JP2010092846A - Natural rubber-based electrolyte, and manufacturing method thereof - Google Patents

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毅彦 中島
Masatoshi Matsuda
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Yoshimasa Yamamoto
祥正 山本
Minoru Umeda
実 梅田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a natural rubber-based electrolyte, along with a manufacturing method thereof, which is characterized in that a graft polymer phase containing sulfonated phenyl group coexisting with cyclized natural rubber phase has a continuous structure. <P>SOLUTION: The manufacturing method for the natural rubber-based electrolyte includes a step in which, after a radical active point is introduced into natural rubber particle surfaces using a water-soluble radical initiator, a phenyl group containing vinyl monomer is added for graft copolymerization, a step of allowing the principal chain originated from natural rubber of the obtained graft copolymer to be a cyclized rubber structure, and a step of causing the obtained phenyl group of the graft copolymer to be sulfonated. The obtained natural rubber based electrolyte is a polymer electrolyte which is available by sulfonating a phenyl group of the graft natural rubber which is a natural rubber having been graft-copolymerized with a phenyl group containing vinyl monomer. Here, the principal chain originated from natural rubber has a cyclized rubber structure, and the graft polymer phase containing sulfonated phenyl group coexisting with cyclized rubber phase has a continuous structure. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、天然ゴム由来の高分子電解質及びその製造方法に関する。詳しくは、環化天然ゴム相と共存するスルホン化フェニル基を有するグラフトポリマー相が連続構造をとり、好ましくは環化天然ゴム相とスルホン化フェニル基を有するグラフトポリマー相とが共連続構造をとることを特徴とする天然ゴム系電解質及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a polymer electrolyte derived from natural rubber and a method for producing the same. Specifically, the graft polymer phase having a sulfonated phenyl group coexisting with the cyclized natural rubber phase has a continuous structure, and preferably the cyclized natural rubber phase and the graft polymer phase having a sulfonated phenyl group have a co-continuous structure. The present invention relates to a natural rubber electrolyte and a method for producing the same.

天然ゴムラテックス(コロイド)は水系に天然ゴム粒子が分散した形態であり、この天然ゴム粒子にスチレンなどをグラフト共重合して得られるポリマーを乾燥したものはグラフトしたポリスチレンの量に応じて、天然ゴム粒子がポリスチレンに覆われたナノマトリックスあるいは共連続など多様な構造を示し、飛躍的な特性(弾性率など)向上が期待される。   Natural rubber latex (colloid) is a form in which natural rubber particles are dispersed in an aqueous system, and a dry polymer obtained by graft copolymerization of styrene or the like with natural rubber particles is natural depending on the amount of polystyrene grafted. Rubber particles show various structures such as nano-matrix or co-continuous covered with polystyrene, and dramatic improvement in properties (such as elastic modulus) is expected.

得られたナノマトリックス構造あるいは、共連続構造を固定、保持する技術は未確立であり、天然ゴムの塑性変形限界を超えると構造が不可逆的に破壊されてしまい、ナノオーダーの構造を制御することで得られた機能が損なわれる問題がある。   The technology to fix and hold the obtained nanomatrix structure or co-continuous structure has not been established, and the structure is irreversibly destroyed when the plastic deformation limit of natural rubber is exceeded, and the nano-order structure is controlled. There is a problem that the function obtained in is impaired.

上述のように、天然ゴムラテックスにスチレンおよびメタクリル酸メチルを添加しグラフト共重合させることは公知である。しかしながら、原料の天然ゴムラテックス中に存在する非ゴム成分、および分散質として浮遊している天然ゴム粒子表面に存在する非ゴム成分が副反応を起こすことにより主にホモポリマーが生成し、グラフトポリマーを得ることは困難であった。   As described above, it is known to add styrene and methyl methacrylate to natural rubber latex and to perform graft copolymerization. However, a non-rubber component present in the raw natural rubber latex and a non-rubber component present on the surface of the natural rubber particles floating as a dispersoid cause a side reaction to mainly produce a homopolymer, and the graft polymer. It was difficult to get.

これに対して、天然ゴムラテックスからゴム固形分を回収し、固相およびトルエン溶液中でアニオン重合によりあらかじめ調製しておいたグラフトポリマーを導入することも提案されている。しかしながら、グラフトポリマーの導入率は低く、グラフト効率は低いままであった。   On the other hand, it has also been proposed to recover a rubber solid content from natural rubber latex and introduce a graft polymer prepared in advance by anionic polymerization in a solid phase and a toluene solution. However, the graft polymer introduction rate was low and the grafting efficiency remained low.

また、天然ゴムラテックスから非ゴム成分を取り除き、スチレンをグラフト共重合する試みが行われており、脱蛋白質化した天然ゴムにモノマーをグラフト共重合させる試みが行なわれている。しかしながら、従来公知のグラフト共重合では、依然としてグラフト効率は低く、天然ゴムの優れた性質を保持したままでグラフトポリマーの性質を付与することや、少量成分であるグラフトポリマーにより形成された微細なマトリックス中に、主成分である天然ゴム粒子が分散した特異な相分離構造を有するナノマトリックス分散天然ゴムを得ることはできなかった。   Attempts have also been made to remove non-rubber components from natural rubber latex and graft copolymerize styrene, and to graft copolymerize monomers to deproteinized natural rubber. However, in the conventional graft copolymerization, the graft efficiency is still low, the graft polymer properties are imparted while retaining the excellent properties of natural rubber, and the fine matrix formed by the graft polymer as a minor component. It was not possible to obtain a nanomatrix-dispersed natural rubber having a unique phase separation structure in which natural rubber particles as the main component were dispersed.

そこで、下記特許文献1には、天然ゴムの優れた性質とともにグラフトポリマーの特性をも具備し、コンドーム、手術用手袋やカテーテル等の医療分野や家庭用品等として幅広く使用することを目的として、少量成分であるグラフトポリマーにより形成された微細なマトリックス中に、主成分である天然ゴム粒子が分散した特異な相分離構造を有するナノマトリックス分散天然ゴムが開示されている。具体的には、天然ゴムラテックスを脱蛋白質化した後、水溶性ラジカル開始剤にてゴム粒子表面にラジカル活性点を導入した後、モノマーを添加することにより天然ゴム粒子表面でグラフト共重合を行い、得られた表面グラフト化天然ゴムラテックスを製膜することにより、目的とするナノマトリックス分散天然ゴムを得ている。   Therefore, the following Patent Document 1 has the characteristics of a graft polymer as well as the excellent properties of natural rubber, and is used in a wide range of medical fields such as condoms, surgical gloves and catheters, and household products. A nanomatrix-dispersed natural rubber having a specific phase separation structure in which natural rubber particles as a main component are dispersed in a fine matrix formed by a graft polymer as a component is disclosed. Specifically, after deproteinization of natural rubber latex, radical active sites are introduced to the surface of rubber particles with a water-soluble radical initiator, and then graft copolymerization is performed on the surface of natural rubber particles by adding monomers. The desired surface-grafted natural rubber latex is formed into a film to obtain the desired nanomatrix-dispersed natural rubber.

ところで、化石燃料代替エネルギーとして燃料電池の開発が盛んにおこなわれている。とりわけ、燃料電池を安全に利用するために様々なプロトン伝導性高分子電解質が開発されているが、そのすべてが化石燃料を原料として作られており、ゼロエミッション等の環境に調和した製品開発には至っていない。したがって、天然物由来の高分子を原料としてプロトン伝導性高分子電解質を合成することが大きな課題となっている。   By the way, the development of fuel cells as fossil fuel alternative energy has been actively conducted. In particular, various proton-conducting polymer electrolytes have been developed for the safe use of fuel cells, but all of them are made from fossil fuels and are used for product development in harmony with the environment such as zero emissions. Has not reached. Therefore, it has been a big problem to synthesize proton-conducting polymer electrolytes using polymers derived from natural products as raw materials.

