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

【課題】有機溶剤に可溶であり、燃料電池用や導電性材料用のドーパントとして好適に用いられる導電性ポリマー用高分子化合物を提供する。【解決手段】下記一般式(1)で示される繰り返し単位を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導電性ポリマー用高分子化合物。(R1はH又はメチル基;Rf1はC1〜4の直鎖状/分岐状のアルキル基又はフェニル基、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、C6〜12のアリーレン基又は−C(=O)−O−R2−;R2はC1〜12の直鎖状/分岐状/環状のアルキレン基、C6〜10のアリーレン基又はC2〜10のアルケニレン基、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)【選択図】なし

Description

本発明は、導電性ポリマー用高分子化合物及びその製造方法に関する。
燃料電池や導電性高分子のドーパントポリマーとしてスルホ基含有ポリマーが用いられている。燃料電池用としては登録商標ナフィオンに代表されるビニルパーフルオロアルキルエーテルスルホン酸、導電性高分子用のドーパントポリマーとしては、ビニルスルホン酸やスチレンスルホン酸の重合体が広く用いられている(特許文献1)。また、特許文献2では、ドーパントポリマーとして、プロトンが陽イオンで置換されたフッ素化酸ポリマーが提案されており、この中でビスフルオロアルキルスルホニルイミドのリチウム塩を有するスチレン誘導体のドーパントが示されている。
ビニルパーフルオロアルキルエーテルスルホン酸は化学的には安定性が高く耐久性に優れるが、ガラス転移点が低く、これを用いた燃料電池が高温にさらされるとポリマーが熱フローを起こしてイオン伝導性が低下してしまう問題がある。また、ビスフルオロアルキルスルホニルイミドを有するスチレン誘導体も同様の問題を有する。イオン伝導性を高めるには、α位がフッ素化されたスルホ基に代表される超強酸ポリマーが有効であるが、これに伴ってガラス転移点が高く化学的にも安定な材料は見出されていない。
また、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリピロール等の共役二重結合を有する導電性高分子は、これ自体は導電性を示さないが、スルホン酸等の強酸をドーピングすることによって導電性が発現する。ドーパントとしてはポリスチレンスルホン酸(PSS)が最も良く用いられている。これは、PSSのドーピングによって導電率が最も高くなるためである。
PSSは水溶性樹脂であり、有機溶剤には殆ど溶解しない。従って、PSSをドーパントとしたポリチオフェンも水溶性である。
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。
特開2008−146913号公報 特許第5264723号
本発明は上記事情に鑑みなされたもので、有機溶剤に可溶であり、燃料電池用や導電性材料用のドーパントとして好適に用いられる導電性ポリマー用高分子化合物を提供することを目的とする。また、このような導電性ポリマー用高分子化合物の製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明では、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導電性ポリマー用高分子化合物を提供する。
Figure 2018135456
(式中、Rは水素原子又はメチル基であり、Rf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、Rf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。Zは単結合、炭素数6〜12のアリーレン基、又は−C(=O)−O−R−であり、R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、R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。aは、0<a≦1.0である。)
このような導電性ポリマー用高分子化合物であれば、有機溶剤に可溶であり、燃料電池用や導電性材料用のドーパントとして好適に用いられる特定の強酸のスルホンアミド基を有する導電性ポリマー用高分子化合物となる。
このとき、前記導電性ポリマー用高分子化合物が、さらに下記一般式(2)で示される繰り返し単位bを有するものであることが好ましい。
Figure 2018135456
(式中、bは、0<b<1.0である。)
前記繰り返し単位aが、ポリスチレンスルホン酸の繰り返し単位bと共重合したものであれば、導電性が高いドーパントポリマーとして用いることができる。
またこのとき、前記一般式(1)で示される繰り返し単位aが、下記一般式(3)で示される繰り返し単位a〜aから選ばれる1種以上を含むものであることが好ましい。
Figure 2018135456
(式中、R及びRfは前記と同様である。a、a、a、及びaは、0≦a≦1.0、0≦a≦1.0、0≦a≦1.0、0≦a≦1.0、0<a+a+a+a≦1.0である。)
このような繰り返し単位であれば、燃料電池用や導電性材料用のドーパントとしてさらに好適なものとなる。
さらに、本発明では、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を提供する。
Figure 2018135456
