-mentioned various properties. Fillers, fine particles, various additives, and the like may be included.
本発明の高分子電解質膜は、その20℃の条件下、30重量%メタノール水溶液に対する単位面積当たりのメタノール透過量が40μmol・min−1・cm−2以下であることが好ましい。該高分子電解質膜を用いた燃料電池において、燃料濃度が高い領域において高出力および高エネルギー容量が得られるという観点から、高い燃料濃度を保持すべく、燃料透過量が小さいことが望まれるからである。メタノール透過量は、25℃の純水に高分子電解質膜を24時間浸漬した後で測定する。 The polymer electrolyte membrane of the present invention preferably has a methanol permeation amount per unit area of 40 μmol · min −1 · cm −2 or less with respect to a 30 wt% aqueous methanol solution under the condition of 20 ° C. In the fuel cell using the polymer electrolyte membrane, from the viewpoint of obtaining high output and high energy capacity in a region where the fuel concentration is high, it is desired that the fuel permeation amount is small in order to maintain a high fuel concentration. is there. The amount of methanol permeated is measured after the polymer electrolyte membrane is immersed in pure water at 25 ° C. for 24 hours.
かかる観点からは、0μmol・min−1・cm−2が最も好ましいが、プロトン伝導性を確保する観点からは0.01μmol・min−1・cm−2以上が好ましい。 From this viewpoint, 0 μmol · min −1 · cm −2 is most preferable, but from the viewpoint of ensuring proton conductivity, 0.01 μmol · min −1 · cm −2 or more is preferable.
なおかつ、本発明によって得られる高分子電解質膜は、単位面積当たりのプロトン伝導度が1S・cm−2以上であることが好ましく、2S・cm−2以上がより好ましい。プロトン伝導度は、25℃の純水に高分子電解質膜を24時間浸漬した後、25℃、相対湿度50〜80%の雰囲気中に取り出し、できるだけ素早く行う定電位交流インピーダンス法により測定することができる。 In addition, the polymer electrolyte membrane obtained by the present invention preferably has a proton conductivity per unit area of 1 S · cm −2 or more, and more preferably 2 S · cm −2 or more. Proton conductivity can be measured by the constant potential alternating current impedance method, which is performed as quickly as possible after immersing the polymer electrolyte membrane in pure water at 25 ° C. for 24 hours, taking it out in an atmosphere of 25 ° C. and 50% to 80% relative humidity. it can.
単位面積当たりのプロトン伝導度を1S・cm−2以上とすることにより、燃料電池用高分子電解質膜として使用する際に、十分なプロトン伝導性、すなわち十分な電池出力を得ることができる。プロトン伝導度は高い方が好ましいが、高プロトン伝導度の膜はメタノール水などの燃料により溶解や崩壊しやすくなり、また燃料透過量も大きくなる傾向があるので、現実的な上限は50S・cm−2である。 By setting the proton conductivity per unit area to 1 S · cm −2 or more, when used as a polymer electrolyte membrane for a fuel cell, sufficient proton conductivity, that is, sufficient battery output can be obtained. Higher proton conductivity is preferable, but a membrane with high proton conductivity is likely to be dissolved or disintegrated by a fuel such as methanol water, and the fuel permeation amount tends to increase, so a practical upper limit is 50 S · cm. -2 .
本発明によって得られる高分子電解質膜は、上記したような低メタノール透過量と高プロトン伝導度を同時に達成することが、高出力と高エネルギー容量を両立させる上から好ましい。 The polymer electrolyte membrane obtained by the present invention preferably achieves the low methanol permeation amount and the high proton conductivity as described above from the viewpoint of achieving both high output and high energy capacity.
本発明における高分子電解質部品とは、高分子電解質成型体および高分子電解質材料を含有する部品を意味する。本発明において、高分子電解質部品の形状としては、前述の高分子電解質成型体と同様である。 The polymer electrolyte component in the present invention means a component containing a polymer electrolyte molded body and a polymer electrolyte material. In the present invention, the shape of the polymer electrolyte component is the same as that of the aforementioned polymer electrolyte molded body.
本発明において高分子電解質成型体とは、本発明の高分子電解質材料を含有する成型体を意味する。本発明において、具体的な成型体の形状としては、膜類(フィルムおよびフィルム状のものを含む)の他、板状、繊維状、中空糸状、粒子状、塊状、微多孔状、コーティング類、発砲体類など、使用用途によって様々な形態をとりうる。機械特性や耐溶剤性等の各種特性が優れることから、幅広い用途に適応可能である。 In the present invention, the polymer electrolyte molded body means a molded body containing the polymer electrolyte material of the present invention. In the present invention, specific shapes of the molded body include, in addition to membranes (including films and films), plates, fibers, hollow fibers, particles, lumps, microporous, coatings, It can take various forms depending on the intended use, such as foams. Since various properties such as mechanical properties and solvent resistance are excellent, it can be applied to a wide range of applications.
本発明によって得られる高分子電解質材料を燃料電池用として使用する際には、高分子電解質膜および電極触媒層などが好適である。中でも高分子電解質膜に好適に用いられる。燃料電池用として使用する場合、通常、膜の状態で高分子電解質膜や電極触媒層バインダーとして使用されるからである。 When the polymer electrolyte material obtained by the present invention is used for a fuel cell, a polymer electrolyte membrane and an electrode catalyst layer are suitable. Among them, it is preferably used for a polymer electrolyte membrane. This is because when used for a fuel cell, it is usually used as a polymer electrolyte membrane or an electrode catalyst layer binder in a membrane state.
