JP2014044220A - 高分子化合物膜の判別方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】環境変化による収縮の少ない高分子化合物膜を、環境変化の試験を行うことなく簡易に判別する方法を提供する。
【解決手段】磁場強度7.05テスラの固体NMR装置を用いて高分子化合物膜の緩和時間(T1ρ)を測定した場合に、T1ρの時間変化が少ない高分子化合物膜を選ぶことを特徴とする高分子化合物膜の判別方法。 T1ρが磁場強度7.05テスラの固体NMR装置を用いて測定した温度80℃での13C核のT1ρ(ms)であり、測定開始後の時間経過t(hour)に対するT1ρ(ms)の変化を式(1)で表した場合に、式(1)の係数aが式(2)を満たす高分子化合物膜を選ぶ前記の高分子化合物膜の判別方法。
T1ρ = a×ln(t) +b (1)
0≦a≦25 (2)
【選択図】なし

Description

本発明は、環境変化による収縮の少ない高分子化合物膜の判別方法に関する。
高分子化合物膜は、光遮蔽膜、外気遮蔽膜、導電膜、半導体膜、イオン透過膜、発光膜等、種々の用途に用いられている。高分子化合物膜が吸水と乾燥あるいは温度変化が繰り返される環境下にあるとき、一般に収縮が生じ、その収縮率が大きいと高分子化合物膜に歪みが発生する問題が生じる。
従って、環境変化による収縮が少ない高分子化合物膜が求められているが、収縮が少ないものは、高分子化合物膜を構成する高分子化合物やそれに加える添加剤等の組成を試行錯誤により検討し、作製した高分子化合物膜について環境変化の試験を行って、収縮率の小さいものを判別するしかなかった。そこで、環境変化の試験を行うことなく、収縮の小さい高分子化合物膜を簡易に判別する方法が求められていた。
本発明の目的は、環境変化による収縮の少ない高分子化合物膜を、環境変化の試験を行うことなく簡易に判別する方法を提供することにある。
本発明者らは、上記の課題を解決すべく、環境試験を行うことなく、固体NMRにより判別する方法について鋭意研究を重ねた結果、加熱時の緩和時間(T1ρ)の時間依存性と高分子化合物膜の収縮が関係していることを見出し、本発明を完成するに到った。
すなわち本発明は、以下の<1>〜<9>を提供する。
<1> 磁場強度7.05テスラの固体NMR装置を用いて高分子化合物膜の緩和時間(T1ρ)を測定した場合に、T1ρの時間変化が少ない高分子化合物膜を選ぶことを特徴とする高分子化合物膜の判別方法。
<2> T1ρが磁場強度7.05テスラの固体NMR装置を用いて測定した温度80℃での13C核のT1ρ(ms)であり、測定開始後の時間経過t(hour)に対するT1ρ(ms)の変化を式(1)で表した場合に、式(1)の係数aが式(2)を満たす高分子化合物膜を選ぶことを特徴とする<1>記載の高分子化合物膜の判別方法。
T1ρ = a×ln(t) +b (1)
0≦a≦25 (2)
<3> 磁場強度7.05テスラの固体NMR装置を用いて温度80℃での高分子化合物膜のT1ρ(ms)を測定し、測定開始後の時間経過t(hour)に対するT1ρ(ms)の変化を式(1)で表した場合に、式(1)の係数aが式(2)を満たすことを特徴とする高分子化合物膜。
T1ρ = a×ln(t) +b (1)
0≦a≦25 (2)
<4> エンジニアリングプラスチックを構成する高分子化合物を含んでなる<3>に記載の高分子化合物膜。
<5> イオン交換性基を有する重合体を含む、<3>または<4>のいずれかに記載の高分子化合物膜。
<6> イオン交換性基を有するブロックとイオン交換性基を有さないブロックをそれぞれ少なくとも一つ以上含むブロック共重合体を含む、<3>〜<5>のいずれかに記載の高分子化合物膜。
<7> 主鎖又は側鎖に芳香族基を有しイオン交換性基を有するブロックと主鎖又は側鎖に芳香族基を有しイオン交換性基を有さないブロックをそれぞれ一つ以上含むブロック共重合体を含む、<3>〜<6>のいずれかに記載の高分子化合物膜。
