JP2013079367A - Aromatic sulfonate ester derivative, polymer containing sulfonate ester group, polyelectrolyte material using the same, polyelectrolyte molding using the same, electrolytic film with catalyst layer and polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

Aromatic sulfonate ester derivative, polymer containing sulfonate ester group, polyelectrolyte material using the same, polyelectrolyte molding using the same, electrolytic film with catalyst layer and polymer electrolyte fuel cell Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polyelectrolyte material which has an excellent proton conductivity under low humidity, is excellent in mechanical strength and chemical stability, and, when made into a polymer electrolyte fuel cell, achieves high output and excellent physical durability; and to provide a polyelectrolyte molding using the same, an electrolytic film with a catalyst layer and a polymer electrolyte fuel cell.SOLUTION: A polymer containing a sulfonate ester group is prepared by polymerization using an aromatic sulfonate ester derivative represented by a specific structure. For example, a constituent unit represented by formula (P1) is contained. (In the formula (P1), Rs represent each independently a 1-20C hydrocarbon group for each sulfonate ester group, and may include a hetero atom).

Description

本発明は、芳香族スルホン酸エステル誘導体、それを用いたスルホン酸エステル基含有ポリマー、およびそれを脱エステル化してなるスルホン酸基含有ポリマーに関するものであり、なかでも、低加湿条件下においても優れたプロトン伝導性を有し、なおかつ優れた機械強度、化学的安定性および物理的耐久性を達成することができる実用性に優れた高分子電解質材料、ならびにそれを用いた高分子電解質成型体、触媒層付き電解質膜および固体高分子型燃料電池に関するものである。   The present invention relates to an aromatic sulfonic acid ester derivative, a sulfonic acid ester group-containing polymer using the same, and a sulfonic acid group-containing polymer obtained by deesterifying the aromatic sulfonic acid ester derivative, and in particular, excellent under low humidification conditions. A polymer electrolyte material having excellent practicality capable of achieving excellent mechanical strength, chemical stability and physical durability, and a polymer electrolyte molded body using the same. The present invention relates to an electrolyte membrane with a catalyst layer and a polymer electrolyte fuel cell.

燃料電池は、水素、メタノールなどの燃料を電気化学的に酸化することによって、電気エネルギーを取り出す一種の発電装置であり、近年、クリーンなエネルギー供給源として注目されている。なかでも固体高分子型燃料電池は、標準的な作動温度が100℃前後と低く、かつ、エネルギー密度が高いことから、比較的小規模の分散型発電施設、自動車や船舶など移動体の発電装置として幅広い応用が期待されている。また、小型移動機器、携帯機器の電源としても注目されており、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの二次電池に替わり、携帯電話やパソコンなどへの搭載が期待されている。   BACKGROUND ART A fuel cell is a kind of power generation device that extracts electrical energy by electrochemically oxidizing a fuel such as hydrogen or methanol, and has recently attracted attention as a clean energy supply source. In particular, the polymer electrolyte fuel cell has a standard operating temperature as low as around 100 ° C. and a high energy density, so that it is a relatively small-scale distributed power generation facility, a mobile power generator such as an automobile or a ship. As a wide range of applications are expected. It is also attracting attention as a power source for small mobile devices and portable devices, and is expected to be installed in mobile phones and personal computers in place of secondary batteries such as nickel metal hydride batteries and lithium ion batteries.

燃料電池は通常、発電を担う反応の起こるアノードとカソードの電極と、アノードとカソード間のプロトン伝導体となる高分子電解質膜とが、膜電極複合体(以降、MEAと略称することがある。)を構成し、このMEAがセパレータによって挟まれたセルをユニットとして構成されている。高分子電解質膜は高分子電解質材料を主として構成される。高分子電解質材料は電極触媒層のバインダー等にも用いられる。   In a fuel cell, an anode electrode and a cathode electrode in which a reaction responsible for power generation occurs, and a polymer electrolyte membrane serving as a proton conductor between the anode and the cathode are sometimes referred to as a membrane electrode assembly (hereinafter, abbreviated as MEA). ) And a cell in which this MEA is sandwiched between separators is configured as a unit. The polymer electrolyte membrane is mainly composed of a polymer electrolyte material. The polymer electrolyte material is also used as a binder for the electrode catalyst layer.

高分子電解質膜の要求特性としては、第一に高いプロトン伝導性が挙げられ、特に高温低加湿条件でも高いプロトン伝導性を有する必要がある。また、高分子電解質膜は、燃料と酸素の直接反応を防止するバリアとしての機能も担うため、燃料の低透過性が要求される。その他にも燃料電池運転中の強い酸化雰囲気に耐えるための化学的安定性、薄膜化や膨潤乾燥の繰り返しに耐えうる機械強度および物理的耐久性などを挙げることができる。   The required characteristics of the polymer electrolyte membrane include firstly high proton conductivity, and it is particularly necessary to have high proton conductivity even under high temperature and low humidification conditions. In addition, since the polymer electrolyte membrane also functions as a barrier that prevents direct reaction between fuel and oxygen, low permeability of the fuel is required. Other examples include chemical stability to withstand a strong oxidizing atmosphere during fuel cell operation, mechanical strength and physical durability to withstand repeated thinning and swelling and drying.

プロトン伝導性は膜の含水量に依存するため、燃料電池としての高発電性能を発現させるためには、高湿度条件を維持する必要があった。これに伴い、加湿装置の負荷が大きくなるという問題、また氷点下では、プロトン伝導に関与する伝導膜中の水が凍結するため、プロトン伝導性が大きく低下、発電ができなくなるという問題も挙げられた。

このような問題に対して、従来パーフルオロスルホン酸系ポリマーであるナフィオン(登録商標)(デュポン社製)が高分子電解質膜に広く用いられてきた。しかしながら、ナフィオン(登録商標)は、多段階合成を経て製造されるため非常に高価であり、加えて、燃料クロスオーバーが大きいという課題があった。また膨潤乾燥によって膜の機械強度や物理的耐久性が失われるという問題、軟化点が低く高温で使用できないという問題、さらには、使用後の廃棄処理の問題や材料のリサイクルが困難といった課題が指摘されてきた。
Since proton conductivity depends on the water content of the membrane, it was necessary to maintain high humidity conditions in order to achieve high power generation performance as a fuel cell. Along with this, there was a problem that the load on the humidifier increased, and under freezing point, water in the conductive membrane involved in proton conduction was frozen, so that proton conductivity was greatly reduced and power generation could not be performed. .

Conventionally, Nafion (registered trademark) (manufactured by DuPont), which is a perfluorosulfonic acid polymer, has been widely used for polymer electrolyte membranes. However, Nafion (registered trademark) is very expensive because it is manufactured through multi-step synthesis, and in addition, there is a problem that fuel crossover is large. In addition, problems such as loss of mechanical strength and physical durability of the membrane due to swelling and drying, problems of low softening point and inability to use at high temperatures, problems of disposal treatment after use and difficulty in recycling materials are pointed out. It has been.

このような欠点を克服するために、ナフィオン(登録商標)に替わり得る安価で、膜特性に優れた炭化水素系高分子電解質膜の開発が近年活発化している。   In order to overcome such drawbacks, development of a hydrocarbon polymer electrolyte membrane that can replace Nafion (registered trademark) at low cost and excellent in membrane characteristics has recently been activated.

なかでも、低コストかつ工業規模での製造が可能な芳香族スルホン酸基含有ポリマーに着目した試みがいくつかなされている。   Among them, some attempts have been made focusing on aromatic sulfonic acid group-containing polymers that can be produced at low cost and on an industrial scale.

非特許文献1〜3には、ポリエーテルスルホン系スルホン酸基含有ポリマーについての記載がある。   Non-patent documents 1 to 3 describe a polyethersulfone-based sulfonic acid group-containing polymer.

特許文献1には、スルホン酸エステル基含有芳香族系ポリマーおよびそれを脱エステル化してなるスルホン酸基含有芳香族系ポリマーが提案されている。   Patent Document 1 proposes a sulfonic acid ester group-containing aromatic polymer and a sulfonic acid group-containing aromatic polymer obtained by deesterification thereof.

特開2005−197235号公報JP-A-2005-197235

アプライド・マテリアルズ・アンド・インターフェイスイズ(Applied Materials and Interfaces), 1, 1279, 2009.Applied Materials and Interfaces, 1, 1279, 2009. ジャーナル・オブ・ポリマー・サイエンス:パートA:ポリマー・ケミストリー(Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry), 41, 2264, 2003.Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry, 41, 2264, 2003. ジャーナル・オブ・ポリマー・サイエンス:パートA:ポリマー・ケミストリー(Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry), 46, 7332, 2008.Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry, 46, 7332, 2008.

しかしながら本発明者らは、従来技術に以下の課題があることを見いだした。非特許文献1記載のポリエーテルスルホン系スルホン酸基含有ポリマーは、疎水性ポリマー前駆体を塩素系溶媒中、クロロスルホン酸を用いてスルホン化(以後、後スルホン化とする)したものであるが、後スルホン化は、スルホン化進行に伴うポリマーの析出、加えて高分子反応ゆえに制御が難しく、高度にスルホン酸基を導入するのは困難で、発電性能に劣るものであった。さらに、活性の高いスルホン化剤の働きにより、ポリマーの劣化反応や機械的物性の低下が更なる問題として考えられた。   However, the present inventors have found that the prior art has the following problems. The polyethersulfone-based sulfonic acid group-containing polymer described in Non-Patent Document 1 is a polymer obtained by sulfonating a hydrophobic polymer precursor using chlorosulfonic acid in a chlorinated solvent (hereinafter referred to as post-sulfonation). The post-sulfonation was difficult to control due to the precipitation of the polymer as the sulfonation progressed, and in addition to the polymer reaction, and it was difficult to introduce a highly sulfonic acid group, resulting in poor power generation performance. Furthermore, due to the action of a highly active sulfonating agent, deterioration of the polymer and a decrease in mechanical properties were considered as further problems.

後スルホン化反応を用いることなく、ポリマーにスルホン酸基を導入する方法として、非特許文献2には、スルホン酸基をあらかじめ導入したモノマーを用いて重合、ポリマー化する方法が検討されている。しかしながら、スルホン酸基導入に伴い、反応途中でポリマーが析出、高いスルホン酸基密度と高分子量を両立したポリマーを得ることは困難で、発電性能と物理的耐久性に劣るものであった。さらに非特許文献3記載のスルホン酸基含有ブロックポリマーについても、高度にスルホン酸基が導入されたセグメントの有機溶媒に対する溶解性が、鎖長伸長に伴い低下、高分子量化は困難と考えられた。   As a method for introducing a sulfonic acid group into a polymer without using a post-sulfonation reaction, Non-Patent Document 2 discusses a method of polymerizing and polymerizing using a monomer having a sulfonic acid group previously introduced. However, with the introduction of the sulfonic acid group, a polymer is precipitated during the reaction, and it is difficult to obtain a polymer having both a high sulfonic acid group density and a high molecular weight, which is inferior in power generation performance and physical durability. Furthermore, with regard to the sulfonic acid group-containing block polymer described in Non-Patent Document 3, the solubility of the highly sulfonic acid group-introduced segment in the organic solvent was reduced with chain length elongation, and it was considered difficult to increase the molecular weight. .

これらに対し、特許文献1記載の、スルホン酸エステル基を含有するポリエーテルニトリル系ポリマーでは、スルホン酸基前駆体としてスルホン酸エステル基を導入することで、スルホン酸基をカップリング反応に対し不活性化、加えて原料や生成ポリマーの有機溶媒に対する溶解性を向上することで高分子化を可能としている。しかしながら、当該ポリマーはガラス転移温度の高い非晶性ポリマーを基本骨格に用いているため、脆化し、物理的耐久性に劣るものであった。加えて、吸水性の高いスルホン酸基を多く含むことによる耐熱水性、物理的耐久性低下が更なる問題として挙げられた。 このように、従来技術における高分子電解質材料は、経済性、加工性、プロトン伝導性、機械強度、化学的安定性、物理的耐久性を向上する手段としては不十分であり、産業上有用な高分子電解質膜とはなり得ていなかった。

本発明は、かかる従来技術の背景に鑑み、低加湿条件下においても優れたプロトン伝導性を有し、なおかつ機械強度および燃料遮断性に優れる上に、固体高分子型燃料電池としたときに高出力、高エネルギー密度、長期耐久性を達成可能な高分子電解質材料を与えるスルホン酸エステル基含有ポリマー、およびそれを脱エステル化してなるスルホン酸基含有ポリマー、ならびに芳香族スルホン酸エステル誘導体を提供せんとするものである。
In contrast, the polyether nitrile polymer containing a sulfonate group described in Patent Document 1 introduces a sulfonate group as a sulfonate group precursor, thereby making the sulfonate group insensitive to the coupling reaction. In addition, the polymer can be polymerized by improving the solubility of the raw material and the produced polymer in an organic solvent. However, since the polymer uses an amorphous polymer having a high glass transition temperature as a basic skeleton, the polymer becomes brittle and has poor physical durability. In addition, hot water resistance and physical durability degradation due to the inclusion of many sulfonic acid groups with high water absorption were further cited as problems. Thus, the polymer electrolyte material in the prior art is insufficient as a means for improving economy, workability, proton conductivity, mechanical strength, chemical stability, and physical durability, and is industrially useful. It could not be a polymer electrolyte membrane.

In view of the background of such prior art, the present invention has excellent proton conductivity even under low humidification conditions, and is excellent in mechanical strength and fuel shut-off property. We do not provide sulfonate group-containing polymers that provide polyelectrolyte materials that can achieve output, high energy density, and long-term durability, and sulfonate group-containing polymers obtained by deesterifying them, and aromatic sulfonate ester derivatives. It is what.

本発明は、後スルホン化反応を用いることなく、かかる課題を解決するために、次のような手段を採用するものである。すなわち、本発明の芳香族スルホン酸エステル誘導体は、下記一般式(M1)で表されることを特徴とするものである。   The present invention employs the following means in order to solve this problem without using a post sulfonation reaction. That is, the aromatic sulfonate derivative of the present invention is represented by the following general formula (M1).

Figure 2013079367
Figure 2013079367

(式(M1)中、Zは、電子求引性基を表す。Rはスルホン酸エステル基ごとにそれぞれ独立して炭素数1〜20の炭化水素基を表し、ヘテロ原子を含んでいても良い。またX、Xはハロゲン原子を表す。)
また、本発明のスルホン酸エステル基含有ポリマーはかかる芳香族スルホン酸エステル誘導体を用いて重合してなること、ならびに下記一般式(P1)で表される構成単位を含有することを特徴とするものである。
(In formula (M1), Z represents an electron withdrawing group. R represents a hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms independently for each sulfonate group, and may contain a hetero atom. X 1 and X 2 each represent a halogen atom.)
The sulfonic acid ester group-containing polymer of the present invention is characterized by being polymerized using such an aromatic sulfonic acid ester derivative and containing a structural unit represented by the following general formula (P1). It is.

Figure 2013079367
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(式(P1)中、Rはスルホン酸エステル基ごとにそれぞれ独立して炭素数1〜20の炭化水素基を表し、ヘテロ原子を含んでいても良い。) さらに、本発明の高分子電解質材料、それを用いた高分子電解質成型体、触媒層付き電解質膜および固体高分子型燃料電池は、かかるスルホン酸エステル基含有ポリマーを脱エステル化してなるスルホン酸基含有ポリマーを用いて構成されることを特徴とするものである。 (In the formula (P1), each R independently represents a hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms for each sulfonate group and may contain a hetero atom.) Furthermore, the polymer electrolyte material of the present invention The polymer electrolyte molded body using the same, the electrolyte membrane with a catalyst layer, and the solid polymer fuel cell are composed of a sulfonic acid group-containing polymer obtained by deesterifying the sulfonic acid ester group-containing polymer. It is characterized by.


本発明の芳香族スルホン酸エステル誘導体を用いて重合したスルホン酸エステル基含有ポリマー、ならびにそれを脱エステル化してなるスルホン酸基含有ポリマーから構成される高分子電解質材料によれば、低加湿条件下における優れたプロトン伝導性および高い機械強度、高い化学的安定性と、固体高分子型燃料電池としたときの高出力性能や優れた物理的耐久性を達成可能であり、それを用いた高分子電解質成型体、触媒層付き電解質膜および固体高分子型燃料電池を提供することができる。

According to the polymer electrolyte material composed of the sulfonic acid ester group-containing polymer polymerized using the aromatic sulfonic acid ester derivative of the present invention, and the sulfonic acid group-containing polymer obtained by deesterification of the polymer, under low humidification conditions, Excellent proton conductivity, high mechanical strength, high chemical stability, and high output performance and excellent physical durability when used as a polymer electrolyte fuel cell. An electrolyte molded body, an electrolyte membrane with a catalyst layer, and a polymer electrolyte fuel cell can be provided.

以下、本発明について詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail.

本発明は、前記課題克服に向け、鋭意検討を重ねた結果、芳香族スルホン酸エステル誘導体、およびそれを用いて重合したスルホン酸エステル基含有ポリマーならびに特定の構造を有するスルホン酸エステル基含有ポリマーが、脱エステル化を経てスルホン酸基に誘導された場合に、高分子電解質材料、特に燃料電池用電解質膜として、低加湿条件下を含むプロトン伝導性と発電特性、製膜性などの加工性、耐酸化性、耐ラジカル性、耐加水分解性などの化学的安定性、膜の機械強度、耐熱水性などの物理的耐久性において優れた性能を発現でき、かかる課題を一挙に解決できることを究明したものである。

すなわち、本発明の芳香族スルホン酸エステル誘導体は、下記一般式(M1)で表されることを特徴とするものである。
As a result of intensive studies aimed at overcoming the above problems, the present invention provides an aromatic sulfonate ester derivative, a sulfonate group-containing polymer polymerized using the same, and a sulfonate group-containing polymer having a specific structure. , When induced to a sulfonic acid group via deesterification, as a polymer electrolyte material, particularly an electrolyte membrane for a fuel cell, proton conductivity including low humidification conditions and power generation characteristics, processability such as film forming properties, It has been found that it is possible to express excellent performance in chemical stability such as oxidation resistance, radical resistance, hydrolysis resistance, etc., mechanical strength of the membrane, physical durability such as hot water resistance, and to solve such problems all at once. Is.

That is, the aromatic sulfonate derivative of the present invention is represented by the following general formula (M1).

Figure 2013079367
Figure 2013079367

(式(M1)中、Zは、電子求引性基を表し、Rはスルホン酸エステル基ごとにそれぞれ独立して炭素数1〜20の炭化水素基を表し、ヘテロ原子を含んでいても良い。またX、Xはハロゲン原子を表す。)
ここで、X、Xの具体例として、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素が挙げられるが、なかでも反応性の点で、フッ素、塩素がより好ましく、フッ素が最も好ましい。また、電子求引性基Zの具体例としては、−CO−、−CONH−、−(CF−(nは1〜10の整数)、−C(CF−、−COO−、−SO−、−SO−、−PO(R)−(Rは任意の有機基)などが挙げられるが、中でも、−CO−、−(CF−(nは1〜10の整数)、−C(CF−、−SO−、−PO(R)−(Rは任意の有機基)が好ましく、化学的安定性とコストの点から、−CO−、−SO−がより好ましく、物理的耐久性の点から−CO−が最も好ましい。
(In formula (M1), Z represents an electron-withdrawing group, R represents a C1-C20 hydrocarbon group each independently for every sulfonate group, and may contain the hetero atom. X 1 and X 2 each represent a halogen atom.)
Here, specific examples of X 1 and X 2 include fluorine, chlorine, bromine, and iodine. Among them, fluorine and chlorine are more preferable, and fluorine is most preferable in terms of reactivity. Specific examples of the electron withdrawing group Z include —CO—, —CONH—, — (CF 2 ) n — (n is an integer of 1 to 10), —C (CF 3 ) 2 —, —COO. —, —SO 2 —, —SO—, —PO (R 1 ) — (wherein R 1 is an arbitrary organic group), and the like, among others, —CO—, — (CF 2 ) n — (n is 1 10 integer), - C (CF 3) 2 -, - SO 2 -, - PO (R 1) - (R 1 is any organic group) it is preferable, from the viewpoint of chemical stability and cost, - CO -, - SO 2 - is more preferable, from the viewpoint of physical durability -CO- are most preferred.

本発明の芳香族スルホン酸エステル誘導体は、電子吸引性基Zの効果で、化学的安定性に優れる上、スルホン酸エステル基含有ポリマーとしたときに、有機溶媒に対する溶解性が向上、良好な重合、製膜を可能にし、脱エステル化によりスルホン酸基含有ポリマーとしたときに、プロトン伝導度高く、耐久性に優れた電解質膜とすることができる。 ここで、前記有機溶媒とは、高分子電解質材料を溶解し、その後に除去し得るものであればよく、例えば、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、スルホラン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、ヘキサメチルホスホントリアミド等の非プロトン性極性溶媒、γ−ブチロラクトン、酢酸ブチルなどのエステル系溶媒、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートなどのカーボネート系溶媒、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等のアルキレングリコールモノアルキルエーテル、あるいはイソプロパノールなどのアルコール系溶媒、水およびこれらの混合物が好適に用いられるが、重合性、溶解性の点で非プロトン性極性溶媒が最も好ましい。

Rとしては、スルホン酸エステル基ごとにそれぞれ異なっていてもよく、炭素数1〜20の炭化水素基ならびにヘテロ原子を含む炭化水素基を表す。好ましくは、炭素数4〜20の炭化水素基(ヘテロ原子を含んでいても良い)であり、具体的には、tert-ブチル基、iso-ブチル基、n-ブチル基、sec−ブチル基、ネオペンチル基、シクロペンチル基、ヘキシル基、シクロヘキシル基、シクロペンチルメチル基、シクロヘキシルメチル基、アダマンチル基、アダマンチルメチル基、2−エチルヘキシル基、ビシクロ[2.2.1]ヘプチル基、ビシクロ[2.2.1]ヘプチルメチル基、テトラヒドロフルフリル基、2−メチルブチル基、3,3−ジメチル−2,4−ジオキソランメチル基などの直鎖状炭化水素基、分岐状炭化水素基、脂環式炭化水素基に加え、フェニル基、ナフチル基、ビフェニル基、フルオレニル基などの炭化水素系アリーレン基、ピリジル基、キノキサリル基、チオフェニル基などのヘテロアリーレン基などが挙げられる。これらのうち、n−ブチル基、iso-ブチル基、ネオペンチル基、テトラヒドロフルフリル基、シクロペンチルメチル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、シクロヘキシルメチル基、アダマンチルメチル基、ビシクロ[2、2、1]ヘプチルメチル基、フェニル基、ナフチル基、およびビフェニル基が好ましく、合成の容易さ、重合を阻害しない点でネオペンチル基、フェニル基がより好ましく、ネオペンチル基が最も好ましい。
The aromatic sulfonic acid ester derivative of the present invention is excellent in chemical stability due to the effect of the electron-withdrawing group Z, and has improved solubility in organic solvents and good polymerization when used as a sulfonic acid ester group-containing polymer. When an sulfonic acid group-containing polymer is made possible by deesterification, an electrolyte membrane having high proton conductivity and excellent durability can be obtained. Here, the organic solvent is not particularly limited as long as it dissolves the polymer electrolyte material and can be removed thereafter. For example, N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, sulfolane, 1 , 3-dimethyl-2-imidazolidinone, aprotic polar solvents such as hexamethylphosphonetriamide, ester solvents such as γ-butyrolactone and butyl acetate, carbonate solvents such as ethylene carbonate and propylene carbonate, ethylene glycol monomethyl ether , Ethylene glycol monoethyl ether, propylene glycol monomethyl ether, alkylene glycol monoalkyl ethers such as propylene glycol monoethyl ether, alcohol solvents such as isopropanol, water and Mixtures et is preferably used, polymerizable, aprotic polar solvents in terms of solubility is most preferred.

R may be different for each sulfonate group, and represents a hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms and a hydrocarbon group containing a hetero atom. Preferably, it is a C4-C20 hydrocarbon group (which may contain a hetero atom), specifically, a tert-butyl group, an iso-butyl group, an n-butyl group, a sec-butyl group, Neopentyl group, cyclopentyl group, hexyl group, cyclohexyl group, cyclopentylmethyl group, cyclohexylmethyl group, adamantyl group, adamantylmethyl group, 2-ethylhexyl group, bicyclo [2.2.1] heptyl group, bicyclo [2.2.1 ] Straight chain hydrocarbon group such as heptylmethyl group, tetrahydrofurfuryl group, 2-methylbutyl group, 3,3-dimethyl-2,4-dioxolanemethyl group, branched hydrocarbon group, alicyclic hydrocarbon group In addition, hydrocarbon arylene groups such as phenyl, naphthyl, biphenyl, and fluorenyl, pyridyl, quinoxalyl, and thiof Such heteroarylene groups, such as alkenyl groups. Among these, n-butyl group, iso-butyl group, neopentyl group, tetrahydrofurfuryl group, cyclopentylmethyl group, cyclopentyl group, cyclohexyl group, cyclohexylmethyl group, adamantylmethyl group, bicyclo [2,2,1] heptylmethyl Group, phenyl group, naphthyl group, and biphenyl group are preferable, and neopentyl group and phenyl group are more preferable, and neopentyl group is most preferable in view of ease of synthesis and polymerization.

