JP2022148992A - Composition, cured product, method for producing cured product, solid electrolyte membrane, fuel cell, water electrolysis device, redox flow battery, and actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、組成物、硬化物、硬化物の製造方法、固体電解質膜、燃料電池、水電解装置、レドックスフロー電池、及び、アクチュエータに関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a composition, a cured product, a method for producing a cured product, a solid electrolyte membrane, a fuel cell, a water electrolysis device, a redox flow battery, and an actuator.
炭化水素系プロトン伝導性固体電解質が知られている。特許文献1には、「複数の繰り返しユニットを有するスルホン化ポリフェニル化合物からなるプロトン伝導性高分子電解質であって、1つの繰り返しユニットに平均2個またはさらに多くのスルホン基が導入されたプロトン伝導性高分子電解質。」が記載されている。 Hydrocarbon-based proton-conducting solid electrolytes are known. Patent Document 1 describes "a proton-conducting polymer electrolyte composed of a sulfonated polyphenyl compound having a plurality of repeating units, in which an average of two or more sulfone groups are introduced into each repeating unit. polyelectrolyte.” is described.
特許文献1に記載のプロトン伝導性高分子電解質はイオン伝導性に改善の余地があった。
そこで本発明は、硬化させると優れたイオン(プロトン)伝導性を有する硬化物が得られる組成物を提供することを課題とする。また、本発明は、硬化物、硬化物の製造方法、固体電解質膜、燃料電池、水電解装置、レドックスフロー電池、及び、アクチュエータを提供することも課題とする。
The proton-conducting polymer electrolyte described in Patent Document 1 has room for improvement in ionic conductivity.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a composition which, when cured, yields a cured product having excellent ionic (proton) conductivity. Another object of the present invention is to provide a cured product, a method for producing the cured product, a solid electrolyte membrane, a fuel cell, a water electrolysis device, a redox flow battery, and an actuator.
本発明者らは、上記課題を達成すべく鋭意検討した結果、以下の構成により上記課題を達成することができることを見出した。 As a result of intensive studies aimed at achieving the above object, the inventors of the present invention have found that the above object can be achieved with the following configuration.
[1] 後述する下記式1で表される繰り返し単位を有する高分子化合物と、ラジカル重合開始剤とを含む組成物。
[2] 上記高分子化合物の含有量に対する、上記ラジカル重合開始剤の含有量の質量基準の比が0.05~0.30である、[1]に記載の組成物。
[3] 後述する式1で表される繰り返し単位が、後述する式2で表される繰り返し単位である、[1]又は[2]に記載の組成物。
[4] 上記式2で表される繰り返し単位が、後述する式3で表される繰り返し単位である、[3]に記載の組成物。
[5] 上記式3で表される繰り返し単位が、後述する式4で表される繰り返し単位である[4]に記載の組成物。
[6] 上記ラジカル重合開始剤がアゾ系化合物である、[1]~[5]のいずれかに記載の組成物。
[7] 上記高分子化合物が有するスルホン酸基又はその塩、を有する基の合計数が、上記繰り返し単位の1つあたり、2~6個である[1]~[3]のいずれかに記載の組成物。
[8] [1]~[7]のいずれかに記載の組成物を硬化させた、硬化物。
[9] 上記高分子化合物が、-S(=O)2-を介して架橋されている、[8]に記載の硬化物。
[10] 上記ラジカル重合開始剤を含有しない、[8]又は[9]に記載の硬化物。
[11] [1]~[7]のいずれかに記載の組成物を加熱して硬化物を得る、硬化物の製造方法。
[12] 上記硬化物を、酸性溶液に浸漬することを含む、[11]に記載の硬化物の製造方法。
[13] [8]~[10]のいずれかに記載の硬化物を含む固体電解質膜。
[14] [13]に記載の固体電解質膜を含む燃料電池。
[15] [13]に記載の固体電解質膜を含む水電解装置。
[16] [13]に記載の固体電解質膜を含むレドックスフロー電池。
[17] [13]に記載の固体電解質膜を含むアクチュエータ。
[1] A composition comprising a polymer compound having a repeating unit represented by formula 1 below and a radical polymerization initiator.
[2] The composition according to [1], wherein the mass-based ratio of the content of the radical polymerization initiator to the content of the polymer compound is 0.05 to 0.30.
[3] The composition according to [1] or [2], wherein the repeating unit represented by Formula 1 described later is a repeating unit represented by Formula 2 described later.
[4] The composition according to [3], wherein the repeating unit represented by formula 2 is a repeating unit represented by formula 3 described below.
[5] The composition according to [4], wherein the repeating unit represented by formula 3 above is a repeating unit represented by formula 4 described below.
[6] The composition according to any one of [1] to [5], wherein the radical polymerization initiator is an azo compound.
[7] Any one of [1] to [3], wherein the total number of groups having a sulfonic acid group or a salt thereof in the polymer compound is 2 to 6 per repeating unit. composition.
[8] A cured product obtained by curing the composition according to any one of [1] to [7].
[9] The cured product of [8], wherein the polymer compound is crosslinked via -S(=O) 2 -.
[10] The cured product according to [8] or [9], which does not contain the radical polymerization initiator.
[11] A method for producing a cured product, comprising heating the composition according to any one of [1] to [7] to obtain a cured product.
[12] The method for producing a cured product according to [11], comprising immersing the cured product in an acidic solution.
[13] A solid electrolyte membrane comprising the cured product according to any one of [8] to [10].
[14] A fuel cell comprising the solid electrolyte membrane of [13].
[15] A water electrolysis device including the solid electrolyte membrane according to [13].
[16] A redox flow battery comprising the solid electrolyte membrane of [13].
[17] An actuator including the solid electrolyte membrane according to [13].
本発明によれば、硬化させると優れたイオン伝導性を有する硬化物が得られる組成物が提供できる。また、本発明によれば、硬化物、硬化物の製造方法、固体電解質膜、燃料電池、水電解装置、レドックスフロー電池、及び、アクチュエータも提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the composition from which hardened|cured material which has the outstanding ion conductivity is obtained when hardened can be provided. The present invention can also provide a cured product, a method for producing a cured product, a solid electrolyte membrane, a fuel cell, a water electrolysis device, a redox flow battery, and an actuator.
以下、本発明について詳細に説明する。
以下に記載する構成要件の説明は、本発明の代表的な実施形態に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施形態に制限されるものではない。
なお、本明細書において、「~」を用いて表される数値範囲は、「~」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。
The present invention will be described in detail below.
Although the description of the constituent elements described below may be made based on representative embodiments of the present invention, the present invention is not limited to such embodiments.
In this specification, a numerical range represented by "-" means a range including the numerical values before and after "-" as lower and upper limits.
[組成物]
本発明の実施形態に係る組成物(以下、「本組成物」ともいう。)は、後述する式1で表される高分子化合物とラジカル重合開始剤とを含む。本組成物により課題が解決される機序は必ずしも明らかではないが、本発明者は以下のとおり推測している。
[Composition]
A composition according to an embodiment of the present invention (hereinafter also referred to as "this composition") contains a polymer compound represented by formula 1 described below and a radical polymerization initiator. Although the mechanism by which the present composition solves the problem is not necessarily clear, the present inventors speculate as follows.
特許文献1に記載された炭化水素系高分子電解質は、プロトン伝導を担うスルホン酸基の一部を脱水縮合させて-S(=O)2-を介して分子間架橋させて、耐水性とプロトン伝導性とを両立している。この硬化物は、ち密で強固な架橋構造をとりやすかった。 The hydrocarbon-based polymer electrolyte described in Patent Document 1 undergoes dehydration condensation of some of the sulfonic acid groups responsible for proton conduction and intermolecular cross-linking via -S(=O) 2 -, resulting in water resistance and It is compatible with proton conductivity. This cured product tended to have a dense and strong crosslinked structure.
本組成物はラジカル重合開始剤を含んでいる。そのため、加熱されると、まず、ラジカル重合開始剤によって発生したラジカル種によって、高分子化合物の末端同士の結合が促進されるなどして、高分子化合物の分子鎖が延長される反応等が起きるものと推測される。 The composition contains a radical polymerization initiator. Therefore, when heated, the radical species generated by the radical polymerization initiator first promotes the bonding between the ends of the polymer compound, thereby causing a reaction such as elongation of the molecular chain of the polymer compound. It is assumed that
その後、更に加熱されると脱水縮合によって-S(=O)2-架橋が形成されるが、先に高分子化合物の分子鎖の一部が延長されていることが影響して、硬化物における架橋点間の分子量がより大きくなる等の変化が生じ、従来の炭化水素系高分子電解質とは異なる架橋構造が得られたものと推測される。この架橋構造の変化が、驚くべきことにイオン伝導性の向上につながったものと推測される。以下では、本組成物が含む各成分について詳述する。 After that, when it is further heated, -S(=O) 2 -crosslinks are formed by dehydration condensation. It is presumed that changes such as an increase in the molecular weight between cross-linking points occurred, and a cross-linking structure different from that of conventional hydrocarbon-based polymer electrolytes was obtained. It is speculated that this change in the crosslinked structure surprisingly led to an improvement in ionic conductivity. Each component of the present composition is described in detail below.
