JP2014500567A - Mechanically stable polyazole - Google Patents
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Abstract
I)少なくとも一種の、繰り返し単位中に少なくとも一個のアミノ基を有するポリアゾールを、(i)少なくとも一種の強酸と(ii)少なくとも一種の安定化剤とを含む溶液(ただし、この溶液中の安定化剤の総量は0.01〜30重量%の範囲である)で処理する工程と、
ii)少なくとも一種の高官能価ポリエーテルを安定化剤として用いて、直接及び/又は続く加工工程において25℃を超える温度に加熱して安定化反応を行う工程とからなる機械的に安定なポリアゾールの製造方法。
このようにして得られるポリアゾールは、特に高い伝導性と非常に優れた機械的安定性に特徴がある。したがって、これらは特に燃料電池中での使用に適している。I) a solution comprising at least one polyazole having at least one amino group in a repeating unit, and (i) at least one strong acid and (ii) at least one stabilizer, wherein the stabilization in this solution The total amount of agent ranges from 0.01 to 30% by weight),
ii) a mechanically stable polyazole comprising a step of performing a stabilization reaction directly and / or by heating to a temperature exceeding 25 ° C. in a subsequent processing step using at least one high-functionality polyether as a stabilizer. Manufacturing method.
The polyazole obtained in this way is characterized by a particularly high conductivity and very good mechanical stability. They are therefore particularly suitable for use in fuel cells.
Description
本発明は第一に、機械的に安定なポリアゾール、特に酸でドープされた機械的に安定なポリアゾールと、その製造方法と、その高分子電解質膜(PEM)や膜電極ユニット(MEU)、PEM燃料電池中での利用に関する。また、これらの機械的に安定なポリアゾールは他の多くの分野でも好ましく使用できる。 The present invention firstly provides a mechanically stable polyazole, in particular a mechanically stable polyazole doped with an acid, its production method, its polymer electrolyte membrane (PEM), membrane electrode unit (MEU), PEM. It relates to use in fuel cells. Also, these mechanically stable polyazoles can be preferably used in many other fields.
高分子電解質膜(PEM)は既知であり、特に燃料電池中で使用されている。スルホン酸変性ポリマー、特にスルホン酸変性ペルフルオロ化ポリマーがしばしば用いられる。その有名な例が、デュポン社(米国)のナフィオンである。プロトンの伝導のためには、この膜が比較的高水分率である必要があり、スルホン酸基当り通常4〜20分子の水が必要である。 Polymer electrolyte membranes (PEM) are known and are used in particular in fuel cells. Often sulfonic acid modified polymers, especially sulfonic acid modified perfluorinated polymers are used. A famous example is Nafion from DuPont (USA). For proton conduction, the membrane needs to have a relatively high moisture content, usually 4-20 molecules of water per sulfonic acid group.
この必要な水分率と、酸性水や水素及び酸素反応ガスに対するポリマーの安定性のため、PEM燃料電池スタックの最高動作温度は、通常80〜100℃に制限される。加圧下では、この動作温度を>120℃まで上げることができる。加圧しないと高動作温度で燃料電池の性能低下が起こる。 Due to this required moisture content and the stability of the polymer to acidic water, hydrogen and oxygen reactant gases, the maximum operating temperature of a PEM fuel cell stack is usually limited to 80-100 ° C. Under pressure, this operating temperature can be raised to> 120 ° C. Without pressurization, the performance of the fuel cell degrades at high operating temperatures.
しかしながらシステム的な理由のため、燃料電池中では100℃を超える高動作温度が望ましい。膜電極ユニット(MEU)中に存在する貴金属系触媒の活性は、高動作温度でかなりの大きい。特に、炭化水素から得られるいわゆる改質油を使用する場合、改質器ガス中には一定量の一酸化炭素が存在するため、通常複雑なガス処理またはガス精製によりこれを除く必要がある。高動作温度では、触媒のCO不純物への許容度が数体積%のCOにまで上昇する。 However, for system reasons, high operating temperatures in excess of 100 ° C. are desirable in fuel cells. The activity of the noble metal-based catalyst present in the membrane electrode unit (MEU) is considerable at high operating temperatures. In particular, when so-called reformed oil obtained from hydrocarbon is used, since a certain amount of carbon monoxide is present in the reformer gas, it is usually necessary to remove it by complicated gas treatment or gas purification. At high operating temperatures, the tolerance of the catalyst to CO impurities increases to a few volume percent CO.
また、燃料電池の運転中に熱が発生する。しかしながら、これらのシステムを80℃未満にまで冷却することは、非常にコスト高となり、また不便である。電力出力によっては、冷却装置をより単純とすることができる。これは、100℃を超える温度で作動する燃料電池システム中では、排熱をより効率的に利用でき、このため電力と熱の併産により燃料電池システムの効率を上げることができることを意味する。 Also, heat is generated during operation of the fuel cell. However, cooling these systems to below 80 ° C. is very costly and inconvenient. Depending on the power output, the cooling device can be simpler. This means that exhaust heat can be used more efficiently in a fuel cell system that operates at a temperature exceeding 100 ° C., and thus the efficiency of the fuel cell system can be increased by the combined production of power and heat.
これらの温度を達成するには、通常新たな伝導メカニズムをもつ膜が用いられる。この目的のための一つの方向は、水を使用しなくても電気伝導性を示す膜を用いることである。この方向での最初の開発が、例えばWO96/13872に述べられている。例えばWO96/13872には、塗布法で製造した、酸でドープされたポリベンズイミダゾール膜の利用が開示されている。 To achieve these temperatures, membranes with new conduction mechanisms are usually used. One direction for this purpose is to use a membrane that exhibits electrical conductivity without the use of water. Initial development in this direction is described, for example, in WO 96/13872. For example, WO 96/13872 discloses the use of an acid-doped polybenzimidazole film produced by a coating method.
同様に水を使用しなくても電気伝導性を示す新世代の酸含有ポリアゾール膜が、WO02/088219に記載されている。WO02/088219に開示されているこれらの酸含有ポリアゾール膜は、すでに良好な一連の性能を示している。 Similarly, a new generation acid-containing polyazole film that exhibits electrical conductivity without the use of water is described in WO02 / 088219. These acid-containing polyazole membranes disclosed in WO 02/088219 have already shown a good series of performances.
しかしながら目的どおりPEM燃料電池を利用するためには、これらの酸含有ポリアゾール膜の機械的性質を常に改良していく必要がある。例えば、このような膜はまだ比較的軟らかくて機械的耐久性が不十分であり、機械的安定性が温度上昇と共に低下し、典型的な運転範囲(約160℃〜180℃)の上範囲では安定性の問題を引き起こす。したがって、機械的性質、特に膜安定性を改善し、また同時に高い伝導性を達成することが望ましい。 However, in order to use the PEM fuel cell as intended, it is necessary to constantly improve the mechanical properties of these acid-containing polyazole membranes. For example, such membranes are still relatively soft and have insufficient mechanical durability, mechanical stability decreases with increasing temperature, and in the upper range of typical operating ranges (about 160 ° C. to 180 ° C.) Cause stability problems. Therefore, it is desirable to improve mechanical properties, particularly membrane stability, and at the same time achieve high conductivity.
架橋反応による機械的安定化は、ポリマー技術においてすでに充分に知られている。しかしながら、この方法の問題は、ポリマー自体が十分な機械的安定性を持つとしても、プロトン伝導性を付与するために強酸を含浸/ドーピングさせると、ポリマーの機械的安定性が不適当な程度にまで低下することである。 Mechanical stabilization by cross-linking reactions is already well known in polymer technology. However, the problem with this method is that even though the polymer itself has sufficient mechanical stability, impregnation / doping with a strong acid to impart proton conductivity can cause the polymer to have an inappropriate mechanical stability. Is to decline.
酸含有ポリアゾール膜の機械的安定性の改良ための最初の研究が、WO00/44816とWO02/070592に見出される。ここでは、まずポリアゾールポリマーの非プロトン性高極性有機溶媒の溶液を調整し、この溶液に架橋剤を添加している。フィルムを形成後、有機溶媒を除いて架橋反応を行う。次いでこのフィルムを強酸でドープして用いる。得られた酸含有ポリアゾール膜は、非架橋の酸含有ポリアゾール膜と較べて改善された機械的安定性をもち、また優れた伝導性をもつ。 Initial work to improve the mechanical stability of acid-containing polyazole films is found in WO 00/44816 and WO 02/070592. Here, first, a solution of an aprotic highly polar organic solvent of a polyazole polymer is prepared, and a crosslinking agent is added to this solution. After forming the film, the organic solvent is removed and a crosslinking reaction is performed. The film is then used after being doped with a strong acid. The resulting acid-containing polyazole film has improved mechanical stability and superior conductivity compared to the non-crosslinked acid-containing polyazole film.
しかしながら、現在までに知られている方法でポリアゾールポリマーの架橋(ブリッジング)は可能であるが、非プロトン性高極性有機溶媒を使用すると、新たな制限が持ち上がることが明らかとなった。特に高分子量ポリアゾールは上記の有機溶媒中の溶解度が低いか不溶であり、このため加工ができない。 However, cross-linking (bridging) of polyazole polymers is possible by methods known to date, but it has been found that the use of aprotic highly polar organic solvents raises new limitations. In particular, high molecular weight polyazole has low solubility or insolubility in the above organic solvent, and therefore cannot be processed.
したがって本発明の目的は、ポリアゾールの機械的安定化のための、好ましくは酸でドープされたポリアゾールの、特に酸でドープされたポリアゾール系膜の機械的安定化のためのより優れた方法を示すことである。また、ポリアゾールの、好ましくは酸でドープされたポリアゾール、より好ましくは酸含有ポリアゾール膜の優れた一連の性質、特に伝導性を維持あるいは改善する必要がある。もう一つの目的は、上記ポリアゾール、好ましくは酸でドープされたポリアゾール、より好ましくはその膜の圧縮安定性、特に20℃〜200℃の範囲の温度での圧縮安定性を改善することである。また、これらのポリアゾール、好ましくは酸でドープされたポリアゾール、より好ましくはこれらの膜は、できる限り小さなコストで比較的単純な方法で製造できることが必要である。最後に、もう一つの目的は、健康の視点から非常に安全である溶液を提供することである。 The object of the present invention therefore represents a better method for the mechanical stabilization of polyazoles, preferably for the mechanical stabilization of polyazoles, preferably acid-doped polyazoles, in particular acid-doped polyazole-based membranes. That is. There is also a need to maintain or improve the excellent series of properties of polyazoles, preferably acid-doped polyazoles, more preferably acid-containing polyazole films, particularly conductivity. Another object is to improve the compression stability of the polyazole, preferably an acid-doped polyazole, more preferably its membrane, especially at temperatures in the range of 20 ° C to 200 ° C. It is also necessary that these polyazoles, preferably acid-doped polyazoles, more preferably these membranes, can be produced in a relatively simple manner at the lowest possible cost. Finally, another objective is to provide a solution that is very safe from a health perspective.
これらの目的や上記の説明から明白な他の目的は、本請求項1の全ての特徴を持つ方法で達成される。その従属請求項は、特に好適な本方法の実施様態を示す。また、本方法で得られる安定化されたポリマーと膜と膜電極アセンブリと、これらの好ましい利用分野が保護される。 These objects and other objects apparent from the above description are achieved by a method having all the features of claim 1. The dependent claims show particularly preferred embodiments of the method. Also, the stabilized polymer, membrane and membrane electrode assembly obtained by the present method and their preferred fields of use are protected.
したがって本発明は、
I)少なくとも一種の、繰り返し単位中に少なくとも一個のアミノ基を有するポリアゾールを、(i)少なくとも一種の強酸と(ii)少なくとも一種の安定化剤とを含む溶液(ただし、この溶液中の安定化剤の総量は0.01〜30重量%の範囲である)で処理する工程と、
II)少なくとも一種の高官能価ポリエーテルを安定化剤として用いて、直接及び/又は続く加工工程において25℃を超える温度に加熱して安定化反応を行う工程と
からなる機械的に安定なポリアゾールの製造方法を提供する。
Therefore, the present invention
I) a solution comprising at least one polyazole having at least one amino group in a repeating unit, and (i) at least one strong acid and (ii) at least one stabilizer, wherein the stabilization in this solution The total amount of agent ranges from 0.01 to 30% by weight),
II) Mechanically stable polyazole comprising a step of performing a stabilization reaction by heating to a temperature exceeding 25 ° C. directly and / or in a subsequent processing step using at least one high functionality polyether as a stabilizer. A manufacturing method is provided.
本発明は、特にポリアゾール、好ましくは酸でドープされたポリアゾール、特に酸含有のプロトン伝導性ポリアゾール膜の機械的安定化のための好ましい方法を提供する。現在までに知られている高分子量ポリアゾールは不安定である。ブリッジング及び/又は架橋で変性された既知のポリアゾールには、高分子量ポリアゾールが含まれていない。 The present invention provides a preferred method for mechanical stabilization of polyazoles, preferably acid-doped polyazoles, especially acid-containing proton conducting polyazole membranes. High molecular weight polyazoles known to date are unstable. Known polyazoles modified by bridging and / or crosslinking do not contain high molecular weight polyazoles.
また、上記発明により初めて、改善された弾性率と改善された破断伸度をもつポリアゾールを、特に酸を含有するプロトン伝導性高分子量ポリアゾールポリマーを得ることができる。特に燃料電池用の高分子電解質膜中で使用するには、両方の性質が非常に重要である。 In addition, for the first time by the above invention, it is possible to obtain a polyazole having an improved elastic modulus and an improved elongation at break, particularly a proton-conducting high molecular weight polyazole polymer containing an acid. In particular, both properties are very important for use in polymer electrolyte membranes for fuel cells.
また、本発明のポリマー(好ましくは、少なくとも一種の本発明のポリマーを含む膜の形であるポリマー)の伝導性は、非常に高い。 Also, the conductivity of the inventive polymer (preferably a polymer in the form of a membrane comprising at least one inventive polymer) is very high.
また、本発明のポリマー(好ましくは、少なくとも一種の本発明のポリマーを含む膜の形であるポリマー)は、改善された圧縮安定性を持つこと、特に20℃〜200℃の範囲の温度で改善された圧縮安定性を持つことに特徴がある。 Also, the polymer of the present invention (preferably a polymer in the form of a membrane comprising at least one polymer of the present invention) has improved compression stability, especially at temperatures in the range of 20 ° C to 200 ° C. It is characterized by having a compressed stability.
最後に、本発明の成果は、工業スケールで安価に、比較的単純な方法で実施可能であり、健康の視点から絶対的に安全である。 Finally, the results of the present invention can be implemented in a relatively simple manner at a low cost on an industrial scale and are absolutely safe from a health perspective.
ポリアゾール
本発明におけるポリアゾールは、ポリマー中の繰返し単位に好ましくは少なくとも一種の、少なくとも一個の窒素原子をもつ芳香族環をもつポリマーを意味するものとする。この芳香族環は、好ましくは1〜3個の窒素原子をもつ五員環または六員環であり、この環は他の環に、特に他の芳香族環に縮合していてもよい。個々の窒素ヘテロ原子は、酸素、リン及び/又は硫黄原子で置換されていてもよい。複素芳香族環はポリマー主鎖中にあることが好ましいが、側鎖にあってもよい。環中に1〜5個の窒素原子を含む、あるいは窒素原子に加えて一個以上の他のヘテロ原子を含む不飽和五員または六員の芳香族単位を繰返し単位中にもつ塩基性ポリマーが特に好ましい。
Polyazole
The polyazole in the present invention is intended to mean a polymer having an aromatic ring having at least one nitrogen atom, preferably at least one repeating unit in the polymer. The aromatic ring is preferably a 5-membered or 6-membered ring having 1 to 3 nitrogen atoms, and this ring may be condensed with other rings, particularly with other aromatic rings. Individual nitrogen heteroatoms may be substituted with oxygen, phosphorus and / or sulfur atoms. The heteroaromatic ring is preferably in the polymer main chain, but may be in the side chain. Basic polymers having an unsaturated 5-membered or 6-membered aromatic unit in the repeating unit containing 1 to 5 nitrogen atoms in the ring or containing one or more other hetero atoms in addition to the nitrogen atom preferable.
本発明のポリアゾールは、繰返し単位中に少なくとも一個のアミノ基をもつ。このアミノ基は、一級アミノ基(NH2基)として存在していても、二級アミノ基(NH基)または三級基として存在していてもよく、この基は環状で、必要なら芳香族の構造の一部、あるいは芳香族単位上の置換基の一部であってもよい。 The polyazole of the present invention has at least one amino group in the repeating unit. The amino group may be present as a primary amino group (NH 2 group), or may be present as a secondary amino group (NH group) or a tertiary group, this group being cyclic, if necessary aromatic Or a part of a substituent on the aromatic unit.
繰返し単位中にアミノ基が存在するためこのポリマーは塩基性であり、この繰返し単位はこのアミノ基を経由して上記安定化剤(ポリエーテル)と選択的に反応する。安定化剤との反応性を考慮すると、この繰返し単位中のアミノ基は、好ましくは一級または二級のアミノ基であり、より好ましくは環状の二級アミノ基(適当にアゾール繰返し単位の環の一部を形成する)である。 The polymer is basic because of the presence of amino groups in the repeat unit, and the repeat unit selectively reacts with the stabilizer (polyether) via the amino group. In consideration of the reactivity with the stabilizer, the amino group in the repeating unit is preferably a primary or secondary amino group, more preferably a cyclic secondary amino group (suitably a ring of an azole repeating unit). Part of it).
本発明の方法は、特に機械的に安定なポリアゾール系ポリマー膜の製造に役立つ。 The method of the present invention is particularly useful for the production of mechanically stable polyazole-based polymer membranes.
第一の特に好ましい実施様態においては、本発明の方法は以下の工程からなる。 In a first particularly preferred embodiment, the process according to the invention consists of the following steps:
a)少なくとも一種の、繰返し単位中に少なくとも一個のアミノ基をもつポリアゾールを含むフィルムを製造する工程と、
b)工程a)からのフィルムを、(i)少なくとも一種の強酸と(ii)少なくとも一種の安定化剤とを含む溶液で処理する(この溶液中の安定化剤の総量は0.01〜30重量%の範囲である)工程と、
c)25℃を超える温度に加熱して、直接または続く膜加工工程において、工程b)で得られた膜中で安定化反応を行う工程と、
d)必要なら、さらに工程c)で得られる膜を、少なくとも一種の高官能価ポリエーテルを安定化剤として用いて、強酸でドーピングする、あるいは存在する水を除いて存在する強酸を濃縮する工程。
a) producing a film comprising at least one polyazole having at least one amino group in a repeating unit;
b) treating the film from step a) with a solution comprising (i) at least one strong acid and (ii) at least one stabilizer (the total amount of stabilizer in this solution is 0.01-30). A range of weight percent),
c) heating to a temperature in excess of 25 ° C. and performing a stabilization reaction in the film obtained in step b) directly or in a subsequent film processing step;
d) if necessary, further doping the membrane obtained in step c) with a strong acid using at least one high functionality polyether as a stabilizer or concentrating the strong acid present except for the water present. .
ポリアゾールを含むフィルムまたは箔の製造は既知である。製造は、例えばWO2004/024797に記載のようにして行われ、以下の工程からなる。 The production of films or foils containing polyazoles is known. Manufacture is performed as described in, for example, WO2004 / 024797, and includes the following steps.
