JP2015122183A - Polymer electrolyte film - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体高分子型燃料電池に有用な高分子電解質膜に関する。 The present invention relates to a polymer electrolyte membrane useful for a polymer electrolyte fuel cell.
近年、効率の高い発電システムとして燃料電池が注目されている。燃料電池は、電解質の種類によって、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、リン酸型、固体高分子型等に分類される。これらのうち、高分子電解質膜を電極(アノードおよびカソード)で挟んだ構造からなり、アノードに還元剤からなる燃料(通常は水素またはメタノール)を、カソードに酸化剤(通常は空気)を、それぞれ供給して発電する固体高分子型燃料電池は、低温作動性、小型軽量化等に優れることから、自動車用電源、ポータブル機器電源、家庭用コージェネレーションシステム等への適用が検討されている。 In recent years, fuel cells have attracted attention as highly efficient power generation systems. Fuel cells are classified into molten carbonate type, solid oxide type, phosphoric acid type, solid polymer type, etc., depending on the type of electrolyte. Of these, a polymer electrolyte membrane is sandwiched between electrodes (anode and cathode), a fuel made of a reducing agent (usually hydrogen or methanol) at the anode, and an oxidant (usually air) at the cathode. Since the polymer electrolyte fuel cell to be supplied and generate electric power is excellent in low temperature operability, small size and light weight, etc., application to automobile power sources, portable device power sources, household cogeneration systems, etc. is being studied.
固体高分子型燃料電池に用いる高分子電解質膜の材料としては、化学的な安定性からパーフルオロカーボンスルホン酸系高分子がしばしば用いられているが、フッ素を含有するため、生産時および廃棄時の環境負荷が課題となる。 Perfluorocarbon sulfonic acid polymers are often used as the material for polymer electrolyte membranes used in polymer electrolyte fuel cells because of their chemical stability. Environmental load becomes a problem.
このような事情から近年、フッ素を含有しない材料(非フッ素系材料)からなる高分子電解質膜が求められている。例えば、スルホン酸基を導入したポリエーテルエーテルケトン(PEEK)からなる高分子電解質膜が知られている(特許文献1参照)。かかる高分子電解質膜は耐熱性に優れるものの、硬質で脆いことから、割れやすく実用性に乏しい。 Under these circumstances, a polymer electrolyte membrane made of a material that does not contain fluorine (non-fluorine-based material) has recently been demanded. For example, a polymer electrolyte membrane made of polyether ether ketone (PEEK) into which a sulfonic acid group is introduced is known (see Patent Document 1). Although such a polymer electrolyte membrane is excellent in heat resistance, it is hard and brittle, so it is easily broken and lacks practical utility.
一方、芳香族ビニル化合物に由来する構造単位からなり、イオン伝導性基を有する重合体ブロックおよびフレキシブルな重合体ブロックを含むブロック共重合体からなる高分子電解質膜が知られている(特許文献2参照)。かかる高分子電解質膜は柔軟で割れにくい。また、上記イオン伝導性基を有する重合体ブロックが、フレキシブルな重合体ブロックとミクロ相分離してイオン伝導性チャンネルを形成するため、イオン伝導性に優れる。 On the other hand, there is known a polymer electrolyte membrane comprising a block unit comprising a polymer block having an ion conductive group and a flexible polymer block, which comprises a structural unit derived from an aromatic vinyl compound (Patent Document 2). reference). Such a polymer electrolyte membrane is flexible and difficult to break. Moreover, since the polymer block having the ion conductive group forms an ion conductive channel by microphase separation from the flexible polymer block, it has excellent ion conductivity.
一方、水素を燃料とする燃料電池において、高出力化のために使用温度を上げることが要求されており、かかる要求に応えるため、高分子電解質膜の熱水(たとえば90℃)に対する耐久性(耐熱水性の向上)、具体的には、熱水による高分子電解質膜の溶出の抑制が検討されている。 On the other hand, in a fuel cell using hydrogen as a fuel, it is required to increase the operating temperature for higher output. In order to meet such a demand, durability of the polymer electrolyte membrane against hot water (for example, 90 ° C.) ( Improvement of hot water resistance), specifically, suppression of elution of the polymer electrolyte membrane by hot water has been studied.
例えば、上記フレキシブルな重合体ブロックをビニル系化合物に由来する構造単位として、該フレキシブルな重合体ブロックを1,2−ポリブタジエンなどで架橋したブロック共重合体を主成分とすることで高分子電解質膜の耐熱水性が高まることが知られている(特許文献3参照)。 For example, a polymer electrolyte membrane comprising, as a main component, a block copolymer in which the flexible polymer block is a structural unit derived from a vinyl compound and the flexible polymer block is crosslinked with 1,2-polybutadiene or the like. It is known that the hot water resistance of water increases (see Patent Document 3).
しかしながら、固体高分子型燃料電池のさらなる高出力化に向けて、なお耐熱水性を改善する余地がある。 However, there is still room for improvement in hot water resistance toward higher output of the polymer electrolyte fuel cell.
したがって、本発明の目的は、非フッ素系材料からなり、柔軟で割れにくく、耐熱水性に優れる高分子電解質膜を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a polymer electrolyte membrane which is made of a non-fluorine material, is flexible and hardly cracked, and has excellent hot water resistance.
本発明によれば、上記目的は、
芳香族ビニル化合物に由来する構造単位からなり、イオン伝導性基を有する重合体ブロック(A)(以下、単に「重合体ブロック(A)」と称する)と、不飽和脂肪族炭化水素に由来する構造単位からなり、イオン伝導性基を有さない非晶性の重合体ブロック(B)(以下、単に「重合体ブロック(B)」と称する)とを含むブロック共重合体(Z)(以下、単に「ブロック共重合体(Z)」と称する)、およびオキセタン環を分子中に2つ以上有する架橋剤(X)(以下、単に「架橋剤(X)」と称する)を含有する組成物よりなり、成形後に架橋を行うことを特徴とする、高分子電解質膜を提供することで達成される。
According to the invention, the object is
A polymer block (A) composed of a structural unit derived from an aromatic vinyl compound and having an ion conductive group (hereinafter simply referred to as “polymer block (A)”) and an unsaturated aliphatic hydrocarbon A block copolymer (Z) (hereinafter, referred to as “polymer block (B)”) comprising an amorphous polymer block (B) (hereinafter simply referred to as “polymer block (B)”) comprising a structural unit and having no ion conductive group. , Simply referred to as “block copolymer (Z)”), and a crosslinking agent (X) having two or more oxetane rings in the molecule (hereinafter simply referred to as “crosslinking agent (X)”) This is achieved by providing a polymer electrolyte membrane characterized in that crosslinking is performed after molding.
本発明によれば、非フッ素系材料からなり、柔軟で割れにくく、耐熱水性に優れる高分子電解質膜を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a polymer electrolyte membrane which is made of a non-fluorine material, is flexible and hardly cracked, and has excellent hot water resistance.
(ブロック共重合体(Z))
ブロック共重合体(Z)は、芳香族ビニル化合物に由来する構造単位からなり、イオン伝導性基を有さない重合体ブロック(以下、「重合体ブロック(A0)」と称する)と重合体ブロック(B)とを含むブロック共重合体(以下、「ブロック共重合体(Z0)」と称する)の重合体ブロック(A0)にイオン伝導性基を導入することで得られる。以下、順を追って説明する。
(Block copolymer (Z))
The block copolymer (Z) is composed of a structural unit derived from an aromatic vinyl compound and does not have an ion conductive group (hereinafter referred to as “polymer block (A 0 )”) and a polymer. It is obtained by introducing an ion conductive group into a polymer block (A 0 ) of a block copolymer containing the block (B) (hereinafter referred to as “block copolymer (Z 0 )”). In the following, description will be given in order.
<重合体ブロック(A)>
重合体ブロック(A)は、重合体ブロック(A0)にイオン伝導性基を導入することで形成できる。イオン伝導性基は通常、重合体ブロック(A0)の芳香環に導入する。
<Polymer block (A)>
The polymer block (A) can be formed by introducing an ion conductive group into the polymer block (A 0 ). The ion conductive group is usually introduced into the aromatic ring of the polymer block (A 0 ).
重合体ブロック(A0)は芳香族ビニル化合物に由来する構造単位からなり、かかる芳香族ビニル化合物が有する芳香環は、ベンゼン環、ナフタレン環、アントラセン環、ピレン環等の炭素環式芳香環であるのが好ましく、ベンゼン環がより好ましい。 The polymer block (A 0 ) is composed of a structural unit derived from an aromatic vinyl compound, and the aromatic ring of the aromatic vinyl compound is a carbocyclic aromatic ring such as a benzene ring, a naphthalene ring, an anthracene ring, or a pyrene ring. Preferably, there is a benzene ring.
前記重合体ブロック(A0)を形成できる芳香族ビニル化合物としては、例えばスチレン、2−メチルスチレン、3−メチルスチレン、4−メチルスチレン、4−エチルスチレン、2,3−ジメチルスチレン、2,4−ジメチルスチレン、2,5−ジメチルスチレン、3,5−ジメチルスチレン、2−メトキシスチレン、3−メトキシスチレン、4−メトキシスチレン、ビニルビフェニル、ビニルターフェニル、ビニルナフタレン、ビニルアントラセン、ビニルピレン、4−フェノキシスチレン等が挙げられる。 Examples of the aromatic vinyl compound that can form the polymer block (A 0 ) include styrene, 2-methylstyrene, 3-methylstyrene, 4-methylstyrene, 4-ethylstyrene, 2,3-dimethylstyrene, 2, 4-dimethylstyrene, 2,5-dimethylstyrene, 3,5-dimethylstyrene, 2-methoxystyrene, 3-methoxystyrene, 4-methoxystyrene, vinylbiphenyl, vinylterphenyl, vinylnaphthalene, vinylanthracene, vinylpyrene, 4 -Phenoxystyrene etc. are mentioned.
また、上記の芳香族ビニル化合物のビニル基上の水素原子のうち、芳香環のα−位の炭素(α−炭素)に結合した水素原子が他の置換基で置換されていてもよい。かかる置換基としては、メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基等の好ましくは炭素数1〜4のアルキル基;クロロメチル基、2−クロロエチル基、3−クロロエチル基等の好ましくは炭素数1〜4のハロゲン化アルキル基;またはフェニル基等が挙げられる。これらの置換基でα−炭素に結合した水素原子が置換された芳香族ビニル化合物としては、α−メチルスチレン、α−メチル−4−メチルスチレン、α−メチル−2−メチルスチレン、α−メチル−4−エチルスチレン、1,1−ジフェニルエチレン等が挙げられる。 Of the hydrogen atoms on the vinyl group of the aromatic vinyl compound, the hydrogen atom bonded to the α-position carbon (α-carbon) of the aromatic ring may be substituted with another substituent. Such a substituent is preferably an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms such as methyl group, ethyl group, n-propyl group, isopropyl group, n-butyl group, isobutyl group, sec-butyl group, and tert-butyl group; A chloromethyl group, a 2-chloroethyl group, a 3-chloroethyl group and the like, preferably a halogenated alkyl group having 1 to 4 carbon atoms; or a phenyl group. Examples of the aromatic vinyl compound in which a hydrogen atom bonded to the α-carbon is substituted with these substituents include α-methylstyrene, α-methyl-4-methylstyrene, α-methyl-2-methylstyrene, α-methyl. Examples include -4-ethylstyrene, 1,1-diphenylethylene, and the like.
上記した重合体ブロック(A0)を形成できる芳香族ビニル化合物のうち、スチレン、α−メチルスチレン、4−メチルスチレン、4−エチルスチレン、α−メチル−4−メチルスチレン、α−メチル−2−メチルスチレン、ビニルビフェニル、1,1−ジフェニルエチレンが好ましく、スチレン、α−メチルスチレン、4−メチルスチレン、1,1−ジフェニルエチレンがより好ましく、スチレンがさらに好ましい。 Among the aromatic vinyl compounds that can form the above polymer block (A 0 ), styrene, α-methylstyrene, 4-methylstyrene, 4-ethylstyrene, α-methyl-4-methylstyrene, α-methyl-2 -Methyl styrene, vinyl biphenyl and 1,1-diphenylethylene are preferable, styrene, α-methylstyrene, 4-methylstyrene and 1,1-diphenylethylene are more preferable, and styrene is more preferable.
これら芳香族ビニル化合物を単量体として、1種を単独で、または2種以上を混合して重合することで重合体ブロック(A0)を形成できる。 A polymer block (A 0 ) can be formed by polymerizing these aromatic vinyl compounds as monomers, one kind alone, or two or more kinds mixed.
本発明において重合体ブロック(A0)は、本発明の効果を損なわない範囲内で1種または2種以上の芳香族ビニル化合物に由来しない他の構造単位を含んでいてもよい。かかる他の構造単位を形成できる単量体としては、例えば、ブタジエン、1,3−ペンタジエン、イソプレン、1,3−ヘキサジエン、2,3−ジメチル−1,3−ブタジエン、2−エチル−1,3−ブタジエン、1,3−ヘプタジエン等の好ましくは炭素数4〜8の共役ジエン;エチレン、プロピレン、1−ブテン、イソブテン、1−ペンテン、1−ヘキセン、1−ヘプテン、1−オクテン等の好ましくは炭素数2〜8のアルケン;(メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸ブチル等の(メタ)アクリル酸エステル;酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、ピバリン酸ビニル等のビニルエステル;メチルビニルエーテル、イソブチルビニルエーテル等のビニルエーテル;が挙げられる。この場合、これら他の単量体と、前述した芳香族ビニル化合物との共重合形態はランダム共重合が好ましい。これら他の単量体の使用量は、重合体ブロック(A0)の形成に用いる単量体の5モル%以下であることが好ましい。 In the present invention, the polymer block (A 0 ) may contain other structural units not derived from one or more aromatic vinyl compounds within a range not impairing the effects of the present invention. Examples of monomers that can form such other structural units include butadiene, 1,3-pentadiene, isoprene, 1,3-hexadiene, 2,3-dimethyl-1,3-butadiene, 2-ethyl-1, Preferably conjugated dienes having 4 to 8 carbon atoms such as 3-butadiene and 1,3-heptadiene; ethylene, propylene, 1-butene, isobutene, 1-pentene, 1-hexene, 1-heptene, 1-octene and the like Is an alkene having 2 to 8 carbon atoms; (meth) acrylic acid ester such as methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate, butyl (meth) acrylate; vinyl acetate, vinyl propionate, vinyl butyrate, pivalic acid Vinyl esters such as vinyl; vinyl ethers such as methyl vinyl ether and isobutyl vinyl ether; In this case, the copolymerization form of these other monomers and the above-described aromatic vinyl compound is preferably random copolymerization. The amount of these other monomers used is preferably 5 mol% or less of the monomer used for forming the polymer block (A 0 ).
