JP2015156315A - Method for manufacturing polymer electrolytic film - Google Patents

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智文 榊山
Tomofumi Sakakiyama
智文 榊山
謙太 俊成
Kenta Toshinari
謙太 俊成
小野 友裕
Tomohiro Ono
友裕 小野
須郷 望
Nozomi Sugo
望 須郷
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a polymer electrolytic film made of a non-fluorine-based material, flexible and hard to crack, and superior in resistance to hot water.
SOLUTION: A method for manufacturing a polymer electrolytic film comprises the steps of: molding a composition which includes a block copolymer (Z) including a polymer block (A) including a structural unit originating from an aromatic vinyl compound and having an ion-conductive group, and an amorphous polymer block (B) including a structural unit originating an unsaturated aliphatic hydrocarbon and having no ion-conductive group, and a compound (X) having, in its molecule, at least two aromatic rings with at least one hydrogen atom substituted with a hydroxyl group; and then, performing a heat treatment on the composition in a liquid at 80-150°C.
COPYRIGHT: (C)2015,JPO&INPIT

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の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing 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、小型軽量化等の観点から、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. Solid polymer fuel cells that generate electricity by supplying power are being considered for application to automotive power supplies, portable equipment power supplies, household cogeneration systems, and the like from the viewpoints of low temperature operability, small size, and light weight.

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く、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, and the polymer block having the ion conductive group forms an ion conductive channel by microphase separation from the flexible polymer block, and thus has excellent ion conductivity.

一方、水素を燃料とする固体高分子型燃料電池において、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℃以上)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や、これに伴う高温下での長時間の運転における電圧低下を抑制する方策が検討されている。   On the other hand, in a polymer electrolyte fuel cell using hydrogen as a fuel, it is required to increase the operating temperature in order to increase the output, and in order to meet such a requirement, hot water of the polymer electrolyte membrane (for example, 90 ° C. or higher) Measures to improve durability (hot water resistance) against water, specifically, suppression of elution of polymer electrolyte membranes by hot water, and suppression of voltage drop during long-time operation associated with this are being 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).

特開平6−93114号公報JP-A-6-93114 国際公開第2006/070929号International Publication No. 2006/070929 国際公開第2012/043400号International Publication No. 2012/043400

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の製造方法を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for producing 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)および1つ以上の水素原子が水酸基で置換された芳香環を分子中に2つ以上有する化合物(X)(以下、単に「化合物(X)」と称する)を含有する組成物を成形した後に、液体中、80〜150℃の液体中で加熱処理する工程を有する高分子電解質膜の製造方法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) comprising 1 and an amorphous polymer block (B) (hereinafter simply referred to as “polymer block (B)”) having a structural unit and having no ion conductive group After molding a composition containing compound (X) (hereinafter simply referred to as “compound (X)”) having two or more aromatic rings in which one or more hydrogen atoms are substituted with hydroxyl groups in the molecule, This is achieved by providing a method for producing a polymer electrolyte membrane having a step of heat treatment in a liquid at 80 to 150 ° C.

本発明の製造方法によれば、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できる。本発明の製造方法により得られる高分子電解質膜は、固体高分子型燃料電池に好適に用いられる。   According to the production method of the present invention, it is possible to provide a polymer electrolyte membrane that is made of a non-fluorine-based material, is flexible and hardly cracked, and has excellent hot water resistance. The polymer electrolyte membrane obtained by the production method of the present invention is suitably used for a polymer electrolyte fuel cell.

≪高分子電解質膜≫
本発明の製造方法で得られる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。
≪Polymer electrolyte membrane≫
In the polymer electrolyte membrane obtained by the production method 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.

本発明の製造方法で得られる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、4〜170μmの範囲が好ましく、8〜115μmの範囲がより好ましく、10〜70μmの範囲がさらに好ましく、12〜50μmの範囲が特に好ましい。膜厚が4μm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170μm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 obtained by the production method of the present invention is preferably in the range of 4 to 170 μm, more preferably in the range of 8 to 115 μm, and more preferably in the range of 10 to 70 μm from the viewpoint of mechanical strength, handling properties, and the like. Is more preferable, and the range of 12 to 50 μm is particularly preferable. When the film thickness is 4 μm or more, the mechanical strength and fuel blocking property of the polymer electrolyte membrane are good, and when the film thickness is 170 μm or less, the ion conductivity of the polymer electrolyte film is good.

本発明の製造方法で得られる高分子電解質膜は、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)と、化合物(X)とを含有する組成物の架橋体のみで構成された単層膜でもよく、該架橋体からなる少なくとも1層の高分子電解質層を含む複層膜であってもよい。なお後述するように、化合物(X)はブロック共重合体(Z)の架橋剤として作用する。   The polymer electrolyte membrane obtained by the production method of the present invention is a composition comprising a block copolymer (Z) containing a polymer block (A) and a polymer block (B), and a compound (X). It may be a monolayer film composed only of a crosslinked body, or may be a multilayer film including at least one polymer electrolyte layer composed of the crosslinked body. As will be described later, the compound (X) acts as a cross-linking agent for the block copolymer (Z).

(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(A0)(以下、単に「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(Z0)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。
(Block copolymer (Z))
The block copolymer (Z) is composed of a structural unit derived from an aromatic vinyl compound and has a polymer block (A 0 ) (hereinafter simply referred to as “polymer block (A 0 )”) having no ion conductive group. And a block copolymer (Z 0 ) containing the polymer block (B) by introducing an ion conductive group into the polymer block (A 0 ).

ブロック共重合体(Z0)の数平均分子量(Mn)は特に制限されないが、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、40,000〜200,000の範囲がさらに好ましく、70,000〜180,000の範囲が特に好ましい。ブロック共重合体(Z0)のMnが10,000以上、特に70,000以上であると、得られる高分子電解質膜の引張破断伸び性能が高く、300,000以下、特に180,000以下であるとブロック共重合体(Z)および化合物(X)を含有する組成物は成形性に優れ、製造上も有利になる。なお、本明細書中においてMnは、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)法により測定された標準ポリスチレン換算値を意味する。 The number average molecular weight (Mn) of the block copolymer (Z 0 ) is not particularly limited, but is usually preferably in the range of 10,000 to 300,000, more preferably in the range of 15,000 to 250,000, and 40,000. The range of ˜200,000 is more preferred, and the range of 70,000 to 180,000 is particularly preferred. When the Mn of the block copolymer (Z 0 ) is 10,000 or more, particularly 70,000 or more, the obtained polymer electrolyte membrane has high tensile elongation at break, and is 300,000 or less, particularly 180,000 or less. If present, the composition containing the block copolymer (Z) and the compound (X) is excellent in moldability and is advantageous in production. In addition, in this specification, Mn means the standard polystyrene conversion value measured by the gel permeation chromatography (GPC) method.

ブロック共重合体(Z)のイオン交換容量は0.4〜4.5meq/gの範囲が好ましく、0.8〜3.2meq/gの範囲がより好ましく、1.3〜3.0meq/gの範囲がさらに好ましく、1.8〜2.8meq/gの範囲が特に好ましい。本発明で得られる高分子電解質膜は、かかるイオン交換容量が0.4meq/g以上であることでイオン伝導性が良好であり、4.5meq/g以下であることで膨潤しにくい。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 0.4 to 4.5 meq / g, more preferably in the range of 0.8 to 3.2 meq / g, and 1.3 to 3.0 meq / g. Is more preferable, and a range of 1.8 to 2.8 meq / g is particularly preferable. The polymer electrolyte membrane obtained by the present invention has good ion conductivity when the ion exchange capacity is 0.4 meq / g or more, and hardly swells when it is 4.5 meq / g or less. 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 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。なお、重合体ブロック(A)および重合体ブロック(B)は側鎖であってもよく、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、本発明で得られる高分子電解質膜の機械的強度、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。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). The polymer block (A) and the polymer block (B) may be side chains, 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 greater than or equal to 2. Hereinafter, the same applies to (B-A) n D-type star copolymer, and the like. From the viewpoints of mechanical strength and ionic conductivity, an ABA type triblock copolymer, an ABBA type BA block type Data block copolymer, (A-B) n D-type star form copolymer preferably, A-B-A type triblock copolymer is more preferable. These block copolymers may be used alone or in combination of two or more.

ブロック共重合体(Z0)における(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、75:25〜15:85の範囲であるのがより好ましく、65:35〜20:80の範囲であるのがさらに好ましく、45:55〜25:75の範囲であるのが特に好ましい。質量比が95:5〜5:95の範囲、特に45:55〜25:75の範囲であれば、得られる高分子電解質膜はイオン伝導性、機械的強度および固体高分子型燃料電池の起動と停止に伴って湿潤と乾燥を繰り返した場合の耐久性(起動停止耐久性)に優れる傾向となる。 (Total amount of polymer block (A 0 )) :( Total amount of polymer block (B)) in the block copolymer (Z 0 ) is in the range of 95: 5 to 5:95 by mass ratio. Is more preferable, it is more preferably in the range of 75:25 to 15:85, still more preferably in the range of 65:35 to 20:80, and particularly preferably in the range of 45:55 to 25:75. . When the mass ratio is in the range of 95: 5 to 5:95, particularly in the range of 45:55 to 25:75, the resulting polymer electrolyte membrane has ion conductivity, mechanical strength, and activation of the polymer electrolyte fuel cell. In addition, it tends to be excellent in durability (start / stop durability) when wetting and drying are repeated with stopping.

<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、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, 4-phenoxy Examples include styrene.

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。α−炭素に結合した水素原子がこれらの置換基で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. Examples of the substituent include alkyl groups 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; Group, a halogenated alkyl group having 1 to 4 carbon atoms such as a 2-chloroethyl group and a 3-chloroethyl group; or a phenyl group. Examples of the aromatic vinyl compound in which the 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、ビニルビフェニルおよび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−メチルスチレンおよび1,1−ジフェニルエチレンがより好ましく、スチレンおよびα−メチル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 -Methylstyrene, vinylbiphenyl and 1,1-diphenylethylene are preferred, styrene, α-methylstyrene, 4-methylstyrene and 1,1-diphenylethylene are more preferred, and styrene and α-methylstyrene are more preferred.

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種以上を併用して重合することで重合体ブロック(A0)を形成できる。2種以上の芳香族ビニル化合物を併用する場合の共重合形態はランダム共重合が好ましい。 A polymer block (A 0 ) can be formed by polymerizing one of these aromatic vinyl compounds as a monomer, or a combination of two or more. Random copolymerization is preferred as the copolymerization form when two or more aromatic vinyl compounds are used in combination.

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。これら他の構造単位は、重合体ブロック(A0)を形成している構造単位の5モル%以下であることが好ましい。すなわち、重合体ブロック(A0)を形成している構造単位のうち、95モル%以上が芳香族ビニル化合物に由来する構造単位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, and 2-ethyl-1,3. A conjugated diene having 4 to 8 carbon atoms such as butadiene and 1,3-heptadiene; 2 to 2 carbon atoms such as ethylene, propylene, 1-butene, isobutene, 1-pentene, 1-hexene, 1-heptene and 1-octene 8 Alkenes; (Meth) acrylates such as methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate, and butyl (meth) acrylate; Vinyl esters such as vinyl acetate, vinyl propionate, vinyl butyrate, and vinyl pivalate And 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. These other structural units are preferably 5 mol% or less of the structural units forming the polymer block (A 0 ). That is, it is preferable that 95 mol% or more of the structural units forming the polymer block (A 0 ) are structural units derived from an aromatic vinyl compound.

重合体ブロック(A0)1つあたりのMnは通常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、4,000〜50,000の範囲がさらに好ましく、6,000〜30,000の範囲が特に好ましい。本発明で得られる高分子電解質膜は、かかる数平均分子量(Mn)が1,000以上、特に6,000以上であればイオン伝導性が良好となり、100,000以下、特に30,000以下であれば耐熱水性が良好となり、且つブロック共重合体(Z)および化合物(X)を含有する上記組成物は成形性に優れ、製造上も有利になる。 The 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, and further in the range of 4,000 to 50,000. The range of 6,000 to 30,000 is particularly preferable. When the number average molecular weight (Mn) is 1,000 or more, particularly 6,000 or more, the polymer electrolyte membrane obtained in the present invention has good ion conductivity, and is 100,000 or less, particularly 30,000 or less. If it exists, hot water resistance will become favorable, and the said composition containing block copolymer (Z) and compound (X) is excellent in a moldability, and becomes advantageous also in manufacture.

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)で表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、スルホン酸基がさらに好ましい。 The ion conductive group possessed by the polymer block (A 0 ) is preferably a proton conductive group, and is —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 the sulfonic acid groups, phosphonic acid groups and salts thereof represented are more preferred, and sulfonic acid groups are more preferred.

