JP2010506986A - イオン交換基を有するフルオロポリマーを安定化する方法 - Google Patents
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Abstract
Description
Rf−CF2COOH+・OH→Rf−CF2・+CO2+H2O
Rf−CF2・+・OH→Rf−CF2OH→Rf−COF+HF
Rf−COF+H2O→Rf−COOH+HF
式中、Rfはフルオロポリマー鎖を表している。
− イオン交換基を有する少なくとも1種の半結晶質フルオロポリマー[ポリマー(I)]を少なくとも1種のフッ素化有機分散媒体[媒体(M)]中に懸濁して、分散媒体(M)中のポリマー(I)の分散液(D)を得る工程と、
− UV線による照射下で前記分散液(D)をフッ素と接触させて、安定化されたポリマーを得る工程と
を含む方法である。
− 少なくとも1個のフッ素原子を含む少なくとも1種のエチレン系不飽和モノマー(以下、フッ素化モノマー)から誘導された繰り返し単位と
− 少なくとも1個のイオン交換基を含む少なくとも1種のエチレン系不飽和モノマー(以下、官能性モノマー)から誘導された実質的な量の繰り返し単位と
を含むあらゆるポリマーを表すことを意図している。
− C3〜C8フルオロ−および/またはペルフルオロオレフィン、たとえばヘキサフルオロプロペン、ペンタフルオロプロピレン、およびヘキサフルオロイソブチレン;
− C2〜C8水素化モノフルオロオレフィンたとえば、フッ化ビニル;
− 1,2−ジフルオロエチレン、フッ化ビニリデン、およびトリフルオロエチレン;
− 式CH2=CH−Rf0に従うペルフルオロアルキルエチレン[式中、Rf0はC1〜C6ペルフルオロアルキルである];
− クロロ−および/またはブロモ−および/またはヨード−C2〜C6フルオロオレフィンたとえば、クロロトリフルオロエチレン;
− 式CF2=CFORf1に従うフルオロアルキルビニルエーテル[式中、Rf1は、C1〜C6フルオロ−またはペルフルオロアルキル、たとえば、−CF3、−C2F5、−C3F7である];
− 式CF2=CFOX0に従うフルオロ−オキシアルキルビニルエーテル[式中、X0は、1個または複数のエーテル基を有する、C1〜C12オキシアルキル、またはC1〜C12(ペル)フルオロオキシアルキル、たとえばペルフルオロ−2−プロポキシ−プロピルである];
− 式CF2=CFOCF2ORf2に従うフルオロアルキル−メトキシ−ビニルエーテル[式中、Rf2は、C1〜C6フルオロ−もしくはペルフルオロアルキル、たとえば、−CF3、−C2F5、−C3F7、または1個もしくは複数のエーテル基を有するC1〜C6(ペル)フルオロオキシアルキル、たとえば−C2F5−O−CF3である];
− 次式のフルオロジオキソール:
− SO2X[式中、Xはハロゲン(Cl、Fl、Br、I)、−O−M+(式中、M+は、H+、NH4 +、K+、Li+、Na+のなかから選択されたカチオンである)またはそれらの混合物のなかから選択される]
− PO2Z[式中、Zはハロゲン(Cl、Fl、Br、I)、−O−M+(式中、M+は、H+、NH4 +、K+、Li+、Na+のなかから選択されたカチオンである)、−ORHy(式中、RHyはC1〜6炭化水素基である)および−ORHf’(式中、RHfはC1〜6フルオロカーボン基またはパー(ハロ)フルオロカーボン基である)またはそれらの混合物のなかから選択される]
(M1)式(M1)のスルホン化パーフルオロオレフィン:
に従うスルホン化パーフルオロオレフィンである]、
(M2)式(M2)のスルホン化パーフルオロビニルエーテル:
のスルホン化パーフルオロエーテルが好ましく、最も好ましくは、スルホン化パーフルオロビニルエーテルは、上で詳述したようにその−SO2F形態であるか、またはその−SO2X’形態のいずれかであることが可能である式(M2−D):
(M3)式(M3)のスルホン化パーフルオロアルコキシビニルエーテル:
(M4)式(M4)のスルホン化芳香族(パー)フルオロオレフィン:
および
(M5)それらの混合物。
式:
− 少なくとも1個のフッ素原子を含みかつ水素原子を含まない1種または2種以上のエチレン系不飽和モノマー(以下、パー(ハロ)フルオロモノマー)から誘導された繰り返し単位、および
− 少なくとも1個のフッ素原子および少なくとも1個のカチオン交換基を含みかつ(カチオン交換基に任意に含まれる水素原子を除き)水素原子を含まない1種または2種以上のエチレン系不飽和モノマー(以下、官能性パー(ハロ)フルオロモノマー)から誘導された繰り返し単位