プロトン伝導性高分子電解質を天然物由来の高分子を原料として合成するには、プロトンドナーの極性基を有していることに加え、使用時に発生する水への膨満や高温使用時における水の蒸発による乾燥を抑制すること、およびプロトン伝導のための経路が確保されていることが要求される。しかしながら、これまでに、上述の条件を満足する高分子電解質は合成されていないのが現状である。   In order to synthesize proton-conducting polyelectrolytes using polymers derived from natural products as raw materials, in addition to having polar groups of proton donors, the water that is generated at the time of use and the water at the time of high-temperature use It is required to suppress drying due to evaporation and to secure a path for proton conduction. However, to date, no polymer electrolyte that satisfies the above-mentioned conditions has been synthesized.

現在、盛んに研究されている天然物由来の有機材料としてセルロース、キチン・キトサン、糖鎖、ポリ乳酸およびPHBなどがある。これらを原料としてプロトン伝導性高分子電解質を作る場合、Hを容易に放出する官能基を導入する必要がある。さらに、Hによるダメージが小さく、電池反応時に発生するHOに膨潤し難くすることにより安定性を確保することが望まれる。Hを容易に放出する官能基としては、−SOHが最も良いと思われるが、−SO を安定にする工夫をしなければならない。現在、広く用いられているナフィオンでは−CF−(パーフルオロカーボン材料)により−SOHがHを放出しやすくなっている。これに匹敵する構造としてはフェニル基の共鳴安定化が考えられる。しかしながら、フェニル基をセルロース、キチン・キトサン、糖鎖、ポリ乳酸およびPHBに導入してからスルホン化することは困難である。さらに、セルロース、キチン・キトサン、糖鎖、ポリ乳酸およびPHBはエステル結合又はエーテル結合を含んでいるため、HOに膨潤しやすく、H存在下で加水分解しやすいという欠点がある。 Currently, organic materials derived from natural products that are being actively studied include cellulose, chitin / chitosan, sugar chains, polylactic acid, and PHB. When a proton conductive polymer electrolyte is produced using these as raw materials, it is necessary to introduce a functional group that easily releases H + . Furthermore, it is desired to ensure stability by reducing damage caused by H + and making it difficult to swell in H 2 O generated during battery reaction. As the functional group that easily releases H + , —SO 3 H seems to be the best, but it is necessary to devise measures to stabilize —SO 3 . At present, Nafion, which is widely used, is such that —SO 3 H easily releases H + due to —CF 2 — (perfluorocarbon material). As a comparable structure, resonance stabilization of the phenyl group can be considered. However, it is difficult to sulfonate after introducing a phenyl group into cellulose, chitin / chitosan, sugar chain, polylactic acid and PHB. Furthermore, since cellulose, chitin / chitosan, sugar chain, polylactic acid, and PHB contain an ester bond or an ether bond, they have a drawback that they easily swell in H 2 O and are easily hydrolyzed in the presence of H + .

特開2004−155884号公報JP 2004-155484 A 特開平6−56902号公報JP-A-6-56902 特開2004−99696号公報JP 2004-99696 A 特開2005−281681号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2005-281681

本発明におけるグラフト化天然ゴムのナノマトリックス構造あるいは共連続構造は、非常に新しいコンセプトの構造であり、この特徴的なナノ規則構造を固定化することによりナノ規則構造由来の優れた機能発現を安定化することを第1の目的とするとともに、天然物由来の有機材料から、高いプロトン伝導性と安定性を両立するプロトン伝導性高分子電解質を調製することを第2の目的とする。   The nano-matrix structure or co-continuous structure of grafted natural rubber in the present invention is a structure of a very new concept, and by immobilizing this characteristic nano-order structure, excellent functional expression derived from the nano-order structure is stabilized. The second object is to prepare a proton-conducting polymer electrolyte having both high proton conductivity and stability from an organic material derived from a natural product.

加えて、上記特許文献1で得られたグラフト共重合された天然ゴムは、厳密にはナノマトリックス分散天然ゴムではなく、グラフトポリマー相が微粒子に分離しておりマトリックスを形成していなかった。そのため、所期の、天然ゴムの優れた性質を保持したままでグラフトポリマーの性質を付与することには不十分であった。そこで、本発明は、グラフトポリマー相の連続構造を形成すること、好ましくは、グラフトポリマー相と天然ゴム相を共連続構造とすることにより、天然ゴムの優れた性質を保持したままでグラフトポリマーに所望の機能を付与することを第3の目的とする。   In addition, the graft-copolymerized natural rubber obtained in Patent Document 1 is not strictly a nanomatrix-dispersed natural rubber, and the graft polymer phase is separated into fine particles and does not form a matrix. Therefore, it was insufficient to impart the properties of the graft polymer while maintaining the excellent properties of the natural rubber. Therefore, the present invention forms a continuous structure of the graft polymer phase, preferably by making the graft polymer phase and the natural rubber phase a co-continuous structure, so that the graft polymer can be obtained while maintaining the excellent properties of the natural rubber. A third object is to provide a desired function.

本発明者らは、天然ゴムの高機能化の研究を進める中で、表面グラフト化天然ゴムに特定の処理を施すことによって、上記課題が解決されることを見出し、本発明に到達した。   The present inventors have found that the above-mentioned problems can be solved by subjecting the surface-grafted natural rubber to a specific treatment while advancing the research for enhancing the functionality of natural rubber, and have reached the present invention.

即ち、第1に、天然ゴムにフェニル基含有ビニルモノマーをグラフト共重合したグラフト化天然ゴムのフェニル基をスルホン化した高分子電解質の発明であって、天然ゴム由来の主鎖が環化ゴム構造をとり、環化天然ゴム相と共存するスルホン化フェニル基を有するグラフトポリマー相が連続構造をとることを特徴とする天然ゴム系電解質である。   That is, first, an invention of a polymer electrolyte obtained by sulfonating a phenyl group of a grafted natural rubber obtained by graft-copolymerizing a phenyl group-containing vinyl monomer to a natural rubber, wherein the main chain derived from the natural rubber has a cyclized rubber structure. And a graft polymer phase having a sulfonated phenyl group that coexists with a cyclized natural rubber phase has a continuous structure.

また、第2に、天然ゴムにフェニル基含有ビニルモノマーをグラフト共重合したグラフト化天然ゴムのフェニル基をスルホン化した高分子電解質の発明であって、天然ゴム由来の主鎖が環化ゴム構造をとり、環化天然ゴム相とスルホン化フェニル基を有するグラフトポリマー相とが共連続構造をとることを特徴とする天然ゴム系電解質である。   The second aspect of the invention is a polyelectrolyte in which a phenyl group of a grafted natural rubber obtained by graft copolymerizing a vinyl group-containing vinyl monomer with a natural rubber is sulfonated, and the main chain derived from the natural rubber has a cyclized rubber structure. And a cyclized natural rubber phase and a graft polymer phase having a sulfonated phenyl group have a co-continuous structure.

本発明の天然ゴム系電解質では原料として未処理の天然ゴムラテックスを用いることもできるが、脱蛋白質化処理された天然ゴムが好ましい。   In the natural rubber electrolyte of the present invention, untreated natural rubber latex can be used as a raw material, but deproteinized natural rubber is preferred.

本発明において、天然ゴムに対するスチレンなどのフェニル基含有ビニルモノマーの割合は広い範囲から選択することが出来るが、天然ゴム100重量部に対して50〜300重量部のフェニル基含有ビニルモノマーをグラフト共重合したものが両者の物性を発揮する上で好ましい。   In the present invention, the ratio of the phenyl group-containing vinyl monomer such as styrene to the natural rubber can be selected from a wide range. However, 50 to 300 parts by weight of the phenyl group-containing vinyl monomer is grafted on 100 parts by weight of the natural rubber. A polymerized product is preferable for exhibiting both physical properties.