A)一種以上の芳香族テトラアミノ化合物と、一種以上の芳香族カルボン酸またはそのエステルで、カルボン酸モノマー当り少なくとも2個の酸基を有するものとを、あるいは一種以上の芳香族の及び/又は複素芳香族のジアミノカルボン酸を、ポリリン酸中で混合して溶液及び/又は分散液を形成する工程と、
B)工程A)からの混合物を使用して支持体上に層を塗布する工程と、
C)不活性ガス下で、工程B)で得られる平坦構造/層を、最高で350℃にまで、好ましくは最高で280℃にまで加熱してポリアゾールポリマーを形成する工程と、
D)工程C)で形成される高分子膜を(自己支持性となるまで)加水分解する工程と、 E)工程D)で形成される高分子膜を支持体から取り外す工程と、
F)存在するポリリン酸またはリン酸を除き、乾燥させる工程。
A) one or more aromatic tetraamino compounds and one or more aromatic carboxylic acids or esters thereof having at least two acid groups per carboxylic acid monomer, or one or more aromatic and / or Mixing a heteroaromatic diaminocarboxylic acid in polyphosphoric acid to form a solution and / or dispersion;
B) applying a layer on the support using the mixture from step A);
C) heating the planar structure / layer obtained in step B) under inert gas up to 350 ° C., preferably up to 280 ° C. to form a polyazole polymer;
D) hydrolyzing the polymer membrane formed in step C) (until self-supporting), E) removing the polymer membrane formed in step D) from the support,
F) A step of removing the existing polyphosphoric acid or phosphoric acid and drying it.
本発明で使用される芳香族及び複素芳香族のテトラアミノ化合物は、好ましくは3,3’,4,4’−テトラアミノビフェニルや2,3,5,6−テトラアミノピリジン、1,2,4,5−テトラアミノベンゼン、3,3’,4,4’−テトラアミノジフェニルスルホン、3,3’,4,4’−テトラアミノジフェニルエーテル、3,3’,4,4’−テトラアミノベンゾフェノン、3,3’,4,4’−テトラアミノジフェニルメタン、3,3’,4,4’−テトラアミノジフェニルジメチルメタン、およびこれらの塩類であり、特にこれらの一塩酸塩、二塩酸塩、三塩酸塩、及び四塩酸塩誘導体である。 The aromatic and heteroaromatic tetraamino compounds used in the present invention are preferably 3,3 ′, 4,4′-tetraaminobiphenyl, 2,3,5,6-tetraaminopyridine, 1,2, 4,5-tetraaminobenzene, 3,3 ′, 4,4′-tetraaminodiphenyl sulfone, 3,3 ′, 4,4′-tetraaminodiphenyl ether, 3,3 ′, 4,4′-tetraaminobenzophenone 3,3 ′, 4,4′-tetraaminodiphenylmethane, 3,3 ′, 4,4′-tetraaminodiphenyldimethylmethane, and salts thereof, in particular their monohydrochlorides, dihydrochlorides, Hydrochloride and tetrahydrochloride derivatives.
本発明で使用される芳香族カルボン酸は、ジカルボン酸とトリカルボン酸、テトラカルボン酸、またはこれらのエステルまたは無水物、またはこれらの酸クロライドである。「芳香族カルボン酸」は同様に、複素芳香族カルボン酸をも含む。芳香族ジカルボン酸は、好ましくはイソフタル酸やテレフタル酸、フタル酸、5−ヒドロキシイソフタル酸、4−ヒドロキシイソフタル酸、2−ヒドロキシテレフタル酸、5−アミノイソフタル酸、5−N,N−ジメチルアミノイソフタル酸、5−N,N−ジエチルアミノイソフタル酸、2,5−ジヒドロキシテレフタル酸、2,6−ジヒドロキシイソフタル酸、4,6−ジヒドロキシイソフタル酸、2,3−ジヒドロキシフタル酸、2,4−ジヒドロキシフタル酸、3,4−ジヒドロキシフタル酸、3−フルオロフタル酸、5−フルオロイソフタル酸、2−フルオロテレフタル酸、テトラフルオロフタル酸、テトラフルオロイソフタル酸、テトラフルオロテレフタル酸、1,4−ナフタレンジカルボン酸、1,5−ナフタレンジカルボン酸、2,6−ナフタレンジカルボン酸、2,7−ナフタレンジカルボン酸、ジフェン酸、1,8−ジヒドロキシナフタレン−3,6−ジカルボン酸、ジフェニルエーテル−4,4’−ジカルボン酸、ベンゾフェノン−4,4’−ジカルボン酸、ジフェニルスルホン4,4’−ジカルボン酸、ビフェニル−4,4’−ジカルボン酸、4−トリフルオロメチルフタル酸、2,2−ビス(4−カルボキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン、4,4’−スチルベンジカルボン酸、4−カルボキシケイ皮酸、またはこれらのC1−C20−アルキルエステルまたはC5−C12−アリールエステル、またはこれらの酸無水物または酸クロライドである。 The aromatic carboxylic acid used in the present invention is a dicarboxylic acid and a tricarboxylic acid, a tetracarboxylic acid, or an ester or anhydride thereof, or an acid chloride thereof. “Aromatic carboxylic acid” also includes heteroaromatic carboxylic acids. The aromatic dicarboxylic acid is preferably isophthalic acid, terephthalic acid, phthalic acid, 5-hydroxyisophthalic acid, 4-hydroxyisophthalic acid, 2-hydroxyterephthalic acid, 5-aminoisophthalic acid, 5-N, N-dimethylaminoisophthalic acid. Acid, 5-N, N-diethylaminoisophthalic acid, 2,5-dihydroxyterephthalic acid, 2,6-dihydroxyisophthalic acid, 4,6-dihydroxyisophthalic acid, 2,3-dihydroxyphthalic acid, 2,4-dihydroxyphthalic acid Acid, 3,4-dihydroxyphthalic acid, 3-fluorophthalic acid, 5-fluoroisophthalic acid, 2-fluoroterephthalic acid, tetrafluorophthalic acid, tetrafluoroisophthalic acid, tetrafluoroterephthalic acid, 1,4-naphthalenedicarboxylic acid 1,5-naphthalenedicarboxylic acid 2,6-naphthalenedicarboxylic acid, 2,7-naphthalenedicarboxylic acid, diphenic acid, 1,8-dihydroxynaphthalene-3,6-dicarboxylic acid, diphenyl ether-4,4′-dicarboxylic acid, benzophenone-4,4′- Dicarboxylic acid, diphenylsulfone 4,4′-dicarboxylic acid, biphenyl-4,4′-dicarboxylic acid, 4-trifluoromethylphthalic acid, 2,2-bis (4-carboxyphenyl) hexafluoropropane, 4,4 ′ - aryl esters or their acid anhydrides or acid chlorides, - stilbene dicarboxylic acid, 4-carboxycinnamic cinnamic acid or their C 1 -C 20, - alkyl esters or C 5 -C 12.
芳香族トリカルボン酸、テトラカルボン酸またはこれらのC1−C20−アルキルエステルまたはC5−C12−アリールエステル、またはこれらの酸無水物またはこれらの酸クロライドは、好ましくは、1,3,5−ベンゼントリカルボン酸(トリメシン酸)や1,2,4−ベンゼントリカルボン酸(トリメリット酸)、(2−カルボキシフェニル)イミノジ酢酸、3,5,3’−ビフェニルトリカルボン酸、3,5,4’−ビフェニルトリカルボン酸である。 Aromatic tricarboxylic acids, tetracarboxylic acids or their C 1 -C 20 -alkyl esters or C 5 -C 12 -aryl esters, or their anhydrides or their acid chlorides are preferably 1, 3, 5 -Benzenetricarboxylic acid (trimesic acid), 1,2,4-benzenetricarboxylic acid (trimellitic acid), (2-carboxyphenyl) iminodiacetic acid, 3,5,3'-biphenyltricarboxylic acid, 3,5,4 ' -Biphenyltricarboxylic acid.
芳香族テトラカルボン酸、またはこれらのC1−C20−アルキルエステルまたはC5−C12−アリールエステル、またはこれらの酸無水物、またはこれらの酸クロライドは、好ましくは、3,5,3’,5’−ビフェニルテトラカルボン酸や、ベンゼン−1,2,4,5−テトラカルボン酸、ベンゾフェノンテトラカルボン酸、3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸、2,2’,3,3’−ビフェニルテトラカルボン酸、1,2,5,6−ナフタレンテトラカルボン酸、1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボン酸である。 The aromatic tetracarboxylic acids, or their C 1 -C 20 -alkyl esters or C 5 -C 12 -aryl esters, or their anhydrides, or their acid chlorides are preferably 3,5,3 ′ , 5′-biphenyltetracarboxylic acid, benzene-1,2,4,5-tetracarboxylic acid, benzophenonetetracarboxylic acid, 3,3 ′, 4,4′-biphenyltetracarboxylic acid, 2,2 ′, 3 3,3′-biphenyltetracarboxylic acid, 1,2,5,6-naphthalenetetracarboxylic acid, 1,4,5,8-naphthalenetetracarboxylic acid.
本発明で使用される複素芳香族カルボン酸は、複素芳香族のジカルボン酸とトリカルボン酸とテトラカルボン酸、またはそのエステルまたは無水物である。複素芳香族カルボン酸は、芳香族環中に少なくとも一個の窒素、酸素、硫黄または燐原子を含む芳香族系を意味するものとする。これらは、好ましくは、ピリジン−2,5−ジカルボン酸やピリジン−3,5−ジカルボン酸、ピリジン−2,6−ジカルボン酸、ピリジン−2,4−ジカルボン酸、4−フェニル−2,5−ピリジンジカルボン酸、3,5−ピラゾールジカルボン酸、2,6−ピリミジンジカルボン酸、2,5−ピラジンジカルボン酸、2,4,6−ピリジントリカルボン酸、ベンズイミダゾール−5,6−ジカルボン酸、またこれらのC1−C20−アルキルエステルまたはC5−C12−アリールエステル、またはこれらの酸無水物、またはこれらの酸クロライドである。 The heteroaromatic carboxylic acid used in the present invention is a heteroaromatic dicarboxylic acid, tricarboxylic acid and tetracarboxylic acid, or an ester or an anhydride thereof. A heteroaromatic carboxylic acid shall mean an aromatic system containing at least one nitrogen, oxygen, sulfur or phosphorus atom in the aromatic ring. These are preferably pyridine-2,5-dicarboxylic acid, pyridine-3,5-dicarboxylic acid, pyridine-2,6-dicarboxylic acid, pyridine-2,4-dicarboxylic acid, 4-phenyl-2,5- Pyridine dicarboxylic acid, 3,5-pyrazole dicarboxylic acid, 2,6-pyrimidine dicarboxylic acid, 2,5-pyrazine dicarboxylic acid, 2,4,6-pyridine tricarboxylic acid, benzimidazole-5,6-dicarboxylic acid, and these C 1 -C 20 -alkyl ester or C 5 -C 12 -aryl ester, or an acid anhydride thereof, or an acid chloride thereof.
トリカルボン酸またはテトラカルボン酸の含量は、用いるジカルボン酸に対して0〜30モル%であり、好ましくは0.1〜20モル%、特に0.5〜10モル%である。 The content of tricarboxylic acid or tetracarboxylic acid is 0 to 30 mol%, preferably 0.1 to 20 mol%, particularly 0.5 to 10 mol%, based on the dicarboxylic acid used.
本発明で使用される芳香族および複素芳香族ジアミノカルボン酸は、好ましくはジアミノ安息香酸とその一塩酸塩及び二塩酸塩誘導体である。 The aromatic and heteroaromatic diaminocarboxylic acids used in the present invention are preferably diaminobenzoic acid and its monohydrochloride and dihydrochloride derivatives.
工程A)では、少なくとも2種の異なる芳香族カルボン酸の混合物を用いることが好ましい。芳香族カルボン酸と複素芳香族カルボン酸を含む混合物を使用することが特に好ましい。芳香族カルボン酸と複素芳香族カルボン酸の混合比率は1:99〜99:1であり、好ましくは1:50〜50:1である。 In step A), it is preferred to use a mixture of at least two different aromatic carboxylic acids. It is particularly preferred to use a mixture comprising an aromatic carboxylic acid and a heteroaromatic carboxylic acid. The mixing ratio of the aromatic carboxylic acid and the heteroaromatic carboxylic acid is 1:99 to 99: 1, preferably 1:50 to 50: 1.
これらの混合物は、特にN−複素芳香族ジカルボン酸と芳香族ジカルボン酸の混合物である。その非制限的な例としては、イソフタル酸、テレフタル酸、フタル酸、2,5−ジヒドロキシテレフタル酸、2,6−ジヒドロキシイソフタル酸、4,6−ジヒドロキシイソフタル酸、2,3−ジヒドロキシフタル酸、2,4−ジヒドロキシフタル酸、3,4−ジヒドロキシフタル酸、1,4−ナフタレンジカルボン酸、1,5−ナフタレンジカルボン酸、2,6−ナフタレンジカルボン酸、2,7−ナフタレンジカルボン酸、ジフェン酸、1,8−ジヒドロキシナフタレン−3,6−ジカルボン酸、ジフェニルエーテル4,4’−ジカルボン酸、ベンゾフェノン−4,4’−ジカルボン酸、ジフェニルスルホン4,4’−ジカルボン酸、ビフェニル−4,4’−ジカルボン酸、4−トリフルオロメチルフタル酸、ピリジン−2,5−ジカルボン酸、ピリジン−3,5−ジカルボン酸、ピリジン−2,6−ジカルボン酸、ピリジン−2,4−ジカルボン酸、4−フェニル−2,5−ピリジンジカルボン酸、3,5−ピラゾールジカルボン酸、2,6−ピリミジンジカルボン酸、2,5−ピラジンジカルボン酸があげられる。 These mixtures are in particular mixtures of N-heteroaromatic dicarboxylic acids and aromatic dicarboxylic acids. Non-limiting examples include isophthalic acid, terephthalic acid, phthalic acid, 2,5-dihydroxyterephthalic acid, 2,6-dihydroxyisophthalic acid, 4,6-dihydroxyisophthalic acid, 2,3-dihydroxyphthalic acid, 2,4-dihydroxyphthalic acid, 3,4-dihydroxyphthalic acid, 1,4-naphthalenedicarboxylic acid, 1,5-naphthalenedicarboxylic acid, 2,6-naphthalenedicarboxylic acid, 2,7-naphthalenedicarboxylic acid, diphenic acid 1,8-dihydroxynaphthalene-3,6-dicarboxylic acid, diphenyl ether 4,4′-dicarboxylic acid, benzophenone-4,4′-dicarboxylic acid, diphenylsulfone 4,4′-dicarboxylic acid, biphenyl-4,4 ′ -Dicarboxylic acid, 4-trifluoromethylphthalic acid, pyridine-2,5-dicar Acid, pyridine-3,5-dicarboxylic acid, pyridine-2,6-dicarboxylic acid, pyridine-2,4-dicarboxylic acid, 4-phenyl-2,5-pyridinedicarboxylic acid, 3,5-pyrazole dicarboxylic acid, Examples include 2,6-pyrimidine dicarboxylic acid and 2,5-pyrazine dicarboxylic acid.
工程A)で用いるポリリン酸は、例えばリーデル・デ・ヘーン社から入手可能な市販のポリリン酸を含む。P2O5(酸滴定法による)として計算したポリリン酸Hn+2PnO3n+1(n>1)の含量は、通常少なくとも83%である。モノマーの溶液に代えて、分散液/懸濁液を製造することもできる。工程A)で得られる混合物の、ポリリン酸の全モノマーの総量に対する重量比は、1:10000〜10000:1であり、好ましくは1:1000〜1000:1、特に1:100〜100:1である。 The polyphosphoric acid used in step A) includes, for example, commercially available polyphosphoric acid available from Riedel de Haen. The content of polyphosphoric acid H n + 2 P n O 3n + 1 (n> 1) calculated as P 2 O 5 (according to acid titration method) is usually at least 83%. Instead of the monomer solution, a dispersion / suspension can also be produced. The weight ratio of the mixture obtained in step A) to the total amount of polyphosphoric acid total monomers is 1: 10000 to 10000: 1, preferably 1: 1000 to 1000: 1, in particular 1: 100 to 100: 1. is there.
この層は、工程B)でポリマーフィルム製造の先行技術から公知の方法(流延や吹き付け、ナイフ塗布)で形成される。適当な支持体は、この条件下では不活性とされる全ての支持体である。しかしながら、これらの不活性支持体に加えて、他の支持体、例えば高分子膜や織布や不織布で、工程B)で形成された層と結合して積層物を形成するものも好適である。粘度に調整するために、必要ならリン酸(濃リン酸、85%)をこの溶液に加えることもできる。これにより粘度を目標値にあわせることができ、膜形成が容易となる。工程B)で得られる層の厚みは、続く使用に適当なものであり、特に制限を受けない。通常、形成される層の厚みは1〜5000μmであり、好ましくは1〜3500μm、特に1〜100μmである。 This layer is formed in step B) by methods known from the prior art of polymer film production (casting, spraying, knife coating). Suitable supports are all supports that are inert under these conditions. However, in addition to these inert supports, other supports such as polymer membranes, woven fabrics and non-woven fabrics which are combined with the layer formed in step B) to form a laminate are also suitable. . Phosphoric acid (concentrated phosphoric acid, 85%) can be added to this solution if necessary to adjust the viscosity. This makes it possible to adjust the viscosity to the target value and facilitate film formation. The thickness of the layer obtained in step B) is suitable for subsequent use and is not particularly limited. Usually, the thickness of the formed layer is 1 to 5000 μm, preferably 1 to 3500 μm, particularly 1 to 100 μm.
工程C)で形成されるポリアゾール系ポリマーは、本発明において好ましく用いられる上記ポリアゾールと同様に、一般式(I)及び/又は(II)及び/又は(III)及び/又は(IV)及び/又は(V)及び/又は(VI)及び/又は(VII)及び/又は(VIII)及び/又は(IX)及び/又は(X)及び/又は(XI)及び/又は(XII)及び/又は(XIII)及び/又は(XIV)の繰返しアゾール単位を含む。 The polyazole-based polymer formed in step C) is the same as the above-mentioned polyazole preferably used in the present invention, and is represented by the general formula (I) and / or (II) and / or (III) and / or (IV) and / or (V) and / or (VI) and / or (VII) and / or (VIII) and / or (IX) and / or (X) and / or (XI) and / or (XII) and / or (XIII) ) And / or (XIV) repeating azole units.
