JP2018528316A - スルホニルペンダント基を有するテトラフルオロエチレンのコポリマーを作製する方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2015年9月23日に出願された米国仮出願第62/222,296号の優先権を主張するものであり、その開示全体が参照により本明細書に組み込まれる。
「ある1つの(a)」、「ある1つの(an)」、及び「その(the)」などの用語は、単数の実体のみを指すことを意図するものではなく、その一般的クラスを含むことを意図するものであり、例証のために、具体例が使用される場合がある。「ある1つの(a)」、「ある1つの(an)」、及び「その(the)」という用語は、「少なくとも1つの」という用語と互換的に使用される。
第1の実施形態において、本開示は、コポリマーを作製する方法であって、テトラフルオロエチレンと、式CF2=CF−O−(CF2)a−SO2X[式中、aは1〜4の数であり、Xは−NZH、−NZ−SO2−(CF2)1〜6−SO2X’、又は−OZであり、ここで、各Zは独立して水素、アルカリ金属カチオン、又は第四級アンモニウムカチオンであり、X’は−NZH又は−OZである]によって表される少なくとも1種の化合物とを含む構成成分を共重合させて、コポリマーを形成することを含み、構成成分は、構成成分の総量を基準として、少なくとも60モル%のテトラフルオロエチレンを含む、方法を提供する。
コポリマー組成
19F−NMRスペクトルを使用して、精製されたポリマーの組成を決定した。5mmのBroadbandプローブを備えるBruker Avance II 300分光計を使用した。約7重量パーセントのポリマー、54重量パーセントのメタノール/又はプロパノール−1)、及び39重量パーセントのH2Oのサンプルを測定した。CF2=CF−O−CF2−CF2SO3 −のシグナルを、−70〜−80ppm、−100〜−110ppm、及び−130〜−140ppmで検出した。ポリマー主鎖からのCF2’は、約−110〜−130ppmであった。PMVEからのCF3基は、約−53〜−55ppmで検出され、PPVE−1からのCF3基は、約−84〜−86ppmであった。隣接するCF2基(CF3−CF2−CF2−O−)は、−128〜−130ppmで検出された。
フーリエ変換赤外分光法(FT−IR)による測定を使用して、TFE−CF2=CF−O−CF2−CF2−SO3Na−ポリマー、TFE−CF2=CF−O−CF2−CF2−SO3Na−PPVE−1−ポリマー、及びTFE−CF2=CF−O−CF2−CF2−SO3Na−PMVE−ポリマーにおける、C原子106個当たりのカルボキシル末端基の数を決定した。測定は、FT−IRによって、透過法で実施した。測定したサンプルは、100μmの厚さを有した。対象のCOOHピークの波数は、1776cm−1及び1807cm−1であった。C(O)Fピーク(C(O)Fはカルボキシル基に変換されることになる)の波数は、1885cm−1であった。
(ピーク高さ×F1)/フィルム厚さ[mm] (1)
(ピーク高さ×F2)/フィルム厚さ[mm] (2)
(ピーク高さ×F3)/フィルム厚さ[mm] (3)
ここで、
F1:基準スペクトルに関して計算された因子であり、υ=1776cm−1
F2:基準スペクトルに関して計算された因子であり、υ=1807cm−1
F3:基準スペクトルに関して計算された因子であり、υ=1885cm−1
鋼製容器に、テトラグリム(900g、4mol)中に懸濁したCsF(26.5g、0.2mol)と、ジフルオロ(フルオロスルホニル)アセチルフルオリド(F(O)2S−CF2−C(O)F、1050g、5.8mol)とを、不活性条件下において20℃で装入した。5.5時間の間、激しく撹拌しながら、HFPO(1000g、6mol)を20℃で添加した。その後、二相性の混合物が観察された(底部相:1.840g、上部相:990g)。底部相を分離し、蒸留を通じて精製した。単離したFO2S−CF2−CF2−O−CF(CF3)−C(O)Fの収率は、91%であった(1819g、5.3mol、沸点89〜90℃)。