<8> ホスホン酸基、カルボン酸基、スルホン酸基、スルホンイミド基からなる群から選ばれる1種類以上のイオン交換基を有するブロックとイオン交換性基を有さないブロックをそれぞれ一つ以上含むポリアリーレン系ブロック共重合体を含む、<3>〜<7>のいずれかに記載の高分子化合物膜。
<9> 高分子電解質を含む溶液を基材に流延塗布し、溶媒を除去することにより高分子電解質膜を得る、高分子電解質膜の製造方法において、該溶媒除去工程を、該工程の雰囲気の比湿Hが0.01≦H≦0.5を満たす範囲内で保たれ、かつ該工程の雰囲気の摂氏温度Tが式(3)を満たす範囲内で保たれることを特徴とする高分子電解質膜の製造方法。
100≦T≦160 (3)
本発明の高分子化合物膜の判別方法によれば、実際に環境変化の試験を行い試行錯誤することなく、固体NMRにより簡便に環境変化による収縮の少ない高分子化合物膜を判別することができるので、工業的に極めて有用である。
本発明の高分子化合物膜の判別方法は、磁場強度7.05テスラの固体NMR装置を用いて高分子化合物膜の緩和時間(T1ρ)を測定した場合に、T1ρの時間変化が少ない高分子化合物膜を選ぶことを特徴とする。
本発明の判別方法は、ポリオレフィン、PVA、エンジニアリングプラスチックを構成する高分子化合物、蛋白質などの有機高分子化合物を含んでなる高分子化合物膜に適用可能であり、特にエンジニアリングプラスチックを構成する高分子化合物を含んでなる高分子化合物膜に好適に適用できる。また、とりわけイオン交換性基を有する高分子化合物膜に好適に適用できる。
エンジニアリングプラスチックとしては、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、LCP、フッ素樹脂、ポリエーテルニトリル、ポリサルホン、ポリアリレート、ポリイミドが挙げられる。その中でも特に、ポリエーテルスルホンを含む高分子化合物膜に好適に適用できる。
ポリエーテルスルホンとしては以下の式で示される繰返し単位を含む高分子化合物が挙げられる。

Figure 2014044220
例えば、イオン交換性基を有する部位と、イオン交換性基を実質的に有さない部位とをそれぞれ一つ以上を有しており、膜の形態に転化したときに、イオン交換性基を有する部位が主に凝集している領域と実質的にイオン交換性基を有さない部位が主に凝集している領域との少なくとも2相にミクロ相分離構造を発現し得るものがあげられる。
2相以上のミクロ相分離する高分子化合物として、例えば合物として、例えば主鎖又は側鎖に芳香族基を有しイオン交換性基を有するブロックと主鎖又は側鎖に芳香族基を有しイオン交換性基を有さないブロックをそれぞれ一つ以上含むブロック共重合体が挙げられる。
該芳香族基としては例えば、1,3−フェニレン基、1,4−フェニレン基等の2価の単環性芳香族基、1,3−ナフタレンジイル基、1,4−ナフタレンジイル基、1,5−ナフタレンジイル基、1,6−ナフタレンジイル基、1,7−ナフタレンジイル基、2,6−ナフタレンジイル基、2,7−ナフタレンジイル基等の2価の縮環系芳香族基、ピリジンジイル基、キノキサリンジイル基、チオフェンジイル基等の2価の芳香族複素環基等が挙げられる。
本発明に好適に適用できる高分子化合物は、該芳香族基を主鎖に有していても側鎖に有してもよいが、電解質膜の安定性の観点から、主鎖に有していることが好ましい。該芳香族基を主鎖に有している場合は、芳香環に含まれる炭素、あるいは窒素原子が共有結合することにより高分子主鎖を形成していても、芳香環以外の炭素、あるいはホウ素、酸素、窒素、ケイ素、硫黄、リンなどを介して高分子主鎖を形成していてもよいが、高分子電解質膜の耐水性の観点から、芳香環に含まれる炭素、あるいは窒素原子が共有結合することにより高分子主鎖を形成している、あるいは芳香族基をスルホン基(−SO2−)、カルボニル基(−CO−)、エーテル基(−O−)、アミド基(−NH−CO−)、式($)に示すイミド基を介して高分子鎖を形成している高分子が望ましい。また、イオン交換性基を有するブロックとイオン交換性基を有しないブロックとで同じ種類の高分子主鎖を用いてもよいし、異なる種類の高分子鎖を用いてもよい。
