JP2012162722A - スルフィナートアルキル化を介した共有結合架橋ポリマーおよびポリマー膜 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】以下の官能基:(M=ハロゲン(F,Cl,Br,I)、OR、NR2;R=アルキル、ヒドロキシアルキル、アリール;(Me=H、Li、Na、K、Cs、または他の金属陽イオンもしくはアンモニウムイオン):a)陽イオン交換基の前駆体:SO2Mおよび/またはPOM2および/またはCOM、b)スルフィナート基SO2Meを有することができ、以下の有機化合物:a)スルフィナート基SO2Meと反応する多官能性ハロアルカンまたはハロ芳香族、および/またはb)一方(ハロゲン)がスルフィナート基SO2Meと反応し、他方(−NHR)がSO2M−基と反応する化合物、および/またはc)スルフィナート基SO2Meと反応することができる化合物からなるポリマー膜。
【選択図】図1
Description
さらに、本発明の方法がこの目的に加わる。
それに対して、以下の官能基:
・スルフィナート基−SO2Me
・スルホクロリド基および/または陽イオン交換基の他の前駆体
を含むポリマーを含むポリマー溶液を調製する。さらに、二官能性またはオリゴ官能性(origofunctional)アルキル化架橋剤(典型的には、α,ω−ジハロアルカン)および任意選択的に第2級ジアミン架橋剤NHR−(CH2)x−NHRを、ポリマー溶液に添加する。スルフィナート基のアルキル化および任意選択的にポリマー中に存在するスルホハロゲニド基とジアミン架橋剤の第2級アミノ基との反応を介したスルホンアミドの形成により溶媒を蒸発する際の膜を形成する間に共有結合架橋が形成される。膜を形成後に膜を酸性および/または塩基性および/または中性水溶液で後処理する間に、陽イオン交換基の前駆体が加水分解されて陽イオン交換基が形成される。
・−SO2Mおよび/または−POM2および/または−COM(M=ハロゲン(F、Cl、Br、I)、OR、NR2;R=アルキル、ヒドロアルキル、アリール)、
架橋:
a)ポリマー−SO2−Y−SO2−ポリマー、
b)ポリマー−SO2−Y’−NR−SO2−ポリマー、
c)ポリマー−SO2−NR−Y’’−NR−SO2−ポリマー、
加水分解後では、
・−SO3M−、−PO3M2−、−COOM基、
・上記の架橋。
陽イオン交換ポリマー前駆体との混合物中のスルフィナートポリマーの共有結合架橋により、ブレンド段階でより良好に混合されるので架橋度が高くなり、陽イオン交換ポリマーおよび重合体スルフィナートから作製される共有結合架橋ポリマー(ブレンド)フィルムと比較して得られたポリマーフィルムの機械的安定性はより向上する。ポリマーの網状構造中の陽イオン交換基の前駆体と反応するアミノ基を含む架橋成分の組み込みを制御することにより、機械的特徴がさらに改良される。
本発明を、以下の2つの実施例でさらに詳細に例示する。使用した成分の重量/体積を、表1に示す。
スルホクロル化PSU Udel(商標名)(ICE=1.8meq SO2Cl/g)およびPSUSO2Li(ICE=1.95meq SO2Li/g)(ポリマーの構造については図2を参照のこと)を、N−メチルピロリジノン(NMP)に溶解する。次いで、α,ω−ジヨードブタンを架橋剤溶液に添加する。15分間撹拌後、溶液を濾過して脱気する。ポリマー溶液の薄膜をガラスプレート上にナイフコーターでコートした。ガラスプレートを減圧乾燥オーブンにおき、700から最終的に15mbarの低圧の80〜130℃の温度で溶媒を除去する。フィルムを乾燥オーブンから取り出し、冷却する。ポリマーフィルムを水中でガラスプレートから剥離し、最初に10%塩酸中で加水分解/後処理し、それぞれの水を60〜90℃で24時間完全に脱塩する。
(先行技術)
さらなる出願を基礎とする本発明は、ドイツ特許出願DE10024575.7(Kovalent vernetzte Polymere und Polymermembran via Sulfinatalkylierung)の継続出願または変更に関する。このドイツ特許の先願DE10024575.7の内容は、参照して本明細書中に取り込むことを明示する。
以下の文章は、親特許出願DE10024575.7を詳細に示す。ポリマーおよび官能基導入テクトシリケートおよび/またはフィロキシリケートおよび任意選択的に低分子化合物を含む適切な溶媒、好ましくは非プロトン性溶媒溶液の混合物を調製する。
・スルフィナート基SO2Me(Meは1価または多価金属陽イオン)、
・スルホクロリド基および/または他の陽イオン交換基の前駆体。
