JP2017538797A - プロトン交換膜用の液体組成物 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2014年10月20日出願の欧州特許出願第14189535.9号に対する優先権を主張するものであり、この出願の全内容は、あらゆる目的のために参照により本明細書に援用される。
− 液体媒体[媒体(L)]と;
− 少なくとも1個の−SO3Z基(式中、Zは、H,アルカリ金属イオンまたはNH4 +である)を含有する少なくとも1種のエチレン性不飽和フッ素化モノマー[モノマー(A)]に由来する繰り返し単位と、少なくとも1種のエチレン性不飽和フッ素化モノマー[モノマー(B)]に由来する繰り返し単位とを含む少なくとも1種のポリマー[成分(I)]と;
− 少なくとも1種のパーフルオロエラストマー[成分(II)]と
を含む組成物[組成物(C)]であって、
前記成分(I)と前記成分(II)との間の重量比が95/5〜70/30である組成物に関する。
(i)第1液体媒体[媒体(I)]中に成分(I)を含む組成物[組成物(C1)]を提供する工程と;
(ii)組成物(dC1)の総重量に対して10重量%未満の量で前記成分(I)を含む、希釈された液体媒体[媒体(dI)]中の希釈された前記組成物[組成物(dC1)]を得るために、前記組成物(C1)を液体媒体[媒体(d)]で希釈する工程と;
(iii)95/5〜70/30の前記成分(I)対前記成分(II)の重量比からなる、第3液体媒体[媒体(III)]中の希釈された混合組成物(dC3)を提供するために、前記組成物(dC1)を、第2液体媒体[媒体(II)]中に成分(II)を含む組成物[組成物(C2)]と混合する工程と、
(iv)媒体(L)、成分(I)および成分(II)を含む組成物(C)であって、前記成分(I)および前記成分(II)が、前記組成物の総重量を基準として少なくとも15重量%の量で存在する組成物(C)を提供するために、前記媒体(III)を前記組成物(dC3)から部分的に除去する工程と
を含む方法に関する。
− CF2=CF(CF2)pSO3Z(式中、pは、0〜10、好ましくは1〜6の整数であり、より好ましくはpは2または3に等しく、好ましくはZは上に定義された通りである);
− CF2=CF−O−(CF2)mSO3Z(式中、mは、1〜10、好ましくは1〜6、より好ましくは2〜4の整数であり、さらにより好ましくはmは2に等しく、好ましくはZは上に定義された通りである);
− CF2=CF−(OCF2CF(RF1))w−O−CF2(CF(RF2))ySO3Z(式中、wは、0〜2の整数であり、互いに等しいかもしくは異なる、RF1およびRF2は独立して、F、Clまたは、1個もしくは複数個のエーテル酸素原子で場合により置換された、C1〜C10フルオロアルキル基であり、yは、0〜6の整数であり;好ましくはwは1であり、RF1は−CF3であり、yは1であり、RF2はFであり、好ましくはZは上に定義された通りである);
− CF2=CF−Ar−SO3Z(式中、Arは、C5〜C15の芳香族またはヘテロ芳香族置換基であり、好ましくはZは上に定義された通りである)
からなる群から選択される。
− テトラフルオロエチレン、ペンタフルオロプロピレン、ヘキサフルオロプロピレン、およびヘキサフルオロイソブチレンなどの、C2〜C8フルオロオレフィン;
− フッ化ビニリデン;
− クロロトリフルオロエチレンおよびブロモトリフルオロエチレンなどの、C2〜C8クロロ−および/またはブロモ−および/またはヨード−フルオロオレフィン;
− 式CF2=CFORf1(式中、Rf1は、C1〜C6フルオロアルキル、例えば−CF3、−C2F5、−C3F7である)のフルオロアルキルビニルエーテル;
− 式CF2=CFORO1(式中、RO1は、1つもしくは複数のエーテル基を有するC1〜C12フルオロ−オキシアルキル、例えばパーフルオロ−2−プロポキシ−プロピルである)のフルオロ−オキシアルキルビニルエーテル;
− 式CF2=CFOCF2ORf2(式中、Rf2は、C1〜C6フルオロアルキル、例えば−CF3、−C2F5、−C3F7であるかまたは、−C2F5−O−CF3のような、1つもしくは複数のエーテル基を有するC1〜C6フルオロオキシアルキル基である)のフルオロアルキル−メトキシ−ビニルエーテル;
− 式:
(式中、互いに等しいかもしくは異なる、Rf3、Rf4、Rf5およびRf6のそれぞれは独立して、フッ素原子;1個もしくは複数個の酸素原子を場合により含む、C1〜C6フルオロ(ハロ)フルオロアルキル基、例えば−CF3、−C2F5、−C3F7、−OCF3、−OCF2CF2OCF3である)