から本質的になることを意味するように理解される。
− C3〜C8パーフルオロオレフィン、好ましくはテトラフルオロエチレン(TFE)および/またはヘキサフルオロプロピレン(HFP);
− クロロトリフルオロエチレン(CTFE)および/またはブロモトリフルオロエチレンのようなクロロ−および/またはブロモ−および/またはヨード−C2〜C6パー(ハロ)フルオロオレフィン;
− 式CF2=CFORf1(式中、Rf1はC1〜C6パーフルオロアルキル、例えば、−CF3、−C2F5、−C3F7である)に従うパーフルオロアルキルビニルエーテル(PAVE);
− 式CF2=CFOX0(式中、X0は、パーフルオロ−2−プロポキシ−プロピルのような、1個以上のエーテル基を有するC1〜C12パーフルオロオキシアルキルである)に従うパーフルオロ−オキシアルキルビニルエーテル。
− −SO2F形態または−SO2X’’形態(式中、X’’はハロゲン(Cl、Br、I)、−O−M+(式中、M+は、H+、NH4 +、K+、Li+、Na+のなかから選択されたカチオンである)またはそれらの混合物のなかから選択される)の、好ましくは−SO2F形態のPSEPVEおよび/またはSFVEから誘導された繰り返し単位5〜20モル%、および
− TFEから誘導された繰り返し単位95〜80モル%
を含む(好ましくは、それら繰り返し単位から本質的になる)TFEコポリマーから選択される。
− −SO2F形態または−SO2X’’形態(式中、(式中、X’’はハロゲン(Cl、Br、I)、−O−M+(式中、M+は、H+、NH4 +、K+、Li+、Na+のなかから選択されたカチオンである)またはそれらの混合物のなかから選択される)の、好ましくは−SO2F形態の式(M2)の少なくとも1種の官能性パー(ハロ)フルオロモノマーから誘導された繰り返し単位5〜20モル%、および
− TFEから誘導された繰り返し単位95〜80モル%
を含む(好ましくは、それら繰り返し単位から本質的になる)TFEコポリマーである。
(1)式B−O−[CF(CF3)CF2O]b1’(CFXO)b2’−B’のパーフルオロポリエーテル
(式中、Xは−Fまたは−CF3に等しく、
BおよびB’は互いに同じであっても異なっていてもよく、−CF3、−C2F5または−C3F7から選択され、
b1’およびb2’は互いに同じであっても異なっていてもよく、独立して0以上の整数であり、b1’およびb2’が両方とも零とは異なる場合、異なる繰り返し単位は、一般に鎖に沿って統計的に分布される)。
前記生成物は特に、特許引例0009:CA第786877号明細書(MONTEDISON S.P.A.)(1968年04月06日)に記載されたようなヘキサフルオロプロピレンの光酸化、および特許引例0010:GB第1226566号明細書(MONTECATINI EDISON S.P.A.)(1971年03月31日)に記載されたような後続の末端基の転化によって得ることが可能であるか、または、特許引例0011:米国特許第3,242,218号明細書(DU PONT)(1966年03月22日)に記載されたようなイオン性ヘキサフルオロプロピレンエポキシドオリゴマー化および後続のフッ素による処理によって調製され得る。
(2)式C’−O−[CF(CF3)CF2O]c1’(C2F4O)c2’(CFX)c3’−C’’のパーフルオロポリエーテル
(式中、Xは−Fまたは−CF3に等しく、
C’およびC’’は互いに同じであっても異なっていてもよく、−CF3、−C2F5または−C3F7から選択され、
c1’、c2’およびc3’は互いに同じであっても異なっていてもよく、独立して0以上の整数であり、c1’、c2’およびc3’のうちの少なくとも2つが零とは異なる場合、異なる繰り返し単位は、一般に鎖に沿って統計的に分布される)。前記生成物は、特許引例0012:米国特許第3,665,041号明細書(MONTEDISON SPA)(1972年05月23日)に記載されたようなC3F6とC2F4の混合物の光酸化、および後続のフッ素による処理によって製造され得る。(3)式D−O−(C2F4O)d1’(CF2O)d2’−D’のパーフルオロポリエーテル
(式中、DおよびD’は互いに同じであっても異なっていてもよく、−CF3、−C2F5または−C3F7から選択され、