<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、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がさらに好ましく、ブタジエンおよびイソプレンが特に好ましい。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種以上を併用して重合して重合体ブロック(B)を形成する。2種以上の不飽和脂肪族炭化水素を併用する場合の共重合形態はランダム共重合が好ましい。   Examples of the unsaturated aliphatic hydrocarbon that can form the polymer block (B) include ethylene, propylene, 1-butene, isobutene, 1-pentene, 1-hexene, 1-heptene, 1-octene and the like having 2 to 2 carbon atoms. 8 alkenes; 7 to 10 carbon cycloalkanes such as vinyl cyclopentane, vinyl cyclohexane, vinyl cycloheptane and vinyl cyclooctane; 7 to 7 carbon atoms such as vinyl cyclopentene, vinyl cyclohexene, vinyl cycloheptene and vinyl cyclooctene 10 vinylcycloalkenes; butadiene, 1,3-pentadiene, isoprene, 1,3-hexadiene, 2,3-dimethyl-1,3-butadiene, 2-ethyl-1,3-butadiene, 1,3-heptadiene, etc. A conjugated diene having 4 to 8 carbon atoms; cyclopentadiene, 1,3- Conjugated cycloalkadiene having 5 to 8 carbon atoms such as clohexadiene; and 2 to 2 carbon atoms such as ethylene, propylene, 1-butene, isobutene, 1-pentene, 1-hexene, 1-heptene and 1-octene. 8 alkenes; carbons such as butadiene, 1,3-pentadiene, isoprene, 1,3-hexadiene, 2,3-dimethyl-1,3-butadiene, 2-ethyl-1,3-butadiene, 1,3-heptadiene A conjugated diene having 4 to 8 carbon atoms is preferred, a conjugated diene having 4 to 8 carbon atoms is more preferred, isobutene, butadiene and isoprene are further preferred, and butadiene and isoprene are particularly preferred. Using these unsaturated aliphatic hydrocarbons as a monomer, one type is polymerized alone or in combination of two or more types to form a polymer block (B). Random copolymerization is preferred as the copolymerization form when two or more unsaturated aliphatic hydrocarbons are used in combination.

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。これら他の構造単位は、重合体ブロック(B)を形成している構造単位の5モル%以下であることが好ましい。すなわち、重合体ブロック(B)を形成している構造単位のうち、95モル%以上が不飽和脂肪族炭化水素に由来する構造単位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 ester; vinyl ethers such as methyl vinyl ether and isobutyl vinyl ether; In this case, the copolymerization form of these other monomers with the unsaturated aliphatic hydrocarbon described above is preferably random copolymerization. These other structural units are preferably 5 mol% or less of the structural units forming the polymer block (B). That is, it is preferable that 95 mol% or more of the structural units forming the polymer block (B) are structural units derived from unsaturated aliphatic hydrocarbons.

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−結合または1,4−結合のいずれであってもよい。共役ジエンを重合して形成した重合体ブロック(B)には通常、炭素−炭素二重結合が残存しているが、得られる高分子電解質膜の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。 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, either 1,2-bond or 1,4-bond It may be. In the polymer block (B) formed by polymerizing the conjugated diene, a carbon-carbon double bond usually remains, but from the viewpoint of improving the heat deterioration resistance of the obtained polymer electrolyte membrane, the block block After polymerizing the polymer (Z 0 ), a hydrogenation reaction (hereinafter referred to as “hydrogenation reaction”) is performed, and the carbon-carbon double bond is hydrogenated (hereinafter referred to as “hydrogenation”). preferable. 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.

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。
In addition, 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、15,000〜150,000の範囲であるのがさらに好ましく、80,000〜140,000の範囲であるのが特に好ましい。かかるMnが5,000以上、特に80,000以上であれば、得られる高分子電解質膜の機械的強度および起動停止耐久性は特に優れ、Mnが250,000以下、特に140,000以下であればブロック共重合体(Z)および化合物(X)を含有する上記組成物の成形性に優れ、製造上も有利になる。   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, and 15,000 to 150,000. More preferably, it is in the range of 000, particularly preferably in the range of 80,000 to 140,000. If such Mn is 5,000 or more, particularly 80,000 or more, the resulting polymer electrolyte membrane has particularly excellent mechanical strength and start / stop durability, and Mn is 250,000 or less, particularly 140,000 or less. For example, the composition containing the block copolymer (Z) and the compound (X) is excellent in moldability and is advantageous in production.

<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。本発明の製造方法で得られる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 obtained by the production method 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)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。   The polymer block (C) is preferably composed of a structural unit derived from an aromatic vinyl compound represented by the following general formula (1) because of superiority in production.

Figure 2015156315
Figure 2015156315

(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。) (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 represents a hydrogen atom or a carbon number. Represents an alkyl group of 3 to 8)

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、ブロック共重合体(Z0)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。 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 block copolymer (Z 0 ) has ion conductivity. When the group is introduced to produce the polymer block (Z), an ion conductive group can be selectively introduced into the polymer 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−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。これらは1種を単独で用いても、2種以上を併用してもよい。2種以上を併用して重合体ブロック(C)を形成する場合の共重合形態はランダム共重合が好ましい。   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-isopropylstyrene are more preferable, and 4-tert-butylstyrene is more preferable. These may be used alone or in combination of two or more. Random copolymerization is preferred as the copolymerization form when two or more types are used in combination to form the 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。これら他の構造単位は、重合体ブロック(C)を形成している構造単位の5モル%以下であることが好ましい。すなわち、重合体ブロック(C)を形成している構造単位のうち、95モル%以上が芳香族ビニル化合物に由来する構造単位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 the 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 -Conjugated dienes having 4 to 8 carbon atoms such as ethyl-1,3-butadiene and 1,3-heptadiene; ethylene, propylene, 1-butene, isobutene, 1-pentene, 1-hexene, 1-heptene, 1-octene Alkenes having 2 to 8 carbon atoms such as: (meth) acrylic acid esters such as methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate, butyl (meth) acrylate; vinyl acetate, vinyl propionate, vinyl butyrate, pivalin Vinyl esters such as vinyl acid; 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. These other structural units are preferably 5 mol% or less of the structural units forming the polymer block (C). That is, it is preferable that 95 mol% or more of the structural units forming the polymer block (C) are structural units derived from an aromatic vinyl compound.

重合体ブロック(C)1つあたりのMnは通常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、本発明で得られる高分子電解質膜は機械的強度に優れる傾向となり、50,000以下であれば、ブロック共重合体(Z)および化合物(X)を含有する上記組成物は成形性に優れ、製造上も有利になる。   Mn per polymer block (C) is usually preferably in the range of 1,000 to 50,000, more preferably in the range of 1,500 to 30,000, and 2,000 to 20,000. More preferably, it is in the range of 000. If such Mn is 1,000 or more, the polymer electrolyte membrane obtained by the present invention tends to be excellent in mechanical strength, and if it is 50,000 or less, the block copolymer (Z) and the compound (X) are added. The composition to be contained is excellent in moldability and advantageous in production.

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。中でも、機械的強度、イオン伝導性の観点から、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−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より好ましく、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さらに好ましい。本発明の製造方法で得られる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。   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. Among these, from the viewpoint of mechanical strength and ion conductivity, an ABC type triblock copolymer, an ABCA type tetrablock copolymer, an ABC type tetrablock copolymer are used. 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 hepta Block copolymer, A-C-B-C-B-C-A type hepta block copolymer, C-A-C-B-C-A-C type hepta block copolymer Combined, 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-C-B-C-type tetrablock copolymer, A-C-B-C-A type pentablock copolymer, A-C-B-C-A-C type hexablock copolymer and A-C-A-C-B-C-A-C type octablock copolymer are more preferable, and A-C-B-C -A-type pentablock copolymer and A-C-A-C-B-C-A-C type octablock copolymer are more preferable. In the polymer electrolyte membrane obtained by the production method of the present invention, these block copolymers may be used alone or in combination of two or more.

本発明の製造方法で得られる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(Z0)に占める重合体ブロック(C)の含有量は5〜50質量%の範囲であるのが好ましく、7〜40質量%の範囲であるのがより好ましく、10〜30質量%の範囲であるのがさらに好ましい。かかる含有量が5質量%以上であると、得られる高分子電解質膜の耐熱水性が高くなり、50質量%以下であると、得られる高分子電解質膜は起動停止耐久性に優れる傾向となる。 When the block copolymer (Z) constituting the polymer electrolyte membrane obtained by the production method of the present invention contains the polymer block (C), the polymer block (C) occupying the block copolymer (Z 0 ) The content is preferably in the range of 5 to 50% by mass, more preferably in the range of 7 to 40% by mass, and still more preferably in the range of 10 to 30% by mass. When the content is 5% by mass or more, the hot water resistance of the obtained polymer electrolyte membrane is increased, and when it is 50% by mass or less, the obtained polymer electrolyte membrane tends to be excellent in start / stop durability.

<ブロック共重合体(Z0)の製造>
本発明の製造方法で用い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) used in the production method of the present invention is a block copolymer (Z) comprising a polymer block (A 0 ) and a polymer block (B) by polymerizing each of the aforementioned monomers. 0 ) 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。 A method for producing 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. .

ブロック共重合体(Z0)の製造方法の具体例として、芳香族ビニル化合物に由来する構造単位からなる重合体ブロック(A0)と、共役ジエンに由来する構造単位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、(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、芳香族ビニル化合物に由来する構造単位からなる重合体ブロック(A0)と、イソブテンに由来する構造単位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、
(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、ルイス酸存在下で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 specific example of the production method of the block copolymer (Z 0 ), a polymer block (A 0 ) composed of a structural unit derived from an aromatic vinyl compound and a polymer block (B) composed of a structural unit derived from a conjugated diene As a method for producing a block copolymer (Z 0 ) comprising) as an ingredient, (1) an aromatic vinyl compound under the temperature conditions of 20 to 100 ° C. using an anionic polymerization initiator in a cyclohexane solvent, A method of sequentially obtaining an ABA block copolymer by anionic polymerization of a conjugated diene and an aromatic vinyl compound;
(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.
In addition, a block copolymer (Z 0 ) comprising a polymer block (A 0 ) composed of a structural unit derived from an aromatic vinyl compound and a polymer block (B) composed of a structural unit derived from isobutene as components. As a way to
(4) Cationic polymerization of an aromatic vinyl compound after cationic polymerization of isobutene in the presence of a Lewis acid using a bifunctional halogenation initiator at -78 ° C in a halogen / hydrocarbon mixed solvent A method for obtaining an ABA type block copolymer;
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(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系;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系;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系;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。中でも、硫酸と酸無水物との混合物系が好ましい。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。   As the sulfonating agent, sulfuric acid; a mixture system of sulfuric acid and acid anhydride; chlorosulfonic acid; a mixture system of chlorosulfonic acid and trimethylsilyl chloride; sulfur trioxide; a mixture system of sulfur trioxide and triethyl phosphate; Examples thereof include aromatic organic sulfonic acids represented by 4,6-trimethylbenzenesulfonic acid. Among these, a mixture system of sulfuric acid and acid anhydride is preferable. 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;および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; and a method of converting a phosphinic acid group introduced by reacting an aromatic ring of the aromatic vinyl compound with phosphorus trichloride and anhydrous aluminum chloride to a phosphonic acid group by oxidizing with nitric acid. 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.

<化合物(X)>
化合物(X)は、1つ以上の水素原子が水酸基で置換された芳香環を分子中に2つ以上有する化合物であり、架橋剤として作用すると考えている。化合物(X)が該芳香環を分子中に2つ以上有することで、化合物(X)が、親水性の重合体ブロック(A)を含む相に選択的に存在すると推定され、そのため親水性の重合体ブロック(A)が選択的に架橋することで高分子電解質膜の柔軟性を損なうことなく、耐熱水性が向上すると考えられる。
上記芳香環としては、ベンゼン環、ナフタレン環、アントラセン環等の炭化水素系芳香環が好ましく、ベンゼン環がより好ましい。
また、芳香環がベンゼン環である場合には、該ベンゼン環は、1つ以上の水素原子が水酸基で置換されているが、水酸基の結合しているベンゼン環上の炭素を1位としたときに、2,4,6位の炭素のうち少なくとも1つは置換基を有していないことが好ましく、このうち、高分子電解質膜の引張破断伸びおよび引張破断強さを高める観点から、4位の炭素にメチル基を有していることがより好ましい。
<Compound (X)>
Compound (X) is a compound having in its molecule two or more aromatic rings in which one or more hydrogen atoms are substituted with hydroxyl groups, and is considered to act as a crosslinking agent. It is presumed that the compound (X) has two or more aromatic rings in the molecule, so that the compound (X) is selectively present in the phase containing the hydrophilic polymer block (A). It is considered that the hot water resistance is improved without impairing the flexibility of the polymer electrolyte membrane by selectively crosslinking the polymer block (A).
The aromatic ring is preferably a hydrocarbon aromatic ring such as a benzene ring, a naphthalene ring or an anthracene ring, and more preferably a benzene ring.
In the case where the aromatic ring is a benzene ring, the benzene ring has one or more hydrogen atoms substituted with a hydroxyl group, but when the carbon on the benzene ring to which the hydroxyl group is bonded is the 1-position. In addition, it is preferable that at least one of carbons at 2, 4, and 6 positions does not have a substituent, and among these, from the viewpoint of increasing the tensile breaking elongation and tensile breaking strength of the polymer electrolyte membrane, It is more preferable that the carbon has a methyl group.

