JP2018135456A - 導電性ポリマー用高分子化合物及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
PSSをドーパントとしたポリチオフェンは高導電性かつ高透明であるためにITO(インジウム−スズ酸化物)に換わる有機EL照明用の導電膜として期待されている。しかしながら有機ELの発光体は、水分によって化学変化し発光しなくなる。つまり、水溶性樹脂の導電膜を有機ELに用いると、樹脂が水を含むために有機ELの発光寿命が短くなってしまうという問題がある。
この導電性ポリマー用高分子化合物を燃料電池に用いることによって、高誘電率な燃料電池用材料を形成することができる。また、共役二重結合ポリマー用のドーパントとして用いることによって、高透明、高導電性で耐久性の高い導電膜を形成することが可能になる。また、本発明の導電性ポリマー用高分子化合物は特定のスルホンアミド基を有している。このスルホンアミド基は、片側にフッ素化されたアルキル基やフェニル基が結合したスルホン基を有し、もう片側にカルボニル基を有する構造となっている。両側の基の電子吸引効果により、このスルホンアミド基の酸性度は、片側だけにフルオロアルキル基が結合したスルホン基を有するスルホンアミドよりは高くなり、α位がフッ素化されたスルホン酸よりは低くなる。ドーパントポリマーの酸性度が高いと、強酸による強いイオン結合によって、ドーパントとしての能力が高く、イオンとしての安定性が高く、発光効率が高いものとなる。一方、ドーパントポリマーの酸性度が高すぎると、有機ELとしての発光寿命が短くなる。これは、発光中に酸が発光層に移動して、発光体となる金属のリガンドと交換反応を引き起こすためと考えられる。本発明の導電性ポリマー用高分子化合物と共役二重結合のポリマーとの複合体を適用することによって、有機ELの高効率と高寿命の両方を達成できる。
また、本発明の製造方法であれば、このような本発明の導電性ポリマー用高分子化合物を容易に製造することができる。
なお、本発明において、「導電性」は「電気伝導性」を意味する。
また、本発明において、a、a1〜a4、b、及びcは、それぞれ繰り返し単位の分子内比率を示している。
Rf1は炭素数1〜4の直鎖状、分岐状のアルキル基、又はフェニル基であり、Rf1中に1つ以上のフッ素原子又はトリフルオロメチル基を有する。
Z1は単結合、炭素数6〜12のアリーレン基、又は−C(=O)−O−R2−であり、R2は炭素数1〜12の直鎖状、分岐状、環状のアルキレン基、炭素数6〜10のアリーレン基、又は炭素数2〜10のアルケニレン基であり、R2中にエーテル基、カルボニル基、エステル基を有していても良い。R2として好ましくは、メチレン基、エチレン基、アダマンチレン基、フェニレン基を挙げることができる。
aは、0<a≦1.0である。
即ち、本発明の製造方法は、導電性ポリマー用高分子化合物の製造方法であって、
カルボニル基に結合したスルホンアミド基とリチウム、ナトリウム、カリウム、又は窒素化合物からなる塩の構造を有するモノマーを用いて重合反応を行い、重合後、イオン交換によって、前記カルボニル基に結合したスルホンアミド基とリチウム、ナトリウム、カリウム、又は窒素化合物からなる塩の構造をカルボニル基に結合したスルホンアミド基に変換することにより、下記一般式(1)で示される繰り返し単位aを含む導電性ポリマー用高分子化合物を製造する導電性ポリマー用高分子化合物の製造方法である。
また、繰り返し単位aを形成する2種類以上のモノマーがランダムに共重合されていても、それぞれがブロックで共重合されていてもよい。ブロック共重合ポリマー(ブロックコポリマー)を導電膜とした場合は、2種類以上の繰り返し単位aからなる繰り返し単位部分同士が凝集して海島構造を形成することによって導電性が向上するメリットが期待される。
なお、a+b+c=1であることが好ましい。
このとき、イオン交換は、例えばイオン交換樹脂を用いて行えばよい。
この導電性ポリマー用高分子化合物を燃料電池に用いることによって、高誘電率な燃料電池用材料を形成することができる。また、共役二重結合ポリマー用のドーパントとして用いることによって、高透明、高導電性で耐久性の高い導電膜を形成することが可能になる。本発明の導電性ポリマー用高分子化合物は特定の超強酸のスルホンアミド基を有しているため、強いイオン結合によってドーパントとしての能力が高く、また、イオンとしての安定性の高いものとなる。そのため、これを導電性材料として用いた場合に高い導電性と安定性を示す。さらに、有機溶剤への溶解性に優れるため、有機EL照明用の導電膜に用いることで、有機EL素子の劣化を防止することができる。