<高分子化合物>
(単位1)
高分子化合物は、下記式1で表される繰り返し単位(以下「単位1」ともいう。)を含み、この繰り返し単位の1つあたり、所定の位置に、少なくとも1つのスルホン酸基又はその塩、を有する基を有する。
<Polymer compound>
(Unit 1)
The polymer compound includes a repeating unit represented by the following formula 1 (hereinafter also referred to as "unit 1"), and at a predetermined position of each repeating unit, at least one sulfonic acid group or a salt thereof; has a group with
式1中、Ar11はアリーレン基、又は、ヘテロアリーレン基を表す。Ar11が有する炭素数は、6~20が好ましく、6~15がより好ましく、6~12が更に好ましい。Ar11は、以下のAR1で表される基であってもよい。
より優れた本発明の効果を有する組成物が得られる点で、Ar11はp-フェニレン基が好ましい。
In Formula 1, Ar 11 represents an arylene group or a heteroarylene group. Ar 11 preferably has 6 to 20 carbon atoms, more preferably 6 to 15 carbon atoms, and even more preferably 6 to 12 carbon atoms. Ar 11 may be a group represented by AR1 below.
Ar 11 is preferably a p-phenylene group in terms of obtaining a composition having more excellent effects of the present invention.
式1中、L11は、単結合、又は、2価の基を表す。2価の基としては、例えば、-C(=O)-、-C(=O)O-、-OC(=O)-、-O-、-S-、-S(=O)2-、-NRA-(RAは水素原子又は1価の有機基を表す)、水素原子がハロゲン原子で置換されていてもよい炭化水素基(炭素数1~10個が好ましい)、及び、これらの組み合わせ等が挙げられる。 In Formula 1, L 11 represents a single bond or a divalent group. Examples of divalent groups include -C(=O)-, -C(=O)O-, -OC(=O)-, -O-, -S- and -S(=O) 2 - , -NR A - (R A represents a hydrogen atom or a monovalent organic group), a hydrocarbon group (preferably having 1 to 10 carbon atoms) in which the hydrogen atom may be substituted with a halogen atom, and these and the like.
なかでも、より優れた本発明の効果を有する組成物が得られる観点では、L11の2価の基としては、-O-、-S-、-CH2-、-C(CH3)2-、-C(CF3)2-、-C(=O)-、及び、-S(=O)2-からなる群より選択される少なくとも1種の基が好ましい。 Among them, from the viewpoint of obtaining a composition having more excellent effects of the present invention, the divalent group of L 11 includes —O—, —S—, —CH 2 —, and —C(CH 3 ) 2 At least one group selected from the group consisting of -, -C(CF 3 ) 2 -, -C(=O)- and -S(=O) 2 - is preferred.
式1中、mは2~40の整数を表し、2~20の整数が好ましく、2~10の整数がより好ましい。 In Formula 1, m represents an integer of 2 to 40, preferably an integer of 2 to 20, more preferably an integer of 2 to 10.
単位1には、Ar11で表される基、及び、L11で表される基がそれぞれ複数含まれる。この複数含まれるAr11、及び、L11はそれぞれ同一でも異なってもよい。つまり、単位1中に、複数の種類のAr11、及び/又は、L11が含まれていてもよい。
より優れた本発明の効果を有する組成物が得られる観点では、単位1中に複数の種類のAr11、及び、複数の種類のL11が含まれていることが好ましい。
Unit 1 includes a plurality of groups represented by Ar 11 and a plurality of groups represented by L 11 . The multiple Ar 11 and L 11 may be the same or different. That is, the unit 1 may contain multiple types of Ar 11 and/or L 11 .
From the viewpoint of obtaining a composition having more excellent effects of the present invention, it is preferable that the unit 1 contains a plurality of types of Ar 11 and a plurality of types of L 11 .
・スルホン酸基等含有基
高分子化合物は、単位1の1つあたり1つ以上のスルホン酸基又はその塩(以下「スルホン酸基等」ともいう)、を有する基(以下、「スルホン酸基等含有基」ともいう。)を有する。このスルホン酸基等含有基は、単位1に複数含まれるAr11で表される基のいずれか1つの水素原子を置換して結合している。この置換される水素原子は、Ar11が有する環を構成する炭素原子に直接結合した水素原子であることが好ましい。
- Group containing sulfonic acid group, etc. The polymer compound is a group having one or more sulfonic acid groups or salts thereof (hereinafter also referred to as "sulfonic acid group, etc.") per unit 1 (hereinafter referred to as "sulfonic acid group (also referred to as "iso-containing group"). This group containing a sulfonic acid group or the like is bonded by substituting any one hydrogen atom of the groups represented by Ar 11 contained in the unit 1 . The hydrogen atom to be substituted is preferably a hydrogen atom directly bonded to a carbon atom constituting the ring of Ar 11 .
ここで、スルホン酸基等含有基のうち、スルホン酸基を有する基の構造としては特に制限されないが、下記S1で表される基が好ましい。 Here, among the sulfonic acid group-containing groups, the structure of the group having a sulfonic acid group is not particularly limited, but a group represented by S1 below is preferable.
なお、上記式S1中、LS1は単結合、又は、m+n+1価の基であり、m及びnはそれぞれ独立して0以上の整数であり、LS1が単結合のとき、mは0でnは1であり、LS1がm+n+1価の基であるとき、nは1以上の整数、mは0以上の整数を表し、*は結合位置を表す。
式S1中、R1は水素原子、又は、1価の置換基を表し、水素原子が好ましい。
また、より優れた本発明の効果が得られる点で、mが0で、かつ、nが1であることが好ましい。
In the above formula S1, L S1 is a single bond or an m + n + monovalent group, m and n are each independently an integer of 0 or more, and when L S1 is a single bond, m is 0 and n is 1, and when L S1 is an m+n+1-valent group, n represents an integer of 1 or more, m represents an integer of 0 or more, and * represents a bonding position.
In Formula S1, R 1 represents a hydrogen atom or a monovalent substituent, preferably a hydrogen atom.
Moreover, it is preferable that m is 0 and n is 1 in order to obtain a more excellent effect of the present invention.
LS1のm+n+1価の基としては特に制限されないが、2価の基としては、式1中における、L11で表される基の2価の基と同様の基が挙げられる。 The m+n+1-valent group of L S1 is not particularly limited, but examples of the divalent group include the same divalent groups as the group represented by L 11 in Formula 1.
LS1の3価以上の基としては特に制限されないが、例えば、以下の式(1a)~(1d)で表される基が挙げられる。 The group having a valence of 3 or more for L 1 S1 is not particularly limited, and examples thereof include groups represented by the following formulas (1a) to (1d).
式(1a)中、L3は3価の基を表す。T3は単結合、又は、2価の基を表し、3個のT3は互いに同一でも異なってもよい。
L3としては、窒素原子、3価の炭化水素基(炭素数1~10個が好ましい。なお、炭化水素基は、芳香族炭化水素基でもよく脂肪族炭化水素基でもよい。)、又は、3価の複素環基(5員環~7員環の複素環基が好ましい)が挙げられ、炭化水素基にはヘテロ原子(例えば、-O-)が含まれていてもよい。L3の具体例としては、窒素原子、グリセリン残基、トリメチロールプロパン残基、フロログルシノール残基、及び、シクロヘキサントリオール残基等が挙げられる。
In formula (1a), L3 represents a trivalent group. T3 represents a single bond or a divalent group, and three T3s may be the same or different.
L 3 is a nitrogen atom, a trivalent hydrocarbon group (preferably having 1 to 10 carbon atoms; the hydrocarbon group may be an aromatic hydrocarbon group or an aliphatic hydrocarbon group), or Examples thereof include trivalent heterocyclic groups (preferably 5- to 7-membered heterocyclic groups), and the hydrocarbon groups may contain a heteroatom (eg, —O—). Specific examples of L3 include a nitrogen atom , a glycerin residue, a trimethylolpropane residue, a phloroglucinol residue, a cyclohexanetriol residue, and the like.
式(1b)中、L4は4価の基を表す。T4は単結合又は2価の基を表し、4個のT4は互いに同一でも異なってもよい。
なお、L4の好適形態としては、4価の炭化水素基(炭素数1~10個が好ましい。なお、炭化水素基は、芳香族炭化水素基でもよく脂肪族炭化水素基でもよい。)、4価の複素環基(5~7員環の複素環基が好ましい)が挙げられ、炭化水素基にはヘテロ原子(例えば、-O-)が含まれていてもよい。L4の具体例としては、ペンタエリスリトール残基、及び、ジトリメチロールプロパン残基等が挙げられる。
In formula (1b), L4 represents a tetravalent group. T4 represents a single bond or a divalent group, and four T4s may be the same or different.
A preferred form of L 4 is a tetravalent hydrocarbon group (preferably having 1 to 10 carbon atoms. The hydrocarbon group may be an aromatic hydrocarbon group or an aliphatic hydrocarbon group.), A tetravalent heterocyclic group (preferably a 5- to 7-membered heterocyclic group) may be mentioned, and the hydrocarbon group may contain a heteroatom (eg, —O—). Specific examples of L4 include a pentaerythritol residue and a ditrimethylolpropane residue.