さらに、二官能性またはオリゴ官能性(origofunctional)アルキル化架橋剤(典型的にはα,ω−ジハロアルカン)および任意選択的に第2級ジアミン架橋ジアミンNHR−(CH2)x−NHRを混合物、好ましくはポリマー溶液に添加する。スルフィナート基のアルキル化および任意選択的なポリマー中に存在するスルホハライド基のジアミン架橋剤の第2級アミノ基との反応を介したスルホンアミドの形成によって溶媒を蒸発させ、膜形成中に共有結合架橋が形成される。膜形成後、酸性および/または塩基性および/または中性水溶液による膜処理において、イオン交換基の前駆体は加水分解および酸化されて、イオン交換基を形成する。
・SO2Mおよび/またはPOM2および/またはCOM(M=ハロゲン(F、Cl、Br、I)、OR、NR2;R=アルキル、ヒドロアルキル、アリール)、
・架橋:
a)ポリマー−SO2−Y−SO2−ポリマー、
任意選択的に、
b)ポリマー−SO2−Y’−NR−SO2−ポリマー、
c)ポリマー−SO2−NR−Y’’−NR−SO2−ポリマー、
加水分解後では、
・−SO3M−、−PO3M2−、−COOM基、
・上記の架橋。
官能基導入フィロシリケートおよび/またはテクトシリケートの存在下でのイオン交換ポリマー、特に、陽イオン交換ポリマーの前駆体と混合したスルフィナートポリマーを共有結合架橋することにより、ブレンド相が良好に混合され、架橋度もより高くなるので、得られたポリマーフィルムは陽イオン交換ポリマーおよび重合体スルフィナートから作製された共有結合ポリマー(ブレンド)フィルムと比較して機械的安定性がより高い。ポリマー網状構造への陽イオン交換基の前駆体と反応するアミノ基を有する架橋成分の封入の制御により機械的特徴がさらに改良される。
無機活性充填剤は、モントモリロナイト、スメクタイト、イライト、海泡石、パリゴルスカイト、白雲母、アレバルダイト(allevardite)、アメサイト(amesite)、ヘクトライト(hectorite)、タルク、フルオロヘクトライト(fluorohectorite)、サポナイト、ベイデライト(beidelite)、ノントロナイト(nontronite)、ステベンサイト(stevensite)、ベントナイト、マイカ、バーミキュライト、フルオロバーミキュライト、ハロイサイト、合成タルク型を含むホタル石、または2つまたはそれ以上の上記フィロシリケートのブレンドベースのフィロシリケートである。フィロシリケートの層間を剥離するか、架橋することができる。モンモリロナイトが特に好ましい。フィロシリケートの重量比は、好ましくは1〜80重量%、より好ましくは2〜30重量%、最も好ましくは5〜20重量%である。
官能基導入充填材、とくにベイデライト系及びベントナイトのゼオライト及び部材が唯一のイオン伝導性成分である場合、その重量比は通常5〜80重量%、好ましくは20〜70重量%、最も好ましくは30〜60重量%である。
用語「フィロシリケート」は、通常、SiO4四面体が二次元で無限大に網状構造に接続されたシリケートを意味する。(陰イオンの実験による形態は(SiO2O5 2−)nである)。単層膜は、その間に存在する陽イオン(天然に存在するフィロシリケートでは、通常、Na、K、Mg、Al、または/およびCa)によって互いに連結している。
スルホクロル化PSU Udel(商標名)(IEC=1.8meq SO2Cl/g)およびPSUSO2Li(IEC=1.95meq SO2Li/g)(ポリマーの構造については、図2を参照のこと)およびトリフェニルメタン色素を官能基導入したモントモリロナイトを、N−メチルピロリドン(NMP)に溶解する。次いで、架橋剤としてα,ω−ジヨードブタンを溶液に添加する。15分間撹拌後、溶液を濾過し、脱気する。ポリマー溶液の薄膜をガラスプレート上にナイフコーターでコートする。ガラスプレートを減圧乾燥オーブンに置き、80〜130℃、700mbarから最終的に15mbarの低圧下で溶媒を除去する。このフィルムを乾燥オーブンから取り出して、冷却する。ポリマーフィルムを水中でガラスプレートから剥離し、最初に10%塩酸中で加水分解/後処理し、それぞれの水を60〜90℃で24時間完全に脱塩する。
スルホクロル化PSU Udel(商標名)(IEC=1.2meq SO2Cl/g)およびPSUSO2Li(IEC=1.95meq SO2Li/g)、およびα,ω−アミノアルキルスルホクロリド(外側に面してスルホクロリド基を有する)で処理したモントモリロナイトを、N−メチルピロリドン(NMP)に溶解する。次いで、架橋剤としてα,ω−ジヨードブタンを溶液に添加する。15分間撹拌後、溶液を濾過および脱気して、実施例1に記載のように膜を処理する。