第3に、本発明は、上記の天然ゴム系電解質の製造法の発明であり、水溶性ラジカル開始剤を用いて天然ゴム粒子表面にラジカル活性点を導入した後、フェニル基含有ビニルモノマーを添加してグラフト共重合を行う工程と、得られたグラフト共重合体の天然ゴム由来の主鎖を環化ゴム構造とする工程と、得られたグラフト共重合体のフェニル基をスルホン化する工程とを含むことを特徴とする。   Third, the present invention is an invention of the above-mentioned method for producing a natural rubber-based electrolyte. After introducing radical active sites on the surface of natural rubber particles using a water-soluble radical initiator, a phenyl group-containing vinyl monomer is added. A step of performing graft copolymerization, a step of forming a main chain derived from natural rubber of the obtained graft copolymer into a cyclized rubber structure, and a step of sulfonating the phenyl group of the obtained graft copolymer; It is characterized by including.

本発明によって製造された天然ゴム系電解質は、天然ゴム由来の主鎖が環化ゴム構造をとり、環化天然ゴム相と共存するスルホン化フェニル基を有するグラフトポリマー相が連続構造をとるか、環化天然ゴム相とスルホン化フェニル基を有するグラフトポリマー相とが共連続構造をとる。   The natural rubber-based electrolyte produced by the present invention has a main chain derived from natural rubber having a cyclized rubber structure, and a graft polymer phase having a sulfonated phenyl group coexisting with the cyclized natural rubber phase has a continuous structure, The cyclized natural rubber phase and the graft polymer phase having a sulfonated phenyl group have a co-continuous structure.

用いる天然ゴムとして脱蛋白質化天然ゴムが好ましいことは上述の通りであり、この場合、天然ゴムラテックスを脱蛋白質化する工程が本発明の製造方法に加わる。   As described above, the deproteinized natural rubber is preferable as the natural rubber to be used. In this case, a step of deproteinizing the natural rubber latex is added to the production method of the present invention.

本発明の天然ゴム系電解質の製造方法において、天然ゴム由来の主鎖を環化ゴム構造とする工程を、ルイス酸を触媒として用いて行うことが好ましい。ルイス酸は特に限定されないが、硫酸、塩化第2スズ、三フッ化ホウ素、4塩化チタン、塩化第2鉄などが好ましく例示される。   In the method for producing a natural rubber electrolyte of the present invention, it is preferable to perform the step of forming a main chain derived from natural rubber into a cyclized rubber structure using a Lewis acid as a catalyst. The Lewis acid is not particularly limited, and preferred examples include sulfuric acid, stannic chloride, boron trifluoride, titanium tetrachloride, and ferric chloride.

本発明の天然ゴム系電解質の製造方法では、天然ゴム由来の主鎖を環化ゴム構造とする工程と、得られたグラフト共重合体のフェニル基をスルホン化する工程とを、別々に行っても良いが、両工程をクロロスルホン酸を用いて同時に行うことが好ましい。この場合、クロロスルホン酸は天然ゴム由来の主鎖を環化ゴム構造とする反応の触媒であるとともに、グラフト共重合体のフェニル基をスルホン化する反応のスルホン化剤を兼ねている。   In the method for producing a natural rubber-based electrolyte of the present invention, a step of forming a main chain derived from natural rubber into a cyclized rubber structure and a step of sulfonating the phenyl group of the obtained graft copolymer are performed separately. However, it is preferable to perform both steps simultaneously using chlorosulfonic acid. In this case, chlorosulfonic acid serves as a catalyst for the reaction in which the main chain derived from natural rubber has a cyclized rubber structure, and also serves as a sulfonating agent for the reaction of sulfonating the phenyl group of the graft copolymer.

本発明で脱蛋白質化天然ゴムは公知の方法で製造されたものが用いられる。この中で、脱蛋白質化天然ゴム粒子の窒素含有率が0.1重量%以下にまで脱蛋白質化された天然ゴムが好ましい。   In the present invention, a deproteinized natural rubber produced by a known method is used. Of these, natural rubber deproteinized to a deproteinized natural rubber particle having a nitrogen content of 0.1% by weight or less is preferred.

脱蛋白質化天然ゴムラテックスの製造方法としては、酵素を用いる方法や尿素系蛋白質変性剤及び界面活性剤を用いる方法が公知であり、どちらも採用できる。この中で、脱蛋白質化のレベルと反応時間の観点から、尿素系蛋白質変性剤及び界面活性剤を用いる方法がより好ましい。具体的には、天然ゴムラテックスに尿素系蛋白質変性剤及び界面活性剤を添加し、攪拌・混合して原料天然ゴムラテックス中の蛋白質を変性させる工程と、前記工程により変性した蛋白質を分離・除去する工程とを含む。   As a method for producing a deproteinized natural rubber latex, a method using an enzyme and a method using a urea-based protein denaturant and a surfactant are known, and both can be adopted. Among these, from the viewpoint of the level of deproteinization and reaction time, a method using a urea-based protein denaturant and a surfactant is more preferable. Specifically, urea protein modifier and surfactant are added to natural rubber latex, and the protein in raw natural rubber latex is denatured by stirring and mixing, and the protein modified by the above steps is separated and removed. Including the step of.

天然ゴムに硫酸、塩化第二スズ、三フッ化ホウ素、四塩化チタン、塩化第2鉄などのルイス酸を作用させると環化ゴムが得られることは古くから知られている。しかし、グラフト化天然ゴムのナノマトリクスあるいは共連続構造は非常に新しいコンセプトの構造であり、この特徴的なナノ規則構造を固定化するために上記環化技術を適用することは全く新規なアイデアである。このことによりナノ規則構造由来の優れた機能発現を安定化することが可能となる。   It has long been known that cyclized rubber can be obtained by reacting a natural rubber with a Lewis acid such as sulfuric acid, stannic chloride, boron trifluoride, titanium tetrachloride, or ferric chloride. However, the nanomatrix or co-continuous structure of grafted natural rubber is a very new concept structure, and applying the above cyclization technique to immobilize this characteristic nano-ordered structure is a completely new idea. is there. This makes it possible to stabilize the excellent function expression derived from the nano-ordered structure.

また、天然ゴムにフェニル基を有するモノマーをグラフト共重合してから、スルホン化することにより、プロトン伝導を担う部分と形状安定を担う部分を共存させる工夫を行う。天然ゴムにフェニル基を有するモノマーをグラフト共重合する場合、組成によってはナノメートルスケールでプロトン伝導を担う部分と形状安定を担う部分を共連続に共存させることができる。このグラフト共重合体をスルホン化すれば、フェニル基にスルホン酸基を導入できるだけでなく、強酸性下で生じるイソプレン単位のカルボカチオンがイソプレン単位の環化を誘発することによりゴムを橋架けするとともに不飽和度を減じることが可能であると思われる。   In addition, by graft-copolymerizing a monomer having a phenyl group to natural rubber and then sulfonating, a means for coexisting a part responsible for proton conduction and a part responsible for shape stability is devised. When graft copolymerizing a monomer having a phenyl group with natural rubber, a portion responsible for proton conduction and a portion responsible for shape stability can coexist in a nanometer scale depending on the composition. If this graft copolymer is sulfonated, not only can sulfonic acid groups be introduced into the phenyl group, but also the carbocation of the isoprene unit generated under strong acidity will bridge the rubber by inducing cyclization of the isoprene unit. It seems possible to reduce the degree of unsaturation.

本発明により、天然物由来の有機材料から、高いプロトン伝導性と安定性を両立するプロトン伝導性高分子電解質を調製することにより、これまでの問題点を克服することができた。   According to the present invention, by preparing a proton conductive polymer electrolyte having both high proton conductivity and stability from an organic material derived from a natural product, the conventional problems could be overcome.