(式中、Rは水素原子又はメチル基であり、Rf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、Rf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。Zは単結合、炭素数6〜12のアリーレン基、又は−C(=O)−O−R−であり、R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、R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。aは、0<a≦1.0である。)
このような製造方法であれば、上記一般式(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容易に製造することができる。
またこのとき、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が好ましい。
Figure 2018135456
(式中、R、Z、Rf、及びaは前記と同様であり、Xはリチウム、ナトリウム、カリウム、又は下記一般式(5)で示される窒素化合物である。)
Figure 2018135456
(式中、R101d、R101e、R101f、及びR101gは、それぞれ水素原子、もしくは炭素数1〜12の直鎖状、分岐状、又は環状のアルキル基、アルケニル基、オキソアルキル基、又はオキソアルケニル基、炭素数6〜20のアリール基、又は炭素数7〜12のアラルキル基又はアリールオキソアルキル基を示し、これらの基の水素原子の一部又は全部がアルコキシ基によって置換されていてもよい。R101dとR101e、R101dとR101eとR101fとは環を形成してもよく、環を形成する場合には、R101dとR101e及びR101dとR101eとR101fは炭素数3〜10のアルキレン基、又は式中の窒素原子を環の中に有する複素芳香族環を示す。)
このような繰り返し単位であれば、イオン交換によって容易に上記一般式(1)で示される繰り返し単位aに変換される。
以上のように、本発明の導電性ポリマー用高分子化合物であれば、有機溶剤に可溶であり、燃料電池用や導電性材料用のドーパントとして好適に用いられる特定の強酸のスルホンアミド基を有する導電性ポリマー用高分子化合物となる。
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。
上述のように、有機溶剤に可溶であり、燃料電池用や導電性材料用のドーパントとして好適に用いられる導電性ポリマー用高分子化合物の開発が求められていた。
本発明者らは、有機ELの素子の劣化を招く水を含有する水溶性の導電性ポリマーを、水分含有率が極めて少ない有機溶剤可溶型にして素子劣化を防止するために、水溶性で有機溶剤への溶解性に乏しいドーパントであるポリスチレンスルホン酸から、有機溶剤への溶解性が高いドーパント用のポリマーの開発を試みた。有機溶剤への溶解性を上げるには長鎖アルキル基やフッ素原子の導入が効果的であることからフッ素原子の導入を検討したが、長鎖アルキル基や過剰なフッ素原子の導入は導電率の低下を招くことから好ましくないことが判明したため、少ないフッ素原子の導入による強酸性ユニットの構築を目指した。上述のビスフルオロアルキルスルホニルイミドは高い酸性度を有するが、両側にフルオロアルキル基を有するために、これをドーパントポリマーに適用したときの導電率は低い。そこで、本発明者らは、ビスフルオロアルキルスルホニルイミドにおける片側のフルオロアルキルスルホニル基をカルボニル基に変えたところ、カルボニル基の電子吸引性によって少ないフッ素原子で十分に高い酸性度を有するスルホンアミド基を得ることができた。
ドーパントポリマーは、共役二重結合のポリマーと複合体を形成し、共役二重結合ポリマーの一部をイオン化することによって導電性が向上する。ドーパントポリマーの酸性度が高いほど共役二重結合ポリマーをイオン化することができ、有機ELの発光効率が向上する。
一方、有機ELの発光時の光度低下を防ぐために、寿命劣化の原因となる過度な酸性状態を緩和させることが必要である。α位がフッ素化されたスルホン酸やビスフルオロアルキルスルホニルイミドは超強酸であるために、発光時に導電性ポリマーが適用される正極層から発光層にプロトン移動が起こり、これによって発光効率が低下して光度が低下する。これを防止するにはドーパントポリマーの酸性度を落とす必要がある。
そこで、本発明者らは、上記のスルホンアミド基を有する繰り返し単位を含む高分子化合物を、共役二重結合用ポリマーのドーパントとして用いたところ、有機ELの高効率と高寿命の両方を達成できるものとなることを見出し、本発明を完成させた。
即ち、本発明は、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導電性ポリマー用高分子化合物である。
Figure 2018135456
(式中、Rは水素原子又はメチル基であり、Rf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、Rf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。Zは単結合、炭素数6〜12のアリーレン基、又は−C(=O)−O−R−であり、R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、R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。aは、0<a≦1.0である。)