式中、
Arは、同一であっても異なっていてもよく、それぞれ四価の芳香族基または複素芳香族基であり、単環でも多環でもよく、
Ar1は、同一であっても異なっていてもよく、それぞれ二価の芳香族基または複素芳香族基であり、単環でも多環でもよく、
AR2は、同一であっても異なっていてもよく、それぞれ二価または三価の芳香族基または複素芳香族基であり、単環でも多環でもよい、
Ar3は、同一であっても異なっていてもよく、それぞれ三価の芳香族基または複素芳香族基であり、単環でも多環でもよく、
Ar4は、同一であっても異なっていてもよく、それぞれ三価の芳香族基または複素芳香族基であり、単環でも多環でもよく、
Ar5は、同一であっても異なっていてもよく、それぞれ四価の芳香族基または複素芳香族基であり、単環でも多環でもよく、
Ar6は、同一であっても異なっていてもよく、それぞれ二価の芳香族基または複素芳香族基であり、単環でも多環でもよく、
Ar7は、同一であっても異なっていてもよく、それぞれ二価の芳香族基または複素芳香族基であり、単環でも多環でもよく、
Ar8は、同一であっても異なっていてもよく、それぞれ三価の芳香族基または複素芳香族基であり、単環でも多環でもよく、
Ar9は、同一であっても異なっていてもよく、それぞれ二価または三価または四価の芳香族基または複素芳香族基であり、単環でも多環でもよい、
Ar10は、同一であっても異なっていてもよく、それぞれ二価または三価の芳香族基または複素芳香族基であり、単環でも多環でもよい、
Ar11は、同一であっても異なっていてもよく、それぞれ二価の芳香族基または複素芳香族基であり、単環でも多環でもよく、
Xは、同一であっても異なっていてもよく、それぞれ酸素、硫黄、または水素原子と、もう一つの基として1〜20個の炭素原子をもつ基、好ましくは分岐していてもよいアルキルまたはアルコキシ基、またはアリール基をもつアミノ基であり、
Rは、同一であっても異なっていてもよく、水素、アルキル基または芳香族基であり、
nとmは、それぞれ10以上の整数、好ましくは100以上の整数である。
Where
Ar may be the same or different and each is a tetravalent aromatic group or a heteroaromatic group, which may be monocyclic or polycyclic,
Ar 1 may be the same or different and each is a divalent aromatic group or heteroaromatic group, which may be monocyclic or polycyclic,
AR 2 may be the same or different and each is a divalent or trivalent aromatic group or heteroaromatic group, which may be monocyclic or polycyclic,
Ar 3 may be the same or different and each is a trivalent aromatic group or a heteroaromatic group, which may be monocyclic or polycyclic,
Ar 4 may be the same or different and each is a trivalent aromatic group or a heteroaromatic group, which may be monocyclic or polycyclic,
Ar 5 may be the same or different and each is a tetravalent aromatic group or a heteroaromatic group, which may be monocyclic or polycyclic,
Ar 6 may be the same or different and each is a divalent aromatic group or a heteroaromatic group, which may be monocyclic or polycyclic,
Ar 7 may be the same or different and each is a divalent aromatic group or heteroaromatic group, which may be monocyclic or polycyclic,
Ar 8 may be the same or different and each is a trivalent aromatic group or a heteroaromatic group, which may be monocyclic or polycyclic,
Ar 9 may be the same or different and each is a divalent, trivalent or tetravalent aromatic group or heteroaromatic group, which may be monocyclic or polycyclic,
Ar 10 may be the same or different and each is a divalent or trivalent aromatic group or heteroaromatic group, which may be monocyclic or polycyclic,
Ar 11 may be the same or different and each is a divalent aromatic group or heteroaromatic group, which may be monocyclic or polycyclic,
X may be the same or different, each having an oxygen, sulfur or hydrogen atom and another group having from 1 to 20 carbon atoms, preferably an optionally branched alkyl or An amino group having an alkoxy group or an aryl group,
R may be the same or different and is hydrogen, an alkyl group or an aromatic group;
n and m are each an integer of 10 or more, preferably an integer of 100 or more.
好ましい芳香族または複素芳香族基は、ベンゼンやナフタレン、ビフェニル、ジフェニルエーテル、ジフェニルメタン、ジフェニルジメチルメタン、ビスフェノン、ジフェニルスルホン、キノリン、ピリジン、ビピリジン、ピリダジン、ピリミジン、ピラジン、トリアジン、テトラジン、ピロール、ピラゾール、アントラセン、ベンズピロール、ベンゾトリアゾール、ベンズオキサチアジアソール、ベンゾオキサジアゾール、ベンゾピリジン、ベンゾピラジン、ベンゾピラジジン、ベンゾピリミジン、ベンゾピラジン、ベンゾトリアジン、インドリジン、キノリジン、ピリドピリジン、イミダゾピリミジン、ピラジノピリミジン、カルバゾール、アクリジン、フェナジン、ベンゾキノリン、フェノキサジン、フェノチアジン、アクリジジン、ベンゾプテリジン、フェナントロリン、フェナントレン系のもので、必要なら置換されているものである。 Preferred aromatic or heteroaromatic groups are benzene, naphthalene, biphenyl, diphenyl ether, diphenylmethane, diphenyldimethylmethane, bisphenone, diphenylsulfone, quinoline, pyridine, bipyridine, pyridazine, pyrimidine, pyrazine, triazine, tetrazine, pyrrole, pyrazole, anthracene. , Benzpyrrole, benzotriazole, benzoxathiadiazole, benzoxadiazole, benzopyridine, benzopyrazine, benzopyrazidine, benzopyrimidine, benzopyrazine, benzotriazine, indolizine, quinolidine, pyridopyridine, imidazopyrimidine, pyrazinopyrimidine, carbazole , Acridine, phenazine, benzoquinoline, phenoxazine, phenothiazine, acrididine, Nzoputerijin, phenanthroline, those of phenanthrene, are those necessary replaced.
Ar1とAr4、Ar6、Ar7、Ar8、Ar9、Ar10、Ar11の置換パターンは任意である。フェニレンの場合、例えば、Ar1やAr4、Ar6、Ar7、Ar8、Ar9、Ar10、Ar11は、オルト−、メタ−、およびパラフェニレンである。特に好ましいのはベンゼンとビフェニレンに由来する基であり、
これらは必要なら置換されていてもよい。
The substitution pattern of Ar 1 and Ar 4 , Ar 6 , Ar 7 , Ar 8 , Ar 9 , Ar 10 , Ar 11 is arbitrary. In the case of phenylene, for example, Ar 1 , Ar 4 , Ar 6 , Ar 7 , Ar 8 , Ar 9 , Ar 10 , Ar 11 are ortho-, meta-, and paraphenylene. Particularly preferred are groups derived from benzene and biphenylene,
These may be substituted if necessary.
好ましいアルキル基は、1〜4個の炭素原子をもつ短分子鎖アルキル基であり、例えばメチルやエチル、n−またはi−プロピル、t−ブチル基である。 Preferred alkyl groups are short-chain alkyl groups having 1 to 4 carbon atoms, such as methyl, ethyl, n- or i-propyl, t-butyl groups.
好ましい芳香族基は、フェニル基またはナフチル基である。これらのアルキル基や芳香族基は置換されていてもよい。 A preferred aromatic group is a phenyl group or a naphthyl group. These alkyl groups and aromatic groups may be substituted.
好ましい置換基は、フッ素などのハロゲン原子、アミノ基、ヒドロキシ基またはメチル基やエチル基などの短分子鎖アルキル基である。 Preferred substituents are halogen atoms such as fluorine, amino groups, hydroxy groups, or short-chain alkyl groups such as methyl groups and ethyl groups.
好ましいのは、式(I)の繰返し単位もつポリアゾールで、一つの繰返し単位中のX基が同一であるものである。 Preference is given to polyazoles having repeating units of the formula (I) in which the X groups in one repeating unit are identical.
これらのポリアゾールは、原理的には、例えばX基が異なっている異なる繰返し単位をもつこともできる。しかしながら、好ましくは一つの繰返し単位中には単一のX基をもつことが好ましい。 These polyazoles can in principle also have different repeating units with different X groups, for example. However, it is preferable to have a single X group in one repeating unit.
他の好ましいポリアゾールポリマーは、ポリイミダゾールやポリベンゾチアゾール、ポリベンズオキサゾール、ポリオキサジアゾール、ポリキノキサリン、ポリチアジアゾール、ポリ(ピリジン)、ポリ(ピリミジン)、ポリ(テトラアザピレン)である。
本発明の他の実施様態においては、この繰り返しアゾール単位をもつポリマーが、式(I)から(XIV)の少なくとも2つの相互に異なる単位をもつコポリマーまたはブレンドである。これらのポリマーは、ブロックコポリマー(ジブロック、トリブロック)の形であっても、ランダムコポリマー、周期コポリマー及び/又は交互ポリマーの形であってもよい。
Other preferred polyazole polymers are polyimidazole, polybenzothiazole, polybenzoxazole, polyoxadiazole, polyquinoxaline, polythiadiazole, poly (pyridine), poly (pyrimidine), poly (tetraazapyrene).
In another embodiment of the invention, the polymer having repeating azole units is a copolymer or blend having at least two mutually different units of formulas (I) to (XIV). These polymers may be in the form of block copolymers (diblocks, triblocks), random copolymers, periodic copolymers and / or alternating polymers.
本発明の特に好ましい実施様態においては、繰り返しアゾール単位をもつポリマーが、式(I)及び/又は(II)の単位のみをもつポリアゾールである。 In a particularly preferred embodiment of the invention, the polymer having repeating azole units is a polyazole having only units of the formula (I) and / or (II).
ポリマー中の繰返しアゾール単位の数は、好ましくは10以上の整数である。特に好ましいポリマーは、少なくとも100個の繰返しアゾール単位を含む。 The number of repeating azole units in the polymer is preferably an integer of 10 or more. Particularly preferred polymers contain at least 100 repeating azole units.
本発明では、繰返しベンズイミダゾール単位をもつポリマーが好ましい。繰返しベンズイミダゾール単位を含む極めて好適なポリマーのいくつかの例を以下の式に示す。
In the present invention, a polymer having a repeating benzimidazole unit is preferred. Some examples of highly suitable polymers containing repeating benzimidazole units are shown in the following formula.
最後の式中で、アゾール単位と二種のフッ素化成分は、どのような配列で相互に結合していてもよい。ポリマー、ランダムコポリマーまたはブロックコポリマーとして製造できる。 In the last formula, the azole unit and the two fluorinated components may be bonded to each other in any arrangement. It can be produced as a polymer, random copolymer or block copolymer.
また、上記の式中のnとmは、それぞれ独立して10以上の整数であり、好ましくは100以上の整数である。 N and m in the above formula are each independently an integer of 10 or more, preferably an integer of 100 or more.
本発明の方法は、原理的には、分子量とは無関係にポリアゾールの全てに当てはまる。しかしながら、この方法が、他のいずれの方法でも入手できない高分子量ポリアゾールの安定化に特に有用であることが分った。高分子量ポリアゾール、特に高分子量ポリベンズイミダゾールの極限粘度として測定された高分子量は少なくとも18dl/gである、好ましくは少なくとも2.0dl/g、特に好ましくは少なくとも2.5dl/gであることが知られている。この上限は、好ましくは8.0dl/g以下であり、より好ましくは6.8dl/g以下、特に好ましくは6.5dl/g以下である。したがって、分子量は市販のポリベンズイミダゾール(IV<1.1dl/g)よりずっと大きい。 The method of the invention applies in principle to all polyazoles, irrespective of the molecular weight. However, this method has been found to be particularly useful for stabilizing high molecular weight polyazoles not available by any other method. It is known that the high molecular weight measured as the intrinsic viscosity of high molecular weight polyazoles, especially high molecular weight polybenzimidazoles, is at least 18 dl / g, preferably at least 2.0 dl / g, particularly preferably at least 2.5 dl / g. It has been. This upper limit is preferably 8.0 dl / g or less, more preferably 6.8 dl / g or less, and particularly preferably 6.5 dl / g or less. Thus, the molecular weight is much higher than commercial polybenzimidazole (IV <1.1 dl / g).
極限粘度は次のようにして測定される:このために、ポリマーをまず160℃で2時間乾燥させる。100mgのこの乾燥ポリマーを次いで、100mLの濃硫酸(少なくとも96重量%)に80℃で4時間かけて溶解する。固有粘度または極限粘度は、ウベローデ粘度計を使用し25℃の温度でISO3105(DIN51562、ASTM−D2515)に準じてこの溶液から決められる。 The intrinsic viscosity is measured as follows: For this, the polymer is first dried at 160 ° C. for 2 hours. 100 mg of this dry polymer is then dissolved in 100 mL of concentrated sulfuric acid (at least 96% by weight) at 80 ° C. for 4 hours. The intrinsic viscosity or intrinsic viscosity is determined from this solution according to ISO 3105 (DIN 51562, ASTM-D2515) at a temperature of 25 ° C. using an Ubbelohde viscometer.
工程A)の混合物がまたトリカルボン酸またはテトラカルボン酸を含む場合、これにより、主鎖の沿って形成されるポリマーの分岐/架橋が起こる。これにより機械的性質が改善される。 If the mixture of step A) also contains a tricarboxylic acid or a tetracarboxylic acid, this results in branching / crosslinking of the polymer formed along the main chain. This improves the mechanical properties.
本方法の一つの実施様態では、工程A)からの混合物を最高で350℃の温度へ、好ましくは最高で280℃の温度へ加熱するだけで、オリゴマー及び/又はポリマーを形成することが可能である。選択された温度と時間によっては、次いで工程C)における加熱を部分的にあるいは完全に除くことができる。この実施様態もまた、工程a)に必要な、好ましくは高分子量のポリアゾールを含むフィルムの製造に好適である。 In one embodiment of the method, it is possible to form oligomers and / or polymers simply by heating the mixture from step A) to a temperature of up to 350 ° C., preferably to a temperature of up to 280 ° C. is there. Depending on the temperature and time selected, the heating in step C) can then be partly or completely eliminated. This embodiment is also suitable for the production of films that are necessary for step a), preferably containing high molecular weight polyazoles.
また、芳香族ジカルボン酸(あるいは複素芳香族ジカルボン酸)を使用する場合、例えばイソフタル酸やテレフタル酸、2,5−ジヒドロキシテレフタル酸、4,6−ジヒドロキシイソフタル酸、2,6−ジヒドロキシイソフタル酸、ジフェン酸、1,8−ジヒドロキシナフタレン−3,6−ジカルボン酸、ジフェニルエーテル4,4’−ジカルボン酸、ベンゾフェノン−4,4’−ジカルボン酸、ジフェニルスルホン4,4’−ジカルボン酸、ビフェニル−4,4’−ジカルボン酸、4−トリフルオロメチルフタル酸、ピリジン−2,5−ジカルボン酸、ピリジン−3,5−ジカルボン酸、ピリジン−2,6−ジカルボン酸、ピリジン−2,4−ジカルボン酸、4−フェニル−2,5−ピリジンジカルボン酸、3,5−ピラゾールジカルボン酸、2,6−ピリミジンジカルボン酸、2,5−ピラジンジカルボン酸を使用する場合、−またはオリゴマー及び/又はポリマーが早くも工程A)で形成されることが望ましいなら−工程C)での好適な温度は、最高で300℃の範囲であり、好ましくは100℃〜250℃の範囲であることが明らかとなった。 When using an aromatic dicarboxylic acid (or heteroaromatic dicarboxylic acid), for example, isophthalic acid, terephthalic acid, 2,5-dihydroxyterephthalic acid, 4,6-dihydroxyisophthalic acid, 2,6-dihydroxyisophthalic acid, Diphenic acid, 1,8-dihydroxynaphthalene-3,6-dicarboxylic acid, diphenyl ether 4,4′-dicarboxylic acid, benzophenone-4,4′-dicarboxylic acid, diphenylsulfone 4,4′-dicarboxylic acid, biphenyl-4, 4′-dicarboxylic acid, 4-trifluoromethylphthalic acid, pyridine-2,5-dicarboxylic acid, pyridine-3,5-dicarboxylic acid, pyridine-2,6-dicarboxylic acid, pyridine-2,4-dicarboxylic acid, 4-Phenyl-2,5-pyridinedicarboxylic acid, 3,5-pyrazole dicarbo When using acid, 2,6-pyrimidine dicarboxylic acid, 2,5-pyrazine dicarboxylic acid-or if it is desired that the oligomer and / or polymer be formed as early as in step A)-suitable in step C) It has been found that the maximum temperature is in the range of up to 300 ° C, preferably in the range of 100 ° C to 250 ° C.
工程C)で得られるポリマー層を、いろいろな方法で処理して、工程b)に求められるフィルムを製造することができる。 The polymer layer obtained in step C) can be processed in various ways to produce the film required for step b).
ある実施様態(実施様態A)では、存在するポリリン酸またはリン酸は、他の加工に悪影響を及ぼさないため、膜中に残留させられる。この場合、工程C)で生産されるポリマー層は、湿気の存在下で、この層が目的の最終用途向けに十分な強度を持つのに充分な温度と時間で処理される。この処理は、膜が自己支持性となり、破損することなく支持体から剥離できる(工程E)ようになるまで行うことができる。工程D)とE)も、同時にまたは直後に引き続いて実施できる。また、工程D)とE)を、工程b)とc)、また必要なら工程d)の処理と組み合わせることができる。例えば、工程D)での加水分解は、工程C)で形成される高分子膜を(i)少なくとも一種の強酸と(ii)少なくとも一種の安定化剤とを含む溶液で処理して実施することができる(なお、溶液中の安定化剤の総量は0.01〜30重量%の範囲である)。工程c)での安定化反応を、熱的な乾燥または存在する酸の濃縮と組み合わせて実施することができる。 In one embodiment (embodiment A), the polyphosphoric acid or phosphoric acid present is left in the film because it does not adversely affect other processing. In this case, the polymer layer produced in step C) is treated in the presence of moisture at a temperature and time sufficient to allow the layer to have sufficient strength for the intended end use. This treatment can be performed until the membrane becomes self-supporting and can be peeled from the support without being damaged (step E). Steps D) and E) can also be carried out simultaneously or subsequently. Also, Steps D) and E) can be combined with Steps b) and c) and, if necessary, Step d). For example, the hydrolysis in step D) is performed by treating the polymer film formed in step C) with a solution containing (i) at least one strong acid and (ii) at least one stabilizer. (Note that the total amount of stabilizer in the solution is in the range of 0.01 to 30% by weight). The stabilization reaction in step c) can be carried out in combination with thermal drying or concentration of the acid present.
この高分子膜は、工程D)において、0℃より高く150℃より低い温度で、好ましくは10℃〜120℃の温度、特に室温(20℃)〜90℃の温度で、湿気または水及び/又は水蒸気及び/又は最高で85%の含水リン酸の存在下で処理される。この処理は標準圧力下で行うのが好ましいが、加圧下で行ってもよい。この処理が十分な湿気の存在下で行われ、その結果として存在するポリリン酸が低分子量ポリリン酸及び/又はリン酸へ部分加水分解して膜を強化することが必須である。この加水分解工程の結果としてゾルーゲル転移が起こり、これがその膜に特定の形をもたらすことが分っている。 This polymer membrane is in step D) at a temperature above 0 ° C. and below 150 ° C., preferably at a temperature between 10 ° C. and 120 ° C., in particular at a temperature between room temperature (20 ° C.) and 90 ° C. Alternatively, it is treated in the presence of steam and / or up to 85% hydrous phosphoric acid. This treatment is preferably performed under standard pressure, but may be performed under pressure. It is essential that this treatment be carried out in the presence of sufficient moisture and that the resulting polyphosphoric acid is partially hydrolyzed to low molecular weight polyphosphoric acid and / or phosphoric acid to strengthen the membrane. It has been found that a sol-gel transition occurs as a result of this hydrolysis step, which gives the membrane a specific shape.
工程D)でのポリリン酸の部分的加水分解は高分子膜を強化させ、このため膜が自己支持性となり、また層厚が減少する。 Partial hydrolysis of polyphosphoric acid in step D) strengthens the polymer membrane, which makes the membrane self-supporting and reduces the layer thickness.