但し、前記炭化水素系アリーレン基、ヘテロアリーレン基は、任意の置換基を有していても良い。置換基としては、メチル基、エチル基、tert-ブチル基、iso-ブチル基、n-ブチル基、sec−ブチル基、ネオペンチル基、シクロペンチル基、ヘキシル基、シクロヘキシル基、シクロペンチルメチル基、シクロヘキシルメチル基、アダマンチル基、アダマンチルメチル基、2−エチルヘキシル基、ビシクロ[2.2.1]ヘプチル基、ビシクロ[2.2.1]ヘプチルメチル基、テトラヒドロフルフリル基、2−メチルブチル基、3,3−ジメチル−2,4−ジオキソランメチル基などの直鎖状炭化水素基、分岐状炭化水素基、脂環式炭化水素基に加え、それらの酸素原子誘導体、硫黄原子誘導体、窒素原子誘導体などのヘテロ原子誘導体、更にはニトロ基などのヘテロ基が挙げられる。前記誘導体の具体例として、メトキシ基、エトキシ基、チオメトキシ基、チオエトキシ基、ジメチルアミノ基などが挙げられるが、これらの例に限定されない。   However, the hydrocarbon-based arylene group and heteroarylene group may have an arbitrary substituent. Substituents include methyl group, ethyl group, tert-butyl group, iso-butyl group, n-butyl group, sec-butyl group, neopentyl group, cyclopentyl group, hexyl group, cyclohexyl group, cyclopentylmethyl group, cyclohexylmethyl group , Adamantyl group, adamantylmethyl group, 2-ethylhexyl group, bicyclo [2.2.1] heptyl group, bicyclo [2.2.1] heptylmethyl group, tetrahydrofurfuryl group, 2-methylbutyl group, 3,3- In addition to linear hydrocarbon groups such as dimethyl-2,4-dioxolane methyl group, branched hydrocarbon groups and alicyclic hydrocarbon groups, hetero atoms such as oxygen atom derivatives, sulfur atom derivatives and nitrogen atom derivatives thereof Derivatives, and further hetero groups such as nitro groups. Specific examples of the derivative include a methoxy group, an ethoxy group, a thiomethoxy group, a thioethoxy group, and a dimethylamino group, but are not limited to these examples.

上記一般式(M1)におけるRは、上記スルホン酸エステル誘導体を合成する際に使用するアルコールに由来する。特に、第一級アルコールを用いる場合、該第一級アルコールのβ−炭素は、三級あるいは四級炭素原子であることが好ましく、四級炭素原子であることがより好ましい。この場合、該炭素原子は、重合工程において優れた安定性を有し、重合を阻害したり、脱エステル化により発生したスルホン酸による架橋反応を誘発することもない。また、Rとして前記アリーレン基を有するスルホン酸エステル誘導体を合成する際は、当該アリーレン基に対応する芳香族系のアルコールを用いれば良く、当該工程により合成されたスルホン酸エステル誘導体についても、重合工程において優れた安定性を有する。   R in the general formula (M1) is derived from an alcohol used when the sulfonate derivative is synthesized. In particular, when a primary alcohol is used, the β-carbon of the primary alcohol is preferably a tertiary or quaternary carbon atom, and more preferably a quaternary carbon atom. In this case, the carbon atom has excellent stability in the polymerization process, and does not inhibit the polymerization or induce a crosslinking reaction by a sulfonic acid generated by deesterification. Moreover, when synthesizing the sulfonic acid ester derivative having the arylene group as R, an aromatic alcohol corresponding to the arylene group may be used, and the sulfonic acid ester derivative synthesized by the step is also a polymerization step. Has excellent stability.

本発明の芳香族スルホン酸エステル誘導体としては、合成の容易さ、物理的耐久性の点で、下記一般式(M2)で表されるものがより好ましい。   As the aromatic sulfonic acid ester derivative of the present invention, those represented by the following general formula (M2) are more preferable from the viewpoint of ease of synthesis and physical durability.

Figure 2013079367
Figure 2013079367

(式(M2)中、Rはスルホン酸エステル基ごとにそれぞれ独立して炭素数1〜20の炭化水素基を表し、ヘテロ原子を含んでいても良い。)
次に本発明のスルホン酸エステル基含有ポリマーについて説明する。
(In formula (M2), each R independently represents a hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms for each sulfonate group, and may contain a hetero atom.)
Next, the sulfonate group-containing polymer of the present invention will be described.

本発明のスルホン酸エステル基含有ポリマーは、前記一般式(M1)で表される芳香族スルホン酸エステル誘導体を用いて重合してなることを特徴とするものである。また前記一般式(M1)で表される芳香族スルホン酸エステル誘導体を用いて重合したことで明らかになったが、それに限らず特定の構造を有することを特徴とするものである。   The sulfonic acid ester group-containing polymer of the present invention is characterized by being polymerized using the aromatic sulfonic acid ester derivative represented by the general formula (M1). Moreover, although it became clear by superposing | polymerizing using the aromatic sulfonic acid ester derivative represented by the said general formula (M1), it has not only that but a specific structure, It is characterized by the above-mentioned.

その具体例としては、スルホン酸エステル基含有芳香族ポリエーテルケトン類、スルホン酸エステル基含有芳香族ポリエーテルスルホン類、スルホン酸エステル基含有芳香族ポリエーテルホスフィンオキシド類、スルホン酸エステル基含有芳香族ポリスルフィドケトン類、スルホン酸エステル基含有芳香族ポリスルフィドスルホン類、スルホン酸エステル基含有芳香族ポリスルフィドホスフィンオキシド類、スルホン酸エステル基含有ポリアリーレン類などの芳香族系ポリマーを挙げることが出来る。   Specific examples thereof include sulfonic acid ester group-containing aromatic polyether ketones, sulfonic acid ester group-containing aromatic polyether sulfones, sulfonic acid ester group-containing aromatic polyether phosphine oxides, and sulfonic acid ester group-containing aromatics. Aromatic polymers such as polysulfide ketones, sulfonic acid ester group-containing aromatic polysulfide sulfones, sulfonic acid ester group-containing aromatic polysulfide phosphine oxides, and sulfonic acid ester group-containing polyarylenes can be exemplified.

なかでも、コストの点から、スルホン酸エステル基含有芳香族ポリエーテルケトン類、スルホン酸エステル基含有芳香族ポリエーテルスルホン類、スルホン酸エステル基含有芳香族ポリエーテルホスフィンオキシド類、スルホン酸エステル基含有ポリアリーレン類がより好ましく、さらに好ましくは、スルホン酸エステル基含有芳香族ポリエーテルケトン類、スルホン酸エステル基含有芳香族ポリエーテルスルホン類、最も好ましくは、スルホン酸エステル基含有芳香族ポリエーテルケトン類である。   Among them, from the viewpoint of cost, aromatic polyether ketones containing sulfonic acid ester groups, aromatic polyether sulfones containing sulfonic acid ester groups, aromatic polyether phosphine oxides containing sulfonic acid ester groups, and containing sulfonic acid ester groups Polyarylenes are more preferred, sulfonic acid ester group-containing aromatic polyether ketones, sulfonic acid ester group-containing aromatic polyether sulfones, most preferably sulfonic acid ester group-containing aromatic polyether ketones It is.

これらスルホン酸エステル基含有芳香族ポリエーテルは、前記一般式(M1)で表される芳香族スルホン酸エステル誘導体(ジハライド化合物)と任意の2価フェノール化合物との芳香族求核置換反応により合成することが可能である。2価のフェノール化合物は、特に限定されるものではなく、化学的安定性、物理的耐久性、コスト等を考慮して適宜選択することができる。また、本発明の効果に悪影響を及ぼさない範囲で、これらの2価フェノール化合物にスルホン酸エステル基が導入されたものをモノマーとして用いることもできるが、反応性の点でスルホン酸エステル基を持たない方がより好ましい。 本発明に用いる2価フェノール化合物の好適な具体例としては、下記一般式(Y−1)〜(Y−30)で表される2価フェノール化合物が挙げられる。なお、これら2価フェノール化合物のヘテロ原子誘導体である2価チオール化合物も好適な例である。電子密度が高く、重合の反応性が高い2価フェノール化合物では、一般式(Y−1)〜(Y−5)で表される2価フェノール化合物が好ましく、より好ましくは(Y−1)〜(Y−3)で表される2価フェノール化合物であり、(Y−1)で表される2価フェノール化合物がさらに好ましい。   These sulfonic acid ester group-containing aromatic polyethers are synthesized by an aromatic nucleophilic substitution reaction between the aromatic sulfonic acid ester derivative (dihalide compound) represented by the general formula (M1) and an arbitrary dihydric phenol compound. It is possible. The divalent phenol compound is not particularly limited, and can be appropriately selected in consideration of chemical stability, physical durability, cost, and the like. In addition, these dihydric phenol compounds into which a sulfonic acid ester group is introduced can be used as a monomer as long as they do not adversely affect the effects of the present invention, but they have a sulfonic acid ester group in terms of reactivity. More preferably not. Specific examples of suitable divalent phenol compounds used in the present invention include divalent phenol compounds represented by the following general formulas (Y-1) to (Y-30). Divalent thiol compounds that are heteroatom derivatives of these divalent phenol compounds are also suitable examples. Among divalent phenol compounds having a high electron density and high polymerization reactivity, divalent phenol compounds represented by general formulas (Y-1) to (Y-5) are preferred, and more preferably (Y-1) to It is a divalent phenol compound represented by (Y-3), and a divalent phenol compound represented by (Y-1) is more preferable.

一方、電子吸引性基を有し、化学的安定性に優れる2価フェノール化合物としては、下記式(Y−10)〜(Y−11)、(Y−13)〜(Y−15)が挙げられる。なか
でも、合成の容易さの点で、(Y−10)、(Y−11)、(Y−13)、(Y−14)、(Y−15)で表される2価フェノール化合物が好ましく、結晶性、寸法安定性の点で、(Y−10)、(Y−14)、(Y−15)で表される2価フェノール化合物がより好ましく、(Y−14)で表される2価フェノール化合物が最も好ましい。
On the other hand, the following formulas (Y-10) to (Y-11) and (Y-13) to (Y-15) are listed as divalent phenol compounds having an electron-withdrawing group and excellent in chemical stability. It is done. Of these, divalent phenol compounds represented by (Y-10), (Y-11), (Y-13), (Y-14), and (Y-15) are preferable from the viewpoint of ease of synthesis. In terms of crystallinity and dimensional stability, divalent phenol compounds represented by (Y-10), (Y-14), and (Y-15) are more preferred, and 2 represented by (Y-14). Most preferred are polyhydric phenol compounds.

下記一般式(Y−1)〜(Y−30)で表される2価フェノール化合物のなかでも、下記一般式(Y−14)で表される2価フェノール化合物が化学的安定性と物理的安定性の点で最も好ましい。   Among the dihydric phenol compounds represented by the following general formulas (Y-1) to (Y-30), the dihydric phenol compound represented by the following general formula (Y-14) has chemical stability and physical properties. Most preferable in terms of stability.

Figure 2013079367
Figure 2013079367

(一般式(Y−1)〜(Y−5)で表される2価フェノール化合物は、任意に置換されていてもよいが、スルホン酸エステル基は含まない。 (The divalent phenol compound represented by the general formulas (Y-1) to (Y-5) may be optionally substituted, but does not include a sulfonic acid ester group.

Figure 2013079367
Figure 2013079367

(一般式(Y−6)〜(Y−9)で表される2価フェノール化合物は、任意に置換されていてもよいが、nは1以上の整数を表す。) (The divalent phenol compounds represented by the general formulas (Y-6) to (Y-9) may be optionally substituted, but n represents an integer of 1 or more.)

Figure 2013079367
Figure 2013079367

(一般式(Y−10)〜(Y−19)で表される2価フェノール化合物は、任意に置換されていてもよいが、nおよびmは1以上の整数、Rpは任意の有機基を表す。) (The dihydric phenol compounds represented by the general formulas (Y-10) to (Y-19) may be optionally substituted, but n and m are integers of 1 or more, and Rp is an arbitrary organic group. Represents.)

Figure 2013079367
Figure 2013079367

(一般式(Y−20)〜(Y−30)で表される2価フェノール化合物は、任意に置換されていてもよい。)

例えば、一般式(M1)で表される芳香族スルホン酸エステル誘導体(ジハライド化合物)と一般式(Y−14)で表される2価フェノール化合物との芳香族求核置換反応により得られる構成単位は、下記一般式(P1)で表され、本発明のスルホン酸エステル基含有ポリマーの構成単位として特に好ましい具体例である。
(The dihydric phenol compounds represented by the general formulas (Y-20) to (Y-30) may be optionally substituted.)

For example, a structural unit obtained by an aromatic nucleophilic substitution reaction of an aromatic sulfonic acid ester derivative (dihalide compound) represented by the general formula (M1) and a divalent phenol compound represented by the general formula (Y-14) Is represented by the following general formula (P1), and is a particularly preferred specific example as a constituent unit of the sulfonate group-containing polymer of the present invention.

Figure 2013079367
Figure 2013079367

(式(P1)中、Rはスルホン酸エステル基ごとにそれぞれ独立して炭素数1〜20の炭化水素基を表し、ヘテロ原子を含んでいても良い。)
本発明におけるスルホン酸エステル基含有ポリマーの好ましい態様のひとつは、前記一般式(P1)で表される構成単位を有するスルホン酸エステル基含有ポリマーである。一般式(P1)で表される構成単位を含まない場合、有機溶媒に対する溶解性が低下し、重合、製膜が困難になり、本発明の効果が十分に得られない場合があり好ましくない。
(In formula (P1), each R independently represents a hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms for each sulfonate group and may contain a hetero atom.)
One of the preferable embodiments of the sulfonate group-containing polymer in the present invention is a sulfonate group-containing polymer having a structural unit represented by the general formula (P1). When the structural unit represented by the general formula (P1) is not included, the solubility in an organic solvent is lowered, polymerization and film formation become difficult, and the effects of the present invention may not be sufficiently obtained, which is not preferable.

さらに本発明のスルホン酸エステル基含有ポリマーにおける、前記一般式(P1)で表される構成単位の含有量は20重量%以上であることが好ましい。(P1)で表される構成単位の含有量が20重量%未満である場合は、本発明の効果である耐熱水性、物理的耐久性とプロトン伝導性を両立できない場合があり好ましくない。 本発明のスルホン酸エステル基含有ポリマーに使用する保護基としては、有機合成で一般的に用いられる保護基があげられ、該保護基とは、後の段階で除去することを前提に、一時的に導入される置換基であり、反応性の高い官能基を保護し、その後の反応に対して不活性とするものであり、反応後に脱保護して元の官能基に戻すことのできるものである。すなわち、保護される官能基と対となるものであり、例えばt − ブチル基を水酸基の保護基として用いる場合があるが、同じt − ブチル基がアルキレン鎖に導入されている場合は、これを保護基とは呼ばない。保護基を導入する反応を保護( 反応) 、除去する反応を脱保護( 反応) と呼称される。   Furthermore, the content of the structural unit represented by the general formula (P1) in the sulfonate group-containing polymer of the present invention is preferably 20% by weight or more. When the content of the structural unit represented by (P1) is less than 20% by weight, the hot water resistance, physical durability, and proton conductivity that are the effects of the present invention may not be compatible, which is not preferable. Examples of the protective group used in the sulfonate group-containing polymer of the present invention include a protective group generally used in organic synthesis. The protective group is temporarily removed on the assumption that it is removed at a later stage. It is a substituent that is introduced into, which protects a highly reactive functional group and renders it inert to the subsequent reaction, and can be deprotected after the reaction to return to the original functional group. is there. That is, it is a pair with a functional group to be protected. For example, a t-butyl group may be used as a protective group for a hydroxyl group, but when the same t-butyl group is introduced into an alkylene chain, It is not called a protecting group. The reaction for introducing a protecting group is called protection (reaction), and the reaction for removal is called deprotection (reaction).

このような保護反応としては、例えば、セオドア・ダブリュー・グリーン( T h e o d o r a W. G r e e n e) 、「プロテクティブ グループス イン オーガニック シンセシス」( P r o te c t i v e G r o u p s i n O r g a n i c S y n t h e s i s) 、米国、ジョン ウイリー アンド サンズ( J oh n W i l e y & S o n s , I n c) 、1 9 8 1 、に詳しく記載されており、これらが好ましく使用できる。保護反応および脱保護反応の反応性や収率、保護基含有状態の安定性、製造コスト等を考慮して適宜選択することが可能である。また、重合反応において保護基を導入する段階としては、モノマー段階からでも、オリゴマー段階からでも、ポリマー段階でもよく、適宜選択することが可能である。   Such protection reactions include, for example, Theodora W. G reene, “Protective Groups in Organic Synthesis”, US, John Willy and Sands (John Wiley & Sons, Inc), 198 1, are described in detail, and these can be preferably used. It can be appropriately selected in consideration of the reactivity and yield of the protection reaction and deprotection reaction, the stability of the protecting group-containing state, the production cost, and the like. In addition, the stage for introducing a protecting group in the polymerization reaction may be selected from the monomer stage, the oligomer stage, or the polymer stage, and can be appropriately selected.

保護反応の具体例を挙げるとすれば、ケトン部位をアセタールまたはケタール部位で保護/ 脱保護する方法、ケトン部位をアセタールまたはケタール部位のヘテロ原子類似体、例えばチオアセタールやチオケタール、で保護/ 脱保護する方法が挙げられる。これらの方法については、「プロテクティブ グループス イン オーガニック シンセシス」( P r o t e c t i v e G r o u p s i n O r g a n i c S y n t h e s i s) のチャプター4 に記載されている。しかしながら、これらに限定されることなく、好ましく使用できる。一般的な溶剤に対する溶解性を向上させ、結晶性を低減する点では、立体障害が大きいという点で脂肪族基、特に環状部分を含む脂肪族基が保護基として好ましく用いられ、ケトン部位の保護基としては、アセタール基、ケタール基が特に好ましく用いられる。 本発明においては、前記一般式(P1)で表されるスルホン酸基含有ポリマーを得るために、2価フェノール化合物に保護基を導入し、重合後または成型後に脱保護せしめて、一般式(P1)で表される構造に変換することも好ましい。保護基を有する2価フェノール化合物の好適な具体例としては、反応性と化学的安定性の点から、下記一般式(r1)〜(r10)で表される化合物、並びにこれらの2価フェノール化合物由来の誘導体を挙げることができる。   Specific examples of the protection reaction include protecting / deprotecting the ketone moiety with an acetal or ketal moiety, and protecting / deprotecting the ketone moiety with a heteroatom analog of the acetal or ketal moiety, such as thioacetal or thioketal. The method of doing is mentioned. These methods are described in Chapter 4 of “Protective Groups in Organic Synthesis” (P rot e c t i v e G r o u ps i n O r g a n iC Snt h e s i s). However, it is not limited to these and can be preferably used. In terms of improving solubility in general solvents and reducing crystallinity, an aliphatic group, particularly an aliphatic group containing a cyclic moiety, is preferably used as a protective group in terms of large steric hindrance, and protects the ketone moiety. As the group, an acetal group and a ketal group are particularly preferably used. In the present invention, in order to obtain the sulfonic acid group-containing polymer represented by the general formula (P1), a protective group is introduced into the dihydric phenol compound, and after the polymerization or molding, the deprotection is performed. It is also preferable to convert to a structure represented by Preferred specific examples of the dihydric phenol compound having a protecting group include compounds represented by the following general formulas (r1) to (r10), and these dihydric phenol compounds from the viewpoint of reactivity and chemical stability. Derivatives can be mentioned.

Figure 2013079367
Figure 2013079367

これら2価フェノール化合物のなかでも、安定性の点から一般式(r4)〜(r10)で表される化合物がより好ましく、さらに好ましくは一般式(r4)、(r5)および(r9)で表される化合物、最も好ましくは一般式(r4)で表される化合物である。

また、本発明のスルホン酸エステル基含有ポリマーは、少なくとも前記一般式(P1)で表される構成単位を有するセグメント(A1)とイオン性基を含有しない構成単位を有するセグメント(A2)とを有し、共重合様式がブロック共重合であることが好ましい。
Among these dihydric phenol compounds, the compounds represented by the general formulas (r4) to (r10) are more preferable from the viewpoint of stability, and more preferably the compounds represented by the general formulas (r4), (r5), and (r9). The compound represented by the general formula (r4) is most preferred.

The sulfonate group-containing polymer of the present invention has at least a segment (A1) having a structural unit represented by the general formula (P1) and a segment (A2) having a structural unit not containing an ionic group. The copolymerization mode is preferably block copolymerization.

本発明において、ブロック共重合とは、2種類以上の異なるセグメントを共重合する様式を表し、またセグメントとは、ブロック共重合体中の部分構造であって、1種類の繰り返し単位または複数種類の繰り返し単位の組合せからなるものであり、分子量が2000以上のものを表す。本発明のブロック共重合体からなるスルホン酸エステル基含有ポリマーは、一般式(P1)で表されるスルホン酸エステル基を含有するセグメントとともに、イオン性基を含有しないセグメントとを有するが、本発明におけるイオン性基とは、加水分解などの脱エステル化処理で、イオン性基に誘導可能な置換基、例えば、本発明のスルホン酸エステル基などを包含する。また「イオン性基を含有しないセグメント」という記載は、当該セグメントが本発明の効果に悪影響を及ぼさない範囲で、前記イオン性基を少量含んでいても構わないことを意味する。以下「イオン性基を含有しない」は同様の意味で用いる場合がある。 本発明のブロック共重合体からなるスルホン酸エステル基含有ポリマーを脱エステル化して誘導されるスルホン酸基含有ポリマーは、2種類以上の互いに不相溶なセグメント鎖、すなわち、スルホン酸基を含有する親水性セグメントと、イオン性基を含有しない疎水性セグメントが連結され、1つのポリマー鎖を形成したものである。ブロック共重合体においては、化学的に異なるセグメント鎖間の反発から生じる短距離相互作用により、それぞれのセグメント鎖からなるナノまたはミクロドメインに相分離し、セグメント鎖がお互いに共有結合していることから生じる長距離相互作用の効果により、各ドメインが特定の秩序を持って配置せしめられる。各セグメント鎖からなるドメインが集合して作り出す高次構造は、ナノまたはミクロ相分離構造と呼ばれ、高分子電解質膜のイオン伝導については、膜中におけるイオン伝導セグメントの空間配置、すなわち、ナノまたはミクロ相分離構造が重要になる。ここで、ドメインとは、1本または複数のポリマー鎖において、類似するセグメントが凝集してできた塊のことを意味する。   In the present invention, the block copolymer represents a mode in which two or more different segments are copolymerized, and the segment is a partial structure in the block copolymer, and includes one type of repeating unit or a plurality of types of repeating units. It consists of a combination of repeating units and represents a molecular weight of 2000 or more. The sulfonate group-containing polymer comprising the block copolymer of the present invention has a segment containing a sulfonate group represented by the general formula (P1) and a segment not containing an ionic group. The ionic group in includes a substituent that can be derived into an ionic group by a deesterification treatment such as hydrolysis, for example, the sulfonate group of the present invention. In addition, the description “a segment not containing an ionic group” means that the segment may contain a small amount of the ionic group as long as the segment does not adversely affect the effects of the present invention. Hereinafter, “does not contain an ionic group” may be used in the same meaning. The sulfonic acid group-containing polymer derived by deesterifying the sulfonic acid ester group-containing polymer comprising the block copolymer of the present invention contains two or more types of mutually incompatible segment chains, that is, sulfonic acid groups. A hydrophilic segment and a hydrophobic segment not containing an ionic group are linked to form one polymer chain. In block copolymers, the short-chain interaction resulting from repulsion between chemically different segment chains causes phase separation into nano- or micro-domains consisting of each segment chain, and the segment chains are covalently bonded to each other. Each domain is arranged in a specific order by the effect of the long-range interaction resulting from. A higher-order structure created by combining domains composed of segment chains is called a nano- or micro-phase separation structure, and for ion conduction of a polymer electrolyte membrane, the spatial arrangement of ion-conducting segments in the membrane, that is, nano or The microphase separation structure becomes important. Here, the domain means a mass formed by aggregating similar segments in one or a plurality of polymer chains.

中でもとりわけ、本発明のブロック共重合体からなるスルホン酸エステル基含有ポリマーは、さらに前記セグメント間を連結するリンカー部位を1個以上含有することがより好ましい。ここで、リンカーとは、スルホン酸エステル基を含有するセグメント(A1)と、イオン性基を含有しないセグメント(A2)との間を連結する部位であって、スルホン酸エステル基を含有するセグメント(A1)やイオン性基を含有しないセグメント(A2)とは異なる化学構造を有する部位と定義する。このリンカーは、エーテル交換反応によるランダム化、セグメント切断、副反応を抑制しながら、異なるセグメント間の連結を可能とするため、構造制御されたブロック共重合体の合成、延いては制御されたミクロ相分離構造を発現せしめるのに必要となる。リンカーがない場合には、ランダム化等のセグメント切断が起こる場合があるために、本発明の効果が十分に得られないことがある。   Especially, it is more preferable that the sulfonate group-containing polymer comprising the block copolymer of the present invention further contains one or more linker sites for connecting the segments. Here, the linker is a site connecting the segment (A1) containing a sulfonate group and the segment (A2) containing no ionic group, and a segment containing a sulfonate group ( It is defined as a site having a different chemical structure from A1) and the segment (A2) not containing an ionic group. This linker enables the linkage between different segments while suppressing randomization, segment cleavage and side reactions due to the ether exchange reaction. Necessary for developing a phase separation structure. In the absence of a linker, segment cleavage such as randomization may occur, and the effects of the present invention may not be sufficiently obtained.