式(1c)中、L5は5価の基を表す。T5は単結合又は2価の基を表し、5個のT5は互いに同一でも異なってもよい。
なお、L5の好適形態としては、5価の炭化水素基(炭素数2~10個が好ましい。なお、炭化水素基は、芳香族炭化水素基でもよく脂肪族炭化水素基でもよい。)、又は、5価の複素環基(5~7員環の複素環基が好ましい)が挙げられ、炭化水素基にはヘテロ原子(例えば、-O-)が含まれていてもよい。L5の具体例としては、アラビニトール残基、フロログルシドール残基、及び、シクロヘキサンペンタオール残基等が挙げられる。
In formula (1c), L5 represents a pentavalent group. T5 represents a single bond or a divalent group, and five T5s may be the same or different.
A preferred form of L 5 is a pentavalent hydrocarbon group (preferably having 2 to 10 carbon atoms. The hydrocarbon group may be an aromatic hydrocarbon group or an aliphatic hydrocarbon group.), Alternatively, a pentavalent heterocyclic group (preferably a 5- to 7-membered heterocyclic group) may be mentioned, and the hydrocarbon group may contain a heteroatom (eg, —O—). Specific examples of L5 include an arabinitol residue, a phloroglucidol residue, a cyclohexanepentaol residue, and the like.
式(1d)中、L6は6価の基を表す。T6は単結合又は2価の基を表し、6個のT6は互いに同一でも異なってもよい。
なお、L6の好適形態としては、6価の炭化水素基(炭素数2~10個が好ましい。なお、炭化水素基は、芳香族炭化水素基でもよく脂肪族炭化水素基でもよい。)、又は、6価の複素環基(6~7員環の複素環基が好ましい)が挙げられ、炭化水素基にはヘテロ原子(例えば、-O-)が含まれていてもよい。L6の具体例としては、マンニトール残基、ソルビトール残基、ジペンタエリスリトール残基、ヘキサヒドロキシベンゼン、及び、ヘキサヒドロキシシクロヘキサン残基等が挙げられる。
In formula (1d), L6 represents a hexavalent group. T6 represents a single bond or a divalent group, and six T6s may be the same or different.
A preferred form of L 6 is a hexavalent hydrocarbon group (preferably having 2 to 10 carbon atoms. The hydrocarbon group may be an aromatic hydrocarbon group or an aliphatic hydrocarbon group.), Alternatively, a hexavalent heterocyclic group (preferably a 6- to 7-membered heterocyclic group) may be mentioned, and the hydrocarbon group may contain a heteroatom (eg, —O—). Specific examples of L6 include mannitol residue, sorbitol residue, dipentaerythritol residue, hexahydroxybenzene , and hexahydroxycyclohexane residue.
式(1a)~一般式(1d)中、T3~T6で表される2価の基の具体例及び好適形態は、すでに説明したLS1の2価の基と同様であってよい。 Specific examples and preferred forms of the divalent groups represented by T 3 to T 6 in formulas (1a) to (1d) may be the same as the divalent groups of L 1 S1 already described.
なかでも、スルホン酸基を有する基としては、式S2で表される基が好ましい。 Among them, the group represented by the formula S2 is preferable as the group having a sulfonic acid group.
式S2中、LS2は単結合、又は、2価の基を表し、LS2の2価の基は、LS1の2価の基として示した形態が挙げられ、好適形態も上記と同様である。 In formula S2, L S2 represents a single bond or a divalent group, and the divalent group of L S2 includes the forms shown as the divalent group of L S1 , and preferred forms are also the same as above. be.
なお、スルホン酸の塩を有する基は、上記スルホン酸基の塩が好ましく、対イオンは金属カチオンが好ましく、例えば、Li、Na、K、Mg、Ca、Sr、Ti、Al、Fe、Rh、Pt、Ru、Ir、及び、Pd等が挙げられ、Li、Na、又は、Kが好ましい。 The group having a sulfonic acid salt is preferably a salt of the above sulfonic acid group, and the counter ion is preferably a metal cation, such as Li, Na, K, Mg, Ca, Sr, Ti, Al, Fe, Rh, Pt, Ru, Ir, Pd, etc., can be mentioned, and Li, Na, or K is preferred.
高分子化合物中における単位1の含有量としては特に制限されないが、より優れた本発明の効果を有する組成物が得られる観点で、高分子化合物が有する全繰り返し単位を100モル%としたとき、90モル%以上が好ましく、95モル%以上がより好ましい。高分子化合物は、単位1からなることが好ましい。 The content of the unit 1 in the polymer compound is not particularly limited, but from the viewpoint of obtaining a composition having a more excellent effect of the present invention, when the total repeating units of the polymer compound are 100 mol%, 90 mol % or more is preferable, and 95 mol % or more is more preferable. The polymer compound preferably consists of 1 unit.
(単位2)
単位1は、より優れた本発明の効果を有する組成物が得られる点で、以下の式2で表される繰り返し単位(以下、「単位2」ともいう。)であることが好ましい。
(Unit 2)
Unit 1 is preferably a repeating unit represented by the following formula 2 (hereinafter also referred to as "unit 2") in that a composition having more excellent effects of the present invention can be obtained.
式2中、Ar21、Ar22、及び、Ar23はそれぞれ独立に、アリーレン基、又は、ヘテロアリーレン基を表し、式1中のAr11で表される基と同様の基が挙げられ、好適形態も同様である。 In Formula 2, Ar 21 , Ar 22 and Ar 23 each independently represent an arylene group or a heteroarylene group, and include the same groups as those represented by Ar 11 in Formula 1, preferably The morphology is the same.
式2中、L21、及び、L22はそれぞれ独立に、単結合、又は、-O-、-S-、-CH2-、-C(CH3)2-、-C(CF3)2-、-C(=O)-、及び、-S(=O)2-からなる群より選択される2価の基を表す。 In Formula 2, L 21 and L 22 are each independently a single bond, or —O—, —S—, —CH 2 —, —C(CH 3 ) 2 —, —C(CF 3 ) 2 represents a divalent group selected from the group consisting of -, -C(=O)-, and -S(=O) 2 -;
式2中、pは1~5の整数を表し、1又は2が好ましく、qは0~30の整数を表し、1~20が好ましく、2~10がより好ましい。 In Formula 2, p represents an integer of 1 to 5, preferably 1 or 2, q represents an integer of 0 to 30, preferably 1 to 20, more preferably 2 to 10.
単位2には、Ar21で表される基、Ar22で表される基、Ar23で表される基、L21で表される基、及び、L22で表される基がそれぞれ複数含まれることがある。これら複数含まれる基は、それぞれ同一でも異なってもよい。 Unit 2 includes a plurality of each of a group represented by Ar 21 , a group represented by Ar 22 , a group represented by Ar 23 , a group represented by L 21 , and a group represented by L 22 . may be These plural groups may be the same or different.
単位2の1つあたり、1つ以上のスルホン酸等基含有基が含まれる。スルホン酸基等含有基は、単位2に複数含まれるAr21、Ar22、及び、Ar23で表される基からなる群より選択される少なくとも1つの基が有する水素原子を置換して結合している。この置換される水素原子は、Ar21、Ar22、及び、Ar23で表される基が有する環を構成する炭素原子に直接結合した水素原子であることが好ましい。 One or more sulfonic acid group-containing groups are included per unit 2. A group containing a sulfonic acid group or the like is bonded by replacing a hydrogen atom possessed by at least one group selected from the group consisting of groups represented by Ar 21 , Ar 22 and Ar 23 contained in a plurality of units 2. ing. This substituted hydrogen atom is preferably a hydrogen atom directly bonded to a carbon atom constituting a ring of the groups represented by Ar 21 , Ar 22 and Ar 23 .
高分子化合物中における単位2の含有量は特に制限されないが、すでに説明した単位1の含有量と同様であり、好適形態も同様である。 The content of unit 2 in the polymer compound is not particularly limited, but is the same as the content of unit 1 already described, and the preferred form is also the same.
(単位3)
より優れた本発明の効果を有する組成物が得られる点で、単位2は、以下の式3で表される繰り返し単位(以下「単位3」ともいう。)であることが好ましい。
(Unit 3)
Unit 2 is preferably a repeating unit represented by the following formula 3 (hereinafter also referred to as "unit 3") in order to obtain a composition having more excellent effects of the present invention.
式3中、L31、L32はそれぞれ独立に、単結合、酸素原子、硫黄原子、又は、-SO2-を表し、酸素原子が好ましい。
また、X31、X32、及び、X33はそれぞれ独立に、水素原子、リチウム原子、ナトリウム原子、又は、カリウム原子を表し、水素原子、又は、ナトリウム原子が好ましい。また、mは1~5の整数を表し、1又は2が好ましく、rは1~3の整数を表し、2が好ましく、nは0~10の整数を表し、1が好ましい。
In Formula 3, L 31 and L 32 each independently represent a single bond, an oxygen atom, a sulfur atom, or —SO 2 —, preferably an oxygen atom.
Moreover, X 31 , X 32 and X 33 each independently represent a hydrogen atom, a lithium atom, a sodium atom or a potassium atom, preferably a hydrogen atom or a sodium atom. Further, m represents an integer of 1 to 5, preferably 1 or 2, r represents an integer of 1 to 3, preferably 2, and n represents an integer of 0 to 10, preferably 1.