重合体ブロック(A0)1つあたりの数平均分子量(Mn)は、標準ポリスチレン換算値として通常1,000〜100,000の範囲が好ましく、2,000〜70,000の範囲がより好ましく、3,000〜40,000の範囲がさらに好ましい。かかるMnが1,000以上であればイオン伝導性が良好となり、100,000以下であればブロック共重合体(Z)の製膜性が良好となるので、本発明の高分子電解質膜の製造上有利となる。 The number average molecular weight (Mn) per polymer block (A 0 ) is usually preferably in the range of 1,000 to 100,000, more preferably in the range of 2,000 to 70,000 as a standard polystyrene equivalent value. The range of 3,000 to 40,000 is more preferable. If the Mn is 1,000 or more, the ion conductivity is good, and if it is 100,000 or less, the film-forming property of the block copolymer (Z) is good. Thus, the production of the polymer electrolyte membrane of the present invention is possible. This is advantageous.
重合体ブロック(A0)の有するイオン伝導性基としては、プロトン伝導性基が好ましく、−SO3MまたはPO3HM(式中、Mは水素原子、アンモニウムイオンまたはアルカリ金属イオンを表す)で示されるスルホン酸基、ホスホン酸基およびそれらの塩から選ばれる1種以上がより好ましく、スルホン酸基およびその塩から選ばれる1種以上がさらに好ましく、スルホン酸基が特に好ましい。 The ion conductive group possessed by the polymer block (A 0 ) is preferably a proton conductive group, and —SO 3 M or PO 3 HM (wherein M represents a hydrogen atom, an ammonium ion or an alkali metal ion). One or more selected from sulfonic acid groups, phosphonic acid groups and salts thereof shown are more preferable, one or more selected from sulfonic acid groups and salts thereof are more preferable, and sulfonic acid groups are particularly preferable.
<重合体ブロック(B)>
重合体ブロック(B)は、不飽和脂肪族炭化水素に由来する構造単位からなり、イオン伝導性基を有さない非晶性の重合体ブロックである。なお、重合体ブロック(B)の非晶性は、ブロック共重合体(Z)の動的粘弾性を測定して、結晶性オレフィン重合体由来の貯蔵弾性率の変化がないことで確認できる。
<Polymer block (B)>
The polymer block (B) is an amorphous polymer block composed of a structural unit derived from an unsaturated aliphatic hydrocarbon and having no ion conductive group. In addition, the amorphous property of a polymer block (B) can be confirmed by measuring the dynamic viscoelasticity of a block copolymer (Z), and not having the change of the storage elastic modulus derived from a crystalline olefin polymer.
上記重合体ブロック(B)を形成できる不飽和脂肪族炭化水素としては、例えばエチレン、プロピレン、1−ブテン、イソブテン、1−ペンテン、1−ヘキセン、1−ヘプテン、1−オクテン等の炭素数2〜8のアルケン;ビニルシクロペンタン、ビニルシクロヘキサン、ビニルシクロヘプタン、ビニルシクロオクタン等の好ましくは炭素数7〜10のビニルシクロアルカン;ビニルシクロペンテン、ビニルシクロヘキセン、ビニルシクロヘプテン、ビニルシクロオクテン等の好ましくは炭素数7〜10のビニルシクロアルケン;ブタジエン、1,3−ペンタジエン、イソプレン、1,3−ヘキサジエン、2,3−ジメチル−1,3−ブタジエン、2−エチル−1,3−ブタジエン、1,3−ヘプタジエン等の好ましくは炭素数4〜8の共役ジエン;シクロペンタジエン、1,3−シクロヘキサジエン等の好ましくは炭素数5〜8の共役シクロアルカジエン;が挙げられ、エチレン、プロピレン、1−ブテン、イソブテン、1−ペンテン、1−ヘキセン、1−ヘプテン、1−オクテン等の炭素数2〜8のアルケン;ブタジエン、1,3−ペンタジエン、イソプレン、1,3−ヘキサジエン、2,3−ジメチル−1,3−ブタジエン、2−エチル−1,3−ブタジエン、1,3−ヘプタジエン等の炭素数4〜8の共役ジエン;から選ばれる不飽和脂肪族炭化水素が好ましく、炭素数4〜8の共役ジエンがより好ましく、イソブテン、ブタジエンおよびイソプレンから選ばれる不飽和脂肪族炭化水素がさらに好ましく、ブタジエンおよびイソプレンから選ばれる不飽和脂肪族炭化水素が特に好ましい。これら不飽和脂肪族炭化水素を単量体として、1種を単独で、または2種以上を混合して重合し、重合体ブロック(B)を形成する。 Examples of the unsaturated aliphatic hydrocarbon capable of forming the polymer block (B) include 2 carbon atoms such as ethylene, propylene, 1-butene, isobutene, 1-pentene, 1-hexene, 1-heptene, and 1-octene. -8 alkenes; preferably vinylcycloalkanes having 7 to 10 carbon atoms such as vinylcyclopentane, vinylcyclohexane, vinylcycloheptane, vinylcyclooctane; preferred such as vinylcyclopentene, vinylcyclohexene, vinylcycloheptene, vinylcyclooctene Is a vinylcycloalkene having 7 to 10 carbon atoms; butadiene, 1,3-pentadiene, isoprene, 1,3-hexadiene, 2,3-dimethyl-1,3-butadiene, 2-ethyl-1,3-butadiene, 1 , 3-heptadiene, etc., preferably 4-8 carbon conjugates Ethylene, propylene, 1-butene, isobutene, 1-pentene, 1-hexene, 1-hexene, cyclopentadiene, 1,3-cyclohexadiene and the like. Alkenes having 2 to 8 carbon atoms such as heptene and 1-octene; butadiene, 1,3-pentadiene, isoprene, 1,3-hexadiene, 2,3-dimethyl-1,3-butadiene, 2-ethyl-1,3 An unsaturated aliphatic hydrocarbon selected from conjugated diene having 4 to 8 carbon atoms such as butadiene and 1,3-heptadiene, more preferably a conjugated diene having 4 to 8 carbon atoms, selected from isobutene, butadiene and isoprene. More preferred is an unsaturated aliphatic hydrocarbon selected from butadiene and isoprene. Preferred. Using these unsaturated aliphatic hydrocarbons as a monomer, one kind is used alone, or two or more kinds are mixed and polymerized to form a polymer block (B).
また、重合体ブロック(B)は、使用温度領域においてブロック共重合体(Z)に柔軟性を与えるという重合体ブロック(B)の効果を損なわない範囲で、不飽和脂肪族炭化水素に由来しない他の構造単位を含んでいてもよい。かかる他の構造単位を形成できる単量体としては、例えばスチレン、ビニルナフタレン等の芳香族ビニル化合物;塩化ビニル等のハロゲン含有ビニル化合物;酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、ピバリン酸ビニル等のビニルエステル;メチルビニルエーテル、イソブチルビニルエーテル等のビニルエーテル;等が挙げられる。この場合、これら他の単量体と、前述した不飽和脂肪族炭化水素との共重合形態はランダム共重合が好ましい。これら他の単量体の使用量は、重合体ブロック(B)の形成に用いる単量体の5モル%以下であることが好ましい。 Further, the polymer block (B) is not derived from an unsaturated aliphatic hydrocarbon as long as the effect of the polymer block (B) that gives the block copolymer (Z) flexibility in the use temperature range is not impaired. Other structural units may be included. Examples of monomers that can form such other structural units include aromatic vinyl compounds such as styrene and vinyl naphthalene; halogen-containing vinyl compounds such as vinyl chloride; vinyl acetate, vinyl propionate, vinyl butyrate, and vinyl pivalate. Vinyl esters; vinyl ethers such as methyl vinyl ether and isobutyl vinyl ether; and the like. In this case, the copolymerization form of these other monomers with the unsaturated aliphatic hydrocarbon described above is preferably random copolymerization. It is preferable that the usage-amount of these other monomers is 5 mol% or less of the monomer used for formation of a polymer block (B).
上記不飽和脂肪族炭化水素が炭素−炭素二重結合を複数有する場合、そのいずれが重合に用いられてもよく、例えば共役ジエンの場合には1,2−結合単位または1,4−結合単位のいずれの結合単位となってもよい。共役ジエンを重合して形成した重合体ブロックには通常、炭素−炭素二重結合が残るが、耐熱劣化性の向上等の観点から、ブロック共重合体(Z0)を重合した後に水素添加反応(以下、「水添反応」と称する)を行い、かかる炭素−炭素二重結合を水素添加(以下、「水添」と称する)することが好ましい。かかる炭素−炭素二重結合の水素添加率(以下、「水添率」と称する)は30モル%以上が好ましく、50モル%以上がより好ましく、95モル%以上がさらに好ましい。このようにして重合体ブロック(B)中の炭素−炭素二重結合を低減させることで、高分子電解質膜の劣化を抑制できる。 When the unsaturated aliphatic hydrocarbon has a plurality of carbon-carbon double bonds, any of them may be used for polymerization. For example, in the case of a conjugated diene, a 1,2-bond unit or a 1,4-bond unit Any of these bond units may be used. A polymer block formed by polymerizing a conjugated diene usually retains a carbon-carbon double bond, but from the viewpoint of improving heat deterioration resistance, etc., after the block copolymer (Z 0 ) is polymerized, a hydrogenation reaction It is preferable to carry out (hereinafter referred to as “hydrogenation reaction”) and to hydrogenate the carbon-carbon double bond (hereinafter referred to as “hydrogenation”). The hydrogenation rate of such a carbon-carbon double bond (hereinafter referred to as “hydrogenation rate”) is preferably 30 mol% or more, more preferably 50 mol% or more, and further preferably 95 mol% or more. Thus, the deterioration of a polymer electrolyte membrane can be suppressed by reducing the carbon-carbon double bond in a polymer block (B).
また、ブロック共重合体(Z0)を重合した後にイオン伝導性基を導入してブロック共重合体(Z)とする場合に、重合体ブロック(B)が飽和炭化水素構造であれば、重合体ブロック(B)へのイオン伝導性基の導入が起こりにくいため好ましい。したがって、ブロック共重合体(Z0)を重合した後に重合体ブロック(B)に残存する炭素−炭素二重結合の水添反応を行う場合は、イオン伝導性基を導入する前に行うことが望ましい。
なお、炭素−炭素二重結合の水添率は、1H−NMR測定によって算出できる。
Further, when an ion conductive group is introduced after polymerizing the block copolymer (Z 0 ) to form the block copolymer (Z), if the polymer block (B) is a saturated hydrocarbon structure, It is preferable because introduction of an ion conductive group into the combined block (B) hardly occurs. Therefore, when the hydrogenation reaction of the carbon-carbon double bond remaining in the polymer block (B) after polymerizing the block copolymer (Z 0 ) is performed before introducing the ion conductive group. desirable.
The hydrogenation rate of the carbon-carbon double bond can be calculated by 1 H-NMR measurement.
重合体ブロック(B)1つあたりのMnは、標準ポリスチレン換算値として、通常5,000〜250,000の範囲であるのが好ましく、7,000〜200,000の範囲であるのがより好ましく、10,000〜100,000の範囲であるのがさらに好ましく、30,000〜70,000の範囲であるのが特に好ましい。かかるMnが5,000以上であれば機械的強度が良好となり、250,000以下であればブロック共重合体(Z)の製膜性が良好となるので本発明の高分子電解質膜の製造上有利となる。 The Mn per polymer block (B) is usually preferably in the range of 5,000 to 250,000, more preferably in the range of 7,000 to 200,000 as a standard polystyrene equivalent value. The range of 10,000 to 100,000 is more preferable, and the range of 30,000 to 70,000 is particularly preferable. If the Mn is 5,000 or more, the mechanical strength is good, and if it is 250,000 or less, the film-forming property of the block copolymer (Z) is good. Therefore, in the production of the polymer electrolyte membrane of the present invention. It will be advantageous.
<他の重合体ブロック(C)>
ブロック共重合体(Z)は、さらに、芳香族ビニル化合物に由来する構造単位からなり、イオン伝導性基を有さない重合体ブロック(C)を含んでいてもよい。本発明の高分子電解質膜において、重合体ブロック(C)は、重合体ブロック(A)および重合体ブロック(B)とミクロ相分離構造を形成する。
<Other polymer block (C)>
The block copolymer (Z) may further include a polymer block (C) that is composed of a structural unit derived from an aromatic vinyl compound and does not have an ion conductive group. In the polymer electrolyte membrane of the present invention, the polymer block (C) forms a microphase separation structure with the polymer block (A) and the polymer block (B).
重合体ブロック(C)は、製造上の優位性から、下記の一般式(1) The polymer block (C) has the following general formula (1) because of its manufacturing advantages.
(式中、R1は水素原子または炭素数1〜4のアルキル基を表し、R2は炭素数3〜8のアルキル基を表し、R3およびR4はそれぞれ独立して水素原子または炭素数3〜8のアルキル基を表す。)
で示される芳香族ビニル化合物に由来する構造単位からなることが好ましい。
重合体ブロック(C)が、芳香環上に少なくとも1つの炭素数3〜8のアルキル基を有する芳香族ビニル化合物に由来する構造単位であると、後述するように重合体ブロック(A0)、重合体ブロック(B)、および重合体ブロック(C)を含むブロック共重合体(Z0)を製造した後にイオン伝導性基を導入して重合体ブロック(Z)を製造する際に、重合体ブロック(A0)に選択的にイオン伝導性基を導入することができる。
(In the formula, R 1 represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, R 2 represents an alkyl group having 3 to 8 carbon atoms, and R 3 and R 4 each independently represent a hydrogen atom or a carbon number. Represents an alkyl group of 3 to 8)
It is preferable that it consists of the structural unit derived from the aromatic vinyl compound shown by these.
When the polymer block (C) is a structural unit derived from an aromatic vinyl compound having at least one alkyl group having 3 to 8 carbon atoms on the aromatic ring, the polymer block (A 0 ) as described later, When producing a polymer block (Z) by introducing an ion conductive group after producing a polymer block (B) and a block copolymer (Z 0 ) containing the polymer block (C) An ion conductive group can be selectively introduced into the block (A 0 ).