本発明のブロック共重合体からなるスルホン酸エステル基含有ポリマー、およびそれを脱エステル化してなるスルホン酸基含有ポリマーの化学構造、セグメント鎖長、分子量、イオン交換容量などを適宜選択することにより、高分子電解質材料の加工性、ドメインサイズ、結晶性/非晶性、機械強度、プロトン伝導性、寸法安定性等の諸特性を制御することが可能である。

次に、本発明のブロック共重合体について、好ましい具体例を挙げる。本発明のブロック共重合体は、スルホン酸エステル基を脱エステル化してなるスルホン酸基を含有する親水性セグメントがドメインを形成することで、高分子電解質材料や高分子電解質膜として、幅広い湿度条件で高いプロトン伝導度を示す。 本発明のスルホン酸エステル基を含有するブロック共重合体において、脱エステル化によりスルホン酸基とした場合のイオン交換容量は、プロトン伝導性と耐水性のバランスから、0.1〜5meq/gが好ましく、より好ましくは1meq/g以上、最も好ましくは1.4meq/g以上である。また、3.5meq/g以下がより好ましく、最も好ましくは3meq/g以下である。イオン交換容量が0.1meq/gより小さい場合には、プロトン伝導性が不足する場合があり、5meq/gより大きい場合には、耐水性が不足する場合がある。
By appropriately selecting the chemical structure, segment chain length, molecular weight, ion exchange capacity, etc. of the sulfonic acid ester group-containing polymer comprising the block copolymer of the present invention and the sulfonic acid group-containing polymer obtained by deesterification thereof, It is possible to control various properties such as processability, domain size, crystallinity / amorphity, mechanical strength, proton conductivity, and dimensional stability of the polymer electrolyte material.

Next, a preferable specific example is given about the block copolymer of this invention. The block copolymer of the present invention has a wide range of humidity conditions as a polymer electrolyte material or a polymer electrolyte membrane by forming a domain of a hydrophilic segment containing a sulfonic acid group obtained by deesterifying a sulfonic acid ester group. Shows high proton conductivity. In the block copolymer containing a sulfonate group of the present invention, the ion exchange capacity when converted to a sulfonate group by deesterification is 0.1 to 5 meq / g from the balance of proton conductivity and water resistance. More preferably, it is 1 meq / g or more, and most preferably 1.4 meq / g or more. Moreover, 3.5 meq / g or less is more preferable, Most preferably, it is 3 meq / g or less. When the ion exchange capacity is less than 0.1 meq / g, proton conductivity may be insufficient, and when it is greater than 5 meq / g, water resistance may be insufficient.

ここで、イオン交換容量とは、ブロック共重合体、高分子電解質材料、および高分子電解質膜の単位乾燥重量当たりに導入されたスルホン酸基のモル量であり、この値が大きいほどスルホン化の度合いが高いことを示す。イオン交換容量は、元素分析、中和滴定法等により測定が可能である。元素分析法を用い、S/C比から算出することもできるが、スルホン酸基以外の硫黄源を含む場合などは測定することが難しい。従って、本発明においては、イオン交換容量は、中和滴定法により求めた値と定義する。本発明の高分子電解質材料、および高分子電解質膜は、本発明のブロック共重合体とそれ以外の成分からなる複合体である態様を含むが、その場合もイオン交換容量は複合体の全体量を基準として求めるものとする。   Here, the ion exchange capacity is the molar amount of sulfonic acid groups introduced per unit dry weight of the block copolymer, polymer electrolyte material, and polymer electrolyte membrane. Indicates a high degree. The ion exchange capacity can be measured by elemental analysis, neutralization titration method or the like. It can also be calculated from the S / C ratio using elemental analysis, but it is difficult to measure when a sulfur source other than sulfonic acid groups is included. Therefore, in the present invention, the ion exchange capacity is defined as a value obtained by the neutralization titration method. The polymer electrolyte material of the present invention and the polymer electrolyte membrane include an embodiment in which the block copolymer of the present invention and other components are included. In this case, the ion exchange capacity is the total amount of the complex. As a standard.

中和滴定の測定例は、以下のとおりである。測定は3回以上行ってその平均値を取るものとする。
(1)プロトン置換し、純粋で十分に洗浄した電解質膜の膜表面の水分を拭き取った後、100℃にて12h以上真空乾燥し、乾燥重量を求める。
(2)電解質に5wt%硫酸ナトリウム水溶液を50mL加え、12h静置してイオン交換する。
(3)0.01mol/L水酸化ナトリウム水溶液を用いて、生じた硫酸を滴定する。指示薬として市販の滴定用フェノールフタレイン溶液0.1w/v% を加え、薄い赤紫色になった点を終点とする。
(4)イオン交換容量は下記の式により求める。
The measurement example of neutralization titration is as follows. The measurement is performed three times or more and the average value is taken.
(1) After wiping off the moisture on the surface of the electrolyte membrane that has been proton-substituted and thoroughly washed, vacuum-dry at 100 ° C. for 12 hours or longer to obtain the dry weight.
(2) Add 50 mL of 5 wt% sodium sulfate aqueous solution to the electrolyte, and leave it for 12 hours to exchange ions.
(3) The resulting sulfuric acid is titrated with 0.01 mol / L sodium hydroxide aqueous solution. A commercially available phenolphthalein solution for titration 0.1 w / v% is added as an indicator, and the point at which it becomes light reddish purple is the end point.
(4) The ion exchange capacity is determined by the following formula.

イオン交換容量(meq/g)=
〔水酸化ナトリウム水溶液の濃度(mmol/ml)×滴下量(ml)〕/試料の乾燥重量(g)
このようにして得られる本発明のブロック共重合体の分子量は、ポリスチレン換算重量平均分子量で、5万〜100万、好ましくは10万〜60万である。5万未満では、成型した膜にクラックが発生するなど機械強度、物理的耐久性、耐溶剤性のいずれかが不十分な場合がある。一方、100万を超えると、溶解性が不十分となり、また溶液粘度が高く、加工性が不良になるなどの問題が生じることがある。
Ion exchange capacity (meq / g) =
[Concentration of sodium hydroxide aqueous solution (mmol / ml) × Drip amount (ml)] / Dry weight of sample (g)
The molecular weight of the block copolymer of the present invention thus obtained is 50,000 to 1,000,000, preferably 100,000 to 600,000 in terms of polystyrene-converted weight average molecular weight. If it is less than 50,000, any of mechanical strength, physical durability, and solvent resistance may be insufficient, such as cracking in the molded film. On the other hand, if it exceeds 1,000,000, the solubility may be insufficient, the solution viscosity may be high, and the processability may be deteriorated.

本発明のブロック共重合体としては、スルホン酸エステル基を含有するセグメント(A1)と、イオン性基を含有しないセグメント(A2)のモル組成比(A1/A2)が、0.2以上であることがより好ましく、0.33以上がさらに好ましく、0.5以上が最も好ましい。また、5以下がより好ましく、3以下がさらに好ましく2.5以下が最も好ましい。モル組成比A1/A2が、0.2未満あるいは5を越える場合には、本発明の効果が不十分となる場合があり、低加湿条件下でのプロトン伝導性が不足したり、耐熱水性や物理的耐久性が不足する場合があるので好ましくない。ここで、モル組成比(A1/A2)とは、セグメント(A1)中に存在する繰り返し単位のモル数とセグメント(A2)中に存在する繰り返し単位のモル数の比を表す。またモル計算は、例えばスルホン酸エステル基を含有するセグメント(A1)がスルホン酸エステル基を含有する構成単位(P1)からなる場合、セグメントの数平均分子量を対応する構成単位(P1)の分子量で除することにより行うが、この例に限定されるものでない。   As the block copolymer of the present invention, the molar composition ratio (A1 / A2) of the segment (A1) containing a sulfonate group and the segment (A2) containing no ionic group is 0.2 or more. Is more preferably 0.33 or more, and most preferably 0.5 or more. Moreover, 5 or less is more preferable, 3 or less is more preferable, and 2.5 or less is the most preferable. When the molar composition ratio A1 / A2 is less than 0.2 or exceeds 5, the effect of the present invention may be insufficient, proton conductivity under low humidification conditions may be insufficient, This is not preferable because physical durability may be insufficient. Here, the molar composition ratio (A1 / A2) represents the ratio of the number of moles of repeating units present in the segment (A1) to the number of moles of repeating units present in the segment (A2). In addition, for example, when the segment (A1) containing a sulfonic acid ester group is composed of a structural unit (P1) containing a sulfonic acid ester group, the molar calculation is the molecular weight of the corresponding structural unit (P1) with the number average molecular weight of the segment. However, the present invention is not limited to this example.

スルホン酸エステル基を含有するセグメント(A1)を脱エステル化してなるスルホン酸基を含有するセグメントのイオン交換容量は、低加湿条件下でのプロトン伝導性の点から、高いことが好ましく、より好ましくは2.0meq/g以上、さらに好ましくは、2.5meq/g以上、最も好ましくは3.0meq/g以上である。また、6meq/g以下がより好ましく、4.5meq/g以下がさらに好ましく、最も好ましくは4.0meq/g以下である。スルホン酸エステル基を含有するセグメント(A1)を脱エステル化してなるスルホン酸基を含有するセグメントのイオン交換容量が2.0meq/g未満の場合には、低加湿条件下でのプロトン伝導性が不足する場合があり、6meq/gを越える場合には、耐熱水性や物理的耐久性が不足する場合があるので好ましくない。   The ion exchange capacity of the segment containing the sulfonic acid group obtained by deesterifying the segment (A1) containing the sulfonic acid ester group is preferably high, more preferably from the viewpoint of proton conductivity under low humidification conditions. Is 2.0 meq / g or more, more preferably 2.5 meq / g or more, and most preferably 3.0 meq / g or more. Moreover, 6 meq / g or less is more preferable, 4.5 meq / g or less is more preferable, Most preferably, it is 4.0 meq / g or less. When the ion exchange capacity of the segment containing the sulfonic acid group obtained by deesterifying the segment (A1) containing the sulfonic acid ester group is less than 2.0 meq / g, the proton conductivity under the low humidification condition is If it exceeds 6 meq / g, the hot water resistance and physical durability may be insufficient.

イオン性基を含有しないセグメント(A2)のイオン交換容量は、耐熱水性、機械強度、寸法安定性、物理的耐久性の点から、低いことが好ましく、より好ましくは1meq/g以下、さらに好ましくは0.5meq/g、最も好ましくは0.1meq/g以下である。イオン性基を含有しないセグメント(A2)のイオン交換容量が1meq/gを越える場合には、耐熱水性、機械強度、寸法安定性、物理的耐久性が不足する場合があるので好ましくない。   The ion exchange capacity of the segment (A2) containing no ionic group is preferably low from the viewpoint of hot water resistance, mechanical strength, dimensional stability, and physical durability, more preferably 1 meq / g or less, and still more preferably 0.5 meq / g, most preferably 0.1 meq / g or less. When the ion exchange capacity of the segment (A2) not containing an ionic group exceeds 1 meq / g, the hot water resistance, mechanical strength, dimensional stability, and physical durability may be insufficient.

イオン性基を含有しないセグメントとしては、化学的に安定な上、強い分子間凝集力から結晶性を示す構成単位がより好ましく、機械強度、寸法安定性、物理的耐久性に優れたブロック共重合体を得ることができる。   As a segment that does not contain an ionic group, a structural unit that is chemically stable and exhibits crystallinity due to strong intermolecular cohesion is more preferable, and a block co-polymer with excellent mechanical strength, dimensional stability, and physical durability. Coalescence can be obtained.

すなわち本発明においては、前記イオン性基を含有しない構成単位が下記一般式(P2)で表される場合が特に好ましい。   That is, in the present invention, it is particularly preferable that the structural unit not containing the ionic group is represented by the following general formula (P2).

Figure 2013079367
Figure 2013079367

(一般式(P2)中、Ar〜Arは任意の2価のアリーレン基を表し、任意に置換されていても良いが、イオン性基を含有しない。Ar〜Arは互いに独立して2種類以上のアリーレン基が用いられても良い。*は一般式(P2)または他の構成単位との結合部位を表す。)
ここで、Ar〜Arとして好ましい2価のアリーレン基は、フェニレン基、ナフチレン基、ビフェニレン基、フルオレンジイル基などの炭化水素系アリーレン基、ピリジンジイル、キノキサリンジイル、チオフェンジイルなどのヘテロアリーレン基などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。Ar〜Arはイオン性基を含有せず、またイオン性基以外の基で置換されていてもよいが、無置換である方がプロトン伝導性、化学的安定性、物理的耐久性の点でより好ましい。さらに、好ましくはフェニレン基で、最も好ましくはp−フェニレン基である。 イオン性基を含有しないセグメント(A2)が含有する一般式(P2)で表される構成単位のより好ましい具体例としては、原料入手性の点で、下記一般式(О1)で表される構成単位が挙げられる。中でも、結晶性による機械強度、寸法安定性、物理的耐久性の点から、下記式(P3)で表される構成単位がさらに好ましい。イオン性基を含有しないセグメント(A2)中に含まれる一般式(P2)で表される構成単位の含有量としては、より多い方が好ましく、20モル%以上がより好ましく、50モル%以上がさらに好ましく、80モル%以上が最も好ましい。含有量が20モル%未満である場合には、結晶性による機械強度、寸法安定性、物理的耐久性に対する本発明の効果が不足する場合があり好ましくない。
(In the general formula (P2), Ar 1 to Ar 4 represent an arbitrary divalent arylene group and may be optionally substituted, but do not contain an ionic group. Ar 1 to Ar 4 are independent of each other. Two or more types of arylene groups may be used, and * represents a bonding site with the general formula (P2) or other structural unit.)
Here, preferable divalent arylene groups as Ar 1 to Ar 4 are hydrocarbon arylene groups such as phenylene group, naphthylene group, biphenylene group, and fluorenediyl group, and heteroarylenes such as pyridinediyl, quinoxalinediyl, and thiophenediyl. Examples include, but are not limited to, groups. Ar 1 to Ar 4 do not contain an ionic group and may be substituted with a group other than the ionic group, but the non-substituted one has proton conductivity, chemical stability, and physical durability. More preferable in terms. Furthermore, a phenylene group is preferable, and a p-phenylene group is most preferable. As a more preferable specific example of the structural unit represented by the general formula (P2) contained in the segment (A2) not containing an ionic group, a structure represented by the following general formula (O1) in terms of raw material availability Units are listed. Among these, from the viewpoint of mechanical strength due to crystallinity, dimensional stability, and physical durability, a structural unit represented by the following formula (P3) is more preferable. As content of the structural unit represented by general formula (P2) contained in the segment (A2) which does not contain an ionic group, the more one is preferable, 20 mol% or more is more preferable, 50 mol% or more is more preferable. More preferably, 80 mol% or more is most preferable. When the content is less than 20 mol%, the effects of the present invention on the mechanical strength, dimensional stability, and physical durability due to crystallinity may be insufficient, which is not preferable.

Figure 2013079367
Figure 2013079367

イオン性基を含有しないセグメント(A2)として、一般式(P2)で表される構成単位以外に共重合せしめる構成単位の好ましい例は、ケトン基を含む芳香族ポリエーテル系重合体、すなわち、下記一般式(Q1)で示される構成単位を有するもので、イオン性基を含有しないものが挙げられる。   As the segment (A2) not containing an ionic group, a preferred example of a structural unit that is copolymerized in addition to the structural unit represented by the general formula (P2) is an aromatic polyether polymer containing a ketone group, that is, What has a structural unit shown by general formula (Q1), and does not contain an ionic group is mentioned.

Figure 2013079367
Figure 2013079367

(一般式(Q1)中のZ、Zは芳香環を含む2価の有機基を表し、それぞれが2種類以上の基を表しても良いが、イオン性基は含まない。aおよびbはそれぞれ独立に正の整数を表す。)
一般式(Q1)中のZおよびZとして好ましい有機基としては、Zがフェニレン基、かつ、Zが下記一般式(X−1)、(X−2)、(X−4)、(X−5)から選ばれた少なくとも1種であることがより好ましい。また、イオン性基以外の基で置換されていてもよいが、無置換である方が結晶性付与の点でより好ましい。ZおよびZとしては、さらに好ましくはフェニレン基、最も好ましくはp−フェニレン基である
(Z 1 and Z 2 in the general formula (Q1) each represent a divalent organic group containing an aromatic ring, and each of them may represent two or more groups, but does not include an ionic group. Each independently represents a positive integer.)
As preferred organic groups as Z 1 and Z 2 in the general formula (Q1), Z 1 is a phenylene group, and Z 2 is the following general formula (X-1), (X-2), (X-4) , (X-5) is more preferable. Moreover, although you may substitute by groups other than an ionic group, the direction where it is unsubstituted is more preferable at the point of crystallinity provision. Z 1 and Z 2 are more preferably a phenylene group, most preferably a p-phenylene group.

Figure 2013079367
Figure 2013079367

(一般式(X−1)、(X−2)、(X−4)、(X−5)で表される基は、イオン性基以外の基で任意に置換されていてもよい。)。 (The groups represented by the general formulas (X-1), (X-2), (X-4), and (X-5) may be optionally substituted with a group other than an ionic group). .

前記一般式(Q1)で示される構成単位の好適な具体例としては、下記一般式(Q2)〜(Q7)で示される構成単位などを挙げることができるが、これらに限定されることなく、結晶性や機械強度を考慮して適宜選択することが可能である。なかでも、結晶性と製造コストの点から、前記一般式(Q1)で示される構成単位としては、下記一般式(Q2)、(Q3)、(Q6)、(Q7)がより好ましく、前記一般式(Q2)、(Q7)が最も好ましい。   Specific examples of the structural unit represented by the general formula (Q1) include the structural units represented by the following general formulas (Q2) to (Q7), but are not limited thereto. It is possible to select appropriately in consideration of crystallinity and mechanical strength. Among these, from the viewpoint of crystallinity and production cost, the structural unit represented by the general formula (Q1) is more preferably the following general formulas (Q2), (Q3), (Q6), and (Q7). Formulas (Q2) and (Q7) are most preferable.

Figure 2013079367
Figure 2013079367

(一般式(Q2)〜(Q7)は、全てパラ位で表しているが、結晶性を有するものであれば、オルト位やメタ位等他の結合位置を含んでも構わない。ただし、結晶性の観点からパラ位がより好ましい。)

前記(P1)と同様に、本発明の前記一般式(P2)、(Q1)、(P3)で表されるイオン性基を含有しないセグメントを得るために、2価フェノール化合物に保護基を導入し、重合後または成型後に脱保護せしめて、一般式(P2)、(Q1)、(P3)で表される構造に変換することも好ましい。保護基を有する2価フェノール化合物の好適な具体例としては、反応性と化学的安定性の点から、前記一般式(r1)〜(r10)で表される化合物、並びにこれらの2価フェノール化合物由来の誘導体を挙げることができる。 これら2価フェノール化合物のなかでも、安定性の点から一般式(r4)〜(r10)で表される化合物がより好ましく、さらに好ましくは一般式(r4)、(r5)および(r9)で表される化合物、最も好ましくは一般式(r4)で表される化合物である。スルホン酸エステル基を含有するセグメント、イオン性基を含有しないセグメントの数平均分子量は、相分離構造のドメインサイズに関係し、低加湿でのプロトン伝導性と物理的耐久性のバランスから、0.5万以上がより好ましく、さらに好ましくは1万以上、最も好ましくは1.5万以上である。また、5万以下がより好ましく、さらに好ましくは、4万以下、最も好ましくは3万以下である。
(General formulas (Q2) to (Q7) are all represented in the para position, but may have other bonding positions such as ortho and meta positions as long as they have crystallinity. The para position is more preferable from the viewpoint of

As in the case of (P1), a protective group is introduced into the dihydric phenol compound in order to obtain a segment not containing the ionic group represented by the general formulas (P2), (Q1), and (P3) of the present invention. It is also preferable to deprotect after polymerization or molding and convert the structure to the structure represented by the general formula (P2), (Q1), or (P3). Preferred specific examples of the dihydric phenol compound having a protecting group include compounds represented by the above general formulas (r1) to (r10), and these dihydric phenol compounds from the viewpoint of reactivity and chemical stability. Derivatives can be mentioned. Among these dihydric phenol compounds, the compounds represented by the general formulas (r4) to (r10) are more preferable from the viewpoint of stability, and more preferably the compounds represented by the general formulas (r4), (r5), and (r9). The compound represented by the general formula (r4) is most preferred. The number average molecular weight of the segment containing a sulfonic acid ester group and the segment not containing an ionic group is related to the domain size of the phase separation structure. From the balance between proton conductivity and physical durability at low humidification, the number average molecular weight is 0. More preferably, it is 50,000 or more, more preferably 10,000 or more, and most preferably 15,000 or more. Moreover, 50,000 or less is more preferable, More preferably, it is 40,000 or less, Most preferably, it is 30,000 or less.

本発明のブロック共重合体は、セグメント長比の制御により、透過型電子顕微鏡観察で共連続またはラメラ様の相分離構造を観察することができる。ブロック共重合体の相分離構造、つまりスルホン酸エステル基から脱エステル化により誘導されるスルホン酸基を含有するセグメントとイオン性基を含有しないセグメントの凝集状態およびその形状を制御することによって、低加湿条件下においても優れたプロトン伝導性を実現できる。相分離構造は透過型電子顕微鏡(TEM)や原子間力顕微鏡(AFM)等によって分析することが可能である。   The block copolymer of the present invention can observe a co-continuous or lamellar-like phase separation structure by transmission electron microscope observation by controlling the segment length ratio. By controlling the phase separation structure of the block copolymer, that is, the aggregation state and the shape of the segments containing sulfonic acid groups derived from sulfonic acid ester groups by deesterification and the segments not containing ionic groups, Excellent proton conductivity can be achieved even under humidified conditions. The phase separation structure can be analyzed with a transmission electron microscope (TEM), an atomic force microscope (AFM), or the like.

本発明のブロック共重合体としては、TEMによる観察を5万倍で行った場合に、相分離構造が観察され、画像処理により計測した平均層間距離または平均粒子間距離が8nm以上、300nm以下であるものが好ましい。中でも、平均層間距離または平均粒子間距離が10nm以上、100nm以下がより好ましく、最も好ましくは15nm以上、50nm以下である。透過型電子顕微鏡によって相分離構造が観察されない、または、平均層間距離または平均粒子間距離が8nm未満である場合には、イオンチャンネルの連続性が不足し、伝導度が不足する場合があるので好ましくない。また、層間距離が5000nmを越える場合には、機械強度や寸法安定性が不良となる場合があり、好ましくない。   As the block copolymer of the present invention, when observed by TEM at 50,000 times, a phase separation structure is observed, and the average interlayer distance or average interparticle distance measured by image processing is 8 nm or more and 300 nm or less. Some are preferred. Among these, the average interlayer distance or the average interparticle distance is more preferably 10 nm or more and 100 nm or less, and most preferably 15 nm or more and 50 nm or less. When the phase separation structure is not observed by a transmission electron microscope, or when the average interlayer distance or the average interparticle distance is less than 8 nm, the continuity of the ion channel may be insufficient and the conductivity may be insufficient. Absent. Further, when the interlayer distance exceeds 5000 nm, the mechanical strength and dimensional stability may be deteriorated, which is not preferable.

本発明に係るスルホン酸エステル基含有ポリマーを対応するスルホン酸エステル含有ポリマーに誘導する脱エステル化法は、例えば、
(1) トリフルオロ酢酸などの強酸中で前記スルホン酸エステル基含有ポリマーを8 0 〜 1 2 0 ℃ 程度の温度で5 〜 1 0時間程度反応させる方法
(2) 少量の塩酸を含む過剰量の水またはアルコールに、前記スルホン酸エステル基含有ポリマーを投入し、5 分以上撹拌する方法
(3) スルホン酸エステル基含有ポリマー中のスルホン酸エステル基1 モルに対して1 〜 3 倍モルのリチウムブロマイドまたは4級ハロゲン化有機アンモニウム塩を含む溶液中で、前記スルホン酸エステル基含有ポリマーを8 0 〜 1 5 0 ℃ 程度の温度で3 〜 1 0 時間程度反応させた後、酸添加によりプロトン置換する方法
(4)少量の水酸化ナトリウムを含む過剰量の水またはアルコールに、前記スルホン酸エステル基含有ポリマーを投入し、5分以上攪拌した後、酸添加によりプロトン置換する方法
などを挙げることができるが、この例に限定されるものでない。
The deesterification method for derivatizing a sulfonate group-containing polymer according to the present invention into a corresponding sulfonate ester-containing polymer includes, for example,
(1) A method of reacting the sulfonic acid ester group-containing polymer in a strong acid such as trifluoroacetic acid at a temperature of about 80 to 120 ° C. for about 5 to 10 hours. (2) An excess amount containing a small amount of hydrochloric acid. A method of adding the sulfonic acid ester group-containing polymer to water or alcohol and stirring for 5 minutes or more (3) 1 to 3 moles of lithium bromide with respect to 1 mol of sulfonic acid ester groups in the sulfonic acid ester group-containing polymer Alternatively, in a solution containing a quaternary halogenated organic ammonium salt, the sulfonic acid ester group-containing polymer is reacted at a temperature of about 80 to 15 ° C. for about 3 to 10 hours, and then subjected to proton substitution by acid addition. Method (4) The sulfonate group-containing polymer is charged into an excess amount of water or alcohol containing a small amount of sodium hydroxide, After stirring over minute, there may be mentioned a method of proton substitution by acid addition, not limited to this example.

また脱エステル化の進行は、NMRや前記中和滴定法より見積もられるイオン交換容量で確認することができ、ポリマー中のスルホン酸エステル基のうち90%以上がスルホン酸基に変換されていることが好ましい。   The progress of deesterification can be confirmed by the ion exchange capacity estimated by NMR or the neutralization titration method, and 90% or more of the sulfonic acid ester groups in the polymer are converted to sulfonic acid groups. Is preferred.