以下、本発明について詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
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、a〜a、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。
本発明の導電性ポリマー用高分子化合物は、下記一般式(1)で示される繰り返し単位aを含むポリマーである。本発明の導電性ポリマー用高分子化合物は、一般式(1)で示される繰り返し単位aを含有することで、特に透明性が高いものとなる。
Figure 2018135456
(式中、Rは水素原子又はメチル基であり、Rf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、Rf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。Zは単結合、炭素数6〜12のアリーレン基、又は−C(=O)−O−R−であり、R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、R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。aは、0<a≦1.0である。)
一般式(1)中、Rは水素原子又はメチル基である。
Rf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、Rf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。
は単結合、炭素数6〜12のアリーレン基、又は−C(=O)−O−R−であり、R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、R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。R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。
また、上記一般式(1)で示される繰り返し単位aが、下記一般式(3)で示される繰り返し単位a〜aを含むものであることが好ましい。
Figure 2018135456
(式中、R及びRfは前記と同様である。a、a、a、及びaは、0≦a≦1.0、0≦a≦1.0、0≦a≦1.0、0≦a≦1.0、0<a+a+a+a≦1.0である。)
このような繰り返し単位であれば、燃料電池用や導電性材料用のドーパントとしてさらに好適なものとなる。
また、本発明の導電性ポリマー用高分子化合物は、さらに下記一般式(2)で示される繰り返し単位bを有するものであることが好ましい。前記繰り返し単位aが、ポリスチレンスルホン酸の繰り返し単位bと共重合したものであれば、導電性が高いドーパントポリマーとして用いることができる。
Figure 2018135456
(式中、bは、0<b<1.0である。)
また、後述のように、本発明の導電性ポリマー用高分子化合物は、繰り返し単位a、繰り返し単位b以外の繰り返し単位cを有していてもよい。
また、本発明の導電性ポリマー用高分子化合物は、重量平均分子量が1,000〜500,000、好ましくは2,000〜200,000の範囲のものである。重量平均分子量が1,000未満では、耐熱性に劣るものとなる。一方、重量平均分子量が500,000を超えると、粘度が上昇し、作業性が悪化し、有機溶剤や水への溶解性が低下する。
なお、重量平均分子量(Mw)は、溶剤として水、ジメチルホルムアミド(DMF)、テトラヒドロフラン(THF)を用いたゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)によるポリスチレン換算測定値である。
上述のような本発明の導電性ポリマー用高分子化合物であれば、有機溶剤に可溶であり、燃料電池用や導電性材料用のドーパントとして好適に用いられる特定の強酸のスルホンアミド基を有する導電性ポリマー用高分子化合物となる。
また、本発明ではこのような本発明の導電性ポリマー用高分子化合物を製造する方法を提供する。
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。
Figure 2018135456
(式中、Rは水素原子又はメチル基であり、Rf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、Rf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。Zは単結合、炭素数6〜12のアリーレン基、又は−C(=O)−O−R−であり、R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、R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。aは、0<a≦1.0である。)
ここで、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は、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が好ましい。
Figure 2018135456
(式中、R、Z、Rf、及びaは前記と同様であり、Xはリチウム、ナトリウム、カリウム、又は下記一般式(5)で示される窒素化合物である。)
Figure 2018135456