上記一般式(1)で示される構造単位を形成するための芳香族ビニル化合物としては、4−プロピルスチレン、4−イソプロピルスチレン、4−ブチルスチレン、4−イソブチルスチレン、4−tert−ブチルスチレン、4−オクチルスチレン、α−メチル−4−tert−ブチルスチレン、α−メチル−4−イソプロピルスチレン等が挙げられ、4−tert−ブチルスチレン、4−イソプロピルスチレン、α−メチル−4−tert−ブチルスチレン、α−メチル−4−イソプロピルスチレンがより好ましく、4−tert−ブチルスチレンがさらに好ましい。これら芳香族ビニル化合物を単量体として、1種を単独で、または2種以上を混合して重合し、重合体ブロック(C)を形成する。 Examples of the aromatic vinyl compound for forming the structural unit represented by the general formula (1) include 4-propylstyrene, 4-isopropylstyrene, 4-butylstyrene, 4-isobutylstyrene, 4-tert-butylstyrene, 4-octyl styrene, α-methyl-4-tert-butyl styrene, α-methyl-4-isopropyl styrene and the like can be mentioned. 4-tert-butyl styrene, 4-isopropyl styrene, α-methyl-4-tert-butyl Styrene and α-methyl-4-isopropylstyrene are more preferable, and 4-tert-butylstyrene is more preferable. Using these aromatic vinyl compounds as monomers, one type is polymerized alone, or two or more types are mixed to form a polymer block (C).
重合体ブロック(C)は、本発明の効果を損なわない範囲内で1種または2種以上の芳香族ビニル化合物に由来しない他の構造単位を含んでいてもよい。かかる他の構造単位を形成できる単量体としては、例えばブタジエン、1,3−ペンタジエン、イソプレン、1,3−ヘキサジエン、2,4−ヘキサジエン、2,3−ジメチル−1,3−ブタジエン、2−エチル−1,3−ブタジエン、1,3−ヘプタジエン等の好ましくは炭素数4〜8の共役ジエン;エチレン、プロピレン、1−ブテン、イソブテン、1−ペンテン、1−ヘキセン、1−ヘプテン、1−オクテン等の好ましくは炭素数2〜8のアルケン;(メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸ブチル等の(メタ)アクリル酸エステル;酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、ピバリン酸ビニル等のビニルエステル;メチルビニルエーテル、イソブチルビニルエーテル等のビニルエーテル;が挙げられる。この場合、これら他の単量体と、前述した芳香族ビニル化合物との共重合形態はランダム共重合が好ましい。これら他の単量体の使用量は、重合体ブロック(C)の形成に用いる単量体の5モル%以下であることが好ましい。 The polymer block (C) may contain other structural units not derived from one or more aromatic vinyl compounds within a range not impairing the effects of the present invention. Examples of the monomer capable of forming such other structural units include butadiene, 1,3-pentadiene, isoprene, 1,3-hexadiene, 2,4-hexadiene, 2,3-dimethyl-1,3-butadiene, 2 -Preferably a conjugated diene having 4 to 8 carbon atoms such as ethyl-1,3-butadiene, 1,3-heptadiene; ethylene, propylene, 1-butene, isobutene, 1-pentene, 1-hexene, 1-heptene, 1 -Alkenes preferably having 2 to 8 carbon atoms such as octene; (meth) acrylate esters such as methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate, butyl (meth) acrylate; vinyl acetate, vinyl propionate, Vinyl esters such as vinyl butyrate and vinyl pivalate; vinyl ethers such as methyl vinyl ether and isobutyl vinyl ether; It is below. In this case, the copolymerization form of these other monomers and the above-described aromatic vinyl compound is preferably random copolymerization. It is preferable that the usage-amount of these other monomers is 5 mol% or less of the monomer used for formation of a polymer block (C).
重合体ブロック(C)1つあたりのMnは、標準ポリスチレン換算値として、通常1,000〜50,000の範囲であるのが好ましく、1,500〜30,000の範囲であるのがより好ましく、2,000〜20,000の範囲であるのがさらに好ましい。かかるMnが1,000以上であれば、高分子電解質膜の力学特性が優れる傾向となり、50,000以下であれば、高分子電解質の成形性、製膜性が良好となる。 Mn per polymer block (C) is preferably in the range of 1,000 to 50,000, more preferably in the range of 1,500 to 30,000, as a standard polystyrene equivalent value. More preferably, it is in the range of 2,000 to 20,000. If Mn is 1,000 or more, the mechanical properties of the polymer electrolyte membrane tend to be excellent, and if it is 50,000 or less, the moldability and film forming property of the polymer electrolyte are good.
本発明の高分子電解質膜を構成するブロック共重合体(Z)が重合体ブロック(C)を含む場合、ブロック共重合体(Z)に占める重合体ブロック(C)の割合は40質量%以下であるのが好ましく、35質量%以下であるのがより好ましく、30質量%以下であるのがさらに好ましい。 When the block copolymer (Z) constituting the polymer electrolyte membrane of the present invention contains a polymer block (C), the proportion of the polymer block (C) in the block copolymer (Z) is 40% by mass or less. It is preferable that it is 35 mass% or less, and it is more preferable that it is 30 mass% or less.
<ブロック共重合体(Z0)の製造>
本発明の高分子電解質膜を構成するブロック共重合体(Z)は、前述した各単量体を重合して、重合体ブロック(A0)と重合体ブロック(B)とを含むブロック共重合体(Z0)を製造した後、重合体ブロック(A0)にイオン伝導性基を導入する方法によって製造できる。
<Production of block copolymer (Z 0 )>
The block copolymer (Z) constituting the polymer electrolyte membrane of the present invention is a block copolymer comprising a polymer block (A 0 ) and a polymer block (B) by polymerizing each of the aforementioned monomers. After producing the coalescence (Z 0 ), it can be produced by a method of introducing an ion conductive group into the polymer block (A 0 ).
ブロック共重合体(Z0)の製造方法は適宜選択できるが、リビングラジカル重合法、リビングアニオン重合法およびリビングカチオン重合法から選ばれる重合法によって、前述した各単量体を重合する方法が好ましい。 The production method of the block copolymer (Z 0 ) can be selected as appropriate, but a method of polymerizing each monomer described above by a polymerization method selected from a living radical polymerization method, a living anion polymerization method and a living cation polymerization method is preferable. .
重合体ブロック(A0)と共役ジエンからなる重合体ブロック(B)を成分とするブロック共重合体(Z0)を製造する方法としては、例えば
(1)シクロヘキサン溶媒中でアニオン重合開始剤を用いて、20〜100℃の温度条件下で、芳香族ビニル化合物、共役ジエン、芳香族ビニル化合物を逐次アニオン重合させA−B−A型ブロック共重合体を得る方法;
(2)シクロヘキサン溶媒中でアニオン重合開始剤を用いて、20〜100℃の温度条件下で芳香族ビニル化合物、共役ジエンを逐次アニオン重合させた後、安息香酸フェニル等のカップリング剤を添加してA−B−A型ブロック共重合体を得る方法;
(3)非極性溶媒中、有機リチウム化合物を開始剤として用い、0.1〜10質量%濃度の極性化合物の存在下、−30〜30℃の温度にて、5〜50質量%濃度の芳香族ビニル化合物をアニオン重合させ、得られるリビングポリマーに共役ジエンをアニオン重合させた後、安息香酸フェニル等のカップリング剤を添加して、A−B−A型ブロック共重合体を得る方法;
等が挙げられる。
また、重合体ブロック(A0)とイソブテンからなる重合体ブロック(B)を成分とするブロック共重合体(Z0)を製造する方法としては、例えば
(4)ハロゲン系/炭化水素系混合溶媒中、−78℃で、2官能性ハロゲン化開始剤を用いて、ルイス酸存在下、イソブテンをカチオン重合させた後、芳香族ビニル化合物をカチオン重合させて、A−B−A型ブロック共重合体を得る方法;
等が挙げられる。
なお、必要に応じて、上記アニオン重合やカチオン重合において反応させる成分を変えたり、追加したりすることによって、ブロック共重合体の成分として、重合体ブロック(C)を加えることができる。
As a method for producing a block copolymer (Z 0 ) comprising as a component a polymer block (B) comprising a polymer block (A 0 ) and a conjugated diene, for example, (1) an anionic polymerization initiator is used in a cyclohexane solvent. A method of obtaining an ABA type block copolymer by sequentially anionic polymerization of an aromatic vinyl compound, a conjugated diene and an aromatic vinyl compound under a temperature condition of 20 to 100 ° C .;
(2) An anionic polymerization initiator is used in a cyclohexane solvent, and an aromatic vinyl compound and a conjugated diene are successively subjected to anionic polymerization under a temperature condition of 20 to 100 ° C., and then a coupling agent such as phenyl benzoate is added. To obtain an ABA type block copolymer;
(3) In a nonpolar solvent, an organolithium compound is used as an initiator, and in the presence of a polar compound having a concentration of 0.1 to 10% by mass, a fragrance having a concentration of 5 to 50% by mass at a temperature of -30 to 30 ° C A method of obtaining an ABA type block copolymer by anionic polymerization of an aromatic vinyl compound and anionic polymerization of a conjugated diene to the resulting living polymer, and then adding a coupling agent such as phenyl benzoate;
Etc.
Further, as a method for producing a block copolymer (Z 0 ) comprising a polymer block (A 0 ) and a polymer block (B) composed of isobutene as components, for example, (4) a halogen / hydrocarbon mixed solvent At -78 ° C, isobutene was cationically polymerized in the presence of Lewis acid using a bifunctional halogenated initiator, and then an aromatic vinyl compound was cationically polymerized to form an ABA block copolymer. A method of obtaining coalescence;
Etc.
In addition, a polymer block (C) can be added as a component of a block copolymer by changing or adding the component made to react in the said anionic polymerization or cationic polymerization as needed.
ブロック共重合体(Z0)のMnは特に制限されないが、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)法により測定された標準ポリスチレン換算値として、通常、10,000〜300,000の範囲が好ましく、15,000〜250,000の範囲がより好ましく、40,000〜100,000の範囲がさらに好ましい。 The Mn of the block copolymer (Z 0 ) is not particularly limited, but the standard polystyrene conversion value measured by gel permeation chromatography (GPC) method is usually preferably in the range of 10,000 to 300,000. The range of 20,000 to 250,000 is more preferable, and the range of 40,000 to 100,000 is more preferable.
ブロック共重合体(Z0)においては、イオン伝導性と機械的強度の観点から、(重合体ブロック(A0)の合計量):(重合体ブロック(B)の合計量)は質量比で95:5〜5:95の範囲であるのが好ましく、65:35〜15:85の範囲であるのがより好ましく、55:45〜20:80の範囲であるのがさらに好ましい。 In the block copolymer (Z 0 ), from the viewpoint of ion conductivity and mechanical strength, (total amount of polymer block (A 0 )) :( total amount of polymer block (B)) is a mass ratio. The range is preferably from 95: 5 to 5:95, more preferably from 65:35 to 15:85, and even more preferably from 55:45 to 20:80.
<ブロック共重合体(Z)の製造>
ブロック共重合体(Z0)にイオン伝導性基を導入して、ブロック共重合体(Z)を製造する方法について以下に述べる。
<Production of block copolymer (Z)>
A method for producing a block copolymer (Z) by introducing an ion conductive group into the block copolymer (Z 0 ) will be described below.
まず、該ブロック共重合体(Z0)にスルホン酸基を導入する方法について述べる。スルホン酸基の導入(スルホン化)は、公知の方法で行える。例えば、ブロック共重合体(Z0)の有機溶媒溶液や懸濁液を調製し、かかる溶液や懸濁液に後述するスルホン化剤を添加し混合する方法や、ブロック共重合体(Z0)に直接ガス状のスルホン化剤を添加する方法が挙げられる。 First, a method for introducing a sulfonic acid group into the block copolymer (Z 0 ) will be described. Introduction of a sulfonic acid group (sulfonation) can be performed by a known method. For example, the block copolymer (Z 0) the organic solvent solution or suspension is prepared and such solutions and a method of mixing by adding a sulfonating agent to be described later to the suspension, the block copolymer (Z 0) And a method of directly adding a gaseous sulfonating agent.
スルホン化剤としては、硫酸;硫酸と酸無水物との混合物;クロロスルホン酸;クロロスルホン酸と塩化トリメチルシリルとの混合物;三酸化硫黄;三酸化硫黄とトリエチルホスフェートとの混合物;2,4,6−トリメチルベンゼンスルホン酸に代表される芳香族有機スルホン酸等が例示される。これらのうち、硫酸と酸無水物との混合物が好ましい。また、使用する有機溶媒としては、塩化メチレン等のハロゲン化炭化水素、ヘキサン等の直鎖脂肪族炭化水素、シクロヘキサン等の環状脂肪族炭化水素、ニトロベンゼン等の電子求引基を有する芳香族化合物等が例示できる。 Sulfonating agents include: sulfuric acid; a mixture of sulfuric acid and acid anhydride; chlorosulfonic acid; a mixture of chlorosulfonic acid and trimethylsilyl chloride; sulfur trioxide; a mixture of sulfur trioxide and triethyl phosphate; -Aromatic organic sulfonic acid represented by trimethylbenzenesulfonic acid and the like are exemplified. Of these, a mixture of sulfuric acid and acid anhydride is preferred. Examples of the organic solvent to be used include halogenated hydrocarbons such as methylene chloride, linear aliphatic hydrocarbons such as hexane, cyclic aliphatic hydrocarbons such as cyclohexane, aromatic compounds having an electron withdrawing group such as nitrobenzene, etc. Can be illustrated.
次に、ブロック共重合体(Z0)にホスホン酸基を導入する方法について述べる。ホスホン酸基の導入(ホスホン化)は、公知の方法で行える。例えば、重合体ブロック(A0)の芳香環に塩化アルミニウム存在下でハロメチルエーテルを反応させてハロメチル基を導入し、次いで三塩化リンおよび塩化アルミニウムと反応させてリン誘導体に置換したのち、加水分解によってホスホン酸基に変換する方法;前記芳香族ビニル化合物の芳香環に三塩化リンと無水塩化アルミニウムを反応させて導入したホスフィン酸基を、硝酸により酸化してホスホン酸基に変換する方法が挙げられる。 Next, a method for introducing a phosphonic acid group into the block copolymer (Z 0 ) will be described. Introduction (phosphonation) of a phosphonic acid group can be performed by a known method. For example, the aromatic ring of the polymer block (A 0 ) is reacted with halomethyl ether in the presence of aluminum chloride to introduce a halomethyl group, and then reacted with phosphorus trichloride and aluminum chloride to be substituted with a phosphorus derivative. A method of converting to a phosphonic acid group by decomposition; a method of converting a phosphinic acid group introduced by reacting phosphorus trichloride and anhydrous aluminum chloride into an aromatic ring of the aromatic vinyl compound into nitric acid to convert it to a phosphonic acid group Can be mentioned.