Figure 2014044220
($)
ただし、Rはアルキル基、アリール基等があげられる。
ここで、「イオン交換性基」とは、高分子化合物を膜にして用いたとき、イオン伝導、特にプロトン伝導に係る基であり、「イオン交換性基を有する」とは繰り返し単位当たり有しているイオン交換性基が、概ね平均0.5個以上であることを意味し、「イオン交換性基を実質的に有さない」とは繰り返し単位あたり有しているイオン交換性基が概ね平均0.1個以下であることを意味する。このイオン交換性基は、カチオン交換基(以下、酸性基と呼ぶことがある)、アニオン交換基(以下、塩基性基と呼ぶことがある)のどちらでもよい。
該酸性基としては、弱酸、強酸、超強酸等の酸性基が挙げられるが、強酸基、超強酸基が好ましい。酸性基の例としては、例えば、ホスホン酸基、カルボン酸基等の弱酸基;スルホン酸基、スルホンイミド基(−SO2−NH−SO2−R2。ここでRはアルキル基、アリール基等の一価の置換基を表す。)等の強酸基が挙げられ、中でも、強酸基であるスルホン酸基、スルホンイミド基が好ましく使用される。また、フッ素原子等の電子吸引性基で該芳香環および/またはスルホンイミド基の置換基(−R2)上の水素原子を置換することにより、フッ素原子等の電子吸引性基の効果で前記の強酸基を超強酸基として機能させることも好ましい。
これらのイオン交換基は、単独で用いてもよく、あるいは2種類以上を同時に用いてもよい。2種類以上のイオン交換基を用いる場合は、限定されないが異なるイオン交換基を持つ高分子をブレンドしてもよいし、共重合などの方法で高分子中に2種類以上のイオン交換基を有する高分子を用いてもよい。また、イオン交換基は部分的にあるいは全てが、金属イオンや4級アンモニウムイオンなどで交換されて塩を形成していても良いが、燃料電池用高分子電解質膜などとして使用する際には、実質的に全てが塩を形成していない状態であることが好ましい。
前段のアリール基としては、例えばフェニル基、ナフチル基、フェナントレニル基、アントラセニル基等のアリール基、及びこれらの基にフッ素原子、ヒドロキシル基、ニトリル基、アミノ基、メトキシ基、エトキシ基、イソプロピルオキシ基、フェニル基、ナフチル基、フェノキシ基、ナフチルオキシ基等が置換されたアリール基等が挙げられる。
[炭素13の緩和時間T1ρの測定]
本検討で用いた高分子化合物膜について、以下に示す方法に従ってその炭素13(以下13Cと記す場合がある)の緩和時間T1ρを測定した。
測定法は1Hの磁化を13Cに移すCP(クロスポーラリゼーション)後、磁化をスピンロックする方法を用いた。磁化のロック時間τは信号強度が充分に減衰するような時間まで変化させながら複数点測定し、時間τ後の13Cの信号を観測する。
得られる信号強度I(τ)は下式のあらわすことができる。
I(τ)=exp(−τ/T1ρ) (4)
そこで得られたスペクトルの高分子化合物の主鎖に対応する化学シフトの信号の面積をロック時間τに対してプロットし、最小2乗法フィッティングによりT1ρを求める。
本発明の判別方法においては、上記のように測定したT1ρ(ms)の測定開始後の経過時間に対する変化が少ない高分子化合物膜を選ぶ。高分子化合物の主鎖のT1ρは高分子の周囲の空間内での高分子鎖の動きの自由度と関係していると考えられており、T1ρの時間変化が大きいものは、高分子の周囲の空間が収縮しているものと思われ、そのために環境変化による膜の収縮が大きく、逆にT1ρの時間変化が小さいものは、高分子の周囲の空間が少なく、環境が変化しても高分子の周囲の空間が大きく変化せず、したがって膜の収縮が小さくなると考えることができる。
