JP2010199030A - Method of manufacturing ion-conductive polymer membrane - Google Patents

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雅彦 中森
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing an ion-conductive polymer membrane which has a superior dimensional stability with respect to water absorption, while maintaining high proton conductivity. <P>SOLUTION: In the method of manufacturing the ion-conductive polymer membrane, a three-dimensional fiber assembly sheet is manufactured by adhering between fibers of a fiber assembly composed of a polymer A having an ion-exchange group in collection during a spinning process, and then a hydrophobic polymer B is filled in the air gap of the three-dimensional fiber assembly sheet. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池に好適なイオン伝導性高分子膜の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a method for producing an ion conductive polymer membrane suitable for a polymer electrolyte fuel cell.

燃料電池は、排出物が少なく、かつ高エネルギー効率で環境への負担の低い発電装置であるため、近年の地球環境保護への高まりの中で再び脚光を浴びている。燃料電池は、従来の大規模発電施設に比べ、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、将来的にも期待されている発電装置である。また、小型移動機器や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。   The fuel cell is a power generation device with low emissions, high energy efficiency, and low environmental burden, and is therefore attracting attention again in recent years due to the increase in global environmental protection. A fuel cell is a power generation device that is expected in the future as a power generation device for a mobile unit such as a relatively small-scale distributed power generation facility, an automobile, or a ship as compared with a conventional large-scale power generation facility. 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.

その中でも注目されている固体高分子型燃料電池は、一般に膜電極アッセンブリ(MEA)と呼ばれる基本単位から構成され、MEAではイオン伝導性高分子膜(PEM)が陰極と陽極に挟まれており、陽極で形成されるイオンを陰極へ輸送して電極に接続されている外部回路に電流を流す。PEMは適切なイオン伝導性を保有するのみならず、発電装置の運転条件下で要求される機械的、化学的強度を有していなければならない。   Among them, a polymer electrolyte fuel cell that is attracting attention is generally composed of basic units called membrane electrode assemblies (MEA), and in MEA, an ion conductive polymer membrane (PEM) is sandwiched between a cathode and an anode, Ions formed at the anode are transported to the cathode and a current is passed through an external circuit connected to the electrode. PEMs must not only have adequate ionic conductivity, but must have the mechanical and chemical strengths required under the operating conditions of the power plant.

このようなPEM材料として、超強酸基含有フッ素系高分子が知られている。しかしながら、これらのPEM材料は、フッ素系の高分子であるため、非常に高価であるだけでなく、ガラス転移温度が低いため、装置の操作温度が100℃前後の場合においては、水分保持が十分でない。そのため、フッ素系高分子が有する高いイオン伝導性を活かしきれず、イオン伝導度が急激に低下し、電池として作用できなくなるという問題があった。   As such a PEM material, a super strong acid group-containing fluorine-based polymer is known. However, since these PEM materials are fluorine-based polymers, they are not only very expensive, but also have a low glass transition temperature. Therefore, when the operating temperature of the apparatus is around 100 ° C., moisture retention is sufficient. Not. For this reason, there is a problem that the high ionic conductivity of the fluorinated polymer cannot be fully utilized, and the ionic conductivity is drastically lowered, making it impossible to function as a battery.

このような欠点を克服するため、非フッ素系芳香族環含有ポリマーにスルホン酸基を導入したPEMが、種々検討されている。ポリマー骨格としては耐熱性や化学的安定性を考慮すると、芳香族ポリアリーレンエーテルケトン類や芳香族ポリアリーレンエーテルスルホン類などの芳香族ポリアリーレンエーテル化合物が注目されており、ポリアリーレンエーテルスルホンをスルホン化したもの(例えば、非特許文献1)、ポリエーテルエーテルケトンをスルホン化したもの(例えば、特許文献1)などが報告されている。   In order to overcome such drawbacks, various PEMs in which sulfonic acid groups are introduced into non-fluorinated aromatic ring-containing polymers have been studied. In view of heat resistance and chemical stability, aromatic polyarylene ether compounds such as aromatic polyarylene ether ketones and aromatic polyarylene ether sulfones are attracting attention as polymer skeletons. (For example, Non-Patent Document 1), sulfonated polyether ether ketone (for example, Patent Document 1), and the like have been reported.

しかしながら、これらのポリマーにスルホン酸基を導入したものは、スルホン酸基の導入量増加に伴い膨潤時の寸法変化が大きくなり、燃料電池などの運転条件では膜の破壊が起こりやすくなる欠点がある。この欠点を改善するために高分子鎖間の架橋形成が可能な構成単位を導入して寸法変化を抑制する試み(例えば、特許文献2〜4)や、イオン性基非含有ポリマーをブレンドすることで性能を改善する試み(例えば、特許文献5、6)が報告されている。しかしながら、架橋だけでは必ずしも膨潤時の寸法変化を十分に抑制することが困難である。また、ブレンドにより相溶するものは、寸法安定性とプロトン伝導性を両立させることが困難であり、相分離させたものは層間剥離などによる膜強度の低下が見られた。   However, those having sulfonic acid groups introduced into these polymers have the disadvantage that the dimensional change during swelling increases with an increase in the amount of sulfonic acid groups introduced, and membrane breakage is likely to occur under operating conditions such as fuel cells. . In order to remedy this defect, attempts to suppress dimensional changes by introducing structural units that can form crosslinks between polymer chains (for example, Patent Documents 2 to 4), and blending polymers that do not contain ionic groups (See, for example, Patent Documents 5 and 6). However, it is difficult to sufficiently suppress the dimensional change during swelling by crosslinking alone. In addition, it was difficult to achieve both dimensional stability and proton conductivity in the case of compatibility with the blend, and in the case of phase separation, the film strength was reduced due to delamination.

また、PEMの機械的強度などの機能をさらに向上させるために、膜のモルフォロジーをナノメートルのスケールで制御する試みもなされている。例えば、親水−疎水の繰り返し構造を有するブロックポリマーが報告されている(特許文献7)。ブロックポリマーでは、ナノメートルオーダーでの親疎水の相分離が形成され、効果的なイオン伝導を親水部で、機械的な強度などを疎水部で担うことにより、低湿度下での性能等を向上させている。   Attempts have also been made to control the film morphology on a nanometer scale in order to further improve functions such as mechanical strength of the PEM. For example, a block polymer having a hydrophilic-hydrophobic repeating structure has been reported (Patent Document 7). In block polymers, hydrophilic / hydrophobic phase separation on the nanometer order is formed, and effective ion conduction is carried out at the hydrophilic part and mechanical strength, etc. is carried out at the hydrophobic part, thereby improving performance under low humidity. I am letting.