化合物(X)の具体例としては、ビスフェノールS、4,4’−ジヒドロキシビフェニル−2,2’−ジスルホン酸、4,4’−ジヒドロキシビフェニル−3,3’−ジスルホン酸、2,2’−ジヒドロキシビフェニル−4,4’−ジスルホン酸、5,5’−メチレンビス(2−ヒドロキシ安息香酸)、4,4’−イソプロピリデンビス(2,6−ジクロロフェノール)、4,4’−イソプロピリデンビス(2,6−ジブロモフェノール)、4,4’−(9−フルオレニリデン)ジフェノール、ビス(2−ヒドロキシフェニル)メタン、2,2’−ビフェノール、4,4’−ビフェノール、ビス(4−ヒドロキシフェニル)メタン、ビスフェノールA、4,4’−ヘキサフルオロイソプロピリデンジフェノール、2,2−ビス(4−ヒドロキシ−3−メチルフェニル)プロパン、1,1−ビス(4−ヒドロキシ−3−メチルフェニル)エタン、2,2’−メチレンビス(6−tert−ブチル−4−メチルフェノール)、2,2’−メチレンビス(6−tert−ブチル−4−エチルフェノール)、2,2’−エチリデンビス(4,6−ジtert−ブチルフェノール)、3,3’−エチレンジオキシジフェノール、1,4−ビス(3−ヒドロキシフェノキシ)ベンゼン、1,3−ビス(4−ヒドロキシフェノキシ)ベンゼン、ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジメチルフェニル)メタン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)フェニルメタン、ヘキセストロール、ジトラノール、1,1’−ビ−2−ナフトール、ノルジヒドログアイアレチン酸、ビス(3,4−ジヒドロキシ−6−メチルフェニル)フェニルメタン、9−(4−ヒドロキシベンジル)−10−(4−ヒドロキシフェニル)アントラセン、1,1,3−トリス(2−メチル−4−ヒドロキシ−5−tert−ブチルフェニル)ブタン、2,6−ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジメチルベンジル)−4−メチルフェノール、1,1,1−トリス(4−ヒドロキシフェニル)エタン、トリス(4−ヒドロキシフェニル)メタン、ビス(4−ヒドロキシ−3−メチルフェニル)−4−ヒドロキシ−3−メトキシフェニルメタン、2,6−ビス(2−ヒドロキシ−5−メチルベンジル)−4−メチルフェノール、2,6−ビス(2,4−ジヒドロキシベンジル)−4−メチルフェノール、1,1,2,2−テトラキス(4−ヒドロキシフェニル)エタン、α,α,α’,α’−テトラキス(4−ヒドロキシフェニル)パラキシレン、2,2−ビス[4,4−ビス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキシル]プロパン、C−メチルカリックス[4]レゾルシナレン、カリックス[4]アレーン、6,6’−ビス(2−ヒドロキシ−5−メチルベンジル)−4,4’−ジメチル−2,2’−メチレンジフェノール、2,2−ビス[4−ヒドロキシ−3,5−ビス(2−ヒドロキシ−5−メチルベンジル)フェニル]プロパン、カリックス[6]アレーン、ポリ−2−ヒドロキシ−5−ビニルベンゼンスルホン酸、ポリ−2−ビニルフェノール、ポリ−3−ビニルフェノール、ポリ−4−ビニルフェノールなどのフェノール骨格を繰り返し単位とする重合体;が挙げられる。
中でも、4,4’−イソプロピリデンビス(2,6−ジクロロフェノール)、4,4’−イソプロピリデンビス(2,6−ジブロモフェノール)、4,4’−(9−フルオレニリデン)ジフェノール、ビス(2−ヒドロキシフェニル)メタン、2,2’ −ビフェノール、4,4’−ビフェノール、ビス(4−ヒドロキシフェニル)メタン、ビスフェノールA、4,4’−ヘキサフルオロイソプロピリデンジフェノール、2,2−ビス(4−ヒドロキシ−3−メチルフェニル)プロパン、1,1−ビス(4−ヒドロキシ−3−メチルフェニル)エタン、2,2’−メチレンビス(6−tert−ブチル−4−メチルフェノール)、2,2’−メチレンビス(6−tert−ブチル−4−エチルフェノール)、2,2’−エチリデンビス(4,6−ジtert−ブチルフェノール)、3,3’−エチレンジオキシジフェノール、1,4−ビス(3−ヒドロキシフェノキシ)ベンゼン、1,3−ビス(4−ヒドロキシフェノキシ)ベンゼン、ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジメチルフェニル)メタン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)フェニルメタン、ヘキセストロール、ジトラノール、1,1’−ビ−2−ナフトール、ノルジヒドログアイアレチン酸、ビス(3,4−ジヒドロキシ−6−メチルフェニル)フェニルメタン、9−(4−ヒドロキシベンジル)−10−(4−ヒドロキシフェニル)アントラセン、1,1,3−トリス(2−メチル−4−ヒドロキシ−5−tert−ブチルフェニル)ブタン、2,6−ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジメチルベンジル)−4−メチルフェノール、1,1,1−トリス(4−ヒドロキシフェニル)エタン、トリス(4−ヒドロキシフェニル)メタン、ビス(4−ヒドロキシ−3−メチルフェニル)−4−ヒドロキシ−3−メトキシフェニルメタン、2,6−ビス(2−ヒドロキシ−5−メチルベンジル)−4−メチルフェノール、2,6−ビス(2,4−ジヒドロキシベンジル)−4−メチルフェノール、1,1,2,2−テトラキス(4−ヒドロキシフェニル)エタン、α,α,α’,α’−テトラキス(4−ヒドロキシフェニル)パラキシレン、2,2−ビス[4,4−ビス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキシル]プロパン、C−メチルカリックス[4]レゾルシナレン、カリックス[4]アレーン、6,6’−ビス(2−ヒドロキシ−5−メチルベンジル)−4,4’−ジメチル−2,2’−メチレンジフェノール、2,2−ビス[4−ヒドロキシ−3,5−ビス((2−ヒドロキシ−5−メチルベンジル))フェニル]プロパン、カリックス[6]アレーン、ポリ−2−ビニルフェノール、ポリ−3−ビニルフェノール、ポリ−4−ビニルフェノールから選ばれる化合物が好ましく、2,2’−ビフェノール、4,4’−ビフェノール、ビスフェノールA、3,3’−エチレンジオキシジフェノール、1,4−ビス(3−ヒドロキシフェノキシ)ベンゼン、1,3−ビス(4−ヒドロキシフェノキシ)ベンゼン、2,6−ビス(2−ヒドロキシ−5−メチルベンジル)−4−メチルフェノール、2,6−ビス(2,4−ジヒドロキシベンジル)−4−メチルフェノール、6,6’−ビス(2−ヒドロキシ−5−メチルベンジル)−4,4’−ジメチル−2,2’−メチレンジフェノール、ポリ−2−ビニルフェノール、ポリ−3−ビニルフェノール、ポリ−4−ビニルフェノールから選ばれる化合物がより好ましく、2,2’−ビフェノール、4,4’−ビフェノール、3,3’−エチレンジオキシジフェノール、1,4−ビス(3−ヒドロキシフェノキシ)ベンゼン、1,3−ビス((4−ヒドロキシフェノキシ))ベンゼン、2,6−ビス(2−ヒドロキシ−5−メチルベンジル)−4−メチルフェノール、2,6−ビス(2,4−ジヒドロキシベンジル)−4−メチルフェノール、6,6’−ビス(2−ヒドロキシ−5−メチルベンジル)−4,4’−ジメチル−2,2’−メチレンジフェノール、ポリ−2−ビニルフェノール、ポリ−3−ビニルフェノール、ポリ−4−ビニルフェノールから選ばれる化合物がさらに好ましく、耐熱水性の観点から、2,2’−ビフェノール、4,4’−ビフェノール、1,4−ビス(3−ヒドロキシフェノキシ)ベンゼン、1,3−ビス(4−ヒドロキシフェノキシ)ベンゼン、2,6−ビス(2−ヒドロキシ−5−メチルベンジル)−4−メチルフェノール、2,6−ビス(2,4−ジヒドロキシベンジル)−4−メチルフェノール、6,6’−ビス(2−ヒドロキシ−5−メチルベンジル)−4,4’−ジメチル−2,2’−メチレンジフェノール、ポリ−2−ビニルフェノール、ポリ−3−ビニルフェノール、ポリ−4−ビニルフェノールから選ばれる化合物が特に好ましい。高分子電解質膜を燃料電池に組み込んで運転した際の電圧低下の抑制という観点からは、ポリ−4−ビニルフェノールが最も好ましい。また、引張破断伸びおよび引張破断強さを高める観点からは、2,6−ビス(2−ヒドロキシ−5−メチルベンジル)−4−メチルフェノール、2,6−ビス(2,4−ジヒドロキシベンジル)−4−メチルフェノール、6,6’−ビス(2−ヒドロキシ−5−メチルベンジル)−4,4’−ジメチル−2,2’−メチレンジフェノールから選ばれる化合物が最も好ましい。
Specific examples of the compound (X) include bisphenol S, 4,4′-dihydroxybiphenyl-2,2′-disulfonic acid, 4,4′-dihydroxybiphenyl-3,3′-disulfonic acid, 2,2′- Dihydroxybiphenyl-4,4′-disulfonic acid, 5,5′-methylenebis (2-hydroxybenzoic acid), 4,4′-isopropylidenebis (2,6-dichlorophenol), 4,4′-isopropylidenebis (2,6-dibromophenol), 4,4 '-(9-fluorenylidene) diphenol, bis (2-hydroxyphenyl) methane, 2,2'-biphenol, 4,4'-biphenol, bis (4-hydroxy Phenyl) methane, bisphenol A, 4,4′-hexafluoroisopropylidenediphenol, 2,2-bis (4-hydroxy-3-methylphenol) Nyl) propane, 1,1-bis (4-hydroxy-3-methylphenyl) ethane, 2,2′-methylenebis (6-tert-butyl-4-methylphenol), 2,2′-methylenebis (6-tert) -Butyl-4-ethylphenol), 2,2'-ethylidenebis (4,6-ditert-butylphenol), 3,3'-ethylenedioxydiphenol, 1,4-bis (3-hydroxyphenoxy) benzene 1,3-bis (4-hydroxyphenoxy) benzene, bis (4-hydroxy-3,5-dimethylphenyl) methane, bis (4-hydroxyphenyl) phenylmethane, hexestrol, dithranol, 1,1′- Bi-2-naphthol, nordihydroguaiaretic acid, bis (3,4-dihydroxy-6-methylphenyl) phenylme 9- (4-hydroxybenzyl) -10- (4-hydroxyphenyl) anthracene, 1,1,3-tris (2-methyl-4-hydroxy-5-tert-butylphenyl) butane, 2,6- Bis (4-hydroxy-3,5-dimethylbenzyl) -4-methylphenol, 1,1,1-tris (4-hydroxyphenyl) ethane, tris (4-hydroxyphenyl) methane, bis (4-hydroxy-3) -Methylphenyl) -4-hydroxy-3-methoxyphenylmethane, 2,6-bis (2-hydroxy-5-methylbenzyl) -4-methylphenol, 2,6-bis (2,4-dihydroxybenzyl)- 4-methylphenol, 1,1,2,2-tetrakis (4-hydroxyphenyl) ethane, α, α, α ′, α′-tetrakis (4-hydride) Xylphenyl) paraxylene, 2,2-bis [4,4-bis (4-hydroxyphenyl) cyclohexyl] propane, C-methylcalix [4] resorcinalene, calix [4] arene, 6,6′-bis (2- Hydroxy-5-methylbenzyl) -4,4'-dimethyl-2,2'-methylenediphenol, 2,2-bis [4-hydroxy-3,5-bis (2-hydroxy-5-methylbenzyl) phenyl ] A phenol skeleton such as propane, calix [6] arene, poly-2-hydroxy-5-vinylbenzenesulfonic acid, poly-2-vinylphenol, poly-3-vinylphenol, poly-4-vinylphenol and the like as a repeating unit. Polymer to be used.
Among them, 4,4′-isopropylidenebis (2,6-dichlorophenol), 4,4′-isopropylidenebis (2,6-dibromophenol), 4,4 ′-(9-fluorenylidene) diphenol, bis (2-hydroxyphenyl) methane, 2,2′-biphenol, 4,4′-biphenol, bis (4-hydroxyphenyl) methane, bisphenol A, 4,4′-hexafluoroisopropylidenediphenol, 2,2- Bis (4-hydroxy-3-methylphenyl) propane, 1,1-bis (4-hydroxy-3-methylphenyl) ethane, 2,2′-methylenebis (6-tert-butyl-4-methylphenol), 2 , 2′-methylenebis (6-tert-butyl-4-ethylphenol), 2,2′-ethylidenebis (4,6-ditert -Butylphenol), 3,3'-ethylenedioxydiphenol, 1,4-bis (3-hydroxyphenoxy) benzene, 1,3-bis (4-hydroxyphenoxy) benzene, bis (4-hydroxy-3,5 -Dimethylphenyl) methane, bis (4-hydroxyphenyl) phenylmethane, hexestrol, dithranol, 1,1'-bi-2-naphthol, nordihydroguaiaretic acid, bis (3,4-dihydroxy-6- Methylphenyl) phenylmethane, 9- (4-hydroxybenzyl) -10- (4-hydroxyphenyl) anthracene, 1,1,3-tris (2-methyl-4-hydroxy-5-tert-butylphenyl) butane, 2,6-bis (4-hydroxy-3,5-dimethylbenzyl) -4-methylphenol, 1, , 1-tris (4-hydroxyphenyl) ethane, tris (4-hydroxyphenyl) methane, bis (4-hydroxy-3-methylphenyl) -4-hydroxy-3-methoxyphenylmethane, 2,6-bis (2 -Hydroxy-5-methylbenzyl) -4-methylphenol, 2,6-bis (2,4-dihydroxybenzyl) -4-methylphenol, 1,1,2,2-tetrakis (4-hydroxyphenyl) ethane, α, α, α ′, α′-tetrakis (4-hydroxyphenyl) paraxylene, 2,2-bis [4,4-bis (4-hydroxyphenyl) cyclohexyl] propane, C-methylcalix [4] resorcinalene, Calix [4] arene, 6,6′-bis (2-hydroxy-5-methylbenzyl) -4,4′-dimethyl-2,2 ′ Methylenediphenol, 2,2-bis [4-hydroxy-3,5-bis ((2-hydroxy-5-methylbenzyl)) phenyl] propane, calix [6] arene, poly-2-vinylphenol, poly- A compound selected from 3-vinylphenol and poly-4-vinylphenol is preferable, and 2,2′-biphenol, 4,4′-biphenol, bisphenol A, 3,3′-ethylenedioxydiphenol, 1,4- Bis (3-hydroxyphenoxy) benzene, 1,3-bis (4-hydroxyphenoxy) benzene, 2,6-bis (2-hydroxy-5-methylbenzyl) -4-methylphenol, 2,6-bis (2 , 4-dihydroxybenzyl) -4-methylphenol, 6,6′-bis (2-hydroxy-5-methylbenzyl) -4, More preferred are compounds selected from '-dimethyl-2,2'-methylenediphenol, poly-2-vinylphenol, poly-3-vinylphenol, poly-4-vinylphenol, 2,2'-biphenol, 4, 4′-biphenol, 3,3′-ethylenedioxydiphenol, 1,4-bis (3-hydroxyphenoxy) benzene, 1,3-bis ((4-hydroxyphenoxy)) benzene, 2,6-bis ( 2-hydroxy-5-methylbenzyl) -4-methylphenol, 2,6-bis (2,4-dihydroxybenzyl) -4-methylphenol, 6,6′-bis (2-hydroxy-5-methylbenzyl) -4,4'-dimethyl-2,2'-methylenediphenol, poly-2-vinylphenol, poly-3-vinylphenol, poly-4-vinylphenol More preferred are compounds selected from the group consisting of 2,2'-biphenol, 4,4'-biphenol, 1,4-bis (3-hydroxyphenoxy) benzene, 1,3-bis (4- Hydroxyphenoxy) benzene, 2,6-bis (2-hydroxy-5-methylbenzyl) -4-methylphenol, 2,6-bis (2,4-dihydroxybenzyl) -4-methylphenol, 6,6'- Selected from bis (2-hydroxy-5-methylbenzyl) -4,4′-dimethyl-2,2′-methylenediphenol, poly-2-vinylphenol, poly-3-vinylphenol, poly-4-vinylphenol Particularly preferred are compounds. Poly-4-vinylphenol is most preferable from the viewpoint of suppressing voltage drop when the polymer electrolyte membrane is incorporated in a fuel cell and operated. From the viewpoint of increasing the tensile elongation at break and tensile strength at break, 2,6-bis (2-hydroxy-5-methylbenzyl) -4-methylphenol, 2,6-bis (2,4-dihydroxybenzyl) Most preferred are compounds selected from -4-methylphenol and 6,6'-bis (2-hydroxy-5-methylbenzyl) -4,4'-dimethyl-2,2'-methylenediphenol.