T1ρ(ms)の測定開始後の経過時間に対する変化は、測定開始から10時間以内での1点を含む少なくとも2点のT1ρの値の比を算出して判断しても、差を算出して判断しても、時間依存性を示す特定の式で近似して判断してもよい。
例えば、T1ρが固体NMRにより測定した温度80℃でのT1ρ(ms)であり、測定開始後の時間経過t(hour)に対するT1ρ(ms)の変化を式(1)で表した場合であれば、式(1)の係数aが式(2)を満たす高分子化合物膜を選んで判別することができる。
T1ρ = a×ln(t)+b (1)
0≦a≦25 (2)
ここで、式(1)の係数aおよび係数bは、T1ρを測定開始からの時間t(hour)の対数に対して最小二乗法を適用して求めることができる。係数aはT1ρの時間変化率である。
特に、エンジニアリングプラスチックを構成する高分子化合物を含んでなる高分子化合物膜であって、固体NMRにより温度80℃での高分子化合物膜のT1ρ(ms)を測定し、測定開始後の時間経過t(hour)に対するT1ρ(ms)の変化を前記式(1)で表した場合に、前記式(1)の係数aが前記式(2)を満たす高分子化合物膜は、環境変化による収縮率が小さいので、光遮蔽膜、外気遮蔽膜、導電膜、半導体膜、イオン透過膜として好適に用いることができる。特にイオン透過膜、とりわけ燃料電池用途に対して、この判別方法で選んだ膜が環境変化に対する収縮率が小さい点で有用である。
[高分子化合物膜の製造方法]
次に、本判別方法において、吸水、乾燥あるいは高温における収縮率の小さい高分子化合物膜の製造方法について説明する。
高分子化合物膜は高分子化合物を溶媒に溶解させ、必要であれば添加剤を加えた溶液を、所定の基材上に塗布した後(塗布工程)、この塗布された溶液の膜から溶媒を蒸発させて除去し(溶媒蒸発除去工程)、高分子化合物膜の貧溶媒を用いて洗浄する(洗浄工程)ことにより製造することができる。
ここで、エンジニアリングプラスチックを構成する高分子化合物を含んでなる高分子化合物膜としては、前記塗布工程および前記溶媒蒸発除去工程を経て製造されるものにおいては、従来の溶媒蒸発除去工程における加熱温度を高く設定することにより、環境変化による収縮の少ない高分子化合物膜となることも本発明者らは見出した。
特に、ポリエーテルスルホンを含む高分子化合物膜においては、前記溶媒蒸発除去工程において60〜100℃で加熱してきたが、環境変化による収縮率の小さい高分子化合物膜は、120〜160℃で加熱することにより得ることができ、こうして得られた高分子化合物膜は、磁場強度7.05テスラの固体NMR装置を用いて測定した温度80℃での13C核のT1ρ(ms)を測定し、測定開始後の時間経過t(hour)に対するT1ρ(ms)の変化を前記式(1)で表した場合に、前記式(1)の係数aが前記式(2)を満たすものとなる。
高分子化合物膜は、基材上に形成することがある。
溶液を塗布する基材の材質としては、化学的に安定であり、また用いる溶媒に対して不溶であるものが好ましい。さらに、基材としては、高分子化合物膜が形成された後に、得られた膜を容易に洗浄でき、しかもこの膜の剥離が容易であるようなものがより好ましい。このような基材としては、例えば、ガラス、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリエステル(ポリエチレンテレフタレート等)からなる板やフィルム等が挙げられる。
高分子化合物を含む溶液に用いる溶媒としては、該高分子化合物を溶解可能であり、しかも塗布後の蒸発による除去が容易なものが好ましい。このような好適な溶媒は、高分子の化学構造等によって適宜選択できる。