1Lの二重ジャケットガラスフラスコ(磁気撹拌子、温度計、滴下漏斗、冷却凝縮器、及びクリオスタットが備え付けられている)に、テトラグリム(390g、2mol)中に懸濁した、予め乾燥させた無水Na2CO3(128g、1.2mol)を20℃で装入した。次いで、FO2S−CF2−CF2−O−CF(CF3)−C(O)F(340g、1mol)を、添加中に反応温度が30℃を上回ることが無いように添加した。添加後、反応混合物を、40℃で1.5時間及び60℃で1時間撹拌した。20℃に冷却した後、還流凝縮器をカラム及び蒸留器具に置き換えて、反応混合物を最大160℃で熱分解した。所望の生成物を、透明な無色の液体として得た。2,4,4,5,5−ペンタフルオロ−2−(トリフルオロメチル)−1,3−オキサチオラン3,3−ジオキシドの収率は、70%であった(196g、0.7mol)。
1Lの二重ジャケットガラスフラスコ(磁気撹拌子、温度計、滴下漏斗、冷却凝縮器、及びクリオスタットが備え付けられている)に、ナトリウムメチレート(35g、0.7mol)及びジエチルエーテル(400g、5mol)を装入した。1時間にわたって、2,4,4,5,5−ペンタフルオロ−2−(トリフルオロメチル)−1,3−オキサチオラン3,3−ジオキシド(190g、0.7mol)を20℃で少量ずつ添加した。その後、二相性の反応混合物を、透明な溶液が観察されるまで、20℃で夜通し撹拌した。次いで、溶媒及び揮発性の副生成物は、一定の質量になるまで、回転蒸発装置で最大60℃で除去した。単離したNa[O3S−CF2−CF2−O−CF=CF2]の収率は、86%であった(177g、0.6mol)。
インペラ撹拌機システム(320rpm)を備え付けられた4Lの重合ケトルに、2400gのH2Oと、440gの、CF2=CF−O−CF2CF2−SO3Naの22重量パーセント水溶液とを装入した。脱イオン水中10重量パーセントのアンモニア溶液を添加することによって、pHを9.5に調整した。ケトルを70℃に加熱し、TFEを、6バールの絶対反応圧力に達するように添加した。100mLのH2O中8gの過硫酸アンモニウムを供給することによって、重合を開始させた。
インペラ撹拌機システム(320rpm)を備え付けられた4Lの重合ケトルに、2400gのH2Oと、440gの、CF2=CF−O−CF2−CF2−SO3Naの22重量パーセント水溶液とを装入した。脱イオン水中10重量パーセントのアンモニア溶液を添加することによって、pH値を9.4に調整した。ケトルを60℃に加熱し、ガス状のTFEを、6バールの絶対反応圧力になるまで更に装入した。水中2gの二亜硫酸ナトリウム及び4gの過硫酸アンモニウムを添加することによって、重合を開始した。
インペラ撹拌機システム(320rpm)を備え付けられた4Lの重合ケトルに、2400gのH2Oと、51g(0.17mol)のCF2=CF−O−CF2−CF2−SO3Na(17重量パーセント水溶液として)とを装入した。脱イオン水中10重量パーセントのアンモニア溶液を100g添加することによって、塩基性のpH値を調整した。
インペラ撹拌機システム(320rpm)を備え付けられた4Lの重合ケトルに、2400gのH2Oと、50g(0.17mol)のCF2=CF−O−CF2−CF2−SO3Na(17重量パーセント水溶液として)とを装入した。脱イオン水中10重量パーセントのアンモニア溶液を100g添加することによって、塩基性のpH値を調整した。
ポリマーを未反応のモノマーであるCF2=CF−O−CF2CF2−SO3Naから分離するために、ポリマー分散体A、B、C、及びDのアリコートは、450mLのアニオン交換樹脂(Dow Chemical Company,Midland,Mich.から商品名「AMERLITE IRA 402 OH」で入手可能)で充填された600mLカラムを使用して、1時間当たり2床体積の速度で、個別にアニオン交換した。3時間後、この手順を終了した。IR分析により、精製された分散体中に遊離モノマーCF2=CF−O−CF2CF2−SO3Naが存在しないことが示された。
次いで、アニオン交換された分散体CP及びDPを、各々、500gの各分散体と、100mLのカチオン交換樹脂(Purolite,Bala Cynwyd,Penn.から商品名「PUROLITE C 150」で入手可能)とを使用して、500mLの容器内において室温でカチオン交換した。24時間後、カチオン交換を終了した。カチオン交換樹脂の分離後に、カチオン交換された分散体CP2及びDP2が結果として得られた。最後に、分散体CP2及びDP2を回転蒸発装置において濃縮して、対応するポリマーCP2S及びDP2Sを固体形態で得た。