また、本発明の製造方法であれば、このような本発明の導電性ポリマー用高分子化合物を容易に製造することができる。
窒素雰囲気下、64℃で撹拌したメタノール37.5gに、モノマー1の36.4gと2,2’−アゾビス(イソ酪酸)ジメチル5.13gをメタノール112.5gに溶かした溶液を4時間かけて滴下した。さらに64℃で4時間撹拌した。室温まで冷却した後、1,000gの酢酸エチルに激しく撹拌しながら滴下した。生じた固形物を濾過して取り、50℃で15時間真空乾燥して、白色重合体23.0gを得た。
得られた白色重合体を純水912gに溶解し、イオン交換樹脂を用いてベンジルトリメチルアンモニウム塩をスルホンアミド基に変換した。得られた重合体を19F−NMR、1H−NMR、及びGPC測定したところ、以下の分析結果となった。
重量平均分子量(Mw)=35,000
分子量分布(Mw/Mn)=1.69
この高分子化合物を(ポリマー1)とする。
窒素雰囲気下、64℃で撹拌したメタノール37.5gに、モノマー1の20.9gとスチレンスルホン酸リチウム9.5gと2,2’−アゾビス(イソ酪酸)ジメチル5.13gをメタノール112.5gに溶かした溶液を4時間かけて滴下した。さらに64℃で4時間撹拌した。室温まで冷却した後、1,000gの酢酸エチルに激しく撹拌しながら滴下した。生じた固形物を濾過して取り、50℃で15時間真空乾燥して白色重合体29.3gを得た。
得られた白色重合体を純水912gに溶解し、イオン交換樹脂を用いてベンジルトリメチルアンモニウム塩とリチウム塩をスルホンアミド基とスルホ基にそれぞれ変換した。得られた重合体を19F−NMR、1H−NMR、及びGPC測定したところ、以下の分析結果となった。
共重合組成比(モル比) モノマー1:スチレンスルホン酸=0.5:0.5
重量平均分子量(Mw)=41,000
分子量分布(Mw/Mn)=1.93
この高分子化合物を(ポリマー2)とする。
窒素雰囲気下、64℃で撹拌したメタノール37.5gに、モノマー2の41.7gと2,2’−アゾビス(イソ酪酸)ジメチル5.13gをメタノール112.5gに溶かした溶液を4時間かけて滴下した。さらに64℃で4時間撹拌した。室温まで冷却した後、1,000gの酢酸エチルに激しく撹拌しながら滴下した。生じた固形物を濾過して取り、50℃で15時間真空乾燥して、白色重合体33.2gを得た。
得られた白色重合体を純水912gに溶解し、イオン交換樹脂を用いてナトリウム塩をスルホンアミド基に変換した。得られた重合体を19F−NMR、1H−NMR、及びGPC測定したところ、以下の分析結果となった。
重量平均分子量(Mw)=49,000
分子量分布(Mw/Mn)=1.51
この高分子化合物を(ポリマー3)とする。
窒素雰囲気下、64℃で撹拌したメタノール37.5gに、モノマー3の17.2gとスチレンスルホン酸リチウム9.5gと2,2’−アゾビス(イソ酪酸)ジメチル5.13gをメタノール112.5gに溶かした溶液を4時間かけて滴下した。さらに64℃で4時間撹拌した。室温まで冷却した後、1,000gの酢酸エチルに激しく撹拌しながら滴下した。生じた固形物を濾過して取り、50℃で15時間真空乾燥して白色重合体24.1gを得た。
得られた白色重合体を純水912gに溶解し、イオン交換樹脂を用いてリチウム塩をスルホンアミド基とスルホ基にそれぞれ変換した。得られた重合体を19F−NMR、1H−NMR、及びGPC測定したところ、以下の分析結果となった。
共重合組成比(モル比) モノマー3:スチレンスルホン酸=0.5:0.5
重量平均分子量(Mw)=41,000
分子量分布(Mw/Mn)=1.63
この高分子化合物を(ポリマー4)とする。
窒素雰囲気下、64℃で撹拌したメタノール37.5gに、モノマー4の30.1gと2,2’−アゾビス(イソ酪酸)ジメチル5.13gをメタノール112.5gに溶かした溶液を4時間かけて滴下した。さらに64℃で4時間撹拌した。室温まで冷却した後、1,000gの酢酸エチルに激しく撹拌しながら滴下した。生じた固形物を濾過して取り、50℃で15時間真空乾燥して、白色重合体27.5gを得た。
得られた白色重合体を純水912gに溶解し、イオン交換樹脂を用いてナトリウム塩をスルホンアミド基に変換した。得られた重合体を19F−NMR、1H−NMR、及びGPC測定したところ、以下の分析結果となった。
重量平均分子量(Mw)=38,000