本発明のスルホン酸エステル基含有ポリマーまたは脱エステル化より誘導されたスルホン酸基含有ポリマーを高分子膜に成型する方法に特に制限はないが、溶液状態より製膜する方法あるいは溶融状態より製膜する方法等が可能である。前者では、たとえば、該ポリマーをN−メチル−2−ピロリドン等の溶媒に溶解し、その溶液をガラス板等の上に流延塗布、溶媒を除去することにより製膜する方法が例示できる。   There is no particular limitation on the method of molding the sulfonic acid ester group-containing polymer of the present invention or the sulfonic acid group-containing polymer derived from deesterification into a polymer film, but the method of forming a film from a solution state or forming a film from a molten state The method of doing etc. is possible. Examples of the former include a method of forming a film by dissolving the polymer in a solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone, casting the solution on a glass plate or the like, and removing the solvent.

製膜に用いる溶媒としては、前記ポリマーを溶解し、その後に除去し得るものであればよく、例えば、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド、スルホラン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、ヘキサメチルホスホントリアミド等の非プロトン性極性溶媒、γ−ブチロラクトン、酢酸ブチルなどのエステル系溶媒、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートなどのカーボネート系溶媒、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等のアルキレングリコールモノアルキルエーテル、あるいはイソプロパノールなどのアルコール系溶媒、水およびこれらの混合物が好適に用いられるが、非プロトン性極性溶媒が最も溶解性が高く好ましい。   The solvent used for film formation is not particularly limited as long as it dissolves the polymer and can be removed thereafter. For example, N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethyl Aprotic polar solvents such as sulfoxide, sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, hexamethylphosphontriamide, ester solvents such as γ-butyrolactone and butyl acetate, carbonate solvents such as ethylene carbonate and propylene carbonate , Ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, propylene glycol monomethyl ether, alkylene glycol monoalkyl ether such as propylene glycol monoethyl ether, or alcohol such as isopropanol Lumpur solvents, water and mixtures thereof is preferably used, is preferred for high highest solubility aprotic polar solvent.

また、本発明において、ブロック共重合体を使用する場合には、溶媒の選択は相分離構造に対して重要であり、非プロトン性極性溶媒と極性の低い溶媒を混合して使用することも好適な方法である。   In the present invention, when a block copolymer is used, the selection of the solvent is important for the phase separation structure, and it is also preferable to use a mixture of an aprotic polar solvent and a low polarity solvent. It is a simple method.

必要な固形分濃度に調製したポリマー溶液を常圧の濾過もしくは加圧濾過などに供し、高分子電解質溶液中に存在する異物を除去することは強靱な膜を得るために好ましい方法である。ここで用いる濾材は特に限定されるものではないが、ガラスフィルターや金属性フィルターが好適である。該濾過で、ポリマー溶液が通過する最小のフィルターの孔径は、1μm以下が好ましい。濾過を行わないと異物の混入を許すこととなり、膜破れが発生したり、耐久性が不十分となるので好ましくない。   It is a preferable method to obtain a tough membrane by subjecting the polymer solution prepared to a required solid content concentration to normal pressure filtration or pressure filtration to remove foreign substances present in the polymer electrolyte solution. The filter medium used here is not particularly limited, but a glass filter or a metallic filter is suitable. In the filtration, the pore size of the minimum filter through which the polymer solution passes is preferably 1 μm or less. If filtration is not carried out, foreign matter is allowed to enter, and film breakage occurs or durability becomes insufficient.

本発明において、アセタールおよび/ またはケタール基などで保護したケトン部位の少なくとも一部を脱保護せしめ、ケトン部位とする方法は特に限定されるものではない。前記脱保護反応は、不均一又は均一条件下に水及び酸の存在下において行うことが可能であるが、機械強度や耐溶剤性の観点からは、膜状等に成型した後で酸処理する方法がより好ましい。具体的には、成型された膜を硫酸水溶液中に浸漬することにより脱保護することが可能であり、酸の濃度や水溶液の温度については適宜選択することができる。   In the present invention, the method for deprotecting at least a part of the ketone moiety protected with an acetal and / or ketal group to form a ketone moiety is not particularly limited. The deprotection reaction can be carried out in the presence of water and acid under non-uniform or uniform conditions, but from the viewpoint of mechanical strength and solvent resistance, it is acid-treated after being formed into a film or the like. The method is more preferred. Specifically, it is possible to deprotect the molded membrane by immersing it in an aqueous sulfuric acid solution, and the acid concentration and the aqueous solution temperature can be appropriately selected.

ポリマーに対して必要な酸性水溶液の重量比は、好ましくは1〜100倍であるけれども更に大量の水を使用することもできる。酸触媒は好ましくは存在する水の0.1〜50重量% の濃度において使用する。好適な酸触媒としては塩酸、硝酸、フルオロスルホン酸、硫酸などのような強鉱酸、及びp−トルエンスルホン酸、トリフルオロメタンルスホン酸などのような強有機酸が挙げられる。ポリマーの膜厚等に応じて、酸触媒及び過剰水の量、反応圧力などは適宜選択できる。   The weight ratio of the acidic aqueous solution required for the polymer is preferably 1 to 100 times, but a larger amount of water can be used. The acid catalyst is preferably used at a concentration of 0.1 to 50% by weight of water present. Suitable acid catalysts include strong mineral acids such as hydrochloric acid, nitric acid, fluorosulfonic acid, sulfuric acid, and strong organic acids such as p-toluenesulfonic acid, trifluoromethane sulfonic acid, and the like. Depending on the film thickness of the polymer and the like, the amount of acid catalyst and excess water, reaction pressure, and the like can be selected as appropriate.

例えば、膜厚50μm の膜であれば、6N塩酸水溶液に例示されるような酸性水溶液中に浸漬し、95℃ で1〜48時間加熱することにより、容易にほぼ全量を脱保護することが可能である。また、25 ℃ の1N 塩酸水溶液に2 4 時間浸漬しても、大部分の保護基を脱保護することは可能である。ただし、脱保護の条件としてはこれらに限定される物ではなく、酸性ガスや有機酸等で脱保護したり、加熱によって脱保護しても構わない。   For example, in the case of a film having a thickness of 50 μm, almost all of the film can be easily deprotected by dipping in an acidic aqueous solution as exemplified by a 6N hydrochloric acid aqueous solution and heating at 95 ° C. for 1 to 48 hours. It is. Further, even when immersed in a 1N aqueous hydrochloric acid solution at 25 ° C. for 24 hours, most of the protecting groups can be deprotected. However, the deprotection conditions are not limited to these, and the deprotection may be performed using an acid gas, an organic acid, or the like, or may be performed by heating.

本発明において、脱エステル化により、スルホン酸基に誘導する段階は、特に限定されるものでなく、膜状などに成型する前、成型した後のいずれの段階で実施してもよいが、セグメントやポリマーの溶解性の点で、成型後に脱エステル化するのが好ましい。脱エステル化の方法は、前記方法に従う。   In the present invention, the step of deriving into a sulfonic acid group by deesterification is not particularly limited, and may be carried out at any stage before or after molding into a film shape, etc. In view of the solubility of the polymer, it is preferable to deesterify after molding. The method of deesterification follows the said method.

本発明のスルホン酸基含有ポリマーは、高分子電解質材料として好適であり、特に、高分子電解質成型体として好適に用いられる。本発明において高分子電解質成型体とは、本発明の高分子電解質材料を含有する成型体を意味する。本発明の高分子電解質成型体としては、膜類(フィルムおよびフィルム状のものを含む)の他、板状、繊維状、中空糸状、粒子状、塊状、微多孔状、コーティング類、発泡体類など、使用用途によって様々な形態をとりうる。ポリマーの設計自由度の向上および機械特性や耐溶剤性等の各種特性の向上が図れることから、幅広い用途に適応可能である。特に高分子電解質成型体が膜類であるときに好適である。   The sulfonic acid group-containing polymer of the present invention is suitable as a polymer electrolyte material, and particularly preferably used as a polymer electrolyte molded article. In the present invention, the polymer electrolyte molded body means a molded body containing the polymer electrolyte material of the present invention. The polymer electrolyte molded body of the present invention includes membranes (including films and films), plates, fibers, hollow fibers, particles, lumps, micropores, coatings, and foams. It can take various forms depending on the intended use. The polymer can be applied to a wide range of applications because it can improve the design freedom of the polymer and improve various properties such as mechanical properties and solvent resistance. It is particularly suitable when the polymer electrolyte molded body is a membrane.

本発明の高分子電解質成型体は熱処理をすることが好ましく、少なくとも、スルホン酸基の安定性の点で、スルホン酸エステル基の状態で熱処理するのが好ましく、機械特性や耐水性の点で、さらに脱保護により少なくとも保護基の一部をケトン基に誘導してから熱処理するのがより好ましい。脱エステル化によるスルホン酸基への誘導後に、熱処理を実施すると、スルホン酸基の熱安定性から脱スルホン化など電解質材料の劣化が生じやすくなる。また脱保護を熱処理前に実施していない場合、保護基により分子鎖のパッキング性が不十分となり、機械特性や耐水性が不足する場合がある。   The polymer electrolyte molded body of the present invention is preferably heat treated, at least in terms of the stability of the sulfonic acid group, preferably in the state of the sulfonic acid ester group, in terms of mechanical properties and water resistance, Furthermore, it is more preferable to heat-treat after at least a part of the protecting group is derived into a ketone group by deprotection. When heat treatment is carried out after derivatization to sulfonic acid groups by deesterification, deterioration of the electrolyte material such as desulfonization tends to occur due to the thermal stability of the sulfonic acid groups. Further, when deprotection is not performed before heat treatment, the protective group may cause insufficient packing properties of the molecular chains, resulting in insufficient mechanical properties and water resistance.

熱処理の温度は好ましくは150〜600 ℃、さらに好ましくは160 〜450 ℃ 、特に好ましくは180 〜 400 ℃ である。熱処理時間は、好ましくは10秒〜12時間、さらに好ましくは30秒〜6時間、最も好ましくは1分〜1時間である。熱処理温度が低すぎると、分子鎖のパッキング性が不十分となり、燃料透過性の抑制効果や弾性率、破断強度などの機械特性、耐水性が不足する。一方、温度が高すぎると電解質材料の劣化を生じやすくなる。熱処理時間が10秒未満であると熱処理の効果が不足し、12時間を超えると電解質材料の劣化を生じやすくなる。   The temperature of the heat treatment is preferably 150 to 600 ° C, more preferably 160 to 450 ° C, and particularly preferably 180 to 400 ° C. The heat treatment time is preferably 10 seconds to 12 hours, more preferably 30 seconds to 6 hours, and most preferably 1 minute to 1 hour. If the heat treatment temperature is too low, the molecular chain packing property becomes insufficient, and the fuel permeability suppressing effect, the mechanical properties such as the elastic modulus and the breaking strength, and the water resistance are insufficient. On the other hand, when the temperature is too high, the electrolyte material tends to deteriorate. If the heat treatment time is less than 10 seconds, the effect of the heat treatment is insufficient, and if it exceeds 12 hours, the electrolyte material tends to deteriorate.

熱処理により得られたスルホン酸エステル基含有高分子電解質成型体は必要に応じて、スルホン酸基に変換可能であり、特に脱保護、熱処理、脱エステル化の順で段階的に実施することによってプロトン伝導度と燃料遮断性、ならびに機械特性、長期耐久性、耐溶剤性をより良好なバランスで両立することが可能となる。脱保護と脱エステル化を切り分けて段階的に実施するためには、使用するエステル基の安定性によって、前記方法を好適に使用できる。例えば、フェニルエステル基の場合、前記(2)の塩酸による脱エステル化の方法では、反応がほとんど進行しないため、脱保護反応と切り分けて実施することが可能となるが、この例に限定されない。   The sulfonic acid ester group-containing polymer electrolyte molded body obtained by heat treatment can be converted into sulfonic acid groups as necessary, and in particular, protons can be obtained by carrying out stepwise steps in the order of deprotection, heat treatment, and deesterification. It is possible to achieve a balance between conductivity and fuel cutoff, mechanical properties, long-term durability, and solvent resistance in a better balance. In order to separate deprotection and deesterification stepwise, the above method can be suitably used depending on the stability of the ester group used. For example, in the case of a phenyl ester group, since the reaction hardly proceeds in the method of deesterification with hydrochloric acid described in (2) above, it can be carried out separately from the deprotection reaction, but is not limited to this example.

本発明において熱処理を実施する方法は、加熱プレス、加熱オーブン、加熱プレートを用いる加熱ガスや、接触加熱による方法などが挙げられるが、これらの例に限定されず、実施することができる。   In the present invention, examples of the method for performing the heat treatment include a heating gas using a heating press, a heating oven, and a heating plate, a method using contact heating, and the like. However, the method is not limited to these examples and can be performed.

本発明の高分子電解質材料を固体高分子型燃料電池用として使用する際には、高分子電解質膜および電極触媒層などが好適である。中でも高分子電解質膜に好適に用いられる。固体高分子型燃料電池用として使用する場合、通常、膜の状態で高分子電解質膜や電極触媒層バインダーとして使用されるからである。   When the polymer electrolyte material of the present invention is used for a polymer electrolyte fuel cell, a polymer electrolyte membrane and an electrode catalyst layer are suitable. Among them, it is preferably used for a polymer electrolyte membrane. This is because when used for a polymer electrolyte fuel cell, it is usually used as a polymer electrolyte membrane or an electrode catalyst layer binder in the form of a membrane.

本発明の高分子電解質成型体は、種々の用途に適用可能である。例えば、体外循環カラム、人工皮膚などの医療用途、ろ過用用途、耐塩素性逆浸透膜などのイオン交換樹脂用途、各種構造材用途、電気化学用途、加湿膜、防曇膜、帯電防止膜、太陽電池用膜、ガスバリアー材料に適用可能である。また、人工筋肉、アクチュエーター材料としても好適である。中でも種々の電気化学用途により好ましく利用できる。電気化学用途としては、例えば、燃料電池、レドックスフロー電池、水電解装置、クロロアルカリ電解装置等が挙げられるが、中でも燃料電池が最も好ましい。   The molded polymer electrolyte of the present invention can be applied to various uses. For example, extracorporeal circulation column, medical use such as artificial skin, filtration use, ion exchange resin use such as chlorine-resistant reverse osmosis membrane, various structural materials use, electrochemical use, humidification membrane, anti-fogging membrane, antistatic membrane, Applicable to solar cell membranes and gas barrier materials. It is also suitable as an artificial muscle and actuator material. Among these, it can be preferably used for various electrochemical applications. Examples of the electrochemical application include a fuel cell, a redox flow battery, a water electrolysis device, a chloroalkali electrolysis device, and the like, among which the fuel cell is most preferable.

本発明によって得られる高分子電解質膜の膜厚としては、好ましくは1〜2000μmのものが好適に使用される。実用に耐える膜の機械強度、物理的耐久性を得るには1μmより厚い方がより好ましく、膜抵抗の低減つまり発電性能の向上のためには2000μmより薄い方が好ましい。かかる膜厚のさらに好ましい範囲は3〜50μm、特に好ましい範囲は10〜30μmである。かかる膜厚は、溶液濃度あるいは基板上への塗布厚により制御することができる。   The thickness of the polymer electrolyte membrane obtained by the present invention is preferably 1 to 2000 μm. In order to obtain the mechanical strength and physical durability of the membrane that can withstand practical use, it is more preferably thicker than 1 μm, and in order to reduce membrane resistance, that is, improve power generation performance, it is preferably thinner than 2000 μm. A more preferable range of the film thickness is 3 to 50 μm, and a particularly preferable range is 10 to 30 μm. The film thickness can be controlled by the solution concentration or the coating thickness on the substrate.

また、本発明によって得られる高分子電解質膜には、通常の高分子化合物に使用される結晶化核剤、可塑剤、安定剤、酸化防止剤あるいは離型剤等の添加剤を、本発明の目的に反しない範囲内で添加することができる。   In addition, the polymer electrolyte membrane obtained by the present invention contains additives such as crystallization nucleating agents, plasticizers, stabilizers, antioxidants or mold release agents used in ordinary polymer compounds. It can be added within a range not contrary to the purpose.

また、本発明によって得られる高分子電解質膜には、前述の諸特性に悪影響をおよぼさない範囲内で機械的強度、熱安定性、加工性などの向上を目的に、各種ポリマー、エラストマー、フィラー、微粒子、各種添加剤などを含有させてもよい。また、微多孔膜、不織布、メッシュ等で補強しても良い。   In addition, the polymer electrolyte membrane obtained by the present invention has various polymers, elastomers, and the like for the purpose of improving mechanical strength, thermal stability, workability, etc. within a range that does not adversely affect the above-mentioned various properties. Fillers, fine particles, various additives, and the like may be included. Moreover, you may reinforce with a microporous film, a nonwoven fabric, a mesh, etc.

固体高分子型燃料電池は、電解質膜として水素イオン伝導性高分子電解質膜を用い、その両面に触媒層、電極基材及びセパレータが順次積層された構造となっている。このうち、電解質膜の両面に触媒層を積層させたもの(即ち触媒層/電解質膜/触媒層の層構成のもの)は触媒層付電解質膜(CCM)と称され、さらに電解質膜の両面に触媒層及びガス拡散基材を順次積層させたもの(即ち、ガス拡散基材/触媒層/電解質膜/触媒層/ガス拡散基材の層構成のもの)は、電極−電解質膜接合体あるいは膜電極複合体(MEA)と称されている。   A polymer electrolyte fuel cell has a structure in which a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane is used as an electrolyte membrane, and a catalyst layer, an electrode base material, and a separator are sequentially laminated on both sides thereof. Of these, the catalyst layer laminated on both sides of the electrolyte membrane (that is, the catalyst layer / electrolyte membrane / catalyst layer configuration) is called an electrolyte membrane with a catalyst layer (CCM), and further on both sides of the electrolyte membrane. A catalyst layer and a gas diffusion substrate laminated in sequence (that is, a gas diffusion substrate / catalyst layer / electrolyte membrane / catalyst layer / gas diffusion substrate layer structure) are electrode-electrolyte membrane assemblies or membranes. It is called an electrode assembly (MEA).

この触媒層付電解質膜の製造方法としては、電解質膜表面に、触媒層を形成するための触媒層ペースト組成物を塗布及び乾燥させるという塗布方式が一般的に行われている。しかし、この塗布方式であると、電解膜がペーストに含まれる水、アルコール等の溶剤により膨潤変形してしまい、電解質膜表面に所望の触媒層が形成しにくい問題が生じている。また、乾燥させる工程で、電解膜も高温に曝してしまうため、電解膜が熱膨張等を起こし、変形する問題も生じている。この問題を克服するために、予め触媒層のみを基材上に作製し、この触媒層を転写することにより、触媒層を電解質膜上に積層させる方法(転写法)が提案されている(例えば、特開2009−9910)。   As a manufacturing method of this electrolyte membrane with a catalyst layer, the coating system of apply | coating and drying the catalyst layer paste composition for forming a catalyst layer on the electrolyte membrane surface is generally performed. However, with this coating method, the electrolytic membrane is swollen and deformed by a solvent such as water or alcohol contained in the paste, and there is a problem that it is difficult to form a desired catalyst layer on the electrolyte membrane surface. Moreover, since the electrolytic membrane is also exposed to a high temperature in the drying step, there is a problem that the electrolytic membrane undergoes thermal expansion or the like and is deformed. In order to overcome this problem, there has been proposed a method (transfer method) in which only a catalyst layer is prepared on a substrate in advance and the catalyst layer is transferred to laminate the catalyst layer on the electrolyte membrane (for example, transfer method). JP 2009-9910).


本発明によって得られる高分子電解質膜は、結晶性により、強靱で耐溶剤性に優れるため、前記塗布方式、転写法のいずれの場合であっても、触媒層付電解質膜としても特に好適に使用できる。

Since the polymer electrolyte membrane obtained by the present invention is tough and excellent in solvent resistance due to crystallinity, it is particularly suitable for use as an electrolyte membrane with a catalyst layer in any of the above coating methods and transfer methods. it can.

加熱プレスにより、MEAを作製する場合は、特に制限はなく、公知の方法(例えば、電気化学,1985, 53, p.269.記載の化学メッキ法、電気化学協会編(J. Electrochem. Soc.)、エレクトロケミカル サイエンス アンド テクノロジー (Electrochemical Science and Technology),1988, 135, 9, p.2209. 記載のガス拡散電極の熱プレス接合法など)を適用することが可能である。   When the MEA is produced by a hot press, there is no particular limitation, and a known method (for example, a chemical plating method described in Electrochemistry, 1985, 53, p.269, edited by the Electrochemical Society (J. Electrochem. Soc. , Electrochemical Science and Technology, 1988, 135, 9, p.2209., Gas diffusion electrode hot press bonding method, etc.) can be applied.

加熱プレスにより一体化する場合は、その温度や圧力は、電解質膜の厚さ、水分率、触媒層や電極基材により適宜選択すればよい。また、本発明では電解質膜が乾燥した状態または吸水した状態でもプレスによる複合化が可能である。具体的なプレス方法としては圧力やクリアランスを規定したロールプレスや、圧力を規定した平板プレスなどが挙げられ、工業的生産性やスルホン酸基を有する高分子材料の熱分解抑制などの観点から0℃〜250℃の範囲で行うことが好ましい。加圧は電解質膜や電極保護の観点からできる限り弱い方が好ましく、平板プレスの場合、10MPa以下の圧力が好ましく、加熱プレス工程による複合化を実施せずに電極と電解質膜を重ね合わせ燃料電池セル化することもアノード、カソード電極の短絡防止の観点から好ましい選択肢の一つである。この方法の場合、燃料電池として発電を繰り返した場合、短絡箇所が原因と推測される電解質膜の劣化が抑制される傾向があり、燃料電池として耐久性が良好となる。   In the case of integration by heating press, the temperature and pressure may be appropriately selected depending on the thickness of the electrolyte membrane, the moisture content, the catalyst layer, and the electrode substrate. Further, in the present invention, it is possible to form a composite by pressing even when the electrolyte membrane is in a dry state or in a state of absorbing water. Specific press methods include a roll press that defines pressure and clearance, and a flat plate press that defines pressure. From the viewpoint of industrial productivity and suppression of thermal decomposition of a polymer material having a sulfonic acid group, the press method is 0. It is preferable to carry out in the range of from ℃ to 250 ℃. The pressurization is preferably as weak as possible from the viewpoint of electrolyte membrane and electrode protection. In the case of a flat plate press, a pressure of 10 MPa or less is preferable, and the electrode and the electrolyte membrane are stacked without carrying out the complexing by the hot press process. Cell formation is also one of the preferred options from the viewpoint of preventing short-circuiting of the anode and cathode electrodes. In the case of this method, when power generation is repeated as a fuel cell, the deterioration of the electrolyte membrane presumed to be caused by a short-circuited portion tends to be suppressed, and the durability as a fuel cell is improved.

さらに、本発明の高分子電解質材料および高分子電解質膜を使用した固体高分子型燃料電池の用途としては、特に限定されないが、移動体の電力供給源が好ましいものである。特に、携帯電話、パソコン、PDA、テレビ、ラジオ、ミュージックプレーヤー、ゲーム機、ヘッドセット、DVDプレーヤーなどの携帯機器、産業用などの人型、動物型の各種ロボット、コードレス掃除機等の家電、玩具類、電動自転車、自動二輪、自動車、バス、トラックなどの車両や船舶、鉄道などの移動体の電力供給源、据え置き型の発電機など従来の一次電池、二次電池の代替、もしくはこれらとのハイブリット電源として好ましく用いられる。   Furthermore, the application of the solid polymer fuel cell using the polymer electrolyte material and the polymer electrolyte membrane of the present invention is not particularly limited, but a power supply source for a mobile body is preferable. In particular, mobile devices such as mobile phones, personal computers, PDAs, televisions, radios, music players, game machines, headsets, DVD players, human-type and animal-type robots for industrial use, home appliances such as cordless vacuum cleaners, and toys , Electric bicycles, motorcycles, automobiles, buses, trucks and other vehicles and ships, power supplies for mobiles such as railways, stationary primary generators such as stationary generators, or alternatives to these It is preferably used as a hybrid power source.

以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、各物性の測定条件は次の通りである。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited to these. In addition, the measurement conditions of each physical property are as follows.

(1)イオン交換容量
中和滴定法により測定した。測定は3回実施し、その平均値を取った。
1.プロトン置換し、純粋で十分に洗浄した電解質膜の膜表面の水分を拭き取った後、100℃にて12h以上真空乾燥し、乾燥重量を求めた。
2.電解質に5wt%硫酸ナトリウム水溶液を50mL加え、12h静置してイオン交換した。
3.0.01mol/L水酸化ナトリウム水溶液を用いて、生じた硫酸を滴定した。指示薬として市販の滴定用フェノールフタレイン溶液0.1w/v% を加え、薄い赤紫色になった点を終点とした。
4.イオン交換容量は下記の式により求めた。
イオン交換容量(meq/g)=
〔水酸化ナトリウム水溶液の濃度(mmol/ml)×滴下量(ml)〕/試料の乾燥重量(g)
(2)プロトン伝導度
膜状の試料を25℃の純水に24時間浸漬した後、恒温恒湿槽中に入れ、80℃、相対湿度95%の範囲で、定電位交流インピーダンス法によりプロトン伝導度の湿度依存性を測定した。
(1) Measured by ion exchange capacity neutralization titration method. The measurement was performed 3 times and the average value was taken.
1. Moisture on the membrane surface of the electrolyte membrane which had been subjected to proton substitution and was thoroughly washed was wiped off and then vacuum-dried at 100 ° C. for 12 hours or more to obtain a dry weight.
2. 50 mL of 5 wt% sodium sulfate aqueous solution was added to the electrolyte, and ion exchange was performed by allowing to stand for 12 hours.
3. The generated sulfuric acid was titrated with 0.01 mol / L sodium hydroxide aqueous solution. A commercially available phenolphthalein solution for titration (0.1 w / v%) was added as an indicator, and the point at which it turned light reddish purple was used as the end point.
4). The ion exchange capacity was determined by the following formula.
Ion exchange capacity (meq / g) =
[Concentration of sodium hydroxide aqueous solution (mmol / ml) × Drip amount (ml)] / Dry weight of sample (g)
(2) Proton conductivity After immersing the membrane-like sample in pure water at 25 ° C. for 24 hours, it is placed in a constant temperature and humidity chamber, and proton conduction is conducted in the range of 80 ° C. and relative humidity 95% by the constant potential AC impedance method. The humidity dependence of the degree was measured.