本発明の、天然ゴム由来の主鎖が環化ゴム構造をとり、環化天然ゴム相とスルホン化フェニル基を有するグラフトポリマー相とが共連続構造をとる天然ゴム系電解質の製造プロセスを示す。The production process of the natural rubber electrolyte of the present invention in which the main chain derived from natural rubber has a cyclized rubber structure and the cyclized natural rubber phase and the graft polymer phase having a sulfonated phenyl group have a co-continuous structure. 実施例1のグラフト共重合の手順を示す。The procedure of graft copolymerization of Example 1 is shown. 実施例1のスルホン化の手順を示す。The procedure of sulfonation of Example 1 is shown. 実施例1で得られた、天然ゴム由来の主鎖が環化ゴム構造をとり、環化天然ゴム相とスルホン化フェニル基を有するグラフトポリマー相とが共連続構造をとる天然ゴム系電解質の光学顕微鏡写真を示す。Optical of natural rubber electrolyte obtained in Example 1 in which the main chain derived from natural rubber has a cyclized rubber structure, and the cyclized natural rubber phase and the graft polymer phase having a sulfonated phenyl group have a co-continuous structure. A micrograph is shown. スルホン化する前後の天然ゴム系電解質のTEM写真を示す。The TEM photograph of the natural rubber type electrolyte before and after sulfonation is shown. 本発明の天然ゴム系電解質の構造を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of the natural rubber-type electrolyte of this invention. DPNR−graft−PS、及びスルホン化したDPNR−graft−PSの13C CP/MAS NMRスペクトルを示す。 13 shows 13 C CP / MAS NMR spectra of DPNR-graft-PS and sulfonated DPNR-graft-PS. 実施例2のグラフト共重合の手順を示す。The procedure of graft copolymerization of Example 2 is shown. 実施例2のスルホン化の手順を示す。The sulfonation procedure of Example 2 is shown. DPNR−graft−PSの1H−NMRスペクトルを示す。The 1H-NMR spectrum of DPNR-graft-PS is shown. (a)尿素で脱蛋白質化した天然ゴム(U−DPNR)、(b)ポリスチレングラフト天然ゴム(PS−graft−NR)、(c)0.006molのアセチル硫酸でスルホン化されたポリスチレングラフト天然ゴム(PS−graft−NR)、(d)0.012molのアセチル硫酸でスルホン化されたポリスチレングラフト天然ゴム(PS−graft−NR)、(e)0.018molのアセチル硫酸でスルホン化されたポリスチレングラフト天然ゴム(PS−graft−NR)、(f)0.024molのアセチル硫酸でスルホン化されたポリスチレングラフト天然ゴム(PS−graft−NR)のFT−IRスペクトルを示す。(A) Natural rubber deproteinized with urea (U-DPNR), (b) Polystyrene grafted natural rubber (PS-graft-NR), (c) Polystyrene grafted natural rubber sulfonated with 0.006 mol of acetyl sulfate (PS-graft-NR), (d) Polystyrene graft sulfonated with 0.012 mol acetyl sulfate, natural rubber (PS-graft-NR), (e) Polystyrene graft sulfonated with 0.018 mol acetyl sulfate The FT-IR spectrum of natural rubber (PS-graft-NR), (f) polystyrene grafted natural rubber sulfonated with 0.024 mol of acetyl sulfate (PS-graft-NR) is shown.

本発明でいう共連続構造とは、射出成形品の表面近傍や、延伸フィルムの一部に見られる、特定の配向や方向性を持った層状の構造ではなく、環化天然ゴム相とスルホン化フェニル基を有するグラフトポリマー相とがともに連続相を形成して、互いに入り組みあって存在する構造をさす。また、本発明でいう連続構造とは、環化天然ゴム相と共存するスルホン化フェニル基を有するグラフトポリマー相のみが連続相を形成し、ナノマトリックスとして機能している構造をさす。   The co-continuous structure as referred to in the present invention is not a layered structure having a specific orientation or direction, which is found in the vicinity of the surface of an injection molded product or a part of a stretched film, but a sulfonated natural rubber phase and a sulfonated structure. A structure in which a graft polymer phase having a phenyl group forms a continuous phase together and exists in an intricate manner. The continuous structure as used in the present invention refers to a structure in which only a graft polymer phase having a sulfonated phenyl group coexisting with a cyclized natural rubber phase forms a continuous phase and functions as a nanomatrix.

一般に相溶しない2種類のポリマー成分A、Bからなるポリマーブレンド系では、A及びBの構造やブレンド比に応じて、その相構造は変化し、大別して3種類の相構造(Aが連続相を形成し、Bが分散相を形成する海島構造、逆に、Aが分散相、Bが連続相を形成する逆海島構造、A、Bがともに連続相を形成する共連続構造)をとることが知られている。このうち、共連続構造は、互いに性質の異なるA、Bがともに連続相を形成するため、海島構造や逆海島構造のように、一方の成分のみが連続相となる構造とは異なる物性を示すことが期待される。   In general, in a polymer blend system composed of two types of polymer components A and B that are not compatible, the phase structure changes according to the structure of A and B and the blend ratio, and is roughly divided into three types of phase structures (A is a continuous phase). And B is a sea-island structure in which a dispersed phase is formed, conversely, A is a dispersed phase, B is an inverted sea-island structure in which a continuous phase is formed, and A and B are both co-continuous structures in which a continuous phase is formed). It has been known. Among these, the co-continuous structure has different physical properties from the structure in which only one component becomes a continuous phase, such as the sea-island structure or the reverse sea-island structure, because A and B having different properties form a continuous phase. It is expected.

以下、本発明の天然ゴム系電解質及びその製造方法について、さらに詳細に説明する。
(原料ラテックス)
本発明のナノマトリックス分散天然ゴムを得るための出発原料となる天然ゴムラテックス(コロイド)は、天然のゴムの木から得られたラテックスを意味し、当該ラテックスには新鮮なフィールドラテックスや、市販のアンモニア処理ラテックス等のいずれをも使用することができる。なお、本発明のように、スルホン化フェニル基を有するグラフトポリマー相が連続構造をとり、後述するナノマトリックスチャンネル構造を形成させるためのコロイド材料としては、上記天然ゴムラテックスに限定されず、その他の種々の高分子のコロイドも適用可能である。
Hereinafter, the natural rubber electrolyte of the present invention and the production method thereof will be described in more detail.
(Raw material latex)
The natural rubber latex (colloid) used as a starting material for obtaining the nanomatrix-dispersed natural rubber of the present invention means a latex obtained from a natural rubber tree. The latex includes a fresh field latex or a commercially available latex. Any of ammonia-treated latex and the like can be used. As in the present invention, the colloidal material for forming the nanomatrix channel structure described later is not limited to the above natural rubber latex as the graft polymer phase having a sulfonated phenyl group has a continuous structure, and other types of materials are used. Various polymer colloids are also applicable.

(脱蛋白質化)
これらの天然ゴムラテックスの脱蛋白質化は、公知の方法で行なわれる。例えば、1)ラテックスに蛋白質分解酵素又はバクテリアを添加して蛋白質を分解させる方法(上記特許文献2)や、2)石鹸等の界面活性剤により繰り返し洗浄する方法等、公知の方法により行なうことができる。
(Deproteinization)
These natural rubber latexes are deproteinized by a known method. For example, it may be carried out by a known method such as 1) a method of degrading protein by adding a protease or bacteria to latex (Patent Document 2), and 2) a method of repeatedly washing with a surfactant such as soap. it can.