本発明の高分子電解質材料は高分子電解質成型体に好適に用いられる。本発明の高分子電解質成型体とは、本発明の高分子電解質材料を含有する成型体を意味する。本発明において、具体的な成型体の形状としては、膜類(フィルムおよびフィルム状のものを含む)の他、板状、繊維状、中空糸状、粒子状、塊状、微多孔状、コーティング類、発砲体類など、使用用途によって様々な形態をとりうる。機械特性や耐溶剤性等の各種特性の向上が図れることから、幅広い用途に適応可能である。 The polymer electrolyte material of the present invention is suitably used for a polymer electrolyte molded body. The polymer electrolyte molded body of the present invention means a molded body containing the polymer electrolyte material of the present invention. In the present invention, specific shapes of the molded body include, in addition to membranes (including films and films), plates, fibers, hollow fibers, particles, lumps, microporous, coatings, It can take various forms depending on the intended use, such as foams. Since various properties such as mechanical properties and solvent resistance can be improved, it can be applied to a wide range of applications.
本発明によって得られる高分子電解質材料を燃料電池用として使用する際には、高分子電解質膜および電極触媒層などが好適である。中でも高分子電解質膜に好適に用いられる。燃料電池用として使用する場合、通常、膜の状態で高分子電解質膜や電極触媒層バインダーとして使用されるからである。 When the polymer electrolyte material obtained by the present invention is used for a fuel cell, a polymer electrolyte membrane and an electrode catalyst layer are suitable. Among them, it is preferably used for a polymer electrolyte membrane. This is because when used for a fuel cell, it is usually used as a polymer electrolyte membrane or an electrode catalyst layer binder in a membrane state.
本発明の高分子電解質膜は、種々の用途に適用可能である。例えば、体外循環カラム、人工皮膚などの医療用途、ろ過用用途、耐塩素性逆浸透膜などのイオン交換樹脂用途、各種構造材用途、電気化学用途、加湿膜、防曇膜、帯電防止膜、太陽電池用膜、ガスバリアー材料に適用可能である。また、人工筋肉、アクチュエーター材料としても好適である。中でも種々の電気化学用途により好ましく利用できる。電気化学用途としては、例えば、燃料電池、レドックスフロー電池、水電解装置、クロロアルカリ電解装置等が挙げられるが、中でも燃料電池が最も好ましい。
さらに燃料電池のなかでも固体高分子型燃料電池に好適であり、これには水素を燃料とするものとメタノールなどの有機化合物を燃料とするものがあり、炭素数1〜6の有機化合物およびこれらと水の混合物から選ばれた少なくとも1種を燃料とする直接型燃料電池に特に好ましく用いられる。炭素数1〜6の有機化合物としては、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコールなどの炭素数1〜3のアルコール、ジメチルエーテルが好ましく、メタノールが最も好ましく使用される。
The polymer electrolyte membrane of the present invention can be applied to various uses. For example, extracorporeal circulation column, medical use such as artificial skin, filtration use, ion exchange resin use such as chlorine-resistant reverse osmosis membrane, various structural materials use, electrochemical use, humidification membrane, anti-fogging membrane, antistatic membrane, Applicable to solar cell membranes and gas barrier materials. It is also suitable as an artificial muscle and actuator material. Among these, it can be preferably used for various electrochemical applications. Examples of the electrochemical application include a fuel cell, a redox flow battery, a water electrolysis device, a chloroalkali electrolysis device, and the like, among which the fuel cell is most preferable.
Further, among fuel cells, it is suitable for a polymer electrolyte fuel cell, and there are those using hydrogen as a fuel and those using an organic compound such as methanol as a fuel. It is particularly preferably used for a direct fuel cell using at least one selected from a mixture of water and water as fuel. As the organic compound having 1 to 6 carbon atoms, alcohols having 1 to 3 carbon atoms such as methanol, ethanol and isopropyl alcohol, and dimethyl ether are preferable, and methanol is most preferably used.
また、本発明の膜電極複合体とは、本発明の高分子電解質材料を高分子電解質膜や触媒層に含有する膜電極複合体を意味する。さらに、膜電極複合体とは、高分子電解質膜と電極が複合化された部品である。 The membrane electrode composite of the present invention means a membrane electrode composite containing the polymer electrolyte material of the present invention in a polymer electrolyte membrane or a catalyst layer. Furthermore, the membrane electrode composite is a component in which a polymer electrolyte membrane and an electrode are combined.
かかる高分子電解質膜を燃料電池として用いる際の高分子電解質膜と電極の接合法については特に制限はなく、公知の方法(例えば、電気化学,1985, 53, p.269.記載の化学メッキ法、電気化学協会編(J. Electrochem. Soc.)、エレクトロケミカル サイエンス アンド テクノロジー (Electrochemical Science and Technology),1988, 135, 9, p.2209. 記載のガス拡散電極の熱プレス接合法など)を適用することが可能である。 There is no particular limitation on the method of joining the polymer electrolyte membrane and the electrode when using such a polymer electrolyte membrane as a fuel cell, and a known method (for example, a chemical plating method described in Electrochemistry, 1985, 53, p.269. , Applied Electrochemical Society (J. Electrochem. Soc.), Electrochemical Science and Technology, 1988, 135, 9, p.2209. Is possible.