溶媒としては、例えば、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド等の非プロトン性極性溶媒、ジクロロメタン、クロロホルム、1,2−ジクロロエタン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン等の塩素系溶媒、メタノール、エタノール、プロパノール等のアルコール系溶媒、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系溶媒等から選択する事ができる。これらは単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
次に、本発明を実施例によりさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
(実施例1)
(合成例1)
国際公開番号WO2007/043274パンフレット実施例7、実施例21記載の方法を参考にして、スミカエクセルPES 5200P(住友化学株式会社製)を使用して合成した、下記
Figure 2014044220
で示される繰り返し単位からなる、スルホン酸基を有するセグメントと、下記

Figure 2014044220

で示される、イオン交換基を有さないセグメントとを有する高分子化合物1を得た。
高分子化合物1をジメチルスルホキシドに溶解して、濃度が10wt%の溶液を調製した。得られた溶液を、支持基材(東洋紡績社製社製PETフィルム、E5000グレード厚さ100μm)を用いて、温度140℃、比湿0.122kg/kgの条件下で約30μmの高分子化合物膜を作製した。比湿とは単位質量の湿潤空気中に含まれる水蒸気の量をいい、ここでは1kgの空気中の水蒸気の量をkg単位で表す。この膜を2N硫酸に2時間浸漬後、再度イオン交換水で水洗せしめて、更に風乾することで、高分子化合物膜1を作製した。
(13Cの緩和時間T1ρの測定)
測定はブルカー社製 Avance300を用いた。25℃で静置させた試料を細断し、外径4mmの測定用試料管につめ、25℃に設定した装置に挿入し、毎秒12000回転(12kHz)で回転させた。熱平衡状態になった試料を、80℃に昇温し測定を開始した。化学シフト標準にはアダマンタンのCHの信号を用い、29.5ppmとした。
測定は、静磁場強度7.05T(テスラ)下で、1H、13Cの共鳴周波数はそれぞれ300MHz、75.4MHzである。測定法は1Hの磁化を13Cに移すCP(クロスポーラリゼーション)後、磁化をスピンロックする方法を用いた。ここで磁化の移動時間(接触時間)は3msとした。磁化のロック時間τは0.100〜120msecの間で変化させ6〜8点測定した。時間τ後の13Cの信号を観測した(観測中1Hによる双極子相互作用の影響を除去するために高出力デカップリングを行った。なお、S/N比を向上させるため、160〜480回の間で積算を行った)。また、繰り返し時間は、8secとした。
そこで得られたスペクトルの160ppmの信号の面積をロック時間τに対してプロットし、最小2乗法フィッティングによりT1ρを求めた。
高分子化合物膜1の緩和時間T1ρの測定の結果、時間変化率a(式(1)の係数a)は20.4であった。
(吸水後乾燥線膨張係数の測定)
得られた高分子化合物膜を一辺3cmの正方形に切断した。その正方形の中心に一辺2cmの正方形に印を付け、その寸法(Li)と、その膜を80℃の水に1時間吸水膨潤させた後、60℃で1時間真空乾燥させたときの寸法(Ld)を測定し、以下のように計算して求めた。
寸法変化率[%]=(Ld−Li)÷Li×100[%]
高分子化合物膜1を吸水させたのち乾燥した膜の寸法変化率は、0.2%であった。
(実施例2)
合成例1に準拠して合成された高分子化合物をジメチルスルホキシドに溶解して、濃度が10wt%の溶液を調製した。得られた溶液を、支持基材(東洋紡績社製社製PETフィルム、E5000グレード厚さ100μm)を用いて、温度120℃、比湿0.130kg/kgの条件下で約30μmの高分子化合物膜を作製した。この膜を2N硫酸に2時間浸漬後、再度イオン交換水で水洗せしめて、更に風乾することで、高分子化合物膜2を作製した。製膜された高分子化合物膜2の固体NMRによる緩和時間T1ρの測定の結果、時間変化率aは6.4であった。高分子化合物膜2を吸水させたのち乾燥した膜の寸法変化率は、−1.4%であった。