工程B)のポリリン酸層中に存在する分子内及び分子間構造は、工程C)において規則的な膜成形を引き起こし、このため形成される高分子膜の性能が改善される。 The intramolecular and intermolecular structures present in the polyphosphate layer of step B) cause regular film formation in step C), thus improving the performance of the polymer film formed.
工程D)の処理の上限温度は一般的に180℃である。湿気を、例えば極めて過熱された水蒸気をごく短時間作用させる場合、この蒸気はさらに高温であってもよい。上限温度に必須の因子は、その処理時間である。 The upper limit temperature of the process D) is generally 180 ° C. If the moisture is allowed to act for a very short time, for example with very superheated water vapor, the steam may be even hotter. An essential factor for the upper limit temperature is the processing time.
この部分的加水分解(工程D)を、特定の湿気作用で加水分解が制御された環境制御槽中で実施することもできる。この場合、接触する環境の、例えば空気、窒素、二酸化炭素などのガスや水蒸気の温度あるいは飽和度により、湿度を制御された状態で調整することができる。処理時間は、上に選択した変数に依存する。 This partial hydrolysis (step D) can also be carried out in an environmentally controlled tank in which the hydrolysis is controlled by specific moisture action. In this case, the humidity can be adjusted in a controlled state by the temperature or saturation of the gas or water vapor such as air, nitrogen, carbon dioxide or the like in the environment in contact. The processing time depends on the variables selected above.
この処理時間は膜厚にも依存する。 This processing time also depends on the film thickness.
一般に、この処理時間は、例えば過熱スチームでの処置では数秒〜数分間であるが、例えば室温で低相対空気湿度下では丸一日となることがある。この処理時間は好ましくは10秒間〜300時間であり、特に1分〜200時間である。 In general, the treatment time is, for example, several seconds to several minutes in the treatment with superheated steam, but may be a full day at, for example, room temperature and low relative air humidity. This treatment time is preferably 10 seconds to 300 hours, in particular 1 minute to 200 hours.
相対空気湿度が40〜80%の周囲空気で室温(20℃)で湿気処理を行う場合、その処理時間は好ましくは1〜200時間である。 When the moisture treatment is performed at room temperature (20 ° C.) with ambient air having a relative air humidity of 40 to 80%, the treatment time is preferably 1 to 200 hours.
工程D)で得られる高分子膜は、工程E)で破損することなく支持体から剥離できるように自己支持性とさせ、次いで、必要なら他の加工を直接行うことが好ましい。 The polymer membrane obtained in step D) is preferably self-supporting so that it can be peeled off from the support without being damaged in step E), and then, if necessary, other processing is preferably performed directly.
工程C)で得られるポリマー膜が支持体上で加工して、例えば複合膜とする場合には、工程D)を完全にまたは部分的に除くことができる。 If the polymer membrane obtained in step C) is processed on a support, for example as a composite membrane, step D) can be completely or partially removed.
工程C)の後に存在するポリリン酸またはリン酸が膜中に残存する(実施様態A)なら、工程b)でのフィルムの処理を、工程D)と同様に加水分解浴中で行うことができる。この場合、膜中に存在するポリリン酸またはリン酸は、(i)少なくとも一種の強酸と(ii) If the polyphosphoric acid or phosphoric acid present after step C) remains in the membrane (embodiment A), the treatment of the film in step b) can be carried out in a hydrolysis bath as in step D). . In this case, the polyphosphoric acid or phosphoric acid present in the film comprises (i) at least one strong acid and (ii)
少なくとも一種の安定化剤とを含む溶液で完全にあるいは少なくとも部分的に置換される。工程c)での安定化反応は、その加水分解浴中で行っても、またはその後で行っても、好ましくは直ちにその後で行ってもよい。膜の安定性によっては、加水分解浴中での処理を支持体上で行ってもよく、あるいは必要なら工程E)を除くか前に持ってくることができるように、この支持体を前もって除いてもよい。 Completely or at least partially substituted with a solution containing at least one stabilizer. The stabilization reaction in step c) may be carried out in the hydrolysis bath or afterwards, preferably immediately afterwards. Depending on the stability of the membrane, the treatment in the hydrolysis bath may be carried out on the support or, if necessary, this support can be removed in advance so that step E) can be omitted or brought forward. May be.
この実施様態も、本発明の対象の一部を構成する。 This embodiment also forms part of the subject of the present invention.
他の実施様態(実施様態B)では、存在するポリリン酸またはリン酸がこの膜から除かれる。このために、工程C)で得られたポリマー層が、湿気の存在下で他の取扱いに充分な強度をもつ層を形成するのに充分な温度と時間処理される。したがって、工程D)の加水分解と工程E)の取り外しも同時に実施することができる。この加水分解の簡単化は、存在するポリリン酸またはリン酸を完全に削除する必要があり、強酸を含むフレッシュな溶液が後ほど工程b)で供給されるため工程b)での処理に存在する必要がない時に可能である。 In another embodiment (embodiment B), the existing polyphosphoric acid or phosphoric acid is removed from the membrane. For this, the polymer layer obtained in step C) is treated at a temperature and time sufficient to form a layer with sufficient strength for other handling in the presence of moisture. Accordingly, hydrolysis in step D) and removal in step E) can be carried out simultaneously. This simplification of hydrolysis needs to be present in the treatment in step b) because the existing polyphosphoric acid or phosphoric acid needs to be completely removed and a fresh solution containing a strong acid is supplied later in step b). It is possible when there is no.
工程F)で高分子膜中に残存するポリリン酸またはリン酸を除く必要がある場合、これを、室温(20℃)から処理液体の沸点(標準圧力)の温度範囲内の処理液体で実施できる。 When it is necessary to remove the polyphosphoric acid or phosphoric acid remaining in the polymer film in step F), this can be carried out with a processing liquid within the temperature range from room temperature (20 ° C.) to the boiling point (standard pressure) of the processing liquid. .
本発明で使用されるこの処理液体は、アルコールとケトン、アルカン(脂肪族及び脂環式)、エーテル(脂肪族及び脂環式)、グリコール、エステル、カルボン酸(上記の群の化合物はハロゲン化されていてもよい)からなる群から選ばれる室温で(即ち20℃で)液状の溶媒、水、およびこれらの混合物である。 This treatment liquid used in the present invention comprises alcohols and ketones, alkanes (aliphatic and alicyclic), ethers (aliphatic and alicyclic), glycols, esters, carboxylic acids (the above group of compounds are halogenated). A solvent that is liquid at room temperature (ie, at 20 ° C.) selected from the group consisting of:
C1−C10−アルコールや、C2−C5−ケトン、C1−C10−アルカン(脂肪族及び脂環式)、C2−C6−エーテル(脂肪族及び脂環式)、C2−C5−エステル類、C1−C3−カルボン酸、ジクロロメタン、水、これらの混合物の使用が好ましい。 C 1 -C 10 -alcohol, C 2 -C 5 -ketone, C 1 -C 10 -alkane (aliphatic and alicyclic), C 2 -C 6 -ether (aliphatic and alicyclic), C Preference is given to using 2- C 5 -esters, C 1 -C 3 -carboxylic acids, dichloromethane, water, and mixtures thereof.
次いで工程F)で投入された処理液体がもう一度除かれる。これは、乾燥で行うことが好ましく、その場合、温度と周囲圧力の値は、処理液体の蒸気分圧の関数として選ばれる。通常、乾燥は標準圧力で温度が20℃〜200℃で行われる。減圧下でより穏やかに乾燥をすることもできる。乾燥に代えて、膜を軽くたたいて乾燥させ、過剰の処理液体を除くこともできる。この順序は重要ではない。 Then the process liquid introduced in step F) is removed once more. This is preferably done by drying, in which case the temperature and ambient pressure values are chosen as a function of the vapor partial pressure of the treatment liquid. Usually, drying is performed at a standard pressure and a temperature of 20 ° C to 200 ° C. It is also possible to dry more gently under reduced pressure. Instead of drying, the membrane can be tapped and dried to remove excess processing liquid. This order is not important.
ポリアゾール含有フィルムも、上記の方法を一部変更して製造できる。この場合、以下の工程で行われる:
i)一種以上の芳香族のテトラアミノ化合物を、温度が最高で350℃、好ましくは最高で300℃の溶融状の、カルボン酸モノマー当り少なくとも2個の酸基をもつ、一種以上の芳香族のカルボン酸またはそのエステルにあるいは一種以上の芳香族及び/又は複素芳香族ジアミノカルボン酸に反応させる工程と、
ii)工程i)で得られる固体プレポリマーをポリリン酸中に溶解する工程と、
iii)工程ii)で得られる溶液を不活性ガス下で最高で300℃、好ましくは最高で280℃の温度に過熱して溶解したポリアゾールポリマーを形成する工程と、
iv)工程iii)のポリアゾールポリマーの溶液を用いて支持体上に膜を形成する工程と、
v)工程iv)で形成した膜を自己支持性となるまで処理する工程。
A polyazole-containing film can also be produced by partially changing the above method. In this case, the following steps are performed:
i) one or more aromatic tetraamino compounds in the form of one or more aromatics having at least two acid groups per carboxylic acid monomer in a molten state at a temperature of at most 350 ° C., preferably at most 300 ° C. Reacting with a carboxylic acid or ester thereof or with one or more aromatic and / or heteroaromatic diaminocarboxylic acids;
ii) dissolving the solid prepolymer obtained in step i) in polyphosphoric acid;
iii) heating the solution obtained in step ii) to a temperature of up to 300 ° C., preferably up to 280 ° C. under an inert gas to form a dissolved polyazole polymer;
iv) forming a membrane on the support using the solution of the polyazole polymer of step iii);
v) A step of treating the film formed in step iv) until it becomes self-supporting.
上の実施様態に加えて、この成形を以下の工程で行うこともできる:
I)ポリマー、特にポリアゾールをポリリン酸中に溶解する工程と、
II)工程I)で得られる溶液を不活性ガス下で最高で400℃の温度に加熱する工程と、
III)工程II)のポリマー溶液を用いて支持体上に膜を形成する工程と、
IV)工程III)で形成した膜を自己支持性となるまで処理する工程。
In addition to the above embodiments, this shaping can also be performed by the following steps:
I) dissolving a polymer, in particular polyazole, in polyphosphoric acid;
II) heating the solution obtained in step I) to a temperature of up to 400 ° C. under inert gas;
III) forming a membrane on a support using the polymer solution of step II);
IV) A step of treating the film formed in step III) until it becomes self-supporting.
両方の実施様態において、工程v)またはIV)の後に工程E)とF)が続くが、これらの工程には、実施様態A)とB)の両方も可能である。 In both embodiments, steps v) or IV) are followed by steps E) and F), which can be both embodiments A) and B).
工程A)とB)とC)とD)での、原料とプロセスパラメーターの好ましい実施様態はすでに述べたが、これらはこの実施様態についても当てはまる。 Although preferred embodiments of the raw materials and process parameters in steps A), B), C) and D) have already been described, these also apply to this embodiment.
さらに特に好ましい実施様態では、本発明の方法は以下の工程からなる:
A’)少なくとも一種の、繰返し単位中に少なくとも一個のアミノ基をもつポリアゾールの正リン酸及び/又はポリリン酸中の溶液または分散液を製造する工程と、
B’)工程A1)からの溶液または分散液を、(i)少なくとも一種の強酸と(ii)少なくとも一種の安定化剤とを含む溶液と混合する工程(溶液中の安定化剤の総量は0.01〜30重量%の範囲である)と、
C’)25℃を超える温度に加熱して、直接及び/又は下流の加工工程で、
工程B1)で得られる溶液中のまたは分散液中で安定化反応を行う工程と、
D’)必要なら、少なくとも一種の高官能価ポリエーテルを安定化剤として用いて、工程C)で得られるポリマーを強酸でドーピングする、あるいは存在する水を除いて存在する強酸を濃縮する工程。
In a further particularly preferred embodiment, the process according to the invention consists of the following steps:
A ′) producing a solution or dispersion of at least one polyazole having at least one amino group in the repeating unit in orthophosphoric acid and / or polyphosphoric acid;
B ′) mixing the solution or dispersion from step A1) with a solution comprising (i) at least one strong acid and (ii) at least one stabilizer (the total amount of stabilizer in the solution is 0 0.01 to 30% by weight),
C ′) heated to a temperature above 25 ° C. directly and / or in downstream processing steps,
Performing a stabilization reaction in the solution obtained in step B1) or in a dispersion;
D ′) If necessary, doping the polymer obtained in step C) with a strong acid using at least one high functionality polyether as stabilizer, or concentrating the strong acid present except for the water present.
本発明のこの実施様態においても、上述の好ましいポリアゾールの使用が特に有利である。 Also in this embodiment of the invention, the use of the preferred polyazoles mentioned above is particularly advantageous.
この溶液または分散液は、工程A’)で単にこれらの成分を混合して製造できる。あるいは、低P2O5濃度の組成物中のH3PO4及び/又はポリリン酸を濃縮させたり、または比較的に高いP2O5濃度を持つ組成物を希釈する、即ち水を除去または供給することも考えられる。 This solution or dispersion can be prepared by simply mixing these components in step A ′). Alternatively, concentrate H 3 PO 4 and / or polyphosphoric acid in a composition with a low P 2 O 5 concentration, or dilute a composition with a relatively high P 2 O 5 concentration, ie remove water or Supply is also possible.
しかしながらこの点で、いくつかの場合には、特に低温及び/又は高固体含量の場合には、ポリアゾールの正リン酸及び/又はポリリン酸中の溶解または分散が速度論的に阻害されることに留意すべきである。その場合、この組成物はまだ不均一な形で存在する。100℃を超える高温では、この組成物からさらに水が気化し、H3PO4及び/又はポリリン酸の濃度が時間と共に変化する。 In this regard, however, in some cases, especially at low temperatures and / or high solids content, the dissolution or dispersion of polyazoles in normal phosphoric acid and / or polyphosphoric acid is kinetically inhibited. It should be noted. In that case, the composition is still present in a heterogeneous form. At high temperatures above 100 ° C., more water is vaporized from the composition and the concentration of H 3 PO 4 and / or polyphosphoric acid changes over time.
したがって、この溶液または分散液は、工程A’)中で適宜、次の方法で製造される。
a’)少なくとも一種のポリアゾールを、正リン酸及び/又はポリリン酸に溶解及び/又は分散する(なお、H3PO4及び/又はポリリン酸及び/又は水の総量に対するP2O5として計算したH3PO4及び/又はポリリン酸の濃度は、72.0%未満に、好ましくは71.7%未満、より好ましくは?%、さらに好ましくは71.0%未満、特に70.5%未満に選ばれる)、また
b’)工程a’)からの溶液または分散液から水を除く(H3PO4及び/又はポリリン酸及び/又は水の総量に対するP2O5として計算されたH3PO4及び/又はポリリン酸の濃度を、好ましくは少なくとも0.1%、より好ましくは少なくとも0.5%、特に好ましくは少なくとも1.0%、特に少なくとも1.5%にまで増加させる)。
Therefore, this solution or dispersion is appropriately produced by the following method in step A ′).
a ′) At least one polyazole is dissolved and / or dispersed in orthophosphoric acid and / or polyphosphoric acid (note that calculated as P 2 O 5 relative to the total amount of H 3 PO 4 and / or polyphosphoric acid and / or water) The concentration of H 3 PO 4 and / or polyphosphoric acid is less than 72.0%, preferably less than 71.7%, more preferably?%, Even more preferably less than 71.0%, in particular less than 70.5%. Selected), also
b ') step a') excluding water from the solution or dispersion from (H 3 PO 4 and / or polyphosphoric acid and / or H 3 PO 4 and / or polyphosphoric calculated as P 2 O 5 to the total amount of water The acid concentration is preferably increased to at least 0.1%, more preferably at least 0.5%, particularly preferably at least 1.0%, in particular at least 1.5%).
工程a’)からの溶液または分散液は、一般的には公知の方法で、例えば成分の混合で製造できる。他の製造方法がWO02/08829に記載されている。 The solution or dispersion from step a ') can generally be prepared by known methods, for example by mixing the components. Other manufacturing methods are described in WO 02/08829.
少なくとも一種のポリアゾールとポリリン酸を含む溶液または分散液を加水分解して工程a’)からの溶液または分散液を得ることがより好ましい。このような溶液または分散液は、上記のモノマーをポリリン酸中で重合して製造できる。 More preferably, a solution or dispersion comprising at least one polyazole and polyphosphoric acid is hydrolyzed to obtain the solution or dispersion from step a '). Such a solution or dispersion can be produced by polymerizing the above monomers in polyphosphoric acid.
工程a’)からの溶液または分散液は、その総重量に対して、好ましくは少なくとも1.8重量%の量で、より好ましくは少なくとも2.0重量%、特に2.2〜2.5重量%の範囲の量で、少なくとも一種の少なくとも96重量%の硫酸中で測定された極限粘度が3.0〜8g/dLの範囲にあるポリアゾールを含んでいる。正リン酸と水と必要ならリン酸の量は、好ましくは最大で98.2重量%であり、より好ましくは90.0〜98.0重量%の範囲、特に95.0〜97.8重量%の範囲である。 The solution or dispersion from step a ′) is preferably in an amount of at least 1.8% by weight, more preferably at least 2.0% by weight, in particular 2.2 to 2.5% by weight, based on its total weight. % Of polyazoles having an intrinsic viscosity in the range of 3.0-8 g / dL measured in at least one 96% by weight sulfuric acid in an amount in the range of%. The amount of normal phosphoric acid, water and, if necessary, phosphoric acid is preferably at most 98.2% by weight, more preferably in the range of 90.0-98.0% by weight, in particular 95.0-97.8% by weight. % Range.
工程b’)で、水を好ましくは気化させて、特に工程a’)からの組成物を100℃を超える温度にまで加熱して及び/又は減圧して気化させて除くことが好ましい。工程a’)からの組成物を少なくとも約1時間で長くても48時間の範囲の期間、特に少なくとも2時間から長くても24時間の期間、温度が120℃より高く240℃までの範囲に、特に120℃〜160℃の範囲に加熱する方法が特に好ましい。 In step b '), it is preferred that the water is preferably vaporized, in particular the composition from step a') is heated to a temperature in excess of 100 ° C and / or reduced in vacuo to be vaporized off. The composition from step a ′) for at least about 1 hour at most 48 hours, in particular at least 2 hours to at most 24 hours, at a temperature between 120 ° C. and 240 ° C. A method of heating in the range of 120 ° C. to 160 ° C. is particularly preferable.