燃料電池のなかでも固体高分子型燃料電池に好適であり、これには水素を燃料とするものとメタノールなどの有機化合物を燃料とするものがあり、炭素数1〜6の有機化合物およびこれらと水の混合物から選ばれた少なくとも1種を燃料とする直接型燃料電池に特に好ましく用いられる。炭素数1〜6の有機化合物としては、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコールなどの炭素数1〜3のアルコール、ジメチルエーテルが好ましく、メタノールが最も好ましく使用される。 Among the fuel cells, it is suitable for a polymer electrolyte fuel cell, and there are those using hydrogen as a fuel and those using an organic compound such as methanol as a fuel. It is particularly preferably used for a direct fuel cell using at least one selected from a mixture of water as fuel. As the organic compound having 1 to 6 carbon atoms, alcohols having 1 to 3 carbon atoms such as methanol, ethanol and isopropyl alcohol, and dimethyl ether are preferable, and methanol is most preferably used.
本発明の膜電極複合体を使用した燃料電池の燃料としては、酸素、水素およびメタン、エタン、プロパン、ブタン、メタノール、イソプロピルアルコール、アセトン、グリセリン、エチレングリコール、ギ酸、酢酸、ジメチルエーテル、ハイドロキノン、シクロヘキサンなどの炭素数1〜6の有機化合物およびこれらと水との混合物等が挙げられ、1種または2種以上の混合物でもよい。特に発電効率や電池全体のシステム簡素化の観点から水素、炭素数1〜6の有機化合物を含む燃料が好適に使用され、発電効率の点でとりわけ好ましいのは水素およびメタノール水溶液である。 Fuels for fuel cells using the membrane electrode assembly of the present invention include oxygen, hydrogen and methane, ethane, propane, butane, methanol, isopropyl alcohol, acetone, glycerin, ethylene glycol, formic acid, acetic acid, dimethyl ether, hydroquinone, cyclohexane Examples thereof include organic compounds having 1 to 6 carbon atoms and mixtures of these with water, and may be one kind or a mixture of two or more kinds. In particular, a fuel containing hydrogen and an organic compound having 1 to 6 carbon atoms is preferably used from the viewpoint of power generation efficiency and simplification of the entire battery system, and hydrogen and aqueous methanol are particularly preferable in terms of power generation efficiency.
メタノール水溶液を用いる場合、メタノールの濃度としては、使用する燃料電池のシステムによって適宜選択されるが、できる限り高濃度のほうが長時間駆動の観点から好ましい。例えば、送液ポンプや送風ファンなど発電に必要な媒体を膜電極複合体に送るシステムや、冷却ファン、燃料希釈システム、生成物回収システムなどの補機を有するアクティブ型燃料電池はメタノールの濃度30〜100%以上の燃料を燃料タンクや燃料カセットにより注入し、0.5〜20%程度に希釈して膜電極複合体に送ることが好ましく、補機が無いパッシブ型の燃料電池はメタノールの濃度が10〜100%の範囲の燃料が好ましい。 In the case of using an aqueous methanol solution, the concentration of methanol is appropriately selected depending on the fuel cell system to be used, but a concentration as high as possible is preferable from the viewpoint of long-time driving. For example, an active fuel cell having a system for sending a medium necessary for power generation, such as a liquid feed pump or a blower fan, to a membrane electrode assembly, or an auxiliary machine such as a cooling fan, a fuel dilution system, or a product recovery system has a methanol concentration of 30. It is preferable to inject ~ 100% or more of fuel with a fuel tank or fuel cassette, dilute it to about 0.5 to 20%, and send it to the membrane electrode assembly. Is preferable in the range of 10 to 100%.
さらに、本発明の高分子電解質材料を使用した固体高分子型燃料電池の用途としては、特に限定されないが、移動体の電力供給源が好ましいものである。特に、携帯電話、パソコン、PDA、テレビ、ラジオ、ミュージックプレーヤー、ゲーム機、ヘッドセット、DVDプレーヤーなどの携帯機器、産業用などの人型、動物型の各種ロボット、コードレス掃除機等の家電、玩具類、電動自転車、自動二輪、自動車、バス、トラックなどの車両や船舶、鉄道などの移動体の電力供給源、据え置き型の発電機など従来の一次電池、二次電池の代替、もしくはこれらとのハイブリット電源として好ましく用いられる。 Furthermore, the application of the polymer electrolyte fuel cell using the polymer electrolyte material of the present invention is not particularly limited, but a power supply source for a moving body is preferable. In particular, mobile devices such as mobile phones, personal computers, PDAs, televisions, radios, music players, game machines, headsets, DVD players, human-type and animal-type robots for industrial use, home appliances such as cordless vacuum cleaners, and toys , Electric bicycles, motorcycles, automobiles, buses, trucks and other vehicles and ships, power supplies for mobiles such as railways, stationary primary generators such as stationary generators, or alternatives to these It is preferably used as a hybrid power source.