分子量分布(Mw/Mn)=1.49
この高分子化合物を(ポリマー5)とする。
窒素雰囲気下、64℃で撹拌したメタノール37.5gに、モノマー1の29.1g、メタクリル酸3,5−ビス(ヘキサフルオロ−2−ヒドロキシ−2−プロピル)シクロヘキシル10gと2,2’−アゾビス(イソ酪酸)ジメチル5.13gをメタノール112.5gに溶かした溶液を4時間かけて滴下した。さらに64℃で4時間撹拌した。室温まで冷却した後、1,000gの酢酸エチルに激しく撹拌しながら滴下した。生じた固形物を濾過して取り、50℃で15時間真空乾燥して、白色重合体37.5gを得た。
得られた白色重合体を純水912gに溶解し、イオン交換樹脂を用いてベンジルトリメチルアンモニウム塩をスルホンアミド基に変換した。得られた重合体を19F−NMR、1H−NMR、及びGPC測定したところ、以下の分析結果となった。
共重合組成比(モル比) モノマー1:メタクリル酸3,5−ビス(ヘキサフルオロ−2−ヒドロキシ−2−プロピル)シクロヘキシル=0.8:0.2
重量平均分子量(Mw)=36,000
分子量分布(Mw/Mn)=1.88
この高分子化合物を(ポリマー6)とする。
窒素雰囲気下、64℃で撹拌したメタノール37.5gに、モノマー1の29.1g、ペンタフルオロスチレン3.9gと2,2’−アゾビス(イソ酪酸)ジメチル5.13gをメタノール112.5gに溶かした溶液を4時間かけて滴下した。さらに64℃で4時間撹拌した。室温まで冷却した後、1,000gの酢酸エチルに激しく撹拌しながら滴下した。生じた固形物を濾過して取り、50℃で15時間真空乾燥して、白色重合体27.5gを得た。
得られた白色重合体を純水912gに溶解し、イオン交換樹脂を用いてベンジルトリメチルアンモニウム塩をスルホンアミド基に変換した。得られた重合体を19F−NMR、1H−NMR、及びGPC測定したところ、以下の分析結果となった。
共重合組成比(モル比) モノマー1:ペンタフルオロスチレン=0.8:0.2
重量平均分子量(Mw)=36,000
分子量分布(Mw/Mn)=1.88
この高分子化合物を(ポリマー7)とする。
窒素雰囲気下、64℃で撹拌したメタノール37.5gに、モノマー1の29.1g、4−(ヘキサフルオロ−2−ヒドロキシ−2−プロピル)スチレン5.4gと2,2’−アゾビス(イソ酪酸)ジメチル5.13gをメタノール112.5gに溶かした溶液を4時間かけて滴下した。さらに64℃で4時間撹拌した。室温まで冷却した後、1,000gの酢酸エチルに激しく撹拌しながら滴下した。生じた固形物を濾過して取り、50℃で15時間真空乾燥して、白色重合体30.1gを得た。
得られた白色重合体を純水912gに溶解し、イオン交換樹脂を用いてベンジルトリメチルアンモニウム塩をスルホンアミド基に変換した。得られた重合体を19F−NMR、1H−NMR、及びGPC測定したところ、以下の分析結果となった。
共重合組成比(モル比) モノマー1:4−(ヘキサフルオロ−2−ヒドロキシ−2−プロピル)スチレン=0.8:0.2
重量平均分子量(Mw)=32,000
分子量分布(Mw/Mn)=1.78
この高分子化合物を(ポリマー8)とする。
Claims (5)
- 導電性ポリマー用高分子化合物であって、
下記一般式(1)で示される繰り返し単位aを1種以上含み、重量平均分子量が1,000〜500,000の範囲のものであることを特徴とする導電性ポリマー用高分子化合物。
- 導電性ポリマー用高分子化合物の製造方法であって、
カルボニル基に結合したスルホンアミド基とリチウム、ナトリウム、カリウム、又は窒素化合物からなる塩の構造を有するモノマーを用いて重合反応を行い、重合後、イオン交換によって、前記カルボニル基に結合したスルホンアミド基とリチウム、ナトリウム、カリウム、又は窒素化合物からなる塩の構造をカルボニル基に結合したスルホンアミド基に変換することにより、下記一般式(1)で示される繰り返し単位aを含む導電性ポリマー用高分子化合物を製造することを特徴とする導電性ポリマー用高分子化合物の製造方法。
- 前記カルボニル基に結合したスルホンアミド基とリチウム、ナトリウム、カリウム、又は窒素化合物からなる塩の構造を有するモノマーを用いて重合反応を行って得られた重合体が、下記一般式(4)で示される繰り返し単位を含むものであることを特徴とする請求項4に記載の導電性ポリマー用高分子化合物の製造方法。
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