(実施例3)
(合成例2)
国際公開番号WO2007/043274パンフレット実施例7、実施例21記載の方法を参考にして、スミカエクセルPES 3600P(住友化学株式会社製)を使用して合成した、下記
Figure 2014044220
で示される繰り返し単位からなる、スルホン酸基を有するセグメントと、下記

Figure 2014044220

で示される、イオン交換基を有さないセグメントとを有する高分子化合物2を得た。
高分子化合物2をジメチルスルホキシドに溶解して、濃度が10wt%の溶液を調製した。得られた溶液を、支持基材(東洋紡績社製社製PETフィルム、E5000グレード厚さ100μm)を用いて、温度150℃、比湿0.120kg/kgの条件下で約30μmの高分子化合物膜を作製した。この膜を2N硫酸に2時間浸漬後、再度イオン交換水で水洗せしめて、更に風乾することで、高分子化合物膜3を作製した。製膜された高分子化合物膜3の固体NMRによる緩和時間T1ρの測定の結果、時間変化率aは14.1であった。高分子化合物膜3を吸水させたのち乾燥した膜の寸法変化率は、−0.5%であった。
(比較例1)
合成例1に準拠して合成された高分子化合物をジメチルスルホキシドに溶解して、濃度が10wt%の溶液を調製した。得られた溶液を、支持基材(東洋紡績社製社製PETフィルム、E5000グレード厚さ100μm)を用いて、温度80℃、比湿0.103kg/kgの条件下で約30μmの高分子化合物膜を作製した。この膜を2N硫酸に2時間浸漬後、再度イオン交換水で水洗せしめて、更に風乾することで、高分子化合物膜3を作製した。製膜された高分子化合物膜3の固体NMRによる緩和時間T1ρの測定の結果、時間変化率aは31.1であった。高分子化合物膜2を吸水させたのち乾燥した膜の寸法変化率は、−9.4%であった。

Claims (7)

  1. 磁場強度7.05テスラの固体NMR装置を用いて温度80℃での高分子化合物膜のT1ρ(ms)を測定し、測定開始後の時間経過t(hour)に対するT1ρ(ms)の変化を式(1)で表した場合に、式(1)の係数aが式(2)を満たすことを特徴とする高分子化合物膜。
    T1ρ = a×ln(t) +b (1)
    0≦a≦25 (2)
  2. エンジニアリングプラスチックを構成する高分子化合物を含んでなる請求項1に記載の高分子化合物膜。
  3. イオン交換性基を有する重合体を含む、請求項1または2のいずれかに記載の高分子化合物膜。
  4. イオン交換性基を有するブロックとイオン交換性基を有さないブロックをそれぞれ少なくとも一つ以上含むブロック共重合体を含む、請求項1〜3のいずれかに記載の高分子化合物膜。
  5. 主鎖又は側鎖に芳香族基を有しイオン交換性基を有するブロックと主鎖又は側鎖に芳香族基を有しイオン交換性基を有さないブロックをそれぞれ一つ以上含むブロック共重合体を含む、請求項1〜4のいずれかに記載の高分子化合物膜。
  6. ホスホン酸基、カルボン酸基、スルホン酸基、スルホンイミド基からなる群から選ばれる1種類以上のイオン交換基を有するブロックとイオン交換性基を有さないブロックをそれぞれ一つ以上含むポリアリーレン系ブロック共重合体を含む、請求項1〜5のいずれかに記載の高分子化合物膜。
  7. 高分子電解質を含む溶液を基材に流延塗布し、溶媒を除去することにより高分子電解質膜を得る、高分子電解質膜の製造方法において、該溶媒除去工程を、該工程の雰囲気の比湿Hが0.01≦H≦0.5を満たす範囲内で保たれ、かつ該工程の雰囲気の摂氏温度Tが式(3)を満たす範囲内で保たれることを特徴とする高分子電解質膜の製造方法。
    100≦T≦160 (3)
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