以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、各物性の測定条件は次の通りである。また、本実施例中には化学構造式を挿入するが、該化学構造式は読み手の理解を助ける目的で挿入するものであり、ポリマーの重合成分の化学構造、正確な組成、並び方、スルホン酸基の位置、数、分子量などを必ずしも正確に表すわけではなく、これらに限定されるものでない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited to these. In addition, the measurement conditions of each physical property are as follows. Further, a chemical structural formula is inserted in this example, and the chemical structural formula is inserted for the purpose of helping the reader to understand. The chemical structure of the polymerization component of the polymer, the exact composition, the arrangement, the sulfonic acid The position, number, molecular weight, and the like of the group are not necessarily expressed accurately, and are not limited thereto.
(1)スルホン酸基密度
検体となる膜の試料を25℃の純水に24時間浸漬し、40℃で24時間真空乾燥した後、元素分析により測定した。炭素、水素、窒素の分析は全自動元素分析装置varioEL、硫黄の分析はフラスコ燃焼法・酢酸バリウム滴定、フッ素の分析はフラスコ燃焼・イオンクロマトグラフ法で実施した。ポリマーの組成比から単位グラムあたりのスルホン酸基密度(mmol/g)を算出した。
(1) Density of sulfonic acid group A sample of a membrane serving as a specimen was immersed in pure water at 25 ° C. for 24 hours, vacuum-dried at 40 ° C. for 24 hours, and then measured by elemental analysis. Carbon, hydrogen, and nitrogen were analyzed by a fully automatic elemental analyzer varioEL, sulfur was analyzed by a flask combustion method / barium acetate titration, and fluorine was analyzed by a flask combustion / ion chromatograph method. The sulfonic acid group density per unit gram (mmol / g) was calculated from the composition ratio of the polymer.
(2)プロトン伝導度
膜状の試料を25℃の純水に24時間浸漬した後、80℃、相対湿度95%の恒温恒湿槽中に30分保持し、定電位交流インピーダンス法でプロトン伝導度を測定した。
(2) Proton conductivity After immersing the membrane-like sample in pure water at 25 ° C. for 24 hours, the membrane sample is kept in a constant temperature and humidity chamber at 80 ° C. and 95% relative humidity for 30 minutes. The degree was measured.
測定装置としては、Solartron製電気化学測定システム(Solartron 1287 Electrochemical InterfaceおよびSolartron 1255B Frequency Response Analyzer)を使用し、2端子法で定電位インピーダンス測定を行い、プロトン伝導度を求めた。交流振幅は、50mVとした。サンプルは幅10mm、長さ50mmの膜を用いた。測定治具はフェノール樹脂で作製し、測定部分は開放させた。電極として、白金板(厚さ100μm、2枚)を使用した。電極は電極間距離15mm、サンプル膜の表側と裏側に、互いに平行にかつサンプル膜の長手方向に対して直交するように配置した。 As a measuring apparatus, a Solartron electrochemical measurement system (Solartron 1287 Electrochemical Interface and Solartron 1255B Frequency Response Analyzer) was used, and constant potential impedance measurement was performed by a two-terminal method to determine proton conductivity. The AC amplitude was 50 mV. A sample having a width of 10 mm and a length of 50 mm was used. The measurement jig was made of phenol resin, and the measurement part was opened. As an electrode, a platinum plate (thickness: 100 μm, 2 sheets) was used. The electrodes were disposed at a distance of 15 mm between the electrodes, on the front side and the back side of the sample membrane, in parallel with each other and perpendicular to the longitudinal direction of the sample membrane.
(3)重量平均分子量
ポリマーの重量平均分子量をGPCにより測定した。紫外検出器と示差屈折計の一体型装置として東ソー製HLC−8022GPCを、またGPCカラムとして東ソー製TSK gel SuperHM−H(内径6.0mm、長さ15cm)2本を用い、N−メチル−2−ピロリドン溶媒(臭化リチウムを10mmol/L含有するN−メチル−2−ピロリドン溶媒)にて、流量0.2mL/minで測定し、標準ポリスチレン換算により重量平均分子量を求めた。
(3) Weight average molecular weight The weight average molecular weight of the polymer was measured by GPC. Tosoh's HLC-8022GPC is used as an integrated device of an ultraviolet detector and a differential refractometer, and Tosoh's TSK gel SuperHM-H (inner diameter 6.0 mm, length 15 cm) is used as the GPC column. N-methyl-2 -Measured with a pyrrolidone solvent (N-methyl-2-pyrrolidone solvent containing 10 mmol / L of lithium bromide) at a flow rate of 0.2 mL / min, and the weight average molecular weight was determined in terms of standard polystyrene.
(4)寸法変化率測定
電解質膜の寸法安定性(寸法変化率)は80℃の熱水に対する寸法変化率を測定することにより評価した。電解質膜を長さ約5cm、幅約1cmの短冊に切り取り、25℃の水中に24時間浸漬した。該電解質膜を80℃の熱水中に2時間浸漬後、ノギスで長さ(L1)を測長した。さらに、80℃で16時間真空乾燥した後、再度ノギスで長さ(L2)を測長し、寸法変化率(=L1/L2×100、単位%)を求めた。
(4) Measurement of dimensional change rate The dimensional stability (dimensional change rate) of the electrolyte membrane was evaluated by measuring the dimensional change rate against hot water at 80 ° C. The electrolyte membrane was cut into a strip having a length of about 5 cm and a width of about 1 cm, and immersed in water at 25 ° C. for 24 hours. The electrolyte membrane was immersed in hot water at 80 ° C. for 2 hours, and then the length (L1) was measured with a caliper. Further, after vacuum drying at 80 ° C. for 16 hours, the length (L2) was measured again with a caliper, and the dimensional change rate (= L1 / L2 × 100, unit%) was obtained.