スルホクロル化PSU Udel(商標名)(IEC=1.8meq SO2Cl/g)およびPSUSO2Li(IEC=1.95meq SO2Li/g)(ポリマーの構造については、図2を参照のこと)および塩化ジルコニルで処理したモントモリロナイトを、ジメチルホルムアミド(DMSO)に溶解する。
Claims (17)
- 任意選択的に以下の官能基:(M=ハロゲン(F,Cl,Br,I)、OR、NR2;R=アルキル、ヒドロキシアルキル、アリール;Me=H、Li、Na、K、Cs、または他の金属陽イオンもしくはアンモニウムイオン):
a)陽イオン交換基の前駆体:SO2Mおよび/またはPOM2および/またはCOM、
b)スルフィナート基SO2Me
を有し、以下の有機化合物:
a)スルフィナート基SO2Meと反応することにより、得られた架橋がポリマー/ポリマーブレンド/ポリマー膜(Y=架橋)、X=ハロゲン(F、Cl、Br、I)、OR、Y=−(CH2)x−;−アリーレン−;−(CH2)x−アリーレン−;−(CH2)−アリーレン−(CH2)−、x=3〜12):ポリマー−SO2−Y−SO2−ポリマー中に存在する、二官能性、三官能性、またはオリゴ官能性(origofunctional)ハロアルカンまたはハロ芳香族、および/または
b)一方(ハロゲン−)がスルフィナート基SO2Meと反応し、他方(−NHR)がSO2M−基と反応することによって、得られた架橋がポリマー/ポリマーブレンド/ポリマー膜:ポリマー−SO2−(CH2)x−NR−SO2−ポリマー中に存在する、以下の基:ハロゲン−(CH2)x−NHRを含む化合物、および/または
c)SO2Me基と反応することによって、得られた架橋がポリマー/ポリマーブレンド/ポリマー膜:ポリマー−SO2−NR−(CH2)x−NR−SO2−ポリマー中に存在する、以下の基:NHR−(CH2)x−NHRを含む化合物と共有結合することができる、1つまたは複数のポリマーを含む共有結合架橋ポリマーまたは共有結合架橋ポリマー膜。 - 以下のポリマー:
a)少なくともSO2M基を含むポリマー、
b)少なくともSO2Me基を含むポリマーから構成されることを特徴とする、請求項1に記載の共有結合架橋ポリマーブレンドまたはポリマーブレンド膜。 - 以下の基:SO2M基およびSO2Me基を含むポリマーからなることを特徴とする、請求項1または請求項2に記載の共有結合架橋ポリマーブレンドまたはポリマーブレンド膜。
- 官能基を有する基材ポリマーがポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリエーテルエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンエーテル、ポリジフェニルフェニレンエーテル、ポリフェニレンスルフィド、またはこれらの化合物の少なくとも1つを含むコポリマーからなる群から選択されることを特徴とする、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の共有結合架橋ポリマーブレンドまたはポリマーブレンド膜。
- 基材ポリマーとして、以下のポリマー:ポリスルホン、ポリフェニレンエーテル、またはリチウム化することができる他のポリマーが好ましいことを特徴とする、請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の共有結合およびイオン結合架橋ポリマーブレンドまたはポリマーブレンド膜。
- 架橋剤としてハロゲン−(CH2)x−ハロゲンまたはハロゲン−CH2−フェニレン−CH2−ハロゲン(x=3〜12、ハロゲン=F、Cl、Br、I)が好ましいことを特徴とする、請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の共有結合架橋ポリマーブレンドまたはポリマーブレンド膜。
- 前記ポリマー/ポリマー(ブレンド)膜のSO2M基および/またはPOM2基および/またはCOM基が、以下の後処理(硬化)工程:
a)T=RT−95℃での1〜50重量%のアルカリ水溶液、
b)T=RT−95℃での完全に脱塩した水、
c)T=RT−95℃での1〜50重量%の鉱酸水溶液、
d)T=RT−95℃での完全に脱塩した水、