(式中、R101d、R101e、R101f、及びR101gは、それぞれ水素原子、もしくは炭素数1〜12の直鎖状、分岐状、又は環状のアルキル基、アルケニル基、オキソアルキル基、又はオキソアルケニル基、炭素数6〜20のアリール基、又は炭素数7〜12のアラルキル基又はアリールオキソアルキル基を示し、これらの基の水素原子の一部又は全部がアルコキシ基によって置換されていてもよい。R101dとR101e、R101dとR101eとR101fとは環を形成してもよく、環を形成する場合には、R101dとR101e及びR101dとR101eとR101fは炭素数3〜10のアルキレン基、又は式中の窒素原子を環の中に有する複素芳香族環を示す。)
このような繰り返し単位であれば、イオン交換によって容易に上記一般式(1)で示される繰り返し単位aに変換されるため、好ましい。
本発明の製造方法に用いられる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し、上記一般式(1)で示される繰り返し単位aを得るためのモノマーとしては、具体的には下記のものを例示することができる。
Figure 2018135456
Figure 2018135456
Figure 2018135456
(式中、Rは前記と同様であり、Xはリチウム、ナトリウム、カリウム、又は窒素化合物である。)
また、上述のように一般式(1)で示される繰り返し単位aとしては、上述の一般式(3)で示される繰り返し単位a〜aを含むことが好ましい。
また、上述のように、本発明の導電性ポリマー用高分子化合物としては、一般式(2)で示される繰り返し単位bを有するものが好ましく、このような繰り返し単位bを得るためのモノマーとしては、具体的には下記のものを例示することができる。
Figure 2018135456
(式中、Xは水素原子、リチウム、ナトリウム、カリウム、窒素化合物、又はスルホニウム化合物である。)
上記Xが窒素化合物の場合の例としては、下記一般式(5)で示される化合物を挙げることができる。
Figure 2018135456
(式中、R101d、R101e、R101f、及びR101gは、それぞれ水素原子、もしくは炭素数1〜12の直鎖状、分岐状、又は環状のアルキル基、アルケニル基、オキソアルキル基、又はオキソアルケニル基、炭素数6〜20のアリール基、又は炭素数7〜12のアラルキル基又はアリールオキソアルキル基を示し、これらの基の水素原子の一部又は全部がアルコキシ基によって置換されていてもよい。R101dとR101e、R101dとR101eとR101fとは環を形成してもよく、環を形成する場合には、R101dとR101e及びR101dとR101eとR101fは炭素数3〜10のアルキレン基、又は式中の窒素原子を環の中に有する複素芳香族環を示す。)
また、上述のように、本発明の導電性ポリマー用高分子化合物は、繰り返し単位a、繰り返し単位b以外の繰り返し単位cを有していてもよく、この繰り返し単位cを得るためのモノマーとしては、(メタ)アクリル系、スチレン系、ビニルナフタレン系、ビニルシラン系、アセナフチレン、インデン、ビニルカルバゾール等のほか、珪素原子やフッ素原子を有するモノマーを挙げることができる。
繰り返し単位cを得るためのモノマーとしては、具体的には下記のものを例示することができる。
Figure 2018135456
Figure 2018135456
Figure 2018135456
Figure 2018135456
Figure 2018135456
Figure 2018135456
Figure 2018135456
本発明の導電性ポリマー用高分子化合物を合成する方法としては、例えば上述のモノマーのうち所望のモノマーを、溶剤中、ラジカル重合開始剤を加えて加熱重合を行うことで、共重合体の高分子化合物を得る方法が挙げられる。
重合時に使用する溶剤としては、水、メタノール、エタノール、n−プロパノール、イソプロピルアルコール、メトキシエタノール、エトキシエタノール、n−ブタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、グリセリン、ジエチレングリコール、ジメチルスルホアミド、ジメチルアセトアミド、アセトン、ジメチルスルホキシド、N−メチルピロリドン、トルエン、ベンゼン、テトラヒドロフラン、ジエチルエーテル、ジオキサン、シクロヘキサン、シクロペンタン、メチルエチルケトン、γ−ブチロラクトン等を例示できる。
ラジカル重合開始剤としては、ジ−t−ブチルパーオキシド、ジクミルパーオキシド、t−ブチルクミルパーオキシド、ベンゾイルパーオキシド、ジラウリルパーオキシド、クメンハイドロパーオキシド、t−ブチルハイドロパーオキシド、t−ブチルパーオキシイソブチレート、過硫酸カリウム、過硫酸アンモニウム、過酸化水素水、2,2’−アゾビスイソブチロニトリル(AIBN)、2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)、ジメチル2,2−アゾビス(2−メチルプロピオネート)、ラウロイルパーオキシド、2,2’−アゾビス(2−アミジノプロパン)二塩酸塩、又は4,4’−アゾビス(4−シアノ吉草酸)のアルカリ金属塩又はアンモニウム塩等を例示できる。
反応温度は、好ましくは50〜80℃であり、反応時間は好ましくは2〜100時間、より好ましくは5〜20時間である。
本発明の導電性ポリマー用高分子化合物において、一般式(1)で示される繰り返し単位aとなるモノマーは1種類でも2種類以上の組み合わせでもよいが、重合性を高めるにはメタクリルタイプとスチレンタイプのモノマーを組み合わせることが好ましい。
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。