また、3)本発明者等が先に、上記特許文献3として提案した、天然ゴムラテックスに下記一般式(1)で表される尿素系化合物及びNaClOからなる群から選択された蛋白質変性剤を添加し、ラテックス中の蛋白質を変性除去する方法により行うこともできる。
RNHCONH (1)
(式中、RはH、炭素数1〜5のアルキル基を表す)
3) A protein denaturant selected from the group consisting of a urea compound represented by the following general formula (1) and NaClO in natural rubber latex previously proposed as Patent Document 3 by the present inventors. It can also be performed by a method of adding and denaturing and removing proteins in the latex.
RNHCONH 2 (1)
(Wherein R represents H, an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms)

更に、4)上記特許文献4として提案した、原料天然ゴムラテックスに尿素系蛋白質変性剤及び界面活性剤を添加する工程と、これを流路を移動させながら混合して原料天然ゴムラテックス中の蛋白質を変性させる工程と、次いで変性蛋白質を分離・除去する工程によって製造された、アレルギーを誘発する蛋白質及びペプチドをほとんど含有しない脱蛋白質化天然ゴムラテックスを用いることができる。この天然ゴムラテックスの脱蛋白質化では、天然ゴム粒子の窒素含有率が0.1重量%以下、好ましくは0.05重量%以下にすることが可能である。   4) The step of adding a urea-based protein modifier and a surfactant to the raw material natural rubber latex proposed as Patent Document 4 above, and mixing this while moving the flow path to mix the protein in the raw material natural rubber latex It is possible to use a deproteinized natural rubber latex that is substantially free of allergic proteins and peptides, which is produced by the step of denatured and then the step of separating and removing the denatured protein. In the deproteinization of the natural rubber latex, the nitrogen content of the natural rubber particles can be 0.1% by weight or less, preferably 0.05% by weight or less.

(グラフト化:表面グラフト化天然ゴムの製造)
脱蛋白質化天然ゴム粒子表面にスチレンモノマーなどのフェニル基含有ビニルモノマーをグラフト共重合させるには、フェニル基含有ビニルモノマーを脱蛋白質化天然ゴムラテックスに加え、適当な重合開始剤を加えて反応させることにより行なわれる。
(Grafting: Production of surface-grafted natural rubber)
To graft copolymerize phenyl group-containing vinyl monomers such as styrene monomer on the surface of deproteinized natural rubber particles, add phenyl group-containing vinyl monomer to deproteinized natural rubber latex and add an appropriate polymerization initiator to react. Is done.

グラフト共重合するフェニル基含有ビニルモノマーをラテックスに添加する際には、あらかじめラテックス中に乳化剤を加えておくか、あるいは不飽和結合を有する有機化合物を乳化した後、ラテックスに加える。乳化剤としては、とくに限定されないが、アニオン系又はノニオン系の界面活性剤が好適に使用される。フェニル基含有ビニルモノマーの添加量は、脱蛋白質化天然ゴム100重量部に対して50〜300重量部とすることが好ましい。フェニル基含有ビニルモノマーの添加量がこの範囲を超えるときはホモポリマーの生成が増加してしまいグラフト効率が低下し、逆にこの範囲を下回るときはフェニル基含有ビニルモノマーのグラフト量が少なくなり改質効果が小さくなり、目的とするグラフトポリマー相の連続構造、好ましくは共連続構造をとる天然ゴムを得ることが困難となる。   When the graft-copolymerized phenyl group-containing vinyl monomer is added to the latex, an emulsifier is added to the latex in advance, or an organic compound having an unsaturated bond is emulsified and then added to the latex. The emulsifier is not particularly limited, but an anionic or nonionic surfactant is preferably used. The addition amount of the phenyl group-containing vinyl monomer is preferably 50 to 300 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the deproteinized natural rubber. When the addition amount of the phenyl group-containing vinyl monomer exceeds this range, the formation of homopolymer increases and the grafting efficiency decreases. Conversely, when the addition amount falls below this range, the graft amount of the phenyl group-containing vinyl monomer decreases and the modification is improved. The quality effect becomes small, and it becomes difficult to obtain a natural rubber having a desired continuous structure of the graft polymer phase, preferably a co-continuous structure.

重合開始剤としては、公知のものを広く用いることができる。例えば過酸化ベンゾイル、過酸化水素、クメンハイドロパーオキサイド、tert−ブチルハイドロパーオキサイド、ジ−tert−ブチルパーオキサイド、2,2−アゾビスイソブチロニトリル、過硫酸カリウムなどの過酸化物等があげられ、とくにレドックス系の重合開始剤を使用するのが重合温度を低減させる上で好ましい。かかるレドックス系の重合開始剤において、過酸化物と組み合わされる還元剤としては、例えばテトラエチレンペンタミン、メルカプタン類、酸性亜硫酸ナトリウム、還元性金属イオン、アスコルビン酸などがあげられる。レドックス系の重合性開始剤における好ましい組み合わせ例としては、tert−ブチルハイドロパーオキサイドとテトラエチレンペンタミン、過酸化水素とFe2+塩、KSOとNaHSOなどがある。 A wide variety of known polymerization initiators can be used. For example, peroxides such as benzoyl peroxide, hydrogen peroxide, cumene hydroperoxide, tert-butyl hydroperoxide, di-tert-butyl peroxide, 2,2-azobisisobutyronitrile, potassium persulfate, etc. In particular, it is preferable to use a redox polymerization initiator in order to reduce the polymerization temperature. In the redox polymerization initiator, examples of the reducing agent combined with the peroxide include tetraethylenepentamine, mercaptans, acidic sodium sulfite, reducing metal ions, ascorbic acid and the like. Preferable examples of combinations in the redox type polymerization initiator include tert-butyl hydroperoxide and tetraethylenepentamine, hydrogen peroxide and Fe 2+ salt, K 2 SO 2 O 8 and NaHSO 3 and the like.

重合開始剤の添加量は、フェニル基含有ビニルモノマー100モルに対して0.3〜10モル%、好ましくは0.5〜1モル%である。これらの成分を反応容器に仕込み、30〜80℃で2〜10時間反応を行わせることにより、脱蛋白質化天然ゴム粒子表面にフェニル基含有ビニルモノマーをグラフト共重合したグラフト化天然ゴムが得られる。   The addition amount of a polymerization initiator is 0.3-10 mol% with respect to 100 mol of phenyl group containing vinyl monomers, Preferably it is 0.5-1 mol%. By charging these components into a reaction vessel and reacting at 30 to 80 ° C. for 2 to 10 hours, a grafted natural rubber obtained by graft copolymerizing a phenyl group-containing vinyl monomer on the surface of a deproteinized natural rubber particle is obtained. .

図1に、本発明の、天然ゴム由来の主鎖が環化ゴム構造をとり、環化天然ゴム相と共存するスルホン化フェニル基を有するグラフトポリマー相が連続構造をとるか、あるいは環化天然ゴム相とスルホン化フェニル基を有するグラフトポリマー相とが共連続構造をとる天然ゴム系電解質の製造プロセスを示す。   FIG. 1 shows that the main chain derived from natural rubber of the present invention has a cyclized rubber structure and the graft polymer phase having a sulfonated phenyl group coexisting with the cyclized natural rubber phase has a continuous structure, or cyclized natural. A process for producing a natural rubber electrolyte in which a rubber phase and a graft polymer phase having a sulfonated phenyl group have a co-continuous structure is shown.

図1に示すように、表面グラフト共重合は、天然ゴム粒子のみが分散したラテックスに開始剤を加え、ゴム粒子表面に優先的にラジカルを発生させる。次いで、スチレンモノマーなどのフェニル基含有ビニルモノマーを滴下することで重合反応が粒子表面で起こる。このことから、表面グラフト共重合では、効率よく天然ゴム粒子表面でラジカル共重合が起きていると考えられる。   As shown in FIG. 1, in the surface graft copolymerization, an initiator is added to latex in which only natural rubber particles are dispersed, and radicals are preferentially generated on the surface of the rubber particles. Then, a phenyl group-containing vinyl monomer such as a styrene monomer is dropped to cause a polymerization reaction on the particle surface. From this, in surface graft copolymerization, it is considered that radical copolymerization is efficiently occurring on the surface of natural rubber particles.