ブロック共重合体(Z)における、重合体ブロック(A)が有する芳香族ビニル化合物に由来する構造単位に対するイオン伝導性基の導入率(スルホン化率、ホスホン化率等)は、1H−NMRを用いて算出することができる。 In the block copolymer (Z), the introduction rate (sulfonation rate, phosphonation rate, etc.) of the ion conductive group with respect to the structural unit derived from the aromatic vinyl compound of the polymer block (A) is 1 H-NMR. Can be used to calculate.
ブロック共重合体(Z)のイオン交換容量は0.40〜4.50meq/gの範囲が好ましく、1.00〜3.50meq/gの範囲がより好ましく、1.50〜3.00meq/gの範囲がさらに好ましい。イオン交換容量が、0.40meq/g以上であるとイオン伝導性が良好であり、4.50meq/g以下であると膨潤しにくくなる。ブロック共重合体(Z)のイオン交換容量は、酸価滴定法を用いて算出できる。 The ion exchange capacity of the block copolymer (Z) is preferably in the range of 0.40 to 4.50 meq / g, more preferably in the range of 1.00 to 3.50 meq / g, and 1.50 to 3.00 meq / g. The range of is more preferable. When the ion exchange capacity is 0.40 meq / g or more, the ionic conductivity is good, and when it is 4.50 meq / g or less, it is difficult to swell. The ion exchange capacity of the block copolymer (Z) can be calculated using an acid value titration method.
また、ブロック共重合体(Z)は、重合体ブロック(A)および/または重合体ブロック(B)を、それぞれ、1つ有していてもよいし、複数有していてもよい。重合体ブロック(A)を複数有する場合、それらの構造(構造単位の種類、重合度、イオン伝導性基の種類や導入割合等)は、互いに同じであってもよく、異なっていてもよい。また、重合体ブロック(B)を複数有する場合、それらの構造(構造単位の種類、重合度等)は、互いに同じであってもよく、異なっていてもよい。 Further, the block copolymer (Z) may have one or more polymer blocks (A) and / or polymer blocks (B). When there are a plurality of polymer blocks (A), their structures (kind of structural unit, degree of polymerization, kind of ion conductive group, introduction ratio, etc.) may be the same or different. Moreover, when it has two or more polymer blocks (B), those structures (kind of a structural unit, a polymerization degree, etc.) may mutually be the same, and may differ.
ブロック共重合体(Z)における重合体ブロック(A)および重合体ブロック(B)の結合配列に特に制限はない。各重合体ブロックは直線状に結合していても、分岐して結合していてもよい。すなわち本発明で用いるブロック共重合体(Z)はグラフト共重合体を包含する。
当該ブロック共重合体(Z)における、重合体ブロック(A)および重合体ブロック(B)の結合配列の例として、A−B型ジブロック共重合体(A、Bはそれぞれ、重合体ブロック(A)、重合体ブロック(B)を表す。以下同様)、A−B−A型トリブロック共重合体、B−A−B型トリブロック共重合体、A−B−A−B型テトラブロック共重合体、A−B−A−B−A型ペンタブロック共重合体、B−A−B−A−B型ペンタブロック共重合体、(A−B)nD型星形共重合体(Dはカップリング剤残基、nは2以上の整数を表す。以下、同様)、(B−A)nD型星形共重合体等が挙げられ、機械的強度、イオン伝導性の観点から、A−B−A型トリブロック共重合体、A−B−A−B−A型ペンタブロック共重合体、(A−B)nD型星形共重合体が好ましく、A−B−A型トリブロック共重合体がより好ましい。本発明の高分子電解質膜においては、これらのブロック共重合体は、1種を単独で用いても、2種以上を併用してもよい。
There is no restriction | limiting in particular in the coupling | bonding arrangement | sequence of the polymer block (A) and polymer block (B) in a block copolymer (Z). Each polymer block may be linearly bonded or branched and bonded. That is, the block copolymer (Z) used in the present invention includes a graft copolymer.
In the block copolymer (Z), as an example of the bond arrangement of the polymer block (A) and the polymer block (B), an AB type diblock copolymer (A and B are each a polymer block ( A) represents a polymer block (B), the same applies hereinafter), an ABA type triblock copolymer, a BAB type triblock copolymer, an ABAB type tetrablock. Copolymer, A-B-A-B-A type pentablock copolymer, B-A-B-A-B type pentablock copolymer, (A-B) n D-type star copolymer ( D represents a coupling agent residue, n represents an integer equal to or greater than 2. Hereinafter, the same applies to (B-A) n D-type star copolymer, and the like, from the viewpoint of mechanical strength and ion conductivity. A-B-A type triblock copolymer, A-B-A-B-A type pentablock copolymer, (A-B ) N D type star copolymer is preferable, and ABA type triblock copolymer is more preferable. In the polymer electrolyte membrane of the present invention, these block copolymers may be used alone or in combination of two or more.
本発明で用いるブロック共重合体(Z)が重合体ブロック(C)を含む場合の配列の例として、A−B−C型トリブロック共重合体(A、B、Cはそれぞれ、重合体ブロック(A)、重合体ブロック(B)、重合体ブロック(C)を表す。以下同様)、A−B−C−A型テトラブロック共重合体、A−B−A−C型テトラブロック共重合体、B−A−B−C型テトラブロック共重合体、A−B−C−B型テトラブロック共重合体、A−C−B−C型テトラブロック共重合体、C−A−B−A−C型ペンタブロック共重合体、C−B−A−B−C型ペンタブロック共重合体、A−C−B−C−A型ペンタブロック共重合体、A−C−B−A−C型ペンタブロック共重合体、A−C−B−C−A−C型ヘキサブロック共重合体、C−A−B−C−A−C型ヘキサブロック共重合体、A−C−A−C−B−C型ヘキサブロック共重合体、A−C−A−C−B−C−A型ヘプタブロック共重合体、A−C−B−C−B−C−A型ヘプタブロック共重合体、C−A−C−B−C−A−C型ヘプタブロック共重合体、A−C−A−C−B−C−A−C型オクタブロック共重合体、A−C−B−C−B−C−A−C型オクタブロック共重合体、A−C−B−C−A−C−B−C型オクタブロック共重合体等が挙げられる。機械的強度、イオン伝導性の観点からは、A−B−C型トリブロック共重合体、A−B−C−A型テトラブロック共重合体、A−B−A−C型テトラブロック共重合体、A−C−B−C型テトラブロック共重合体、C−A−B−A−C型ペンタブロック共重合体、C−B−A−B−C型ペンタブロック共重合体、A−C−B−C−A型ペンタブロック共重合体、A−C−B−A−C型ペンタブロック共重合体、A−C−B−C−A−C型ヘキサブロック共重合体、C−A−B−C−A−C型ヘキサブロック共重合体、A−C−A−C−B−C型ヘキサブロック共重合体、A−C−A−C−B−C−A型ヘプタブロック共重合体、A−C−B−C−B−C−A型ヘプタブロック共重合体、C−A−C−B−C−A−C型ヘプタブロック共重合体、A−C−A−C−B−C−A−C型オクタブロック共重合体、A−C−B−C−B−C−A−C型オクタブロック共重合体、A−C−B−C−A−C−B−C型オクタブロック共重合体が好ましく、A−B−C型トリブロック共重合体、A−B−C−A型テトラブロック共重合体、A−B−A−C型テトラブロック共重合体、A−C−B−C型テトラブロック共重合体、A−C−B−C−A型ペンタブロック共重合体、A−C−B−A−C型ペンタブロック共重合体、A−C−B−C−A−C型ヘキサブロック共重合体、A−C−A−C−B−C型ヘキサブロック共重合体、A−C−A−C−B−C−A型ヘプタブロック共重合体、A−C−B−C−B−C−A型ヘプタブロック共重合体、A−C−A−C−B−C−A−C型オクタブロック共重合体、A−C−B−C−B−C−A−C型オクタブロック共重合体、A−C−B−C−A−C−B−C型オクタブロック共重合体がより好ましく、A−C−B−C型テトラブロック共重合体、A−C−B−C−A型ペンタブロック共重合体、A−C−B−C−A−C型ヘキサブロック共重合体、A−C−A−C−B−C−A−C型オクタブロック共重合体がさらに好ましく、A−C−B−C−A型ペンタブロック共重合体、A−C−A−C−B−C−A−C型オクタブロック共重合体が特に好ましく、A−C−B−C−A型ペンタブロック共重合体が最も好ましい。本発明の高分子電解質膜においては、これらのブロック共重合体(Z)は、1種を単独で用いても、2種以上を併用してもよい。 As an example of the arrangement when the block copolymer (Z) used in the present invention contains a polymer block (C), an ABC type triblock copolymer (A, B, and C are polymer blocks, respectively). (A) represents a polymer block (B) and a polymer block (C), the same shall apply hereinafter), an A-B-C-A type tetrablock copolymer, an A-B-A-C type tetrablock copolymer. Polymer, B-A-B-C type tetrablock copolymer, A-B-C-B type tetrablock copolymer, A-C-B-C type tetrablock copolymer, C-A-B- A-C type pentablock copolymer, C-B-A-B-C type pentablock copolymer, A-C-B-C-A type pentablock copolymer, A-C-B-A- C-type pentablock copolymer, A-C-B-C-A-C type hexablock copolymer, C-A-B-C-- -C-type hexablock copolymer, A-C-A-C-B-C-type hexablock copolymer, A-C-A-C-B-C-A type heptablock copolymer, A-C -B-C-B-C-A type heptablock copolymer, C-A-C-B-C-A-C type heptablock copolymer, A-C-A-C-B-C-A -C-type octablock copolymer, A-C-B-C-B-C-A-C-type octablock copolymer, A-C-B-C-A-C-B-C-type octablock copolymer A polymer etc. are mentioned. From the viewpoints of mechanical strength and ionic conductivity, ABC type triblock copolymer, ABCA type tetrablock copolymer, ABCA type tetrablock copolymer Polymer, A-C-B-C type tetrablock copolymer, C-A-B-A-C type pentablock copolymer, C-B-A-B-C type pentablock copolymer, A- C—B—C—A type pentablock copolymer, A—C—B—A—C type pentablock copolymer, A—C—B—C—A—C type hexablock copolymer, C— A-B-C-A-C type hexablock copolymer, A-C-A-C-B-C type hexablock copolymer, A-C-A-C-B-C-A type heptablock Copolymer, A-C-B-C-B-C-A type heptablock copolymer, C-A-C-B-C-A-C type heptablock copolymer A-C-A-C-B-C-A-C type octablock copolymer, A-C-B-C-B-C-A-C type octablock copolymer, A-C-B-- C-A-C-B-C type octablock copolymer is preferable, A-B-C-type triblock copolymer, A-B-C-A type tetrablock copolymer, A-B-A- C-type tetrablock copolymer, A-C-B-C-type tetrablock copolymer, A-C-B-C-A type pentablock copolymer, A-C-B-A-C type pentablock Copolymer, A-C-B-C-A-C type hexablock copolymer, A-C-A-C-B-C type hexablock copolymer, A-C-A-C-B- C-A type heptablock copolymer, A-C-B-C-B-C-A type heptablock copolymer, A-C-A-C-B-C-A-C type octablock A copolymer, an A-C-B-C-B-C-A-C-type octablock copolymer, and an A-C-B-C-A-C-B-C-type octablock copolymer are more preferable. A-C-B-C-type tetrablock copolymer, A-C-B-C-A type pentablock copolymer, A-C-B-C-A-C type hexablock copolymer, A —C—A—C—B—C—A—C type octablock copolymer is more preferable, and A—C—B—C—A type pentablock copolymer, A—C—A—C—B—B— A C-A-C type octablock copolymer is particularly preferable, and an A-C-B-C-A type pentablock copolymer is most preferable. In the polymer electrolyte membrane of the present invention, these block copolymers (Z) may be used alone or in combination of two or more.
<架橋剤(X)>
架橋剤(X)は、オキセタン環を分子中に2つ以上有する化合物である。本明細書において「オキセタン環」とは、炭素原子3つと酸素原子1つからなる四員環を意味し、オキセタンの炭素原子上の水素原子の少なくとも1つが置換基で置換されることで、架橋剤(X)の部分構造を成す。架橋剤(X)がオキセタン環を分子中に2つ以上有することで、親水性の重合体ブロック(A)を架橋することができ、本発明の高分子電解質膜の耐熱水性を高めることができるものと推定している。
<Crosslinking agent (X)>
The crosslinking agent (X) is a compound having two or more oxetane rings in the molecule. In the present specification, the “oxetane ring” means a four-membered ring composed of three carbon atoms and one oxygen atom, and at least one hydrogen atom on the carbon atom of oxetane is substituted with a substituent, thereby forming a bridge. A partial structure of the agent (X) is formed. When the crosslinking agent (X) has two or more oxetane rings in the molecule, the hydrophilic polymer block (A) can be crosslinked, and the hot water resistance of the polymer electrolyte membrane of the present invention can be increased. Estimated.
架橋剤(X)は、オキセタン環を分子中に2つ以上有する化合物であれば特に限定なく使用できる。具体例としては、下記の一般式(I)〜(VIII)(以下、オキセタン化合物(I)〜(VIII)と称する)で表される化合物が挙げられる。
これらのうち、本発明の高分子電解質膜の力学特性の観点から、オキセタン化合物(I)〜(IV)が好ましく、オキセタン化合物(I)〜(III)がより好ましく、オキセタン化合物(I)がさらに好ましい。
The crosslinking agent (X) can be used without particular limitation as long as it is a compound having two or more oxetane rings in the molecule. Specific examples include compounds represented by the following general formulas (I) to (VIII) (hereinafter referred to as oxetane compounds (I) to (VIII)).
Among these, from the viewpoint of the mechanical properties of the polymer electrolyte membrane of the present invention, oxetane compounds (I) to (IV) are preferable, oxetane compounds (I) to (III) are more preferable, and oxetane compound (I) is further preferable.
(式中nは、1〜3の自然数を表す)
(Where n represents a natural number of 1 to 3)
(式中nは、0以上の整数を表す)
(Where n represents an integer of 0 or more)
架橋剤(X)は1種を単独で用いても、2種以上を併用してもよい。架橋剤(X)の使用量は、ブロック共重合体(Z)100質量部に対して1〜25質量部の範囲が好ましく、3〜15質量部の範囲がより好ましく、7〜11質量部の範囲がさらに好ましい。ブロック共重合体(Z)100質量部に対する架橋剤(X)の使用量を1質量部以上とすることで、高分子電解質膜の耐熱水性が高くなり、一方25質量部以下であることで、高分子電解質膜のイオン伝導性が高くなる。 Crosslinking agent (X) may be used individually by 1 type, or may use 2 or more types together. The amount of the crosslinking agent (X) used is preferably in the range of 1 to 25 parts by weight, more preferably in the range of 3 to 15 parts by weight, with respect to 100 parts by weight of the block copolymer (Z). A range is further preferred. By making the usage-amount of the crosslinking agent (X) with respect to 100 mass parts of block copolymers (Z) 1 mass part or more, the hot water resistance of a polymer electrolyte membrane becomes high, On the other hand, being 25 mass parts or less, The ion conductivity of the polymer electrolyte membrane is increased.