また、繰り返し単位a〜cを得るため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。この場合も、上述の繰り返し単位aの場合と同様、ブロックコポリマーとすることで導電率が向上するメリットが期待される。
ラジカル重合でランダム共重合を行う場合は、共重合を行うモノマーやラジカル重合開始剤を混合して加熱によって重合を行う方法が一般的である。第1のモノマーとラジカル重合開始剤存在下で重合を開始し、後に第2のモノマーを添加した場合は、ポリマー分子の片側が第1のモノマーが重合した構造で、もう一方が第2のモノマーが重合した構造となる。しかしながらこの場合、中間部分には第1と第2のモノマーの繰り返し単位が混在しており、ブロックコポリマーとは形態が異なる。ラジカル重合でブロックコポリマーを形成するには、リビングラジカル重合が好ましく用いられる。
RAFT重合(Reversible Addition Fragmentation chain Transfer polymerization)と呼ばれるリビングラジカルの重合方法は、ポリマー末端のラジカルが常に生きているので、第1のモノマーで重合を開始し、これらが消費された段階で第2のモノマーを添加することによって第1と第2の繰り返し単位によるブロックコポリマーを形成することが可能である。また、第1のモノマーで重合を開始し、これが消費された時点で第2のモノマーを添加し、次いで第3のモノマーを添加した場合はトリブロックコポリマーを形成することもできる。
RAFT重合を行った場合は分子量分布(分散度)が狭い狭分散ポリマーが形成される特徴があり、特にモノマーを一度に添加してRAFT重合を行った場合は、より分子量分布が狭いポリマーを形成することができる。
なお、本発明の導電性ポリマー用高分子化合物においては、分子量分布(Mw/Mn)は1.0〜2.0であることが好ましく、特に1.0〜1.5と狭分散であることが好ましい。狭分散であれば、高分子化合物を用いて合成した導電性ポリマーの導電率が不均一になるのを防ぐことができる。
RAFT重合を行うには連鎖移動剤が必要であり、具体的には2−シアノ−2−プロピルベンゾチオエート、4−シアノ−4−フェニルカルボノチオイルチオペンタン酸、2−シアノ−2−プロピルドデシルトリチオカルボネート、4−シアノ−4−[(ドデシルスルファニルチオカルボニル)スルファニル]ペンタン酸、2−(ドデシルチオカルボノチオイルチオ)−2−メチルプロパン酸、シアノメチルドデシルチオカルボネート、シアノメチルメチル(フェニル)カルバモチオエート、ビス(チオベンゾイル)ジスルフィド、ビス(ドデシルスルファニルチオカルボニル)ジスルフィドを挙げることができる。これらの中では、特に2−シアノ−2−プロピルベンゾチオエートが好ましい。
ここで、繰り返し単位a〜cの割合は、0<a≦1.0、0≦b<1.0、0≦c<1.0であり、好ましくは0.1≦a≦0.9、0.1≦b≦0.9、0≦c≦0.8であり、より好ましくは0.2≦a≦0.8、0.2≦b≦0.8、0≦c≦0.5である。
なお、a+b+c=1であることが好ましい。
本発明の導電性ポリマー用高分子化合物の製造方法では、上述のようにしてモノマーを重合させた後、イオン交換によって、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。
上述のような方法で、上記一般式(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容易に製造することができる。
以上のように、本発明の導電性ポリマー用高分子化合物であれば、有機溶剤に可溶であり、燃料電池用や導電性材料用のドーパントとして好適に用いられる特定の超強酸のスルホンアミド基を有する導電性ポリマー用高分子化合物となる。
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。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。
以下、実施例を用いて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
以下に実施例の合成で用いたモノマーを示す。
Figure 2018135456
[実施例1]
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、H−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。
Figure 2018135456
[実施例2]
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、H−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。
Figure 2018135456
[実施例3]
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、H−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。
Figure 2018135456
[実施例4]
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、H−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。
Figure 2018135456
[実施例5]