d1’およびd2’は互いに同じであっても異なっていてもよく、独立して0以上の整数であり、d1’およびd2’が両方とも零とは異なる場合、異なる繰り返し単位は、一般に鎖に沿って統計的に分布される)。
前記生成物は、特許引例0013:米国特許第3,715,378号明細書(MONTEDISON SPA)(1973年02月06日)で報告されたようなC2F4の光酸化、および特許引例0014:米国特許第3,665,041号明細書(MONTEDISON SPA)(1972年05月23日)に記載されたような後続のフッ素による処理によって製造され得る。
(4)式G−O−(CF2CF2CF2O)g1’−(CF2CF2CH2O)g2’−(CF2CF2CHFO)g3’−G’のパーフルオロポリエーテル
(式中、GおよびG’は互いに同じであっても異なっていてもよく、−CF3、−C2F5または−C3F7から選択され、
g1’、g2’およびg3’は互いに同じであっても異なっていてもよく、独立して0以上の整数であり、一般にg2’およびg3’は0であり、g1’、g2’およびg3’のうちの少なくとも2つが零とは異なる場合、異なる繰り返し単位は、一般に鎖に沿って統計的に分布される)。前記生成物は、特許引例0015:EP第148482A号明細書(DAIKIN INDUSTRIES)(1985年07月17日)において詳述されたように重合開始剤の存在下で2,2,3,3−テトラフルオロオキセタンを開環重合して、式−CH2CF2CF2O−の繰り返し単位を含むポリエーテルを生じさせ、そして任意に前記ポリエーテルをフッ素化および/または塩素化することにより調製され得る。
特許引例0017:米国特許出願公開第2006063903号明細書(ASAHI GLASS COMPANY)(2006年03月23日)に記載された材料に対して燃料電池運転において実質的に高まった耐久性を有利に有することを驚くべきことに見出した。
一定重量まで90℃で予備乾燥に供されたポリマー(F)の試料を50〜300μmの間の平均厚さを有するフィルムに圧縮成形する。例えばNicolet(登録商標)Nexus FT−IR装置(256走査、解像度2cm−1)を用いることにより4000cm−1〜400cm−1の間のFT−IRスペクトルを前記フィルムから記録する。
イオン交換基を有するフルオロポリマーの過酸化物種による化学侵蝕に対する抵抗を評価するために、特許引例0018:米国特許出願公開第2006063903号明細書(ASAHI GLASS COMPANY)(2006年03月23日)に記載された手順に試験試料を供した。従って、酸形態にある、イオン交換基を有するフルオロポリマーのほぼ0.1gの試験片(例えば、膜から切り出した試験片)をFe2+カチオン200ppmを含有する3%のH2O2の溶液に40℃で16時間にわたりさらした。その後、イオンクロマトグラフィを経由して溶液のフッ化物含有率を定量化し、試験された材料のフッ素の全量に関する溶出フッ化物アニオン(F−)の%で表現した。
サブセクション(a)乳化重合
22リットルのオートクレーブに以下の試薬を投入した。
− 脱イオン水11.5リットル
− 式CF2=CF−O−CF2CF2−SO2Fを有するモノマー980g
− 平均分子量521および比n/m=10を有する水中のCF2ClO(CF2CF(CF3)O)n(CF2O)mCF2COOKの5重量%溶液3100g
前記ポリマー粉末は6.3J/gの融解熱および120μmの平均粒径を有することが判明した。
乾燥ポリマーのアリコートを圧縮成形して、粉末を270℃で5分にわたり加熱することによりプレス内でフィルムを産出した。寸法10×10cmを有する正方形試験片を前記フィルムから切り出し、水中のKOH溶液(10重量%)中で24時間にわたり処理した。純水で洗浄後、正方形試験片を20重量%HNO3溶液により室温で処理した。最後にフィルムを水で洗浄した。この方法で、ポリマーを前駆体(−SO2F)形態から酸(−SO3H)形態に変換した。
実施例1からの少量(3.5mg)の半結晶質ポリマーをプレス下で圧縮成形した。そして5mmの直径および100μmの厚さを有するシートを調製する。Nicolet(登録商標)Nexus FT−IR装置を用いて4000〜400cm−1のスペクトルを記録して、末端基に関連した光学密度を測定した。試料は−COFタイプの不安定末端基14ミリモル/kgを有することが判明した。