測定装置としては、Solartron製電気化学測定システム(Solartron 1287 Electrochemical InterfaceおよびSolartron 1255B Frequency Response Analyzer)を使用し、2端子法で定電位インピーダンス測定を行い、プロトン伝導度を求めた。交流振幅は、50mVとした。サンプルは幅10mm、長さ50mmの膜を用いた。測定治具はフェノール樹脂で作製し、測定部分は開放させた。電極として、白金板(厚さ100μm、2枚)を使用した。電極は電極間距離15mm、サンプル膜の表側と裏側に、互いに平行にかつサンプル膜の長手方向に対して直交するように配置した。   As a measuring apparatus, a Solartron electrochemical measurement system (Solartron 1287 Electrochemical Interface and Solartron 1255B Frequency Response Analyzer) was used, and constant potential impedance measurement was performed by a two-terminal method to determine proton conductivity. The AC amplitude was 50 mV. A sample having a width of 10 mm and a length of 50 mm was used. The measurement jig was made of phenol resin, and the measurement part was opened. As an electrode, a platinum plate (thickness: 100 μm, 2) was used. The electrodes were disposed at a distance of 15 mm between the electrodes, on the front side and the back side of the sample film so as to be parallel to each other and orthogonal to the longitudinal direction of the sample film.

(3)数平均分子量、重量平均分子量
ポリマーの数平均分子量、重量平均分子量をGPCにより測定した。紫外検出器と示差屈折計の一体型装置として東ソー製HLC−8022GPCを、またGPCカラムとして東ソー製TSK gel SuperHM−H(内径6.0mm、長さ15cm)2本を用い、N−メチル−2−ピロリドン溶媒(臭化リチウムを10mmol/L含有するN−メチル−2−ピロリドン溶媒)にて、サンプル濃度0.1wt%、流量0.2mL/min、温度40℃で測定し、標準ポリスチレン換算により数平均分子量、重量平均分子量を求めた。
(3) Number average molecular weight, weight average molecular weight The number average molecular weight and the weight average molecular weight of the polymer were measured by GPC. Tosoh's HLC-8022GPC is used as an integrated device of an ultraviolet detector and a differential refractometer, and Tosoh's TSK gel SuperHM-H (inner diameter 6.0 mm, length 15 cm) is used as the GPC column. N-methyl-2 -Measured with a pyrrolidone solvent (N-methyl-2-pyrrolidone solvent containing 10 mmol / L lithium bromide) at a sample concentration of 0.1 wt%, a flow rate of 0.2 mL / min, and a temperature of 40 ° C. The number average molecular weight and the weight average molecular weight were determined.

(4)膜厚
ミツトヨ製グラナイトコンパレータスタンドBSG−20にセットしたミツトヨ製ID−C112型を用いて測定した。
(4) Film thickness It measured using Mitutoyo ID-C112 type | mold set to Mitutoyo granite comparator stand BSG-20.

(5)ビスフェノール化合物の純度分析
下記条件のガスクロマトグラフィー(GC)により定量分析した。
カラム:DB−5(J&W社製) L=30m Φ=0.53mm D=1.50μm
キャリヤー:ヘリウム(線速度=35.0cm/sec)
分析条件
Inj.temp. 300℃
Detct.temp. 320℃
Oven 50℃×1min
Rate 10℃/min
Final 300℃×15min
SP ratio 50:1
(6)核磁気共鳴スペクトル(NMR)
下記の測定条件で、NMRの測定を行い、芳香族スルホン酸誘導体の構造確認を行った。
(5) Purity analysis of bisphenol compound Quantitative analysis was performed by gas chromatography (GC) under the following conditions.
Column: DB-5 (manufactured by J & W) L = 30m Φ = 0.53mm D = 1.50μm
Carrier: Helium (Linear velocity = 35.0 cm / sec)
Analysis conditions Inj. temp. 300 ° C
Dect. temp. 320 ° C
Oven 50 ° C x 1 min
Rate 10 ℃ / min
Final 300 ℃ × 15min
SP ratio 50: 1
(6) Nuclear magnetic resonance spectrum (NMR)
NMR measurement was performed under the following measurement conditions, and the structure of the aromatic sulfonic acid derivative was confirmed.

装置 :EX−270
共鳴周波数 :270MHz(1H−NMR)
測定温度 :室温
溶解溶媒 :DMSO−d6
内部基準物質:TMS(0ppm)
積算回数 :16回
(7)耐熱水性
電解質膜の耐熱水性は95℃、熱水中での寸法変化率を測定することにより評価した。電解質膜を長さ約5cm、幅約1cmの短冊に切り取り、25℃の水中に24時間浸漬後、ノギスで長さ(L1)を測長した。該電解質膜を95℃の熱水中に8時間浸漬後、再度ノギスで長さ(L2)を測長し、その寸法変化の大きさを目視で観察した。
Device: EX-270
Resonance frequency: 270 MHz (1H-NMR)
Measurement temperature: room temperature Dissolving solvent: DMSO-d6
Internal reference material: TMS (0 ppm)
Number of integrations: 16 times (7) Hot water resistance The hot water resistance of the electrolyte membrane was evaluated by measuring the dimensional change rate in hot water at 95 ° C. The electrolyte membrane was cut into a strip having a length of about 5 cm and a width of about 1 cm, immersed in water at 25 ° C. for 24 hours, and the length (L1) was measured with a caliper. The electrolyte membrane was immersed in hot water at 95 ° C. for 8 hours, and then the length (L2) was measured again with a caliper, and the size change was visually observed.

(8)透過電子顕微鏡(TEM)による相分離構造の観察
染色剤として2wt%酢酸鉛水溶液中に試料片を浸漬させ、25℃下で48時間放置した。染色処理された試料を取りだし、可視硬化樹脂で包埋し、可視光を30 秒照射し固定した。
(8) Observation of phase separation structure by transmission electron microscope (TEM) A sample piece was immersed in a 2 wt% lead acetate aqueous solution as a staining agent and left at 25 ° C. for 48 hours. A dyed sample was taken out, embedded in a visible curable resin, and fixed by irradiation with visible light for 30 seconds.

ウルトラミクロトームを用いて室温下で薄片100nmを切削し、得られた薄片をCu グリッド上に回収しTEM 観察に供した。観察は加速電圧100kV で実施し、撮影は、写真倍率として×8,000、×20,000、×100,000 になるように撮影を実施した。機器としては、TEM H7100FA(日立製作所社製)を使用した。   A 100 nm flake was cut at room temperature using an ultramicrotome, and the obtained flake was collected on a Cu grid and used for TEM observation. Observation was carried out at an acceleration voltage of 100 kV, and photography was carried out so that the photographic magnification was × 8,000, × 20,000, and × 100,000. As a device, TEM H7100FA (manufactured by Hitachi, Ltd.) was used.

合成例1
下記式(G1)で表される2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,3−ジオキソラン(K−DHBP)の合成
Synthesis example 1
Synthesis of 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,3-dioxolane (K-DHBP) represented by the following formula (G1)

Figure 2013079367
Figure 2013079367

攪拌器、温度計及び留出管を備えた 500mlフラスコに、4,4′−ジヒドロキシベンゾフェノン49.5g、エチレングリコール134g、オルトギ酸トリメチル96.9g及びp−トルエンスルホン酸1水和物0.50gを仕込み溶解した。その後78〜82℃で2時間保温攪拌した。更に、内温を120℃まで徐々に昇温、ギ酸メチル、メタノール、オルトギ酸トリメチルの留出が完全に止まるまで加熱した。この反応液を室温まで冷却後、反応液を酢酸エチルで希釈し、有機層を5%炭酸カリウム水溶液100mlで洗浄し分液後、溶媒を留去した。残留物にジクロロメタン80mlを加え結晶を析出させ、濾過し、乾燥して2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,3−ジオキソラン52.0gを得た。この結晶をGC分析したところ99.8%の2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,3−ジオキソランと0.2%の4,4′−ジヒドロキシベンゾフェノンであった。   A 500 ml flask equipped with a stirrer, thermometer and distillation tube was charged with 49.5 g of 4,4'-dihydroxybenzophenone, 134 g of ethylene glycol, 96.9 g of trimethyl orthoformate and 0.50 g of p-toluenesulfonic acid monohydrate. did. Thereafter, the mixture was stirred while maintaining at 78 to 82 ° C. for 2 hours. Further, the internal temperature was gradually raised to 120 ° C. and heated until the distillation of methyl formate, methanol, and trimethyl orthoformate completely stopped. After cooling this reaction liquid to room temperature, the reaction liquid was diluted with ethyl acetate, the organic layer was washed with 100 ml of 5% aqueous potassium carbonate solution and separated, and then the solvent was distilled off. Crystals were precipitated by adding 80 ml of dichloromethane to the residue, filtered and dried to obtain 52.0 g of 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,3-dioxolane. GC analysis of the crystals revealed 99.8% 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,3-dioxolane and 0.2% 4,4'-dihydroxybenzophenone.

合成例2
下記式(G2)で表されるジソジウムー3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノンの合成
Synthesis example 2
Synthesis of disodium-3,3′-disulfonate-4,4′-difluorobenzophenone represented by the following formula (G2)

Figure 2013079367
Figure 2013079367

4,4’−ジフルオロベンゾフェノン109.1g(アルドリッチ試薬)を発煙硫酸(50%SO)150mL(和光純薬試薬)中、100℃で10h反応させた。その後、多量の水中に少しずつ投入し、NaOHで中和した後、食塩200gを加え合成物を沈殿させた。得られた沈殿を濾別し、エタノール水溶液で再結晶し、上記一般式(G2)で示されるジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノンを得た。純度は99.3%であった。構造はH−NMRで確認した。不純物はキャピラリー電気泳動(有機物)およびイオンクロマトグラフィー(無機物)で定量分析を行った。 109.1 g (Aldrich reagent) of 4,4′-difluorobenzophenone was reacted at 100 ° C. for 10 hours in 150 mL of fuming sulfuric acid (50% SO 3 ) (Wako Pure Chemicals reagent). Thereafter, the mixture was poured little by little into a large amount of water, neutralized with NaOH, and 200 g of sodium chloride was added to precipitate the composite. The resulting precipitate was filtered off and recrystallized with an aqueous ethanol solution to obtain disodium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorobenzophenone represented by the above general formula (G2). The purity was 99.3%. The structure was confirmed by 1 H-NMR. Impurities were quantitatively analyzed by capillary electrophoresis (organic matter) and ion chromatography (inorganic matter).

実施例1
(下記式(G3)で表される芳香族スルホン酸エステル誘導体の合成)
Example 1
(Synthesis of an aromatic sulfonic acid ester derivative represented by the following formula (G3))

Figure 2013079367
Figure 2013079367

攪拌器を備えた 1Lフラスコに窒素気流下、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノン133gを秤量し、アセトニトリル330mL、スルホラン250mLに溶解させ、更に三塩化ホスホリル290gを加え、2時間加熱還流した後、N、N-ジメチルアセトアミド20mLを加えて16時間加熱還流した。氷冷後、冷水1.5Lを添加、生成した沈殿物濾集し冷水500mLで洗浄した。沈澱物を室温で減圧乾燥後、トルエンで300mLで再結晶し5,5’−カルボニルビス(2−フルオロベンゼン−1−スルフォニルクロライド)65gを得た。構造はH−NMRで確認した。 In a 1 L flask equipped with a stirrer, 133 g of 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorobenzophenone was weighed in a nitrogen stream, dissolved in 330 mL of acetonitrile and 250 mL of sulfolane, and further added 290 g of phosphoryl trichloride. After heating at reflux for 20 hours, 20 mL of N, N-dimethylacetamide was added and the mixture was heated to reflux for 16 hours. After cooling with ice, 1.5 L of cold water was added, and the resulting precipitate was collected by filtration and washed with 500 mL of cold water. The precipitate was dried at room temperature under reduced pressure and recrystallized with toluene at 300 mL to obtain 65 g of 5,5′-carbonylbis (2-fluorobenzene-1-sulfonyl chloride). The structure was confirmed by 1 H-NMR.

窒素気流下、2,2−ジメチル−1−プロパノール86.7gとピリジン99.7gの混合溶液中に、氷浴で冷却5℃以下に冷却しながら、5,5’−カルボニルビス(2−フルオロベンゼン−1−スルフォニルクロライド)50.0gを徐々に添加した。その後、室温まで昇温し、2時間反応させた、水600mLを加え、酢酸エチル900mLで抽出した。5%塩酸水溶液600mL,5%NaOH水溶液300mLおよび飽和NaCl水溶液600mLで洗浄後、有機層を硫酸ナトリウムで乾燥した。エバポレーターを用いて溶媒を留去し、得られた粗生成物を酢酸エチル/ヘキサンで再結晶、スルホン酸エステル誘導体(G3)を31.0得た。構造はH−NMRで確認した。 Under a nitrogen stream, 5,5′-carbonylbis (2-fluoro) was added to a mixed solution of 86.7 g of 2,2-dimethyl-1-propanol and 99.7 g of pyridine while cooling with an ice bath to 5 ° C. or lower. 50.0 g of benzene-1-sulfonyl chloride) was gradually added. Then, it heated up to room temperature and added 600 mL of water made to react for 2 hours, and extracted with 900 mL of ethyl acetate. After washing with 600 mL of 5% aqueous hydrochloric acid, 300 mL of 5% aqueous NaOH and 600 mL of saturated aqueous NaCl, the organic layer was dried over sodium sulfate. The solvent was distilled off using an evaporator, and the resulting crude product was recrystallized from ethyl acetate / hexane to obtain 31.0 of a sulfonic acid ester derivative (G3). The structure was confirmed by 1 H-NMR.

実施例2   Example 2

Figure 2013079367
Figure 2013079367

2,2−ジメチル−1−プロパノールの代わりに、4−エチルフェノール120.2gを入れた以外は、実施例1と同様の方法で、スルホン酸エステル誘導体(G4)を32.1g合成した。構造はH−NMRで確認した。 32.1 g of a sulfonic acid ester derivative (G4) was synthesized in the same manner as in Example 1 except that 120.2 g of 4-ethylphenol was added instead of 2,2-dimethyl-1-propanol. The structure was confirmed by 1 H-NMR.

実施例3   Example 3

Figure 2013079367
Figure 2013079367

2,2−ジメチル−1−プロパノールの代わりに、4−ヒドロキシピリジン93.8gを入れた以外は、実施例1と同様の方法で、スルホン酸エステル誘導体(G5)を29.6g合成した。構造はH−NMRで確認した。 29.6 g of a sulfonic acid ester derivative (G5) was synthesized in the same manner as in Example 1 except that 93.8 g of 4-hydroxypyridine was added instead of 2,2-dimethyl-1-propanol. The structure was confirmed by 1 H-NMR.

実施例4   Example 4

Figure 2013079367
Figure 2013079367

4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン127.1g(東京化成試薬)を発煙硫酸(50%SO)150mL(和光純薬試薬)中、100℃で10h反応させた。その後、多量の水中に少しずつ投入し、NaOHで中和した後、食塩200gを加え合成物を沈殿させた。得られた沈殿を濾別し、エタノール水溶液で再結晶し、ジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホンを得た。純度は99.3%であった。構造はH−NMRで確認した。不純物はキャピラリー電気泳動(有機物)およびイオンクロマトグラフィー(無機物)で定量分析を行った。 127.1 g (Tokyo Kasei Reagent) of 4,4′-difluorodiphenylsulfone was reacted at 150 ° C. for 10 hours in 150 mL of fuming sulfuric acid (50% SO 3 ) (Wako Pure Chemical Reagent). Thereafter, the mixture was poured little by little into a large amount of water, neutralized with NaOH, and 200 g of sodium chloride was added to precipitate the composite. The resulting precipitate was filtered off and recrystallized with an aqueous ethanol solution to obtain disodium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorodiphenylsulfone. The purity was 99.3%. The structure was confirmed by 1 H-NMR. Impurities were quantitatively analyzed by capillary electrophoresis (organic matter) and ion chromatography (inorganic matter).

攪拌器を備えた 1Lフラスコに窒素気流下、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン144gを秤量し、アセトニトリル330mL、スルホラン250mLに溶解させ、更に三塩化ホスホリル290gを加え、2時間加熱還流した後、N、N-ジメチルアセトアミド20mLを加えて16時間加熱還流した。氷冷後、冷水1.5Lを添加、生成した沈殿物濾集し冷水500mLで洗浄した。沈澱物を室温で減圧乾燥後、トルエンで300mLで再結晶し5,5’−スルホニルビス(2−フルオロベンゼン−1−スルフォニルクロライド)71gを得た。構造はH−NMRで確認した。 In a 1 L flask equipped with a stirrer, 144 g of 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorodiphenylsulfone was weighed in a nitrogen stream, dissolved in 330 mL of acetonitrile and 250 mL of sulfolane, and further added 290 g of phosphoryl trichloride, After heating to reflux for 2 hours, 20 mL of N, N-dimethylacetamide was added and heated to reflux for 16 hours. After cooling with ice, 1.5 L of cold water was added, and the resulting precipitate was collected by filtration and washed with 500 mL of cold water. The precipitate was dried under reduced pressure at room temperature and recrystallized with toluene at 300 mL to obtain 71 g of 5,5′-sulfonylbis (2-fluorobenzene-1-sulfonyl chloride). The structure was confirmed by 1 H-NMR.

窒素気流下、2,2−ジメチル−1−プロパノール86.7gとピリジン99.7gの混合溶液中に、氷浴で冷却5℃以下に冷却しながら、5,5’−カルボニルビス(2−フルオロベンゼン−1−スルフォニルクロライド)54.3gを徐々に添加した。その後、室温まで昇温し、2時間反応させた、水600mLを加え、酢酸エチル900mLで抽出した。5%塩酸水溶液600mL,5%NaOH水溶液300mLおよび飽和NaCl水溶液600mLで洗浄後、有機層を硫酸ナトリウムで乾燥した。エバポレーターを用いて溶媒を留去し、得られた粗生成物を酢酸エチル/ヘキサンで再結晶、スルホン酸エステル誘導体(G6)を33.0得た。構造はH−NMRで確認した。
実施例5
(スルホン酸エステル誘導体として、前記(G3)を使用した下記一般式(G7)で表されるスルホン酸基含有ポリマー)
Under a nitrogen stream, 5,5′-carbonylbis (2-fluoro) was added to a mixed solution of 86.7 g of 2,2-dimethyl-1-propanol and 99.7 g of pyridine while cooling with an ice bath to 5 ° C. or lower. Benzene-1-sulfonyl chloride (54.3 g) was gradually added. Then, it heated up to room temperature and added 600 mL of water made to react for 2 hours, and extracted with 900 mL of ethyl acetate. After washing with 600 mL of 5% aqueous hydrochloric acid, 300 mL of 5% aqueous NaOH and 600 mL of saturated aqueous NaCl, the organic layer was dried over sodium sulfate. The solvent was distilled off using an evaporator, and the resulting crude product was recrystallized from ethyl acetate / hexane to obtain 33.0 of a sulfonic acid ester derivative (G6). The structure was confirmed by 1 H-NMR.
Example 5
(Sulphonic acid group-containing polymer represented by the following general formula (G7) using (G3) as the sulfonic acid ester derivative)

Figure 2013079367
Figure 2013079367

かき混ぜ機、窒素導入管、Dean−Starkトラップを備えた500mL三口フラスコに、炭酸カリウム15.6g(アルドリッチ試薬、113mmol)、前記合成例1で得たK−DHBP12.9g(50mmol)、前記実施例1で得たスルホン酸エステル誘導体 (G 3)27.2g(52.5mmol)を入れ、窒素置換後、N−メチルピロリドン(NMP)150mL、トルエン50mL中で180℃で脱水後、昇温してトルエン除去、210℃で6時間重合を行った。多量のイソプロピルアルコールに再沈殿することで精製を行い、ケタール基およびスルホン酸エステル基を有する前躯体ポリマーを得た。重量平均分子量は40万であった。   In a 500 mL three-necked flask equipped with a stirrer, a nitrogen inlet tube, and a Dean-Stark trap, 15.6 g of potassium carbonate (Aldrich reagent, 113 mmol), 12.9 g (50 mmol) of K-DHBP obtained in Synthesis Example 1, and the above example 27.2 g (52.5 mmol) of the sulfonate derivative (G3) obtained in 1 was added, and after nitrogen substitution, dehydration was performed at 180 ° C. in 150 mL of N-methylpyrrolidone (NMP) and 50 mL of toluene, and the temperature was raised. Toluene was removed and polymerization was carried out at 210 ° C. for 6 hours. Purification was performed by reprecipitation in a large amount of isopropyl alcohol to obtain a precursor polymer having a ketal group and a sulfonate group. The weight average molecular weight was 400,000.

得られた前駆体ポリマーを溶解させた25重量%N−メチルピロリドン(NMP)溶液をガラス繊維フィルターを用いて加圧ろ過後、ガラス基板上に流延塗布し、100℃にて4h乾燥後、窒素下150℃で10分間熱処理し、ポリケタールケトン膜(膜厚24μm)を得た。ポリマーの溶解性は極めて良好であった。60℃で10重量%硫酸水溶液に24時間浸漬して、脱保護反応した後、続いて、95℃の臭化リチウム水溶液に浸漬、脱エステル化反応を進行させ、塩酸処理、大過剰量の純水に24時間浸漬して充分洗浄し、上記式(G7)で表されるスルホン酸基含有ポリマーからなる高分子電解質膜を得た。得られた膜のスルホン酸基密度は3.6meq/gであった。 プロトン伝導度は、80℃、相対湿度85%で530mS/cm、80℃、相対湿度25%で0.3mS/cmであった。スルホン酸基密度が高い分、寸法変化率は50%と大きかったが、高分子量化の効果で比較的強靭な膜であり、目視では透明で均一な膜であった。またNMRにおいてケタール基、エステル基の存在は認められなかった。   A 25 wt% N-methylpyrrolidone (NMP) solution in which the obtained precursor polymer was dissolved was subjected to pressure filtration using a glass fiber filter, cast onto a glass substrate, dried at 100 ° C. for 4 h, Heat treatment was performed at 150 ° C. for 10 minutes under nitrogen to obtain a polyketal ketone film (film thickness: 24 μm). The solubility of the polymer was very good. It was immersed in a 10% by weight sulfuric acid aqueous solution at 60 ° C. for 24 hours, followed by a deprotection reaction, followed by immersion in a 95 ° C. lithium bromide aqueous solution to proceed with a deesterification reaction, hydrochloric acid treatment, a large excess amount of pure It was immersed in water for 24 hours and sufficiently washed to obtain a polymer electrolyte membrane comprising a sulfonic acid group-containing polymer represented by the above formula (G7). The resulting membrane had a sulfonic acid group density of 3.6 meq / g. The proton conductivity was 530 mS / cm at 80 ° C. and 85% relative humidity, and 0.3 mS / cm at 80 ° C. and 25% relative humidity. Since the sulfonic acid group density was high, the dimensional change rate was as large as 50%, but it was a relatively tough film due to the effect of high molecular weight, and it was a transparent and uniform film visually. In addition, the presence of ketal group and ester group was not observed in NMR.

実施例6
(スルホン酸エステル誘導体として、前記(G4)を使用した前記一般式(G7)で表されるスルホン酸基含有ポリマー)
スルホン酸エステル誘導体(G3)に変えて、(G4) 30.8gを入れた以外は実施例5と同様の方法で、ケタール基およびスルホン酸エステル基を有する前駆体ポリマーを得た。重量平均分子量は、41万であった。
Example 6
(Sulphonic acid group-containing polymer represented by the general formula (G7) using the (G4) as the sulfonic acid ester derivative)
A precursor polymer having a ketal group and a sulfonate group was obtained in the same manner as in Example 5 except that 30.8 g of (G4) was added instead of the sulfonate derivative (G3). The weight average molecular weight was 410,000.

得られた前駆体ポリマーを、実施例5と同様の方法で製膜し、上記式(G7)で表されるスルホン酸基含有ポリマーからなる高分子電解質膜を得た。得られた膜のスルホン酸基密度は3.5 meq/gであった。   The obtained precursor polymer was formed into a film by the same method as in Example 5 to obtain a polymer electrolyte membrane made of a sulfonic acid group-containing polymer represented by the above formula (G7). The resulting membrane had a sulfonic acid group density of 3.5 meq / g.

プロトン伝導度は、80℃、相対湿度85%で520mS/cm、80℃、相対湿度25%で0.25mS/cmであった。スルホン酸基密度が高い分、寸法変化率は47%と大きかったが、高分子量化の効果で比較的強靭な膜であり、目視では透明で均一な膜であった。またNMRにおいてケタール基、エステル基の存在は認められなかった。   The proton conductivity was 520 mS / cm at 80 ° C. and 85% relative humidity, and 0.25 mS / cm at 80 ° C. and 25% relative humidity. Since the sulfonic acid group density was high, the dimensional change rate was as large as 47%, but it was a relatively tough film due to the effect of high molecular weight, and it was a transparent and uniform film visually. In addition, the presence of ketal group and ester group was not observed in NMR.