ポリマーCP2S及びDP2Sのサンプルを、1000mLのオートクレーブ内に配置し、温度を70℃に上昇させる一方で、オートクレーブは真空下で脱気した。次いで、ガス状のハロゲン化剤である、窒素ガス中10質量%のF2ガスを導入し、この系を、30分間その状態に維持した。次いで、ガス状のハロゲン化剤を、オートクレーブから排出した。この手順を11回繰り返した。
Claims (15)
- コポリマーを作製する方法であって、テトラフルオロエチレンと、式CF2=CF−O−(CF2)a−SO2X[式中、aは1〜4の数であり、Xは−NZH、−NZ−SO2−(CF2)1〜6−SO2X’、又は−OZであり、ここで、Zは独立して水素、アルカリ金属カチオン、又は第四級アンモニウムカチオンであり、X’は独立して−NZH又は−OZである]によって表される少なくとも1種の化合物とを含む構成成分を共重合させることを含み、前記構成成分は、構成成分の総量を基準として、少なくとも60モル%のテトラフルオロエチレンを含む、方法。
- 前記構成成分が、ペルフルオロアルキルビニルエーテル、ペルフルオロアルコキシアルキルビニルエーテル、式C(R)2=CF−Rf[式中、Rfはフッ素又は1〜8個の炭素原子を有するペルフルオロアルキルであり、各Rは独立して水素、フッ素、又は塩素である]によって表されるフッ素化オレフィン、又はこれらの組み合わせを更に含む、請求項1に記載の方法。
- 前記構成成分が、ヘキサフルオロプロピレン、ペルフルオロメチルビニルエーテル、ペルフルオロプロピルビニルエーテル、ペルフルオロ−3−メトキシ−n−プロピルビニルエーテル、テトラフルオロプロペン、又はフッ化ビニリデンのうちの少なくとも1種を更に含む、請求項1又は2に記載の方法。
- 共重合が、水性乳化重合によって実行される、請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。
- 前記共重合が、8よりも高いpHで実行される、請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記共重合が、フッ素化乳化剤、前記コポリマーを固体として単離するための凝固、又は前記コポリマーの加水分解のうちの少なくとも1つを伴わずに実行される、請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。
- 共重合が、亜硫酸水素塩又は亜硫酸塩の存在下で実行されて、−SO2X末端基[式中、Xは独立して−NZH、−NZ−SO2−(CF2)1〜6−SO2X’、又は−OZであり、ここで、Zは独立して水素、金属カチオン、又は第四級アンモニウムカチオンであり、X’は独立して−NZH又は−OZである]を生成する、請求項1〜6のいずれか一項に記載の方法。
- 前記コポリマーが、最大1000の−SO2X当量を有する、請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。
- 前記コポリマーを後フッ素化することを更に含む、請求項1〜8のいずれか一項に記載の方法。
- 前記構成成分が、エチレン、プロピレン、イソブチレン、エチルビニルエーテル、安息香酸ビニル、エチルアリルエーテル、シクロヘキシルアリルエーテル、ノルボルナジエン、クロトン酸、クロトン酸アルキル、アクリル酸、アクリル酸アルキル、メタクリル酸、メタクリル酸アルキル、又はヒドロキシブチルビニルエーテルのうちの少なくとも1種を更に含む、請求項1〜8のいずれか一項に記載の方法。
- 前記コポリマーを、マンガンカチオン、ルテニウムカチオン、又はセリウムカチオンのうちの少なくとも1種と組み合わせることを更に含む、請求項1〜10のいずれか一項に記載の方法。
- 前記コポリマーを含む膜を形成することを更に含む、請求項1〜11のいずれか一項に記載の方法。
- 請求項1〜11のいずれか一項に記載の方法によって調製された、コポリマー。
- 請求項1〜11のいずれか一項に記載の方法によって作製されたコポリマーを含む、ポリマー電解質膜又は触媒インク。
- 請求項14に記載のポリマー電解質膜又は触媒インクのうちの少なくとも1つを含む、膜電極アセンブリ。
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