次いで、得られたグラフト共重合体の天然ゴム由来の主鎖を環化ゴム構造とする環化反応と、得られたグラフト共重合体のフェニル基をスルホン化するスルホン化反応とを行う。   Next, a cyclization reaction in which the main chain derived from the natural rubber of the obtained graft copolymer has a cyclized rubber structure and a sulfonation reaction in which the phenyl group of the obtained graft copolymer is sulfonated are performed.

得られた天然ゴム系電解質は、天然ゴム由来の主鎖が環化ゴム構造をとり、環化天然ゴム相と共存するスルホン化フェニル基を有するグラフトポリマー相が連続構造をとるか、あるいは環化天然ゴム相とスルホン化フェニル基を有するグラフトポリマー相とが共連続構造をとる。   In the obtained natural rubber-based electrolyte, the main chain derived from natural rubber has a cyclized rubber structure, and the graft polymer phase having a sulfonated phenyl group coexisting with the cyclized natural rubber phase has a continuous structure or cyclized. The natural rubber phase and the graft polymer phase having a sulfonated phenyl group have a co-continuous structure.

本発明では、天然ゴムにフェニル基を有するモノマーをグラフト共重合してからスルホン化することによりスルホン化ポリマーの連続構造、好ましくはスルホン化ポリマーと環化天然ゴムのナノ共連続構造を形成し、水に対する膨潤や高温使用時における水の蒸発を抑制するとともに高いプロトン伝導度を兼ね備えたプロトン伝導性高分子電解質となる。   In the present invention, a sulfonated polymer continuous structure, preferably a sulfonated polymer and a cyclized natural rubber nano cocontinuous structure is formed by graft copolymerization of a monomer having a phenyl group to natural rubber and then sulfonation. The proton conductive polymer electrolyte has high proton conductivity while suppressing water swelling and water evaporation during high temperature use.

つぎに、実施例により本発明のナノマトリックス分散天然ゴム及びその製造方法について、さらに説明するが、以下の具体例は本発明を限定するものではない。   Next, the nanomatrix-dispersed natural rubber of the present invention and the method for producing the same will be further described with reference to examples, but the following specific examples do not limit the present invention.

[天然ゴムの脱蛋白質化]
天然ゴムラテックスとして、市販の高アンモニア天然ゴムラテックス(HA−NR)(DRC:60wt/wt%)を使用した。脱蛋白質化はHA−NRラテックスをDRC30wt/wt%に希釈した後、界面活性剤(SDS)1wt/wt%、尿素0.1wt/wt%を加え、室温でインキュベートすることにより行った。このラテックスを10,000gで遠心分離することにより洗浄し、DRC30wt/wt%及び界面活性剤濃度0.1wt/wt%に調整することにより、尿素脱蛋白質化天然ゴム(以下、DPNRという)ラテックスを得た。
[Deproteinization of natural rubber]
As the natural rubber latex, a commercially available high ammonia natural rubber latex (HA-NR) (DRC: 60 wt / wt%) was used. Deproteinization was performed by diluting HA-NR latex to DRC 30 wt / wt%, adding 1 wt / wt% surfactant (SDS) and 0.1 wt / wt% urea, and incubating at room temperature. This latex was washed by centrifuging at 10,000 g, and adjusted to DRC 30 wt / wt% and surfactant concentration 0.1 wt / wt%, thereby reducing urea deproteinized natural rubber (hereinafter referred to as DPNR) latex. Obtained.

[スチレンの精製]
スチレンは重合禁止剤のカテコールを10%水酸化ナトリウム水溶液で洗浄して除去し、無水硫酸マグネシウムで一昼夜乾燥してから使用した。
[Purification of styrene]
Styrene was removed by washing the polymerization inhibitor catechol with a 10% aqueous sodium hydroxide solution, and dried over anhydrous magnesium sulfate for 24 hours.

[実施例1]
図2に、グラフト共重合の手順を示す。
試料には、尿素を用いて脱蛋白質化を施した脱蛋白質化天然ゴム(DPNR)ラテックスを用いた。DPNRラテックスの乾燥ゴム重量(DRC)を30%に調整してから、1時間窒素置換を行い、0.2mol/kg−rubberのtert−ブチルヒドロパーオキサイド(TBHPO)および0.2mol/kg−rubberのテトラエチレンペンタミン(TEPA)を順次加え、フェニル基を有するモノマーとしてスチレンを5.5mol/kg−rubber加えた。スチレンのグラフト共重合は30℃で2時間行った。
[Example 1]
FIG. 2 shows the procedure of graft copolymerization.
The sample used was deproteinized natural rubber (DPNR) latex that was deproteinized with urea. After adjusting the dry rubber weight (DRC) of DPNR latex to 30%, nitrogen substitution was performed for 1 hour, and 0.2 mol / kg-rubber of tert-butyl hydroperoxide (TBHPO) and 0.2 mol / kg-rubber Of tetraethylenepentamine (TEPA) was added sequentially, and 5.5 mol / kg-rubber of styrene was added as a monomer having a phenyl group. The graft copolymerization of styrene was performed at 30 ° C. for 2 hours.

反応終了後、エバポレータを用いて未反応のスチレンを減圧除去してから、フィルム(DPNR−graft−PS)を製膜した。   After completion of the reaction, unreacted styrene was removed under reduced pressure using an evaporator, and then a film (DPNR-graft-PS) was formed.

図3に、スルホン化の手順を示す。
生成物であるDPNR−graft−PSをアセトン又はクロロホルムに溶解してから0.2〜0.8Nクロロスルホン酸を用いてスルホン化を行った。
FIG. 3 shows the sulfonation procedure.
The product DPNR-graft-PS was dissolved in acetone or chloroform and then sulfonation was performed using 0.2 to 0.8 N chlorosulfonic acid.

図4に、得られた、天然ゴム由来の主鎖が環化ゴム構造をとり、環化天然ゴム相と共存するスルホン化フェニル基を有するグラフトポリマー相が連続構造をとる天然ゴム系電解質のTEM写真を示す。   FIG. 4 shows a TEM of the obtained natural rubber electrolyte in which a main chain derived from natural rubber has a cyclized rubber structure and a graft polymer phase having a sulfonated phenyl group coexisting with the cyclized natural rubber phase has a continuous structure. Show photos.

また、図5に、DPNR−graft−PS(A)と、0.8Nのクロロスルホン酸でスルホン化されたDPNR−graft−PS(B)のTEM写真を示す。明るい部分は天然ゴムであり、暗い部分はポリスチレンである。図5に示すように、スルホン化前の状態(A)ではポリスチレン粒子が互いに結合せず分離しているのに対して、スルホン化した状態(B)ではポリスチレン粒子同士が結合し、一様なマトリックスを形成している。なお、図5(C)は、0.8Nのクロロスルホン酸でスルホン化されたDPNR−graft−PSの3次元TEMイメージであり、イメージ中のボックスのサイズはX:Y:Z=600nm:500nm:100nmである。図5(C)において、暗い部分は天然ゴムであり、明るい部分はポリスチレンである。   FIG. 5 shows TEM photographs of DPNR-graft-PS (A) and DPNR-graft-PS (B) sulfonated with 0.8 N chlorosulfonic acid. The bright part is natural rubber and the dark part is polystyrene. As shown in FIG. 5, in the state (A) before sulfonation, the polystyrene particles are not bonded to each other and separated, whereas in the sulfonated state (B), the polystyrene particles are bonded to each other and uniform. A matrix is formed. FIG. 5C is a three-dimensional TEM image of DPNR-graft-PS sulfonated with 0.8 N chlorosulfonic acid, and the size of the box in the image is X: Y: Z = 600 nm: 500 nm. : 100 nm. In FIG. 5C, the dark part is natural rubber and the bright part is polystyrene.