化合物(X)は1種を単独で用いても、2種以上を併用してもよい。化合物(X)を併用する場合、特に制限はされないが、1つ以上の水素原子が水酸基で置換された芳香環を分子中に3つ以上有する化合物が、少なくとも1種用いられていることが好ましく、2種以上用いられていることがより好ましい。具体的な化合物(X)の併用としては、ポリ−4−ビニルフェノールと2,6−ビス(2−ヒドロキシ−5−メチルベンジル)−4−メチルフェノールの併用、ポリ−4−ビニルフェノールと2,6−ビス(2,4−ジヒドロキシベンジル)−4−メチルフェノールの併用が好ましい。   Compound (X) may be used alone or in combination of two or more. When the compound (X) is used in combination, it is not particularly limited, but it is preferable that at least one compound having three or more aromatic rings in which one or more hydrogen atoms are substituted with a hydroxyl group is used. It is more preferable that two or more are used. Specific combinations of compound (X) include poly-4-vinylphenol and 2,6-bis (2-hydroxy-5-methylbenzyl) -4-methylphenol, poly-4-vinylphenol and 2 , 6-Bis (2,4-dihydroxybenzyl) -4-methylphenol is preferred.

化合物(X)の使用量は、高分子電解質膜の耐熱水性の観点から、ブロック共重合体(Z)100質量部に対して0.01〜25質量部の範囲が好ましく、0.2〜20質量部の範囲がより好ましく、0.3〜15質量部の範囲がさらに好ましく、1〜12質量部の範囲が特に好ましい。また、耐熱水性およびイオン伝導性を高くする観点、並びに架橋密度を好ましい範囲にしやすい観点から、化合物(X)の1つ以上の水素原子が水酸基で置換された芳香環のモル数は、ブロック共重合体(Z)のイオン伝導性基100モル部に対して、0.1〜70モル部の範囲が好ましく、0.5〜60モル部の範囲がより好ましく、0.8〜50モル部の範囲がさらに好ましく、3〜38モル部の範囲が特に好ましい。   The amount of the compound (X) used is preferably in the range of 0.01 to 25 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the block copolymer (Z), from the viewpoint of hot water resistance of the polymer electrolyte membrane, and preferably 0.2 to 20 The range of parts by mass is more preferred, the range of 0.3 to 15 parts by mass is more preferred, and the range of 1 to 12 parts by mass is particularly preferred. Further, from the viewpoint of increasing the hot water resistance and ion conductivity, and from the viewpoint of easily setting the crosslinking density to a preferred range, the number of moles of the aromatic ring in which one or more hydrogen atoms of the compound (X) are substituted with a hydroxyl group is The range of 0.1-70 mol part is preferable with respect to 100 mol part of ion conductive groups of a polymer (Z), the range of 0.5-60 mol part is more preferable, 0.8-50 mol part is preferable. The range is more preferable, and the range of 3 to 38 mol parts is particularly preferable.

[高分子電解質膜の製造方法]
次に、本発明の高分子電解質膜の製造方法について説明する。
本発明の高分子電解質膜の製造方法は、ブロック共重合体(Z)および化合物(X)を含有する組成物を成形した後に、液体中、80〜150℃で加熱処理する工程を有することを特徴とする。かかるブロック共重合体(Z)および化合物(X)を含有する組成物の成形には通常、高分子電解質であるブロック共重合体(Z)、化合物(X)および溶媒を含有する流動性組成物が用いられる。
[Production method of polymer electrolyte membrane]
Next, the manufacturing method of the polymer electrolyte membrane of this invention is demonstrated.
The method for producing a polymer electrolyte membrane of the present invention comprises a step of heat-treating at 80 to 150 ° C. in a liquid after molding a composition containing the block copolymer (Z) and the compound (X). Features. A fluid composition containing a block copolymer (Z), which is a polymer electrolyte, a compound (X), and a solvent is usually used for molding the composition containing the block copolymer (Z) and the compound (X). Is used.

上記流動性組成物に用いることができる溶媒としては、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、イソプロパノール、ブタノール、イソブタノ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、トルエンとイソブタノールの混合溶媒、キシレンとイソブタノールの混合溶媒、トルエンとイソプロパノールの混合溶媒、シクロヘキサンとイソプロパノールの混合溶媒、シクロヘキサンとイソブタノールの混合溶媒、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、トルエンとイソブタノールとオクタンの混合溶媒、トルエンとイソプロパノールとオクタンの混合溶媒が挙げられ、トルエンとイソブタノールの混合溶媒、キシレンとイソブタノールの混合溶媒、トルエンとイソプロパノールの混合溶媒、トルエンとイソブタノールとオクタンの混合溶媒、トルエンとイソプロパノールとオクタンの混合溶媒がより好ましい。   Solvents that can be used in the fluid composition include halogenated hydrocarbons such as methylene chloride; aromatic hydrocarbons such as toluene, xylene, and benzene; linear aliphatic hydrocarbons such as hexane, heptane, and octane; cyclohexane And cycloaliphatic hydrocarbons such as ether; ethers such as tetrahydrofuran, alcohols such as methanol, ethanol, propanol, isopropanol, butanol, and isobutanol. 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 isobutanol, a mixed solvent of xylene and isobutanol, a mixed solvent of toluene and isopropanol, a mixed solvent of cyclohexane and isopropanol, a mixed solvent of cyclohexane and isobutanol, tetrahydrofuran solvent, tetrahydrofuran Mixed solvent of methanol and methanol, mixed solvent of toluene, isobutanol and octane, mixed solvent of toluene, isopropanol and octane, mixed solvent of toluene and isobutanol, mixed solvent of xylene and isobutanol, mixed solvent of toluene and isopropanol More preferred are a mixed solvent of toluene, isobutanol and octane, and a mixed solvent of toluene, isopropanol and octane.

本発明の製造方法における加熱処理は、上記流動性組成物を基板等に塗工した後、溶媒を除去することで膜状に成形した後に行ってもよい。加熱処理によってブロック共重合体(Z)が化合物(X)により架橋されるため、得られる高分子電解質膜の耐熱水性を高められる。また、液体中で加熱処理することにより、ブロック共重合体(Z)および化合物(X)を均一に加熱できるため、得られる高分子電解質膜の均一性が向上する。   The heat treatment in the production method of the present invention may be performed after the fluid composition is applied to a substrate or the like and then formed into a film by removing the solvent. Since the block copolymer (Z) is crosslinked with the compound (X) by the heat treatment, the hot water resistance of the obtained polymer electrolyte membrane can be increased. Moreover, since the block copolymer (Z) and the compound (X) can be uniformly heated by heat treatment in a liquid, the uniformity of the obtained polymer electrolyte membrane is improved.

上記流動性組成物は、上記溶媒中にブロック共重合体(Z)および化合物(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。流動性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。   The fluid composition is prepared by dissolving or dispersing the block copolymer (Z) and the compound (X) in the solvent. Various stabilizers such as softeners, phenol stabilizers, sulfur stabilizers, phosphorus stabilizers, inorganic fillers, light stabilizers, antistatic agents, release agents as long as the effects of the present invention are not impaired as necessary. Various additives such as a mold, 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 fluid composition is 50% by mass or more from the viewpoint of ion conductivity of the obtained polymer electrolyte membrane. Preferably, the content is 70% by mass or more, and more preferably 85% by mass or more.

上記流動性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;流動パラフィン、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 fluid composition include petroleum softeners such as paraffinic, naphthenic, and aromatic process oils; liquid paraffin, vegetable oil softeners, plasticizers, and the like. These may be used alone or in combination of two or more.

上記流動性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]、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 flowable composition include 2,6-ditert-butyl-p-cresol, pentaerythrityl-tetrakis [3- (3,5-ditert-butyl-4-hydroxyphenyl). ) Propionate], 1,3,5-trimethyl-2,4,6-tris (3,5-ditert-butyl-4-hydroxybenzyl) benzene, octadecyl-3- (3,5-ditert-butyl-) 4-hydroxyphenyl) propionate, triethylene glycol-bis [3- (3-tert-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate], 2,4-bis- (n-octylthio) -6- (4-hydroxy-3 , 5-Ditert-butylanilino) -1,3,5-triazine, 2,2-thio-diethylenebis [3- (3,5-dit rt-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate], 3,5-ditert-butyl-4-hydroxy-benzylphosphonate-diethyl ester, tris- (3,5-ditert-butyl-4-hydroxybenzyl) -isocyanate Nurate, 3,9-bis [2- [3- (3-tert-butyl-4-hydroxy-5-methylphenyl) propionyloxy] -1,1-dimethylethyl] -2,4,8,10-tetra Phenolic stabilizers such as oxaspiro [5.5] undecane; pentaerythrityltetrakis (3-laurylthiopropionate), distearyl 3,3′-thiodipropionate, dilauryl 3,3′-thiodipropio And sulfur stabilizers such as dimyristyl 3,3′-thiodipropionate; Le) phosphite, tris (2,4-di-tert- butylphenyl) phosphite, phosphorus-based stabilizers such as distearyl pentaerythritol phosphite. These may be used alone or in combination of two or more.