のフルオロジオキソール
からなる群から選択される。
− C3〜C8フルオロオレフィン、好ましくはテトラフルオロエチレンおよび/またはヘキサフルオロプロピレン;
− クロロトリフルオロエチレンおよび/またはブロモトリフルオロエチレンのような、クロロ−および/またはブロモ−および/またはヨード−C2〜C6フルオロオレフィン;
− 式CF2=CFORf1(式中、Rf1は、C1〜C6フルオロアルキル、例えば−CF3、−C2F5、−C3F7である)のフルオロアルキルビニルエーテル;
− 式CF2=CFORO1(式中、RO1は、パーフルオロ−2−プロポキシ−プロピルのような、1つもしくは複数のエーテル基を有するC1〜C12フルオロオキシアルキルである)のフロオロ−オキシアルキルビニルエーテル
からなる群から選択される。
− R1R2C=CH−(CF2)j−CH=CR3R4(式中、jは、2〜10、好ましくは4〜8の整数であり、互いに等しいかもしくは異なる、R1、R2、R3、R4は、−H、−FまたはC1〜C5アルキルもしくは(パー)フルオロアルキル基である);
− A2C=CB−O−E−O−CB=CA2[式中、互いに等しいかもしくは異なる、Aのそれぞれは独立して、−F、−Cl、および−Hから選択され;互いに等しいかもしくは異なる、Bのそれぞれは独立して、−F、−Cl、−Hおよび−ORB(ここで、RBは、部分的に、実質的にまたは完全にフッ素化または塩素化されていることができる分岐鎖もしくは直鎖アルキルラジカルである)から選択され;Eは、エーテル結合が挿入されていてもよい、場合によりフッ素化された、2〜10個の炭素原子を有する二価基であり;好ましくはEは、zが3〜5の整数である、−(CF2)z−基である];ならびに
− R6R7C=CR5−E−O−CB=CA2(式中、E、AおよびBは、上に定義されたものと同じ意味を有し;互いに等しいかもしくは異なる、R5、R6、R7は、−H、−FまたはC1〜C5アルキルもしくはフルオロアルキル基である)
のものから選択される。
− テトラフルオロエチレン(TFE)およびヘキサフルオロプロペン(HFP)などの、C3〜C8パーフルオロオレフィン;
− CF2=CFORf(パー)フルオロアルキルビニルエーテル(PAVE)(式中、Rfは、C1〜C6パーフルオロアルキル基、例えばCF3、C2F5、C3F7である);
− クロロトリフルオロエチレン(CTFE)などの、クロロ−および/またはブロモ−および/またはヨード−C2〜C6フルオロオレフィン;ならびに
− パーフルオロジオキソール
からなる群から選択される。
(A)フィルムを得るために上に詳述されたような組成物をキャストする工程、または含浸支持体を得るために前記組成物を多孔質支持体上へ含浸させる工程と;
(B)乾燥フィルムを得るために前記フィルムから、または乾燥含浸支持体を得るために前記含浸支持体から媒体(L)を除去する工程と;
(C)前記乾燥フィルムまたは前記乾燥含浸支持体を140℃〜230℃の温度で加熱する工程と
を含む方法に関する。
組成物(C1)
75重量%の水と、−SO3H官能基を含有し、EW=700g/eqを有する25重量%のポリマーとを含むフッ素化アイオノマー分散系−SOLVAY SPECIALTY POLYMERS ITALY S.p.A.によって得られる。
75重量%の水と、−SO3H官能基を含有し、EW=790g/eqを有する25重量%のポリマーとを含むフッ素化アイオノマー分散系−SOLVAY SPECIALTY POLYMERS ITALY S.p.A.によって得られる。
75重量%の水と、−SO3H官能基を含有し、EW=950g/eqを有する25重量%のポリマーとを含むフッ素化アイオノマー分散系−SOLVAY SPECIALTY POLYMERS ITALY S.p.A.によって得られる。
水性分散系の形態下での15重量%のテトラフルオロエチレン(TFE) パーフルオロメチル−ビニル−エーテル(MVE)コポリマーを含むパーフルオロエラストマー−SOLVAY SPECIALTY POLYMERS ITALY S.p.A.によって得られる。
3つの水性フッ素化アイオノマー分散系のそれぞれを、8重量%未満の前記成分(I)の含有量が達せられるまで水で希釈した。
上の実施例1によって開示されたように製造された分散系を次に使用してキャスト膜および強化膜を製造した。
上の実施例2に開示されたように製造された膜A、A(*)、DおよびD(*)を、それらの電気化学性能について試験した。