以上述べた架橋剤(X)は市販品を用いても公知の方法(例えば特開2001−31665号の記載の方法)によって合成してもよい。 The crosslinking agent (X) described above may be a commercially available product or may be synthesized by a known method (for example, the method described in JP-A-2001-31665).
<高分子電解質膜の作製>
本発明の高分子電解質膜は、通常、高分子電解質であるブロック共重合体(Z)および架橋剤(X)と溶媒とを含む組成物を調製し、該組成物を基板上に膜状に成形したのち、架橋することで得られる。
上記組成物は、溶媒中に、ブロック共重合体(Z)および架橋剤(X)を溶解または分散させて調製する。必要に応じて、本発明の効果を損なわない範囲で、軟化剤、フェノール系安定剤、イオウ系安定剤、リン系安定剤等の各種安定剤、無機充填剤、光安定剤、帯電防止剤、離型剤、難燃剤、発泡剤、顔料、染料、漂白剤、カーボン繊維等の各種添加剤を併せて溶解または分散させてもよい。組成物中の溶媒以外の成分(固形分)中のブロック共重合体(Z)の含有量は、得られる高分子電解質膜のイオン伝導性の観点から、50質量%以上であることが好ましく、70質量%以上であることがより好ましく、85質量%以上であることがさらに好ましい。
<Production of polymer electrolyte membrane>
The polymer electrolyte membrane of the present invention is generally prepared by preparing a composition containing a block copolymer (Z), which is a polymer electrolyte, a crosslinking agent (X), and a solvent, and forming the composition on a substrate. After molding, it is obtained by crosslinking.
The above composition is prepared by dissolving or dispersing the block copolymer (Z) and the crosslinking agent (X) in a solvent. If necessary, various stabilizers such as a softening agent, a phenol-based stabilizer, a sulfur-based stabilizer, a phosphorus-based stabilizer, an inorganic filler, a light stabilizer, an antistatic agent, as long as the effects of the present invention are not impaired. Various additives such as a release agent, a flame retardant, a foaming agent, a pigment, a dye, a bleaching agent, and carbon fiber may be dissolved or dispersed together. The content of the block copolymer (Z) in the component (solid content) other than the solvent in the composition is preferably 50% by mass or more from the viewpoint of ion conductivity of the obtained polymer electrolyte membrane, More preferably, it is 70 mass% or more, and it is still more preferable that it is 85 mass% or more.
上記組成物に用いることができる軟化剤としては、パラフィン系、ナフテン系、アロマ系のプロセスオイル等の石油系軟化剤、パラフィン、植物油系軟化剤、可塑剤等が挙げられる。これらは1種を単独で用いても、2種以上を併用してもよい。 Examples of the softener that can be used in the composition include petroleum softeners such as paraffinic, naphthenic, and aromatic process oils, paraffin, vegetable oil softeners, plasticizers, and the like. These may be used alone or in combination of two or more.
上記組成物に用いることができる安定剤としては、2,6−ジ−tert−ブチル−p−クレゾール、ペンタエリスリチル−テトラキス[3−(3,5−ジ−tert−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]、1,3,5−トリメチル−2,4,6−トリス(3,5−ジ−tert−ブチル−4−ヒドロキシベンジル)ベンゼン、オクタデシル−3−(3,5−ジ−tert−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート、トリエチレングリコール−ビス[3−(3−tert−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]、2,4−ビス−(n−オクチルチオ)−6−(4−ヒドロキシ−3,5−ジ−tert−ブチルアニリノ)−1,3,5−トリアジン、2,2−チオ−ジエチレンビス[3−(3,5−ジ−tert−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]、N,N’−ヘキサメチレンビス(3,5−ジ−tert−ブチル−4−ヒドロキシ−ヒドロジナマミド)、3,5−ジ−tert−ブチル−4−ヒドロキシ−ベンジルホスホネート−ジエチルエステル、トリス−(3,5−ジ−tert−ブチル−4−ヒドロキシベンジル)−イソシアヌレート、3,9−ビス[2−[3−(3−tert−ブチル−4−ヒドロキシ−5−メチルフェニル)プロピオニルオキシ]−1,1−ジメチルエチル]−2,4,8,10−テトラオキサスピロ[5.5]ウンデカン等のフェノール系安定剤;ペンタエリスリチルテトラキス(3−ラウリルチオプロピオネート)、ジステアリル3,3’−チオジプロピオネート、ジラウリル3,3’−チオジプロピオネート、ジミリスチル3,3’−チオジプロピオネート等のイオウ系安定剤;トリス(ノニルフェニル)ホスファイト、トリス(2,4−ジ−tert−ブチルフェニル)ホスファイト、ジステアリルペンタエリスリトールジホスファイト等のリン系安定剤が挙げられる。これらは1種を単独で用いても、2種以上を併用してもよい。 Stabilizers that can be used in the composition include 2,6-di-tert-butyl-p-cresol, pentaerythrityl-tetrakis [3- (3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl). ) Propionate], 1,3,5-trimethyl-2,4,6-tris (3,5-di-tert-butyl-4-hydroxybenzyl) benzene, octadecyl-3- (3,5-di-tert- Butyl-4-hydroxyphenyl) propionate, triethylene glycol-bis [3- (3-tert-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate], 2,4-bis- (n-octylthio) -6- (4-hydroxy -3,5-di-tert-butylanilino) -1,3,5-triazine, 2,2-thio-diethylenebis [3- (3,5- -Tert-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate], N, N'-hexamethylenebis (3,5-di-tert-butyl-4-hydroxy-hydrodinamamide), 3,5-di-tert-butyl-4 -Hydroxy-benzylphosphonate-diethyl ester, tris- (3,5-di-tert-butyl-4-hydroxybenzyl) -isocyanurate, 3,9-bis [2- [3- (3-tert-butyl-4 Phenol-based stabilizers such as -hydroxy-5-methylphenyl) propionyloxy] -1,1-dimethylethyl] -2,4,8,10-tetraoxaspiro [5.5] undecane; pentaerythrityltetrakis (3 -Laurylthiopropionate), distearyl 3,3'-thiodipropionate, dilauryl 3,3 -Sulfur stabilizers such as thiodipropionate, dimyristyl 3,3'-thiodipropionate; tris (nonylphenyl) phosphite, tris (2,4-di-tert-butylphenyl) phosphite, distearylpenta Examples thereof include phosphorus stabilizers such as erythritol diphosphite. These may be used alone or in combination of two or more.
上記組成物に用いることができる無機充填剤としては、タルク、炭酸カルシウム、シリカ、ガラス繊維、マイカ、カオリン、酸化チタン、モンモリロナイト、アルミナなどが挙げられる。これらは1種を単独で用いても、2種以上を併用してもよい。 Examples of the inorganic filler that can be used in the composition include talc, calcium carbonate, silica, glass fiber, mica, kaolin, titanium oxide, montmorillonite, and alumina. These may be used alone or in combination of two or more.
上記組成物に用いることができる溶媒としては、ブロック共重合体(Z)の構造を破壊しないものであればよく、具体的には、塩化メチレン等のハロゲン化炭化水素;トルエン、キシレン、ベンゼン等の芳香族炭化水素;ヘキサン、ヘプタン、オクタン等の直鎖脂肪族炭化水素;シクロヘキサン等の環式脂肪族炭化水素;テトラヒドロフラン等のエーテル;メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロピルアルコール、ブタノール、イソブチルアルコール等のアルコール;が挙げられる。これらは1種を単独で用いても、2種以上を併用してもよいが、各ブロック共重合体(Z)が含む重合体ブロックの溶解性または分散性の観点から、混合溶媒を用いることが好ましい。好ましい組み合わせの混合溶媒としては、トルエンとイソブチルアルコールの混合溶媒、キシレンとイソブチルアルコールの混合溶媒、トルエンとイソプロピルアルコールの混合溶媒、シクロヘキサンとイソプロピルアルコールの混合溶媒、シクロヘキサンとイソブチルアルコールの混合溶媒、テトラヒドロフラン溶媒、テトラヒドロフランとメタノールの混合溶媒、トルエンとイソブチルアルコールとオクタンの混合溶媒、トルエンとイソプロピルアルコールとオクタンの混合溶媒が挙げられ、トルエンとイソブチルアルコールの混合溶媒、キシレンとイソブチルアルコールの混合溶媒、トルエンとイソプロピルアルコールの混合溶媒、トルエンとイソブチルアルコールとオクタンの混合溶媒、トルエンとイソプロピルアルコールとオクタンの混合溶媒がより好ましい。 The solvent that can be used in the composition is not particularly limited as long as it does not destroy the structure of the block copolymer (Z). Specifically, halogenated hydrocarbons such as methylene chloride; toluene, xylene, benzene, and the like. Aromatic hydrocarbons such as: hexane, heptane, octane, etc., linear aliphatic hydrocarbons; cyclohexane, etc., cyclic aliphatic hydrocarbons; tetrahydrofuran, etc. ethers; methanol, ethanol, propanol, isopropyl alcohol, butanol, isobutyl alcohol, etc. Alcohol. These may be used alone or in combination of two or more, but from the viewpoint of the solubility or dispersibility of the polymer block contained in each block copolymer (Z), a mixed solvent should be used. Is preferred. Preferred mixed solvents include a mixed solvent of toluene and isobutyl alcohol, a mixed solvent of xylene and isobutyl alcohol, a mixed solvent of toluene and isopropyl alcohol, a mixed solvent of cyclohexane and isopropyl alcohol, a mixed solvent of cyclohexane and isobutyl alcohol, and a tetrahydrofuran solvent. , Mixed solvent of tetrahydrofuran and methanol, mixed solvent of toluene, isobutyl alcohol and octane, mixed solvent of toluene, isopropyl alcohol and octane, mixed solvent of toluene and isobutyl alcohol, mixed solvent of xylene and isobutyl alcohol, toluene and isopropyl Mixed solvent of alcohol, mixed solvent of toluene, isobutyl alcohol and octane, toluene, isopropyl alcohol and octane Mixed solvent is more preferred.
上記組成物は、通常、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ガラス等からなる平滑な基板上に成形する。成形方法はコーターやアプリケーター等を用いて塗布する方法が挙げられる。 The composition is usually formed on a smooth substrate made of polyethylene terephthalate (PET), glass or the like. Examples of the molding method include a coating method using a coater, an applicator, or the like.
上記組成物を成形する基板は、多孔質(多孔質基板)でもよい。この場合、通常、多孔質基板に組成物の少なくとも一部が含浸する。組成物の少なくとも一部が含浸した多孔質基板は、架橋後に、高分子電解質膜の一部を構成することで補強材として機能する。多孔質基板としては、織布、不織布等の繊維状基材や、微細な貫通孔を有するフィルム状基材等を用いることができる。フィルム状基材としては燃料電池用細孔フィリング用膜等が挙げられる。強度の観点から繊維状基材が好ましい。該繊維状基材を構成する繊維としては、例えばアラミド繊維、ガラス繊維、セルロース繊維、ナイロン繊維、ビニロン繊維、ポリエステル繊維、ポリオレフィン繊維、レーヨン繊維などが挙げられ、強度上の観点から全芳香族系のポリエステル繊維やアラミド繊維が好ましい。
組成物を多孔質基板上に成形する方法としては、例えばディップニップ法、コーターやアプリケーター等を用いて基材に積層塗布する方法等が挙げられる。
The substrate for molding the composition may be porous (porous substrate). In this case, the porous substrate is usually impregnated with at least a part of the composition. The porous substrate impregnated with at least a part of the composition functions as a reinforcing material by constituting a part of the polymer electrolyte membrane after crosslinking. As the porous substrate, a fibrous base material such as a woven fabric or a non-woven fabric, a film-like base material having fine through holes, or the like can be used. Examples of the film-like substrate include a fuel cell pore filling membrane. A fibrous base material is preferable from the viewpoint of strength. Examples of the fibers constituting the fibrous base material include aramid fibers, glass fibers, cellulose fibers, nylon fibers, vinylon fibers, polyester fibers, polyolefin fibers, rayon fibers, and the like. Polyester fibers and aramid fibers are preferred.
Examples of the method for forming the composition on the porous substrate include a dip nip method, a method of laminating and applying to a substrate using a coater, an applicator, and the like.
上記組成物を上記のようにして基板上に成形した後、溶媒を除去する。溶媒を除去する温度は、ブロック共重合体(Z)が分解しない範囲で任意に選択でき、複数の温度を任意に組み合わせてもよい。溶媒除去は、通風条件下、真空条件下等で行うことができ、これらを任意に組み合わせてもよい。溶媒除去方法としては、熱風乾燥機中にて60〜120℃で4分間以上乾燥させて溶媒を除去する方法;熱風乾燥機中にて120〜140℃で2〜4分間乾燥させて溶媒を除去する方法;25℃で1〜3時間、予備乾燥させた後、熱風乾燥機中にて80〜120℃で5〜10分間かけて乾燥する方法;25℃で1〜3時間、予備乾燥させた後、25〜40℃の雰囲気下、減圧条件下で1〜12時間乾燥させる方法等が挙げられる。
良好な強靭性を有する高分子電解質膜を調製しやすい観点から、溶媒除去方法は、熱風乾燥機中にて60〜120℃で4分間以上かけて乾燥させる方法;25℃で1〜3時間、予備乾燥させた後、熱風乾燥機中にて80〜120℃で5〜10分間かけて乾燥させる方法;25℃で1〜3時間、予備乾燥させた後、25〜40℃の雰囲気下、1.3kPa以下の減圧条件下で1〜12時間乾燥させる方法等が好適に用いられる。
After the composition is formed on the substrate as described above, the solvent is removed. The temperature at which the solvent is removed can be arbitrarily selected as long as the block copolymer (Z) is not decomposed, and a plurality of temperatures may be arbitrarily combined. Solvent removal can be performed under ventilation conditions, vacuum conditions, etc., and these may be combined arbitrarily. Solvent removal method is a method of removing the solvent by drying at 60 to 120 ° C. for 4 minutes or longer in a hot air dryer; removing the solvent by drying at 120 to 140 ° C. for 2 to 4 minutes in a hot air dryer. Method of pre-drying at 25 ° C. for 1 to 3 hours and then drying in a hot air dryer at 80 to 120 ° C. for 5 to 10 minutes; pre-dried at 25 ° C. for 1 to 3 hours Thereafter, a method of drying under an atmosphere of 25 to 40 ° C. under reduced pressure for 1 to 12 hours may be mentioned.