上記流動性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 inorganic filler that can be used in the fluid 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.

流動性組成物中のブロック共重合体(Z)の濃度は、分子量、組成、イオン交換基容量によって適宜選択することができるが、生産性の観点から5〜20質量%であることが好ましい。   Although the density | concentration of the block copolymer (Z) in a fluid composition can be suitably selected according to molecular weight, a composition, and an ion exchange group capacity | capacitance, it is preferable that it is 5-20 mass% from a viewpoint of productivity.

上記流動性組成物は通常、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、コーターやアプリケーター等を用いて塗工する。   The fluid composition is usually applied on a smooth substrate made of polyethylene terephthalate (PET), glass or the like using a coater, an applicator, or the like.

また流動性組成物を多孔質の基板(多孔質基板)上にディップニップ法、コーターやアプリケーター等を用いる方法等で塗工してもよい。この場合、通常、多孔質基板に流動性組成物の少なくとも一部が含浸する。流動性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。強度の観点から多孔質基板は繊維状基材が好ましく、不織布がより好ましい。該繊維状基材を構成する繊維としては、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より好ましく、全芳香族系の液晶ポリエステル繊維がさらに好ましい。   The fluid composition may be applied onto a porous substrate (porous substrate) by a dip nip method, a method using a coater, an applicator, or the like. In this case, the porous substrate is usually impregnated with at least a part of the fluid composition. The porous substrate impregnated with at least a part of the fluid 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. From the viewpoint of strength, the porous substrate is preferably a fibrous base material, more preferably a non-woven fabric. Examples of the fibers constituting the fibrous base material include aramid fibers, glass fibers, cellulose fibers, nylon fibers, vinylon fibers, polyester fibers, polyolefin fibers, and rayon fibers, and wholly aromatic polyesters from the viewpoint of strength. Fibers and aramid fibers are more preferable, and wholly aromatic liquid crystal polyester fibers are more preferable.

上記流動性組成物を上記基板等に塗工した後、溶媒を除去することでブロック共重合体(Z)および化合物(X)を含有する組成物からなる膜状の成形体が得られる。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。溶媒の除去は、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。具体的には、熱風乾燥機中にて60〜120℃で4〜10分間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、溶媒の除去は、熱風乾燥機中にて60〜120℃で4〜10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、熱風乾燥機中にて80〜120℃程度で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 fluid composition is applied to the substrate or the like, the solvent is removed to obtain a film-like molded body composed of the composition containing the block copolymer (Z) and the compound (X). 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. The removal of the solvent can be performed under ventilation conditions, vacuum conditions, or the like, and these may be combined arbitrarily. Specifically, a method of removing a solvent by drying at 60 to 120 ° C. for 4 to 10 minutes in a hot air dryer; removing a 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 easy preparation of a polymer electrolyte membrane having good toughness, the solvent is removed by drying at 60 to 120 ° C. for 4 to 10 minutes in a hot air dryer; at 25 ° C. for 1 to 3 hours. A method of pre-drying and then drying in a hot air dryer at about 80-120 ° C. for 5-10 minutes; after pre-drying at 25 ° C. for 1-3 hours, in an atmosphere of 25-40 ° C. A method of drying for 1 to 12 hours under a reduced pressure condition of 1.3 kPa or less is preferably used.

高分子電解質膜を複層膜とする場合、例えば流動性組成物を基板等に塗工した後、溶媒を除去して1層目を形成したのち、さらに該1層目上に別の高分子電解質を含む流動性組成物を塗工して、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 multi-layer membrane, for example, after applying the fluid composition to a substrate or the like, after removing the solvent to form the first layer, another polymer is further formed on the first layer. A fluid composition containing an electrolyte is applied and the solvent is removed to form a second layer. Similarly, the third and subsequent layers may be formed. Alternatively, the produced polymer electrolyte membranes may be bonded to form a multilayer film.

上記流動性組成物を基板等に塗工したのち、溶媒を除去することで得られる膜状の成形体を、液体中、80〜150℃で加熱処理することで架橋し、高分子電解質膜を得る。
加熱処理時の加熱温度は80〜150℃であり、85〜145℃が好ましく、90〜140℃がより好ましい。かかる加熱温度が80℃未満であると化合物(X)による架橋の進行が不十分となり、加熱温度が150℃を超えると、高分子電解質膜の熱劣化が生じる傾向となる。加熱処理時の圧力は0.1〜0.6MPaが好ましく、0.1〜0.5MPaがより好ましい。加熱時間は0.5〜500時間が好ましく、10〜400時間がより好ましく、80〜300時間がさらに好ましい。
After coating the fluid composition on a substrate or the like, the film-like molded body obtained by removing the solvent is crosslinked by heat treatment at 80 to 150 ° C. in a liquid, and the polymer electrolyte membrane is formed. obtain.
The heating temperature at the time of heat processing is 80-150 degreeC, 85-145 degreeC is preferable and 90-140 degreeC is more preferable. When the heating temperature is less than 80 ° C, the progress of crosslinking by the compound (X) becomes insufficient, and when the heating temperature exceeds 150 ° C, the polymer electrolyte membrane tends to be thermally deteriorated. The pressure during the heat treatment is preferably from 0.1 to 0.6 MPa, more preferably from 0.1 to 0.5 MPa. The heating time is preferably 0.5 to 500 hours, more preferably 10 to 400 hours, and further preferably 80 to 300 hours.

上記膜状の成形体の加熱処理時に用いる液体とは、該加熱処理条件にて液体であればよい。生産性の観点から、かかる液体は、常圧において5〜40℃において液体であることが好ましく、具体的には、水;メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、ブタノール、イソブタノールなどのアルコール;ヘキサン、ヘプタン、オクタンなどのアルカン;トルエン、キシレン、ベンゼンなどの芳香族ビニル化合物;テトラヒドロフラン、ジイソプロピルエーテルなどのエーテルが挙げられる。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。上記膜状の成形体の溶解性が低いことから、当該液体は水、アルカン、メタノールおよびエタノールから選ばれる少なくとも1種が好ましく、水がより好ましい。   The liquid used in the heat treatment of the film-shaped molded body may be a liquid under the heat treatment conditions. From the viewpoint of productivity, such a liquid is preferably a liquid at 5 to 40 ° C. at normal pressure, specifically, water; alcohol such as methanol, ethanol, propanol, isopropanol, butanol, isobutanol; hexane, Examples include alkanes such as heptane and octane; aromatic vinyl compounds such as toluene, xylene and benzene; ethers such as tetrahydrofuran and diisopropyl ether. These may be used alone or in combination of two or more. The liquid is preferably at least one selected from water, alkanes, methanol and ethanol, and more preferably water, because the film-like molded product has low solubility.

上記加熱処理工程に用いる装置には特に限定はなく、オートクレーブ等の公知の加熱装置を用いることができる。加熱および加圧を同時に行う観点からは、耐圧オートクレーブを用いることが好ましい。   There is no limitation in particular in the apparatus used for the said heat processing process, Well-known heating apparatuses, such as an autoclave, can be used. From the viewpoint of performing heating and pressurization simultaneously, it is preferable to use a pressure-resistant autoclave.

なお、ブロック共重合体(Z)が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。   In addition, it can confirm that the block copolymer (Z) is bridge | crosslinked by the improvement of the below-mentioned hot water resistance, the raise of a gel fraction, etc.

高分子電解質膜のゲル分率は、後述の実施例に記載の方法で測定でき、1%以上が好ましく、20%以上がより好ましく、50%以上がさらに好ましく、80%以上が特に好ましい。ゲル分率が80%以上であれば、耐熱水性が特に良好となる傾向にある。   The gel fraction of the polymer electrolyte membrane can be measured by the method described in the examples below, and is preferably 1% or more, more preferably 20% or more, further preferably 50% or more, and particularly preferably 80% or more. If the gel fraction is 80% or more, the hot water resistance tends to be particularly good.

ポリエステル(PET、PEN等)、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した場合は、通常、高分子電解質膜を基板から剥離する。なお、多孔質基板上に高分子電解質膜を形成し、該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 polyester (PET, PEN, etc.), glass or the like, the polymer electrolyte membrane is usually peeled from the substrate. In the case where a polymer electrolyte membrane is formed on a porous substrate and the porous substrate is used as a part of the polymer electrolyte membrane, peeling is not necessary.

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)
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))
The block copolymer (Z) was weighed in a glass container (weighing value a (g)), an excess amount of a saturated sodium chloride aqueous solution ((300 to 500) × a (ml)) was added, and the mixture was stirred 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 the GPC method 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1〜2で得られたブロック共重合体(Z0)における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、上記製造例1〜3で得られたブロック共重合体(Z)の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 in the block copolymer (Z 0 ) obtained in Production Examples 1 and 2 described later, and the 1,4-bonding rate and the hydrogenation rate in the polymer block (B) are as follows. It calculated from the result of measuring 1 H-NMR.
Solvent: Deuterated chloroform Measurement temperature: Room temperature Integration count: 32 times The sulfonation rate of the block copolymers (Z) obtained in Production Examples 1 to 3 was determined from the results of 1 H-NMR measurement under the following conditions. Calculated.
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)
製造例1および2で得られたブロック共重合体(Z−1)およびブロック共重合体(Z−2)の9質量%のトルエン/イソブタノール/n−オクタン(質量比3/3/4)溶液をそれぞれ調製し、離型処理済みPETフィルム(東洋紡績(株)製、商品名:K1504)上に約300μmの厚さで塗工し、熱風乾燥機にて100℃で4分間乾燥させることで、厚さ20μmの成形体を得た。
得られた成形体を、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、ブロック共重合体(Z−1)およびブロック共重合体(Z−2)について、重合体ブロック(B)は非晶性であった。
(Measurement of storage modulus)
9% by mass of toluene / isobutanol / n-octane (mass ratio 3/3/4) of the block copolymer (Z-1) and the block copolymer (Z-2) obtained in Production Examples 1 and 2 Each solution is prepared, coated onto a release-treated PET film (trade name: K1504, manufactured by Toyobo Co., Ltd.) at a thickness of about 300 μm, and dried at 100 ° C. for 4 minutes in a hot air dryer. Thus, a molded body having a thickness of 20 μm was obtained.
Using the wide-range dynamic viscoelasticity measuring device (“DVE-V4FT Rheospectr” manufactured by Rheology Co., Ltd.), the resulting molded article was heated at a rate of temperature increase of 3 ° C./min in the tension mode (frequency: 11 Hz). The temperature was raised 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, with respect to the block copolymer (Z-1) and the block copolymer (Z-2), the polymer block (B) was amorphous.