上の実施例2に開示されたように製造された膜BおよびB(*)を、沸騰水中での処理後に、吸水について試験した。
上の実施例2に開示されたように製造された膜CおよびC(*)を、DILLARD D.A.ら.On the use of pressure−loaded blister test to characterize the strenght and durability of proton exchange membranes.J. Fuel Cell Sci.Technol.2009,vol.6,no.3.によって記載されているものに類似の社内製造装置で試験した。
上の実施例2に開示されたように製造された膜A、A(*)、DおよびD(*)を、水素に対する透過性について試験した。
膜Eおよび(E*)を、適用されるいかなるエッジ保護(すなわち、サブガスケット)もなしに、HT400市販電極(Solvicore製の)と一体となった燃料電池装置(25cm2Fuel Cell Technologiesセル)での開回路電圧(OCV)保持試験で試験した。
膜A、A(*)、D、D(*)、F(*)およびG(*)についての分極曲線は、次の通りに得られた。
− セル温度 90℃
− 露点反応剤 65℃
− 圧力 1.5バール絶対
得られる分極曲線を図6aに示す。
− セル温度 65℃
− 露点反応剤 70℃
− 圧力 1.5バール絶対
得られる分極曲線を図6bに示す。
Claims (15)
- − 液体媒体[媒体(L)]と;
− 少なくとも1個の−SO3Z基(式中、Zは、H,アルカリ金属イオンまたはNH4 +である)を含有する少なくとも1種のエチレン性不飽和フッ素化モノマー[モノマー(A)]に由来する繰り返し単位と、少なくとも1種のエチレン性不飽和フッ素化モノマー[モノマー(B)]に由来する繰り返し単位とを含む少なくとも1種のポリマー[成分(I)]と;
− 少なくとも1種のパーフルオロエラストマー[成分(II)]と
を含む組成物[組成物(C)]であって、
前記成分(I)と前記成分(II)との間の重量比が95/5〜70/30である組成物。 - 前記成分(I)と前記成分(II)との間の前記重量比が90/10〜80/20である、請求項1に記載の組成物。
- 前記媒体(L)が、水、アルコール、ジメチルアセトアミド(DMA)、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、N−メチル−ピロリドン(NMP)、N−エチル−ピロリドン(NEP)から選択される高沸点溶媒、およびそれらの混合物からなる群の少なくとも1つを含む、請求項1または2に記載の組成物。
- 前記組成物(C)が、前記組成物の総重量を基準として1重量%〜40重量%の量で前記成分(I)を含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の組成物。
- 前記組成物(C)が、前記組成物の総重量を基準として0.05重量%〜18重量%の量で前記成分(II)を含む、請求項1〜4のいずれか一項に記載の組成物。
- 前記組成物(C)が、前記組成物の総重量を基準として5重量%〜45重量%の総量で前記成分(I)および前記成分(II)を含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載の組成物。
- 前記モノマー(A)が、
CF2=CF(CF2)pSO3Z(式中、pは、0〜10の整数であり、Zは、H、アルカリ金属イオンまたはNH4 +である);
CF2=CF−O−(CF2)mSO3Z(式中、mは、1〜10の整数であり、Zは、H、アルカリ金属イオンまたはNH4 +である);
CF2=CF−(OCF2CF(RF1))w−O−CF2(CF(RF2))ySO3Z(式中、wは、0〜2の整数であり、互いに等しいかもしくは異なる、RF1およびRF2は独立して、F、Clまたは、1個もしくは複数個のエーテル酸素で場合により置換されているた、C1〜C10フルオロアルキル基であり、yは、0〜6の整数であり、Zは、H、アルカリ金属イオンまたはNH4 +である);ならびに
CF2=CF−Ar−SO3Z(式中、Arは、C5〜C15の芳香族またはヘテロ芳香族置換基であり、Zは、H、アルカリ金属イオンまたはNH4 +である)
からなる群から選択される、請求項1〜6のいずれか一項に記載の組成物。 - 前記モノマー(B)が、
− C2〜C8フルオロオレフィン;
− フッ化ビニリデン;
− C2〜C8のクロロ−および/またはブロモ−および/またはヨードフルオロオレフィン;