さらに、同様のナノメートルスケールでのモルフォロジー制御として、イオン伝導性ポリマーのナノファイバーを利用したものが報告されている(非特許文献2)。この報告では、イオン伝導性ポリマーを静電紡糸することでナノファイバーシートを作製し、該シートを加熱もしくは機械的圧縮により収縮させた後、有機溶媒の蒸気にさらすことで繊維間を接着し三次元繊維構造体とし、該シートの空隙部を光架橋性樹脂で充填するという方法でイオン伝導性高分子膜を得ている。   Furthermore, the thing using the nanofiber of an ion conductive polymer is reported as the same morphological control on a nanometer scale (nonpatent literature 2). In this report, a nanofiber sheet is produced by electrostatic spinning of an ion conductive polymer, and the sheet is contracted by heating or mechanical compression, and then exposed to an organic solvent vapor to bond the fibers to each other. An ion conductive polymer film is obtained by a method of forming an original fiber structure and filling the voids of the sheet with a photocrosslinkable resin.

しかしながら、かかるイオン伝導性高分子膜は、有機溶媒の蒸気による膨潤等によって、平均繊維径が大きくなる、或いは平均繊維径のバラツキが大きくなる。そのため、均一に樹脂が含浸できず、寸法安定性が不十分になるという問題があった。さらに、工程数が多くなるため、必ずしも簡便であるとは言えなかった。   However, such an ion conductive polymer membrane has an average fiber diameter or a variation in the average fiber diameter due to swelling due to vapor of the organic solvent. Therefore, there has been a problem that the resin cannot be uniformly impregnated and the dimensional stability becomes insufficient. Furthermore, since the number of steps increases, it cannot always be said that it is simple.

特開平6−93114号公報JP-A-6-93114 特開2003−217342号公報JP 2003-217342 A 特開2003−217343号公報JP 2003-217343 A 特開2003−292609号公報JP 2003-292609 A 特表2003−502828号公報Japanese translation of PCT publication No. 2003-502828 特開2003−109624号公報JP 2003-109624 A

Journal of membrane science,(オランダ)1993年,83巻,P.211−220Journal of membrane science, (Netherlands) 1993, 83, p. 211-220 Macromolecules,(アメリカ)2008年,14巻,P.4569−4572Macromolecules, (USA) 2008, 14, vol. 4569-4572

本発明は、上記の従来技術の問題点を解決することにあり、その目的は高いプロトン伝導性を保持しながら、吸水に対する寸法安定性にも優れるイオン伝導性高分子膜の製造方法を提供することにある。   The present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a method for producing an ion conductive polymer membrane that is excellent in dimensional stability against water absorption while maintaining high proton conductivity. There is.

本発明者らは、上記課題を解決するため鋭意研究した結果、化学的安定性に優れ、高いプロトン伝導性を示すイオン性基含有ポリマーからなる三次元繊維構造体シートに、機械的・化学的安定性に優れるイオン性基非含有疎水性ポリマーを均一に充填することにより、前記の課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of diligent research to solve the above problems, the present inventors have obtained a mechanical and chemical structure on a three-dimensional fiber structure sheet made of an ionic group-containing polymer having excellent chemical stability and high proton conductivity. The present inventors have found that the above-mentioned problems can be solved by uniformly filling an ionic group-free hydrophobic polymer having excellent stability, and have completed the present invention.

すなわち、本発明は、イオン交換基を有するポリマーAからなる繊維集合体を、紡糸工程における捕集時に繊維間を接着して三次元繊維構造体シートを作成し、次いで該三次元繊維構造体シートの空隙部に疎水性ポリマーBを充填することを特徴とするイオン伝導性高分子膜の製造方法である。   That is, the present invention provides a three-dimensional fiber structure sheet by bonding a fiber assembly comprising a polymer A having an ion exchange group between fibers at the time of collection in a spinning process, and then producing the three-dimensional fiber structure sheet. This is a method for producing an ion-conductive polymer membrane, characterized in that a hydrophobic polymer B is filled in the voids.

本発明で得られるイオン伝導性高分子膜は、化学的安定性に優れ、かつ高いイオン伝導性を示すイオン交換基を有するポリマーAからなる三次元繊維構造体シートに、疎水性ポリマーBを均一に充填することができるため、ポリマーAのイオン伝導効果、吸水効果が発現され、イオン伝導性が高いにも関わらず、空隙が少なくポリマーBで補強することができる。その結果、寸法安定性および力学的強度に優れるという二律背反的特性を保有するイオン伝導性高分子膜を提供することができる。   The ion conductive polymer membrane obtained by the present invention has a uniform hydrophobic polymer B on a three-dimensional fiber structure sheet composed of a polymer A having an ion exchange group having excellent chemical stability and high ion conductivity. Since the ionic conductivity and water absorption effect of the polymer A are expressed, and the ionic conductivity is high, the polymer B can be reinforced with few voids. As a result, it is possible to provide an ion-conducting polymer membrane possessing a trade-off characteristic of being excellent in dimensional stability and mechanical strength.

このため、燃料電池などのイオン伝導性高分子膜として好適である。また、本発明のイオン伝導性高分子膜は、メタノール透過性が低いという特徴も有しており、ダイレクトメタノール型燃料電池用のイオン伝導性高分子膜としても有用である。さらに、紡糸時に繊維間を接着させることが可能なため、製造法も簡便であるという有利な効果もある。   For this reason, it is suitable as an ion conductive polymer membrane for fuel cells and the like. In addition, the ion conductive polymer membrane of the present invention has a feature of low methanol permeability, and is useful as an ion conductive polymer membrane for a direct methanol fuel cell. Further, since the fibers can be bonded at the time of spinning, there is an advantageous effect that the manufacturing method is simple.

静電紡糸装置の模式図である。It is a schematic diagram of an electrostatic spinning apparatus.

1 静電紡糸装置
2 紡糸ノズル
3 溶液槽
4 高電圧電源
5 対向電極(捕集基板)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electrostatic spinning apparatus 2 Spinning nozzle 3 Solution tank 4 High voltage power supply 5 Counter electrode (collection board)

以下、本発明を具体的に説明する。   The present invention will be specifically described below.

まず、本発明におけるイオン伝導性ポリマーについて説明する。
本発明におけるイオン交換基を有するポリマーAは、イオン性基が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。
First, the ion conductive polymer in this invention is demonstrated.
The polymer A having an ion exchange group in the present invention is not particularly limited as long as the ionic group is an atomic group having a negative charge, but preferably has a proton exchange ability.

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、スルホン酸基とは−SO(OH)、スルホンイミド基とは−SONHSOR(ただし、Rは有機基を意味する。)、硫酸基とは−OSO(OH)、ホスホン酸基とは−PO(OH)、リン酸基とは−OPO(OH)、カルボン酸基とは−CO(OH)、およびこれらの塩のことを意味する。 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 —SO 2 (OH), the sulfonimide group is —SO 2 NHSO 2 R (where R means an organic group), and the sulfuric acid group is —OSO 2 (OH), A phosphonic acid group means —PO (OH) 2 , a phosphoric acid group means —OPO (OH) 2 , a carboxylic acid group means —CO (OH), and salts thereof.

これらのイオン性基は、前記の高分子固体電解質中に2種類以上含ませることができ、これらを組み合わせることにより、さらに機能が向上する場合がある。2種類以上のイオン性基の組み合わせは、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、イオン性基は、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い。また、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 solid electrolyte, and the function may be further improved by combining them. The combination of two or more kinds of ionic groups is appropriately determined depending on the structure of the polymer. Among these, from the viewpoint of high proton conductivity, the ionic group preferably has at least a sulfonic acid group, a sulfonimide group, and a sulfuric acid group. Moreover, it is most preferable to have at least a sulfonic acid group from the viewpoint of hydrolysis resistance.