[製造例1]
(ブロック共重合体(Z0−1)の製造)
乾燥後、窒素置換した容量2Lのオートクレーブに、脱水したシクロヘキサン960mlおよびsec−ブチルリチウム(1.22mol/Lシクロヘキサン溶液)3.35mlを添加した後、60℃にて撹拌しつつ、スチレン49.5ml、4−tert−ブチルスチレン14.3ml、イソプレン198ml、4−tert−ブチルスチレン14.3mlおよびスチレン49.5mlを順次添加して重合し、ポリスチレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−ポリイソプレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−ポリスチレンを得た。得られたブロック共重合体のMnは75,300、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35.0質量%、4−tert−ブチルスチレンに由来する構造単位の含有率は11.0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、水素圧下0.5〜1MPa、70℃で18時間水添反応を行い、ポリスチレン重合体ブロック(重合体ブロック(A0))、水添ポリイソプレン重合体ブロック(重合体ブロック(B))およびポリ(4−tert−ブチルスチレン)重合体ブロック(重合体ブロック(C))からなるブロック共重合体(Z0)[ポリスチレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−水添ポリイソプレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−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)の水添ポリイソプレンブロックの水添率は99%以上であった。
[Production Example 1]
(Production of block copolymer (Z 0 -1))
After drying, 960 ml of dehydrated cyclohexane and 3.35 ml of sec-butyllithium (1.22 mol / L cyclohexane solution) were added to a 2 L autoclave purged with nitrogen, and then 49.5 ml of styrene while stirring at 60 ° C. , 4-tert-butylstyrene (14.3 ml), isoprene (198 ml), 4-tert-butylstyrene (14.3 ml) and styrene (49.5 ml) were sequentially added and polymerized to obtain polystyrene-b-poly (4-tert-butylstyrene)- b-Polyisoprene-b-poly (4-tert-butylstyrene) -b-polystyrene was obtained. The resulting block copolymer had an Mn of 75,300, a polyisoprene block having a 1,4-bond content of 94.0%, a styrene-derived structural unit content of 35.0% by mass, and 4-tert- The content of the structural unit derived from butylstyrene was 11.0% by mass.
Prepare a cyclohexane solution of the above block copolymer, put it in a pressure vessel that is purged with nitrogen, and use a Ni / Al Ziegler catalyst for hydrogenation at 0.5-1 MPa under hydrogen pressure at 70 ° C. for 18 hours. A polystyrene polymer block (polymer block (A 0 )), a hydrogenated polyisoprene polymer block (polymer block (B)) and a poly (4-tert-butylstyrene) polymer block (polymer block (C )) Block copolymer (Z 0 ) [polystyrene-b-poly (4-tert-butylstyrene) -b-hydrogenated polyisoprene-b-poly (4-tert-butylstyrene) -b-polystyrene ( Hereinafter, referred to as “block copolymer (Z 0 -1)”). The hydrogenation rate of the hydrogenated polyisoprene 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)
乾燥後、窒素置換した容量1Lの三口フラスコに、塩化メチレン162mlおよび無水酢酸81mlを添加し、0℃にて撹拌しつつ濃硫酸を36ml滴下し、さらに0℃にて60分間攪拌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(Z0−1)を、攪拌機を備えた容量3Lのガラス製反応容器に入れ、系内を窒素置換した後、塩化メチレン800mlを加えて常温にて4時間攪拌して溶解させた。この溶液に、先に調製したスルホン化剤279mlを5分かけて滴下した。常温にて48時間攪拌後、蒸留水100mlを加えて反応を停止し、攪拌しながらさらに蒸留水500mlを徐々に滴下して固形分を析出させた。この混合液から塩化メチレンを常圧留去にて除去した後、濾過して、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。この洗浄およびろ過を、洗浄水のpHに変化がなくなるまで繰り返し、得られた固形分を1.3kPa、30℃にて24時間乾燥して、ブロック共重合体(Z)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99mol%、イオン交換容量は2.6meq/gであった。
(Production of block copolymer (Z-1))
After drying, 162 ml of methylene chloride and 81 ml of acetic anhydride were added to a 1 L three-neck flask purged with nitrogen, and 36 ml of concentrated sulfuric acid was added dropwise with stirring at 0 ° C., and the mixture was further stirred at 0 ° C. for 60 minutes for sulfonation. An agent was prepared. On the other hand, 50 g of the block copolymer (Z 0 -1) was put into a 3 L glass reaction vessel equipped with a stirrer, the inside of the system was purged with nitrogen, 800 ml of methylene chloride was added, and the mixture was stirred at room temperature for 4 hours. And dissolved. To this solution, 279 ml of the previously prepared sulfonating agent was added dropwise over 5 minutes. After stirring at room temperature for 48 hours, 100 ml of distilled water was added to stop the reaction, and 500 ml of distilled water was gradually added dropwise while stirring to precipitate a solid. After removing methylene chloride from this mixed solution by distilling off under normal pressure, the mixture was filtered, and the collected solid was transferred to a beaker, 1 L of distilled water was added, washed with stirring, and then solidified by filtration. Minutes were collected again. This washing and filtration were repeated until there was no change in the pH of the washing water, and the obtained solid content was dried at 1.3 kPa and 30 ° C. for 24 hours to obtain a block copolymer (Z) (hereinafter “ Block copolymer (Z-1) ”). In the obtained block copolymer (Z-1), the ratio of the sulfonic acid group to the structural unit derived from styrene (sulfonation rate) was 99 mol%, and the ion exchange capacity was 2.6 meq / g.

[製造例2]
(ブロック共重合体(Z0−2)の製造)
乾燥後、窒素置換した容量2Lのオートクレーブに、脱水したシクロヘキサン737mlおよびsec−ブチルリチウム(0.70mol/Lシクロヘキサン溶液)2.06mlを添加した後、60℃にて撹拌しつつ、スチレン28.6ml、4−tert−ブチルスチレン14.4ml、スチレン28.6ml、4−tert−ブチルスチレン14.4ml、イソプレン114.9ml、4−tert−ブチルスチレン14.4ml、スチレン28.6mlおよび4−tert−ブチルスチレン14.4mlを順次添加して重合し、ポリスチレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−ポリスチレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−ポリイソプレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−ポリスチレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)を得た。得られたブロック共重合体のMnは130,000、ポリイソプレンブロックの1,4−結合量は93.7%、スチレンに由来する構造単位の含有率は35.6質量%、4−tert−ブチルスチレンに由来する構造単位の含有率は24.8質量%であった。
[Production Example 2]
(Production of block copolymer (Z 0 -2))
After drying, 737 ml of dehydrated cyclohexane and 2.06 ml of sec-butyllithium (0.70 mol / L cyclohexane solution) were added to a 2 L autoclave purged with nitrogen, and then 28.6 ml of styrene while stirring at 60 ° C. 4-tert-butyl styrene 14.4 ml, styrene 28.6 ml, 4-tert-butyl styrene 14.4 ml, isoprene 114.9 ml, 4-tert-butyl styrene 14.4 ml, styrene 28.6 ml and 4-tert- 14.4 ml of butylstyrene was sequentially added and polymerized to obtain polystyrene-b-poly (4-tert-butylstyrene) -b-polystyrene-b-poly (4-tert-butylstyrene) -b-polyisoprene-b-. Poly (4-tert-butylstyrene) -b-poly Styrene -b- obtain poly (4-tert-butylstyrene). The resulting block copolymer had an Mn of 130,000, a 1,4-bond content of the polyisoprene block of 93.7%, a content of structural units derived from styrene of 35.6% by mass, 4-tert- The content rate of the structural unit derived from butylstyrene was 24.8 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0.5〜1MPa、70℃で18時間水添反応を行い、ポリスチレン重合体ブロック(重合体ブロック(A0))、水添ポリイソプレン重合体ブロック(重合体ブロック(B))およびポリ(4−tert−ブチルスチレン)重合体ブロック(重合体ブロック(C))からなるブロック共重合体(Z0)[ポリスチレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−ポリスチレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−水添ポリイソプレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−ポリスチレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)(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)の水添ポリイソプレンブロックの水添率は99%以上であった。
Prepare a cyclohexane solution of the above block copolymer, put it in a pressure vessel that is purged with nitrogen, and use a Ni / Al Ziegler catalyst for hydrogenation at 0.5-1 MPa under hydrogen pressure at 70 ° C. for 18 hours. A polystyrene polymer block (polymer block (A 0 )), a hydrogenated polyisoprene polymer block (polymer block (B)) and a poly (4-tert-butylstyrene) polymer block (polymer block (C )) Block copolymer (Z 0 ) [polystyrene-b-poly (4-tert-butylstyrene) -b-polystyrene-b-poly (4-tert-butylstyrene) -b-hydrogenated polyisoprene- b-poly (4-tert-butylstyrene) -b-polystyrene-b-poly (4-tert-butylstyrene) (hereinafter “block copolymer”) Z 0 -2) referred to as ")] was obtained.
The hydrogenation rate of the hydrogenated polyisoprene 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)
乾燥後、窒素置換した容量1Lの三口フラスコに、塩化メチレン270mlおよび無水酢酸149mlを添加し、0℃にて撹拌しつつ濃硫酸を67ml滴下し、さらに0℃にて60分間攪拌してスルホン化剤を調製した。一方、72gのブロック共重合体(Z0−2)を、攪拌機を備えた容量5Lのガラス製反応容器に入れ、系内を窒素置換した後、塩化メチレン1600mlを加えて常温にて4時間攪拌して溶解させた。この溶液に、先に調製したスルホン化剤486mlを5分かけて滴下した。常温にて48時間攪拌後、蒸留水100mlを加えて反応を停止し、攪拌しながらさらに蒸留水1Lを徐々に滴下して、固形分を析出させた。この混合液から塩化メチレンを常圧留去にて除去した後、濾過して、回収した固形分をビーカーに移し、蒸留水1Lを添加して、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。この洗浄およびろ過を、洗浄水のpHに変化がなくなるまで繰り返し、得られた固形分を1.3kPa、30℃にて24時間乾燥して、ブロック共重合体(Z)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2.6meq/gであった。
(Production of block copolymer (Z-2))
After drying, 270 ml of methylene chloride and 149 ml of acetic anhydride were added to a 1 L three-neck flask purged with nitrogen, 67 ml of concentrated sulfuric acid was added dropwise with stirring at 0 ° C., and the mixture was further stirred at 0 ° C. for 60 minutes for sulfonation. An agent was prepared. On the other hand, 72 g of the block copolymer (Z 0 -2) was placed in a 5 L glass reaction vessel equipped with a stirrer, the inside of the system was purged with nitrogen, 1600 ml of methylene chloride was added, and the mixture was stirred at room temperature for 4 hours. And dissolved. To this solution, 486 ml of the previously prepared sulfonating agent was added dropwise over 5 minutes. After stirring at room temperature for 48 hours, 100 ml of distilled water was added to stop the reaction, and 1 L of distilled water was gradually added dropwise while stirring to precipitate a solid. After removing methylene chloride from this mixed solution by distilling off at atmospheric pressure, the mixture was filtered, and the collected solid was transferred to a beaker, and 1 L of distilled water was added, washed with stirring, and then solidified by filtration. Minutes were collected again. This washing and filtration were repeated until there was no change in the pH of the washing water, and the obtained solid content was dried at 1.3 kPa and 30 ° C. for 24 hours to obtain a block copolymer (Z) (hereinafter “ 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 2.6 meq / g.

[製造例3]
(スルホン化ポリエーテルエーテルケトンの製造)
ポリエーテルエーテルケトン樹脂(VICTREX社製PEEK、450P)30gを、撹拌機付きのガラス製反応容器にて窒素置換した後、濃硫酸550gを加え、室温にて攪拌して溶解させた。室温にて110時間撹拌後、氷冷した水中に反応物を注ぎ、重合体を凝固析出させた。固形分をろ過し、得られた固形分をビーカーに移して蒸留水を2L添加して、撹拌下で洗浄を行った後、ろ過回収を行った。この洗浄およびろ過の操作を洗浄水のpHに変化がなくなるまで繰り返し、最後にろ集した重合体を真空乾燥してスルホン化ポリエーテルエーテルケトン(以下「SPEEK」と称する)を得た。得られたSPEEKの単量体単位でのスルホン化率は1H−NMR分析から69%、該スルホン化ポリエーテルエーテルケトンのイオン交換容量は2.0meq/gであった。
[Production Example 3]
(Production of sulfonated polyether ether ketone)
After 30 g of polyetheretherketone resin (PEEK, 450P, manufactured by VICTREX) was replaced with nitrogen in a glass reaction vessel equipped with a stirrer, 550 g of concentrated sulfuric acid was added and dissolved by stirring at room temperature. After stirring at room temperature for 110 hours, the reaction product was poured into ice-cooled water to coagulate and precipitate the polymer. The solid content was filtered, the obtained solid content was transferred to a beaker, 2 L of distilled water was added, and the mixture was washed with stirring, and then recovered by filtration. This washing and filtration operation was repeated until there was no change in the pH of the washing water, and the finally collected polymer was vacuum-dried to obtain a sulfonated polyetheretherketone (hereinafter referred to as “SPEEK”). The sulfonation rate of the obtained SPEEK in monomer units was 69% from 1 H-NMR analysis, and the ion exchange capacity of the sulfonated polyetheretherketone was 2.0 meq / g.

[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9質量%のトルエン/イソブタノール/n−オクタン(質量比3/3/4)溶液を調製した後、化合物(X)としてポリ−4−ビニルフェノール(丸善石油化学(株)、製品名:マルカリンカーM、グレード:S−1、Mn:1100〜1500)を、ブロック共重合体(Z−1)/ポリ−4−ビニルフェノールの質量比が100/3.2になるように添加し、流動性組成物を調製した。次いで、該流動性組成物を離型処理済みPENフィルム(帝人デュポンフィルム(株)製、商品名:Q31M)上に約450μmの厚さで塗工し、熱風乾燥機にて100℃で6分間乾燥させることで、厚さ20μmの成形体を得た。かかる成形体を、10cm×10cmの大きさに打ち抜いた後、耐圧ガラス測定瓶(容量110ml)に丸めて入れた。次いで、該成形体を入れた耐圧ガラス測定瓶に蒸留水100mlを添加し、成形体全体を水中に浸漬させた後、耐圧オートクレーブ((株)耐圧硝子工業製)内に収納した。耐圧オートクレーブを密閉し、0.3MPa、110℃の条件にて96時間加熱処理することで成形体を架橋した。室温まで放冷した後、架橋した成形体を取り出し、離型紙上に広げて、1.3kPa、30℃にて24時間乾燥させることで、高分子電解質膜を得た。
[Example 1]
(Production of polymer electrolyte membrane)
After preparing a 9% by mass toluene / isobutanol / n-octane (mass ratio 3/3/4) solution of the block copolymer (Z-1) obtained in Production Example 1, -4-Vinylphenol (Maruzen Petrochemical Co., Ltd., product name: Marcalinker M, grade: S-1, Mn: 1100 to 1500) was converted into a block copolymer (Z-1) / poly-4-vinylphenol. Was added so that the mass ratio was 100 / 3.2 to prepare a fluid composition. Next, the fluid composition was coated on a PEN film (Teijin DuPont Films Co., Ltd., trade name: Q31M) with a thickness of about 450 μm and subjected to a hot air dryer at 100 ° C. for 6 minutes. By drying, a molded body having a thickness of 20 μm was obtained. The molded body was punched into a size of 10 cm × 10 cm, and then rolled into a pressure-resistant glass measuring bottle (capacity 110 ml). Next, 100 ml of distilled water was added to the pressure-resistant glass measuring bottle containing the molded body, and the entire molded body was immersed in water, and then stored in a pressure-resistant autoclave (manufactured by Pressure Glass Industrial Co., Ltd.). The pressure-resistant autoclave was sealed, and the compact was crosslinked by heat treatment under conditions of 0.3 MPa and 110 ° C. for 96 hours. After allowing to cool to room temperature, the crosslinked molded product was taken out, spread on a release paper, and dried at 1.3 kPa and 30 ° C. for 24 hours to obtain a polymer electrolyte membrane.