From the viewpoint of easily preparing a polymer electrolyte membrane having good toughness, the solvent removal method is a method of drying at 60 to 120 ° C. for 4 minutes or more in a hot air dryer; A method of pre-drying and then drying in a hot air dryer at 80 to 120 ° C. for 5 to 10 minutes; after pre-drying at 25 ° C. for 1 to 3 hours, in an atmosphere of 25 to 40 ° C., 1 A method of drying for 1 to 12 hours under a reduced pressure condition of 3 kPa or less is preferably used.
高分子電解質膜を複層膜とする場合、例えば上記組成物を基板に成形した後、溶媒を除去して1層目を形成したのち、さらに別の高分子電解質を含む上記組成物を成形し、溶媒を除去することで2層目を形成する。同様に3層目以降を形成してもよい。また、それぞれ作製した高分子電解質膜を貼りあわせて複層膜としてもよい。 When the polymer electrolyte membrane is a multilayer film, for example, after forming the above composition on a substrate, after removing the solvent to form the first layer, the above composition containing another polymer electrolyte is formed. The second layer is formed by removing the solvent. Similarly, the third and subsequent layers may be formed. Alternatively, the produced polymer electrolyte membranes may be bonded to form a multilayer film.
組成物を基板上に成形したのち、架橋を行うことで、本発明の高分子電解質膜を形成できる。
架橋は、溶媒除去と同時に行うことができる。なお、溶媒を除去したのちに加熱や電子線などの活性エネルギー線を照射して架橋を行ってもよいし、溶媒除去と同時に架橋を行った後、さらに加熱や電子線などの活性エネルギー線を照射することで架橋を追加して行ってもよい。
溶媒除去と同時に架橋を行う場合は、上記の溶媒除去方法を採用することができるが、簡便且つ均一な高分子電解質膜を形成しやすい観点から、熱風乾燥機中にて60〜120℃で2〜40分間かけて溶媒を除去する方法;25℃で1〜3時間、溶媒を除去したのち、熱風乾燥機中にて80〜120℃で5〜10分間かけて溶媒を除去する方法;25℃で1〜3時間、予備乾燥させた後、25〜40℃の雰囲気下、1.3kPa以下の減圧条件下で1〜3時間かけて溶媒を除去する方法が好ましく、熱風乾燥機中にて60〜120℃で2〜40分間かけて溶媒を除去する方法がより好ましく、熱風乾燥機中にて90〜110℃で4〜8分間かけて溶媒を除去する方法がさらに好ましい。
溶媒除去後、加熱により架橋を行う場合、加熱する温度としては40〜250℃が好ましく、50〜200℃がより好ましく、60〜150℃がさらに好ましい。加熱する時間としては、高分子電解質膜が分解しない時間で任意に選択できるが、24時間以下が好ましく、5時間以下がより好ましく、1時間以下がさらに好ましい。
電子線で架橋を行う場合、加速電圧は50〜250kVの範囲、線量は100〜800kGyの範囲とすることが好ましい。
なお、ブロック共重合体(Z)が、架橋剤(X)により架橋されていることは、後述の耐熱水性の向上、ゲル分率の上昇等により確認することができる。
The polymer electrolyte membrane of the present invention can be formed by forming a composition on a substrate and then performing crosslinking.
Crosslinking can be performed simultaneously with solvent removal. After removing the solvent, crosslinking may be carried out by irradiating active energy rays such as heating or electron beam, or after crosslinking at the same time as removing the solvent, an active energy ray such as heating or electron beam is further applied. You may carry out by adding bridge | crosslinking by irradiating.
When crosslinking is performed simultaneously with solvent removal, the above-mentioned solvent removal method can be employed. However, from the viewpoint of easily forming a uniform and uniform polymer electrolyte membrane, it can be carried out at 60 to 120 ° C. in a hot air dryer. Method of removing solvent over 40 minutes; Method of removing solvent at 25 ° C. for 1 to 3 hours and then removing the solvent at 80 to 120 ° C. for 5 to 10 minutes in a hot air dryer; 25 ° C. Is preferably preliminarily dried for 1 to 3 hours at 25 to 40 ° C. under a reduced pressure of 1.3 kPa or less, and the solvent is removed for 1 to 3 hours. A method of removing the solvent at ˜120 ° C. for 2 to 40 minutes is more preferred, and a method of removing the solvent at 90 to 110 ° C. for 4 to 8 minutes in a hot air dryer is further preferred.
When performing crosslinking by heating after removing the solvent, the heating temperature is preferably 40 to 250 ° C, more preferably 50 to 200 ° C, and even more preferably 60 to 150 ° C. The heating time can be arbitrarily selected as long as the polymer electrolyte membrane does not decompose, but is preferably 24 hours or shorter, more preferably 5 hours or shorter, and even more preferably 1 hour or shorter.
When crosslinking is performed with an electron beam, the acceleration voltage is preferably in the range of 50 to 250 kV, and the dose is preferably in the range of 100 to 800 kGy.
In addition, it can confirm that the block copolymer (Z) is bridge | crosslinked by the crosslinking agent (X) by the improvement of the below-mentioned hot water resistance, the raise of a gel fraction, etc.
ポリエチレンテレフタレート(PET)、ガラス等からなる平滑な基板上に高分子電解質膜を形成させた場合は、通常、基板から剥離させて本発明の高分子電解質膜を得ることができる。なお、多孔質基板上に高分子電解質膜を形成させて、多孔質基板を高分子電解質膜の一部とする場合は、剥離は不要である。 When the polymer electrolyte membrane is formed on a smooth substrate made of polyethylene terephthalate (PET), glass or the like, the polymer electrolyte membrane of the present invention can be usually obtained by peeling from the substrate. In the case where the polymer electrolyte membrane is formed on the porous substrate and the porous substrate is used as a part of the polymer electrolyte membrane, peeling is not necessary.
本発明の高分子電解質膜において、重合体ブロック(A)および重合体ブロック(B)は、ミクロ相分離構造を形成している。この結果、重合体ブロック(A)を含む相がイオン伝導性チャンネルを形成するので、良好なイオン伝導性を示す。
なおここで、「ミクロ相分離」とは微視的な意味での相分離を意味し、より詳しくは、形成されるドメインサイズが可視光の波長(3800〜7800Å)以下である相分離を意味するものとする。
In the polymer electrolyte membrane of the present invention, the polymer block (A) and the polymer block (B) form a microphase separation structure. As a result, since the phase containing the polymer block (A) forms an ion conductive channel, it exhibits good ion conductivity.
Here, “microphase separation” means phase separation in a microscopic sense, and more specifically, means phase separation in which the formed domain size is less than or equal to the wavelength of visible light (3800 to 7800 mm). It shall be.
本発明の高分子電解質膜の膜厚は、機械的強度、ハンドリング性等の観点から、1〜500μmの範囲が好ましく、7〜300μmの範囲がより好ましく、10〜50μmの範囲がさらに好ましく、15〜25μmの範囲が特に好ましい。膜厚が1μm以上であれば、高分子電解質膜の機械的強度や燃料の遮断性が良好であり、膜厚が500μm以下であれば、高分子電解質膜のイオン伝導性が良好である。 The film thickness of the polymer electrolyte membrane of the present invention is preferably in the range of 1 to 500 μm, more preferably in the range of 7 to 300 μm, still more preferably in the range of 10 to 50 μm, from the viewpoint of mechanical strength, handling properties, and the like. A range of ˜25 μm is particularly preferred. When the film thickness is 1 μm or more, the polymer electrolyte membrane has good mechanical strength and fuel blocking properties, and when the film thickness is 500 μm or less, the polymer electrolyte membrane has good ion conductivity.
本発明の高分子電解質膜は、重合体ブロック(A)と重合体ブロック(B)とを含むブロック共重合体(Z)、および架橋剤(X)よりなり、成形後に架橋を行った少なくとも1層の高分子電解質層を含む複層膜であってもよい。 The polymer electrolyte membrane of the present invention comprises a block copolymer (Z) containing a polymer block (A) and a polymer block (B), and a crosslinking agent (X), and at least one crosslinked after molding. It may be a multilayer film including a polymer electrolyte layer.
以下、実施例および比較例を挙げて、本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に制限されない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example are given and this invention is demonstrated further more concretely, this invention is not restrict | limited to these Examples.
(ブロック共重合体(Z)のイオン交換容量の測定)
試料を密閉できるガラス容器中にブロック共重合体(Z)を秤量(秤量値a(g))し、過剰量の塩化ナトリウム飽和水溶液((300〜500)×a(ml))を添加して12時間攪拌した。フェノールフタレインを指示薬として、水中に発生した塩化水素を0.01規定のNaOH標準水溶液(力価f)にて滴定(滴定量b(ml))した。
イオン交換容量は次式により求めた。
イオン交換容量(meq/g)=(0.01×b×f)/a
(Measurement of ion exchange capacity of block copolymer (Z))
A block copolymer (Z) is weighed (weighed value a (g)) in a glass container that can seal the sample, and an excess amount of a saturated sodium chloride aqueous solution ((300 to 500) × a (ml)) is added. Stir for 12 hours. Using phenolphthalein as an indicator, hydrogen chloride generated in water was titrated (a titration b (ml)) with a 0.01 N NaOH standard aqueous solution (titer f).
The ion exchange capacity was determined by the following formula.
Ion exchange capacity (meq / g) = (0.01 × b × f) / a
(ブロック共重合体(Z0)のMnの測定)
Mnはゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)法により下記の条件で測定し、標準ポリスチレン換算で算出した。
装置:東ソー(株)製、商品名:HLC−8220GPC
溶離液:テトラヒドロフラン
カラム:東ソー(株)製、商品名:TSK−GEL(TSKgel G3000HxL(76mml.D.×30cm)を1本、TSKgel Super Multipore HZ−M(46mml.D.×15cm)を2本の計3本を直列で接続)
カラム温度:40℃
検出器:RI
送液量:0.35ml/分
(Measurement of Mn of block copolymer (Z 0 ))
Mn was measured by gel permeation chromatography (GPC) under the following conditions and calculated in terms of standard polystyrene.
Device: manufactured by Tosoh Corporation, trade name: HLC-8220GPC
Eluent: Tetrahydrofuran Column: manufactured by Tosoh Corporation, trade name: TSK-GEL (TSKgel G3000HxL (76 ml.D. × 30 cm), one TSKgel Super Multipore HZ-M (46 ml.D. × 15 cm) 3 in total)
Column temperature: 40 ° C
Detector: RI
Feed rate: 0.35 ml / min
(1H−NMRの測定条件)
後述する製造例におけるブロック共重合体の各構造単位の含有率、並びに、重合体ブロック(B)における1,4−結合率および水添率は下記の条件で1H−NMRを測定した結果から算出した。
溶媒:重クロロホルム
測定温度:室温
積算回数:32回
また、スルホン化率は下記の条件で1H−NMRを測定した結果から算出した。
溶媒:重テトラヒドロフラン/重メタノール(質量比80/20)混合溶媒
測定温度:50℃
積算回数:32回
(Measurement conditions for 1 H-NMR)
The content of each structural unit of the block copolymer in the production example described later, and the 1,4-bonding rate and the hydrogenation rate in the polymer block (B) are based on the results of 1 H-NMR measurement under the following conditions. Calculated.
Solvent: deuterated chloroform Measurement temperature: room temperature Integration count: 32 times The sulfonation rate was calculated from the result of 1 H-NMR measurement under the following conditions.
Solvent: deuterated tetrahydrofuran / deuterated methanol (mass ratio 80/20) mixed solvent Measurement temperature: 50 ° C
Integration count: 32 times
(貯蔵弾性率の測定)
実施例および比較例で得られた高分子電解質膜を、広域動的粘弾性測定装置(レオロジ社製「DVE−V4FTレオスペクトラー」)を使用して、引張りモード(周波数:11Hz)で、昇温速度を3℃/分、−80℃から250℃まで昇温して、貯蔵弾性率(E’)、損失弾性率(E’’)および損失正接(tanδ)を測定した。結晶化オレフィン重合体に由来する、80〜100℃における貯蔵弾性率の変化がないことに基づき、重合体ブロック(B)の非晶性を判断した。この結果、実施例および比較例で得られたすべてのブロック共重合体について、重合体ブロック(B)は非晶性であった。
(Measurement of storage modulus)
The polymer electrolyte membranes obtained in the examples and comparative examples were elevated in a tensile mode (frequency: 11 Hz) using a wide-range dynamic viscoelasticity measuring device (“DVE-V4FT Rheospectr” manufactured by Rheology). The temperature rate was raised from 3 ° C./min from −80 ° C. to 250 ° C., and the storage elastic modulus (E ′), loss elastic modulus (E ″) and loss tangent (tan δ) were measured. Based on the fact that there was no change in the storage elastic modulus at 80 to 100 ° C. derived from the crystallized olefin polymer, the amorphous nature of the polymer block (B) was judged. As a result, the polymer block (B) was amorphous for all the block copolymers obtained in the examples and comparative examples.
[製造例1]
(ブロック共重合体(Z0−1)の製造)
乾燥後、窒素置換した内容積1.4Lのオートクレーブに、脱水したシクロヘキサン461ml、sec−ブチルリチウム(1.0mol/Lシクロヘキサン溶液)2.18mlを添加した後、60℃にて攪拌しつつ、スチレン19.8ml、イソプレン123ml、およびスチレン19.8mlを順次添加して重合し、ポリスチレン−b−ポリイソプレン−b−ポリスチレンを合成した。得られたブロック共重合体のMnは66,000、ポリイソプレンブロックの1,4−結合量は94.0%、スチレンに由来する構造単位の含有率は30.0質量%であった。
[Production Example 1]
(Production of block copolymer (Z 0 -1))
After drying, 461 ml of dehydrated cyclohexane and 2.18 ml of sec-butyllithium (1.0 mol / L cyclohexane solution) were added to an autoclave with an internal volume of 1.4 L substituted with nitrogen, and then stirred at 60 ° C. 19.8 ml, 123 ml of isoprene, and 19.8 ml of styrene were sequentially added and polymerized to synthesize polystyrene-b-polyisoprene-b-polystyrene. The resulting block copolymer had an Mn of 66,000, a 1,4-bond content of the polyisoprene block of 94.0%, and a content of structural units derived from styrene of 30.0% by mass.