また、y1、y2、及び、y3はそれぞれ独立に0~4の整数を表し、少なくとも1つが1以上である。すなわち、y1~y3の和は1以上であり、2以上が好ましく、8以下が好ましく、6以下がより好ましく、4以下が更に好ましい。
なかでも、より優れた本発明の効果を有する組成物が得られる点で、y1、及び、y2は、0~2が好ましく、y3は、0~2が好ましい。
Also, y 1 , y 2 and y 3 each independently represent an integer of 0 to 4, at least one of which is 1 or more. That is, the sum of y 1 to y 3 is 1 or more, preferably 2 or more, preferably 8 or less, more preferably 6 or less, and even more preferably 4 or less.
In particular, y 1 and y 2 are preferably 0 to 2, and y 3 is preferably 0 to 2, in order to obtain a composition having more excellent effects of the present invention.
高分子化合物中における単位3の含有量としては特に制限されないが、すでに説明した単位1の含有量と同様であり、好適形態も同様である。 Although the content of unit 3 in the polymer compound is not particularly limited, it is the same as the content of unit 1 already described, and the preferred form is also the same.
(単位4)
より優れた本発明の効果を有する組成物が得られる点で、単位3は、以下の式4で表される繰り返し単位(以下「単位4」ともいう。)であることが好ましい。
(Unit 4)
Unit 3 is preferably a repeating unit represented by the following formula 4 (hereinafter also referred to as "unit 4") in order to obtain a composition having more excellent effects of the present invention.
式4中、X41、X42、X43、及び、X44はそれぞれ独立に、水素原子、リチウム原子、ナトリウム原子、又は、カリウム原子であり、水素原子、又は、ナトリウム原子が好ましい。
z1、z2、z3、及び、z4はそれぞれ独立に0~4の整数を表し、z1、z2、z3、及び、z4からなる群より選択される少なくとも1つが1以上である。すなわち、z1~z4の和が1以上であり、2以上が好ましく、8以下が好ましく、6以下がより好ましく、4以下が更に好ましい。
なかでも、より優れた本発明の効果を有する組成物が得られる点で、z1、及び、z2は、0~2が好ましく、z3、及び、z4は、0~2が好ましい。
In Formula 4, X 41 , X 42 , X 43 and X 44 are each independently a hydrogen atom, a lithium atom, a sodium atom or a potassium atom, preferably a hydrogen atom or a sodium atom.
z 1 , z 2 , z 3 and z 4 each independently represents an integer of 0 to 4, and at least one selected from the group consisting of z 1 , z 2 , z 3 and z 4 is 1 or more is. That is, the sum of z 1 to z 4 is 1 or more, preferably 2 or more, preferably 8 or less, more preferably 6 or less, and even more preferably 4 or less.
Among them, z 1 and z 2 are preferably 0 to 2, and z 3 and z 4 are preferably 0 to 2, in order to obtain a composition having more excellent effects of the present invention.
高分子化合物中における単位4の含有量としては特に制限されないが、すでに説明した単位1の含有量と同様であり、好適形態も同様である。 Although the content of unit 4 in the polymer compound is not particularly limited, it is the same as the content of unit 1 already described, and the preferred form is also the same.
高分子化合物は、上記単位1、単位2、及び、単位3以外のその他の繰り返し単位を有していてもよい。その他の繰り返し単位の含有量としては、高分子化合物の全繰り返し単位を100モル%としたとき、10モル%以下であることが好ましい。 The polymer compound may have repeating units other than Unit 1, Unit 2, and Unit 3. The content of other repeating units is preferably 10 mol % or less when the total repeating units of the polymer compound are taken as 100 mol %.
高分子化合物の分子量としては特に制限されないが、一般に20000~1000000が好ましく、50000~500000がより好ましい。 Although the molecular weight of the polymer compound is not particularly limited, it is generally preferably from 20,000 to 1,000,000, more preferably from 50,000 to 500,000.
高分子化合物の製造方法としては特に制限されず、公知の方法を用いることができる。高分子化合物の製造方法としては、例えば、国際公開第2016/072350号の0007~0029段落に記載されており、上記は本明細書に組み込まれる。
より具体的には、高分子化合物は、芳香族ジハロゲン化合物と、芳香族ジヒドロキシ化合物とを用いて、非プロトン性極性溶媒中、炭酸カリウムの存在下で脱塩重縮合する方法が挙げられ、一例を以下のスキーム1に示した。
The method for producing the polymer compound is not particularly limited, and known methods can be used. A method for producing a polymer compound is described, for example, in paragraphs 0007 to 0029 of WO 2016/072350, which is incorporated herein.
More specifically, the polymer compound is desalted and polycondensed using an aromatic dihalogen compound and an aromatic dihydroxy compound in an aprotic polar solvent in the presence of potassium carbonate. is shown in Scheme 1 below.
上記スキーム1中、ビス(4-フルオロフェニル)スルホンのスルホン化、及び、再結晶は、例えば以下の方法で行うことができる。まず、ビス(4-フルオロフェニル)スルホンと30質量%発煙硫酸との混合物を加熱し(例えば120℃で12時間)、加熱後の混合物を食塩水に中に注いで生成物を沈殿させ、上記沈殿をろ過してから水に再度溶解し、NaOH水溶液により中和する。次に、食塩を添加して粗生成物の沈殿を得て、粗生成物を水-エタノール混合液で再結晶化すればよい。このようにしてスルホンジフェニルスルホン(上記スキーム中「SFPS」と記載した。)が得られる。 In Scheme 1 above, sulfonation and recrystallization of bis(4-fluorophenyl)sulfone can be carried out, for example, by the following methods. First, a mixture of bis(4-fluorophenyl)sulfone and 30% by weight fuming sulfuric acid is heated (for example, at 120° C. for 12 hours), and the heated mixture is poured into brine to precipitate the product. The precipitate is filtered, then redissolved in water and neutralized with aqueous NaOH. Salt may then be added to obtain a precipitate of the crude product and the crude product may be recrystallized with a water-ethanol mixture. Thus, sulfonediphenylsulfone (denoted as "SFPS" in the above scheme) is obtained.
次に、上記SFPSと4,4′-ビフェノール(上記スキーム中「BP」と記載した。)とを脱塩重縮合させることにより、2S-PPSU(1個の繰り返し単位につき、2つのスルホン酸基(上記スキーム1中では対イオンNa+と塩を形成している)が導入された「2スルホン化ポリフェニルスルホン」)が得られる。なお、式中nは2以上の整数を表す。 Next, the SFPS and 4,4′-biphenol (described as “BP” in the above scheme) are subjected to desalting polycondensation to give 2S-PPSU (two sulfonic acid groups per repeating unit). (Scheme 1 above, which forms a salt with the counterion Na + ) is introduced into the "2-sulfonated polyphenylsulfone") is obtained. In the formula, n represents an integer of 2 or more.
脱塩重縮合の方法としては、例えばSFPS、BP、K2CO3、DMSO(ジメチルスルホキシド)、及び、トルエンを混合し、この混合物を窒素ガス雰囲気下で加熱する方法(例えば、140℃で24時間)が使用できる。なお、重合後、硫酸中で重合物を沈殿させ、これをろ過して粗生成物を得た後、得られた粗生成物を水に再溶解し、透析し、脱水して乾燥させてもよい。さらに得られた重合体を硫酸で洗浄して、スルホン酸基を活性化(-SO3Naを-SO3Hに)させてもよい。 As a method of desalting polycondensation, for example, SFPS, BP, K 2 CO 3 , DMSO (dimethyl sulfoxide), and toluene are mixed, and a method of heating this mixture under a nitrogen gas atmosphere (for example, 24 at 140 ° C. time) can be used. After polymerization, the polymer is precipitated in sulfuric acid, filtered to obtain a crude product, and then the obtained crude product is redissolved in water, dialyzed, dehydrated and dried. good. Further, the resulting polymer may be washed with sulfuric acid to activate the sulfonic acid groups (--SO 3 Na to --SO 3 H).
高分子化合物の製造方法としては、例えば、以下スキーム2に記載の方法も使用できる。 As a method for producing a polymer compound, for example, the method described in Scheme 2 below can also be used.
2S-PPSU、及び、濃硫酸を混合し、この混合物を60℃で2日間加熱し、加熱後の混合物を氷水中に注ぎ込み、透析し、脱水して真空オーブン中で80℃で2日間乾燥させることで、上記スキームに記載したとおり4S-PPSU(1個の繰り返し単位につき、4つのスルホン酸基が導入された「4スルホン化ポリフェニルスルホン」)が得られる。なお、スキーム2中n1、n2は2以上の整数を表す。 2S-PPSU and concentrated sulfuric acid are mixed, the mixture is heated at 60° C. for 2 days, the heated mixture is poured into ice water, dialyzed, dehydrated and dried in a vacuum oven at 80° C. for 2 days. As a result, 4S-PPSU (“4-sulfonated polyphenylsulfone” in which four sulfonic acid groups are introduced per repeating unit) is obtained as described in the above scheme. In Scheme 2, n1 and n2 represent integers of 2 or more.