本発明において、イオン交換基を有するポリマーAとしては、イオン交換基を有していれば特に限定されないが、十分な機械強度と高イオン性基密度のポリマーを容易に合成できる点から、ポリフェニレンオキシド、ポリアリーレンエーテル系化合物、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリアミド、ポリエステル、ポリイミダゾール、ポリオキサゾール、ポリフェニレン、ポリスチレン、ポリエチレン、またはこれらの骨格成分が共重合されたポリマーが例示される。   In the present invention, the polymer A having an ion exchange group is not particularly limited as long as it has an ion exchange group. However, from the viewpoint that a polymer having sufficient mechanical strength and high ionic group density can be easily synthesized, polyphenylene oxide. , Polyarylene ether compounds, polyetherketone, polyetheretherketone, polyethersulfone, polyetherethersulfone, polyphenylene sulfide, polyimide, polyetherimide, polyamideimide, polyamide, polyester, polyimidazole, polyoxazole, polyphenylene, polystyrene , Polyethylene, or a polymer obtained by copolymerizing these skeleton components.

これらのポリマーの中で、イオン交換基を有するポリマーAが、一般式(1)及び一般式(2)で示される構成成分を含むポリアリーレンエーテル系化合物であることが好ましい。なぜなら、かかるポリマーは、後述する静電紡糸法によって極細繊維を得やすいからである。一般に、親水基を有するポリマーは、静電紡糸法によって極細繊維が得られにくいとされていた。しかしながら、親水基を有するポリマーであっても、剛直性が高いポリマーの場合には、極細繊維を得られることを本発明者らは見出した。   Among these polymers, it is preferable that the polymer A having an ion exchange group is a polyarylene ether compound containing the constituents represented by the general formulas (1) and (2). This is because such a polymer is easy to obtain ultrafine fibers by the electrospinning method described later. In general, polymers having a hydrophilic group have been considered to be difficult to obtain ultrafine fibers by an electrospinning method. However, the present inventors have found that even a polymer having a hydrophilic group can obtain ultrafine fibers in the case of a polymer having high rigidity.

但し、Arは2価の芳香族基、Yはスルホン基またはケトン基、RはH、スルホン酸基、ホスホン酸基またはそれらの塩を示す。 Here, Ar represents a divalent aromatic group, Y represents a sulfone group or a ketone group, R represents H, a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, or a salt thereof.

但し、Ar’は2価の芳香族基を示す。 However, Ar ′ represents a divalent aromatic group.

さらに、イオン交換基を有するポリマーAが、一般式(3)及び一般式(4)で示される構成成分を含むポリアリーレンエーテル系化合物であることが好ましい。   Furthermore, it is preferable that the polymer A having an ion exchange group is a polyarylene ether-based compound including the constituent components represented by the general formula (3) and the general formula (4).

但し、XはHまたは1価のカチオン種を示す。 X represents H or a monovalent cation species.

これらのポリマーの分子量は、常温で固体であれば特に限定されないが、膜強度および溶剤への溶解性の観点から、1000以上、1×10以下であることが好ましい。 The molecular weights of these polymers are not particularly limited as long as they are solid at room temperature, but are preferably 1000 or more and 1 × 10 7 or less from the viewpoint of film strength and solubility in a solvent.

本発明において、イオン交換基を有するポリマーAは、イオン交換容量(IEC)が1.0〜4.0meq/gであることが好ましく、より好ましくは1.0〜3.0meq/gである。イオン交換容量が1.0meq/g未満の場合には、プロトン伝導性が低くなる傾向がある。一方、イオン交換容量が4.0meq/gを超える場合には、ポリマーが水に溶解しやすくなる。   In the present invention, the polymer A having an ion exchange group preferably has an ion exchange capacity (IEC) of 1.0 to 4.0 meq / g, more preferably 1.0 to 3.0 meq / g. When the ion exchange capacity is less than 1.0 meq / g, proton conductivity tends to be low. On the other hand, when the ion exchange capacity exceeds 4.0 meq / g, the polymer is easily dissolved in water.

本発明において、イオン交換基を有するポリマーAからなる三次元繊維構造体シートを作製する際には、紡糸工程における捕集時に繊維間を接着することが好ましい。かかる方法によれば、繊維の接点を固定してイオン伝導性を確保するとともに、接着剤等を使用しないため、三次元繊維構造体シートの空隙を均一に保ち、疎水性ポリマーBを隙間なく充填することが可能となり、優れた寸法安定性を有するイオン伝導性高分子膜を得ることができる。   In this invention, when producing the three-dimensional fiber structure sheet | seat which consists of the polymer A which has an ion exchange group, it is preferable to adhere | attach between fibers at the time of collection in a spinning process. According to this method, the fiber contact is fixed to ensure ionic conductivity, and since no adhesive is used, the gap of the three-dimensional fiber structure sheet is kept uniform and the hydrophobic polymer B is filled without gaps. Thus, an ion conductive polymer film having excellent dimensional stability can be obtained.

前記の三次元繊維構造体を製造するための紡糸方法としては、例えば、不織布を製造する際に用いられるメルトブロー法や静電紡糸法などが挙げられる。メルトブロー法を用いる場合、使用するポリマーを熱により溶融させることが必要になるため、溶液紡糸法の1種である静電紡糸法を用いるほうが、多くのポリマー種が使用できる点から好ましい。   Examples of the spinning method for producing the three-dimensional fiber structure include a melt blow method and an electrostatic spinning method used when producing a nonwoven fabric. When the melt blow method is used, it is necessary to melt the polymer to be used by heat. Therefore, it is preferable to use the electrospinning method, which is one of the solution spinning methods, because many polymer types can be used.

ここで、静電紡糸法とは、ポリマー溶液に高電圧を印加し、繊維を作製する方法である。 Here, the electrospinning method is a method for producing a fiber by applying a high voltage to a polymer solution.

本発明において、紡糸時に三次元繊維構造体を作製する手段としては、例えば、捕集時の繊維中の残存溶剤量を高め、溶剤のバインダー効果により、ポリマー同士を融着させる方法が挙げられる。また、前記の方法では、ポリマー溶液の濃度や吐出口から繊維捕集部までの距離を最適化することが好ましい。吐出口から捕集部までの距離を短くすることで、繊維を捕集するまでの時間を短くすることができ、繊維中の残存溶剤量を高めることができる。   In the present invention, examples of means for producing a three-dimensional fiber structure at the time of spinning include a method of increasing the amount of residual solvent in the fiber at the time of collection and fusing the polymers together by the binder effect of the solvent. In the above method, it is preferable to optimize the concentration of the polymer solution and the distance from the discharge port to the fiber collecting portion. By shortening the distance from the discharge port to the collection part, the time until the fiber is collected can be shortened, and the amount of residual solvent in the fiber can be increased.