(5)膜厚
ミツトヨ製グラナイトコンパレータスタンドBSG−20にセットしたミツトヨ製ID−C112型を用いて測定した。
(5) Film thickness It measured using Mitutoyo ID-C112 type | mold set to Mitutoyo granite comparator stand BSG-20.
(6)核磁気共鳴スペクトル(NMR)
下記の測定条件で、1H−NMRの測定を行い、構造確認を行った。
(6) Nuclear magnetic resonance spectrum (NMR)
Under the following measurement conditions, 1 H-NMR was measured to confirm the structure.
装置 :日本電子社製EX−270
共鳴周波数 :270MHz(1H−NMR)
測定温度 :室温
溶解溶媒 :DMSO−d6、またはCDCl3
内部基準物質:TMS(0ppm)
積算回数 :16回
合成例1
下記一般式(G1)で表される4,4’−ジフルオロ(N−ベンゾヒドロキシリデン アニリン)を合成した。
Apparatus: EX-270 manufactured by JEOL Ltd.
Resonance frequency: 270 MHz ( 1 H-NMR)
Measurement temperature: room temperature Dissolving solvent: DMSO-d6 or CDCl 3
Internal reference material: TMS (0 ppm)
Integration count: 16 times Synthesis example 1
4,4′-difluoro (N-benzohydroxylidene aniline) represented by the following general formula (G1) was synthesized.
4,4’−ジフルオロベンゾフェノン262g(アルドリッチ試薬)、アニリン124g(アルドリッチ試薬)を、モレキュラーシーブ3A、1.8kg存在下、トルエン1.8L中で還流させながら24h反応させた。25℃まで冷却後、濾過によりモレキュラーシーブを除去した。得られた溶液をエバポレーターで濃縮後、氷浴で冷却することで再結晶させた。得られた結晶を濾過後、80℃で真空乾燥させ、再度トルエンで再結晶することにより、4,4’−ジフルオロ(N−ベンゾヒドロキシリデン アニリン)207gを得た。純度は99.8%であった。構造は1H−NMRで確認した。不純物は液体クロマトグラフィーで定量分析を行った。 262 g (Aldrich reagent) of 4,4′-difluorobenzophenone and 124 g of aniline (Aldrich reagent) were reacted for 24 hours while refluxing in 1.8 L of toluene in the presence of 1.8 kg of molecular sieve 3A. After cooling to 25 ° C., the molecular sieve was removed by filtration. The obtained solution was concentrated by an evaporator and then recrystallized by cooling in an ice bath. The obtained crystals were filtered, vacuum dried at 80 ° C., and recrystallized again with toluene to obtain 207 g of 4,4′-difluoro (N-benzohydroxylidene aniline). The purity was 99.8%. The structure was confirmed by 1 H-NMR. Impurities were quantitatively analyzed by liquid chromatography.
合成例2
下記一般式(G2)で表されるジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノンを合成した。
Synthesis example 2
Disodium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorobenzophenone represented by the following general formula (G2) was synthesized.
4,4’−ジフルオロベンゾフェノン109.1g(アルドリッチ試薬)を発煙硫酸(50重量%SO3)150mL(和光純薬試薬)中、100℃で10h反応させた。その後、多量の水中に少しずつ投入し、NaOHで中和した後、食塩200gを加え合成物を沈殿させた。得られた沈殿を濾別し、エタノール水溶液で再結晶し、上記一般式(G2)で示されるジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノンを得た。純度は99.3%であった。構造は1H−NMRで確認した。不純物はキャピラリー電気泳動(有機物)およびイオンクロマトグラフィー(無機物)で定量分析を行った。 109.1 g (Aldrich reagent) of 4,4′-difluorobenzophenone was reacted at 150 ° C. for 10 hours in 150 mL of fuming sulfuric acid (50 wt% SO 3 ) (Wako Pure Chemicals reagent). Thereafter, the mixture was poured little by little into a large amount of water, neutralized with NaOH, and 200 g of sodium chloride was added to precipitate the composite. The resulting precipitate was filtered off and recrystallized with an aqueous ethanol solution to obtain disodium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorobenzophenone represented by the above general formula (G2). The purity was 99.3%. The structure was confirmed by 1 H-NMR. Impurities were quantitatively analyzed by capillary electrophoresis (organic matter) and ion chromatography (inorganic matter).
合成例3
アニリン124g(アルドリッチ試薬)をシクロヘキシルアミン131g(アルドリッチ試薬)に変えた以外は合成例1に記載の方法で、4,4’−ジフルオロ(N−ベンゾヒドロキシリデン シクロヘキシルアミン)を合成した。
Synthesis example 3
4,4′-difluoro (N-benzohydroxylidene cyclohexylamine) was synthesized by the method described in Synthesis Example 1 except that 124 g of aniline (Aldrich reagent) was changed to 131 g of cyclohexylamine (Aldrich reagent).
実施例1
下記一般式(G3)で表されるポリマーを合成した。
Example 1
A polymer represented by the following general formula (G3) was synthesized.