また、同様に、PPSU(ポリフェニルスルホン)、及び、30wt%発煙硫酸を混合し、この混合物を50℃程度で3日間以上加熱してスルホン化することで、D6S-PPSU(1個の繰り返し単位につき、6つのスルホン酸基が導入された「6スルホン化ポリフェニルスルホン」)が得られる。この反応をスキーム3に示した。なお、スキーム3中、n1、n2は2以上の整数を表す。 Similarly, PPSU (polyphenylsulfone) and 30 wt% fuming sulfuric acid are mixed, and this mixture is heated at about 50 ° C. for 3 days or more to sulfonate, resulting in D6S-PPSU (one repeating unit , a "6-sulfonated polyphenylsulfone" into which six sulfonic acid groups are introduced is obtained. This reaction is shown in Scheme 3. In Scheme 3, n1 and n2 represent integers of 2 or more.
詳細は後述するが、高分子化合物は、スルホン酸基等含有基を有し、電子密度の高い炭素原子に結合した活性水素原子との間で脱水反応を起こさせることで、架橋構造を形成できる。電子密度の高い炭素原子としてとは、例えば、芳香族環に結合した水素が挙げられる。
このような高分子化合物の架橋反応の例を以下のスキーム4に示す。なお、スキーム4中、nは2以上の整数を表す。下記スキームで示されたとおり、高分子化合物は、-SO2-を介して架橋されている。
Although the details will be described later, a polymer compound has a group containing a sulfonic acid group or the like, and can form a crosslinked structure by causing a dehydration reaction with an active hydrogen atom bonded to a carbon atom with a high electron density. . A carbon atom with a high electron density includes, for example, hydrogen bonded to an aromatic ring.
An example of such a polymer compound cross-linking reaction is shown in Scheme 4 below. In Scheme 4, n represents an integer of 2 or more. As shown in the scheme below, the polymer compound is crosslinked via —SO 2 —.
上記架橋反応は、典型的には必要に応じて脱水剤の存在下で特定高分子を加熱することで進行できる。
脱水剤を用いる場合、公知の脱水剤を使用でき、特に制限されないが、五酸化リン、及び、ポリリン酸等が挙げられ、これらを溶媒に溶解して液状の脱水剤として使用してもよい。溶媒としては、メタンスルホン酸、及び、トリフルオロメタンスルホン酸等のアルキルスルホン酸;クロロベンゼンスルホン酸等の芳香族スルホン酸;等が挙げられる。
The cross-linking reaction can typically proceed by heating the specific polymer in the presence of a dehydrating agent as needed.
When a dehydrating agent is used, a known dehydrating agent can be used, and is not particularly limited. Phosphorus pentoxide, polyphosphoric acid, and the like can be used, and these can be dissolved in a solvent and used as a liquid dehydrating agent. Examples of solvents include alkylsulfonic acids such as methanesulfonic acid and trifluoromethanesulfonic acid; aromatic sulfonic acids such as chlorobenzenesulfonic acid; and the like.
<ラジカル重合開始剤>
ラジカル重合開始剤としては、光によりラジカル重合を開始させる光ラジカル重合開始剤であってもよいし、熱によりラジカル重合を開始させる熱ラジカル重合開始剤であってもよいし、これらを併用してもよい。本組成物は、ラジカル発生と脱水縮合とを順次起こさせて硬化物を生成することが好ましく、加熱により上記両方の反応が進行する観点では、ラジカル重合開始剤は熱ラジカル重合開始剤であることが好ましい。
<Radical polymerization initiator>
The radical polymerization initiator may be a photo-radical polymerization initiator that initiates radical polymerization by light, or a thermal radical polymerization initiator that initiates radical polymerization by heat, or these may be used in combination. good too. The present composition preferably produces a cured product by sequentially causing radical generation and dehydration condensation, and from the viewpoint that both of the above reactions proceed by heating, the radical polymerization initiator is a thermal radical polymerization initiator. is preferred.
ラジカル重合開始剤は公知のものを使用化のであり、例えば、国際公開2018/016614号に記載のものが使用可能である。 A known radical polymerization initiator can be used, and for example, those described in International Publication No. 2018/016614 can be used.
熱ラジカル重合開始剤としては、2,2′-アゾビスイソブチロニトリル、2,2′-アゾビス(メチルイソブチレ-ト)、2,2′-アゾビス-2,4-ジメチルバレロニトリル、及び、1,1′-アゾビス(1-アセトキシ-1-フェニルエタン)等のアゾ系化合物;ベンゾイルパーオキサイド、ジ-t-ブチルベンゾイルパーオキサイド、t-ブチルパーオキシピバレート、及び、ジ(4-t-ブチルシクロヘキシル)パーオキシジカーボネート等の過酸化物;過硫酸アンモニウム、過硫酸ナトリウム、及び、過硫酸カリウム等の過硫酸塩等が挙げられる。なかでも、より優れた本発明の効果を有する組成物が得られる点で、アゾ系化合物、又は、過酸化物が好ましく、アゾ系化合物がより好ましい。
組成物がアゾ系化合物を含有する場合、得られる硬化物はより優れた柔軟性を有する。
Thermal radical polymerization initiators include 2,2'-azobisisobutyronitrile, 2,2'-azobis(methyl isobutyrate), 2,2'-azobis-2,4-dimethylvaleronitrile, and 1 , 1′-azobis (1-acetoxy-1-phenylethane) and other azo compounds; benzoyl peroxide, di-t-butylbenzoyl peroxide, t-butyl peroxypivalate, and di(4-t- butyl cyclohexyl) peroxydicarbonate; and persulfates such as ammonium persulfate, sodium persulfate, and potassium persulfate. Among them, an azo compound or a peroxide is preferred, and an azo compound is more preferred, in that a composition exhibiting more excellent effects of the present invention can be obtained.
When the composition contains an azo compound, the resulting cured product has superior flexibility.
光ラジカル重合開始剤としては、アセトフェノン系化合物、ベンジル系化合物、ベンゾフェノン系化合物、チオキサントン系化合物、ビスイミダゾール系化合物、アクリジン系化合物、アシルホスフィン系化合物、及び、オキシムエステル化合物等が挙げられる。 Examples of photoradical polymerization initiators include acetophenone-based compounds, benzyl-based compounds, benzophenone-based compounds, thioxanthone-based compounds, bisimidazole-based compounds, acridine-based compounds, acylphosphine-based compounds, and oxime ester compounds.
組成物中におけるラジカル重合開始剤の含有量としては特に制限されないが、より優れた本発明の効果を有する組成物が得られる点で、組成物中における高分子化合物の含有量に対する、ラジカル重合開始剤の含有量の質量基準の比(ラジカル重合開始剤の含有量/高分子化合物の含有量)が0.01以上であることが好ましく、0.03以上であることがより好ましく、0.05以上であることが好ましく、0.05を超えることが好ましく、0.30以下が好ましく0.20以下がより好ましく、0.15以下が更に好ましく、0.15未満が特に好ましい。 The content of the radical polymerization initiator in the composition is not particularly limited. The ratio of the content of the agent on a mass basis (content of the radical polymerization initiator/content of the polymer compound) is preferably 0.01 or more, more preferably 0.03 or more, and more preferably 0.05. It is preferably 0.05 or more, preferably 0.30 or less, more preferably 0.20 or less, still more preferably 0.15 or less, and particularly preferably less than 0.15.
上記比が、0.05を超える場合、得られる硬化物は高温低加湿環境下におけるより優れたイオン伝導性を有する。この場合、上記比は、0.30以下が好ましく、0.20以下がより好ましく、0.15以下が更に好ましい。 When the above ratio exceeds 0.05, the resulting cured product has better ionic conductivity in a high-temperature, low-humidity environment. In this case, the above ratio is preferably 0.30 or less, more preferably 0.20 or less, and even more preferably 0.15 or less.
また、上記比が、0.05を超えて、0.15未満であると、得られる硬化物は、低温(低・高加湿)、及び、高温高加湿におけるより優れたイオン伝導性を有する。 Further, when the above ratio is more than 0.05 and less than 0.15, the obtained cured product has excellent ionic conductivity at low temperature (low/high humidity) and at high temperature and high humidity.
なお、組成物は、ラジカル重合開始剤の1種を単独で含有してもよく、2種以上を含有していてもよい。組成物が、2種以上のラジカル重合開始剤を含有する場合には、その合計含有量が上記数値範囲内であることが好ましい。 The composition may contain one type of radical polymerization initiator alone, or may contain two or more types. When the composition contains two or more radical polymerization initiators, the total content is preferably within the above numerical range.
<その他の成分>
組成物は、上記各成分以外のその他の成分を含有していてもよい。その他の成分としては、例えば、溶媒が挙げられる。溶媒としては、特に制限されないが、組成物を硬化させて得られる硬化物が、より優れたイオン伝導性を有しやすい観点では、高分子化合物と、ラジカル重合開始剤の両方を溶解(又は単分子溶解拡散)可能な溶媒が好ましい。上記観点からは、溶媒は、ジクロロメタン、テトラヒドロフラン、アセトン、ジメチルホルムアミド、アセトニトリル、及び、ジメチルスルホキシド等の非プロトン性極性溶媒が好ましい。
<Other ingredients>
The composition may contain other components in addition to the above components. Other components include, for example, solvents. The solvent is not particularly limited, but from the viewpoint that the cured product obtained by curing the composition tends to have more excellent ionic conductivity, both the polymer compound and the radical polymerization initiator are dissolved (or used alone). Solvents capable of molecular dissolution and diffusion are preferred. From the above viewpoint, the solvent is preferably an aprotic polar solvent such as dichloromethane, tetrahydrofuran, acetone, dimethylformamide, acetonitrile, and dimethylsulfoxide.