また、静電紡糸法による繊維化は、溶剤の蒸発にともなって電荷集中が起こり、このときの電荷反発により溶液流が延伸され、繊維の細化、表面積の増大が起こる。これにより、溶剤の蒸発が促進され、繊維化が進む。この現象を利用して、繊維中の残存溶剤量を高めることができる。すなわち、ポリマー濃度を高めることで、ポリマー溶液中の溶剤量が減少するため、電荷反発の機会が減少し、延伸されにくくなる。その結果、溶剤の蒸発が抑制され、繊維中の残存溶剤量を高めることができる。   Further, in fiber formation by the electrospinning method, charge concentration occurs as the solvent evaporates, and the solution flow is stretched due to charge repulsion at this time, resulting in thinning of the fiber and increase in surface area. Thereby, evaporation of a solvent is accelerated | stimulated and fiberization advances. Utilizing this phenomenon, the amount of residual solvent in the fiber can be increased. That is, by increasing the polymer concentration, the amount of solvent in the polymer solution decreases, so the opportunity for charge repulsion decreases and stretching becomes difficult. As a result, evaporation of the solvent is suppressed and the amount of residual solvent in the fiber can be increased.

ポリマー溶液に印加する電圧は3〜100kVが好ましく、より好ましくは5〜70kVであり、さらに好ましくは5〜50kVである。なお、印加電圧の極性はプラスとマイナスのいずれであってもよい。   The voltage applied to the polymer solution is preferably 3 to 100 kV, more preferably 5 to 70 kV, and still more preferably 5 to 50 kV. Note that the polarity of the applied voltage may be either positive or negative.

静電紡糸をする雰囲気としては、一般的には空気中で行うが、二酸化炭素などの空気よりも放電開始電圧の高い気体中で静電紡糸を行うことで、低電圧での紡糸が可能となり、コロナ放電などの異常放電を防ぐこともできる。   The atmosphere for electrospinning is generally performed in the air, but by performing electrospinning in a gas having a higher discharge starting voltage than air such as carbon dioxide, spinning at a low voltage becomes possible. Also, abnormal discharge such as corona discharge can be prevented.

水がポリマーの貧溶媒である場合、ポリマーの析出が起こる場合がある。そこで、空気中の水分を低下させ、ポリマーの析出を防ぐことが好ましい。空気中の水分は、絶対湿度2〜13g/mで紡糸することが好ましい。より好ましくは、3〜11g/mである。 If water is the poor solvent for the polymer, polymer precipitation may occur. Therefore, it is preferable to reduce moisture in the air and prevent polymer precipitation. The moisture in the air is preferably spun at an absolute humidity of 2 to 13 g / m 3 . More preferably, it is 3 to 11 g / m 3 .

上記方法で作製されたイオン交換基を有するポリマーAからなる三次元繊維構造体シートは、その繊維密度を高めるために、熱処理により繊維を収縮させてもよい。熱処理の温度はイオン交換基を有するポリマーAの融点以下であれば特に限定されない。また、前記の三次元繊維構造体シートの繊維密度を高める他の方法として、プレス機などで機械的に圧力をかける処理が挙げられる。   In order to increase the fiber density, the three-dimensional fiber structure sheet made of the polymer A having an ion exchange group produced by the above method may be contracted by heat treatment. The temperature of heat processing will not be specifically limited if it is below the melting point of the polymer A which has an ion exchange group. Further, as another method for increasing the fiber density of the three-dimensional fiber structure sheet, there is a process of applying pressure mechanically with a press machine or the like.

本発明において、疎水性ポリマーBの疎水性とは、ポリマーを5時間、25℃の純水に浸漬した時の質量減少が2%以下であることを意味する。   In the present invention, the hydrophobicity of the hydrophobic polymer B means that the weight loss when the polymer is immersed in pure water at 25 ° C. for 5 hours is 2% or less.

本発明において、疎水性ポリマーBは、繊維状のイオン交換基を有するポリマーAからなる三次元繊維構造体シートに充填する前の段階でポリマーであってもよいし、疎水性ポリマーBの前駆体を、イオン交換基を有するポリマーAからなる三次元繊維構造体シートに充填した後に反応させたポリマーでもよい。さらに、これらのポリマーBは、充填後に架橋された構造を有していてもよい。   In the present invention, the hydrophobic polymer B may be a polymer before filling the three-dimensional fiber structure sheet made of the polymer A having a fibrous ion exchange group, or a precursor of the hydrophobic polymer B. May be a polymer that is reacted after filling a three-dimensional fiber structure sheet made of polymer A having an ion exchange group. Furthermore, these polymers B may have a structure crosslinked after filling.

疎水性ポリマーBの充填方法は、繊維状のイオン交換基を有するポリマーAからなる三次元繊維構造体シートの構造を破壊しなければ、特に限定されない。疎水性ポリマーBの充填方法としては、例えば、溶媒に溶解させたポリマーBを三次元繊維構造体シートに充填し溶媒を乾燥させる方法、または光、もしくは熱反応性の前駆体を充填後、反応させる方法などが挙げられる。   The method for filling the hydrophobic polymer B is not particularly limited as long as the structure of the three-dimensional fiber structure sheet made of the polymer A having a fibrous ion exchange group is not destroyed. As a method for filling the hydrophobic polymer B, for example, a method in which the polymer B dissolved in a solvent is filled in a three-dimensional fiber structure sheet and the solvent is dried, or a reaction after filling with a light or heat reactive precursor is performed. The method of making it, etc. are mentioned.

溶媒に溶解させた後、イオン交換基を有するポリマーAからなる三次元繊維構造体シートに充填する疎水性ポリマーBとしては、疎水性であれば特に限定されないが、例えば、機械的、化学的耐久性の面からポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリパラフェニレン、ポリエーテルケトン、ポリエステル、ポリイミド、ポリスチレン、ポリエステル、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリウレタン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン、ポリビニルフルオライド、ポリビニリデンフルオライド、ポリクロロトリフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、ポリテトラフルオロエチレン、パーフルオロシクロブタン含有共重合体などが挙げられる。また、疎水性ポリマーBは、単独でも2種以上の混合でも共重合体でもよい。   The hydrophobic polymer B to be filled in the three-dimensional fiber structure sheet made of the polymer A having an ion exchange group after being dissolved in a solvent is not particularly limited as long as it is hydrophobic. For example, mechanical and chemical durability In terms of properties, polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, polyparaphenylene, polyether ketone, polyester, polyimide, polystyrene, polyester, polyamide, polyamideimide, polyurethane, polyethylene, polypropylene, polymethylpentene, polyvinyl fluoride, polyvinylidene Fluoride, polychlorotrifluoroethylene, tetrafluoroethylene-ethylene copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl Vinyl ether copolymer, polytetrafluoroethylene, etc. perfluorocyclobutane-containing copolymer. Further, the hydrophobic polymer B may be a single type, a mixture of two or more types, or a copolymer.