かき混ぜ機、窒素導入管、Dean−Starkトラップを備えた500mL三口フラスコに、炭酸カリウム6.9g、4,4’−ビフェノール(東京化成試薬)7.5g、前記合成例1で得た4,4’−ジフルオロ(N−ベンゾヒドロキシリデン アニリン)7.0g、および前記合成例2で得たジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノン6.8gを入れ、窒素置換後、N−メチルピロリドン(NMP)50mL、トルエン30mL中で180℃で脱水後、昇温してトルエン除去、24℃で12時間重合を行った。多量の水で再沈殿することで精製を行い、上記式(G3)で示される成型用可溶性高分子電解質材料を得た。重量平均分子量は18万であった。 In a 500 mL three-necked flask equipped with a stirrer, a nitrogen introduction tube, and a Dean-Stark trap, 6.9 g of potassium carbonate, 7.5 g of 4,4′-biphenol (Tokyo Kasei Reagent), 4,4 obtained in Synthesis Example 1 above. 7.0 g of '-difluoro (N-benzohydroxylidene aniline) and 6.8 g of disodium 3,3'-disulfonate-4,4'-difluorobenzophenone obtained in Synthesis Example 2 were added. -After dehydration at 180 ° C in 50 mL of methylpyrrolidone (NMP) and 30 mL of toluene, the temperature was raised to remove toluene, and polymerization was carried out at 24 ° C for 12 hours. Purification was performed by reprecipitation with a large amount of water to obtain a soluble polymer electrolyte material for molding represented by the above formula (G3). The weight average molecular weight was 180,000.
得られた式(G3)の成型用可溶性高分子電解質材料を溶解させた25重量%N−メチルピロリドン(NMP)溶液をガラス繊維フィルターを用いて加圧ろ過後、ガラス基板上に流延塗布し、100℃にて4h乾燥後、窒素下300℃まで30分かけて昇温、300℃で10分間熱処理し、膜を得た。ポリマーの溶解性は極めて良好であった。995℃で6N塩酸に24時間浸漬してプロトン置換、脱保護反応した後に、大過剰量の純水に24時間浸漬して充分洗浄し、高分子電解質膜を得た。得られた膜のスルホン酸基密度は1.9mmol/gであった。 The obtained 25 wt% N-methylpyrrolidone (NMP) solution in which the soluble polymer electrolyte material for molding of the formula (G3) was dissolved was subjected to pressure filtration using a glass fiber filter, and then cast onto a glass substrate. After drying at 100 ° C. for 4 hours, the temperature was raised to 300 ° C. over 30 minutes under nitrogen and heat treated at 300 ° C. for 10 minutes to obtain a film. The solubility of the polymer was very good. After immersing in 9N hydrochloric acid for 24 hours at 995 ° C. for proton substitution and deprotection reaction, it was immersed in a large excess amount of pure water for 24 hours and thoroughly washed to obtain a polymer electrolyte membrane. The resulting membrane had a sulfonic acid group density of 1.9 mmol / g.
得られた膜は膜厚31μm、プロトン伝導度は87mS/cmであった。また、寸法変化率は13%であり、伝導度が高く、寸法安定性に優れていた。100℃のNMPに浸漬しても溶解することはなかった。また、折り曲げたり、ねじったり、約2倍に延ばしても破れることはなく、高強度かつ高靭性の膜であった。赤外吸収スペクトル(IR)において1592cm−1のピークが消失しており、イミン基の存在は認められなかった。 The obtained membrane had a thickness of 31 μm and proton conductivity of 87 mS / cm. The dimensional change rate was 13%, the conductivity was high, and the dimensional stability was excellent. Even when immersed in NMP at 100 ° C., it did not dissolve. Moreover, even if it was bent, twisted, or stretched approximately twice, it was not torn and was a high strength and high toughness film. In the infrared absorption spectrum (IR), the peak at 1592 cm −1 disappeared, and the presence of an imine group was not observed.
実施例2
前記合成例1で得た4,4’−ジフルオロ(N−ベンゾヒドロキシリデン アニリン)を8.2g、および前記合成例2で得たジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノンを5.1gに変更した以外は実施例1に記載の方法で、ポリマーの重合、膜の作製を行った。重量平均分子量は24万であった。得られた膜のスルホン酸基密度は1.5mmol/gであった。
Example 2
8.2 g of 4,4′-difluoro (N-benzohydroxylidene aniline) obtained in Synthesis Example 1 and disodium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorobenzophenone obtained in Synthesis Example 2 The polymer was polymerized and the film was prepared by the method described in Example 1 except that was changed to 5.1 g. The weight average molecular weight was 240,000. The resulting membrane had a sulfonic acid group density of 1.5 mmol / g.
得られた膜は膜厚30μm、プロトン伝導度は46S/cmであった。また、寸法変化率は7%であり、寸法安定性に優れていた。100℃のNMPに浸漬しても溶解することはなかった。また、折り曲げたり、ねじったり、約2倍に延ばしても破れることはなく、高強度かつ高靭性の膜であった。赤外吸収スペクトル(IR)において1592cm−1のピークが消失しており、イミン基の存在は認められなかった。 The obtained membrane had a thickness of 30 μm and a proton conductivity of 46 S / cm. Moreover, the dimensional change rate was 7%, and the dimensional stability was excellent. Even when immersed in NMP at 100 ° C., it did not dissolve. Moreover, even if it was bent, twisted, or stretched approximately twice, it was not torn and was a high strength and high toughness film. In the infrared absorption spectrum (IR), the peak at 1592 cm −1 disappeared, and the presence of an imine group was not observed.