組成物中における溶媒の含有量としては特に制限されないが、高分子化合物とラジカル重合開始剤の合計の1gに対して、10~100mLが好ましく、20~80mLがより好ましい。 Although the content of the solvent in the composition is not particularly limited, it is preferably 10 to 100 mL, more preferably 20 to 80 mL, relative to 1 g of the total of the polymer compound and the radical polymerization initiator.
<組成物の製造方法>
組成物の製造方法としては特に制限されず、上記各成分を混合すればよい。混合の順番は特に制限されないが、例えば、高分子化合物を溶媒に溶解させて高分子化合物溶液を調製し、ラジカル重合開始剤を溶媒に溶解させてラジカル重合開始剤溶液を調製し、上記2つの溶液を混合することで製造できる。
<Method for producing composition>
The method for producing the composition is not particularly limited, and the above components may be mixed. The order of mixing is not particularly limited, but for example, a polymer compound is dissolved in a solvent to prepare a polymer compound solution, a radical polymerization initiator is dissolved in a solvent to prepare a radical polymerization initiator solution, and the above two It can be produced by mixing solutions.
〔組成物の用途〕
上記組成物によれば、優れたをイオン伝導性を有する硬化物を形成できる。また、得られる硬化物は優れたプロトン伝導性を有する。そのため、硬化物は固体電解質膜として固体高分子形燃料電池(PEFC)に使用することができる。上記組成物は、固体高分子電解質(膜)の製造用として使用できる。
[Use of composition]
According to the above composition, a cured product having excellent ion conductivity can be formed. Moreover, the obtained cured product has excellent proton conductivity. Therefore, the cured product can be used as a solid electrolyte membrane in a polymer electrolyte fuel cell (PEFC). The above composition can be used for producing a solid polymer electrolyte (membrane).
また、上記硬化物はイオン(カチオン)交換膜としても使用することができ、上記硬化物を含むイオン交換膜は、例えば、透水性支持体と、上記支持体上に配置された層状の硬化物とを有するカチオン交換膜として使用できる。上記カチオン交換膜は、例えばアニオン交換膜と併用して、電気化学測定装置、水電解装置、及び、排水処理装置等に使用できる。 The cured product can also be used as an ion (cation) exchange membrane, and the ion exchange membrane containing the cured product is, for example, a water-permeable support and a layered cured product placed on the support. It can be used as a cation exchange membrane having The cation exchange membrane can be used, for example, in combination with an anion exchange membrane for electrochemical measuring devices, water electrolysis devices, wastewater treatment devices, and the like.
[硬化物]
本発明の実施形態に係る硬化物は、すでに説明した組成物を硬化させて得られた硬化物である。
すでに説明したとおり、本組成物はラジカル重合開始剤を含有しているため、ラジカル重合開始剤から生じたラジカル種が高分子化合物の末端部分に作用し、分子鎖の延長が起こると共に、脱水縮合反応によって分子間の架橋が起こるものと推測される。この2つの反応が起こる順番はどちらかが先であってもよいし、並行してもよいが、より優れたイオン伝導性を有する硬化物となりやすい観点では、先にラジカル種が生成し、順次、脱水縮合反応が起こることが好ましい。
[Cured product]
A cured product according to an embodiment of the present invention is a cured product obtained by curing the already-described composition.
As already explained, since the present composition contains a radical polymerization initiator, radical species generated from the radical polymerization initiator act on the terminal portion of the polymer compound, causing elongation of the molecular chain and dehydration condensation. It is speculated that the reaction causes intermolecular cross-linking. The order in which these two reactions occur may be either first or in parallel. , preferably a dehydration condensation reaction occurs.
上記の観点では、硬化物の製造方法としては、ラジカル重合開始剤が熱ラジカル重合開始剤である場合、30~120℃の温度で6~72時間保持し、その後、160~200℃の温度で6~72時間保持することが好ましい。
このようにすると、熱ラジカル重合開始剤によるラジカル種の発生が、脱水縮合反応の開始よりも先行しやすい。
From the above point of view, as a method for producing a cured product, when the radical polymerization initiator is a thermal radical polymerization initiator, it is held at a temperature of 30 to 120 ° C. for 6 to 72 hours, and then at a temperature of 160 to 200 ° C. Holding for 6 to 72 hours is preferred.
By doing so, the generation of radical species by the thermal radical polymerization initiator tends to precede the initiation of the dehydration condensation reaction.
なお、脱水縮合反応では、水分子が発生するため、脱水剤を用いてもよい。この場合、公知の脱水剤を使用でき、特に制限されないが、五酸化リン、及び、ポリリン酸等が挙げられる。 In the dehydration condensation reaction, water molecules are generated, so a dehydrating agent may be used. In this case, a known dehydrating agent can be used, and examples include, but are not particularly limited to, phosphorus pentoxide and polyphosphoric acid.
得られた硬化物は、洗浄されてもよい。硬化物を洗浄すると、ラジカル重合開始剤等を硬化物から除去できる。洗浄方法としては特に制限されないが、洗浄液に硬化物を浸漬し、除去対象物を洗浄液に溶出させる方法が挙げられる。
なかでも、より優れた本発明の効果を有する硬化物が得られる点で、アルカリ洗浄液と、酸洗浄液とを順次用いて洗浄することが好ましい。最終的に酸性溶液(硫酸等)に浸漬して、スルホン酸基の塩を解離させ、スルホン酸基に変換(活性化処理)すると、得られる硬化物はより優れたイオン伝導性を発揮しやすい。
The resulting cured product may be washed. By washing the cured product, the radical polymerization initiator and the like can be removed from the cured product. The cleaning method is not particularly limited, but includes a method of immersing the cured product in a cleaning liquid and eluting the removal target into the cleaning liquid.
Among them, it is preferable to wash using an alkaline cleaning solution and an acid cleaning solution in that order, in order to obtain a cured product having a more excellent effect of the present invention. Finally, when it is immersed in an acidic solution (sulfuric acid, etc.) to dissociate the salt of the sulfonic acid group and convert it to a sulfonic acid group (activation treatment), the resulting cured product tends to exhibit better ionic conductivity. .
アルカリ洗浄液としては特に制限されないが、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液、水酸化リチウム水溶液、及び、水酸化カルシウム水溶液等のアルカリ金属の水酸化物の水溶液等が挙げられる。 The alkaline cleaning liquid is not particularly limited, but examples thereof include sodium hydroxide aqueous solution, potassium hydroxide aqueous solution, lithium hydroxide aqueous solution, and alkali metal hydroxide aqueous solution such as calcium hydroxide aqueous solution.
酸洗浄液としては特に制限されないが、硫酸等が挙げられる。硫酸で洗浄することにより、塩を形成した状態のスルホン酸基を解離させることができるため、より優れたプロトン伝導性を有する硬化物が得られやすい。以下では、酸洗浄を含む洗浄工程を活性化処理という場合がある。 The acid washing liquid is not particularly limited, but sulfuric acid and the like can be mentioned. By washing with sulfuric acid, the sulfonic acid groups in the form of salts can be dissociated, so that a cured product having better proton conductivity can be easily obtained. Hereinafter, the cleaning process including acid cleaning may be referred to as activation treatment.
なお、酸洗浄液とアルカリ洗浄液以外にも、水を用いて硬化物を洗浄することも好ましい。例えば、アルカリ洗浄、水洗浄、酸洗浄、及び、水洗浄の順に順次洗浄液を変更して洗浄する形態が好ましい。 In addition to the acid cleaning liquid and the alkaline cleaning liquid, it is also preferable to wash the cured product with water. For example, it is preferable to wash by sequentially changing the washing liquid in the order of alkali washing, water washing, acid washing, and water washing.
洗浄の際の洗浄液の温度としては特に制限されないが、一般に、10~150℃が好ましく、30℃~100℃がより好ましい。 Although the temperature of the cleaning liquid during cleaning is not particularly limited, it is generally preferably 10 to 150°C, more preferably 30 to 100°C.
硬化物は、ラジカル重合開始剤を含有しないことが好ましい。洗浄工程によって、未反応のラジカル重合開始剤が硬化物中から除去される。なお、硬化物がラジカル重合開始剤を含有しない、とは組成物に含有されていた遊離状態のラジカル重合開始剤が硬化物中から除去された状態を意味する。
高分子化合物の分子構造の中に取り込まれた(例えば共有結合等により結合した)ラジカル重合開始剤由来の構造は、ここでいう「ラジカル重合開始剤」には含まれない。つまり、ラジカル重合開始剤を含有しない状態の硬化物であっても、ラジカル重合開始剤由来の構造を高分子化合物の分子中に有していてもよい。
The cured product preferably does not contain a radical polymerization initiator. The washing step removes unreacted radical polymerization initiator from the cured product. The term "the cured product does not contain a radical polymerization initiator" means that the free radical polymerization initiator contained in the composition has been removed from the cured product.