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、H−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。
Figure 2018135456
[実施例6]
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、H−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。
Figure 2018135456
[実施例7]
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、H−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。
Figure 2018135456
[実施例8]
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、H−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。
Figure 2018135456
上述のようにして合成したポリマー1〜8は、水、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、プロピレングリコールモノメチルエーテル、テトラヒドロフラン、ジメチルホルムアミドに可溶であった。
このように本発明の製造方法であれば、有機溶剤に可溶であり、特定の強酸のスルホンアミド基を有する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、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

Claims (5)

  1. 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。
    Figure 2018135456
    (式中、Rは水素原子又はメチル基であり、Rf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、Rf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。Zは単結合、炭素数6〜12のアリーレン基、又は−C(=O)−O−R−であり、R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、R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。aは、0<a≦1.0である。)
  2. 前記導電性ポリマー用高分子化合物が、さらに下記一般式(2)で示される繰り返し単位bを有するものであることを特徴とする請求項1に記載の導電性ポリマー用高分子化合物。
    Figure 2018135456
    (式中、bは、0<b<1.0である。)
  3. 前記一般式(1)で示される繰り返し単位aが、下記一般式(3)で示される繰り返し単位a〜aから選ばれる1種以上を含むものであることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の導電性ポリマー用高分子化合物。
    Figure 2018135456
    (式中、R及びRfは前記と同様である。a、a、a、及びaは、0≦a≦1.0、0≦a≦1.0、0≦a≦1.0、0≦a≦1.0、0<a+a+a+a≦1.0である。)
  4. 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。
    Figure 2018135456
    (式中、Rは水素原子又はメチル基であり、Rf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、Rf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。Zは単結合、炭素数6〜12のアリーレン基、又は−C(=O)−O−R−であり、R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、R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。aは、0<a≦1.0である。)
  5. 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。
    Figure 2018135456
    (式中、R、Z、Rf、及びaは前記と同様であり、Xはリチウム、ナトリウム、カリウム、又は下記一般式(5)で示される窒素化合物である。)
    Figure 2018135456
    (式中、R101d、R101e、R101f、及びR101gは、それぞれ水素原子、もしくは炭素数1〜12の直鎖状、分岐状、又は環状のアルキル基、アルケニル基、オキソアルキル基、又はオキソアルケニル基、炭素数6〜20のアリール基、又は炭素数7〜12のアラルキル基又はアリールオキソアルキル基を示し、これらの基の水素原子の一部又は全部がアルコキシ基によって置換されていてもよい。R101dとR101e、R101dとR101eとR101fとは環を形成してもよく、環を形成する場合には、R101dとR101e及びR101dとR101eとR101fは炭素数3〜10のアルキレン基、又は式中の窒素原子を環の中に有する複素芳香族環を示す。)
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