[実施例2]
(高分子電解質膜の作製)
実施例1において、流動性組成物中のブロック共重合体(Z−1)/ポリ−4−ビニルフェノールの質量比を100/3.2から100/9.6に変更した以外は実施例1と同様にして、高分子電解質膜を得た。
[Example 2]
(Production of polymer electrolyte membrane)
Example 1 except that the mass ratio of block copolymer (Z-1) / poly-4-vinylphenol in the flowable composition in Example 1 was changed from 100 / 3.2 to 100 / 9.6. In the same manner as above, a polymer electrolyte membrane was obtained.

[実施例3]
(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9.9質量%のトルエン/イソブタノール/n−オクタン(質量比3/3/4)溶液を調製した後、化合物(X)としてポリ−4−ビニルフェノール(丸善石油化学(株)、製品名:マルカリンカーM、グレード:S−1)を、ブロック共重合体(Z−2)/ポリ−4−ビニルフェノールの質量比が100/9.6になるように添加し、流動性組成物を調製した。該流動性組成物を用いた以外は実施例1と同様にして、高分子電解質膜を得た。
[Example 3]
(Production of polymer electrolyte membrane)
After preparing a 9.9 mass% toluene / isobutanol / n-octane (mass ratio 3/3/4) solution of the block copolymer (Z-2) obtained in Production Example 2, compound (X) Poly-4-vinylphenol (Maruzen Petrochemical Co., Ltd., product name: Marcalinker M, grade: S-1), and the mass ratio of block copolymer (Z-2) / poly-4-vinylphenol is It added so that it might become 100 / 9.6, and the fluid composition was prepared. A polymer electrolyte membrane was obtained in the same manner as in Example 1 except that the fluid composition was used.

[実施例4]
(高分子電解質膜の作製)
実施例3において、加熱処理時の圧力を0.5MPa、温度を140℃に変更した以外は実施例3と同様にして、高分子電解質膜を得た。
[Example 4]
(Production of polymer electrolyte membrane)
In Example 3, a polymer electrolyte membrane was obtained in the same manner as in Example 3 except that the pressure during the heat treatment was changed to 0.5 MPa and the temperature was changed to 140 ° C.

[実施例5]
(高分子電解質膜の作製)
加熱処理時の圧力を0.1MPa、温度を90℃とし、処理時間を270時間に変更した以外は実施例3と同様にして、高分子電解質膜を得た。
[Example 5]
(Production of polymer electrolyte membrane)
A polymer electrolyte membrane was obtained in the same manner as in Example 3 except that the pressure during the heat treatment was 0.1 MPa, the temperature was 90 ° C., and the treatment time was changed to 270 hours.

[実施例6]
(高分子電解質膜の作製)
実施例5において、ブロック共重合体(Z−2)/ポリ−4−ビニルフェノールの質量比を100/9.6から100/4.8に変更して流動性組成物を調製した以外は実施例5と同様にして、高分子電解質膜を得た。
[Example 6]
(Production of polymer electrolyte membrane)
In Example 5, except that the flowable composition was prepared by changing the mass ratio of block copolymer (Z-2) / poly-4-vinylphenol from 100 / 9.6 to 100 / 4.8. In the same manner as in Example 5, a polymer electrolyte membrane was obtained.

[実施例7]
(高分子電解質膜の作製)
実施例5において、化合物(X)としてポリ−4−ビニルフェノールに代えて3,3’−エチレンジオキシジフェノール(東京化成工業(株)製)を用いて、ブロック共重合体(Z−2)/3,3’−エチレンジオキシジフェノールの質量比が100/2.5になるように調製した流動性組成物を用いた以外は実施例5と同様にして、高分子電解質膜を得た。
[Example 7]
(Production of polymer electrolyte membrane)
In Example 5, a block copolymer (Z-2) was used by using 3,3′-ethylenedioxydiphenol (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) instead of poly-4-vinylphenol as the compound (X). ) / 3,3′-ethylenedioxydiphenol A polymer electrolyte membrane was obtained in the same manner as in Example 5 except that a fluid composition prepared so that the mass ratio was 100 / 2.5 was used. It was.

[実施例8]
(高分子電解質膜の作製)
実施例5において、化合物(X)としてポリ−4−ビニルフェノールに代えて2,6−ビス(2,4−ジヒドロキシベンジル)−4−メチルフェノール(旭有機材工業(株)製、製品名:BIR−PC)を用いて、ブロック共重合体(Z−2)/2,6−ビス(2,4−ジヒドロキシベンジル)−4−メチルフェノールの質量比が100/7.0になるように調製した流動性組成物を用いた以外は実施例5と同様にして、高分子電解質膜を得た。
[Example 8]
(Production of polymer electrolyte membrane)
In Example 5, 2,6-bis (2,4-dihydroxybenzyl) -4-methylphenol (manufactured by Asahi Organic Materials Co., Ltd., product name) instead of poly-4-vinylphenol as compound (X) BIR-PC) is used so that the mass ratio of the block copolymer (Z-2) / 2,6-bis (2,4-dihydroxybenzyl) -4-methylphenol is 100 / 7.0. A polymer electrolyte membrane was obtained in the same manner as in Example 5 except that the fluid composition was used.

[実施例9]
(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9質量%のトルエン/イソブタノール/n−オクタン(質量比3/3/4)溶液を調製した後、化合物(X)としてポリ−4−ビニルフェノール(丸善石油化学(株)、製品名:マルカリンカーM、グレード:S−1)を、ブロック共重合体(Z−1)/ポリ−4−ビニルフェノールの質量比が100/3.2になるように添加し、流動性組成物を調製した。次いで、該流動性組成物を離型処理済みPENフィルム(帝人デュポンフィルム(株)製、商品名:Q31M)上に約200μmの厚さで塗工した後、不織布(クラレクラフレックス(株)製、ベクルス(登録商標)、平均繊維径7μm、坪量3g/cm2、空孔率76.2%、厚さ9μm)を上から皺が入らないように塗工面と平行に重ねて、不織布に該流動性組成物を含浸させた後、熱風乾燥機にて100℃で6分間乾燥させた。この上にさらに上記流動性組成物を約200μmの厚さで塗工し、熱風乾燥機にて100℃で6分間乾燥させることで、ブロック共重合体(Z−1)および化合物(X)を含有する組成物と、不織布からなる厚さ20μmの接合体を得た。
かかる接合体から10cm×10cmの膜を打ち抜いて、耐圧ガラス瓶(容量110ml)に丸めて入れ、蒸留水100mlを添加し、接合体全体を水中に浸漬させた後、耐圧オートクレーブ((株)耐圧硝子工業製)内に収納した。耐圧オートクレーブを密閉し、0.3MPa、110℃の架橋条件にて96時間加熱処理することで成形体を架橋した。室温まで放冷後、架橋後の接合体を取り出し、離型紙上に広げて、1.3kPa、30℃にて24時間乾燥させることで、高分子電解質膜を得た。
[Example 9]
(Production of polymer electrolyte membrane)
After preparing a 9% by mass toluene / isobutanol / n-octane (mass ratio 3/3/4) solution of the block copolymer (Z-1) obtained in Production Example 1, -4-Vinylphenol (Maruzen Petrochemical Co., Ltd., product name: Marcalinker M, grade: S-1), block copolymer (Z-1) / poly-4-vinylphenol mass ratio of 100 / It added so that it might become 3.2, and the fluid composition was prepared. Next, the fluid composition was applied on a PEN film (Teijin DuPont Films Co., Ltd., trade name: Q31M) with a thickness of about 200 μm, and then a non-woven fabric (Kuralek Laurex Co., Ltd.). , Vecrus (registered trademark), average fiber diameter of 7 μm, basis weight of 3 g / cm 2 , porosity of 76.2%, thickness of 9 μm) are laminated in parallel to the coated surface so as not to cause wrinkles from above. After impregnating the fluid composition, it was dried at 100 ° C. for 6 minutes in a hot air dryer. Further, the above flowable composition was applied to a thickness of about 200 μm on this, and dried at 100 ° C. for 6 minutes in a hot air dryer to obtain the block copolymer (Z-1) and the compound (X). A 20 μm thick joined body made of the composition and the nonwoven fabric was obtained.
A 10 cm × 10 cm film is punched out from the joined body, rolled into a pressure-resistant glass bottle (capacity 110 ml), 100 ml of distilled water is added, the whole joined body is immersed in water, and then a pressure-resistant autoclave (a pressure-resistant glass). The product was stored in (Industry). The pressure-resistant autoclave was sealed, and the molded body was crosslinked by heat treatment for 96 hours under the crosslinking conditions of 0.3 MPa and 110 ° C. After allowing to cool to room temperature, the crosslinked joined product was taken out, spread on a release paper, and dried at 1.3 kPa and 30 ° C. for 24 hours to obtain a polymer electrolyte membrane.

[比較例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9質量%のトルエン/イソブタノール/n−オクタン(質量比3/3/4)溶液を調製した。かかる溶液を流動性組成物に代えて用いた以外は、実施例1と同様にして厚さ20μmの成形体を得た。かかる成形体から10cm×10cmの膜を打ち抜いて、耐圧ガラス瓶(容量110ml)に丸めて入れ、蒸留水100mlを添加し、成形体全体を水中に浸漬させた後、耐圧オートクレーブ((株)耐圧硝子工業製)内に収納した。耐圧オートクレーブを密閉し、0.3MPa、110℃にて96時間加熱処理した。室温まで放冷後、加熱処理後の成形体を取り出し、離型紙上に広げて、1.3kPa、30℃にて24時間乾燥させることで、高分子電解質膜を得た。
[Comparative Example 1]
(Production of polymer electrolyte membrane)
A 9% by mass toluene / isobutanol / n-octane (mass ratio 3/3/4) solution of the block copolymer (Z-1) obtained in Production Example 1 was prepared. A molded body having a thickness of 20 μm was obtained in the same manner as in Example 1 except that this solution was used instead of the fluid composition. A 10 cm × 10 cm film is punched from the molded body, rolled into a pressure-resistant glass bottle (capacity 110 ml), 100 ml of distilled water is added, the whole molded body is immersed in water, and then pressure-resistant autoclave (pressure-resistant glass) The product was stored in (Industry). The pressure-resistant autoclave was sealed and heat-treated at 0.3 MPa and 110 ° C. for 96 hours. After allowing to cool to room temperature, the molded article after the heat treatment was taken out, spread on a release paper, and dried at 1.3 kPa and 30 ° C. for 24 hours to obtain a polymer electrolyte membrane.

[比較例2]
(高分子電解質膜の作製)
加熱処理時の圧力を0.1MPa、温度を70℃とし、処理時間を270時間に変更した以外は、実施例2と同様にして高分子電解質膜を得た。
[Comparative Example 2]
(Production of polymer electrolyte membrane)
A polymer electrolyte membrane was obtained in the same manner as in Example 2 except that the pressure during the heat treatment was 0.1 MPa, the temperature was 70 ° C., and the treatment time was changed to 270 hours.

[比較例3]
(高分子電解質膜の作製)
製造例3で得られたSPEEKの5.3質量%のジメチルスルホキシド溶液を調製した後、化合物(X)としてポリ−4−ビニルフェノール(丸善石油化学(株)、製品名:マルカリンカーM、グレード:S−1)を、SPEEK/ポリ−4−ビニルフェノールの質量比が100/7.2になるように添加し、流動性組成物を調製した。次いで、該流動性組成物166mgを、内寸8cm×8cmの正方形の底面を有する高さ3cmのポリテトラフルオロエチレン製容器内に注ぎ、室温で十分乾燥させた後、真空乾燥機中、30℃で72時間乾燥させることで厚さ20μmの成形体を得た。かかる成形体を用いた以外は、実施例1と同様にして高分子電解質膜を得た。
[Comparative Example 3]
(Production of polymer electrolyte membrane)
After preparing a 5.3 mass% dimethyl sulfoxide solution of SPEEK obtained in Production Example 3, poly-4-vinylphenol (Maruzen Petrochemical Co., Ltd., product name: Marcalinker M, grade) as compound (X) : S-1) was added so that the mass ratio of SPEEK / poly-4-vinylphenol was 100 / 7.2 to prepare a fluid composition. Next, 166 mg of the flowable composition was poured into a 3 cm-high polytetrafluoroethylene container having a square bottom surface with an inner size of 8 cm × 8 cm, sufficiently dried at room temperature, and then placed in a vacuum dryer at 30 ° C. Was dried for 72 hours to obtain a molded body having a thickness of 20 μm. A polymer electrolyte membrane was obtained in the same manner as in Example 1 except that this molded body was used.