上記ブロック共重合体のシクロヘキサン溶液を調製して、窒素置換した耐圧容器に入れ、Ni/Al系のチーグラー系触媒を用いて、水素圧下0.5〜1.0MPa、70℃で15時間水素添加反応を行い、ポリスチレン重合体ブロック(重合体ブロック(A0))および水添ポリイソプレン重合体ブロック(重合体ブロック(B))からなるブロック共重合体(Z0)[ポリスチレン−b−水添ポリイソプレン−b−ポリスチレン(以下「ブロック共重合体(Z0−1)」と称する)]を得た。
得られたブロック共重合体(Z0−1)の水添ポリブタジエンブロックの水添率は99%以上であった。
Prepare cyclohexane solution of the above block copolymer, put in nitrogen-substituted pressure vessel, and hydrogenate using Ni / Al Ziegler catalyst at 0.5-1.0 MPa under hydrogen pressure at 70 ° C. for 15 hours A block copolymer (Z 0 ) [polystyrene-b-hydrogenated, comprising a polystyrene polymer block (polymer block (A 0 )) and a hydrogenated polyisoprene polymer block (polymer block (B)), after the reaction. Polyisoprene-b-polystyrene (hereinafter referred to as “block copolymer (Z 0 -1)”) was obtained.
The hydrogenation rate of the hydrogenated polybutadiene block of the obtained block copolymer (Z 0 -1) was 99% or more.
(ブロック共重合体(Z−1)の製造)
塩化メチレン242ml中、0℃にて無水酢酸121mlと硫酸54mlとを混合し、スルホン化剤を調製した。一方、ブロック共重合体(Z0−1)78gを、3L攪拌機付きのガラス製反応容器に入れ、系内を真空とし窒素導入する操作を3回繰り返した後、窒素を導入した状態で塩化メチレン846mlを加え、常温にて4時間攪拌して溶解させた後、前記スルホン化剤417mlを5分間かけて滴下した。滴下終了後、常温にて48時間攪拌後、攪拌下で蒸留水500mlを滴下して、反応を停止するとともに固形分を凝固析出させた。
塩化メチレンを常圧留去にて除去した後、濾過し、得られた固形分をビーカーに移し、蒸留水を1L添加して攪拌下で洗浄を行った後、濾過により固形分を回収した。かかる洗浄および濾過を洗浄水のpHに変化がなくなるまで繰り返した後、回収した固形分を1.3kPa、30℃にて24時間乾燥して、本発明の高分子電解質膜に用いるブロック共重合体(Z)を得た(以下「ブロック共重合体(Z−1)」と称する)。得られたブロック共重合体(Z−1)のスチレンに由来する構造単位に対するスルホン酸基の割合(スルホン化率)は100mol%、イオン交換容量は2.34meq/gであった。
(Production of block copolymer (Z-1))
In 242 ml of methylene chloride, 121 ml of acetic anhydride and 54 ml of sulfuric acid were mixed at 0 ° C. to prepare a sulfonating agent. On the other hand, 78 g of the block copolymer (Z 0 -1) was put in a glass reaction vessel equipped with a 3 L stirrer, and the operation of introducing nitrogen into the system under vacuum was repeated three times. Then, methylene chloride was introduced with nitrogen introduced. After 846 ml was added and dissolved by stirring at room temperature for 4 hours, 417 ml of the sulfonating agent was added dropwise over 5 minutes. After completion of the dropping, the mixture was stirred at room temperature for 48 hours, and then 500 ml of distilled water was added dropwise with stirring to stop the reaction and solidify and precipitate the solid content.
The methylene chloride was removed by distillation at normal pressure, followed by filtration. The obtained solid content was transferred to a beaker, 1 L of distilled water was added and washing was performed with stirring, and then the solid content was collected by filtration. After repeating such washing and filtration until there is no change in the pH of the washing water, the recovered solid content is dried at 1.3 kPa, 30 ° C. for 24 hours, and used for the polymer electrolyte membrane of the present invention. (Z) was obtained (hereinafter referred to as “block copolymer (Z-1)”). The ratio of the sulfonic acid group to the structural unit derived from styrene (sulfonation rate) of the obtained block copolymer (Z-1) was 100 mol%, and the ion exchange capacity was 2.34 meq / g.
[製造例2]
(ブロック共重合体(Z0−2)の製造)
乾燥後、窒素置換した内容積1.4Lのオートクレーブに、脱水したシクロヘキサン461ml、sec−ブチルリチウム(1.0mol/Lシクロヘキサン溶液)2.60mlを添加した後、60℃にて攪拌しつつ、スチレン19.8ml、ブタジエン135ml、およびスチレン19.8mlを順次添加して重合し、ポリスチレン−b−ポリブタジエン−b−ポリスチレンを合成した。得られたブロック共重合体のMnは76,000、ポリブタジエンブロックの1,4−結合量は59.9%、スチレンに由来する構造単位の含有率は30.0質量%であった。
[Production Example 2]
(Production of block copolymer (Z 0 -2))
After drying, 461 ml of dehydrated cyclohexane and 2.60 ml of sec-butyllithium (1.0 mol / L cyclohexane solution) were added to an autoclave with an internal volume of 1.4 L replaced with nitrogen, and then stirred at 60 ° C. 19.8 ml, 135 ml of butadiene, and 19.8 ml of styrene were sequentially added and polymerized to synthesize polystyrene-b-polybutadiene-b-polystyrene. Mn of the obtained block copolymer was 76,000, the 1,4-bond content of the polybutadiene block was 59.9%, and the content of the structural unit derived from styrene was 30.0% by mass.
上記ブロック共重合体のシクロヘキサン溶液を調製して、窒素置換した耐圧容器に入れ、Ni/Al系のチーグラー系触媒を用いて、水素圧下0.5〜1.0MPa、70℃で15時間水素添加反応を行い、ポリスチレン重合体ブロック(重合体ブロック(A0))および水添ポリブタジエン重合体ブロック(重合体ブロック(B))からなるブロック共重合体(Z0)[ポリスチレン−b−水添ポリブタジエン−b−ポリスチレン(以下「ブロック共重合体(Z0−2)」と称する)]を得た。
得られたブロック共重合体(Z0−2)の水添ポリブタジエンブロックの水添率は99%以上であった。
Prepare cyclohexane solution of the above block copolymer, put in nitrogen-substituted pressure vessel, and hydrogenate using Ni / Al Ziegler catalyst at 0.5-1.0 MPa under hydrogen pressure at 70 ° C. for 15 hours A block copolymer (Z 0 ) [polystyrene-b-hydrogenated polybutadiene comprising a polystyrene polymer block (polymer block (A 0 )) and a hydrogenated polybutadiene polymer block (polymer block (B)) is reacted. -B-polystyrene (hereinafter referred to as “block copolymer (Z 0 -2)”) was obtained.
The hydrogenation rate of the hydrogenated polybutadiene block of the obtained block copolymer (Z 0 -2) was 99% or more.
(ブロック共重合体(Z−2)の製造)
塩化メチレン389ml中、0℃にて無水酢酸195mlと硫酸87.0mlとを混合し、スルホン化剤を調製した。一方、ブロック共重合体(Z0−2)100gを、5L攪拌機付きのガラス製反応容器に入れ、系内を真空とし窒素導入する操作を3回繰り返した後、窒素を導入した状態で塩化メチレン1000mlを加え、常温にて4時間攪拌して溶解させた後、前記スルホン化剤610mlを5分間かけて滴下した。滴下終了後、常温にて48時間攪拌後、攪拌下で蒸留水720mlを滴下して、反応を停止するとともに固形分を凝固析出させた。
塩化メチレンを常圧留去にて除去した後、濾過し、得られた固形分をビーカーに移し、蒸留水を1L添加して攪拌下で洗浄を行った後、濾過により固形分を回収した。かかる洗浄および濾過を洗浄水のpHに変化がなくなるまで繰り返した後、回収した固形分を1.3kPa、30℃にて24時間乾燥して、本発明の高分子電解質膜に用いるブロック共重合体(Z)を得た(以下「ブロック共重合体(Z−2)」と称する)。得られたブロック共重合体(Z−2)のスチレンに由来する構造単位に対するスルホン酸基の割合(スルホン化率)は100mol%、イオン交換容量は2.34meq/gであった。
(Production of block copolymer (Z-2))
In 389 ml of methylene chloride, 195 ml of acetic anhydride and 87.0 ml of sulfuric acid were mixed at 0 ° C. to prepare a sulfonating agent. On the other hand, 100 g of block copolymer (Z 0 -2) was placed in a glass reaction vessel equipped with a 5 L stirrer, and the operation of introducing nitrogen into the system under vacuum was repeated three times. Then, methylene chloride was introduced with nitrogen introduced. After adding 1000 ml and stirring at room temperature for 4 hours to dissolve, 610 ml of the sulfonating agent was added dropwise over 5 minutes. After completion of the dropping, the mixture was stirred at room temperature for 48 hours, and then 720 ml of distilled water was added dropwise with stirring to stop the reaction and solidify and precipitate the solid content.
The methylene chloride was removed by distillation at normal pressure, followed by filtration. The obtained solid content was transferred to a beaker, 1 L of distilled water was added and washing was performed with stirring, and then the solid content was collected by filtration. After repeating such washing and filtration until there is no change in the pH of the washing water, the recovered solid content is dried at 1.3 kPa, 30 ° C. for 24 hours, and used for the polymer electrolyte membrane of the present invention. (Z) was obtained (hereinafter referred to as “block copolymer (Z-2)”). In the obtained block copolymer (Z-2), the ratio of the sulfonic acid group to the structural unit derived from styrene (sulfonation rate) was 100 mol%, and the ion exchange capacity was 2.34 meq / g.
[製造例3]
(ブロック共重合体(Z0−3)の製造)
乾燥後、窒素置換した内容積1.4Lのオートクレーブに、脱水したシクロヘキサン710ml、テトラヒドロフラン1.95mlおよびsec−ブチルリチウム(0.7mol/Lシクロヘキサン溶液)1.99mlを添加した後、40℃にて撹拌しつつ、4−メチルスチレン21.6ml、ブタジエン140ml、および4−メチルスチレン21.6mlを順次添加して重合し、ポリ(4−メチルスチレン)−b−ポリブタジエン−b−ポリ(4−メチルスチレン)を得た。得られたブロック共重合体のMnは78,000であり、1H−NMR(400MHz)から求めたポリブタジエンブロックの1,4−結合量は58.5%、4−メチルスチレンに由来する構造単位の含有量は30.0質量%であった。
上記ブロック共重合体のシクロヘキサン溶液を調製して、窒素置換した耐圧容器に入れ、Ni/Al系のチーグラー系触媒を用いて、水素圧0.5〜1.0MPa、70℃で18時間水素添加反応を行い、ポリ(4−メチルスチレン)重合体ブロック(重合体ブロック(A0))および水添ポリブタジエン重合体ブロック(重合体ブロック(B))からなるブロック共重合体(Z0)[ポリ(4−メチルスチレン)−b−水添ポリブタジエン−b−ポリ(4−メチルスチレン)(以下「ブロック共重合体(Z0−3)」と称する)]を得た。得られたブロック共重合体(Z0−3)の水添ポリブタジエンブロックの水添率は99%以上であった。
[Production Example 3]
(Production of block copolymer (Z 0 -3))
After drying, 710 ml of dehydrated cyclohexane, 1.95 ml of tetrahydrofuran and 1.99 ml of sec-butyllithium (0.7 mol / L cyclohexane solution) were added to an autoclave with an internal volume of 1.4 L purged with nitrogen, and then at 40 ° C. While stirring, 21.6 ml of 4-methylstyrene, 140 ml of butadiene, and 21.6 ml of 4-methylstyrene were sequentially added and polymerized to obtain poly (4-methylstyrene) -b-polybutadiene-b-poly (4-methyl). Styrene) was obtained. The Mn of the obtained block copolymer is 78,000, the 1,4-bond amount of the polybutadiene block determined from 1 H-NMR (400 MHz) is 58.5%, and a structural unit derived from 4-methylstyrene The content of was 30.0% by mass.
Prepare a cyclohexane solution of the above block copolymer, put it in a pressure vessel which is purged with nitrogen, and hydrogenate using a Ni / Al Ziegler catalyst at a hydrogen pressure of 0.5 to 1.0 MPa and 70 ° C. for 18 hours. A block copolymer (Z 0 ) [poly (4-methylstyrene) polymer block (polymer block (A 0 )) and hydrogenated polybutadiene polymer block (polymer block (B)) is reacted. (4-Methylstyrene) -b-hydrogenated polybutadiene-b-poly (4-methylstyrene) (hereinafter referred to as “block copolymer (Z 0 -3)”) was obtained. The hydrogenation rate of the hydrogenated polybutadiene block of the obtained block copolymer (Z 0 -3) was 99% or more.
(ブロック共重合体(Z−3)の製造)
塩化メチレン35.1ml中、0℃にて無水酢酸23.4mlと硫酸10.5mlを混合してスルホン化剤を調製した。一方、50gのブロック共重合体(Z0−3)を、3L攪拌機付きのガラス製反応容器に入れ、系内を真空とし窒素導入する操作を3回繰り返した後、窒素を導入した状態で塩化メチレン612mlを加え、常温にて4時間攪拌して溶解させた後、前記スルホン化剤69.1mlを5分間かけて滴下した。常温にて7時間攪拌後、攪拌下で蒸留水500mlを滴下して、反応を停止するとともに固形分を析出させた。塩化メチレンを常圧留去にて除去した後、濾過し、回収した固形分をビーカーに移し、蒸留水を1L添加して攪拌下で洗浄を行った後、濾過により固形分を再び回収した。かかる洗浄および濾過を洗浄水のpHに変化がなくなるまで繰り返した後、回収した固形分を1.3kPa、30℃にて24時間乾燥して、ブロック共重合体(Z)(以下「ブロック共重合体(Z−3)」と称する」を得た。得られたブロック共重合体(Z−3)の4−メチルスチレンに由来する構造単位に対するスルホン酸基の割合(スルホン化率)は65.2mol%、イオン交換容量は1.47meq/gであった。
(Production of block copolymer (Z-3))
A sulfonating agent was prepared by mixing 23.4 ml of acetic anhydride and 10.5 ml of sulfuric acid at 0 ° C. in 35.1 ml of methylene chloride. On the other hand, 50 g of the block copolymer (Z 0 -3) was placed in a glass reaction vessel equipped with a 3 L stirrer, and the operation of evacuating the system and introducing nitrogen was repeated three times, followed by chlorination with nitrogen introduced. After adding 612 ml of methylene and stirring for 4 hours at room temperature to dissolve, 69.1 ml of the sulfonating agent was added dropwise over 5 minutes. After stirring for 7 hours at room temperature, 500 ml of distilled water was added dropwise with stirring to stop the reaction and precipitate a solid. The methylene chloride was removed by distillation at atmospheric pressure, followed by filtration. The collected solid content was transferred to a beaker, 1 L of distilled water was added and washed with stirring, and then the solid content was collected again by filtration. After repeating this washing and filtration until there is no change in the pH of the washing water, the recovered solid content is dried at 1.3 kPa and 30 ° C. for 24 hours to obtain the block copolymer (Z) (hereinafter “block copolymer”). The ratio (sulfonated rate) of the sulfonic acid group to the structural unit derived from 4-methylstyrene of the obtained block copolymer (Z-3) was 65. The ion exchange capacity was 2 mol% and 1.47 meq / g.