他の本発明の好ましい実施様態においては、この組成物が、
I’)まず、少なくとも96重量%の硫酸中で測定された極限粘度が3.0〜8.0g/dLの範囲であるポリアゾールのポリリン酸中の溶液または分散液で、温度が160℃を超える、好ましくは180℃を越え、特に180℃〜240℃の範囲にあるものを投入し(その際、H3PO4及び/又はポリリン酸及び/又は水の総量に対してP2O5(酸滴定法による)として計算されるH3PO4及び/又はポリリン酸の濃度は、72.4%より大きく、好ましくは73.0%、より好ましくは74.0%、さらに好ましくは75.0%、特に75.45%より大きい)、
II’)混合物中のH3PO4及び/又はポリリン酸及び/又は水の総量に対してP2O5(酸滴定法による)として計算されたH3PO4及び/又はポリリン酸の総量が70.5〜75.45%の範囲となるまで、好ましくは71.0〜75.0%範囲、より好ましくは71.5〜74.0%の範囲、さらに好ましくは71.7〜73.0%の範囲、特に72.0〜72.4%の範囲となるまで、この溶液または分散液に正リン酸及び/又はポリリン酸を添加し、
III’)H3PO4及び/又はポリリン酸の総量を工程II’)で規定した範囲内に維持しながら均一化して、製造される。
In another preferred embodiment of the invention, the composition comprises
I ′) First, a solution or dispersion of polyazole in polyphosphoric acid having an intrinsic viscosity measured in at least 96% by weight sulfuric acid in the range of 3.0 to 8.0 g / dL, the temperature exceeding 160 ° C. , Preferably over 180 ° C., in particular in the range of 180 ° C. to 240 ° C. (in this case P 2 O 5 (acids relative to the total amount of H 3 PO 4 and / or polyphosphoric acid and / or water) The concentration of H 3 PO 4 and / or polyphosphoric acid calculated as by titration method is greater than 72.4%, preferably 73.0%, more preferably 74.0%, even more preferably 75.0% , Especially greater than 75.45%)
II ′) The total amount of H 3 PO 4 and / or polyphosphoric acid calculated as P 2 O 5 (according to acid titration method) relative to the total amount of H 3 PO 4 and / or polyphosphoric acid and / or water in the mixture Preferably it is in the range of 71.0-75.0%, more preferably in the range of 71.5-74.0%, still more preferably in the range of 71.7-73.0, until it is in the range of 70.5-75.45%. % Orthophosphoric acid and / or polyphosphoric acid is added to this solution or dispersion until it is in the range of%, especially 72.0-72.4%,
III ′) Produced by homogenization while maintaining the total amount of H 3 PO 4 and / or polyphosphoric acid within the range defined in step II ′).
工程I’)からの溶液または分散液は、一般的には公知の方法で、例えば成分の混合で得ることができる。他の製造方法がWO02/08829に記載されている。 The solution or dispersion from step I ') can generally be obtained in a known manner, for example by mixing the components. Other manufacturing methods are described in WO 02/08829.
工程I’)からの溶液または分散液は、上記モノマーをポリリン酸中で重合して得ることがより好ましい。 More preferably, the solution or dispersion from step I ') is obtained by polymerizing the above monomers in polyphosphoric acid.
工程I’)からの溶液または分散液は、その総重量に対して
−好ましくは少なくとも1.8重量%の、より好ましくは少なくとも2.0重量%、特に2.2〜2.5重量%の範囲の少なくとも一種の、少なくとも96重量%の硫酸中で測定された極限粘度が3.0〜8g/dLの範囲にあるポリアゾールと、
−好ましくは最大で98.2重量%、より好ましくは90.0〜98.0重量%の範囲、特に95.0〜97.8重量%の範囲のポリリン酸と必要なら正リン酸及び/又は水を含む。
The solution or dispersion from step I ′) is based on its total weight—preferably at least 1.8% by weight, more preferably at least 2.0% by weight, in particular 2.2 to 2.5% by weight. At least one of the ranges, a polyazole having an intrinsic viscosity measured in at least 96% by weight sulfuric acid in the range of 3.0-8 g / dL;
-Preferably up to 98.2% by weight, more preferably in the range 90.0 to 98.0% by weight, in particular in the range 95.0 to 97.8% by weight polyphosphoric acid and, if necessary, orthophosphoric acid and / or Contains water.
用いるポリリン酸は、例えばリーデル・デ・ヘーン社から入手可能な市販のポリリン酸であってもよい。このポリリン酸Hn+2PnO3n+1(n>1)の、P2O5(酸滴定法による)として計算される含量は、少なくとも83%であることが好ましい。 The polyphosphoric acid used may be, for example, a commercially available polyphosphoric acid available from Riedel de Haen. The polyphosphoric acid H n + 2 P n O 3n + 1 (n> 1), content is calculated as (by acid titration) P 2 O 5 is preferably at least 83%.
このような組成物を従来法で加水分解すると、標準条件下では加工不能な流動性の低下した組成物が得られる。したがって、工程II’)とIII’)を実施することが好ましい。 When such a composition is hydrolyzed by conventional methods, a composition with reduced fluidity that cannot be processed under standard conditions is obtained. Therefore, it is preferable to carry out steps II ') and III').
工程II’)での添加は、分割して行っても連続的に行ってもよい。 The addition in step II ') may be carried out in portions or continuously.
添加後、この混合物は、その総重量に対して、
−好ましくは少なくとも1.6重量%の、より好ましくは少なくとも1.8重量%、特に2.0〜2.3重量%の範囲の少なくとも一種の、少なくとも96重量%の硫酸中で測定された極限粘度が3.0〜8g/dLの範囲にあるポリアゾールと、
−好ましくは最大で98.4重量%の、好ましくは90.0〜98.2重量%の範囲、特に95.0〜98.0重量%の範囲のポリリン酸と必要なら正リン酸及び/又は水を含む。
After the addition, the mixture is based on its total weight
The limit measured in at least 96% by weight sulfuric acid, preferably at least 1.6% by weight, more preferably at least 1.8% by weight, in particular in the range from 2.0 to 2.3% by weight. A polyazole having a viscosity in the range of 3.0-8 g / dL;
-Preferably up to 98.4% by weight of polyphosphoric acid, preferably in the range of 90.0 to 98.2% by weight, in particular in the range of 95.0 to 98.0% by weight and, if necessary, normal phosphoric acid and / or Contains water.
工程II’)での添加の結果、まず不均一な混合物が形成される。この「不均一」は、系全体の性質の均一性を変化させる、あるいは溶液の外観上の均質性を変化させる光学的性質または物理的性質の変化を意味する。通常、この溶液の均質性の変化は、界面の成形(粘稠物質から液体の分離)として、色の変化(通常緑色から黄色へ)として、あるいは均一な溶液から明確に認められる粒子または固体粒子の分離として現れる。外観がポリアゾールのポリリン酸溶液または分散液と同じなら、この溶液は、均質であると考えられ、差は粘度のみである。 As a result of the addition in step II '), a heterogeneous mixture is first formed. By “non-uniform” is meant a change in optical or physical properties that changes the uniformity of the properties of the entire system, or changes the homogeneity of the appearance of the solution. Usually, the change in homogeneity of this solution is either as an interface shaping (separation of liquid from viscous material), as a color change (usually from green to yellow), or as a particle or solid particle that is clearly seen from a homogeneous solution Appears as a separation. If the appearance is the same as a polyazole solution or dispersion of polyazole, the solution is considered homogeneous and the only difference is the viscosity.
工程III’)での均質化は、閉鎖系で、例えばオートクレーブ中で行うことが好ましい。また、気化する水を凝縮させてこの混合物に還流させることが好ましく、気化する水を好ましくは反応容器に直接連結された少なくとも一本の還流冷却器で凝縮させて還流させることが特に好ましい。 The homogenization in step III ') is preferably carried out in a closed system, for example in an autoclave. Moreover, it is preferable to condense the water to be vaporized and reflux the mixture, and it is particularly preferable to condense and reflux the water to be vaporized, preferably with at least one reflux condenser directly connected to the reaction vessel.
驚くべきことに、この溶液は、一定時間後に、好ましくは4時間未満に、特に2時間以内に均質化する。混合物の溶液粘度が低下し、本発明で使用可能な組成物が形成される。 Surprisingly, the solution is homogenized after a certain time, preferably in less than 4 hours, in particular within 2 hours. The solution viscosity of the mixture decreases, forming a composition that can be used in the present invention.
他の特に好ましい本発明の実施様態においては、正リン酸が工程II’)で添加される。 In another particularly preferred embodiment of the invention, orthophosphoric acid is added in step II ').
工程A’)とB’)とC’)とD’)とからなるプロセスは、酸でドープされたポリアゾール膜の製造にも使用されることが好ましい。このためには、このプロセスは、適宜、i)工程A’)、B’)、C’)またはD’)からのポリアゾール組成物を用いて膜を
支持体上に形成する工程と、
ii)工程i)で形成される膜をそれが自己支持性となるまで処理する工程
を含む。
The process consisting of steps A ′), B ′), C ′) and D ′) is preferably also used for the production of acid-doped polyazole films. To this end, the process optionally comprises i) forming a membrane on the support using the polyazole composition from step A ′), B ′), C ′) or D ′);
ii) treating the film formed in step i) until it is self-supporting.
これらの工程の好ましいプロセスパラメーターは、すでに上に詳述した。これらもまた本発明のこの実施様態に適用される。 Preferred process parameters for these steps have already been detailed above. These also apply to this embodiment of the invention.
他のブレンド成分
上記の好ましくは高分子量であるポリアゾールに加えて、一種以上の好ましくは高分子量のポリアゾールと他のポリマーとのブレンドを使用することもできる。このブレンド成分は実質的に、機械的性質を改善させ材料コストを削減する役割を持っている。好ましいブレンド成分は、ドイツ特許出願No.10052242.4に記載のポリエーテルスルフォンである。
Other blend ingredients
In addition to the above preferably high molecular weight polyazoles, blends of one or more preferably high molecular weight polyazoles with other polymers can also be used. This blend component essentially has the role of improving mechanical properties and reducing material costs. Preferred blending components are described in German patent application no. It is a polyether sulfone described in 10052242.4.
ブレンド成分として使用可能な好ましいポリマーとしては、ポリオレフィン、例えばポリ(クロロプレン)やポリアセチレン、ポリフェニレン、ポリ(p−キシリレン)、ポリアリールメチレン、ポリアルメチレン、ポリスチレン、ポリメチルスチレン、ポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルエーテル、ポリビニルアミン、ポリ(N−ビニルアセトアミド)、ポリビニルイミダゾール、ポリビニルカルバゾール、ポリビニルピロリドン、ポリビニルピリジン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロピレン、PTFEとヘキサフルオロプロピレンやペルフルオロプロピルビニルエーテル、トリフルオロニトロソメタン、スルホニルフルオリドビニルエーテル、カルボアルコキシペルフルオロアルコキシビニルエーテルとのコポリマー、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリビニルフルオリド、ポリフッ化ビニリデン、ポリアクロレイン、ポリアクリルアミド、ポリアクリロニトリル、ポリシアノアクリレート、ポリメタクリルアミド、環状オレフィンコポリマー(特に、ノルボルネンコポリマー);
主鎖中にC−O結合をもつポリマー、例えばポリアセタールやポリオキシメチレン、ポリエーテル、ポリプロピレンオキシド、ポリエピクロロヒドリン、ポリテトラヒドロフラン、ポリフェニレンオキシド、ポリエーテルケトン、ポリエステル、特にポリヒドロキシ酢酸、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリヒドロキシベンゾエート、ポリヒドロキシプロピオン酸、ポリピバロラクトン、ポリカプロラクトン、ポリマロン酸、ポリカーボネート;
主鎖中にC−S結合をもつポリマー、例えばポリスルフィドエーテルやポリフェニレンスルフイド、ポリエーテルスルフォン;
主鎖中にC−N結合をもつポリマー、例えばポリイミンやポリイソシアニド、ポリエーテルイミン、ポリアニリン、ポリアミド、ポリヒドラジド、ポリウレタン、ポリイミド、ポリアゾール、ポリアジン;
液晶ポリマー、特にベクトラ、さらには、
無機ポリマー、例えばポリシランやポリカルボシラン、ポリシロキサン、ポリケイ酸、ポリシリケート、シリコーン、ポリフォスファゼン、ポリチアジルがあげられる。
Preferred polymers that can be used as blend components include polyolefins such as poly (chloroprene), polyacetylene, polyphenylene, poly (p-xylylene), polyarylmethylene, polyalmethylene, polystyrene, polymethylstyrene, polyvinyl alcohol, polyvinyl acetate. , Polyvinyl ether, polyvinylamine, poly (N-vinylacetamide), polyvinylimidazole, polyvinylcarbazole, polyvinylpyrrolidone, polyvinylpyridine, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polytetrafluoroethylene, polyhexafluoropropylene, PTFE and hexafluoropropylene Perfluoropropyl vinyl ether, trifluoronitrosomethane, sulfonyl fluoride vinyl ether, carboal Alkoxy copolymers of perfluoroalkoxy vinyl ether, polychlorotrifluoroethylene, polyvinyl fluoride, polyvinylidene fluoride, acrolein, polyacrylamide, polyacrylonitrile, poly cyanoacrylates, poly methacrylamide, cyclic olefin copolymers (especially norbornene copolymer);
Polymers having a C—O bond in the main chain, such as polyacetal, polyoxymethylene, polyether, polypropylene oxide, polyepichlorohydrin, polytetrahydrofuran, polyphenylene oxide, polyether ketone, polyester, especially polyhydroxyacetic acid, polyethylene terephthalate , Polybutylene terephthalate, polyhydroxybenzoate, polyhydroxypropionic acid, polypivalolactone, polycaprolactone, polymalonic acid, polycarbonate;
Polymers having a C—S bond in the main chain, such as polysulfide ethers, polyphenylene sulfides, polyether sulfones;
Polymers having a C—N bond in the main chain, such as polyimine, polyisocyanide, polyetherimine, polyaniline, polyamide, polyhydrazide, polyurethane, polyimide, polyazole, polyazine;
Liquid crystal polymers, especially Vectra,
Examples include inorganic polymers such as polysilane, polycarbosilane, polysiloxane, polysilicic acid, polysilicate, silicone, polyphosphazene, and polythiazyl.
持続使用温度が100℃を超える燃料電池で使用するためには、ガラス転移温度またはビカー軟化温度VST/A/50が少なくとも100℃である、好ましくは少なくとも150℃、最も好ましくは少なくとも180℃であるブレンドポリマーが好ましい。ビカー軟化温度VST/A/50が180℃〜230℃であるポリスルホンが好ましい。 For use in a fuel cell with a sustained use temperature exceeding 100 ° C., the glass transition temperature or Vicat softening temperature VST / A / 50 is at least 100 ° C., preferably at least 150 ° C., most preferably at least 180 ° C. Blend polymers are preferred. Polysulfone having a Vicat softening temperature VST / A / 50 of 180 ° C to 230 ° C is preferred.
好ましいポリマーには、ポリスルホンが含まれ、特に主鎖中に芳香族環をもつポリスルホンが含まれる。 Preferred polymers include polysulfone, particularly polysulfone having an aromatic ring in the main chain.
本発明の一つの側面では、好ましいポリスルホンとポリエーテルスルフォンのISO1133に準じて測定されたメルトボリュームフローレートMVR300/21.6が、40cm3/10分以下であり、特に30cm3/10分以下、より好ましくは20cm3/10分以下である。 In one aspect of the present invention, preferred melt volume flow rate MVR300 / 21.6, measured according to ISO1133 of polysulfone and polyether sulfone, or less 40 cm 3/10 min, in particular 30 cm 3/10 minutes or less, more preferably not more than 20 cm 3/10 min.
他の添加物
製品の性能をさらに向上させるため、この好ましくは高分子量のポリアゾールに他の充填材を、特にプロトン伝導性充填材を添加することもできる。
Other additives
In order to further improve the performance of the product, other fillers, in particular proton-conducting fillers, can also be added to this preferably high molecular weight polyazole.
非制限的なプロトン伝導性充填材の例としては、次のものがあげられる。 Examples of non-limiting proton conductive fillers include:
硫酸塩、例えば、CsHSO4、Fe(SO4)2、(NH4)3H(SO4)2、LiHSO4、NaHSO4、KHSO4、RbSO4、LiN2H5SO4、NH4HSO4、
リン酸塩、例えば、Zr3(PO4)4、Zr(HPO4)2、HZr2(PO4)3、UO2PO4・3H2O、H8UO2PO4、Ce(HPO4)2、Ti(HPO4)2、KH2PO4、NaH2PO4、LiH2PO4、NH4H2PO4、CsH2PO4、CaHPO4、MgHPO4、HSbP2O8、HSb2P2O14、H5Sb5P2O20、
Sulfates such as CsHSO 4 , Fe (SO 4 ) 2 , (NH 4 ) 3 H (SO 4 ) 2 , LiHSO 4 , NaHSO 4 , KHSO 4 , RbSO 4 , LiN 2 H 5 SO 4 , NH 4 HSO 4 ,
Phosphates, for example, Zr 3 (PO 4) 4 , Zr (HPO 4) 2, HZr 2 (PO 4) 3, UO2PO 4 · 3H 2 O, H 8 UO 2 PO 4, Ce (HPO 4) 2, Ti (HPO 4 ) 2 , KH 2 PO 4 , NaH 2 PO 4 , LiH 2 PO 4 , NH 4 H 2 PO 4 , CsH 2 PO 4 , CaHPO 4 , MgHPO 4 , HSbP 2 O 8 , HSb 2 P 2 O 14 , H 5 Sb 5 P 2 O 20 ,
多塩基酸、例えば、H3PW12O40・nH2O(n=21−29)、H3SiW12O40・nH2O(n=21−29)、HXWO3、HSbWO6、H3PMo12O40、H2Sb4O11、HTaWO6、HNbO3、HTiNbO5、HTiTaO5、HSbTeO6、H5Ti4O9、HSbO3、H2MoO4
Polybasic acids, e.g., H 3 PW 12 O 40 · nH 2 O (n = 21-29), H 3 SiW 12 O 40 · nH 2 O (n = 21-29), HXWO 3, HSbWO 6, H 3 PMo 12 O 40, H 2 Sb 4 O 11, HTaWO 6, HNbO 3,
亜セレン酸塩やヒ化物、例えば、(NH4)3H(SeO4)2、UO2AsO4、(NH4)3H(SeO4)2、KH2AsO4、Cs3H(SeO4)2、Rb3H(SeO4)2、
リン化物、例えば、ZrP、TiP、HfP
Selenite and arsenide, for example, (NH 4 ) 3 H (SeO 4 ) 2 , UO 2 AsO 4 , (NH 4 ) 3 H (SeO 4 ) 2 , KH 2 AsO 4 , Cs 3 H (SeO 4 ) 2 , Rb 3 H (SeO 4 ) 2 ,
Phosphides such as ZrP, TiP, HfP
酸化物、例えば、Al2O3、Sb2O5、ThO2、SnO2、ZrO2、MoO3
ケイ酸塩、例えば、ゼオライト、ゼオライト(NH4+)、シート状ケイ酸塩、立体網状ケイ酸塩、H−ナトロライト、H−モルデナイト、NH4−アナルシン、NH4−ホウソーダ石、NH4−ガライト、H−モンモリロナイト、ケイ酸Si(OH)4他の縮合生成物とその塩やエステル、
一般式H3Si−(O−SiH2−)n−O−SiH3のポリシロキサン、特にまた他の粘土鉱物、例えばモンモリロナイトやベントナイト、カオリナイト、ろう石、タルク、緑泥石、白雲母、雲母、スメクタイト、ハロサイト、バーミキュライト、ハイドロタルサイト
酸、例えば、HClO4、SbF5
Oxides such as Al 2 O 3 , Sb 2 O 5 , ThO 2 , SnO 2 , ZrO 2 , MoO 3
Silicates such as zeolites, zeolites (NH 4 +), sheet silicates, reticulated silicates, H-natrolite, H-mordenite, NH 4 -anarsine, NH 4 -borosodalite, NH 4 -galite , H-montmorillonite, silicic acid Si (OH) 4 and other condensation products and their salts and esters,
Polysiloxanes of the general formula H 3 Si— (O—SiH 2 —) n—O—SiH 3 , especially also other clay minerals such as montmorillonite and bentonite, kaolinite, wax, talc, chlorite, muscovite, mica , Smectite, hallosite, vermiculite, hydrotalcite
Acids such as HClO 4 , SbF 5
充填材、例えば炭化物(特にSiC)、Si3N4、繊維(特にガラス繊維)、ガラス粉末及び/又はポリマー繊維(好ましくはポリアゾール系で、部分架橋されたもの)。 Fillers, such as carbides (especially SiC), Si 3 N 4 , fibers (especially glass fibers), glass powders and / or polymer fibers (preferably polyazole-based and partially crosslinked).