実施例7
(スルホン酸エステル誘導体として、前記(G5)を使用した前記一般式(G7)で表されるスルホン酸基含有ポリマー)
スルホン酸エステル誘導体(G3)に変えて、(G5) 28.0 gを入れた以外は実施例5と同様の方法で、ケタール基およびスルホン酸エステル基を有する前駆体ポリマーを得た。重量平均分子量は、43万であった。
Example 7
(Sulphonic acid group-containing polymer represented by the general formula (G7) using the above (G5) as a sulfonic acid ester derivative)
A precursor polymer having a ketal group and a sulfonate group was obtained in the same manner as in Example 5 except that 28.0 g of (G5) was used instead of the sulfonate derivative (G3). The weight average molecular weight was 430,000.

得られた前駆体ポリマーを、実施例5と同様の方法で製膜し、上記式(G7)で表されるスルホン酸基含有ポリマーからなる高分子電解質膜を得た。得られた膜のスルホン酸基密度は3.6 meq/gであった。   The obtained precursor polymer was formed into a film by the same method as in Example 5 to obtain a polymer electrolyte membrane made of a sulfonic acid group-containing polymer represented by the above formula (G7). The resulting membrane had a sulfonic acid group density of 3.6 meq / g.

プロトン伝導度は、80℃、相対湿度85%で530mS/cm、80℃、相対湿度25%で0.3mS/cmであった。スルホン酸基密度が高い分、寸法変化率は45%と大きかったが、高分子量化の効果で比較的強靭な膜であり、目視では透明で均一な膜であった。またNMRにおいてケタール基、エステル基の存在は認められなかった
実施例8
(スルホン酸エステル誘導体として、前記(G3)を使用した前記一般式(G8)で表されるスルホン酸基含有ポリマー)
The proton conductivity was 530 mS / cm at 80 ° C. and 85% relative humidity, and 0.3 mS / cm at 80 ° C. and 25% relative humidity. Since the sulfonic acid group density was high, the dimensional change rate was as high as 45%, but it was a relatively tough film due to the effect of high molecular weight, and it was a transparent and uniform film visually. Further, the presence of ketal group and ester group was not observed in NMR Example 8
(Sulphonic acid group-containing polymer represented by the general formula (G8) using (G3) as a sulfonic acid ester derivative)

Figure 2013079367
Figure 2013079367

K−DHBPを12.9gから6.45g(25mmol)に変更し、4,4’−ビフェノール 4.66g(25mmol)を入れる以外は実施例5と同様の方法でケタール基およびスルホン酸エステル基を有する前駆体ポリマーを得た。重量平均分子量は、38万であった。 The ketal group and the sulfonate group were changed in the same manner as in Example 5 except that K-DHBP was changed from 12.9 g to 6.45 g (25 mmol), and 4.66 g (25 mmol) of 4,4′-biphenol was added. A precursor polymer having was obtained. The weight average molecular weight was 380,000.

得られた前駆体ポリマーを、実施例5に記載と同様の方法で製膜し、上記式(G8)で表されるスルホン酸基含有ポリマーからなる高分子電解質膜を得た。得られた膜のスルホン酸基密度は3.5 meq/gであった。   The obtained precursor polymer was formed into a film by the same method as described in Example 5 to obtain a polymer electrolyte membrane composed of a sulfonic acid group-containing polymer represented by the above formula (G8). The resulting membrane had a sulfonic acid group density of 3.5 meq / g.

プロトン伝導度は、80℃、相対湿度85%で510mS/cm、80℃、相対湿度25%で0.25mS/cmであった。スルホン酸基密度が高い分、寸法変化率は51%と大きかったが、高分子量化の効果で比較的強靭な膜であり、目視では透明で均一な膜であった。またNMRにおいてケタール基、エステル基の存在は認められなかった。   The proton conductivity was 510 mS / cm at 80 ° C. and 85% relative humidity, and 0.25 mS / cm at 80 ° C. and 25% relative humidity. Since the sulfonic acid group density was high, the dimensional change rate was as large as 51%, but it was a relatively tough film due to the effect of high molecular weight, and it was a transparent and uniform film visually. In addition, the presence of ketal group and ester group was not observed in NMR.

実施例9
(スルホン酸エステル誘導体として、前記(G3)を使用した前記一般式(G9)で表されるスルホン酸基含有ポリマー)
Example 9
(Sulphonic acid group-containing polymer represented by the general formula (G9) using the above (G3) as a sulfonic acid ester derivative)

Figure 2013079367
Figure 2013079367

K−DHBPを12.9gから6.45g(25mmol)に変更し、追加で2,6−ジヒドロキシナフタレン 4.0g(25mmol)を入れる以外は実施例5と同様の方法でケタール基およびスルホン酸エステル基を有する前駆体ポリマーを得た。重量平均分子量は、37万であった。   The ketal group and sulfonic acid ester were changed in the same manner as in Example 5 except that K-DHBP was changed from 12.9 g to 6.45 g (25 mmol) and 4.0 g (25 mmol) of 2,6-dihydroxynaphthalene was added. A precursor polymer having groups was obtained. The weight average molecular weight was 370,000.

得られた前駆体ポリマーを、実施例5と同様の方法で製膜し、上記式(G9)で表されるスルホン酸基含有ポリマーからなる高分子電解質膜を得た。得られた膜のスルホン酸基密度は3.6 meq/gであった。

プロトン伝導度は、80℃、相対湿度85%で520mS/cm、80℃、相対湿度25%で0.2mS/cmであった。スルホン酸基密度が高い分、寸法変化率は52%と大きかったが、高分子量化の効果で比較的強靭な膜であり、目視では透明で均一な膜であった。またNMRにおいてケタール基、エステル基の存在は認められなかった。 実施例10 (下記一般式(G10)で表されるイオン性基を含有しないオリゴマーa1’の合成)
かき混ぜ機、窒素導入管、Dean−Starkトラップを備えた1000mL三口フラスコに、炭酸カリウム16.59g(アルドリッチ試薬、120mmol)、前記合成例1で得たK−DHBP25.8g(100mmol)および4,4’−ジフルオロベンゾフェノン20.3g(アルドリッチ試薬、93mmol)を入れ、窒素置換後、N−メチルピロリドン(NMP)300mL、トルエン100mL中で160℃で脱水後、昇温してトルエン除去、180℃で1時間重合を行った。多量のメタノールに再沈殿精製を行い、イオン性基を含有しないオリゴマーa1(末端:ヒドロキシル基)を得た。数平均分子量は10000であった。
The obtained precursor polymer was formed into a film by the same method as in Example 5 to obtain a polymer electrolyte membrane made of a sulfonic acid group-containing polymer represented by the above formula (G9). The resulting membrane had a sulfonic acid group density of 3.6 meq / g.

The proton conductivity was 520 mS / cm at 80 ° C. and 85% relative humidity, and 0.2 mS / cm at 80 ° C. and 25% relative humidity. Since the sulfonic acid group density was high, the dimensional change rate was as large as 52%, but it was a relatively tough film due to the effect of high molecular weight, and it was a transparent and uniform film visually. In addition, the presence of ketal group and ester group was not observed in NMR. Example 10 (Synthesis of oligomer a1 ′ not containing an ionic group represented by the following general formula (G10))
In a 1000 mL three-necked flask equipped with a stirrer, a nitrogen introduction tube, and a Dean-Stark trap, 16.59 g of potassium carbonate (Aldrich reagent, 120 mmol), 25.8 g (100 mmol) of K-DHBP obtained in Synthesis Example 1 and 4,4 20.3 g of '-difluorobenzophenone (Aldrich reagent, 93 mmol) was added, purged with nitrogen, dehydrated at 160 ° C. in 300 mL of N-methylpyrrolidone (NMP) and 100 mL of toluene, heated to remove toluene, 1 at 180 ° C. Time polymerization was performed. Reprecipitation purification was performed in a large amount of methanol to obtain an oligomer a1 (terminal: hydroxyl group) containing no ionic group. The number average molecular weight was 10,000.

かき混ぜ機、窒素導入管、Dean−Starkトラップを備えた500mL三口フラスコに、炭酸カリウム1.1g(アルドリッチ試薬、8mmol)、イオン性基を含有しない前記オリゴマーa1(末端:ヒドロキシル基)を20.0g(2mmol)を入れ、窒素置換後、N−メチルピロリドン(NMP)100mL、シクロヘキサン30mL中で100℃で脱水後、昇温してシクロヘキサン除去し、デカフルオロビフェニル4.0g(アルドリッチ試薬、12mmol)を入れ、105℃で1時間反応を行った。多量のイソプロピルアルコールで再沈殿することで精製を行い、下記式(G10)で示されるイオン性基を含有しないオリゴマーa1’(末端:フルオロ基)を得た。数平均分子量は11000であり、イオン性基を含有しないオリゴマーa1’の数平均分子量は、リンカー部位(分子量630)を差し引いた値10400と求められた。   In a 500 mL three-necked flask equipped with a stirrer, a nitrogen introduction tube, and a Dean-Stark trap, 1.1 g of potassium carbonate (Aldrich reagent, 8 mmol) and 20.0 g of the oligomer a1 not containing an ionic group (terminal: hydroxyl group) (2 mmol) was added, and after nitrogen substitution, dehydration was performed at 100 ° C. in 100 mL of N-methylpyrrolidone (NMP) and 30 mL of cyclohexane, followed by heating to remove cyclohexane, and 4.0 g of decafluorobiphenyl (Aldrich reagent, 12 mmol) was added. The reaction was carried out at 105 ° C. for 1 hour. Purification was performed by reprecipitation with a large amount of isopropyl alcohol to obtain an oligomer a1 '(terminal: fluoro group) not containing an ionic group represented by the following formula (G10). The number average molecular weight was 11000, and the number average molecular weight of the oligomer a1 'not containing an ionic group was determined to be 10400 obtained by subtracting the linker moiety (molecular weight 630).

Figure 2013079367
Figure 2013079367

(下記一般式(G11)で表されるイオン性基を含有するオリゴマーa2の合成)
かき混ぜ機、窒素導入管、Dean−Starkトラップを備えた1000mL三口フラスコに、炭酸カリウム27.6g(アルドリッチ試薬、200mmol)、前記合成例1で得たK−DHBP25.8g(100mmol)、前記実施例1で得たスルホン酸エステル誘導体(G3)48.2g(93mmol)を入れ、窒素置換後、N−メチルピロリドン(NMP)300mL、トルエン100mL中で、170℃で脱水後、昇温してトルエン除去、180℃で1時間重合を行った。多量のイソプロピルアルコールで再沈殿することで精製を行い、下記式(G11)で示されるスルホン酸エステル基を含有するオリゴマーa2(末端:ヒドロキシル基)を得た。数平均分子量は16000であった。
(Synthesis of oligomer a2 containing an ionic group represented by the following general formula (G11))
In a 1000 mL three-necked flask equipped with a stirrer, a nitrogen inlet tube, and a Dean-Stark trap, 27.6 g of potassium carbonate (Aldrich reagent, 200 mmol), 25.8 g (100 mmol) of K-DHBP obtained in Synthesis Example 1, and the above example 48.2 g (93 mmol) of the sulfonic acid ester derivative (G3) obtained in 1 was added, purged with nitrogen, dehydrated at 170 ° C. in 300 mL of N-methylpyrrolidone (NMP) and 100 mL of toluene, and then heated to remove toluene. Polymerization was carried out at 180 ° C. for 1 hour. Purification was performed by reprecipitation with a large amount of isopropyl alcohol to obtain an oligomer a2 (terminal: hydroxyl group) containing a sulfonate group represented by the following formula (G11). The number average molecular weight was 16000.

Figure 2013079367
Figure 2013079367

(スルホン酸エステル基を含有するセグメント(A1)としてオリゴマーa2、イオン性基を含有しないセグメント(A2)としてオリゴマーa1、リンカー部位としてオクタフルオロビフェニレンを含有するブロック共重合体b1の合成)
かき混ぜ機、窒素導入管、Dean−Starkトラップを備えた500mL三口フラスコに、炭酸カリウム0.56g(アルドリッチ試薬、4mmol)、スルホン酸エステル基を含有するオリゴマーa2(末端:ヒドロキシル基)を16g(1mmol)を入れ、窒素置換後、N−メチルピロリドン(NMP)100mL、シクロヘキサン30mL中で100℃で脱水後、昇温してシクロヘキサン除去し、イオン性基を含有しないオリゴマーa1’(末端:フルオロ基)11g(1mmol)を入れ、105℃で24時間反応を行った。多量のイソプロピルアルコールへの再沈殿精製により、ブロック共重合体b1を得た。重量平均分子量は49万、数平均分子量は15万であった。
(Synthesis of oligomer a2 as segment (A1) containing sulfonate group, oligomer a1 as segment (A2) not containing ionic group, and block copolymer b1 containing octafluorobiphenylene as a linker moiety)
In a 500 mL three-necked flask equipped with a stirrer, a nitrogen introducing tube, and a Dean-Stark trap, 0.56 g of potassium carbonate (Aldrich reagent, 4 mmol) and 16 g (1 mmol) of an oligomer a2 containing a sulfonate group (terminal: hydroxyl group) ), Nitrogen substitution, dehydration at 100 ° C. in 100 mL of N-methylpyrrolidone (NMP) and 30 mL of cyclohexane, heating to remove cyclohexane, and oligomer a1 ′ (terminal: fluoro group) containing no ionic groups 11 g (1 mmol) was added and reacted at 105 ° C. for 24 hours. A block copolymer b1 was obtained by reprecipitation purification into a large amount of isopropyl alcohol. The weight average molecular weight was 490,000 and the number average molecular weight was 150,000.

得られたブロックポリマーb1を実施例5記載の方法で製膜し、前駆体ポリマー膜を得た(膜厚25μm)。成型前のスルホン酸エステル基含有ポリマーの溶解性は極めて良好であった。続いて、実施例5記載の方法で脱保護、脱エステル化、プロトン置換、水洗浄し、スルホン酸基含有ブロックポリマーからなる高分子電解質膜を得た。
中和滴定から求めたイオン交換容量は1.6meq/g、H−NMRから求めたモル組成比(A1/A2)は、48モル/52モル=0.92、ケタール基、エステル基の残存は認められなかった。極めて強靱な電解質膜であり、目視では透明で均一な膜であった。プロトン伝導度は、80℃、相対湿度85%で260mS/cm、80℃、相対湿度25%で3mS/cmであり、低加湿プロトン伝導性に優れていた。また、寸法変化率は8%と小さく、耐熱水性にも優れていた。さらに、TEM観察により、ドメインサイズ21nmの共連続様の相分離構造が確認できた。

実施例11 (上記一般式(G10)で表されるイオン性基を含有しないオリゴマーa3’の合成)
かき混ぜ機、窒素導入管、Dean−Starkトラップを備えた1000mL三口フラスコに、炭酸カリウム16.59g(アルドリッチ試薬、120mmol)、前記合成例1で得たK−DHBP25.8g(100mmol)および4,4’−ジフルオロベンゾフェノン20.7g(アルドリッチ試薬、95mmol)を入れ、窒素置換後、N−メチルピロリドン(NMP)300mL、トルエン100mL中で160℃で脱水後、昇温してトルエン除去、180℃で1時間重合を行った。多量のメタノールに再沈殿精製を行い、イオン性基を含有しないオリゴマーa3(末端:ヒドロキシル基)を得た。数平均分子量は20000であった。
The obtained block polymer b1 was formed into a film by the method described in Example 5 to obtain a precursor polymer film (film thickness 25 μm). The solubility of the sulfonate group-containing polymer before molding was very good. Subsequently, deprotection, deesterification, proton substitution, and water washing were performed by the method described in Example 5 to obtain a polymer electrolyte membrane composed of a sulfonic acid group-containing block polymer.
The ion exchange capacity determined from neutralization titration is 1.6 meq / g, the molar composition ratio (A1 / A2) determined from 1 H-NMR is 48 mol / 52 mol = 0.92, the remaining ketal groups and ester groups. Was not recognized. It was an extremely tough electrolyte membrane, and was a transparent and uniform membrane by visual inspection. The proton conductivity was 260 mS / cm at 80 ° C. and 85% relative humidity, and 3 mS / cm at 80 ° C. and 25% relative humidity, and was excellent in low humidified proton conductivity. Further, the dimensional change rate was as small as 8%, and the hot water resistance was also excellent. Furthermore, a TEM observation confirmed a co-continuous phase separation structure with a domain size of 21 nm.

Example 11 (Synthesis of oligomer a3 ′ not containing an ionic group represented by the above general formula (G10))
In a 1000 mL three-necked flask equipped with a stirrer, a nitrogen introduction tube, and a Dean-Stark trap, 16.59 g of potassium carbonate (Aldrich reagent, 120 mmol), 25.8 g (100 mmol) of K-DHBP obtained in Synthesis Example 1 and 4,4 20.7 g of '-difluorobenzophenone (Aldrich reagent, 95 mmol) was added, purged with nitrogen, dehydrated at 160 ° C. in 300 mL of N-methylpyrrolidone (NMP) and 100 mL of toluene, heated to remove toluene, 1 at 180 ° C. Time polymerization was performed. Reprecipitation purification was carried out in a large amount of methanol to obtain oligomer a3 (terminal: hydroxyl group) containing no ionic group. The number average molecular weight was 20000.

かき混ぜ機、窒素導入管、Dean−Starkトラップを備えた500mL三口フラスコに、炭酸カリウム1.1g(アルドリッチ試薬、8mmol)、イオン性基を含有しない前記オリゴマーa3(末端:ヒドロキシル基)を40.0g(2mmol)を入れ、窒素置換後、N−メチルピロリドン(NMP)100mL、シクロヘキサン30mL中で100℃で脱水後、昇温してシクロヘキサン除去し、デカフルオロビフェニル4.0g(アルドリッチ試薬、12mmol)を入れ、105℃で1時間反応を行った。多量のイソプロピルアルコールで再沈殿することで精製を行い、上記式(G5)で示されるイオン性基を含有しないオリゴマーa3’(末端:フルオロ基)を得た。数平均分子量は21000であり、イオン性基を含有しないオリゴマーa3’の数平均分子量は、リンカー部位(分子量630)を差し引いた値20400と求められた。   In a 500 mL three-necked flask equipped with a stirrer, a nitrogen introduction tube, and a Dean-Stark trap, 1.1 g of potassium carbonate (Aldrich reagent, 8 mmol) and 40.0 g of the oligomer a3 not containing an ionic group (terminal: hydroxyl group) (2 mmol) was added, and after nitrogen substitution, dehydration was performed at 100 ° C. in 100 mL of N-methylpyrrolidone (NMP) and 30 mL of cyclohexane, followed by heating to remove cyclohexane, and 4.0 g of decafluorobiphenyl (Aldrich reagent, 12 mmol) was added. The reaction was carried out at 105 ° C. for 1 hour. Purification was performed by reprecipitation with a large amount of isopropyl alcohol to obtain an oligomer a3 ′ (terminal: fluoro group) not containing an ionic group represented by the above formula (G5). The number average molecular weight was 21000, and the number average molecular weight of the oligomer a3 'not containing an ionic group was determined to be 20400, which is obtained by subtracting the linker moiety (molecular weight 630).

(上記一般式(G11)で表されるイオン性基を含有するオリゴマーa4の合成)
かき混ぜ機、窒素導入管、Dean−Starkトラップを備えた1000mL三口フラスコに、炭酸カリウム27.6g(アルドリッチ試薬、200mmol)、前記合成例1で得たK−DHBP25.8g(100mmol)、前記実施例1で得たスルホン酸エステル誘導体(G3)49.2g(95mmol)を入れ、窒素置換後、N−メチルピロリドン(NMP)300mL、トルエン100mL中で170℃で脱水後、昇温してトルエン除去、180℃で1時間重合を行った。多量のイソプロピルアルコールで再沈殿することで精製を行い、上記式(G11)で示されるスルホン酸エステル基を含有するオリゴマーa4(末端:ヒドロキシル基)を得た。数平均分子量は32000であった。
(Synthesis of oligomer a4 containing an ionic group represented by the general formula (G11))
In a 1000 mL three-necked flask equipped with a stirrer, a nitrogen inlet tube, and a Dean-Stark trap, 27.6 g of potassium carbonate (Aldrich reagent, 200 mmol), 25.8 g (100 mmol) of K-DHBP obtained in Synthesis Example 1, and the above example 49.2 g (95 mmol) of the sulfonic acid ester derivative (G3) obtained in 1 was added, and after nitrogen substitution, dehydration was performed at 170 ° C. in 300 mL of N-methylpyrrolidone (NMP) and 100 mL of toluene, and the temperature was raised to remove toluene. Polymerization was carried out at 180 ° C. for 1 hour. Purification was performed by reprecipitation with a large amount of isopropyl alcohol to obtain an oligomer a4 (terminal: hydroxyl group) containing a sulfonate group represented by the above formula (G11). The number average molecular weight was 32,000.

(スルホン酸エステル基を含有するセグメント(A1)としてオリゴマーa4、イオン性基を含有しないセグメント(A2)としてオリゴマーa3、リンカー部位としてオクタフルオロビフェニレンを含有するブロック共重合体b2の合成)
かき混ぜ機、窒素導入管、Dean−Starkトラップを備えた500mL三口フラスコに、炭酸カリウム0.56g(アルドリッチ試薬、4mmol)、スルホン酸エステル基を含有するオリゴマーa4(末端:ヒドロキシル基)を32g(1mmol)を入れ、窒素置換後、N−メチルピロリドン(NMP)100mL、シクロヘキサン30mL中で100℃で脱水後、昇温してシクロヘキサン除去し、イオン性基を含有しないオリゴマーa3’(末端:フルオロ基)21g(1mmol)を入れ、105℃で24時間反応を行った。多量のイソプロピルアルコールへの再沈殿精製により、ブロック共重合体b2を得た。重量平均分子量は39万、数平均分子量は13万であった。
(Synthesis of oligomer a4 as segment (A1) containing sulfonate group, oligomer a3 as segment (A2) not containing ionic group, and block copolymer b2 containing octafluorobiphenylene as a linker moiety)
In a 500 mL three-necked flask equipped with a stirrer, a nitrogen introduction tube, and a Dean-Stark trap, 0.56 g of potassium carbonate (Aldrich reagent, 4 mmol) and 32 g (1 mmol) of an oligomer a4 containing a sulfonate group (terminal: hydroxyl group) ), Nitrogen substitution, dehydration at 100 ° C. in 100 mL of N-methylpyrrolidone (NMP) and 30 mL of cyclohexane, followed by heating to remove cyclohexane, oligomer a3 ′ containing no ionic groups (terminal: fluoro group) 21 g (1 mmol) was added and reacted at 105 ° C. for 24 hours. A block copolymer b2 was obtained by reprecipitation purification into a large amount of isopropyl alcohol. The weight average molecular weight was 390,000, and the number average molecular weight was 130,000.

得られたブロックポリマーb2を実施例5記載の方法で製膜し、前駆体ポリマー膜を得た(膜厚25μm)。成型前のスルホン酸エステル基含有ポリマーの溶解性は極めて良好であった。続いて、実施例5記載の方法で脱保護、脱エステル化、プロトン置換、水洗浄し、スルホン酸基含有ブロックポリマーからなる高分子電解質膜を得た。
中和滴定から求めたイオン交換容量は1.7meq/g、H−NMRから求めたモル組成比(A1/A2)は、50モル/50モル=1、ケタール基、エステル基の残存は認められなかった。極めて強靱な電解質膜であり、目視では透明で均一な膜であった。プロトン伝導度は、80℃、相対湿度85%で300mS/cm、80℃、相対湿度25%で3.5mS/cmであり、低加湿プロトン伝導性に優れていた。また、寸法変化率は9%と小さく、耐熱水性にも優れていた。さらに、TEM観察により、ドメインサイズ49nmの共連続様の相分離構造が確認できた。
The obtained block polymer b2 was formed into a film by the method described in Example 5 to obtain a precursor polymer film (film thickness 25 μm). The solubility of the sulfonate group-containing polymer before molding was very good. Subsequently, deprotection, deesterification, proton substitution, and water washing were performed by the method described in Example 5 to obtain a polymer electrolyte membrane composed of a sulfonic acid group-containing block polymer.
The ion exchange capacity determined from neutralization titration was 1.7 meq / g, the molar composition ratio (A1 / A2) determined from 1 H-NMR was 50 mol / 50 mol = 1, and the remaining ketal group and ester group were recognized. I couldn't. It was an extremely tough electrolyte membrane, and was a transparent and uniform membrane by visual inspection. The proton conductivity was 300 mS / cm at 80 ° C. and 85% relative humidity, and 3.5 mS / cm at 80 ° C. and 25% relative humidity. The proton conductivity was excellent in low humidification proton conductivity. Further, the dimensional change rate was as small as 9%, and the hot water resistance was also excellent. Furthermore, a TEM observation confirmed a co-continuous phase separation structure with a domain size of 49 nm.

実施例12
(スルホン酸エステル基を含有するセグメント(A1)としてオリゴマーa4、イオン性基を含有しないセグメント(A2)としてオリゴマーa1、リンカー部位としてオクタフルオロビフェニレンを含有するブロック共重合体b3の合成)
イオン性基を含有しないオリゴマーa3’に変えて、a1’(末端:フルオロ基)を11g(1mmol)入れる以外は、実施例11と同様の方法でブロック共重合体b3を得た。重量平均分子量は41万、数平均分子量は13万であった。
Example 12
(Synthesis of oligomer a4 as segment (A1) containing sulfonate group, oligomer a1 as segment (A2) not containing ionic group, and block copolymer b3 containing octafluorobiphenylene as a linker moiety)
A block copolymer b3 was obtained in the same manner as in Example 11 except that 11 g (1 mmol) of a1 ′ (terminal: fluoro group) was added instead of the oligomer a3 ′ containing no ionic group. The weight average molecular weight was 410,000, and the number average molecular weight was 130,000.