(実施例および比較例の高分子電解質膜の性能試験およびその結果)
下記の測定・評価方法によって高分子電解質膜の性能を評価した。結果を表1に示す。
(Performance tests and results of polymer electrolyte membranes of Examples and Comparative Examples)
The performance of the polymer electrolyte membrane was evaluated by the following measurement / evaluation method. The results are shown in Table 1.

(耐熱水性試験:不溶分残存率)
各実施例および比較例で得られた高分子電解質膜から3cm×5cmの試験片を切り出し、1.3kPa、50℃にて12時間乾燥し、質量(質量m1とする)を測定後、110mLのスクリュー管に入れ、蒸留水を60mL添加した後、SUS製の金属容器内に収納して密封し、110℃の恒温槽内にて96時間静置した。その後、スクリュー管内の試験片を取り出して、1.3kPa、50℃にて12時間乾燥し、質量(質量m2とする)を測定した。
次式により不溶分残存率(a)を求めた。
不溶分残存率(a)(%)=m2/m1×100
また、同じ高分子電解質膜から3cm×5cmの別の試験片を切り出し、同様の試験を実施し、不溶分残存率(b)を求めた。
このようにして得られた不溶分残存率(a)および不溶分残存率(b)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に優れると判断した。
(Hot water resistance test: residual rate of insoluble matter)
A test piece of 3 cm × 5 cm was cut out from the polymer electrolyte membranes obtained in each Example and Comparative Example, dried at 1.3 kPa and 50 ° C. for 12 hours, measured for mass (mass m 1 ), and then 110 mL After adding 60 mL of distilled water, it was housed in a SUS metal container, sealed, and allowed to stand in a 110 ° C. constant temperature bath for 96 hours. Thereafter, the test piece in the screw tube was taken out, dried at 1.3 kPa and 50 ° C. for 12 hours, and the mass (referred to as mass m 2 ) was measured.
The insoluble matter residual ratio (a) was determined by the following formula.
Insoluble matter residual ratio (a) (%) = m 2 / m 1 × 100
Moreover, another 3 cm x 5 cm test piece was cut out from the same polymer electrolyte membrane, the same test was performed, and the insoluble matter residual rate (b) was calculated | required.
The insoluble matter residual rate (a) and the insoluble matter residual rate (b) thus obtained were arithmetically averaged to obtain an insoluble content residual rate. It was judged that the higher the insoluble matter residual ratio, the better the hot water resistance.

(ゲル分率の測定)
各実施例および比較例1〜2で得られた高分子電解質膜から4cm×8cmの試験片を切り出し、質量を精密天秤にて秤量した。この際の質量を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、11kPa、40℃の条件でテトラヒドロフランを留去後、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質量を精密天秤にて秤量した。この際の質量をM2とし、ゲル分率を下記式によって算出した。
ゲル分率=((M1−M2)/M1)×100(%)
また、比較例3で得られた高分子電解質膜については、テトラヒドロフランの代わりにジメチルスルホキシドを用いた以外は同様にしてゲル分率を測定した。
(Measurement of gel fraction)
A test piece of 4 cm × 8 cm was cut out from the polymer electrolyte membranes obtained in each Example and Comparative Examples 1 and 2, and the mass was weighed with a precision balance. The mass at this time is 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, tetrahydrofuran was distilled off under conditions of 11 kPa and 40 ° C., and further dried at 1.3 kPa and 80 ° C. for 12 hours. The mass of only the solid residue after drying was weighed with a precision balance. The mass of this time and M 2, was calculated gel fraction by the following equation.
Gel fraction = ((M 1 −M 2 ) / M 1 ) × 100 (%)
For the polymer electrolyte membrane obtained in Comparative Example 3, the gel fraction was measured in the same manner except that dimethyl sulfoxide was used instead of tetrahydrofuran.

[固体高分子型燃料電池の電圧低下速度]
実施例5および比較例2で得られた高分子電解質膜について、該高分子電解質膜を組み込んだ評価用燃料電池にて、高温下での電圧低下速度を測定した。
まず、実施例5で得られた高分子電解質膜から9cm×9cmの試験片を切り出し、内側を5cm×5cmに切り抜いた厚さ12.5μmのPTFEフィルム2枚で挟み、さらに、Pt触媒担持カーボンおよびナフィオンD1021(デュポン社製(商品名))からなる触媒層と、カーボンペーパーとからなる電極2枚で挟んだ後、ホットプレスにより加熱処理(115℃、1MPa、8分)を行って、膜−電極接合体(MEA)を作製した。次いで作製したMEAにガスケットを組み合わせたのち、2枚のガス供給流路の役割を兼ねた導電性のセパレータで挟み、さらにその外側を2枚の集電板および2枚の締付板で挟み評価セルを作製した。作製した評価セルにガス供給用ホース、ドレンホース(カソード側には排水回収用瓶を付属)、ヒータ電源、熱電対、発電特性分析器((株)エヌエフ回路設計ブロック製)に接続された負荷電流制御用端子と電圧検出用端子を接続して評価用燃料電池を組み立てた。この評価用燃料電池の一方の電極(アノード)に70cc/分で水素を、他方の電極(カソード)に240cc/分で空気を供給し、下記の条件で運転して、電圧低下速度を測定した。
セル温度:80℃
相対湿度:100%
電流密度:0.3A/cm2
[Voltage drop rate of polymer electrolyte fuel cells]
With respect to the polymer electrolyte membranes obtained in Example 5 and Comparative Example 2, the rate of voltage drop at high temperatures was measured with an evaluation fuel cell incorporating the polymer electrolyte membrane.
First, a 9 cm × 9 cm test piece was cut out from the polymer electrolyte membrane obtained in Example 5, sandwiched between two 12.5 μm-thick PTFE films with the inside cut into 5 cm × 5 cm, and further Pt catalyst-carrying carbon. And a catalyst layer made of Nafion D1021 (manufactured by DuPont (trade name)) and two electrodes made of carbon paper, followed by heat treatment (115 ° C., 1 MPa, 8 minutes) by hot pressing to form a membrane -An electrode assembly (MEA) was prepared. Next, after the gasket is combined with the manufactured MEA, it is sandwiched between two conductive separators that also serve as gas supply channels, and the outside is sandwiched between two current collector plates and two clamping plates. A cell was produced. Load connected to the manufactured evaluation cell connected to a gas supply hose, a drain hose (a drainage recovery bottle is attached to the cathode side), a heater power supply, a thermocouple, and a power generation characteristic analyzer (manufactured by NF Circuit Design Block Co., Ltd.) A fuel cell for evaluation was assembled by connecting a current control terminal and a voltage detection terminal. One electrode (anode) of this evaluation fuel cell was supplied with hydrogen at 70 cc / min, and the other electrode (cathode) was supplied with air at 240 cc / min and operated under the following conditions to measure the voltage drop rate. .
Cell temperature: 80 ° C
Relative humidity: 100%
Current density: 0.3 A / cm 2

(固体高分子型燃料電池の電圧低下速度1)
上記評価用燃料電池を1200時間まで運転し、該評価用燃料電池に接続された電圧検出用端子により電圧値を測定することで運転時間に伴う電圧値の低下を追跡し、開始時における電圧値に対して10%低下するまでの時間を測定した。なお、実施例5で得られた高分子電解質膜においては、1200時間運転時の電圧値は、開始時における電圧値に対して1.4%低下したのみであったので、上記10%低下するまでの時間は1200時間超と判断した。
(Voltage drop rate 1 of polymer electrolyte fuel cell)
The evaluation fuel cell is operated for up to 1200 hours, and the voltage value is measured by a voltage detection terminal connected to the evaluation fuel cell to track the decrease in the voltage value with the operation time. The time to decrease by 10% was measured. In the polymer electrolyte membrane obtained in Example 5, the voltage value at the time of 1200 hours operation was only 1.4% lower than the voltage value at the start time, and thus decreased by 10%. The time until was judged to be over 1200 hours.

(固体高分子型燃料電池の電圧低下速度2)
運転中の上記評価用燃料電池に接続された電圧検出用端子により、500時間運転後の電圧値V1(V)、1200時間運転後の電圧値V2(V)を測定し、電圧低下速度を次式より算出した。
電圧低下速度(μV/時間)={(V1−V2)/(1200−500)}×106
(Voltage drop rate of polymer electrolyte fuel cell 2)
The voltage value V 1 (V) after 500 hours of operation and the voltage value V 2 (V) after 1200 hours of operation are measured by the voltage detection terminal connected to the fuel cell for evaluation during operation, and the voltage drop rate Was calculated from the following equation.
Voltage drop rate (μV / hour) = {(V 1 −V 2 ) / (1200−500)} × 10 6

Figure 2015156315
Figure 2015156315

比較例1は化合物(X)を用いていないため、成形後の熱水処理時に高分子電解質膜が溶解し耐熱水性に劣る。また、比較例2の成形後の処理温度が低い場合および比較例3のブロック共重合体(Z)以外の高分子電解質を用いた場合もゲル分率が低いことから架橋されておらず、耐熱水性に劣る。一方、実施例1〜9より、本発明の高分子電解質膜は耐熱水性に優れる。また、実施例5と比較例2の比較より、本発明の高分子電解質膜は、固体高分子型燃料電池に組み込んで運転した場合に電圧の低下が少ない。   Since the comparative example 1 does not use the compound (X), the polymer electrolyte membrane is dissolved during the hot water treatment after molding, and the hot water resistance is poor. In addition, when the treatment temperature after molding in Comparative Example 2 is low and when a polymer electrolyte other than the block copolymer (Z) in Comparative Example 3 is used, the gel fraction is low, so that it is not crosslinked and is heat resistant. It is inferior in water. On the other hand, from Examples 1 to 9, the polymer electrolyte membrane of the present invention is excellent in hot water resistance. Further, from the comparison between Example 5 and Comparative Example 2, the polymer electrolyte membrane of the present invention has a small voltage drop when operated by being incorporated in a solid polymer fuel cell.

本発明の製造方法によれば、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が得られる。本発明の製造方法により得られる高分子電解質膜は、固体高分子型燃料電池に好適に用いられる。   According to the production method of the present invention, a polymer electrolyte membrane made of a non-fluorine material, flexible and hardly cracked, and excellent in hot water resistance can be obtained. The polymer electrolyte membrane obtained by the production method of the present invention is suitably used for a polymer electrolyte fuel cell.

Claims (7)

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)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)とを含むブロック共重合体(Z)および1つ以上の水素原子が水酸基で置換された芳香環を分子中に2つ以上有する化合物(X)を含有する組成物を成形した後に、液体中、80〜150℃で加熱処理する工程を有する高分子電解質膜の製造方法。   Amorphous vinyl compound comprising a structural unit derived from a polymer block (A) having an ion conductive group and a structural unit derived from an unsaturated aliphatic hydrocarbon and having no ion conductive group Comprising a block copolymer (Z) containing a functional polymer block (B) and a compound (X) having two or more aromatic rings in which at least one hydrogen atom is substituted with a hydroxyl group in the molecule A process for producing a polymer electrolyte membrane comprising a step of heat-treating at 80 to 150 ° C. in a liquid after molding. 前記液体が水である、請求項1に記載の高分子電解質膜の製造方法。   The method for producing a polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein the liquid is water. 前記加熱処理時の圧力が0.1〜0.6MPaである、請求項1又は2に記載の高分子電解質膜の製造方法。   The method for producing a polymer electrolyte membrane according to claim 1 or 2, wherein the pressure during the heat treatment is 0.1 to 0.6 MPa. 前記不飽和脂肪族炭化水素が炭素数4〜8の共役ジエンである、請求項1〜3のいずれかに記載の高分子電解質膜の製造方法。   The method for producing a polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 3, wherein the unsaturated aliphatic hydrocarbon is a conjugated diene having 4 to 8 carbon atoms. 前記重合体ブロック(B)が前記共役ジエンを重合して形成した重合体ブロックの炭素−炭素二重結合を水素添加して得られ、水素添加率が30モル%以上である、請求項4に記載の高分子電解質膜の製造方法。   The polymer block (B) is obtained by hydrogenating a carbon-carbon double bond of a polymer block formed by polymerizing the conjugated diene, and the hydrogenation rate is 30 mol% or more. The manufacturing method of the polymer electrolyte membrane of description. 前記ブロック共重合体(Z)が、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)を含む、請求項1〜5のいずれかに記載の高分子電解質膜の製造方法。   The said block copolymer (Z) further consists of the structural unit derived from an aromatic vinyl compound, and contains the polymer block (C) which does not have an ion conductive group in any one of Claims 1-5. A method for producing a polymer electrolyte membrane. 前記化合物(X)の使用量が前記ブロック共重合体(Z)100質量部に対して0.01〜25質量部である、請求項1〜6のいずれかに記載の高分子電解質膜の製造方法。   The production of the polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 6, wherein the amount of the compound (X) used is 0.01 to 25 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the block copolymer (Z). Method.
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