疎水性ポリマーBを溶解させる溶媒は、イオン交換基を有するポリマーAからなる三次元繊維構造体シートを溶解しなければ、特に限定されない。   The solvent for dissolving the hydrophobic polymer B is not particularly limited as long as the three-dimensional fiber structure sheet made of the polymer A having an ion exchange group is not dissolved.

光もしくは熱により重合する疎水性ポリマーB前駆体としては、重合後のポリマーが疎水性であれば特に限定されないが、取り扱いの面から、それ自体が液状であり溶媒を含まないものが好ましい。   The hydrophobic polymer B precursor that is polymerized by light or heat is not particularly limited as long as the polymer after polymerization is hydrophobic. From the viewpoint of handling, a hydrophobic polymer B precursor that is liquid itself and does not contain a solvent is preferable.

疎水性ポリマーB前駆体の光重合性モノマーあるいはオリゴマーとしては、紫外線照射により重合硬化するモノアクリルモノマーあるいはオリゴマー、ジアクリルモノマーあるいはオリゴマーを好ましい材料として挙げることができる。ビニル基のα位および/またはβ位の水素は、フェニル基、アルキル基、ハロゲン基またはシアノ基などで置換されていてもよい。   Preferred examples of the photopolymerizable monomer or oligomer of the hydrophobic polymer B precursor include a monoacryl monomer or oligomer, a diacryl monomer, or an oligomer that is polymerized and cured by ultraviolet irradiation. The hydrogen at the α-position and / or β-position of the vinyl group may be substituted with a phenyl group, an alkyl group, a halogen group or a cyano group.

また、疎水性ポリマーB前駆体の光重合性モノマーあるいはオリゴマーのうち、容易に入手できる市販品として、カヤラッドR−551、およびカヤラッドR−712(いずれも日本化薬社製)、NOA60、NOA61、NOA63、NOA65、NOA68、NOA71、NOA72、NOA73、NOA81、NOA83H、NOA88(いずれもNorland社製)が例示される。   Further, among the photopolymerizable monomers or oligomers of the hydrophobic polymer B precursor, as commercially available products, Kayrad R-551 and Kayalad R-712 (all manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd.), NOA60, NOA61, NOA63, NOA65, NOA68, NOA71, NOA72, NOA73, NOA81, NOA83H, NOA88 (all manufactured by Norland) are exemplified.

上述したようなモノマー類あるいはオリゴマー類の重合を速やかに行なって、所望の高分子を得るために、光重合開始剤を用いてもよい。光重合開始剤としては、選択するモノマー類、オリゴマー類に適する任意のものを用いることができる。例えば、容易に入手できる市販品として、ダロキュア1173(Merck社製)、ダロキュア1116(Merck社製)、イルガキュア184(Ciba Geigy社製)、イルガキュア651(Ciba Geigy社製)、イルガキュア907(Ciba Geigy社製)、カヤキュアDETX(日本化薬社製)、およびカヤキュアEPA(日本化薬社製)などが挙げられる。   A photopolymerization initiator may be used to rapidly polymerize the monomers or oligomers as described above to obtain a desired polymer. Any photopolymerization initiator suitable for the selected monomers and oligomers can be used. For example, Darocur 1173 (manufactured by Merck), Darocur 1116 (manufactured by Merck), Irgacure 184 (manufactured by Ciba Geigy), Irgacure 651 (manufactured by Ciba Geigy), Irgacure 907 (Ciba Geigy) Product), Kayacure DETX (manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd.), Kayacure EPA (manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd.), and the like.

疎水性ポリマーB前駆体の熱重合性樹脂としては、イオン交換基を有するポリマーAの融点もしくは分解温度以下で反応し、ポリマーとなれば特に限定されないが、それ自体が液状であり熱により重合硬化するエポキシ基やトリフルオロビニルエーテル基を含むモノマーあるいはオリゴマーを好ましい材料として挙げられる。   The heat-polymerizable resin of the hydrophobic polymer B precursor is not particularly limited as long as it reacts at or below the melting point or decomposition temperature of the polymer A having an ion exchange group and becomes a polymer, but is itself liquid and polymerized and cured by heat. Preferred examples of the material include a monomer or an oligomer containing an epoxy group or a trifluorovinyl ether group.

本発明のイオン伝導性高分子膜は、(a)イオン交換基を有するポリマーAから構成された平均繊維直径が0.01〜1μmの繊維の集合体からなり、該繊維間が紡糸時に接着された三次元繊維構造体と、(b)疎水性ポリマーB、からなる複合膜であることが好ましい。   The ion conductive polymer membrane of the present invention comprises (a) an aggregate of fibers having an average fiber diameter of 0.01 to 1 μm composed of polymer A having an ion exchange group, and the fibers are bonded during spinning. A composite membrane comprising a three-dimensional fiber structure and (b) a hydrophobic polymer B is preferable.

イオン交換基を有するポリマーAの平均繊維直径が、0.01μmよりも小さい場合には、十分なプロトン伝導性が得られにくくなる。一方、ポリマーAの平均繊維直径が、1μmよりも大きい場合には、寸法安定性が悪化する傾向がある。   When the average fiber diameter of the polymer A having an ion exchange group is smaller than 0.01 μm, it becomes difficult to obtain sufficient proton conductivity. On the other hand, when the average fiber diameter of the polymer A is larger than 1 μm, the dimensional stability tends to deteriorate.

イオン交換基を有するポリマーAと疎水性ポリマーBの組成比(A/B;質量比)は、10/90〜90/10が好ましい。イオン交換基を有するポリマーAの比率が少なすぎると、プロトン伝導性が悪くなる傾向にある。一方、前記ポリマーAの比率が多すぎると、疎水性ポリマーBの補強効果が期待できなくなる。   The composition ratio (A / B; mass ratio) of the polymer A having an ion exchange group and the hydrophobic polymer B is preferably 10/90 to 90/10. When the ratio of the polymer A having an ion exchange group is too small, proton conductivity tends to deteriorate. On the other hand, when the ratio of the polymer A is too large, the reinforcing effect of the hydrophobic polymer B cannot be expected.

本発明のイオン伝導性高分子膜は、目的に応じて任意の膜厚にすることができるが、イオン伝導性の面からはできるだけ薄いことが望ましい。具体的には、イオン伝導性高分子膜の厚みは、5〜250μmであることが好ましく、さらに好ましくは5〜100μmである。イオン伝導性高分子膜の厚みが5μmより薄い場合には、イオン伝導性高分子膜の取り扱いが困難となり、燃料電池を作成した場合に短絡等が起こる傾向がある。一方、イオン伝導性高分子膜の厚みが250μmよりも厚い場合には、イオン伝導性高分子膜の電気抵抗値が高くなり、燃料電池の発電性能が低下する傾向にある。   The ion conductive polymer membrane of the present invention can have any film thickness depending on the purpose, but is desirably as thin as possible from the viewpoint of ion conductivity. Specifically, the thickness of the ion conductive polymer membrane is preferably 5 to 250 μm, more preferably 5 to 100 μm. When the thickness of the ion conductive polymer membrane is less than 5 μm, it becomes difficult to handle the ion conductive polymer membrane, and a short circuit or the like tends to occur when a fuel cell is formed. On the other hand, when the thickness of the ion conductive polymer film is thicker than 250 μm, the electric resistance value of the ion conductive polymer film becomes high and the power generation performance of the fuel cell tends to be lowered.