によって陽イオン交換基SO3Meおよび/またはPO3Me2および/またはCOOMe(Me=H、Li、Na、K、Cs、または他の金属陽イオンまたはアンモニウムイオン)に加水分解されるが、1つまたは複数の前記硬化工程を任意選択的に省略することができることを特徴とする、請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の共有結合架橋ポリマーブレンドまたはポリマーブレンド膜。 - 前記ポリマーをN,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、N,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)、N−メチルピロリドン(NMP)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、またはスルホラン(sulfolane)からなる群から選択される双極性非プロトン性溶媒中に同時または連続して溶解後、架橋剤を添加し、前記架橋剤を撹拌によって前記ポリマー溶液中で均一に分散させ、前記ポリマー溶液を濾過して脱気し、前記ポリマー溶液を薄膜として基板(ガラスプレート、金属プレート、織物、不織布など)上に広げ、前記溶媒を80〜130℃での加熱または低圧または循環エアドライヤーによって除去し、前記ポリマーフィルムを任意選択的に基板から剥離し、前記ポリマーフィルムを以下の工程:
a)T=RT−95℃での1〜50重量%のアルカリ水溶液、
b)T=RT−95℃での完全に脱塩した水、
c)T=RT−95℃での1〜50重量%の鉱酸水溶液、
d)T=RT−95℃での完全に脱塩した水によって硬化するが、1つまたは複数の前記硬化工程を任意選択的に省略することができることを特徴とする、請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の共有結合架橋ポリマー、ポリマーブレンド、またはポリマーブレンド膜の調製法。 - 電気化学的経路でエネルギーを産出するために、請求項1〜請求項8のいずれか1項に記載の膜を使用する方法。
- 0〜180℃の温度での膜燃料電池(水素または直接メタノール型燃料電池)の構成要素としての、請求項1〜請求項8のいずれか1項に記載の膜を使用する方法。
- 化学電池において、請求項1〜請求項8のいずれか1項に記載の膜を使用する方法。
- 二次電池において、請求項1〜請求項8のいずれか1項に記載の膜を使用する方法。
- 電解槽において、請求項1〜請求項8のいずれか1項に記載の膜を使用する方法。
- ガス分離法、浸透気化法、膜抽出、逆浸透法、電気透析法、および拡散透析法などの膜分離工程において、請求項1〜請求項8のいずれか1項に記載の膜を使用する方法。
- 1つまたは複数のポリマーおよびテクトシリケートおよび/またはフィロシリケートを含み、存在する前記テクトシリケートおよび/またはフィロシリケートは官能基が導入されていても導入されていなくても良く、
前記ポリマーは、以下の官能基(M=ハロゲン(F、Cl、Br、I)、OR、NR2;R=アルキル、ヒドロキシアルキル、アリール;Me=H、Li、Na、K、Cs、または他の金属陽イオンまたはアンモニウムイオン):
a)陽イオン交換基の前駆体:SO2Mおよび/またはPOM2および/またはCOM、
b)スルフィナート基SO2Me
を有することができ、以下の有機化合物:
a)スルフィナート基SO2Meと反応することにより、得られた架橋がポリマー/ポリマーブレンド/ポリマー膜(Y=架橋)、X=ハロゲン(F、Cl、Br、I)、OR、Y=−(CH2)x−;−アリーレン−;−(CH2)x−アリーレン−;−(CH2)−アリーレン−(CH2)−、x=3〜12):ポリマー−SO2−Y−SO2−ポリマー中に存在する、二官能性、三官能性、またはオリゴ官能性(origofunctional)ハロアルカンまたはハロ芳香族、および/または
b)一方(ハロゲン−)がスルフィナート基SO2Meと反応し、他方(−NHR)がSO2M−基と反応することによって、得られた架橋がポリマー/ポリマーブレンド/ポリマー膜:ポリマー−SO2−(CH2)x−NR−SO2−ポリマー中に存在する、以下の基:ハロゲン−(CH2)x−NHRを含む化合物、および/または
c)SO2Me基と反応することによって、得られた架橋がポリマー/ポリマーブレンド/ポリマー膜:ポリマー−SO2−NR−(CH2)x−NR−SO2−ポリマー中に存在する、以下の基:NHR−(CH2)x−NHRを含む化合物と共有結合することができるという点で特徴づけられる、共有結合架橋複合ポリマーまたは共有結合架橋複合ポリマー膜。 - 以下のポリマー:
a)少なくともSO2M基を含むポリマー、
b)少なくともSO2Me基を含むポリマーから構成されることを特徴とする、請求項15に記載の共有結合架橋ポリマーブレンドまたはポリマーブレンド膜。 - 以下の基:SO2M基およびSO2Me基を含むポリマーからなることを特徴とする、請求項15または請求項16に記載の共有結合架橋ポリマーブレンドまたはポリマーブレンド膜。
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