DSC分析から測定された最終溶融温度よりほぼ5℃高い対応するヘッド温度でブラベンダーコニカル二軸スクリュー押出機を用いて実施例1により得られたポリマーの一部を押し出してペレットを得た。ペレットの幾つかを270℃で5分にわたりホットプレスして、90±5μmの厚さを有するフィルムを得た。
1.80℃の温度で合計で4時間にわたりKOH(10重量%)水溶液中で処理
2.周囲温度(25℃)で脱イオン水中でリンス
3.室温(25℃)で1時間にわたりHNO3(20重量%)水溶液中で処理
4.周囲温度(25℃)で脱イオン水中でリンス
比較例2に記載されたように得られたペレットの一部をガラス反応器に装填し、2Nl/hのフィード速度でフィードされた乾燥ヘリウム下で100℃で3時間にわたり乾燥させて、残留水分を排除した。恒温浴を用いることにより反応器内の温度を設定点で保った。その後、窒素/フッ素の1:1体積による混合物(2Nl/h)を80℃で保たれたガラス反応器にフィードした。異なる反応時間での後続のサンプリングによりフッ素化を監視した。反応から12時間後、残留末端基は4.5ミリモル/kgに近い安定状態に達することが判明し、反応時間を長くすることによって有意ないっそうの減少を達成しなかった。
Galden(登録商標)D80パーフルオロポリエーテル中に実施例1のポリマー15グラムを懸濁させることにより3重量%ポリマー(I)分散液500gを調製した。メカニカルスターラー、冷却シェルおよび水銀蒸気UV浸漬ランプ(Haereus 150W)を備えた300mlの光化学ガラス反応器に前記分散液を導入した。窒素ガス/フッ素ガスの1:1体積による混合物(2Nl/h)をUV照射下のガラス反応器に25℃で10時間にわたりフィードした。その後、残留フッ素をベントし、安定化されたポリマーを回収した。
実施例2で製造された膜を25cm2の作用面積を有する単一電池(Fuel Cell Technology(登録商標))に組み立て、Arbin(登録商標)50W試験スタンドで試験した。表面上でNAFION(登録商標)ポリマーにより処理された0.5mg/cm2のPtを有する市販のE−TEK(登録商標)LT250EWガス拡散電極を用いて膜を組み立てた。
− 反応物化学量論比:2.8空気−3.4水素(純水素、5.5グレード)
− 反応物湿度レベル:100%
− 電池温度:75℃
− 運転圧力:2.5バール絶対
比較例2、比較例3および実施例4で得られたそれぞれ膜を含む実施例5〜7に記載された燃料電池をOCV試験において試験した。
− 反応物の流量:500SCCM・空気−500SCCM・水素(純水素、5.5グレード)
− 反応物湿度レベル:50%
− 電池温度:70℃
− 運転圧力:1.5バール絶対
− 負荷電流:0アンペア
− 反応物の流量:500SCCM・カソード側の窒素−500SCCM・アノード側の水素(純水素、5.5グレード)
− 反応物湿度レベル:100%
− 電池温度:75℃
− 運転圧力:アノード側で1.5バール絶対、カソード側で1バール絶対
− 電池電圧:0.42V
Claims (11)
- イオン交換基を含む半結晶質フルオロポリマーを安定化する方法であって、
− イオン交換基を有する少なくとも1種の半結晶質フルオロポリマー[ポリマー(I)]を少なくとも1種のフッ素化有機分散媒体[媒体(M)]中に懸濁して、分散媒体(M)中のポリマー(I)の分散液(D)を得る工程と、
− UV線による照射下で前記分散液(D)をフッ素と接触させて、安定化されたポリマーを得る工程と
を含み、前記ポリマー(I)が、
− 少なくとも1個のフッ素原子を含む少なくとも1種のエチレン系不飽和モノマー(以下、フッ素化モノマー)から誘導された繰り返し単位と、
− 少なくとも1個のイオン交換基を含む少なくとも1種のエチレン系不飽和モノマー(以下、官能性モノマー)から誘導された実質的な量の繰り返し単位と
を含む、方法。 - 前記ポリマー(I)が、
(M1)式(M1)のスルホン化パーフルオロオレフィン:
(M2)式(M2)のスルホン化パーフルオロビニルエーテル:
(M3)式(M3)のスルホン化パーフルオロアルコキシビニルエーテル:
(M4)式(M4)のスルホン化芳香族(パー)フルオロオレフィン:
(M5)それらの混合物
のなかから選択される少なくとも1種のフッ素化官能性モノマーから誘導される繰り返し単位を含む請求項1に記載の方法。 - 前記ポリマー(I)が、上で詳述された式(M2)のスルホン化パーフルオロビニルエーテルおよび上で詳述された式(M3)のスルホン化パーフルオロアルコキシビニルエーテルならびにそれらの混合物のなかから選択される少なくとも1種の官能性パー(ハロ)フルオロモノマーから誘導される繰り返し単位を含むテトラフルオロエチレン(TFE)コポリマーから選択される請求項2に記載の方法。