以下、実施例を用いて、本発明を具体的に説明するが、本発明はもとより下記の実施例によって制限を受けるものではない。また、本発明の主旨に適合し得る範囲で、適宜変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術範囲に含まれる。また、本発明で用いる物性及び効果を評価するための測定方法は、以下の通りである。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated concretely using an Example, this invention is not restrict | limited by the following Example from the first. Further, it is of course possible to carry out the present invention with appropriate modifications within a range that can be adapted to the gist of the present invention, all of which are included in the technical scope of the present invention. Moreover, the measuring method for evaluating the physical property and effect which are used by this invention is as follows.

(1)還元粘度
80℃で一晩減圧乾燥させたポリマー粉末を、0.5g/dlの濃度でN−メチルピロリドン(NMP)に溶解した。次いで、25℃の高温槽中でウベローデ粘度計を用いて、粘度測定を行い、下記の式から還元粘度(ηsp/c)を評価した。
ηsp/c=〔(t−t)/t〕/c
〔t:溶媒のみの滴下時間(s)、t:試料溶液の滴下時間(s)、c:試料溶液の濃度(g/dl)〕
(1) Reduced viscosity The polymer powder dried under reduced pressure at 80 ° C. overnight was dissolved in N-methylpyrrolidone (NMP) at a concentration of 0.5 g / dl. Next, the viscosity was measured using a Ubbelohde viscometer in a high-temperature bath at 25 ° C., and the reduced viscosity (ηsp / c) was evaluated from the following formula.
ηsp / c = [(t−t 0 ) / t 0 ] / c
[T 0 : dropping time of solvent only (s), t: dropping time of sample solution (s), c: concentration of sample solution (g / dl)]

(2)極細単繊維の平均繊維直径
繊維集合体に白金−パラジウム合金を蒸着し、走査型電子顕微鏡(SEM 日立製 S−800)にて撮影を行い、5000倍または10000倍のSEM画像に映し出された多数の繊維からランダムに20本の繊維を選び、繊維直径を測定した。測定した20本の繊維直径の平均値を算出し、極細単繊維の平均繊維直径とした。
(2) Average fiber diameter of ultrafine single fiber A platinum-palladium alloy is vapor-deposited on the fiber assembly, photographed with a scanning electron microscope (SEM manufactured by SEM Hitachi, S-800), and displayed on a SEM image of 5000 times or 10,000 times. Twenty fibers were randomly selected from the obtained many fibers, and the fiber diameter was measured. The average value of the measured 20 fiber diameters was calculated and used as the average fiber diameter of the ultrafine fibers.

(3)イオン交換容量
80℃で一晩減圧乾燥させたポリマー、または電解質膜を50mg秤量し、0.01M−NaOH水溶液60ml中で1時間攪拌した。その後、溶液を50ml取り出し、自動滴定装置(HIRANUMA TITSTATION TS−980)を用いて0.02M−HCl水溶液で滴定した。次いで、イオン交換容量(IEC)を下式を用いて算出した。
IEC=(ブランク平均滴下量(ml)−サンプル滴下量(ml))
×1.2×0.02/サンプル質量(g)
(3) Ion exchange capacity 50 mg of a polymer or electrolyte membrane dried under reduced pressure at 80 ° C. overnight was weighed and stirred in 60 ml of 0.01 M NaOH aqueous solution for 1 hour. Thereafter, 50 ml of the solution was taken out and titrated with an aqueous 0.02M HCl solution using an automatic titrator (HIRANUMA TITSTATION TS-980). Subsequently, the ion exchange capacity (IEC) was calculated using the following formula.
IEC = (blank average dripping amount (ml) −sample dripping amount (ml))
× 1.2 × 0.02 / sample mass (g)

(4)イオン伝導性
測定用プローブ(PTFE製)上で、幅1cmの短冊状膜サンプルの表面に白金線(直径:0.2mm)を押しあて、80℃、相対湿度95%の恒温恒湿槽中にサンプルを保持した。次いで、白金線間の10kHzにおける交流インピーダンスをSOLARTRON社1250FREQUENCY RESPONSE ANALYSERを用いて測定した。
具体的には、極間距離を1cmから4cmまで1cm間隔で変化させて、交流インピーダンスを測定し、極間距離と抵抗測定値をプロットした直線の勾配Dr[Ω/cm]から、下式により、膜と白金線間の接触抵抗をキャンセルして算出した。
σ[S/cm]=1/(膜幅[cm]×膜厚[cm]×Dr[Ω/cm])
(4) Ion conductivity On a measurement probe (made of PTFE), a platinum wire (diameter: 0.2 mm) was pressed against the surface of a strip-shaped membrane sample having a width of 1 cm, and constant temperature and humidity at 80 ° C. and 95% relative humidity. Samples were held in the bath. Next, the AC impedance at 10 kHz between the platinum wires was measured using a SOLARTRON 1250 FREQUENCY RESPONSE ANALYSER.
Specifically, the inter-electrode distance is changed from 1 cm to 4 cm at intervals of 1 cm, the AC impedance is measured, and the linear slope Dr [Ω / cm] in which the inter-electrode distance and the resistance measurement value are plotted is expressed by the following equation. The calculation was performed by canceling the contact resistance between the membrane and the platinum wire.
σ [S / cm] = 1 / (film width [cm] × film thickness [cm] × Dr [Ω / cm])

(5)飽和吸水率
5cm四方のサンプルを80℃で一晩真空乾燥させた後、乾燥質量を測定した。次いで、乾燥サンプルを80℃の水中に1日以上保持して、飽和吸水後質量(測定開始後質量変化が無くなった時点での質量)を求め、下式よりサンプルの吸水率[%]を算出した。
飽和吸水率[%]=〔(飽和吸水後質量/乾燥質量)−1〕×100
(5) Saturated water absorption A 5 cm square sample was vacuum dried at 80 ° C. overnight, and then the dry mass was measured. Next, hold the dried sample in water at 80 ° C. for 1 day or longer, calculate the mass after saturated water absorption (the mass when the mass change disappears after the start of measurement), and calculate the water absorption rate [%] of the sample from the following formula. did.
Saturated water absorption [%] = [(mass after saturated water absorption / dry mass) -1] × 100

(6)面積変化率
5cm四方のサンプルを80℃で一晩真空乾燥させた後、乾燥後の面積を測定した。乾燥サンプルを80℃の水中に1日以上保持して、飽和吸水後面積(測定開始後面積変化が無くなった時点での面積)を求め、下式よりサンプルの面積変化率[%]を算出した。
面積変化率[%]=〔(飽和吸水後面積/乾燥後面積)−1〕×100
(6) Area change rate After a 5 cm square sample was vacuum-dried overnight at 80 ° C, the area after drying was measured. The dried sample was kept in water at 80 ° C. for 1 day or longer, the area after saturated water absorption (the area when the area change disappeared after the start of measurement) was determined, and the area change rate [%] of the sample was calculated from the following formula. .
Area change rate [%] = [(Area after saturated water absorption / Area after drying) -1] × 100