実施例3
前記合成例1で得た4,4’−ジフルオロ(N−ベンゾヒドロキシリデン アニリン)を前記合成例3で得た4,4’−ジフルオロ(N−ベンゾヒドロキシリデン シクロヘキシルアミン)7.2gに変更した以外は実施例1に記載の方法で、ポリマーの重合、膜の作製を行った。重量平均分子量は20万であった。得られた膜のスルホン酸基密度は1.9mmol/gであった。
Example 3
The 4,4′-difluoro (N-benzohydroxylidene aniline) obtained in Synthesis Example 1 was changed to 7.2 g of 4,4′-difluoro (N-benzohydroxylidene cyclohexylamine) obtained in Synthesis Example 3. Except for the above, polymerization of the polymer and production of the film were carried out by the methods described in Example 1. The weight average molecular weight was 200,000. The resulting membrane had a sulfonic acid group density of 1.9 mmol / g.
得られた膜は膜厚31μm、プロトン伝導度は91mS/cmであった。また、寸法変化率は14%であり、伝導度が高く、寸法安定性に優れていた。100℃のNMPに浸漬しても溶解することはなかった。また、折り曲げたり、ねじったり、約2倍に延ばしても破れることはなく、高強度かつ高靭性の膜であった。赤外吸収スペクトル(IR)において1592cm−1のピークが消失しており、イミン基の存在は認められなかった。 The obtained membrane had a thickness of 31 μm and a proton conductivity of 91 mS / cm. The dimensional change rate was 14%, the conductivity was high, and the dimensional stability was excellent. Even when immersed in NMP at 100 ° C., it did not dissolve. Moreover, even if it was bent, twisted, or stretched approximately twice, it was not torn and was a high strength and high toughness film. In the infrared absorption spectrum (IR), the peak at 1592 cm −1 disappeared, and the presence of an imine group was not observed.
実施例4
4,4’−ビフェノールをハイドロキノン(東京化成試薬)4.4gに変更した以外は実施例2に記載の方法で、ポリマーの重合、膜の作製を行った。重量平均分子量は21万であった。得られた膜のスルホン酸基密度は1.8mmol/gであった。
Example 4
Polymerization of the polymer and production of the film were carried out by the method described in Example 2, except that 4,4′-biphenol was changed to 4.4 g of hydroquinone (Tokyo Kasei Reagent). The weight average molecular weight was 210,000. The resulting membrane had a sulfonic acid group density of 1.8 mmol / g.
得られた膜は膜厚31μm、プロトン伝導度は85mS/cmであった。また、寸法変化率は7%であり、伝導度が高く、寸法安定性にも優れていた。また、折り曲げたり、ねじったり、約2倍に延ばしても破れることはなく、高強度かつ高靭性の膜であった。赤外吸収スペクトル(IR)において1592cm−1のピークが消失しており、イミン基の存在は認められなかった。 The obtained membrane had a thickness of 31 μm and proton conductivity of 85 mS / cm. The dimensional change rate was 7%, the conductivity was high, and the dimensional stability was excellent. Moreover, even if it was bent, twisted, or stretched approximately twice, it was not torn and was a high strength and high toughness film. In the infrared absorption spectrum (IR), the peak at 1592 cm −1 disappeared, and the presence of an imine group was not observed.
実施例5
4,4’−ビフェノールを1,5−ジヒドロキシナフタレン(東京化成試薬)6.4gに変更した以外は実施例1に記載の方法で、ポリマーの重合、膜の作製を行った。重量平均分子量は24万であった。得られた膜のスルホン酸基密度は2.0mmol/gであった。
Example 5
Polymerization of the polymer and film formation were performed by the method described in Example 1 except that 4,4′-biphenol was changed to 6.4 g of 1,5-dihydroxynaphthalene (Tokyo Kasei Reagent). The weight average molecular weight was 240,000. The resulting membrane had a sulfonic acid group density of 2.0 mmol / g.
得られた膜は膜厚31μm、プロトン伝導度は99mS/cmであった。また、寸法変化率は16%であり、伝導度が高く、寸法安定性にも優れていた。100℃のNMPに浸漬しても溶解することはなかった。また、折り曲げたり、ねじったり、約2倍に延ばしても破れることはなく、高強度かつ高靭性の膜であった。赤外吸収スペクトル(IR)において1592cm−1のピークが消失しており、イミン基の存在は認められなかった。 The obtained membrane had a thickness of 31 μm and proton conductivity of 99 mS / cm. The dimensional change rate was 16%, the conductivity was high, and the dimensional stability was excellent. Even when immersed in NMP at 100 ° C., it did not dissolve. Moreover, even if it was bent, twisted, or stretched approximately twice, it was not torn and was a high strength and high toughness film. In the infrared absorption spectrum (IR), the peak at 1592 cm −1 disappeared, and the presence of an imine group was not observed.