以上の結果に基づいて、本発明の天然ゴム系電解質の3次元構造を図6に模式的に示す。図6に示すように、本発明の天然ゴム系電解質は、環化天然ゴム相(疎水性ドメイン)と共存するスルホン化フェニル基を有するグラフトポリマー相(親水性ドメイン)が連続構造をとり、膜内をイオン性分子が伝導できるようにグラフトポリマー相からなる多数の「ナノマトリックスチャンネル」が縦横に形成されている。ナノマトリックスチャンネルの幅は、1〜100nm程度である。   Based on the above results, the three-dimensional structure of the natural rubber electrolyte of the present invention is schematically shown in FIG. As shown in FIG. 6, the natural rubber electrolyte of the present invention has a continuous structure in which a graft polymer phase (hydrophilic domain) having a sulfonated phenyl group coexisting with a cyclized natural rubber phase (hydrophobic domain) has a continuous structure. A large number of “nanomatrix channels” made of a graft polymer phase are formed vertically and horizontally so that ionic molecules can conduct inside. The width of the nanomatrix channel is about 1 to 100 nm.

図7に、DPNR−graft−PS(A)と、0.8Nのクロロスルホン酸でスルホン化されたDPNR−graft−PS(B)のNMRスペクトルを示す。スルホン化の後に現れる139.1ppmのシグナル(3)は、スルホン酸基で置換された芳香族炭素と同定された。また、127.3ppm及び145.7ppmのシグナルから、それぞれ130.1(2)ppm及び148.0ppm(4)への低磁場シフトは、フェニル基に結合したスルホン酸基の電子吸引効果によるものと考えられる。   FIG. 7 shows the NMR spectra of DPNR-graft-PS (A) and DPNR-graft-PS (B) sulfonated with 0.8 N chlorosulfonic acid. The 139.1 ppm signal (3) appearing after sulfonation was identified as an aromatic carbon substituted with a sulfonic acid group. The low magnetic field shift from 127.3 ppm and 145.7 ppm signals to 130.1 (2) ppm and 148.0 ppm (4), respectively, is due to the electron withdrawing effect of the sulfonic acid group bonded to the phenyl group. Conceivable.

[プロトン伝導度の測定]
サンプルを1N硫酸水溶液中で1時間煮沸した後、純水中で1時間煮沸し、さらに純水を交換して1時間煮沸することで固体高分子電解質膜の活性化処理とした。活性化処理したサンプルを金電極で挟み、金電極とインピーダンスアナライザー(Solartron SI1260)を配線し、室温、大気圧下で高周波側から低周波側へ周波数スキャンした後、膜厚方向のインピーダンスを求めた。このインピーダンスを基に導電度を下記式により求めた。
σ(導電率)=(膜厚)÷(膜抵抗)
[Measurement of proton conductivity]
The sample was boiled in 1N sulfuric acid aqueous solution for 1 hour, then boiled in pure water for 1 hour, and further, the pure water was exchanged and boiled for 1 hour to obtain a solid polymer electrolyte membrane activation treatment. The activated sample was sandwiched between gold electrodes, the gold electrode and an impedance analyzer (Solartron SI1260) were wired, and the frequency scan was performed from the high frequency side to the low frequency side at room temperature and atmospheric pressure, and then the impedance in the film thickness direction was obtained. . Based on this impedance, the conductivity was determined by the following formula.
σ (conductivity) = (film thickness) ÷ (film resistance)

下記表1に、本発明で得られた天然ゴム系電解質膜のガラス転移点Tg、ゲル含有量、硫黄量、イオン交換能(IEC)、プロトン伝導度、及び水膨潤量を示す。また、参考例1及び2として、スルホン化ポリスチレンと、Nafion(登録商標)117(プロトン伝導性パーフルオロスルホン酸膜)について測定した各特性値も合わせて示す。   Table 1 below shows the glass transition point Tg, gel content, sulfur content, ion exchange capacity (IEC), proton conductivity, and water swell amount of the natural rubber electrolyte membrane obtained in the present invention. In addition, as Reference Examples 1 and 2, characteristic values measured for sulfonated polystyrene and Nafion (registered trademark) 117 (proton conductive perfluorosulfonic acid membrane) are also shown.

Figure 2010092846
Figure 2010092846

表1から明らかなように、スルホン化したDPNR−graft−PSのイオン交換能(IEC)及び水膨潤量は、スルホン酸基の量に依存し、クロロスルホン酸の量の増加とともにイオン交換能及び水膨潤量も増加した。75wt%でのスルホン化したDPNR−graft−PSのIEC値は2.4meq/gであり、スルホン化ポリスチレン、及びNafion(登録商標)117のIEC値よりも高かった。   As is clear from Table 1, the ion exchange capacity (IEC) and the amount of water swelling of the sulfonated DPNR-graft-PS depend on the amount of sulfonic acid groups, and the ion exchange capacity and The amount of water swelling also increased. The IEC value of sulfonated DPNR-graft-PS at 75 wt% was 2.4 meq / g, which was higher than the IEC value of sulfonated polystyrene and Nafion® 117.

プロトン伝導度は、IECと相関する。スルホン化したDPNR−graft−PSのプロトン伝導度は、スルホン酸基の量が増えるに従って向上した。スルホン化したDPNR−graft−PS(75wt%PS/PS)のプロトン伝導度は9.5×10−2S/cmであり、この値はスルホン化ポリスチレンの3倍であり、Nafion(登録商標)117のプロトン伝導度よりも高かった。 Proton conductivity correlates with IEC. The proton conductivity of sulfonated DPNR-graft-PS improved as the amount of sulfonic acid groups increased. The proton conductivity of sulfonated DPNR-graft-PS (75 wt% PS / PS) is 9.5 × 10 −2 S / cm, which is three times that of sulfonated polystyrene, and Nafion® It was higher than 117 proton conductivity.

75wt%硫黄量におけるスルホン化したDPNR−graft−PSは、プロトン伝導度及びIECが高いにも関わらず、水膨潤量は少なく、具体的にはスルホン化ポリスチレンの150分の1程度であり、産業上有利である。この低い水膨潤量は、スルホン化したDPNR−graft−PSの環化天然ゴム相の影響と考えられる。   Despite the high proton conductivity and IEC, sulfonated DPNR-graft-PS at 75 wt% sulfur has a small amount of water swelling, specifically about 1/150 of sulfonated polystyrene. This is advantageous. This low amount of water swelling is considered to be due to the influence of the cyclized natural rubber phase of sulfonated DPNR-graft-PS.

[実施例2]
図8に、グラフト共重合の手順を示す。図9に、スルホン化の手順を示す。
実施例1で示した方法により調製したDPNR−graft−PSを原料とし、アセチル硫酸を用いてスルホン化を行った。
[Example 2]
FIG. 8 shows the procedure of graft copolymerization. FIG. 9 shows the sulfonation procedure.
Using DPNR-graft-PS prepared by the method shown in Example 1 as a raw material, sulfonation was performed using acetyl sulfate.

アセチル硫酸の合成は、クロロホルムを氷浴で十分に冷却し、無水酢酸を加えてから撹拝した。10分間攪拌してから硫酸を滴下することにより、アセチル硫酸を得た。   In the synthesis of acetyl sulfate, chloroform was sufficiently cooled in an ice bath, and acetic anhydride was added, followed by stirring. After stirring for 10 minutes, sulfuric acid was added dropwise to obtain acetyl sulfate.