これらの添加物は、従来から使用されている量で存在可能であるが、ポリアゾールの、特にその膜の好ましい性能が、例えば高伝導性や長寿命、高機械的安定性が、過剰量の添加物の添加で大きく損なわれてはならない。 These additives can be present in the amounts conventionally used, but the preferred performance of the polyazole, especially its membrane, such as high conductivity, long life, and high mechanical stability, can be added in excess. It must not be greatly impaired by the addition of objects.
一般に、このポリアゾール、特にその膜は、最大で80重量%の添加物を、好ましくは最大で50重量%、より好ましくは最大で20重量%の添加物を含む。これらの添加物は異なる粒子形状や粒度で存在でき、また混合物として、より好ましくはナノ粒子の形で存在できる。 In general, the polyazole, especially the membrane, contains up to 80% by weight additive, preferably up to 50% by weight, more preferably up to 20% by weight. These additives can be present in different particle shapes and sizes, and can be present as a mixture, more preferably in the form of nanoparticles.
安定化
工程I)でこのポリアゾールは、(i)少なくとも一種の強酸と(ii)少なくとも一種の安定化剤とを含む溶液で処理される。
Stabilization In step I), the polyazole is treated with a solution comprising (i) at least one strong acid and (ii) at least one stabilizer.
この場合に好適な安定化剤は、特にこの好ましくは高分子量のポリアゾールを機械的に安定化できる全ての化合物である。 Suitable stabilizers in this case are in particular all compounds which can mechanically stabilize this preferably high molecular weight polyazole.
安定化剤として用いる有機化合物は、溶液中に存在する強酸に対して十分に安定である必要がある。また、これらは強酸に対して十分な溶解度をもち、工程I)の溶液中の安定化剤の総量が、適宜0.01〜20重量%の範囲となる、好ましくは0.1〜15重量%、より好ましくは0.25〜10重量%、特に1〜5重量%の範囲となる必要がある。安定化剤が強酸中に十分な溶解度を持たない場合には、少量の他の不活性可溶化剤を添加することもできる。 The organic compound used as a stabilizer must be sufficiently stable against strong acids present in the solution. Further, they have sufficient solubility in strong acid, and the total amount of stabilizer in the solution of step I) is appropriately in the range of 0.01 to 20% by weight, preferably 0.1 to 15% by weight. More preferably, it should be in the range of 0.25 to 10% by weight, particularly 1 to 5% by weight. If the stabilizer does not have sufficient solubility in strong acid, a small amount of other inert solubilizers can be added.
しかしながら、全体としてこの溶解度は、工程I)の溶液が、安定化剤の総量が、試薬の−フィルム中に存在するポリアゾールに対して(ポリアゾールポリマーの繰返し単位当り)−0.01〜100モル%の範囲とする、好ましくは10〜80モル%、特に15〜65モル%の範囲とするのに充分である必要がある Overall, however, this solubility is determined by the fact that the solution of step I) is such that the total amount of stabilizer is -0.01 to 100 moles (per repeat unit of polyazole polymer) relative to the polyazole present in the reagent-film. %, Preferably 10 to 80 mol%, in particular 15 to 65 mol%.
選択される安定化剤の比率が低すぎる場合には、このポリアゾールの、特にポリマー膜の機械的強度が十分に改善されない。選択された比率が高すぎる場合には、このポリアゾールが、特に膜が脆くなり、ポリアゾールのもつ、特に膜のもつ一連の性質が不適当となる。 If the proportion of stabilizer chosen is too low, the mechanical strength of this polyazole, in particular the polymer membrane, is not sufficiently improved. If the selected ratio is too high, this polyazole will make the membrane particularly fragile, making the series of properties of the polyazole, especially the membrane, unsuitable.
また、電解質が架橋反応に参加可能となる。安定化剤がこの電解質と部分的あるいは完全に反応または相互作用するようになる。この反応または相互作用により、同様に、膜が機械的及び/又は化学的に安定化され、またリン酸環境に対して安定化される。安定化反応へ電解質が参加すると、酸強度の低下が可能となる。 In addition, the electrolyte can participate in the crosslinking reaction. Stabilizers will react or interact partially or completely with the electrolyte. This reaction or interaction likewise stabilizes the membrane mechanically and / or chemically and is stabilized against the phosphate environment. When the electrolyte participates in the stabilization reaction, the acid strength can be reduced.
安定化されたポリアゾール、特に安定化された膜の160℃でのプロトン伝導度は、約30〜300mS/cmであり、好ましくは90〜250mS/cmである。 The proton conductivity at 160 ° C. of the stabilized polyazole, in particular the stabilized membrane, is about 30-300 mS / cm, preferably 90-250 mS / cm.
プロトン伝導度はインピーダンス分光法(ツァーナーIM5またはIM6分光計)と4点試験セルを用いて測定される。具体的な方法は次の通りである。 Proton conductivity is measured using impedance spectroscopy (Zener IM5 or IM6 spectrometer) and a 4-point test cell. The specific method is as follows.
サンプルの調整のために、大きさが約3.5×7cmの試料を切り出し、過剰の酸を除くため、これらの膜試料を500gのローラー状重りで10回圧延した。試料の厚みは、好適に、3点(試料片の始端、中央、末端)でミツトヨ「絶対デジマチック」厚み計を用いて測定し、その平均を求めた。図1に示すように、試料を試験セルに適当に固定する。 In order to prepare the sample, a sample having a size of about 3.5 × 7 cm was cut out, and these membrane samples were rolled 10 times with a 500 g roller-like weight in order to remove excess acid. The thickness of the sample was suitably measured using a Mitutoyo “Absolute Digimatic” thickness meter at three points (the start, center, and end of the sample piece), and the average was obtained. As shown in FIG. 1, the sample is appropriately fixed to the test cell.
表中の番号は次のものを示す。
(1):I−
(3):U+
(5):U−
(7):I+
(9):コネクター
(11):Ptワイア
(13):シール
(15):膜
(17):Pt板
The numbers in the table indicate the following:
(1): I −
(3): U +
(5): U −
(7): I +
(9): Connector (11): Pt wire
(13): Seal (15): Membrane (17): Pt plate
試験セルのネジを好ましくは手で締めて、このセルを、好ましくは表1に記載の温度−周波数プログラムで運転されている制御オーブンに入れる。 The test cell screws are preferably hand tightened and the cell is placed in a controlled oven, preferably operated with the temperature-frequency program described in Table 1.
このオーブンプログラムを開始し、インピーダンススペクトルを、4点ドライ試験セルを備えたツァーナーエレクトリックZIM6インピーダンス分光計を用いて、20℃から160℃へ、また−逆に−160℃から20℃へ、好ましくは20℃毎に、好ましくは測定前の保持時刻を10分として測定する。このスペクトルを保存し、好ましくはBodeとNiquistの文献の方法で評価する。プロトン伝導度は、次式で計算される:
b(膜幅)=3.5cm、
d=膜厚み(cm)、
R=抵抗測定値(オーム)
This oven program is started, and the impedance spectrum is preferably changed from 20 ° C. to 160 ° C., and conversely from −160 ° C. to 20 ° C., using a Zener Electric ZIM6 impedance spectrometer equipped with a 4-point dry test cell. Is measured every 20 ° C., preferably with a holding time before measurement of 10 minutes. This spectrum is stored and preferably evaluated by the methods of the Bode and Niquist literature. Proton conductivity is calculated by the following formula:
b (film width) = 3.5 cm,
d = film thickness (cm),
R = resistance measurement (ohms)
本発明において、少なくとも一種の高官能価ポリエーテルが、好ましくは少なくとも一種のポリエーテルオールが安定化剤として用いられる。 In the present invention, at least one high functionality polyether, preferably at least one polyetherol, is used as a stabilizer.
本発明において、高官能価ポリエーテルオールは、ポリマー骨格を形成するエーテル基とともに、少なくとも3個の、好ましくは少なくとも6個、より好ましくは少なくとも10個のOH基をペンダント位置または末端位置にもつ生成物をいうものとする。このポリマー骨格は直鎖であっても分岐鎖であってもよい。末端官能基またはペンダント官能基の数には原則として上限がないが、非常に多数の官能基をもつ生成物は、望ましくない性能、例えば高粘性や貧溶解度を持つ可能性がある。本発明で用いられる多官能性ポリエーテルオールは、通常500個以下の末端官能基またはペンダント官能基をもち、好ましくは100個以下の末端OH官能基またはペンダントOH官能基をもつ。本発明により用いる高官能価ポリエーテルオールは、好ましくは平均で少なくとも3個の、より好ましくは少なくとも4個、さらに好ましくは少なくとも5個、特に少なくとも6個のジ−、トリ−またはより多価のアルコールから形成される縮合生成物である。この場合、この縮合生成物が、平均で少なくとも3個、より好ましくは少なくとも4個、特に少なくとも5個、特に少なくとも6個の三価またはより多価のアルコールから形成されるものであることがさらに好ましい。 In the present invention, a high functionality polyetherol is produced with at least 3, preferably at least 6, more preferably at least 10 OH groups in pendant or terminal positions together with the ether groups forming the polymer backbone. It shall mean a thing. The polymer skeleton may be linear or branched. There is in principle no upper limit on the number of terminal or pendant functional groups, but products with a very large number of functional groups can have undesirable performance, such as high viscosity and poor solubility. The polyfunctional polyetherol used in the present invention usually has not more than 500 terminal functional groups or pendant functional groups, and preferably has not more than 100 terminal OH functional groups or pendant OH functional groups. The high functionality polyetherols used according to the invention are preferably on average at least 3, more preferably at least 4, even more preferably at least 5, in particular at least 6 di-, tri- or higher polyvalents. A condensation product formed from an alcohol. In this case, it is further preferred that the condensation product is formed on average from at least 3, more preferably at least 4, in particular at least 5, in particular at least 6 trivalent or higher polyhydric alcohols. preferable.
ある好ましい実施様態においては、これらの高官能価ポリエーテルが多分岐ポリエーテルオールである。本発明において、これらの多分岐ポリエーテルポリオールは、構造的にも分子的にも不均一なヒドロキシル基とエーテル基をもつ未架橋ポリマー分子を意味するものとする。一方では、これらは中心分子から延びるデンドリマー的な構造をとることができるが、分枝の鎖長さが不均一である。他方、これらは官能性側基をもつ線状領域をもつこともできる。デンドリマー性の多分岐ポリマーの定義については、P.J. Flory, J. Am. Chem. Soc. 1952, 74, 2718と、H. Frey et al., Chem. Eur. J. 2000, 6, 15 No. 14, 2499を参照のこと。 In certain preferred embodiments, these high functionality polyethers are hyperbranched polyetherols. In the present invention, these multi-branched polyether polyols mean uncrosslinked polymer molecules having hydroxyl groups and ether groups which are structurally and molecularly heterogeneous. On the one hand, they can have a dendrimer-like structure extending from the central molecule, but the chain length of the branches is not uniform. On the other hand, they can also have linear regions with functional side groups. For the definition of dendrimeric multibranched polymers, see P.C. J. et al. Flory, J.M. Am. Chem. Soc. 1952, 74, 2718; Frey et al. Chem. Eur. J. et al. 2000, 6, 15 no. 14, 2499.
本発明において、「多分岐」は、分岐度(DB)、即ち樹枝状結合の平均数と1分子あたりの末端基の平均数を樹枝状結合と線状結合と末端結合の平均値の合計で割り100を掛けた値が、10〜99.9%である、好ましくは20〜99%、より好ましくは20〜95%であることを意味するものとする。本発明において、「デンドリマー性」は、この分岐度が99.9〜100%であることを意味するものとする。分岐度の定義については、H. Frey et al., Acta Polym. 1997, 48, 30を参照のこと。 In the present invention, “multi-branching” means the degree of branching (DB), that is, the average number of dendritic bonds and the average number of terminal groups per molecule is the sum of the average values of dendritic bonds, linear bonds and terminal bonds. The value obtained by multiplying by 100 is 10 to 99.9%, preferably 20 to 99%, and more preferably 20 to 95%. In the present invention, “dendrimer property” means that the degree of branching is 99.9 to 100%. For the definition of the degree of branching, see H. Frey et al. , Acta Polym. See 1997, 48, 30.
用いる三価以上のアルコールは、例えば、トリメチロールメタンやトリメチロールエタン、トリメチロールプロパン(TMP)、1,2,4−ブタントリオールなどのトリオールである。同様に、ビストリメチロールプロパン(ジ−TMP)やペンタエリスリトールなどのテトラオールを使用することもできる。また、ビスペンタエリスリトール(ジ−ペンタ)やイノシトールなどのより多価のポリオールを使用できる。また、上記アルコールやグリセロールのアルコキシル化生成物を、好ましくは1分子当り1〜40個のアルキレンオキシド単位を持つものを使用することもできる。三価以上のアルコールとして、脂肪族アルコール、特に第一級ヒドロキシル基をもつもの、例えばトリメチロールメタンやトリメチロールエタン、トリメチロールプロパン、ジ−TMP、ペンタエリスリトール、ジ−ペンタ、これらのアルコキシレートで1分子当り1〜30個のエチレンオキシド単位を持つもの、また1分子当り1〜30個のエチレンオキシド単位をもつグリセリルエトキシレートを使用することが特に好ましい。トリメチロールプロパンやペンタエリスリトール、これらのエトキシレートで平均して1分子当り1〜20個のエチレンオキシド単位を持つもの、1分子当り1〜20個のエチレンオキシド単位をもつグリセリルエトキシレートの使用が極めて好ましい。同様に上記のアルコールを混合物中で使用することも好ましい。 The trihydric or higher alcohol used is, for example, triol such as trimethylolmethane, trimethylolethane, trimethylolpropane (TMP), 1,2,4-butanetriol. Similarly, tetraols such as bistrimethylolpropane (di-TMP) and pentaerythritol can also be used. Also, more polyvalent polyols such as bispentaerythritol (di-penta) and inositol can be used. Moreover, it is also possible to use an alkoxylation product of the alcohol or glycerol, preferably having 1 to 40 alkylene oxide units per molecule. As trihydric or higher alcohols, aliphatic alcohols, particularly those having primary hydroxyl groups, such as trimethylolmethane, trimethylolethane, trimethylolpropane, di-TMP, pentaerythritol, di-penta, and alkoxylates thereof. Particular preference is given to using glyceryl ethoxylates having 1 to 30 ethylene oxide units per molecule and also having 1 to 30 ethylene oxide units per molecule. Trimethylolpropane, pentaerythritol, and these ethoxylates having an average of 1 to 20 ethylene oxide units per molecule, and the use of glyceryl ethoxylate having 1 to 20 ethylene oxide units per molecule are very preferred. It is likewise preferred to use the above alcohols in the mixture.
三価以上のアルコールとして好ましくないのは、直接隣接する炭素原子上に2個のOH基をもつ化合物である。本発明の条件下では、これらの化合物脱は離反応を起こしやすく、これがエーテル化反応に優先して進行する。本発明のエーテル化条件下では、副生成物を形成する不飽和化合物が存在すると、工業的に関係する材料中で使用できない反応生成物を与える。特に、このような副反応がグリセロールの場合に起こる。 Preference is given to compounds having two OH groups on directly adjacent carbon atoms as trihydric or higher alcohols. Under the conditions of the present invention, desorption of these compounds tends to cause a separation reaction, which proceeds in preference to the etherification reaction. Under the etherification conditions of the present invention, the presence of unsaturated compounds that form by-products gives reaction products that cannot be used in industrially relevant materials. In particular, such side reactions occur with glycerol.
これらの三価以上のアルコールはまた、二価アルコールとの混合物として使用できる。2個のOH基をもつ化合物の例としては、エチレングリコールやジエチレングリコール、トリエチレングリコール、1,2−及び1,3−プロパンジオール、ジプロピレングリコール、トリプロピレングリコール、ネオペンチルグリコール、1,2−、1,3−及び1,4−ブタンジオール、1,2−、1,3−及び1,5−ペンタンジオール、ヘキサンジオール、ドデカンジオール、シクロペンタンジオール、シクロヘキサンジオール、シクロヘキサンジメタノール、ビス(4−ヒドロキシシクロヘキシル)メタン、ビス(4−ヒドロキシシクロヘキシル)エタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシシクロヘキシル)プロパン、エチレンオキシドやプロピレンオキシド、ブチレンオキシド、またはこれらの混合物から得られる二官能性ポリエーテルポリオール、またはポリテトラヒドロフランがあげられる。また明らかなように、二価アルコールを混合物中で使用することもできる。 These trihydric or higher alcohols can also be used as a mixture with dihydric alcohols. Examples of compounds having two OH groups include ethylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, 1,2- and 1,3-propanediol, dipropylene glycol, tripropylene glycol, neopentyl glycol, 1,2- 1,3- and 1,4-butanediol, 1,2-, 1,3- and 1,5-pentanediol, hexanediol, dodecanediol, cyclopentanediol, cyclohexanediol, cyclohexanedimethanol, bis (4 -Hydroxycyclohexyl) methane, bis (4-hydroxycyclohexyl) ethane, 2,2-bis (4-hydroxycyclohexyl) propane, ethylene oxide, propylene oxide, butylene oxide, or mixtures thereof. Ether polyols or polytetrahydrofuran and the like. It will also be appreciated that dihydric alcohols can be used in the mixture.
これらのジオールは、ポリエーテルポリオールの性質の微調整に役立つ。二価アルコールを使用する場合、二価アルコールの三価以上のアルコールに対する比率は、ポリエーテルの望ましい性質に応じて当業界の熟練者により決められる。一般に、これらの二価アルコールの量は、全アルコールの総量に対して0〜99モル%であり、好ましくは0〜80モル%、より好ましくは0〜75モル%、最も好ましくは0〜50モル%である。反応中の三価以上のアルコールとジオールの添加量を変えることで、ブロックコポリエーテルを、例えばジオール末端を持つポリエーテルを得ることもできる。 These diols help to fine tune the properties of the polyether polyol. If a dihydric alcohol is used, the ratio of dihydric alcohol to trihydric or higher alcohol is determined by those skilled in the art depending on the desired properties of the polyether. Generally, the amount of these dihydric alcohols is 0 to 99 mol%, preferably 0 to 80 mol%, more preferably 0 to 75 mol%, most preferably 0 to 50 mol%, based on the total amount of all alcohols. %. By changing the amount of trivalent or higher alcohol and diol added during the reaction, a block copolyether such as a diol-terminated polyether can be obtained.
本発明によれば、二価アルコールを前縮合してOH末端を持つオリゴマーとし、次いで三価以上のアルコールを添加することもできる。このようにして同様に、線状ブロック構造をもつ多分岐のポリマーを得ることができる。 According to the present invention, a dihydric alcohol can be precondensed to form an oligomer having an OH terminal, and then a trihydric or higher alcohol can be added. Similarly, a multi-branched polymer having a linear block structure can be obtained.