A structure derived from a radical polymerization initiator that is incorporated into the molecular structure of a polymer compound (for example, bonded by a covalent bond or the like) is not included in the term "radical polymerization initiator" as used herein. That is, even a cured product containing no radical polymerization initiator may have a structure derived from the radical polymerization initiator in the molecule of the polymer compound.
(乾燥工程)
乾燥工程は、洗浄後の硬化物を乾燥させて乾燥済み硬化物を得る工程である。乾燥方法としては特に制限されないが、硬化物を加熱して、又は、加熱せずに、保持する方法が挙げられる。加熱する場合、温度としては特に制限されないが、一般に、30~80℃が好ましい。
(Drying process)
The drying step is a step of drying the washed cured product to obtain a dried cured product. The drying method is not particularly limited, but includes a method of holding the cured product with or without heating. When heating, the temperature is not particularly limited, but generally 30 to 80°C is preferable.
〔用途〕
上記硬化物は、高温低湿下においても優れたプロトン伝導性を有する。更に、硬化物が架橋物である場合、架橋構造によって、より優れた力学特性も有する。
本硬化物は上記の様な特性を有するため、固体電解質として固体高分子形燃料電池(PEFC)等に使用することができる。
[Use]
The cured product has excellent proton conductivity even at high temperature and low humidity. Furthermore, when the cured product is a crosslinked product, it also has better mechanical properties due to the crosslinked structure.
Since the cured product has the properties as described above, it can be used as a solid electrolyte in a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) or the like.
[燃料電池]
図1は本発明の燃料電池の実施形態の一例の分解斜視図である。燃料電池は、上記硬化物を含む固体電解質膜を含む電解質層と、上記電解質層を両側から挟む一対の触媒層と、上記触媒層の上記硬化物とは反対側の面にそれぞれ配置されたガス拡散層とを有する積層体を有する固体高分子形燃料電池である。
[Fuel cell]
FIG. 1 is an exploded perspective view of an embodiment of the fuel cell of the present invention. The fuel cell includes an electrolyte layer including a solid electrolyte membrane containing the cured product, a pair of catalyst layers sandwiching the electrolyte layer from both sides, and a gas layer disposed on the surface of the catalyst layer opposite to the cured product. A polymer electrolyte fuel cell having a laminate having a diffusion layer.
図1に示すように燃料電池10は積層体11と、積層体11を両側から挟むガス拡散層12及び13と、それぞれのガス拡散層において、燃料電池10とは反対側の面に配置されたセパレータ14及び15とを備えている。
図2は、積層体11の断面図である。積層体11は、硬化物を有する電解質層21と、電解質層を両側から挟む触媒層22、及び、23とを有している。
As shown in FIG. 1, the
FIG. 2 is a cross-sectional view of the laminate 11. As shown in FIG. The laminate 11 has an
ここで、セパレータ14及び15はそれぞれ導電性を有し、ガスの透過性が低い材料からなる。このような材料としては、特に制限されないが、例えば、耐食処理が施された金属板、及び、焼成カーボン等のカーボン系材料等が挙げられる。
Here, the
セパレータ14は、ガス拡散層12に面して配置され、ガス拡散層12と面する側に櫛形構造からなる流路16を備えており、反応ガスが流通できるよう構成されている。また、同様の流路17がセパレータ15にも設けられている。
また、セパレータ14の流路16の反対側の面には、冷却水流路18が形成され、セパレータ15の流路17の反対側にも、冷却水流路19が形成されている。
The
A cooling
燃料ガスは、まずセパレータ14の流路16を通り、酸化剤ガスは、まずセパレータ15の流路17を通る。
燃料ガス(例えば、水素、及び、メタン等)は、セパレータ14の流路16を通るうちに、ガス拡散層12を介して、積層体11に供給される。一方、酸化剤ガス(酸素、及び、空気等)は、セパレータ15の流路17を通るうちに、ガス拡散層13を介して、積層体11に供給される。
ガス拡散層12及び13はともに、導電性が高く、かつガスの拡散性が高い材料から成る。この材料としては、特に制限されないが、多孔質材料が好ましい。
ガス拡散層12及び13の厚みは、特に制限されないが、一般にそれぞれ50~1000μmが好ましい。
The fuel gas first passes through the
A fuel gas (for example, hydrogen, methane, etc.) is supplied to the laminate 11 through the
Both the gas diffusion layers 12 and 13 are made of a material with high electrical conductivity and high gas diffusivity. Although this material is not particularly limited, a porous material is preferable.
The thickness of the gas diffusion layers 12 and 13 is not particularly limited, but is generally preferably 50 to 1000 μm.
積層体11は、電解質層21と、電解質層21の一方の面に配置された触媒層22と、他方の面に配置された触媒層23とを有している。
The laminate 11 has an
積層体11は層状に形成された電解質層21を有する。電解質層21が有する硬化物の形態はすでに説明したとおりであり、好適形態も同様であるので、説明を省略する。
電解質層21の厚みは、特に限定されないが、一般に、1~500μmが好ましい。厚みが1μm以上であると、作製及び取り扱いがより容易である点で好ましい。一方、厚みが500μm以下であると、膜抵抗がより小さい点で好ましい。
The laminate 11 has an
Although the thickness of the
触媒層22及び23は、それぞれ触媒粒子と電解質とを含む。平面から見たときの形状は特に問わないが、略矩形状であると形成が容易である。 Catalyst layers 22 and 23 each include catalyst particles and an electrolyte. Although the shape when viewed from the plane is not particularly limited, a substantially rectangular shape is easy to form.
触媒粒子としては特に制限されないが、白金、パラジウム、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、及び、オスミウム等の白金族元素が使用できる。また、鉄、鉛、銅、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、及び、アルミニウム等の金属、並びに、これらの合金、酸化物、及び、複酸化物等も使用できる。
触媒層22及び23に用いる電解質は、イオン伝導性を有するものであればよい。
上記燃料電池によれば、硬化物が優れたプロトン伝導性を有するため、結果としてより効率的に電流生成が可能となる。
Although the catalyst particles are not particularly limited, platinum group elements such as platinum, palladium, ruthenium, iridium, rhodium, and osmium can be used. Metals such as iron, lead, copper, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, and aluminum, as well as alloys, oxides, and multiple oxides thereof can also be used.
The electrolyte used for the catalyst layers 22 and 23 may have ionic conductivity.
According to the above fuel cell, the cured product has excellent proton conductivity, and as a result, it is possible to generate electric current more efficiently.
[イオン交換膜]
本発明の実施形態であるイオン交換膜は、すでに説明した硬化物を有するイオン交換膜である。
上記硬化物は、カチオン交換膜として使用できるため、イオン交換膜としては、上記硬化物のみから形成されていてもよいが、より優れた耐久性を有する点で、基材と、基材上に形成された上記硬化物を含有する層(硬化物層)とを有する積層体であることが好ましい。
[Ion exchange membrane]
The ion-exchange membrane that is an embodiment of the present invention is an ion-exchange membrane having a cured product as already described.
Since the cured product can be used as a cation exchange membrane, the ion exchange membrane may be formed only from the cured product. It is preferably a laminate having a layer (cured material layer) containing the formed cured material.
基材としては特に制限されないが、透水性を有する基材が好ましい。透水性のある基材としては、典型的には多孔質部材が挙げられ、多孔質部材としては、例えば、化学的に安定な無機酸化物を含有する連続的な無機酸化物多孔質膜が挙げられる。無機酸化物としては、特に制限されないが、例えば、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ニオブ、酸化タンタル、及び、酸化ニッケル等が挙げられる。また、多孔質部材としては、ハロゲン化ポリマーを有する多孔質ポリマー等を用いることもできる。 Although the substrate is not particularly limited, a substrate having water permeability is preferable. The water-permeable substrate typically includes a porous member, and the porous member includes, for example, a continuous inorganic oxide porous membrane containing a chemically stable inorganic oxide. be done. Examples of inorganic oxides include, but are not limited to, titanium oxide, silicon oxide, aluminum oxide, niobium oxide, tantalum oxide, and nickel oxide. Moreover, as the porous member, a porous polymer having a halogenated polymer or the like can be used.
また、積層体であるイオン交換膜は、基材において、上記硬化物層が配置された面とは反対側の面に更にアニオン交換膜を有していてもよい。アニオン交換膜としては特に制限されず、公知のアニオン交換膜を用いることができる。
本硬化物は優れたイオン伝導性を有するため、上記イオン交換膜は優れたイオン伝導性を有する。
Moreover, the ion-exchange membrane, which is a laminate, may further have an anion-exchange membrane on the surface of the substrate opposite to the surface on which the cured product layer is arranged. The anion exchange membrane is not particularly limited, and known anion exchange membranes can be used.
Since the cured product has excellent ion conductivity, the ion exchange membrane has excellent ion conductivity.