(イオン交換基を有するポリマーAの合成)
3,3’−ジスルホ−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン2ナトリウム塩(略号:S−DCDPS)15.0g〔0.03026mol〕、2,6−ジクロロベンゾニトリル(略号:DCBN)6.64g〔0.03851mol〕、4,4’−ビフェノール12.82g〔0.06877mol〕、炭酸カリウム10.45gを、200ml四つ口フラスコに秤量し、窒素を流した。113mlのNMPを加えて、150℃で1時間攪拌した後、反応温度を195−200℃に昇温して、系の粘性が十分上がるのを目安に反応を続けた(約6時間)。その後、放冷して水中にストランド状に沈殿させた。得られたポリマーは水中で洗浄した後、乾燥した。ポリマーの還元粘度は1.35(dl/g)、IECは2.05(meq/g)であった。
(Synthesis of polymer A having an ion exchange group)
3,3′-disulfo-4,4′-dichlorodiphenylsulfone disodium salt (abbreviation: S-DCDPS) 15.0 g [0.03026 mol], 2,6-dichlorobenzonitrile (abbreviation: DCBN) 6.64 g [ 0.03851 mol], 12.4 g of 4,4′-biphenol [0.06877 mol] and 10.45 g of potassium carbonate were weighed into a 200 ml four-necked flask and flushed with nitrogen. After adding 113 ml of NMP and stirring at 150 ° C. for 1 hour, the reaction temperature was raised to 195-200 ° C., and the reaction was continued with the aim of sufficiently increasing the viscosity of the system (about 6 hours). Thereafter, the mixture was allowed to cool and precipitated into strands in water. The obtained polymer was washed in water and then dried. The reduced viscosity of the polymer was 1.35 (dl / g), and the IEC was 2.05 (meq / g).

(実施例1)
イオン交換基を有するポリマーAにN、N−ジメチルアセトアミドを加えて、固形分濃度を22質量%にした。該樹脂溶液を図1に示す装置を用いて、該溶液を繊維状物質捕集電極5に吐出した。紡糸ノズル2に18G(内径:0.9mm)の針を使用し、電圧は30kV、紡糸ノズル2から繊維を捕集する対向電極5までの距離は10.5cmであった。空気中の絶対湿度は8.0g/m3であった。得られた極細繊維集合体の平均繊維径は0.07μmであった。また、得られた極細繊維集合体は繊維間が接着されていた。
Example 1
N, N-dimethylacetamide was added to polymer A having an ion exchange group to make the solid content concentration 22 mass%. The resin solution was discharged to the fibrous material collecting electrode 5 using the apparatus shown in FIG. An 18 G (inner diameter: 0.9 mm) needle was used for the spinning nozzle 2, the voltage was 30 kV, and the distance from the spinning nozzle 2 to the counter electrode 5 for collecting fibers was 10.5 cm. The absolute humidity in the air was 8.0 g / m3. The average fiber diameter of the obtained ultrafine fiber aggregate was 0.07 μm. In addition, the obtained ultrafine fiber aggregate was bonded between the fibers.

ポリマーA/ポリマーBの質量比が、70/30になるように調製したシートを、UV硬化性のNorland Optical Adhesive(NOA)63に減圧下1時間浸漬した。次いで、シート表面をろ紙で拭いて、余分なNOA63を取り除いた。さらに、前記シートの片面に365nmの波長の紫外線を照射し、1時間かけて前記ポリマーを固化させた。得られた電解質膜を、2M−硫酸水溶液中に5時間浸漬した。その後、純水で洗浄して、イオン伝導性高分子膜を得た。
この膜の特性を表1に示す。
A sheet prepared such that the mass ratio of polymer A / polymer B was 70/30 was immersed in UV curable Norland Optical Adhesive (NOA) 63 under reduced pressure for 1 hour. Next, the sheet surface was wiped with filter paper to remove excess NOA63. Further, ultraviolet light having a wavelength of 365 nm was irradiated on one side of the sheet to solidify the polymer over 1 hour. The obtained electrolyte membrane was immersed in 2M-sulfuric acid aqueous solution for 5 hours. Thereafter, it was washed with pure water to obtain an ion conductive polymer membrane.
The properties of this film are shown in Table 1.

(実施例2)
ポリマーA/ポリマーBの質量比を60/40に変更したこと以外は、実施例1と同様の方法で調製したシートを、UV硬化性のNorland Optical Adhesive(NOA)63の液中に減圧下1時間浸漬した。次いで、シート表面をろ紙で拭いて、余分なNOA63を取り除いた。さらに、前記シートの片面に365nmの波長の紫外線を照射し、1時間かけて前記ポリマーを固化させた。得られた電解質膜を、2M−硫酸水溶液中に5時間浸漬した。その後、純水で洗浄して、イオン伝導性高分子膜を得た。
この膜の特性を表1に示す。
(Example 2)
A sheet prepared by the same method as in Example 1 except that the mass ratio of Polymer A / Polymer B was changed to 60/40 was placed in a UV curable Norland Optical Adhesive (NOA) 63 solution under reduced pressure. Soaked for hours. Next, the sheet surface was wiped with filter paper to remove excess NOA63. Further, ultraviolet light having a wavelength of 365 nm was irradiated on one side of the sheet to solidify the polymer over 1 hour. The obtained electrolyte membrane was immersed in 2M-sulfuric acid aqueous solution for 5 hours. Thereafter, it was washed with pure water to obtain an ion conductive polymer membrane.
The properties of this film are shown in Table 1.

(比較例1)
イオン交換基を有するポリマーAに、N、N−ジメチルアセトアミドを加えて、固形分濃度を16質量%にした。該樹脂溶液を図1に示す装置を用いて、該溶液を繊維状物質捕集電極5に吐出した。紡糸ノズル2に18G(内径:0.9mm)の針を使用し、電圧は38kV、紡糸ノズル2から繊維を捕集する対向電極5までの距離は、10.5cmであった。空気中の絶対湿度は8.0g/mであった。
(Comparative Example 1)
N, N-dimethylacetamide was added to the polymer A having an ion exchange group to adjust the solid content concentration to 16% by mass. The resin solution was discharged to the fibrous material collecting electrode 5 using the apparatus shown in FIG. An 18 G (inner diameter: 0.9 mm) needle was used for the spinning nozzle 2, the voltage was 38 kV, and the distance from the spinning nozzle 2 to the counter electrode 5 for collecting fibers was 10.5 cm. The absolute humidity in the air was 8.0 g / m 3 .

得られた極細繊維集合体の平均繊維径は0.05μmであった。また、得られた極細繊維集合体は繊維間が接着されていなかった。   The average fiber diameter of the obtained ultrafine fiber aggregate was 0.05 μm. Further, the obtained ultrafine fiber aggregate was not bonded between the fibers.