比較例1
市販のナフィオン(登録商標)111膜(デュポン社製)を用い、イオン伝導度、寸法変化率を評価した。ナフィオン(登録商標)111膜は100℃の5%過酸化水素水中にて30分、続いて100℃の5%希硫酸中にて30分浸漬した後、100℃の脱イオン水でよく洗浄した。
Comparative Example 1
A commercially available Nafion (registered trademark) 111 membrane (manufactured by DuPont) was used to evaluate ion conductivity and dimensional change rate. The Nafion (registered trademark) 111 membrane was immersed in 5% hydrogen peroxide water at 100 ° C. for 30 minutes, and subsequently immersed in 5% dilute sulfuric acid at 100 ° C. for 30 minutes, and then thoroughly washed with deionized water at 100 ° C. .
膜厚26μm、プロトン伝導度は80mS/cmであった。また、寸法変化率は22%であり、伝導度が高いが、寸法安定性に劣っていた。折り曲げても破れることはなかったが、ねじったり、ピンセットで掴むと容易に破損してしまい、低強度で膨潤の大きい取り扱いの難しい膜であった。 The film thickness was 26 μm and the proton conductivity was 80 mS / cm. The dimensional change rate was 22% and the conductivity was high, but the dimensional stability was poor. Although it was not torn even when it was bent, it was easily broken when twisted or grasped with tweezers, and it was a low-strength and highly swelled film that was difficult to handle.
比較例2
PEEKのスルホン化
ポリエーテルエーテルケトン(ビクトレックス(登録商標)PEEK(登録商標)(ビクトレックス社製))10gを濃硫酸100mL中、25℃で20時間反応させた。大量の水中に徐々に投入することによりポリエーテルエーテルケトンのスルホン化物を得た。得られたポリマーのスルホン酸基密度は2.1mmol/gであった。
Comparative Example 2
Sulfonation of PEEK 10 g of polyetheretherketone (Victrex (registered trademark) PEEK (registered trademark) (manufactured by Victrex)) was reacted in 100 mL of concentrated sulfuric acid at 25 ° C. for 20 hours. By gradually throwing it into a large amount of water, a sulfonated product of polyetheretherketone was obtained. The resulting polymer had a sulfonic acid group density of 2.1 mmol / g.
得られたスルホン化物を溶解させた25重量%N−メチルピロリドン(NMP)溶液をガラス基板上に流延塗布し、100℃にて4h乾燥し、膜を得た。ポリマーの溶解性は良好であった。大過剰量の純水に24時間浸漬して充分洗浄し、高分子電解質膜を得た。 A 25 wt% N-methylpyrrolidone (NMP) solution in which the obtained sulfonated product was dissolved was cast-coated on a glass substrate and dried at 100 ° C. for 4 hours to obtain a membrane. The solubility of the polymer was good. The polymer electrolyte membrane was obtained by immersing in a large excess of pure water for 24 hours and thoroughly washing.
得られた膜は膜厚31μm、プロトン伝導度は105mS/cmであった。また、80℃熱水中で崩壊してしまうので、寸法変化率は測定不可能であった。伝導度が高いが、寸法安定性、耐水性に劣っていた。100℃のNMPに浸漬すると溶解してしまった。 The obtained membrane had a thickness of 31 μm and a proton conductivity of 105 mS / cm. Moreover, since it collapse | disintegrated in 80 degreeC hot water, the dimensional change rate was impossible to measure. The conductivity was high, but the dimensional stability and water resistance were poor. It was dissolved when immersed in NMP at 100 ° C.
比較例3
PEKをスルホン化した。
Comparative Example 3
PEK was sulfonated.
ポリエーテルケトン樹脂(ビクトレックス社製)10gを発煙硫酸100mL中、100℃で2h反応させた。濃硫酸で希釈後、大量の水中に徐々に投入することによりポリエーテルケトンのスルホン化物SPEK−2を得た。得られたSPEK−2のスルホン酸基密度は1.2mmol/gであった。 10 g of polyetherketone resin (manufactured by Victrex) was reacted in 100 mL of fuming sulfuric acid at 100 ° C. for 2 hours. After diluting with concentrated sulfuric acid, it was gradually poured into a large amount of water to obtain a polyether ketone sulfonated product SPEK-2. The sulfonic acid group density of the obtained SPEK-2 was 1.2 mmol / g.
SPEK−2ポリマーはN−メチルピロリドン(NMP)に溶解させることができず、製膜が困難であった。実施例4のポリマーと組成は類似しているが、溶解性に劣っていた。各種評価を行うことはできなかった。 The SPEK-2 polymer could not be dissolved in N-methylpyrrolidone (NMP), and film formation was difficult. The composition was similar to the polymer of Example 4, but it was poor in solubility. Various evaluations could not be performed.
比較例4
前記合成例1で得た4,4’−ジフルオロ(N−ベンゾヒドロキシリデン アニリン)7.0gを4,4’−ジフルオロベンゾフェノン5.2gに変えた以外は実施例1に記載の方法でポリマーの重合を行った。重合初期段階から、ポリマーが析出し、重合が困難であった。溶剤不溶性のため分子量測定はできなかった。溶解性が不足するので、製膜することはできず、各種測定を行うこともできなかった。
Comparative Example 4
The method of Example 1 was repeated except that 7.0 g of 4,4′-difluoro (N-benzohydroxylidene aniline) obtained in Synthesis Example 1 was changed to 5.2 g of 4,4′-difluorobenzophenone. Polymerization was performed. From the initial stage of polymerization, a polymer was precipitated, and the polymerization was difficult. Molecular weight could not be measured due to solvent insolubility. Since the solubility was insufficient, the film could not be formed and various measurements could not be performed.
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