- 前記ポリマー(I)が粉末の形態にある請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ポリマー(I)が20〜200μmの平均粒径を有する請求項4に記載の方法。
- 媒体(M)が、
(1)式B−O−[CF(CF3)CF2O]b1’(CFXO)b2’−B’
[式中、
− Xは−Fまたは−CF3に等しく、
− BおよびB’は互いに同じであっても異なっていてもよく、−CF3、−C2F5または−C3F7から選択され、
− b1’およびb2’は互いに同じであっても異なっていてもよく、独立して0以上の整数であり、b1’およびb2’が両方とも零とは異なる場合、異なる繰り返し単位は、一般に鎖に沿って統計的に分布される]
のパーフルオロポリエーテル、
(2)式C’−O−[CF(CF3)CF2O]c1’(C2F4O)c2’(CFX)c3’−C’’
[式中、− Xは−Fまたは−CF3に等しく、
− C’およびC’’は互いに同じであっても異なっていてもよく、−CF3、−C2F5または−C3F7から選択され、
− c1’、c2’およびc3’は互いに同じであっても異なっていてもよく、独立して0以上の整数であり、c1’、c2’およびc3’のうちの少なくとも2つが零とは異なる場合、異なる繰り返し単位は、一般に鎖に沿って統計的に分布される]
のパーフルオロポリエーテル、
(3)式D−O−(C2F4O)d1’(CF2O)d2’−D’
[式中、
− DおよびD’は互いに同じであっても異なっていてもよく、−CF3、−C2F5または−C3F7から選択され、
− d1’およびd2’は互いに同じであっても異なっていてもよく、独立して0以上の整数であり、d1’およびd2’が両方とも零とは異なる場合、異なる繰り返し単位は、一般に鎖に沿って統計的に分布される]
のパーフルオロポリエーテル、
(4)式G−O−(CF2CF2CF2O)g1’−(CF2CF2CH2O)g2’−(CF2CF2CHFO)g3’−G’
[式中、
− GおよびG’は互いに同じであっても異なっていてもよく、−CF3、−C2F5または−C3F7から選択され、
− g1’、g2’およびg3’は互いに同じであっても異なっていてもよく、独立して0以上の整数であり、一般にg2’およびg3’は零であり、g1’、g2’およびg3’のうちの少なくとも2つが零とは異なる場合、異なる繰り返し単位は、一般に鎖に沿って統計的に分布される)
のパーフルオロポリエーテル
のなかから選択される請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。 - − 少なくとも1個のフッ素原子を含む少なくとも1種のエチレン系不飽和モノマー(以下、フッ素化モノマー)から誘導された繰り返し単位と
− 少なくとも1個のイオン交換基を含む少なくとも1種のエチレン系不飽和モノマー(以下、官能性モノマー)から誘導された実質的な量の繰り返し単位と
を含み、
−COFタイプの不安定末端基の量が0.05ミリモル/kg未満である、イオン交換基を有する安定な半結晶質フルオロポリマー[ポリマー(F)]。 - 二価鉄イオン200ppmを含む3%過酸化水素の水溶液に、酸形態のポリマー(F)の試料を40℃で16時間にわたり接触させるフェントン試験に供した場合、前記ポリマーがポリマー(F)のフッ素の全量を基準にして7.5×10−4%未満のフッ化物アニオンの放出を示す請求項7に記載のポリマー(F)。
- 請求項1〜6のいずれか一項に記載の方法によって得られるイオン交換基を含む安定化された半結晶質フルオロポリマーまたは請求項7〜8のいずれか一項に記載の安定なポリマー(F)の、燃料電池装置における使用。
- 請求項1〜6のいずれか一項に記載の方法によって得られるイオン交換基を含む安定化された半結晶質フルオロポリマーまたは請求項7〜8のいずれか一項に記載の安定なポリマー(F)を含む膜。
- 請求項1〜6のいずれか一項に記載の方法によって得られるイオン交換基を含む安定化された半結晶質フルオロポリマーまたは請求項7〜8のいずれか一項に記載の安定なポリマー(F)を含む膜/電極接合体(MEA)。
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