ポリマーA/ポリマーBの質量比が70/30になるように調製したシートを、UV硬化性のNorland Optical Adhesive(NOA)63に減圧下1時間浸漬した。次いで、シート表面をろ紙で拭いて、余分なNOA63を取り除いた。さらに、前記シートの片面に365nmの波長の紫外線を照射し、1時間かけて前記ポリマーを固化させた。得られた電解質膜を、2M−硫酸水溶液中に5時間浸漬した。その後、純水で洗浄して、イオン伝導性高分子膜を得た。
この膜の特性を表1に示す。
A sheet prepared so that the mass ratio of polymer A / polymer B was 70/30 was immersed in UV curable Norland Optical Adhesive (NOA) 63 under reduced pressure for 1 hour. Next, the sheet surface was wiped with filter paper to remove excess NOA63. Further, ultraviolet light having a wavelength of 365 nm was irradiated on one side of the sheet to solidify the polymer over 1 hour. The obtained electrolyte membrane was immersed in 2M-sulfuric acid aqueous solution for 5 hours. Thereafter, it was washed with pure water to obtain an ion conductive polymer membrane.
The properties of this film are shown in Table 1.

(比較例2)
ポリマーAを10質量%になるようにNMPに溶解させた後、ガラス板にキャストし、100℃で4時間乾燥させた。得られた電解質膜を2M−硫酸水溶液中に5時間浸漬した。その後、純水で洗浄して、イオン伝導性高分子膜を得た。
この膜の特性を表1に示す。
(Comparative Example 2)
Polymer A was dissolved in NMP so as to be 10% by mass, then cast on a glass plate and dried at 100 ° C. for 4 hours. The obtained electrolyte membrane was immersed in 2M-sulfuric acid aqueous solution for 5 hours. Thereafter, it was washed with pure water to obtain an ion conductive polymer membrane.
The properties of this film are shown in Table 1.

(比較例3)
ナフィオン(Nafion)(登録商標;デュポン社)112を用いた単独膜において、実施例1と同様の評価を行った。表1に特性を示す。
(Comparative Example 3)
The same evaluation as in Example 1 was performed on a single membrane using Nafion (registered trademark; DuPont) 112. Table 1 shows the characteristics.

以上の結果から、本発明で得られた複合膜は、プロトン伝導性が高く、吸水性が高いにもかかわらず、吸水に対する寸法安定性が優れていることが分かる。また、繊維間が接着された場合、繊維間が接着されていないものよりも、高いプロトン伝導性を示すことが分かった。   From the above results, it can be seen that the composite membrane obtained in the present invention has excellent proton conductivity and excellent dimensional stability against water absorption despite high water absorption. Further, it was found that when the fibers are bonded, the proton conductivity is higher than that when the fibers are not bonded.

本発明で得られたイオン伝導性高分子膜は、イオン伝導性だけでなく、加工性、寸法安定性にも優れているため、燃料電池などのイオン伝導性高分子膜として好適である、さらに、メタノール透過性が低いため、ダイレクトメタノール型燃料電池用のイオン伝導性高分子膜としても有用である。   The ion conductive polymer membrane obtained in the present invention is excellent not only in ion conductivity but also in workability and dimensional stability, and is therefore suitable as an ion conductive polymer membrane for fuel cells, etc. Since methanol permeability is low, it is also useful as an ion conductive polymer membrane for direct methanol fuel cells.

Claims (7)

イオン交換基を有するポリマーAからなる繊維集合体を、紡糸工程における捕集時に繊維間を接着して三次元繊維構造体シートを作成し、次いで該三次元繊維構造体シートの空隙部に疎水性ポリマーBを充填することを特徴とするイオン伝導性高分子膜の製造方法。   A fiber assembly composed of a polymer A having an ion exchange group is bonded between fibers at the time of collection in a spinning process to form a three-dimensional fiber structure sheet, and then the voids in the three-dimensional fiber structure sheet are hydrophobic. A method for producing an ion conductive polymer membrane, wherein the polymer B is filled. イオン交換基を有するポリマーAからなる繊維集合体を構成する繊維が、平均繊維直径が0.01〜1μmの極細繊維であることを特徴とする請求項1に記載のイオン伝導性高分子膜の製造方法。   2. The ion conductive polymer membrane according to claim 1, wherein the fibers constituting the fiber assembly composed of the polymer A having an ion exchange group are ultrafine fibers having an average fiber diameter of 0.01 to 1 μm. Production method. ポリマーAのイオン交換基が、プロトン交換基であることを特徴とする請求項1又は2に記載のイオン伝導性高分子膜の製造方法。   The method for producing an ion conductive polymer membrane according to claim 1 or 2, wherein the ion exchange group of the polymer A is a proton exchange group. プロトン交換基が、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、カルボン酸基のいずれかを含むことを特徴とする請求項3に記載のイオン伝導性高分子膜の製造方法。   4. The ion-conductive polymer membrane according to claim 3, wherein the proton exchange group includes any one of a sulfonic acid group, a sulfonimide group, a sulfuric acid group, a phosphonic acid group, a phosphoric acid group, and a carboxylic acid group. Production method. イオン交換基を有するポリマーAが、ポリフェニレンオキシド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリアミド、ポリエステル、ポリイミダゾール、ポリオキサゾール、ポリフェニレン、ポリスチレン、ポリエチレン、またはこれらの骨格成分が共重合された構造を有するポリマーであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のイオン伝導性高分子膜の製造方法。   Polymer A having an ion exchange group is polyphenylene oxide, polyether ketone, polyether ether ketone, polyether sulfone, polyether ether sulfone, polyphenylene sulfide, polyimide, polyether imide, polyamide imide, polyamide, polyester, polyimidazole, poly The production of an ion conductive polymer film according to any one of claims 1 to 4, which is a polymer having a structure in which oxazole, polyphenylene, polystyrene, polyethylene, or a skeleton component thereof is copolymerized. Method. イオン交換基を有するポリマーAが、下記の一般式(1)及び一般式(2)で示される構成成分を含むポリアリーレンエーテル系化合物であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のイオン伝導性高分子膜の製造方法。
但し、Arは2価の芳香族基、Yはスルホン基またはケトン基、RはH、スルホン酸基、ホスホン酸基またはそれらの塩を示す。
但し、Ar’は2価の芳香族基を示す。
The polymer A having an ion exchange group is a polyarylene ether-based compound containing structural components represented by the following general formula (1) and general formula (2). The manufacturing method of the ion conductive polymer film as described in a term.
Here, Ar represents a divalent aromatic group, Y represents a sulfone group or a ketone group, R represents H, a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, or a salt thereof.
However, Ar ′ represents a divalent aromatic group.
イオン交換基を有するポリマーAが、一般式(3)及び一般式(4)で示される構成成分を含むポリアリーレンエーテル系化合物であることを特徴とする請求項6に記載のイオン伝導性高分子膜の製造方法。
但し、XはHまたは1価のカチオン種を示す。
7. The ion conductive polymer according to claim 6, wherein the polymer A having an ion exchange group is a polyarylene ether compound containing the components represented by the general formula (3) and the general formula (4). A method for producing a membrane.
X represents H or a monovalent cation species.
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