[製造例4]
(オキセタン化合物(I)の製造)
温度計、冷却器、攪拌装置および滴下漏斗を備えた1000mlの三つ口丸底フラスコに、4,4’−ビフェノール100.9g(0.54mol)、3−クロロメチル−3−エチルオキセタン191.9g(1.42mol)および触媒としてテトラブチルホスホニウムブロミド9.8gを入れ、80℃で加熱攪拌した。これに、48重量%の水酸化カリウム水溶液168.4g(1.44mol)を滴下漏斗から30分間かけて滴下した。滴下終了後、還流するまで(約110℃)昇温し、還流下で8時間反応を続けた。反応終了後、反応混合物を室温まで冷却して、純水を500ml添加し、よく攪拌した後、析出物をロ別した。この析出物を200mlの水で3回洗浄し、続いて100mlのメタノールで3回洗浄した。次いで、減圧乾燥機で1.3kPa、30℃にて16時間乾燥し、169.3gの白色結晶のオキセタン化合物(I)を得た。
[Production Example 4]
(Production of Oxetane Compound (I))
In a 1000 ml three-necked round bottom flask equipped with a thermometer, a condenser, a stirrer and a dropping funnel, 100.9 g (0.54 mol) of 4,4′-biphenol, 3-chloromethyl-3-ethyloxetane 191. 9 g (1.42 mol) and 9.8 g of tetrabutylphosphonium bromide were added as a catalyst, and the mixture was heated and stirred at 80 ° C. To this, 168.4 g (1.44 mol) of a 48 wt% potassium hydroxide aqueous solution was dropped from a dropping funnel over 30 minutes. After completion of dropping, the temperature was raised until reflux (about 110 ° C.), and the reaction was continued for 8 hours under reflux. After completion of the reaction, the reaction mixture was cooled to room temperature, 500 ml of pure water was added, and after stirring well, the precipitate was separated. The precipitate was washed 3 times with 200 ml of water and subsequently 3 times with 100 ml of methanol. Subsequently, it dried at 1.3 kPa and 30 degreeC with the vacuum dryer for 16 hours, and obtained 169.3 g of oxetane compound (I) of the white crystal | crystallization.
[実施例1]
(高分子電解質膜の作製)
製造例1で得られたブロック共重合体(Z−1)の12質量%のトルエン/イソブチルアルコール(質量比65/35)溶液を調製した後、架橋剤として、製造例4で得られたオキセタン化合物(I)を、ブロック共重合体(Z−1)/オキセタン化合物(I)の質量比が100/9になるように添加し、組成物を調製した。次いで、該組成物を、離型処理済みPETフィルム(東洋紡績(株)製、商品名:K1504)上に約350μmの厚さでコートし、熱風乾燥機にて100℃で6分間乾燥させることで、厚さ20μmの高分子電解質膜を得た。
[Example 1]
(Production of polymer electrolyte membrane)
After preparing a 12% by weight toluene / isobutyl alcohol (mass ratio 65/35) solution of the block copolymer (Z-1) obtained in Production Example 1, the oxetane obtained in Production Example 4 was used as a crosslinking agent. Compound (I) was added so that the mass ratio of block copolymer (Z-1) / oxetane compound (I) was 100/9 to prepare a composition. Next, the composition is coated on a release-treated PET film (trade name: K1504, manufactured by Toyobo Co., Ltd.) with a thickness of about 350 μm, and dried at 100 ° C. for 6 minutes in a hot air dryer. Thus, a polymer electrolyte membrane having a thickness of 20 μm was obtained.
[比較例1]
(高分子電解質膜の作製)
製造例2で得られたブロック共重合体(Z−2)の16質量%のトルエン/イソブチルアルコール(質量比70/30)溶液を調製した後、架橋剤として1,2−ポリブタジエン(日本曹達(株)製、商品名:PB−1000;Mn=1,000、重合度=19)の40質量%トルエン溶液を、ブロック共重合体(Z−2)/1,2−ポリブタジエンの質量比が100/5になるように添加し、組成物を調製した。次いで、該組成物を、離型処理済みPETフィルム(東洋紡績(株)製、商品名:K1504)上に約350μmの厚さでコートし、熱風乾燥機にて、100℃で4分間乾燥させることで、厚さ30μmの高分子電解質膜を得た。得られた高分子電解質膜を、エレクトロカーテン型電子線照射装置(岩崎電気(株)製、商品名:CB250/30/20mA)を用いて、加速電圧150kV、ビーム電流8.6mA、線量300kGyの電子線照射を施すことで架橋し、比較例1の高分子電解質膜を作製した。
[Comparative Example 1]
(Production of polymer electrolyte membrane)
After preparing a 16% by weight toluene / isobutyl alcohol (mass ratio 70/30) solution of the block copolymer (Z-2) obtained in Production Example 2, 1,2-polybutadiene (Nippon Soda ( Co., Ltd., trade name: PB-1000; Mn = 1,000, polymerization degree = 19), 40 mass% toluene solution, block copolymer (Z-2) / 1,2-polybutadiene mass ratio is 100 / 5 was added to prepare a composition. Next, the composition is coated on a release-treated PET film (trade name: K1504, manufactured by Toyobo Co., Ltd.) with a thickness of about 350 μm, and dried at 100 ° C. for 4 minutes in a hot air dryer. Thus, a polymer electrolyte membrane having a thickness of 30 μm was obtained. The obtained polymer electrolyte membrane was subjected to an accelerating voltage of 150 kV, a beam current of 8.6 mA, and a dose of 300 kGy using an electrocurtain type electron beam irradiation apparatus (manufactured by Iwasaki Electric Co., Ltd., trade name: CB250 / 30/20 mA). The polymer electrolyte membrane of Comparative Example 1 was produced by crosslinking by applying electron beam irradiation.
[比較例2]
架橋剤として1,2−ポリブタジエン(日本曹達(株)製、商品名:PB−1000;Mn=1,000、重合度=19)の40質量%トルエン溶液を、ブロック共重合体(Z−2)/1,2−ポリブタジエンの質量比が100/9になるように添加した以外は、比較例1と同様にして、厚さ30μmの高分子電解質膜を得た。得られた高分子電解質膜を比較例1と同様の条件で電子線照射を施すことで架橋し、比較例2の高分子電解質膜を作製した。
[Comparative Example 2]
As a crosslinking agent, a 40% by mass toluene solution of 1,2-polybutadiene (manufactured by Nippon Soda Co., Ltd., trade name: PB-1000; Mn = 1,000, polymerization degree = 19) was used as a block copolymer (Z-2). ) / 1,2-polybutadiene was added in a mass ratio of 100/9 in the same manner as in Comparative Example 1 to obtain a polymer electrolyte membrane having a thickness of 30 μm. The obtained polymer electrolyte membrane was crosslinked by irradiating with an electron beam under the same conditions as in Comparative Example 1 to produce a polymer electrolyte membrane of Comparative Example 2.
[比較例3]
(高分子電解質膜の作製)
製造例3で得られたブロック共重合体(Z−3)の16質量%のトルエン/イソブチルアルコール(質量比70/30)溶液を調製した。次いで、該組成物を、離型処理済みPETフィルム(東洋紡績(株)製、商品名:K1504)上に約350μmの厚さでコートし、室温で十分乾燥させたのち、十分真空乾燥させることで、厚さ30μmの膜を得た。得られた膜を、130℃、1MPaの圧力下で5分間熱プレスすることで、高分子電解質膜を作製した。
[Comparative Example 3]
(Production of polymer electrolyte membrane)
A 16% by mass toluene / isobutyl alcohol (mass ratio 70/30) solution of the block copolymer (Z-3) obtained in Production Example 3 was prepared. Next, the composition is coated on a release-treated PET film (trade name: K1504, manufactured by Toyobo Co., Ltd.) with a thickness of about 350 μm, sufficiently dried at room temperature, and then sufficiently dried in vacuum. Thus, a film having a thickness of 30 μm was obtained. The obtained membrane was hot-pressed at 130 ° C. under a pressure of 1 MPa for 5 minutes to produce a polymer electrolyte membrane.
(高分子電解質膜の評価)
下記の測定・評価方法によって、各実施例および比較例で用いた高分子電解質膜を評価した。結果を表1に示す。
(Evaluation of polymer electrolyte membrane)
The polymer electrolyte membrane used in each example and comparative example was evaluated by the following measurement / evaluation method. The results are shown in Table 1.
(耐熱水性試験1:不溶分残存率)
25℃、50%RHの相対湿度下にて4時間以上保管した、2cm×4cmに切り抜いた高分子電解質膜の試験片(質量m1とする)を30mLのスクリュー管に入れ、蒸留水を25mL添加して、スクリュー栓をし、SUS製の金属容器内に収納した。90℃の恒温槽内にて保管した後、スクリュー管内の内容物を、1.3kPa、30℃にて12時間乾燥した。ついで、該内容物を25℃、50%RHの相対湿度下にて4時間保管した後、質量(質量m2とする)を測定した。恒温槽内にて保管する時間は、実施例および比較例1、2では270時間、比較例3では72時間とした。
次式により不溶分残存率(1)を求めた。
不溶分残存率(1)(%)=m2/m1×100
また、同じ高分子電解質膜から得た別の試験片を用いて同様の試験を実施し、不溶分残存率(2)を求めた。
このようにして得られた不溶分残存率(1)および不溶分残存率(2)を算術平均して不溶分残存率とした。不溶分残存率が高いほど、耐熱水性が高いと判断した。
(Hot water resistance test 1: Residual ratio of insoluble matter)
A polymer electrolyte membrane test piece (mass m 1 ) cut out to 2 cm × 4 cm and stored for 4 hours or more at 25 ° C. and 50% RH relative humidity is placed in a 30 mL screw tube, and 25 mL of distilled water is added. It was added, screwed, and stored in a metal container made of SUS. After storing in a 90 ° C. thermostat, the contents in the screw tube were dried at 1.3 kPa, 30 ° C. for 12 hours. The contents were then stored for 4 hours at 25 ° C. and 50% RH relative humidity, and the mass (referred to as mass m 2 ) was measured. The storage time in the thermostatic chamber was set to 270 hours in Examples and Comparative Examples 1 and 2, and 72 hours in Comparative Example 3.
The insoluble matter residual ratio (1) was determined by the following formula.
Insoluble matter residual ratio (1) (%) = m 2 / m 1 × 100
Moreover, the same test was implemented using another test piece obtained from the same polymer electrolyte membrane, and insoluble matter residual ratio (2) was calculated | required.
The insoluble matter residual rate (1) and the insoluble matter residual rate (2) thus obtained were arithmetically averaged to obtain the insoluble matter residual rate. It was judged that the higher the insoluble matter residual ratio, the higher the hot water resistance.
(耐熱水性試験2:目視試験)
2cm×4cmに切り抜いた高分子電解質膜の試験片を、90℃の熱水中に270時間浸漬した後の高分子電解質膜の表面の状態を目視で確認した。
(Heat resistance test 2: Visual test)
The state of the surface of the polymer electrolyte membrane after the test piece of the polymer electrolyte membrane cut out to 2 cm × 4 cm was immersed in hot water at 90 ° C. for 270 hours was visually confirmed.
(ゲル分率の測定)
架橋度の相対比較として、高分子電解質膜のゲル分率を測定した。
4cm×8cmに切り抜いた高分子電解質膜の試験片の重さを精密天秤にて秤量した。この際の重さをM1とする。ソックスレー抽出器を用いて、テトラヒドロフラン100mlで、円筒ろ紙にセットした試験片を8時間還流処理した。その後、該試験片を取り出し、テトラヒドロフラン溶液をエバポレーターにより、11kPa、40℃の条件でテトラヒドロフランを留去した後、残留物をさらに1.3kPa、80℃にて12時間乾燥させた。乾燥後の固形分残渣のみの重さを精密天秤にて秤量した。この際の重さをM2とする。ゲル分率は、((M1−M2)/M1)×100(%)とした。
このゲル分率が高いほど架橋度が高いと判断した。
(Measurement of gel fraction)
As a relative comparison of the degree of crosslinking, the gel fraction of the polymer electrolyte membrane was measured.
The weight of the polymer electrolyte membrane test piece cut out to 4 cm × 8 cm was weighed with a precision balance. The weight of this case and M 1. Using a Soxhlet extractor, the test piece set on the cylindrical filter paper was refluxed with 100 ml of tetrahydrofuran for 8 hours. Thereafter, the test piece was taken out, and the tetrahydrofuran solution was evaporated with an evaporator under conditions of 11 kPa and 40 ° C. Then, the residue was further dried at 1.3 kPa and 80 ° C. for 12 hours. The weight of only the solid residue after drying was weighed with a precision balance. The weight of this case and M 2. The gel fraction was ((M 1 −M 2 ) / M 1 ) × 100 (%).
The higher the gel fraction, the higher the degree of crosslinking.
表1に示すとおり、本発明の高分子電解質膜は、高い耐熱水性を発現する。比較例1、2の高分子電解質膜は架橋剤(X)以外の架橋剤で架橋された高分子電解質膜であるため、本発明の高分子電解質膜よりも耐熱水性が低い。
比較例3の高分子電解質膜は、架橋剤(X)を使用していないため、実施例1と比較してイオン交換容量が低いにもかかわらず、耐熱水性が低い。
As shown in Table 1, the polymer electrolyte membrane of the present invention exhibits high hot water resistance. Since the polymer electrolyte membranes of Comparative Examples 1 and 2 are polymer electrolyte membranes crosslinked with a crosslinking agent other than the crosslinking agent (X), the hot water resistance is lower than that of the polymer electrolyte membrane of the present invention.
Since the polymer electrolyte membrane of Comparative Example 3 does not use the crosslinking agent (X), the hot water resistance is low although the ion exchange capacity is low as compared with Example 1.
本発明の高分子電解質膜は、非フッ素系材料からなり、生産時および廃棄時の環境負荷が少ない上、柔軟で割れにくく、耐熱水性に優れるため、固体高分子型燃料電池用の高分子電解質膜として好適に用いることができる。 The polymer electrolyte membrane of the present invention is made of a non-fluorine material, has a low environmental impact during production and disposal, is flexible and hardly cracked, and has excellent hot water resistance. Therefore, the polymer electrolyte membrane for a solid polymer fuel cell It can be suitably used as a film.
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