また、上記の三価以上のアルコールの変換中あるいは変換後に、OH官能価を制御するためにモノオールを加えることもできる。このようなモノオールは、例えば直鎖又は分岐鎖の脂肪族または芳香族モノオールであってもよい。これらは、好ましくは3個より多い、より好ましくは6個より多い炭素原子をもつ。一官能性ポリエーテルオールもまた、モノオールとして好適である。三価以上のアルコールの総量に対して50モル%以下のモノオールを添加することが好ましい。 Monools can also be added to control the OH functionality during or after the conversion of the trihydric or higher alcohol. Such monools may be, for example, linear or branched aliphatic or aromatic monools. These preferably have more than 3, more preferably more than 6 carbon atoms. Monofunctional polyetherols are also suitable as monools. It is preferable to add 50 mol% or less of monool with respect to the total amount of trivalent or higher alcohol.
本発明において極めて適当なポリエーテルを、トリエチレングリコールとペンタエリスリトールの反応で、好ましくはモル比が1:10〜10:1の範囲の、より好ましくは1:5〜5:1、さらに好ましくは1:2〜2:1、特に1.5:1〜1:1.5、最も好ましくは1:1の範囲のトリエチレングリコール/ペンタエリスリトール混合物の反応で得ることができる。 A very suitable polyether in the present invention is a reaction of triethylene glycol and pentaerythritol, preferably in a molar ratio range of 1:10 to 10: 1, more preferably 1: 5 to 5: 1, still more preferably. It can be obtained by reaction of a triethylene glycol / pentaerythritol mixture in the range of 1: 2 to 2: 1, especially 1.5: 1 to 1: 1.5, most preferably 1: 1.
本発明の目的では、このポリエーテルの数平均分子量は、好ましくは100g/mol〜5000g/molの範囲であり、特に700g/mol〜1500g/molの範囲である。その重量平均分子量は、約1000g/mol〜100000g/molの範囲であり、特に5000g/mol〜50000g/molの範囲である。 For the purposes of the present invention, the number average molecular weight of this polyether is preferably in the range from 100 g / mol to 5000 g / mol, in particular in the range from 700 g / mol to 1500 g / mol. Its weight average molecular weight is in the range of about 1000 g / mol to 100000 g / mol, in particular in the range of 5000 g / mol to 50000 g / mol.
これらの分子量は公知の方法で決定でき、特に適当な標準試薬を用いるゲル浸透クロマトグラフィーで決定できる。 These molecular weights can be determined by known methods, and in particular by gel permeation chromatography using a suitable standard reagent.
これらの高官能価ポリエーテルやその製剤の他の詳細は、WO2009/101141に記載されており、その開示内容を、はっきりと引用として採用する。 Other details of these high functionality polyethers and their formulations are described in WO 2009/101141, the disclosure of which is expressly incorporated by reference.
本発明の他の好ましい実施様態においては、グリセロール系の高官能価ポリエーテルが安定化剤として用いられる。グリセロール系のポリエーテルの製造も同様に記載されている。 例えば、US3,932,532とDE10307172には、強アルカリ触媒によるオリゴマー状ポリエーテルを与えるグリセロール系の高官能価ポリエーテルの製造が開示され、またWO2004/074346には、その一価アルコールでの改質が開示されている。 In another preferred embodiment of the invention, a glycerol-based high functionality polyether is used as a stabilizer. The production of glycerol-based polyethers is likewise described. For example, US Pat. No. 3,932,532 and DE 10307172 disclose the production of glycerol-based high-functionality polyethers which give oligomeric polyethers with strong alkali catalysts, and WO 2004/074346 describes the modification with monohydric alcohols. Quality is disclosed.
また、DE10307172には、酸性触媒(例えば、HCl、H2SO4、スルホン酸またはH3PO4)の存在下、水の非存在下で200℃〜280℃の温度で5〜15時間行うグリセロールの重縮合が開示されている。 DE 10307172 also describes the weight of glycerol in the presence of an acidic catalyst (eg, HCl, H 2 SO 4 , sulfonic acid or H 3 PO 4 ) in the absence of water at a temperature of 200 ° C. to 280 ° C. for 5 to 15 hours. Condensation is disclosed.
EP141253とDE4446877とUS5,728,796には、酸性の反応条件下でアセトンまたはエポキシ化合物の存在下で行う三価以上のアルコールの反応が開示されている。得られる生成物は低分子量であり、アルコールで変性されている。 EP 141253, DE 44 46 877 and US 5,728,796 disclose the reaction of tri- or higher alcohols in the presence of acetone or epoxy compounds under acidic reaction conditions. The resulting product has a low molecular weight and is modified with alcohol.
WO2004/074346には、グリセロールのアルカリ重縮合と続く酸性条件下での得られた縮合生成物と脂肪族アルコールとの反応が開示されている。これにより油脂系アルコールで変性されたポリグリセロールが得られる。 WO 2004/074346 discloses an alkali polycondensation of glycerol followed by reaction of the resulting condensation product with an aliphatic alcohol under acidic conditions. As a result, polyglycerol modified with oil-based alcohol is obtained.
多分岐のポリグリセリルエーテルが、DE19947631とDE10211664にも記載されている。その製造は、必要なら多官能性出発分子の存在下でのグリシドールの開環反応で行われる。 Multibranched polyglyceryl ethers are also described in DE 199447631 and DE 10211664. The preparation is carried out by a ring opening reaction of glycidol in the presence of a multifunctional starting molecule if necessary.
本発明の他の好ましい実施様態においては、トリメチロールプロパン単位のみからなる高官能価ポリエーテル及び/又はペンタエリスリトール単位のみからなる高官能価ポリエーテル及び/又はこれらのコポリマーが、安定化剤として使用される。 In another preferred embodiment of the invention, a high functionality polyether consisting only of trimethylolpropane units and / or a high functionality polyether consisting only of pentaerythritol units and / or copolymers thereof are used as stabilizers. Is done.
多分岐ポリエーテルオールは、例えばWO00/56802に開示のように、特定の触媒で1−エチル−1−ヒドロキシメチルオキセタンを開環重合させて製造することもできる。この高分子構造は、トリメチロールプロパン単位のみからなる。Nishikubo et al., Polymer Journal 2004, 36(5) 413によると、同様に3,3−ビス(ヒドロキシメチル)オキセタンを開環反応させてペンタエリスリトール単位のみからなる高度に分岐したポリエーテルポリオールを得ることができる。 The hyperbranched polyetherol can also be produced by ring-opening polymerization of 1-ethyl-1-hydroxymethyloxetane with a specific catalyst as disclosed in WO00 / 56802, for example. This polymer structure consists only of trimethylolpropane units. Nishikubo et al. , Polymer Journal 2004, 36 (5) 413, a highly branched polyether polyol comprising only pentaerythritol units can be obtained by ring-opening reaction of 3,3-bis (hydroxymethyl) oxetane.
Chen et. al, J. Poly. Sci. Part A: Polym. Chem. 2002, 40, 1991には、1−エチル−1−ヒドロキシメチルオキセタンと3,3−ビス(ヒドロキシメチル)オキセタンが同時に開環重合させられる合成が記載されている。これにより、トリメチロールプロパン単位とペンタエリスリトール単位の混合物からなるポリエーテルが得られる。 Chen et. al, J. et al. Poly. Sci. Part A: Polym. Chem. 2002, 40, 1991 describes a synthesis in which 1-ethyl-1-hydroxymethyloxetane and 3,3-bis (hydroxymethyl) oxetane are simultaneously ring-opening polymerized. Thereby, the polyether which consists of a mixture of a trimethylol propane unit and a pentaerythritol unit is obtained.
工程II)では、このポリアゾールが、25℃を超える温度に、好ましくは50℃を超える、より好ましくは100℃を超える温度に加熱して、好ましくは100℃〜180℃の範囲、特に120℃〜160℃の範囲の温度に、好ましくは5分〜120分間、好ましくは15分〜100分間、より好ましくは60分間加熱して安定化される。 In step II), the polyazole is heated to a temperature above 25 ° C., preferably above 50 ° C., more preferably above 100 ° C., preferably in the range from 100 ° C. to 180 ° C., in particular from 120 ° C. It is stabilized by heating to a temperature in the range of 160 ° C., preferably for 5 minutes to 120 minutes, preferably 15 minutes to 100 minutes, more preferably 60 minutes.
必要なら、この安定化されたフィルムを、20℃〜80℃の温度で、より好ましくは60℃の温度で、酸含有溶液中で10分〜60分間後処理してもよい。 If necessary, the stabilized film may be post-treated in an acid-containing solution for 10 to 60 minutes at a temperature of 20 ° C. to 80 ° C., more preferably at a temperature of 60 ° C.
本発明で使用される強酸は、プロトン酸であり、好ましくはリン酸及び/又は硫酸である。 The strong acid used in the present invention is a protonic acid, preferably phosphoric acid and / or sulfuric acid.
本明細書において、「リン酸」は、ポリリン酸、ホスホン酸(H3PO3)、正リン酸(H3PO4)、ピロリン酸(H4P2O7)、トリリン酸(H5P3O10)、メタリン酸、誘導体、特に有機誘導体(例えば、環状の有機リン酸)、およびその誘導体(例えば、酸エステル)を意味するものとする。このリン酸の濃度、特に正リン酸の濃度は、好ましくは少なくとも80重量%であり、より好ましくは少なくとも90重量%、さらに好ましくは少なくとも95重量%、最も好ましくは少なくとも98重量%である。なお、この濃度の値は、膜中のまたは加水分解中の酸の有効濃度に対する値である。 In this specification, “phosphoric acid” means polyphosphoric acid, phosphonic acid (H 3 PO 3 ), orthophosphoric acid (H 3 PO 4 ), pyrophosphoric acid (H 4 P 2 O 7 ), triphosphoric acid (H 5 P). 3 O 10 ), metaphosphoric acid, derivatives, especially organic derivatives (eg cyclic organic phosphoric acid), and derivatives thereof (eg acid esters). The concentration of this phosphoric acid, in particular the concentration of orthophosphoric acid, is preferably at least 80% by weight, more preferably at least 90% by weight, even more preferably at least 95% by weight, most preferably at least 98% by weight. This concentration value is a value for the effective concentration of acid in the membrane or during hydrolysis.
後での利用のための調整のため、工程II)での安定化の後に、さらにこのポリアゾールに、特に膜にドーピングを行ってもよい。この場合、冒頭に述べた添加物を添加できるし、あるいは上記の強酸をさらに添加してドーピングの程度を調整してもよい。また、存在する水は、このポリアゾールから、特に膜から、例えば存在する強酸を濃縮して除くことができる。安定化反応のために、必要な触媒と上述の群のいろいろな定化剤の混合物を添加することができる。 This polyazole, in particular the film, may be further doped after stabilization in step II) for adjustment for later use. In this case, the additives mentioned at the beginning can be added, or the above-mentioned strong acid may be further added to adjust the degree of doping. Also, the water present can be removed from this polyazole, in particular from the membrane, for example by concentrating strong acids present. For the stabilization reaction, it is possible to add a mixture of the required catalyst and various qualifying agents from the above group.
本発明はまた、本発明の方法で得られる少なくとも一種の機械的に安定なポリアゾールを含む膜を提供する。 The present invention also provides a membrane comprising at least one mechanically stable polyazole obtained by the method of the present invention.
安定化された、好ましくは高分子量のポリアゾールポリマーから得られる本発明の酸含有ポリアゾール膜は、上記の酸と反応して酸系の錯体を形成するため、水がなくてもプロトン伝導性となる。このメカニズム、いわゆるグロータス伝導メカニズムのため、持続運転温度が少なくとも120℃である高温の燃料電池中での、好ましくは少なくとも140℃、特に少なくとも160℃である高温の燃料電池中での利用が可能となる。したがって、本発明の膜は、電気化学セル用の、特に燃料電池用の電解質として使用が可能である。 The acid-containing polyazole membrane of the present invention obtained from a stabilized, preferably high-molecular-weight polyazole polymer, reacts with the above acid to form an acid-based complex, and thus has proton conductivity even without water. Become. Due to this mechanism, the so-called Grotus conduction mechanism, it can be used in high-temperature fuel cells with a sustained operating temperature of at least 120 ° C., preferably in high-temperature fuel cells with at least 140 ° C., in particular at least 160 ° C. Become. Therefore, the membrane of the present invention can be used as an electrolyte for electrochemical cells, particularly for fuel cells.
安定化された、好ましくは高分子量のポリアゾールポリマーから得られる本発明の酸含有ポリアゾール膜は、その改善された機械的性質に特徴がある。例えば、本発明の膜の示す弾性率は少なくとも3MPaであり、適当なら少なくとも4MPa、好ましくは少なくとも5MPa、より好ましくは少なくとも6MPa、望ましくは少なくとも7MPa、特に少なくとも8MPaである。また、本発明の膜の示す破断伸度は少なくとも150%であり、好ましくは少なくとも200%、特に少なくとも250%である。 The acid-containing polyazole membranes of the present invention obtained from stabilized, preferably high molecular weight polyazole polymers are characterized by their improved mechanical properties. For example, the modulus of elasticity of the membrane of the present invention is at least 3 MPa, if appropriate at least 4 MPa, preferably at least 5 MPa, more preferably at least 6 MPa, desirably at least 7 MPa, especially at least 8 MPa. Further, the breaking elongation of the film of the present invention is at least 150%, preferably at least 200%, particularly at least 250%.
この引張ひずみ特性は、ツウィックZ010標準引張り試験機で測定することが好ましく、下記の方法が有用であると分っている。試料をまず適当に幅が1.5cmで長さが12cmの小片の切断する。2〜3個の試料を作り、それぞれの試料を分析し、その結果の平均を取ることが好ましい。試料の厚みは、ミツトヨ絶対デジマチック厚み計を用いて3点(好ましくは、ストリップの始端、中央、末端)で測定し、平均を取ることが好ましい。この測定は、次のように行うことが好ましい。試料の小片を把持し、初期の力を0.1Nとして1分間保持する。次いで、弾性率(MPa)が測定されるまで、引張速度が好ましくは5mm/minで、好ましくはRT(25℃)で自動的に測定を行う(ツウィック・ソフトウェアTextExpert(Ver.11)による自動測定)。その後、引張速度が好ましくは30mm/minで試料小片が切断するまで測定を続ける。測定の終了後、破壊靱性(kJ/m2)と破断伸度(%)を決定する。 This tensile strain characteristic is preferably measured with a Zwick Z010 standard tensile tester, and the following method has been found useful. The sample is first cut into small pieces, suitably 1.5 cm wide and 12 cm long. It is preferable to make 2-3 samples, analyze each sample, and average the results. The thickness of the sample is preferably measured at three points (preferably at the start, center, and end of the strip) using a Mitutoyo absolute digimatic thickness gauge, and the average is preferably taken. This measurement is preferably performed as follows. A small piece of the sample is gripped, and the initial force is held at 0.1 N for 1 minute. Then, until the elastic modulus (MPa) is measured, the tensile rate is preferably 5 mm / min, preferably at RT (25 ° C.), and the measurement is automatically performed (automatic measurement by Zwick Software TextExpert (Ver. 11)). ). Thereafter, the measurement is continued until the sample piece is cut at a tensile speed of preferably 30 mm / min. After the measurement is completed, the fracture toughness (kJ / m 2 ) and the elongation at break (%) are determined.
安定化された、好ましくは高分子量のポリアゾールポリマーから得られる本発明の酸含有ポリアゾール膜の伝導度は、好ましくは少なくとも50mS/cmであり、より好ましくは少なくとも100mS/cm、特に少なくとも150mS/cmである。 The conductivity of the acid-containing polyazole membrane of the present invention obtained from a stabilized, preferably high molecular weight polyazole polymer is preferably at least 50 mS / cm, more preferably at least 100 mS / cm, in particular at least 150 mS / cm. It is.
安定化された、好ましくは高分子量のポリアゾールポリマーから得られる本発明の酸含有ポリアゾール膜は、また、高温作動型燃料電池中でプロトン伝導性膜として使用した場合の安定性に優れることに特徴がある。このようなシステムを運転する場合、特にリン酸システムを運転する場合、酸含有ポリアゾール膜の安定性をさらに改善する必要がある。本発明の膜は、このような改善された安定性に特徴があり、好ましいことに85℃〜180℃の温度範囲にわたって99%リン酸中で不溶である。なお、「不溶性」は、過剰の酸が存在していても膨潤が300%を越えず、自己支持性フィルムの溶解が起こらないことを意味する。 The acid-containing polyazole membrane of the present invention obtained from a stabilized, preferably high molecular weight polyazole polymer, is also characterized by excellent stability when used as a proton conducting membrane in a high temperature operating fuel cell. There is. When operating such a system, particularly when operating a phosphoric acid system, it is necessary to further improve the stability of the acid-containing polyazole film. The membranes of the present invention are characterized by such improved stability and are preferably insoluble in 99% phosphoric acid over a temperature range of 85 ° C to 180 ° C. “Insoluble” means that the swelling does not exceed 300% even in the presence of an excess of acid, and dissolution of the self-supporting film does not occur.
また、安定化された、好ましくは高分子量のポリアゾールポリマーから得られる本発明の酸含有ポリアゾール膜は改善された圧縮率をもつ。膜厚の相対的な減少は通常、160℃、120分間のワイザー・インプリント試験で40%未満であり、同条件下で相当する安定化されていない膜の膜厚の相対的な減少が約80%と対照的である。圧縮率測定のためのワイザー・インプリント試験は、適宜次のように行われる:
特徴的な膜のくぼみ性を測定するため、パンチで面積が4.91cm2(直径2.5cm)の膜試料を作り、カプトンフィルムを基材とするホットプレート上に乗せた。金属ガイドでガイドされた金属ダイで3個の埋め込みボルト(d=1mm)を持つものをこの膜試料の上に置き、ホットプレート温度が160℃で、ミツトヨDCIII厚み計を用いて、120分間にわたって膜試料の厚みの減少を記録した。厚みの測定値は初期の厚みで規格化して、時間に対してプロットした。
Also, the acid-containing polyazole membranes of the present invention obtained from stabilized, preferably high molecular weight polyazole polymers, have an improved compressibility. The relative decrease in film thickness is typically less than 40% in a 160 ° C., 120 minute Weiser imprint test, and the relative decrease in film thickness of the corresponding unstabilized film under the same conditions is approximately Contrast with 80%. The Weiser imprint test for measuring compressibility is performed as follows as appropriate:
In order to measure the characteristic dent of the film, a film sample having an area of 4.91 cm 2 (diameter 2.5 cm) was prepared with a punch and placed on a hot plate having a Kapton film as a base material. A metal die guided by a metal guide with 3 embedded bolts (d = 1 mm) is placed on the membrane sample and the hot plate temperature is 160 ° C. using a Mitutoyo DCIII thickness gauge for 120 minutes. The decrease in thickness of the membrane sample was recorded. The measured thickness was normalized with the initial thickness and plotted against time.
本発明の安定化な膜はまた、改善された長期安定性に特徴がある。 The stable membrane of the present invention is also characterized by improved long-term stability.
他の用途として、ディスプレイ装置、エレクトロクロミック装置またはいろいろなセンサー用の電解質も含まれる。 Other applications include electrolytes for display devices, electrochromic devices or various sensors.