図10に、DPNR−graft−PSの1H−NMRスペクトルを示す。図11に、(a)尿素で脱蛋白質化した天然ゴム(U−DPNR)、(b)ポリスチレングラフト天然ゴム(PS−graft−NR)、(c)0.006molのアセチル硫酸でスルホン化されたポリスチレングラフト天然ゴム(PS−graft−NR)、(d)0.012molのアセチル硫酸でスルホン化されたポリスチレングラフト天然ゴム(PS−graft−NR)、(e)0.018molのアセチル硫酸でスルホン化されたポリスチレングラフト天然ゴム(PS−graft−NR)、(f)0.024molのアセチル硫酸でスルホン化されたポリスチレングラフト天然ゴム(PS−graft−NR)のFT−IRスペクトルを示す。   FIG. 10 shows a 1H-NMR spectrum of DPNR-graft-PS. In FIG. 11, (a) natural rubber deproteinized with urea (U-DPNR), (b) polystyrene grafted natural rubber (PS-graft-NR), (c) sulfonated with 0.006 mol of acetyl sulfate. Polystyrene grafted natural rubber (PS-graft-NR), (d) Polystyrene grafted natural rubber sulfonated with 0.012 mol acetylsulfuric acid (PS-graft-NR), (e) Sulfonated with 0.018 mol acetylsulfuric acid The FT-IR spectrum of polystyrene grafted natural rubber (PS-graft-NR), (f) polystyrene grafted natural rubber sulfonated with 0.024 mol of acetyl sulfate (PS-graft-NR) is shown.

本発明の天然ゴム電解質は、天然ゴムにフェニル基を有するモノマーをグラフト共重合してからスルホン化することにより、スルホン化ポリマーの連続構造、好ましくはスルホン化ポリマーと環化天然ゴムのナノ共連続構造を形成し、水に対する膨潤や高温使用時における水の蒸発を抑制するとともに高いプロトン伝導度を兼ね備えたプロトン伝導性高分子電解質である。   The natural rubber electrolyte of the present invention is obtained by graft-copolymerizing a monomer having a phenyl group to natural rubber and then sulfonating to form a continuous structure of the sulfonated polymer, preferably a nano-cocontinuous of the sulfonated polymer and the cyclized natural rubber. It is a proton conductive polymer electrolyte that forms a structure, suppresses swelling with respect to water and evaporation of water during high temperature use, and also has high proton conductivity.

本発明の天然ゴム電解質は、固体高分子型燃料電池などに好適に用いられる。   The natural rubber electrolyte of the present invention is suitably used for solid polymer fuel cells and the like.

Claims (8)

天然ゴムにフェニル基含有ビニルモノマーをグラフト共重合したグラフト化天然ゴムのフェニル基をスルホン化した高分子電解質であって、天然ゴム由来の主鎖が環化ゴム構造をとり、環化天然ゴム相と共存するスルホン化フェニル基を有するグラフトポリマー相が連続構造をとることを特徴とする天然ゴム系電解質。   A polyelectrolyte in which phenyl group-containing vinyl monomer is graft-copolymerized with natural rubber and the phenyl group of the grafted natural rubber is sulfonated. The main chain derived from natural rubber has a cyclized rubber structure, and the cyclized natural rubber phase A natural rubber-based electrolyte characterized in that a graft polymer phase having a sulfonated phenyl group coexisting with has a continuous structure. 天然ゴムにフェニル基含有ビニルモノマーをグラフト共重合したグラフト化天然ゴムのフェニル基をスルホン化した高分子電解質であって、天然ゴム由来の主鎖が環化ゴム構造をとり、環化天然ゴム相とスルホン化フェニル基を有するグラフトポリマー相とが共連続構造をとることを特徴とする天然ゴム系電解質。   A polyelectrolyte in which a phenyl group-containing vinyl monomer is graft copolymerized with natural rubber, and the phenyl group of the grafted natural rubber is sulfonated. The main chain derived from natural rubber has a cyclized rubber structure, and the cyclized natural rubber phase And a graft polymer phase having a sulfonated phenyl group has a co-continuous structure. 前記天然ゴムが脱蛋白質化天然ゴムであることを特徴とする請求項1又は2に記載の天然ゴム系電解質。   The natural rubber electrolyte according to claim 1 or 2, wherein the natural rubber is a deproteinized natural rubber. 水溶性ラジカル開始剤を用いて天然ゴム粒子表面にラジカル活性点を導入した後、フェニル基含有ビニルモノマーを添加してグラフト共重合を行う工程と、得られたグラフト共重合体の天然ゴム由来の主鎖を環化ゴム構造とする工程と、得られたグラフト共重合体のフェニル基をスルホン化する工程とを含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の天然ゴム系電解質の製造方法。   After introducing radical active sites on the surface of natural rubber particles using a water-soluble radical initiator, adding a phenyl group-containing vinyl monomer to perform graft copolymerization, and the resulting graft copolymer derived from natural rubber The method for producing a natural rubber electrolyte according to claim 1 or 2, comprising a step of making the main chain a cyclized rubber structure and a step of sulfonating the phenyl group of the obtained graft copolymer. . 前記天然ゴムが脱蛋白質化天然ゴムであり、天然ゴムラテックスを脱蛋白質化する工程を有することを特徴とする請求項4に記載の天然ゴム系電解質の製造方法。   The method for producing a natural rubber electrolyte according to claim 4, wherein the natural rubber is a deproteinized natural rubber and has a step of deproteinizing a natural rubber latex. 前記天然ゴム由来の主鎖を環化ゴム構造とする工程を、ルイス酸を用いて行うことを特徴とする請求項4又は5に記載の天然ゴム系電解質の製造方法。   6. The method for producing a natural rubber electrolyte according to claim 4, wherein the step of converting the natural rubber-derived main chain into a cyclized rubber structure is performed using a Lewis acid. 前記天然ゴム由来の主鎖を環化ゴム構造とする工程と、得られたグラフト共重合体のフェニル基をスルホン化する工程とを、クロロスルホン酸を用いて同時に行うことを特徴とする請求項4乃至6のいずれかに記載の天然ゴム系電解質の製造方法。   The step of converting the natural rubber-derived main chain into a cyclized rubber structure and the step of sulfonating the phenyl group of the obtained graft copolymer are simultaneously performed using chlorosulfonic acid. A method for producing a natural rubber electrolyte according to any one of 4 to 6. 前記天然ゴムラテックスの脱蛋白質化を、天然ゴムラテックスに尿素系蛋白質変性剤及び界面活性剤を添加し、攪拌・混合して原料天然ゴムラテックス中の蛋白質を変性させる工程と、前記工程により変性した蛋白質を分離・除去する工程とを含む方法により行なうことを特徴とする請求項5乃至7のいずれかに記載の天然ゴム系電解質の製造方法。   The deproteinization of the natural rubber latex was performed by adding a urea-based protein modifier and a surfactant to the natural rubber latex, and agitating and mixing to denature the protein in the raw natural rubber latex; The method for producing a natural rubber electrolyte according to any one of claims 5 to 7, wherein the method comprises a method comprising a step of separating and removing proteins.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2020200370A (en) * 2019-06-07 2020-12-17 ロベルト・ボッシュ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツングRobert Bosch Gmbh Polyelectrolyte, polyelectrolyte membrane, and solid polymer fuel cell
JPWO2021261489A1 (en) * 2020-06-24 2021-12-30

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020200370A (en) * 2019-06-07 2020-12-17 ロベルト・ボッシュ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツングRobert Bosch Gmbh Polyelectrolyte, polyelectrolyte membrane, and solid polymer fuel cell
JPWO2021261489A1 (en) * 2020-06-24 2021-12-30
WO2021261489A1 (en) * 2020-06-24 2021-12-30 根上工業株式会社 Rubber particles and method for producing same

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