− 式CF2=CFORf1(式中、Rf1は、C1〜C6フルオロアルキルである)のフルオロアルキルビニルエーテル;
− CF2=CFORO1(式中、RO1は、1つもしくは複数のエーテル基を有するC1〜C12フルオロ−オキシアルキルである);
− CF2=CFOCF2ORf2(式中、Rf2は、C1〜C6フルオロアルキルまたは1つもしくは複数のエーテル基を有するC1〜C6フルオロオキシアルキルである)
− 式:
(式中、互いに等しいかもしくは異なる、Rf3、Rf4、Rf5、Rf6のそれぞれは独立して、フッ素原子;1個もしくは複数個の酸素原子を場合により含む、C1〜C6フルオロ(ハロ)フルオロアルキルである)
のフルオロジオキソール
からなる群から選択される、請求項1〜7のいずれか一項に記載の組成物。 - 成分(I)が、ビス−オレフィンに由来する繰り返し単位をさらに含む、請求項1〜8のいずれか一項に記載の組成物。
- 前記ビス−オレフィンが、
− R1R2C=CH−(CF2)j−CH=CR3R4(式中、jは、2〜10、好ましくは4〜8の整数であり、互いに等しいかもしくは異なる、R1、R2、R3、R4は、−H、−FまたはC1〜C5アルキルもしくは(パー)フルオロアルキル基である);
− A2C=CB−O−E−O−CB=CA2[式中、互いに等しいかもしくは異なる、Aのそれぞれは独立して、−F、−Cl、および−Hから選択され;互いに等しいかもしくは異なる、Bのそれぞれは独立して、−F、−Cl、−Hおよび−ORB(ここで、RBは、部分的に、実質的にまたは完全にフッ素化または塩素化され得る分岐鎖もしくは直鎖アルキルラジカルである)から選択され;Eは、エーテル結合が挿入されていてもよい、場合によりフッ素化された、2〜10個の炭素原子を有する二価基であり;好ましくはEは、zが3〜5の整数である、−(CF2)z−基である];
− R6R7C=CR5−E−O−CB=CA2(式中、E、AおよびBは、上に定義されたものと同じ意味を有し;互いに等しいかもしくは異なる、R5、R6、R7は、−H、−FまたはC1〜C5アルキルもしくはフルオロアルキル基である)
からなる群から選択される、請求項9に記載の組成物。 - 成分(II)が、C3〜C8パーフルオロオレフィンおよびCF2=CFORf(パー)フルオロアルキルビニルエーテル(式中、Rfは、C1〜C6パーフルオロアルキル基である)に由来する繰り返し単位を含み、好ましくは前記成分(II)が、テトラフルオロエチレン(TFE)およびパーフルオロメチル−ビニル−エーテル(MVE)に由来する繰り返し単位を含む、請求項1〜10のいずれか一項に記載の組成物。
- 請求項1〜11のいずれか一項に記載の組成物(C)の製造方法であって、
(i)第1液体媒体[媒体(I)]中に成分(I)を含む組成物[組成物(C1)]を提供する工程と;
(ii)組成物(dC1)の総重量に対して10重量%未満の量で前記成分(I)を含む、希釈された液体媒体[媒体(dI)]中の希釈された前記組成物[組成物(dC1)]を得るために、前記組成物(C1)を液体媒体[媒体(d)]で希釈する工程と;
(iii)95/5〜70/30の前記成分(I)と前記成分(II)との間の重量比からなる、第3液体媒体[媒体(III)]中の希釈された混合組成物(dC3)を提供するために、前記組成物(dC1)を、第2液体媒体[媒体(II)]中に成分(II)を含む組成物[組成物(C2)]と混合する工程と、
(iv)媒体(L)、成分(I)および成分(II)を含む組成物(C)であって、前記成分(I)および前記成分(II)が、前記組成物の総重量を基準として少なくとも15重量%の量で存在する組成物(C)を提供するために、前記媒体(III)を前記組成物(dC3)から部分的に除去する工程と
を含む方法。 - 前記成分(I)と前記成分(II)との間の前記重量比が90/10〜80/20である、請求項11に記載の方法。
- 請求項1に記載の組成物(C)を含む物品であって、好ましくは前記物品がプロトン交換膜である物品。
- プロトン交換膜の製造方法であって、前記方法が、次の工程:
(A)フィルムを得るために請求項1に記載の組成物(C)をキャストする工程、または含浸支持体を得るために前記組成物(C)を多孔質支持体上へ含浸させる工程と;
(B)乾燥フィルムを得るために前記フィルムから、または乾燥含浸支持体を得るために前記含浸支持体から媒体(L)を除去する工程と;
(C)前記乾燥フィルムまたは前記乾燥含浸支持体を140℃〜230℃の温度で加熱してプロトン交換膜を得る工程と
を含む方法。
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