得られたブロックポリマーb3を実施例5に記載の方法で製膜し、前駆体ポリマー膜を得た(膜厚25μm)。成型前のスルホン酸エステル基含有ポリマーの溶解性は極めて良好であった。続いて、実施例5記載の方法で脱保護、脱エステル化、プロトン置換、水洗浄し、スルホン酸基含有ブロックポリマーからなる高分子電解質膜を得た。
中和滴定から求めたイオン交換容量は2.5meq/g、H−NMRから求めたモル組成比(A1/A2)は、65モル/35モル=1.86、ケタール基、エステル基の残存は認められなかった。極めて強靱な電解質膜であり、目視では透明で均一な膜であった。プロトン伝導度は、80℃、相対湿度85%で520mS/cm、80℃、相対湿度25%で3.8mS/cmであり、低加湿プロトン伝導性に優れていた。また、寸法変化率は18%と比較的小さく、耐熱水性にも優れていた。さらに、TEM観察により、ドメインサイズ50nmの相分離構造が確認できた。
The obtained block polymer b3 was formed into a film by the method described in Example 5 to obtain a precursor polymer film (film thickness 25 μm). The solubility of the sulfonate group-containing polymer before molding was very good. Subsequently, deprotection, deesterification, proton substitution, and water washing were performed by the method described in Example 5 to obtain a polymer electrolyte membrane composed of a sulfonic acid group-containing block polymer.
The ion exchange capacity determined from neutralization titration was 2.5 meq / g, the molar composition ratio determined from 1 H-NMR (A1 / A2) was 65 mol / 35 mol = 1.86, the remaining ketal groups and ester groups. Was not recognized. It was an extremely tough electrolyte membrane, and was a transparent and uniform membrane by visual inspection. The proton conductivity was 520 mS / cm at 80 ° C. and 85% relative humidity, and 3.8 mS / cm at 80 ° C. and 25% relative humidity, and was excellent in low-humidity proton conductivity. Further, the dimensional change rate was relatively small at 18%, and the hot water resistance was also excellent. Furthermore, a phase separation structure with a domain size of 50 nm was confirmed by TEM observation.

実施例13
(上記一般式(G11)で表されるイオン性基を含有するオリゴマーa5の合成)
前記実施例1で得たスルホン酸エステル誘導体(G3)を48.1g(93mmol)に変えた以外は実施例11に記載の方法で前記式(G11)で示されるスルホン酸エステル基を含有するオリゴマーa5(末端:ヒドロキシル基)を得た。数平均分子量は40000であった。
(スルホン酸エステル基を含有するセグメント(A1)としてオリゴマーa5、イオン性基を含有しないセグメント(A2)としてオリゴマーa1、リンカー部位としてオクタフルオロビフェニレンを含有するブロック共重合体b4の合成)
イオン性基を含有するオリゴマーa2に変えて、a5(末端:ヒドロキシル基)を40g(1mmol)入れる以外は、実施例10と同様の方法でブロック共重合体b4を得た。重量平均分子量は40万、数平均分子量は13万であった。
Example 13
(Synthesis of oligomer a5 containing an ionic group represented by the general formula (G11))
An oligomer containing a sulfonate group represented by the formula (G11) by the method described in Example 11 except that the sulfonate derivative (G3) obtained in Example 1 was changed to 48.1 g (93 mmol). a5 (terminal: hydroxyl group) was obtained. The number average molecular weight was 40,000.
(Synthesis of oligomer a5 as segment (A1) containing sulfonate group, oligomer a1 as segment (A2) not containing ionic group, and block copolymer b4 containing octafluorobiphenylene as a linker moiety)
A block copolymer b4 was obtained in the same manner as in Example 10 except that 40 g (1 mmol) of a5 (terminal: hydroxyl group) was added instead of the oligomer a2 containing an ionic group. The weight average molecular weight was 400,000 and the number average molecular weight was 130,000.

得られたブロックポリマーb4を実施例5に記載の方法で製膜し、前駆体ポリマー膜を得た(膜厚25μm)。成型前のスルホン酸エステル基含有ポリマーの溶解性は極めて良好であった。続いて、実施例5記載の方法で脱保護、脱エステル化、プロトン置換、水洗浄し、スルホン酸基含有ブロックポリマーからなる高分子電解質膜を得た。
中和滴定から求めたイオン交換容量は2.7meq/g、H−NMRから求めたモル組成比(A1/A2)は、70モル/30モル=1.86、ケタール基、エステル基の残存は認められなかった。極めて強靱な電解質膜であり、目視では透明で均一な膜であった。プロトン伝導度は、80℃、相対湿度85%で550mS/cm、80℃、相対湿度25%で4mS/cmであり、低加湿プロトン伝導性に優れていた。また、寸法変化率は20%と比較的小さく、耐熱水性にも優れていた。さらに、TEM観察により、ドメインサイズ50nmの相分離構造が確認できた。
The obtained block polymer b4 was formed into a film by the method described in Example 5 to obtain a precursor polymer film (film thickness 25 μm). The solubility of the sulfonate group-containing polymer before molding was very good. Subsequently, deprotection, deesterification, proton substitution, and water washing were performed by the method described in Example 5 to obtain a polymer electrolyte membrane composed of a sulfonic acid group-containing block polymer.
The ion exchange capacity determined from neutralization titration was 2.7 meq / g, the molar composition ratio determined from 1 H-NMR (A1 / A2) was 70 mol / 30 mol = 1.86, the remaining ketal groups and ester groups. Was not recognized. It was an extremely tough electrolyte membrane, and was a transparent and uniform membrane by visual inspection. The proton conductivity was 550 mS / cm at 80 ° C. and 85% relative humidity, and 4 mS / cm at 80 ° C. and 25% relative humidity. The proton conductivity was excellent. Further, the dimensional change rate was relatively small at 20%, and the hot water resistance was excellent. Furthermore, a phase separation structure with a domain size of 50 nm was confirmed by TEM observation.

実施例14
実施例10記載のブロック共重合体b1を溶解させた25重量%N−メチルピロリドン(NMP)溶液をガラス繊維フィルターを用いて加圧ろ過後、ガラス基板上に流延塗布し、100℃にて4h乾燥することで、スルホン酸エステル基含有ポリケタールケトン膜(膜厚24μm)を得た。ポリマーの溶解性は極めて良好であった。次に、60℃の10重量%硫酸水溶液に24時間浸漬して、脱保護処理を実施した。NMRにより、ケタール基の残存なく、スルホン酸エステル基が残存していることを確認した。窒素下300℃で10分加熱処理を実施した後、続いて、95℃の臭化リチウム水溶液に浸漬、脱エステル化反応を進行させ、塩酸処理、大過剰量の純水に24時間浸漬して充分洗浄し、スルホン酸基含有ポリマーからなる高分子電解質膜を得た。
Example 14
A 25 wt% N-methylpyrrolidone (NMP) solution in which the block copolymer b1 described in Example 10 was dissolved was subjected to pressure filtration using a glass fiber filter, and then cast onto a glass substrate at 100 ° C. By drying for 4 hours, a sulfonate group-containing polyketal ketone film (film thickness: 24 μm) was obtained. The solubility of the polymer was very good. Next, it was immersed in a 10% by weight sulfuric acid aqueous solution at 60 ° C. for 24 hours to perform deprotection treatment. By NMR, it was confirmed that a sulfonic acid ester group remained without a ketal group remaining. After carrying out heat treatment at 300 ° C. for 10 minutes under nitrogen, it was subsequently immersed in a 95 ° C. aqueous lithium bromide solution to proceed with the deesterification reaction, treated with hydrochloric acid and immersed in a large excess of pure water for 24 hours. The polymer electrolyte membrane made of a sulfonic acid group-containing polymer was obtained by thoroughly washing.

中和滴定から求めたイオン交換容量は1.6meq/g、H−NMRから求めたモル組成比(A1/A2)は、48モル/52モル=0.92、ケタール基、エステル基の残存は認められなかった。極めて強靱な電解質膜であり、目視では透明で均一な膜であった。プロトン伝導度は、80℃、相対湿度85%で300mS/cm、80℃、相対湿度25%で3.5mS/cmであり、低加湿プロトン伝導性に優れていた。また、寸法変化率は2%と小さく、耐熱水性にも優れていた。脱保護後、スルホン酸エステル基が残存している状態で熱処理することによるフ゜ロトン伝導性、耐熱水性、機械特性の向上が確認できた。さらに、TEM観察により、ドメインサイズ17nmの共連続様の相分離構造が確認できた。 The ion exchange capacity determined from neutralization titration is 1.6 meq / g, the molar composition ratio (A1 / A2) determined from 1 H-NMR is 48 mol / 52 mol = 0.92, the remaining ketal groups and ester groups. Was not recognized. It was an extremely tough electrolyte membrane, and was a transparent and uniform membrane by visual inspection. The proton conductivity was 300 mS / cm at 80 ° C. and 85% relative humidity, and 3.5 mS / cm at 80 ° C. and 25% relative humidity. The proton conductivity was excellent in low humidification proton conductivity. Further, the dimensional change rate was as small as 2%, and the hot water resistance was also excellent. After deprotection, improvement in fluorocarbon conductivity, hot water resistance, and mechanical properties was confirmed by heat treatment with the sulfonate group remaining. Furthermore, a TEM observation confirmed a co-continuous phase separation structure with a domain size of 17 nm.

実施例15
実施例10記載のブロック共重合体b1を溶解させた25重量%N−メチルピロリドン(NMP)溶液をガラス繊維フィルターを用いて加圧ろ過後、ガラス基板上に流延塗布し、100℃にて4h乾燥した後、さらに窒素下、300℃で10分加熱処理し、スルホン酸エステル基含有ポリケタールケトン膜(膜厚24μm)を得た。ポリマーの溶解性は極めて良好であった。NMRにより、ケタール基とスルホン酸エステル基の残存を確認した。95℃の臭化リチウム水溶液に膜を浸漬、脱エステル化反応を進行させた後、60℃の10重量%硫酸水溶液に24時間浸漬して、スルホン酸基のプロトン置換とケタールの脱保護処理を実施し、大過剰量の純水に24時間浸漬して充分洗浄することで、スルホン酸基含有ポリマーからなる高分子電解質膜を得た。
Example 15
A 25 wt% N-methylpyrrolidone (NMP) solution in which the block copolymer b1 described in Example 10 was dissolved was subjected to pressure filtration using a glass fiber filter, and then cast onto a glass substrate at 100 ° C. After drying for 4 hours, the mixture was further heat-treated at 300 ° C. for 10 minutes under nitrogen to obtain a sulfonate group-containing polyketal ketone film (film thickness: 24 μm). The solubility of the polymer was very good. NMR confirmed the presence of ketal groups and sulfonic acid ester groups. After immersing the membrane in a 95 ° C. aqueous lithium bromide solution and allowing the deesterification reaction to proceed, the membrane is immersed in a 10% by weight sulfuric acid aqueous solution at 60 ° C. for 24 hours for proton substitution of the sulfonic acid group and deprotection treatment of the ketal The polymer electrolyte membrane made of a sulfonic acid group-containing polymer was obtained by immersing in a large excess amount of pure water for 24 hours and sufficiently washing.

中和滴定から求めたイオン交換容量は1.6meq/g、H−NMRから求めたモル組成比(A1/A2)は、48モル/52モル=0.92、ケタール基、エステル基の残存は認められなかった。極めて強靱な電解質膜であり、目視では透明で均一な膜であった。プロトン伝導度は、80℃、相対湿度85%で270mS/cm、80℃、相対湿度25%で3.1mS/cmであり、低加湿プロトン伝導性に優れていた。また、寸法変化率は6%と小さく、耐熱水性にも優れていた。実施例10に比べより高温で熱処理することで、フ゜ロトン伝導性、耐熱水性、機械特性の向上が確認できたが、ケタール基が残存している状態で熱処理したため、実施例14には劣っていた。さらに、TEM観察により、ドメインサイズ19nmの共連続様の相分離構造が確認できた。 The ion exchange capacity determined from neutralization titration is 1.6 meq / g, the molar composition ratio (A1 / A2) determined from 1 H-NMR is 48 mol / 52 mol = 0.92, the remaining ketal groups and ester groups. Was not recognized. It was an extremely tough electrolyte membrane, and was a transparent and uniform membrane by visual inspection. The proton conductivity was 270 mS / cm at 80 ° C. and a relative humidity of 85%, and 3.1 mS / cm at 80 ° C. and a relative humidity of 25%. The proton conductivity was excellent. Further, the dimensional change rate was as small as 6%, and the hot water resistance was also excellent. By conducting heat treatment at a higher temperature than in Example 10, it was confirmed that fluorocarbon conductivity, hot water resistance, and mechanical properties were improved, but the heat treatment was carried out with the ketal group remaining, so that it was inferior to Example 14. . Furthermore, a TEM observation confirmed a co-continuous phase separation structure with a domain size of 19 nm.

実施例16
(スルホン酸エステル誘導体として、前記(G6)を使用した下記一般式(G12)で表されるスルホン酸基含有ポリマー)
Example 16
(Sulphonic acid group-containing polymer represented by the following general formula (G12) using (G6) as a sulfonic acid ester derivative)

Figure 2013079367
Figure 2013079367

スルホン酸エステル誘導体(G3)に変えて、(G6) 29.1gを入れた以外は実施例5と同様の方法で、ケタール基およびスルホン酸エステル基を有する前駆体ポリマーを得た。重量平均分子量は、41万であった。 A precursor polymer having a ketal group and a sulfonate group was obtained in the same manner as in Example 5 except that 29.1 g of (G6) was used instead of the sulfonate derivative (G3). The weight average molecular weight was 410,000.

得られた前駆体ポリマーを、実施例5記載と同様の方法で製膜し、上記式(G12)で表されるスルホン酸基含有ポリマーからなる高分子電解質膜を得た。得られた膜のスルホン酸基密度は3.5 meq/gであった。

プロトン伝導度は、80℃、相対湿度85%で450mS/cm、80℃、相対湿度25%で0.1mS/cmであった。ジフェニルスルホン骨格を含みかつスルホン酸基密度が高い分、寸法変化率は68%と大きかったが、エステル基による高分子量化の効果で比較的強靭な膜であり、目視では透明で均一な膜であった。またNMRにおいてケタール基、エステル基の存在は認められなかった。 比較例1 市販のナフィオン(登録商標)NRE211CS膜(デュポン社製)を用い、各種特性を評価した。中和滴定から求めたイオン交換容量は0.9meq/gであった。目視では透明で均一な膜であり、TEM観察において明確な相分離構造は確認されなかった。プロトン伝導度は、80℃、相対湿度85%で100mS/cm、80℃、相対湿度25%で3mS/cmであった。また、熱水中に浸漬すると激しく膨潤し、取り扱いが困難で掴むと破れてしまうこともあった。

比較例2
(上記一般式(G7)で表されるスルホン酸基含有ポリマー) かき混ぜ機、窒素導入管、Dean−Starkトラップを備えた500mL三口フラスコに、炭酸カリウム15.6g(アルドリッチ試薬、113mmol)、前記合成例1で得たK−DHBP12.9g(50mmol)、前記合成例2で得たジソジウムー3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノン 22.2g(52.5mmol)を入れ、窒素置換後、N−メチルピロリドン(NMP)150mL、トルエン50mL中で180℃で脱水後、昇温してトルエン除去、210℃で6時間重合を行った。多量のイソプロピルアルコールに再沈殿することで精製を行い、ケタール基を有する前躯体ポリマーを得た。重量平均分子量は18万であった。
The obtained precursor polymer was formed into a film by the same method as described in Example 5 to obtain a polymer electrolyte membrane composed of a sulfonic acid group-containing polymer represented by the above formula (G12). The resulting membrane had a sulfonic acid group density of 3.5 meq / g.

The proton conductivity was 450 mS / cm at 80 ° C. and 85% relative humidity, and 0.1 mS / cm at 80 ° C. and 25% relative humidity. The dimensional change rate was as high as 68% because it contained a diphenylsulfone skeleton and the sulfonic acid group density was high, but it was a relatively tough film due to the effect of high molecular weight by the ester group, and it was a transparent and uniform film visually. there were. In addition, the presence of ketal group and ester group was not observed in NMR. Comparative Example 1 Various characteristics were evaluated using a commercially available Nafion (registered trademark) NRE211CS membrane (manufactured by DuPont). The ion exchange capacity determined from neutralization titration was 0.9 meq / g. The film was visually transparent and uniform, and a clear phase separation structure was not confirmed by TEM observation. The proton conductivity was 100 mS / cm at 80 ° C. and 85% relative humidity, and 3 mS / cm at 80 ° C. and 25% relative humidity. Moreover, when it was immersed in hot water, it swelled violently, and it was difficult to handle and sometimes it was torn.

Comparative Example 2
(Sulfonic acid group-containing polymer represented by the above general formula (G7)) In a 500 mL three-necked flask equipped with a stirrer, a nitrogen introduction tube, and a Dean-Stark trap, 15.6 g of potassium carbonate (Aldrich reagent, 113 mmol), the above synthesis 12.9 g (50 mmol) of K-DHBP obtained in Example 1 and 22.2 g (52.5 mmol) of disodium-3,3′-disulfonate-4,4′-difluorobenzophenone obtained in Synthesis Example 2 were added, and nitrogen substitution was performed. Then, after dehydrating at 180 ° C. in 150 mL of N-methylpyrrolidone (NMP) and 50 mL of toluene, the temperature was raised to remove toluene, and polymerization was carried out at 210 ° C. for 6 hours. Purification was performed by reprecipitation in a large amount of isopropyl alcohol to obtain a precursor polymer having a ketal group. The weight average molecular weight was 180,000.

得られたポリマーを実施例2記載の方法で製膜し、前駆体ポリマー膜を得た(膜厚24μm)。成型前のスルホン酸基含有ポリマー前駆体の塗液は目視で濁っており、有機溶媒に対する溶解性で実施例に劣っていた。続いて、95℃で10重量%硫酸水溶液に24時間浸漬してプロトン置換、脱保護反応した後に、大過剰量の純水に24時間浸漬して充分洗浄し、スルホン酸基含有ポリマーからなる高分子電解質膜を得た。得られた膜のスルホン酸基密度は3.3meq/gであった。   The obtained polymer was formed into a film by the method described in Example 2 to obtain a precursor polymer film (film thickness: 24 μm). The coating solution of the sulfonic acid group-containing polymer precursor before molding was visually turbid and inferior to the examples in terms of solubility in organic solvents. Subsequently, after being immersed in a 10% by weight sulfuric acid aqueous solution at 95 ° C. for 24 hours to carry out proton substitution and deprotection reactions, it was immersed in a large excess amount of pure water for 24 hours and washed thoroughly to obtain a high sulfonic acid group-containing polymer. A molecular electrolyte membrane was obtained. The resulting membrane had a sulfonic acid group density of 3.3 meq / g.

プロトン伝導度は、80℃、相対湿度85%で430mS/cm、80℃、相対湿度25%で0.1mS/cmであった。エステル基を導入していないため、分子量が低くかつスルホン酸基密度が高いため、寸法変化率は70%と大きく、一部溶出が観測され、対熱水性で実施例に劣っていた。得られた膜は目視で白濁していた。またNMRにおいてケタール基の残存は認められなかった。

比較例3 (下記一般式(G13)で表されるイオン性基を含有するオリゴマーa6の合成)
かき混ぜ機、窒素導入管、Dean−Starkトラップを備えた1000mL三口フラスコに、炭酸カリウム27.6g(アルドリッチ試薬、200mmol)、前記合成例1で得たK−DHBP25.8g(100mmol)、前記合成例2で得たジソジウムー3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノン39.3g(93mmol)を入れ、窒素置換後、N−メチルピロリドン(NMP)300mL、トルエン100mL中で170℃で脱水後、昇温してトルエン除去、180℃で1時間重合を行った。多量のイソプロピルアルコールで再沈殿することで精製を行い、下記式(G13)で示されるイオン性基を含有するオリゴマーa5(末端:ヒドロキシル基)を得た。数平均分子量は16000であった。
The proton conductivity was 430 mS / cm at 80 ° C. and 85% relative humidity, and 0.1 mS / cm at 80 ° C. and 25% relative humidity. Since no ester group was introduced, the molecular weight was low and the sulfonic acid group density was high. Therefore, the dimensional change rate was as large as 70%, and partial elution was observed. The obtained film was visually cloudy. Further, no residual ketal group was observed in NMR.

Comparative Example 3 (Synthesis of oligomer a6 containing an ionic group represented by the following general formula (G13))
In a 1000 mL three-necked flask equipped with a stirrer, a nitrogen introducing tube, and a Dean-Stark trap, 27.6 g of potassium carbonate (Aldrich reagent, 200 mmol), 25.8 g (100 mmol) of K-DHBP obtained in Synthesis Example 1, and the above synthesis example 39.3 g (93 mmol) of disodium-3,3′-disulfonate-4,4′-difluorobenzophenone obtained in Step 2 was added, and after nitrogen substitution, dehydrated at 170 ° C. in 300 mL of N-methylpyrrolidone (NMP) and 100 mL of toluene. Thereafter, the temperature was raised to remove toluene, and polymerization was carried out at 180 ° C. for 1 hour. Purification was performed by reprecipitation with a large amount of isopropyl alcohol to obtain an oligomer a5 (terminal: hydroxyl group) containing an ionic group represented by the following formula (G13). The number average molecular weight was 16000.

Figure 2013079367
Figure 2013079367

(イオン性基を含有するセグメント(A1)としてオリゴマーa6、イオン性基を含有しないセグメント(A2)としてオリゴマーa1、リンカー部位としてオクタフルオロビフェニレンを含有するブロック共重合体b3の合成)
かき混ぜ機、窒素導入管、Dean−Starkトラップを備えた500mL三口フラスコに、炭酸カリウム0.56g(アルドリッチ試薬、4mmol)、イオン性基を含有するオリゴマーa6(末端:ヒドロキシル基)を16g(1mmol)を入れ、窒素置換後、N−メチルピロリドン(NMP)100mL、シクロヘキサン30mL中で100℃で脱水後、昇温してシクロヘキサン除去し、イオン性基を含有しないオリゴマーa1’(末端:フルオロ基)11g(1mmol)を入れ、105℃で24時間反応を行った。多量のイソプロピルアルコールへの再沈殿精製により、ブロック共重合体b3を得た。重量平均分子量は32万、数平均分子量は6.5万であった。
(Synthesis of oligomer a6 as segment (A1) containing ionic group, oligomer a1 as segment (A2) not containing ionic group, and block copolymer b3 containing octafluorobiphenylene as linker moiety)
In a 500 mL three-necked flask equipped with a stirrer, a nitrogen introduction tube and a Dean-Stark trap, 0.56 g of potassium carbonate (Aldrich reagent, 4 mmol) and 16 g (1 mmol) of an oligomer a6 containing an ionic group (terminal: hydroxyl group) After substitution with nitrogen, dehydration was performed at 100 ° C. in 100 mL of N-methylpyrrolidone (NMP) and 30 mL of cyclohexane, followed by heating to remove cyclohexane, 11 g of oligomer a1 ′ (terminal: fluoro group) not containing an ionic group (1 mmol) was added and reacted at 105 ° C. for 24 hours. A block copolymer b3 was obtained by reprecipitation purification into a large amount of isopropyl alcohol. The weight average molecular weight was 320,000, and the number average molecular weight was 65,000.

得られたブロックポリマーb3を実施例5記載の方法で製膜し、前駆体ポリマー膜を得た(膜厚24μm)。成型前のスルホン酸エステル基含有ポリマーの溶解性は良好であった。続いて、比較例2記載の方法で脱保護、プロトン置換、水洗浄し、スルホン酸基含有ブロックポリマーからなる高分子電解質膜を得た。
中和滴定から求めたイオン交換容量は1.6meq/g、H−NMRから求めたモル組成比(A1/A2)は、50モル/50モル=1、ケタール基、エステル基の残存は認められなかった。極めて強靱な電解質膜であり、目視では透明で均一な膜であった。プロトン伝導度は、80℃、相対湿度85%で240mS/cm、80℃、相対湿度25%で2mS/cmであり、低加湿プロトン伝導性に優れていたが、ブロック共重合体の実施例に劣っていた。また、寸法変化率は7%と小さく、耐熱水性に優れていた。さらに、TEM観察により、ドメインサイズ18nmの共連続様の相分離構造が確認できた。

比較例4 (上記一般式(G13)で表されるイオン性基を含有するオリゴマーa7の合成)
かき混ぜ機、窒素導入管、Dean−Starkトラップを備えた1000mL三口フラスコに、炭酸カリウム27.6g(アルドリッチ試薬、200mmol)、前記合成例1で得たK−DHBP25.8g(100mmol)、前記合成例2で得たジソジウムー3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノン 40.1g(95mmol)を入れ、窒素置換後、N−メチルピロリドン(NMP)300mL、トルエン100mL中で170℃で脱水後、昇温してトルエン除去、180℃で1時間重合を行った。多量のイソプロピルアルコールで再沈殿することで精製を行い、上記一般式(G13)で示されるイオン性基を含有するオリゴマーa7(末端:ヒドロキシル基)を得た。数平均分子量は32000であった。
The obtained block polymer b3 was formed into a film by the method described in Example 5 to obtain a precursor polymer film (film thickness: 24 μm). The solubility of the sulfonate group-containing polymer before molding was good. Subsequently, deprotection, proton substitution, and water washing were performed by the method described in Comparative Example 2 to obtain a polymer electrolyte membrane composed of a sulfonic acid group-containing block polymer.
The ion exchange capacity determined from neutralization titration was 1.6 meq / g, the molar composition ratio (A1 / A2) determined from 1 H-NMR was 50 mol / 50 mol = 1, and the remaining ketal groups and ester groups were recognized. I couldn't. It was an extremely tough electrolyte membrane, and was a transparent and uniform membrane by visual inspection. The proton conductivity was 240 mS / cm at 80 ° C. and 85% relative humidity, and 2 mS / cm at 80 ° C. and 25% relative humidity, which was excellent in low humidification proton conductivity. It was inferior. Further, the dimensional change rate was as small as 7%, and the hot water resistance was excellent. Furthermore, a TEM observation confirmed a co-continuous phase separation structure with a domain size of 18 nm.