本発明はまた、好ましくは本発明の高分子電解質膜の燃料電池用の単一セル(MEU)中での利用を提供する。 The present invention also preferably provides the use of the polymer electrolyte membrane of the present invention in a single cell (MEU) for a fuel cell.
燃料電池用の単一セルは、少なくとも一種の本発明の膜と2個の電極を有し、これらの間にプロトン伝導性膜がサンドイッチ状に配されている。 A single cell for a fuel cell has at least one membrane of the present invention and two electrodes, and a proton conducting membrane is sandwiched between them.
電極はそれぞれ、触媒活性層と、反応ガスと触媒活性層に送るためのガス拡散層を有している。このガス拡散層は多孔性であり、反応性ガスが通過できるようになっている。 Each of the electrodes has a catalytically active layer and a gas diffusion layer for sending to the reaction gas and the catalytically active layer. This gas diffusion layer is porous so that a reactive gas can pass therethrough.
本発明の高分子電解質膜は電解質膜として使用できる。触媒活性層の一つまたは両方で上記電解質膜と単一セル(MEU)用の前駆体を製造することもできる。また、上記単一セルを、ガス拡散層を前駆体上に固定して製造することもできる。 The polymer electrolyte membrane of the present invention can be used as an electrolyte membrane. One or both of the catalytically active layers can produce the electrolyte membrane and a precursor for a single cell (MEU). The single cell can also be manufactured by fixing the gas diffusion layer on the precursor.
本発明はまた、複数の単一セル(MEU)を有する燃料電池で、その各単一セルが上記方法で製造された膜と2個の電極をもち、これらの電極間に膜がサンドイッチ状に配されているものを提供する。 The present invention is also a fuel cell having a plurality of single cells (MEU), each single cell having a membrane and two electrodes manufactured by the above method, and a membrane sandwiched between these electrodes. Provide what is being arranged.
本発明の安定化は、膜からMEUを製造した後に行うこともできる。このために、膜の安定化剤でのドーピングが上述のように行われる。しかしながら、工程II)またはc)での安定化反応、または安定化成分の活性化は、次いでサンドイッチ状に配されたMEU中で行われる。 The stabilization of the present invention can also be performed after manufacturing the MEU from the membrane. For this purpose, doping with a film stabilizer is carried out as described above. However, the stabilization reaction in step II) or c) or the activation of the stabilizing component is then carried out in the MEU arranged in a sandwich.
より好ましくは、この安定化が100℃〜180℃の範囲の温度で、特に120℃〜160℃の範囲の温度で行われる。反応時間は、反応剤の反応性に応じて数分〜数時間である。MEU中での安定化反応は、一段以上で(温度を変化させて)行うことができる。 More preferably, this stabilization is carried out at a temperature in the range from 100 ° C. to 180 ° C., in particular at a temperature in the range from 120 ° C. to 160 ° C. The reaction time is several minutes to several hours depending on the reactivity of the reactants. The stabilization reaction in the MEU can be performed in one or more stages (by changing the temperature).
以下、本発明をいくつかの実施例により説明するが、これらが本発明の概念をなんら制限するものではない。 Hereinafter, the present invention will be described with reference to some examples, but these do not limit the concept of the present invention.
実施例1:ペンタエリスリトールとトリエチレングリコールからのポリエーテルポリオールの製造 Example 1: Preparation of a polyether polyol from pentaerythritol and triethylene glycol
一般的な方法
攪拌器と還流冷却器と真空ライン接続具を有する蒸留装置を備えた4lのガラスフラスコ中で重合を行った。ペンタエリスリトールとトリエチレングリコールと触媒の表2の量の混合物を真空下に置き、徐々に180℃のオイルバスにより200〜300mbarの圧力まで加熱した。反応温度に達した後、反応混合物を攪拌し、水を上記蒸留システムで除いた。蒸留で除いた水を冷却した丸底フラスコ中に集めて秤量し、変換率を理論的に可能な完全変換に対する百分率として決定した。
General Method The polymerization was carried out in a 4 l glass flask equipped with a distillation apparatus with stirrer, reflux condenser and vacuum line fitting. A mixture of pentaerythritol, triethylene glycol and catalyst in the amounts shown in Table 2 was placed under vacuum and gradually heated to a pressure of 200-300 mbar with a 180 ° C. oil bath. After reaching the reaction temperature, the reaction mixture was stirred and water was removed with the distillation system. The water removed by distillation was collected in a cooled round bottom flask and weighed, and the conversion was determined as a percentage of the complete conversion theoretically possible.
その後、この反応混合物を減圧下で冷却させた。中和のためにKOHを反応液に添加した。次いでこの混合物をストリップして冷却した。 The reaction mixture was then allowed to cool under reduced pressure. KOH was added to the reaction solution for neutralization. The mixture was then stripped and cooled.
実施例2:ペンタエリスリトールとトリエチレングリコールとネオペンチルグリコールからのポリエーテルポリオールの製造 Example 2: Production of a polyether polyol from pentaerythritol, triethylene glycol and neopentyl glycol
攪拌器と還流冷却器と真空ライン接続具を持つ蒸留装置を備えた4lのガラスフラスコ中で重合を行った。ペンタエリスリトールとネオペンチルグリコールとトリエチレングリコールと触媒の表2の量の混合物を真空下に置き、徐々に180℃のオイルバスにより200〜300mbarの圧力まで加熱した。反応温度に達した後、反応混合物を攪拌し、水を上記蒸留システムで除いた。蒸留で除いた水を冷却した丸底フラスコ中に集めて秤量し、変換率を理論的に可能な完全変換に対する百分率として決定した。 Polymerization was carried out in a 4 liter glass flask equipped with a distillation apparatus having a stirrer, reflux condenser and vacuum line fitting. A mixture of pentaerythritol, neopentyl glycol, triethylene glycol and catalyst in the amounts shown in Table 2 was placed under vacuum and gradually heated to a pressure of 200-300 mbar with a 180 ° C. oil bath. After reaching the reaction temperature, the reaction mixture was stirred and water was removed with the distillation system. The water removed by distillation was collected in a cooled round bottom flask and weighed, and the conversion was determined as a percentage of the complete conversion theoretically possible.
その後、この反応混合物を減圧下で冷却させた。中和のためにKOHを反応液に添加した。次いでこの混合物をストリップし冷却した。 The reaction mixture was then allowed to cool under reduced pressure. KOH was added to the reaction solution for neutralization. The mixture was then stripped and cooled.
実施例3:エトキシ化トリメチロールプロパンとトリエチレングリコールからのポリエーテルポリオールの製造 Example 3: Preparation of a polyether polyol from ethoxylated trimethylolpropane and triethylene glycol
攪拌器と還流冷却器と真空ライン接続具を有する蒸留装置を備えた4lのガラスフラスコ中で重合を行った。エトキシ化トリメチロールプロパンとトリエチレングリコールと触媒の表2の量の混合物を真空下に置き、徐々に180℃のオイルバスにより200〜300mbarの圧力まで加熱した。反応温度に達した後、反応混合物を攪拌し、水を上記蒸留システムで除いた。蒸留で除いた水を冷却した丸底フラスコ中に集め、変換率を理論的に可能な完全変換に対する百分率として決定した。 Polymerization was carried out in a 4 liter glass flask equipped with a distillation apparatus having a stirrer, reflux condenser and vacuum line fitting. A mixture of ethoxylated trimethylolpropane, triethylene glycol and catalyst in the amounts shown in Table 2 was placed under vacuum and gradually heated to a pressure of 200-300 mbar with a 180 ° C. oil bath. After reaching the reaction temperature, the reaction mixture was stirred and water was removed with the distillation system. The water removed by distillation was collected in a cooled round bottom flask and the conversion was determined as a percentage of the complete conversion theoretically possible.
その後、この反応混合物を減圧下で冷却させた。中和のためにKOHを反応液に添加した。次いでこの混合物をストリップし冷却した。 The reaction mixture was then allowed to cool under reduced pressure. KOH was added to the reaction solution for neutralization. The mixture was then stripped and cooled.
本発明の生成物を、検出器として屈折計使用してゲル浸透クロマトグラフィーで分析した。用いた移動相はヘキサフルオロイソプロパノール(HFIP)であった。分子量の決定に用いた標準試薬はポリメタクリル酸メチル(PMMA)であった。OH価はDIN53240により測定した。 The product of the invention was analyzed by gel permeation chromatography using a refractometer as the detector. The mobile phase used was hexafluoroisopropanol (HFIP). The standard reagent used for molecular weight determination was polymethyl methacrylate (PMMA). The OH number was measured according to DIN 53240.
実施例4:本発明の安定化の実施(経路1)
1000mLのショット・デュランガラス瓶中に、好ましくは1〜5重量%(好ましくは表2に示すように、ペンタエリスリトールとトリエチレングリコールに対して)の多分岐のポリエーテルの好ましくは50%〜85%リン酸溶液を約800mL作製した。
Example 4: Implementation of stabilization of the present invention (path 1)
Preferably 50% to 85% of a multi-branched polyether, preferably 1-5% by weight (preferably based on pentaerythritol and triethylene glycol, as shown in Table 2) in a 1000 mL Schott Duran glass bottle. About 800 mL of a phosphoric acid solution was prepared.
厚みが350μm(CD114)で約A5サイズで、リン酸濃度が約50重量%、ポリアゾールの固体含量が約5重量%の標準的なポリアゾール膜を、H3PO4溶液に加え、1〜5重量%の上記多分岐ポリエーテルと共に60℃に加熱した。この溶液中の滞留時間は1時間である。この膜を次いで溶液から取り出し、好ましくは120〜160℃オーブン中で1時間、2個の支持体材料間で処理した。安定化を行った後、この膜を好ましくは15〜30分間、50%リン酸中に入れた。 A standard polyazole film having a thickness of 350 μm (CD114), an A5 size, a phosphoric acid concentration of about 50% by weight, and a polyazole solid content of about 5% by weight is added to the H 3 PO 4 solution to give 1-5 wt. Heated to 60 ° C. with% of the above multi-branched polyether. The residence time in this solution is 1 hour. The membrane was then removed from the solution and treated between the two support materials, preferably in a 120-160 ° C. oven for 1 hour. After stabilization, the membrane was placed in 50% phosphoric acid, preferably for 15-30 minutes.
実施例4a):本発明の安定化の実施(経路2.1)
好ましくは1〜5重量%の多分岐のポリエーテル(好ましくは表2に示すように、ペンタエリスリトールとトリエチレングリコールに対して)を攪拌下で、好ましくは2.0〜2.5重量%の高分子量ポリアゾールと好ましくは99〜103%のリン酸とからなる溶液中に加え、この混合物を好ましくは80〜120℃で、撹拌下で1時間加熱する。
Example 4a): Implementation of the stabilization of the present invention (path 2.1)
Preferably 1 to 5% by weight of a multi-branched polyether (preferably relative to pentaerythritol and triethylene glycol as shown in Table 2), preferably 2.0 to 2.5% by weight. Add to a solution of high molecular weight polyazole and preferably 99-103% phosphoric acid and heat the mixture, preferably at 80-120 ° C., with stirring for 1 hour.
次いで、この反応液を用い、塗装ナイフを使用して、厚みが約350μmの膜を得る。この膜を、好ましくは120〜160℃オーブン中で1時間、2個の支持体材料間で処理する。安定化を行った後、この膜を好ましくは15〜30分間、50%リン酸中に入れる。 Next, using this reaction solution, a coating knife is used to obtain a film having a thickness of about 350 μm. The membrane is treated between two support materials, preferably in a 120-160 ° C. oven for 1 hour. After stabilization, the membrane is preferably placed in 50% phosphoric acid for 15-30 minutes.
実施例4b):本発明の安定化の実施(経路2.2)
好ましくは1〜5重量%の多分岐のポリエーテル(好ましくは表2に示すように、ペンタエリスリトールとトリエチレングリコールに対して)を攪拌下で、好ましくは2.0−2.5重量%の高分子量ポリアゾールと好ましくは99〜103%リン酸とからなる溶液中に加え、この混合物を好ましくは80〜120℃で撹拌下で1時間加熱する。
Example 4b): Implementation of the stabilization of the present invention (path 2.2)
Preferably 1-5% by weight of a hyperbranched polyether (preferably based on pentaerythritol and triethylene glycol as shown in Table 2), preferably 2.0-2.5% by weight. Add to a solution of high molecular weight polyazole and preferably 99-103% phosphoric acid and heat the mixture, preferably at 80-120 ° C. with stirring for 1 hour.
次いで、この反応液を用い、塗装ナイフを用いて、厚みが約350μmの膜を得る。この膜を、好ましくは15〜30分間、50%リン酸中に入れる。次いで、この膜を溶液から取り出し、好ましくは120〜160℃のオーブン中で30分間、2個の支持体材料間で処理する。 Next, using this reaction solution, a film having a thickness of about 350 μm is obtained using a coating knife. The membrane is placed in 50% phosphoric acid, preferably for 15-30 minutes. The membrane is then removed from the solution and treated between the two support materials, preferably in an oven at 120-160 ° C. for 30 minutes.
攪拌温度が80℃でオーブン温度が160℃で、表1の多分岐ポリエーテルNo.3を1重量%使用すると、経路2.2により以下の性能が得られる:
−160℃で99%リン酸中の膜の不溶性
−160℃でのプロトン伝導度:196.4mS/cm
−弾性率:3.5MPa
−圧縮率:160℃での膜厚の相対的な減少:120分後で<30%(ワイザー・インプリント試験)
オーブン温度が160℃で、表1の多分岐ポリエーテルNo.2の1重量%での
85%リン酸中での使用では、経路1により以下の性能が得られる:
−160℃で99%リン酸中の膜の不溶性
−弾性率:29MPa
−圧縮率:160℃での膜厚の相対的な減少:120分後で<30%(ワイザー・インプリント試験)
攪拌温度が80℃でオーブン温度が160℃で表1の多分岐ポリエーテルNo.5を5重量%使用すると、経路1により以下の性能が得られる:
−160℃で99%リン酸中の膜の不溶性
−弾性率:26MPa
−圧縮率:160℃での膜厚の相対的な減少:120分後で<30%(ワイザー・インプリント試験)
比較のために:安定化されていないポリアゾール−リン酸膜:
−160℃で99%リン酸中の膜の可溶性
−160℃でのプロトン伝導度:120mS/cm
−弾性率:3.5MPa
−圧縮率:160℃での膜厚の相対的な減少:120分後で約80%(ワイザー・インプリント試験)
The stirring temperature was 80 ° C. and the oven temperature was 160 ° C. Using 1% by weight of 3, the following performance is obtained by route 2.2:
Insolubility of membranes in 99% phosphoric acid at −160 ° C. Proton conductivity at 160 ° C .: 196.4 mS / cm
-Elastic modulus: 3.5 MPa
-Compression ratio: relative decrease in film thickness at 160 ° C: <30% after 120 minutes (Weiser imprint test)
The oven temperature was 160 ° C., and the multibranched polyether No. 1 in Table 1 was used. For use in 85% phosphoric acid at 1% by weight of 2, route 1 provides the following performance:
-Insolubility of membrane in 99% phosphoric acid at -160 ° C-Elastic modulus: 29 MPa
-Compression ratio: relative decrease in film thickness at 160 ° C: <30% after 120 minutes (Weiser imprint test)
The stirring temperature was 80 ° C., the oven temperature was 160 ° C., and the multibranched polyether No. 1 in Table 1 was used. Using 5% by weight of 5, the following performance is obtained by route 1:
-Insolubility of membrane in 99% phosphoric acid at -160 ° C-Elastic modulus: 26 MPa
-Compression ratio: relative decrease in film thickness at 160 ° C: <30% after 120 minutes (Weiser imprint test)
For comparison: unstabilized polyazole-phosphate membrane:
Solubility of membranes in 99% phosphoric acid at −160 ° C. Proton conductivity at 160 ° C .: 120 mS / cm
-Elastic modulus: 3.5 MPa
-Compression ratio: relative reduction in film thickness at 160 ° C: about 80% after 120 minutes (Weiser imprint test)
Claims (15)
ii)少なくとも一種の高官能価ポリエーテルを安定化剤として用いて、直接及び/又は続く加工工程において25℃を超える温度に加熱して安定化反応を行う工程とを含む機械的に安定なポリアゾールの製造方法。 I) a solution comprising at least one polyazole having at least one amino group in a repeating unit, and (i) at least one strong acid and (ii) at least one stabilizer, wherein the stabilization in this solution The total amount of agent ranges from 0.01 to 30% by weight),
ii) a mechanically stable polyazole comprising a step of performing a stabilization reaction directly and / or in a subsequent processing step using at least one high functionality polyether as a stabilizer and heating to a temperature above 25 ° C. Manufacturing method.
b)工程a)からのフィルムを(i)少なくとも一種の強酸と(ii)少なくとも一種の安定化剤とを含む溶液で処理する(溶液中の安定化剤の総量は0.01〜30重量%の範囲である)工程と、
c)直接的にまたは続く膜加工工程において、工程b)で得られた膜中で25℃を超える温度に加熱して安定化反応を行う工程と、
d)必要により、さらに工程c)で得られた膜を、少なくとも一種の高官能価ポリエーテルを安定化剤として用いて、強酸でドーピングするか、あるいは存在する水を除去することにより存在する強酸を濃縮する工程とからなる請求項1〜8の少なくとも一項に記載の方法。 a) producing at least one film comprising a polyazole having at least one amino group in the repeating unit; b) producing a film from step a) by (i) at least one strong acid and (ii) at least one stable. Treatment with a solution containing a oxidant (the total amount of stabilizer in the solution is in the range of 0.01 to 30% by weight);
c) directly or in a subsequent film processing step, in the film obtained in step b), heated to a temperature exceeding 25 ° C. to carry out a stabilization reaction;
d) If necessary, the membrane obtained in step c) can be doped with a strong acid using at least one high functionality polyether as stabilizer, or a strong acid present by removing the water present. The method according to at least one of claims 1 to 8, further comprising the step of concentrating.
B’)工程A’)からの溶液または分散液を、(i)少なくとも一種の強酸と(ii)少なくとも一種の安定化剤とを含む溶液と混合する工程(溶液中の安定化剤の総量は0.01〜30重量%の範囲である)と、
C’)直接及び/又は下流の加工工程において、工程B’)で得られる溶液中または分散液中で25℃を超える温度に加熱して安定化反応を行う工程と
D’)必要により、少なくとも一種の高官能価ポリエーテルを安定化剤として用いて、工程C’)で得られるポリマーを強酸でドーピングするか、あるいは存在する水を除去することにより存在する強酸を濃縮する工程とからなる請求項1〜8の少なくとも一項に記載の方法。 A ′) producing a solution or dispersion of at least one polyazole having at least one amino group in the repeating unit in orthophosphoric acid and / or polyphosphoric acid;
B ′) mixing the solution or dispersion from step A ′) with a solution comprising (i) at least one strong acid and (ii) at least one stabilizer (the total amount of stabilizer in the solution is 0.01 to 30% by weight)
C ′) in the processing step directly and / or downstream, in the solution or dispersion obtained in step B ′) and heated to a temperature of more than 25 ° C., and D ′) if necessary, at least Claims comprising the step of doping the polymer obtained in step C ') with a strong acid using a high functionality polyether as a stabilizer or concentrating the strong acid present by removing the water present. Item 9. The method according to at least one of Items 1-8.
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