Comparative Example 4 (Synthesis of oligomer a7 containing an ionic group represented by the above general formula (G13))
In a 1000 mL three-necked flask equipped with a stirrer, a nitrogen introducing tube, and a Dean-Stark trap, 27.6 g of potassium carbonate (Aldrich reagent, 200 mmol), 25.8 g (100 mmol) of K-DHBP obtained in Synthesis Example 1, and the above synthesis example 40.1 g (95 mmol) of disodium-3,3′-disulfonate-4,4′-difluorobenzophenone obtained in 2 was added, and after nitrogen substitution, dehydrated at 170 ° C. in 300 mL of N-methylpyrrolidone (NMP) and 100 mL of toluene. Thereafter, the temperature was raised to remove toluene, and polymerization was carried out at 180 ° C. for 1 hour. Purification was performed by reprecipitation with a large amount of isopropyl alcohol to obtain an oligomer a7 (terminal: hydroxyl group) containing an ionic group represented by the general formula (G13). The number average molecular weight was 32,000.

(イオン性基を含有するセグメント(A1)としてオリゴマーa7、イオン性基を含有しないセグメント(A2)としてオリゴマーa3、リンカー部位としてオクタフルオロビフェニレンを含有するブロック共重合体b4の合成)
かき混ぜ機、窒素導入管、Dean−Starkトラップを備えた500mL三口フラスコに、炭酸カリウム0.56g(アルドリッチ試薬、4mmol)、イオン性基を含有するオリゴマーa7(末端:ヒドロキシル基)を32g(1mmol)を入れ、窒素置換後、N−メチルピロリドン(NMP)100mL、シクロヘキサン30mL中で100℃で脱水後、昇温してシクロヘキサン除去し、イオン性基を含有しないオリゴマーa3’(末端:フルオロ基)21g(1mmol)を入れ、105℃で24時間反応を行った。多量のイソプロピルアルコールへの再沈殿精製により、ブロック共重合体b4を得た。重量平均分子量は28万、数平均分子量は5.5万であった。
(Synthesis of oligomer a7 as segment (A1) containing ionic group, oligomer a3 as segment (A2) not containing ionic group, and block copolymer b4 containing octafluorobiphenylene as a linker moiety)
In a 500 mL three-necked flask equipped with a stirrer, a nitrogen introduction tube, and a Dean-Stark trap, 0.56 g of potassium carbonate (Aldrich reagent, 4 mmol) and 32 g (1 mmol) of an oligomer a7 (terminal: hydroxyl group) containing an ionic group After substitution with nitrogen, dehydration was performed at 100 ° C. in 100 mL of N-methylpyrrolidone (NMP) and 30 mL of cyclohexane, followed by heating to remove cyclohexane, 21 g of oligomer a3 ′ (terminal: fluoro group) not containing an ionic group (1 mmol) was added and reacted at 105 ° C. for 24 hours. The block copolymer b4 was obtained by reprecipitation purification into a large amount of isopropyl alcohol. The weight average molecular weight was 280,000, and the number average molecular weight was 55,000.

得られたブロックポリマーb4を実施例5記載の方法で製膜し、前駆体ポリマー膜を得た(膜厚25μm)。成型前のイオン性基含有ポリマーの溶解性は良好であった。続いて、比較例2記載の方法で脱保護、プロトン置換、水洗浄し、スルホン酸基含有ブロックポリマーからなる高分子電解質膜を得た。
中和滴定から求めたイオン交換容量は1.7meq/g、H−NMRから求めたモル組成比(A1/A2)は、48モル/52モル=0.92、ケタール基の残存は認められなかった。極めて強靱な電解質膜であり、目視では透明で均一な膜であった。プロトン伝導度は、80℃、相対湿度85%で270mS/cm、80℃、相対湿度25%で2.5mS/cmであり、低加湿プロトン伝導性に優れていたが、ブロック共重合体の実施例に劣っていた。また、寸法変化率は8%と小さく、耐熱水性に優れていた。さらに、TEM観察により、ドメインサイズ45nmの共連続様の相分離構造が確認できた。
The obtained block polymer b4 was formed into a film by the method described in Example 5 to obtain a precursor polymer film (film thickness 25 μm). The solubility of the ionic group-containing polymer before molding was good. Subsequently, deprotection, proton substitution, and water washing were performed by the method described in Comparative Example 2 to obtain a polymer electrolyte membrane composed of a sulfonic acid group-containing block polymer.
The ion exchange capacity determined from neutralization titration was 1.7 meq / g, the molar composition ratio (A1 / A2) determined from 1 H-NMR was 48 mol / 52 mol = 0.92, and the ketal group remained. There wasn't. It was an extremely tough electrolyte membrane, and was a transparent and uniform membrane by visual inspection. The proton conductivity was 270 mS / cm at 80 ° C. and 85% relative humidity, and 2.5 mS / cm at 80 ° C. and 25% relative humidity, and was excellent in low humidification proton conductivity. It was inferior to the example. Further, the dimensional change rate was as small as 8%, and the hot water resistance was excellent. Furthermore, a TEM observation confirmed a co-continuous phase separation structure with a domain size of 45 nm.

比較例5
特開2005−197235号および実施例2記載の方法に従って、スルホン酸基含有ブロックポリマーを合成した。
Comparative Example 5
A sulfonic acid group-containing block polymer was synthesized according to the method described in JP-A-2005-197235 and Example 2.

(下記式(G14)で表される芳香族スルホン酸エステル誘導体)   (Aromatic sulfonic acid ester derivative represented by the following formula (G14))

Figure 2013079367
Figure 2013079367

攪拌器を備えた 1Lフラスコに窒素気流下、3−(2,5−ジクロロベンゾイル)ベンゼンスルホン酸ソジウム111gを秤量し、アセトニトリル330mL、スルホラン250mLに溶解させ、更に三塩化ホスホリル290gを加え、2時間加熱還流した後、N、N-ジメチルアセトアミド20mLを加えて16時間加熱還流した。氷冷後、冷水1.5Lを添加、生成した沈殿物濾集し冷水500mLで洗浄した。沈澱物を室温で減圧乾燥後、トルエンで300mLで再結晶し3−(2,5−ジクロロベンゾイル)ベンゼンスルホン酸クロライド)50.0gを得た。構造はH−NMRで確認した。

窒素気流下、2,2−ジメチル−1−プロパノール86.7gとピリジン99.7gの混合溶液中に、氷浴で冷却5℃以下に冷却しながら、3−(2,5−ジクロロベンゾイル)ベンゼンスルホン酸クロライド)42.0gを徐々に添加した。その後、室温まで昇温し、2時間反応させた、水600mLを加え、酢酸エチル900mLで抽出した。5%塩酸水溶液600mL,5%NaOH水溶液300mLおよび飽和NaCl水溶液600mLで洗浄後、有機層を硫酸ナトリウムで乾燥した。エバポレーターを用いて溶媒を留去し、得られた粗生成物を酢酸エチル/ヘキサンで再結晶、スルホン酸エステル誘導体(G14)を24.0得た。構造はH−NMRで確認した。
In a 1 L flask equipped with a stirrer, 111 g of sodium 3- (2,5-dichlorobenzoyl) benzenesulfonate was weighed in a nitrogen stream, dissolved in 330 mL of acetonitrile and 250 mL of sulfolane, and further added with 290 g of phosphoryl trichloride for 2 hours. After heating to reflux, 20 mL of N, N-dimethylacetamide was added and the mixture was heated to reflux for 16 hours. After cooling with ice, 1.5 L of cold water was added, and the resulting precipitate was collected by filtration and washed with 500 mL of cold water. The precipitate was dried at room temperature under reduced pressure, and recrystallized with toluene at 300 mL to obtain 50.0 g of 3- (2,5-dichlorobenzoyl) benzenesulfonic acid chloride). The structure was confirmed by 1 H-NMR.

Under a nitrogen stream, 3- (2,5-dichlorobenzoyl) benzene was cooled in a mixed solution of 86.7 g of 2,2-dimethyl-1-propanol and 99.7 g of pyridine while cooling to 5 ° C. or lower with an ice bath. 42.0 g of sulfonic acid chloride) was gradually added. Then, it heated up to room temperature and added 600 mL of water made to react for 2 hours, and extracted with 900 mL of ethyl acetate. After washing with 600 mL of 5% aqueous hydrochloric acid, 300 mL of 5% aqueous NaOH and 600 mL of saturated aqueous NaCl, the organic layer was dried over sodium sulfate. The solvent was distilled off using an evaporator, and the resulting crude product was recrystallized from ethyl acetate / hexane to obtain 24.0 of a sulfonic acid ester derivative (G14). The structure was confirmed by 1 H-NMR.

(オリゴマーの調製)
攪拌機、温度計、Dean-stark管、窒素導入管、冷却管を取り付けた1Lの三口フラスコに、2,6−ジクロロベンゾニトリル48.8g、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン89.5g、炭酸カリウム47.8gを秤量した。窒素置換後、スルホラン346mL、トルエン173mLを加えて攪拌した。オイルバスで反応液を150℃で加熱還流させた。反応によって生成する水はDean-stark管にトラップした。3時間後、水の生成がほとんど認められなくなったところで、トルエンをDean-stark管から系外に除去した。徐々に反応温度を200℃に上げ、3時間攪拌を続けた後、2,6−ジクロロベンゾニトリル9.2gを加え、さらに5時間反応させた。
(Preparation of oligomer)
To a 1 L three-necked flask equipped with a stirrer, thermometer, Dean-stark tube, nitrogen introducing tube, and cooling tube, 48.8 g of 2,6-dichlorobenzonitrile, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1, 1,9.5,3,3-Hexafluoropropane (89.5 g) and potassium carbonate (47.8 g) were weighed. After nitrogen substitution, 346 mL of sulfolane and 173 mL of toluene were added and stirred. The reaction solution was heated to reflux at 150 ° C. in an oil bath. Water produced by the reaction was trapped in a Dean-stark tube. After 3 hours, when almost no water was observed, toluene was removed from the Dean-stark tube out of the system. The reaction temperature was gradually raised to 200 ° C. and stirring was continued for 3 hours. Then, 9.2 g of 2,6-dichlorobenzonitrile was added, and the reaction was further continued for 5 hours.

反応液を放冷後、トルエン100mLを加えて希釈した。不溶物を濾過し、濾液をメタノール2Lに注いで生成物を沈殿させた。沈殿した生成物を濾過、乾燥後、テトラヒドロフラン250mLに溶解し、これをメタノール2Lに注いで再沈殿させた。沈殿した白色粉末を濾過、乾燥し、目的物101gを得た。数平均分子量は8万であった。構造はH−NMRで確認した。 The reaction solution was allowed to cool, and diluted with 100 mL of toluene. Insoluble matter was filtered, and the filtrate was poured into 2 L of methanol to precipitate the product. The precipitated product was filtered and dried, then dissolved in 250 mL of tetrahydrofuran, and poured into 2 L of methanol for reprecipitation. The precipitated white powder was filtered and dried to obtain 101 g of the desired product. The number average molecular weight was 80,000. The structure was confirmed by 1 H-NMR.

(スルホン化ポリアリーレン)
攪拌機、温度計、窒素導入管をとりつけた1Lの三口フラスコに、3−(2,5−ジクロロベンゾイル)ベンゼンスルホン酸ネオペンチル135.2g、前記方法で得られたオリゴマー(数平均分子量9万)48.7g、ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケルジクロリド6.71g、ヨウ化ナトリウム1.54g、トリフェニルホスフィン35.9g、亜鉛53.7gを秤量、乾燥窒素置換した。ここにN,N -ジメチルアセトアミド(DMAc)430mLを加え、反応温度を80℃に保持しながら3時間攪拌を続けた後、D MAc730mLを加えて希釈し、不溶物を濾過した。重量平均分子量は25万であった。 得られたポリマーを実施例2記載の方法で製膜し、前駆体ポリマー膜を得た(膜厚24μm)。成型前のスルホン酸エステル基含有ポリマーの溶解性は極めて良好であった。続いて、実施例5記載の方法で脱エステル化、プロトン置換、水洗浄し、スルホン酸基含有ブロックポリマーからなる高分子電解質膜を得た。
中和滴定から求めたイオン交換容量は1.7meq/g、H−NMR分析で、エステル基の残存は認められなかった。硬くて脆い電解質膜であったが、目視では透明で均一な膜であった。プロトン伝導度は、80℃、相対湿度85%で250mS/cm、80℃、相対湿度25%で1.2mS/cmであり、実施例に劣っていた。また、寸法変化率は40%と大きく、耐熱水性についてもブロック共重合体の実施例に劣っていた。さらに、TEM観察により、ドメインサイズ25nmの相分離構造が確認できた。
(Sulfonated polyarylene)
In a 1 L three-necked flask equipped with a stirrer, a thermometer, and a nitrogen inlet tube, 135.2 g of neopentyl 3- (2,5-dichlorobenzoyl) benzenesulfonate, oligomer obtained by the above method (number average molecular weight 90,000) 48 0.7 g, 6.71 g of bis (triphenylphosphine) nickel dichloride, 1.54 g of sodium iodide, 35.9 g of triphenylphosphine, and 53.7 g of zinc were weighed and replaced with dry nitrogen. To this was added 430 mL of N, N-dimethylacetamide (DMAc), and stirring was continued for 3 hours while maintaining the reaction temperature at 80 ° C. Then, 730 mL of DMAc was added for dilution, and insoluble matter was filtered off. The weight average molecular weight was 250,000. The obtained polymer was formed into a film by the method described in Example 2 to obtain a precursor polymer film (film thickness: 24 μm). The solubility of the sulfonate group-containing polymer before molding was very good. Subsequently, deesterification, proton substitution, and water washing were performed by the method described in Example 5 to obtain a polymer electrolyte membrane composed of a sulfonic acid group-containing block polymer.
The ion exchange capacity determined from neutralization titration was 1.7 meq / g, and no residual ester group was observed by 1 H-NMR analysis. Although it was a hard and brittle electrolyte membrane, it was a transparent and uniform membrane by visual observation. The proton conductivity was 250 mS / cm at 80 ° C. and 85% relative humidity, and 1.2 mS / cm at 80 ° C. and 25% relative humidity. Further, the dimensional change rate was as large as 40%, and the hot water resistance was inferior to that of the block copolymer examples. Furthermore, a phase separation structure with a domain size of 25 nm was confirmed by TEM observation.

比較例6
実施例10記載のブロック共重合体b1を溶解させた25重量%N−メチルピロリドン(NMP)溶液をガラス繊維フィルターを用いて加圧ろ過後、ガラス基板上に流延塗布し、100℃にて4h乾燥し、スルホン酸エステル基含有ポリケタールケトン膜(膜厚24μm)を得た。ポリマーの溶解性は極めて良好であった。95℃の臭化リチウム水溶液に膜を浸漬、脱エステル化反応を進行させた後、少量、短時間の塩酸処理、大過剰量の純水で24時間浸漬して充分洗浄し、スルホン酸基含有ポリマーからなる高分子電解質膜を得た。
NMRにより、スルホン酸エステル基の残存なく、ケタール基の残存を確認した。次に窒素雰囲気下、300℃で10分熱処理を実施した後に、60℃の10重量%硫酸水溶液に24時間浸漬して、ケタールを脱保護、大過剰量の純水に24時間浸漬して充分洗浄することで、スルホン酸基含有ポリマーからなる高分子電解質膜を得た。
Comparative Example 6
A 25 wt% N-methylpyrrolidone (NMP) solution in which the block copolymer b1 described in Example 10 was dissolved was subjected to pressure filtration using a glass fiber filter, and then cast onto a glass substrate at 100 ° C. After drying for 4 hours, a sulfonate group-containing polyketal ketone membrane (film thickness: 24 μm) was obtained. The solubility of the polymer was very good. After immersing the membrane in a 95 ° C lithium bromide aqueous solution and proceeding with the deesterification reaction, the membrane is treated with a small amount of hydrochloric acid for a short time, immersed in a large excess of pure water for 24 hours and thoroughly washed to contain sulfonic acid groups. A polymer electrolyte membrane made of a polymer was obtained.
By NMR, it was confirmed that the ketal group remained without the sulfonate group remaining. Next, after heat treatment at 300 ° C. for 10 minutes in a nitrogen atmosphere, the ketal was deprotected for 24 hours by immersing it in a 10% by weight sulfuric acid aqueous solution at 60 ° C., and sufficiently immersed in a large excess amount of pure water for 24 hours. By washing, a polymer electrolyte membrane made of a sulfonic acid group-containing polymer was obtained.

中和滴定から求めたイオン交換容量は1.2meq/g、H−NMRから求めたモル組成比(A1/A2)は、30モル/70モル=0.42、ケタール基、エステル基の残存は認められなかった。比較的強靱な電解質膜であったが、目視では一部不均一な箇所があった。プロトン伝導度は、80℃、相対湿度85%で150mS/cm、80℃、相対湿度25%で0.4mS/cmであった。実施例10、12、13に比べ、IEC、低加湿プロトン伝導性に劣っており、脱エステル化後に熱処理を実施することによる脱スルホン化や分子間の架橋副反応が示唆された。寸法変化率は7%と小さく、耐熱水性には優れていた。さらに、TEM観察により、ドメインサイズ20nmの相分離構造が確認できたが、一部不均一な箇所が見受けられた。 The ion exchange capacity determined from neutralization titration was 1.2 meq / g, the molar composition ratio (A1 / A2) determined from 1 H-NMR was 30 mol / 70 mol = 0.42, the remaining ketal groups and ester groups. Was not recognized. Although it was a relatively tough electrolyte membrane, there were some non-uniform portions visually. The proton conductivity was 150 mS / cm at 80 ° C. and 85% relative humidity, and 0.4 mS / cm at 80 ° C. and 25% relative humidity. Compared with Examples 10, 12, and 13, IEC and low humidified proton conductivity were inferior, suggesting desulfonation and intermolecular cross-linking side reaction by heat treatment after deesterification. The rate of dimensional change was as small as 7%, and the hot water resistance was excellent. Furthermore, a phase separation structure with a domain size of 20 nm was confirmed by TEM observation, but some non-uniform portions were observed.

本発明のスルホン酸エステル基含有ポリマー、それを脱エステル化してなるスルホン酸基含有ポリマーからなる高分子電解質材料は、種々の電気化学装置(例えば、燃料電池、水電解装置、クロロアルカリ電解装置等)に適用可能である。これら装置の中でも、燃料電池用に好適であり、特に水素を燃料とする燃料電池に好適である。   The polymer electrolyte material comprising the sulfonic acid ester group-containing polymer of the present invention and the sulfonic acid group-containing polymer obtained by deesterifying the polymer is used in various electrochemical devices (for example, fuel cells, water electrolysis devices, chloroalkali electrolysis devices, etc. ). Among these devices, it is suitable for a fuel cell, and particularly suitable for a fuel cell using hydrogen as a fuel.

本発明の固体高分子型燃料電池の用途としては、特に限定されないが、携帯電話、パソコン、PDA、ビデオカメラ、デジタルカメラなどの携帯機器、コードレス掃除機等の家電、玩具類、電動自転車、自動二輪、自動車、バス、トラックなどの車両や船舶、鉄道などの移動体の電力供給源、据え置き型の発電機など従来の一次電池、二次電池の代替、もしくはこれらとのハイブリット電源として好ましく用いられる。   Applications of the polymer electrolyte fuel cell of the present invention are not particularly limited, but are portable devices such as mobile phones, personal computers, PDAs, video cameras, digital cameras, home appliances such as cordless vacuum cleaners, toys, electric bicycles, automatic It is preferably used as a power supply source for vehicles such as motorcycles, automobiles, buses, trucks, etc., moving bodies such as ships, railways, etc., conventional primary batteries such as stationary generators, alternatives to secondary batteries, or hybrid power sources with these. .

Claims (13)

下記一般式(M1)で表されることを特徴とする芳香族スルホン酸エステル誘導体。
Figure 2013079367
(式(M1)中、Zは、電子求引性基を表す。Rはスルホン酸エステル基ごとにそれぞれ独立して炭素数1〜20の炭化水素基を表し、ヘテロ原子を含んでいても良い。またX、Xはハロゲン原子を表す。)
An aromatic sulfonic acid ester derivative represented by the following general formula (M1):
Figure 2013079367
(In formula (M1), Z represents an electron withdrawing group. R represents a hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms independently for each sulfonate group, and may contain a hetero atom. X 1 and X 2 each represent a halogen atom.)
前記一般式(M1)が下記一般式(M2)で表される請求項1記載の芳香族スルホン酸エステル誘導体。
Figure 2013079367
(式(M2)中、Rはスルホン酸エステル基ごとにそれぞれ独立して炭素数1〜20の炭化水素基を表し、ヘテロ原子を含んでいても良い。)
The aromatic sulfonic acid ester derivative according to claim 1, wherein the general formula (M1) is represented by the following general formula (M2).
Figure 2013079367
(In formula (M2), each R independently represents a hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms for each sulfonate group, and may contain a hetero atom.)
請求項1または2記載の芳香族スルホン酸エステル誘導体を用いて重合してなることを特徴とするスルホン酸エステル基含有ポリマー。 A sulfonic acid ester group-containing polymer obtained by polymerization using the aromatic sulfonic acid ester derivative according to claim 1 or 2. 下記一般式(P1)で表される構成単位を含有することを特徴とするスルホン酸エステル基含有ポリマー。
Figure 2013079367
(式(P1)中、Rはスルホン酸エステル基ごとにそれぞれ独立して炭素数1〜20の炭化水素基を表し、ヘテロ原子を含んでいても良い。)
A sulfonate group-containing polymer comprising a structural unit represented by the following general formula (P1).
Figure 2013079367
(In formula (P1), each R independently represents a hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms for each sulfonate group and may contain a hetero atom.)
前記一般式(P1)で表される構成単位の含有量が20重量%以上である請求項4に記載のスルホン酸エステル基含有ポリマー。 The sulfonate group-containing polymer according to claim 4, wherein the content of the structural unit represented by the general formula (P1) is 20% by weight or more. 少なくとも前記一般式(P1)で表される構成単位を有するセグメント(A1)とイオン性基を含有しない構成単位を有するセグメント(A2)を有し、共重合様式がブロック共重合である請求項4または5に記載のスルホン酸エステル基含有ポリマー。 5. The copolymer has a segment (A1) having at least a structural unit represented by the general formula (P1) and a segment (A2) having a structural unit not containing an ionic group, and the copolymerization mode is block copolymerization. Or a sulfonate group-containing polymer according to 5; 前記イオン性基を含有しない構成単位が下記一般式(P2)で表される請求項6に記載のスルホン酸エステル基含有ポリマー。
Figure 2013079367
(一般式(P2)中、Ar〜Arは任意の2価のアリーレン基を表し、任意に置換されていても良いが、イオン性基を含有しない。Ar〜Arは互いに独立して2種類以上のアリーレン基が用いられても良い。*は一般式(P2)または他の構成単位との結合部位を表す。)
The sulfonate group-containing polymer according to claim 6, wherein the structural unit not containing the ionic group is represented by the following general formula (P2).
Figure 2013079367
(In the general formula (P2), Ar 1 to Ar 4 represent an arbitrary divalent arylene group and may be optionally substituted, but do not contain an ionic group. Ar 1 to Ar 4 are independent of each other. Two or more types of arylene groups may be used, and * represents a bonding site with the general formula (P2) or other structural unit.)
前記一般式(P2)で表される構成単位が、下記式(P3)で表されることを特徴とする請求項7に記載のスルホン酸エステル基含有ポリマー。
Figure 2013079367
8. The sulfonate group-containing polymer according to claim 7, wherein the structural unit represented by the general formula (P2) is represented by the following formula (P3).
Figure 2013079367
請求項3〜8のいずれかに記載のスルホン酸エステル基含有ポリマーを脱エステル化してなることを特徴とする高分子電解質材料。 A polymer electrolyte material obtained by deesterifying the sulfonate group-containing polymer according to any one of claims 3 to 8. 請求項3〜8のいずれかに記載のスルホン酸エステル基含有ポリマーを成型後に、スルホン酸エステル基の状態で熱処理し、その後脱エステル化してなることを特徴とする高分子電解質成型体。 A polymer electrolyte molded article obtained by molding the sulfonic acid ester group-containing polymer according to any one of claims 3 to 8, heat-treating in a state of a sulfonic acid ester group, and then deesterifying the polymer. 前記スルホン酸エステル基含有ポリマーがさらに保護基を有し、前記熱処理の前に、少なくとも保護基の一部を脱保護せしめてなることを特徴とする請求項10に記載の高分子電解質成型体。 The polymer electrolyte molded article according to claim 10, wherein the sulfonate group-containing polymer further has a protective group, and at least a part of the protective group is deprotected before the heat treatment. 請求項9記載の高分子電解質材料または請求項10もしくは11記載の高分子電解質成型体を用いて構成されることを特徴とする触媒層付き電解質膜。 An electrolyte membrane with a catalyst layer, comprising the polymer electrolyte material according to claim 9 or the molded polymer electrolyte according to claim 10 or 11. 請求項9記載の高分子電解質材料または請求項10もしくは11記載の高分子電解質成型体を用いて構成されることを特徴とする固体高分子型燃料電池。 A solid polymer fuel cell comprising the polymer electrolyte material according to claim 9 or the molded polymer electrolyte according to claim 10 or 11.
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