[水電解装置]
図3は、本発明の水電解装置の実施形態の一例である。
水電解装置30は、一対の電極(電極31、及び、電極32)を有し、これらの電極が、イオン交換膜33により互いに隔離されている。また、電極31、32、イオン交換膜33は、容器34内において、電解液35と接するように配置されている。なお、電極31、及び、32はそれぞれ図示しない電位/電流制御装置と電気的に接続されており、電流、及び、電位のそれぞれを制御、及び、測定できるよう構成されている。
[Water electrolysis device]
FIG. 3 is an example of an embodiment of the water electrolysis device of the present invention.
The
水電解装置30に原料水が供給されると、上記一対の電極間に電流を流して、上記原料水を電気分解して、水素と酸素を製造することができる。
上記水電解方法は、電解条件(原料水、及び、電流密度等)としては公知の方法を適用可能である。公知の方法としては、例えば、特開昭57-131376号公報等に記載されている。
When raw water is supplied to the
For the water electrolysis method, a known method can be applied as electrolysis conditions (raw material water, current density, etc.). Known methods are described, for example, in JP-A-57-131376.
[レドックスフロー電池]
図4は、本発明のレドックスフロー電池の実施形態の一例である。
レドックスフロー電池40は、上記固体電解質膜からなる分離膜41によって正極セル42と負極セル43とに分けられる。正極セル42と負極セル43は、それぞれ正極と負極を含む。正極セル42は、パイプを通じて正極電解液44を供給及び放出するための正極タンク46に連結されている。負極セル43も、パイプを通じて負極電解液45を供給及び放出するための負極タンク47に連結されている。電解液はポンプ48、49を介して循環され、イオンの酸化水が変化される酸化・還元反応(すなわち、レドックス反応)が起きることにより、正極と負極で充電及び放電が起きる。
[Redox flow battery]
FIG. 4 is an example of an embodiment of the redox flow battery of the present invention.
The
[アクチュエータ]
図5は本発明のアクチュエータの実施形態の一例の断面模式図である。アクチュエータ素子50は、一対の可撓性電極51及び52と、上記可撓性電極の間に配置された電解質層53とを有し、電解質層53は、上記硬化物を含む固体電解質膜からなる。上記硬化物は優れたプロトン伝導性に加えて、優れた柔軟性を有するため、アクチュエータの駆動を妨げることがない。
[Actuator]
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of one example of an embodiment of the actuator of the present invention. The
アクチュエータとしては、上記以外にも例えば、特開2018-189452号公報の0054~0075段落、特表2019-511259号公報の0006~0024段落に記載のアクチュエータにも本硬化物が適用できる。 In addition to the actuators described above, the cured product can also be applied to the actuators described in paragraphs 0054 to 0075 of JP-A-2018-189452 and paragraphs 0006 to 0024 of JP-A-2019-511259.
以下に実施例に基づいて本発明をさらに詳細に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下に示す実施例により限定的に解釈されるべきものではない。 The present invention will be described in further detail based on examples below. The materials, amounts used, proportions, treatment details, treatment procedures, etc. shown in the following examples can be changed as appropriate without departing from the gist of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be construed to be limited by the examples shown below.
[高分子化合物(SPPSU)の合成]
まず、PPSU(ポリフェニルスルホン)ビーズと硫酸とを混合し、60℃で2日間保持してスルホン化した。その後、スルホン化したPPSUを冷却して析出させ、透析膜を用いてpH7まで洗い、水を除去することでSPPSUを得た。得られたSPPSU中のスルホン酸基の含有量を滴定法により求めたところ、繰り返し単位当たりのスルホン酸基の数は2.3個であった。
合成したSPPSU(IEC=3.68meq/g)をDMSO(ジメチルスルホキシド)に溶解させ、SPPSU溶液を得た。
[Synthesis of polymer compound (SPPSU)]
First, PPSU (polyphenylsulfone) beads and sulfuric acid were mixed and kept at 60° C. for 2 days for sulfonation. Thereafter, the sulfonated PPSU was cooled to precipitate, washed with a dialysis membrane to pH 7, and water was removed to obtain SPPSU. When the content of sulfonic acid groups in the obtained SPPSU was determined by a titration method, the number of sulfonic acid groups per repeating unit was 2.3.
The synthesized SPPSU (IEC=3.68 meq/g) was dissolved in DMSO (dimethylsulfoxide) to obtain an SPPSU solution.
[組成物の調製1(SPPSU/BPO)]
SPPSUのDMSO溶液(SPPSU/DMSO)と、BPO(ベンゾイルパーオキシド)のDMSO溶液(BPO/DMSO)を調製し、SPPSU/DMSOにBPO/DMSOを加え、約1時間撹拌した。得られた混合液をシャーレに入れ、80℃、120℃、160℃、及び、180℃でそれぞれ24時間熱処理を行って硬化物を得た。
[Preparation of composition 1 (SPPSU/BPO)]
A DMSO solution of SPPSU (SPPSU/DMSO) and a DMSO solution of BPO (benzoyl peroxide) (BPO/DMSO) were prepared, and BPO/DMSO was added to SPPSU/DMSO and stirred for about 1 hour. The obtained mixed solution was placed in a petri dish and heat treated at 80° C., 120° C., 160° C. and 180° C. for 24 hours to obtain a cured product.
得られた硬化物は、80℃の0.5M NaOHで一晩、次に、沸騰水で2時間、80℃の1M H2SO4で2時間、次に、沸騰水で2時間処理後、乾燥させた。表1は、調製した各組成物の配合である。 The resulting cured product was treated with 0.5 M NaOH at 80° C. overnight, then with boiling water for 2 hours, with 1 M H 2 SO 4 at 80° C. for 2 hours, then with boiling water for 2 hours. dried. Table 1 is the formulation of each composition prepared.
[組成物の調製2(SPPSU/AIBN)]
BPOに代えてAIBN(アゾビスイソブチロニトリル)を使用したこと以外は「組成物の調製1」と同様にして、組成物を調製し、硬化物を得た。表2は、調製した各組成物の配合である。
[Preparation of composition 2 (SPPSU/AIBN)]
A composition was prepared and a cured product was obtained in the same manner as in "Preparation of composition 1" except that AIBN (azobisisobutyronitrile) was used instead of BPO. Table 2 is the formulation of each composition prepared.
[例9:硬化物の調製]
BPOを用いなかったこと以外は「組成物の調製1」と同様にして組成物(以下、試料名を「CSPPSU」とする。)を調製し、硬化物を得た。
[Example 9: Preparation of cured product]
A composition (hereinafter referred to as "CSPPSU") was prepared in the same manner as in "Preparation of Composition 1" except that BPO was not used, and a cured product was obtained.
得られた例1~8の硬化物、及び、例9の硬化物を用いて機械特性、FTIR特性、イオン交換容量、及び、プロトン伝導度を以下の方法で測定した。 Using the obtained cured products of Examples 1 to 8 and the cured product of Example 9, mechanical properties, FTIR properties, ion exchange capacity and proton conductivity were measured by the following methods.
(FTIR特性)
硬化物中におけるラジカル重合開始剤の存否をFTIR(Thermoscitific, Nicolet 6700)を用いて評価した。図6はその結果である。
(FTIR characteristics)
The presence or absence of a radical polymerization initiator in the cured product was evaluated using FTIR (Thermoscitific, Nicolet 6700). FIG. 6 shows the result.
図6中(a)とあるのはAIBNのスペクトルを表し、(b)とあるのは、SPPSUのスペクトルを表し、(c)とあるのは、例7の組成物を用いて得られた硬化物の洗浄(活性化処理)前のスペクトルを表し、(d)とあるのは例7の組成物を用いて得られた硬化膜の洗浄(活性化処理)後のスペクトルを表している。この結果から、洗浄(活性化処理)後の硬化物では、(a)のAIBNのCH3の振動に由来する2998cm-1、2948cm-1(νas CH3)、及び、2870cm-1、(νsCH3)が観察されないことから、AIBNが含まれないことが明らかになった。 In FIG. 6, (a) represents the spectrum of AIBN, (b) represents the spectrum of SPPSU, and (c) represents the cured product obtained using the composition of Example 7. (d) represents the spectrum of the cured film obtained using the composition of Example 7 after washing (activation treatment). From this result, the cured product after washing (activation treatment) has 2998 cm −1 , 2948 cm −1 (ν as CH 3 ) derived from CH 3 vibration of AIBN in (a), and 2870 cm −1 , ( The absence of ν s CH 3 ) revealed that AIBN was not involved.
(機械特性)
硬化物の機械特性として、引張強度(MPa)、及び、破断伸び(%)を引張試験機(Shimadzu、EZ-S)を用いて測定した。サンプルはスーパーダンベルカッター(型式:SDMP-1000特、JIS K6251-7号規格に準拠)を用いて作製した。試験は室温で行い、ひずみ速度は1mm/minとした。図7はその結果である。
(mechanical properties)
As mechanical properties of the cured product, tensile strength (MPa) and elongation at break (%) were measured using a tensile tester (Shimadzu, EZ-S). A sample was prepared using a super dumbbell cutter (model: SDMP-1000 special, conforming to JIS K6251-7 standard). The test was performed at room temperature and the strain rate was 1 mm/min. FIG. 7 shows the result.
図7中(A)とあるのは、ナフィオン(登録商標)-212膜(厚み=0.050mm)の結果であり、破断応力は16.9MPaで、破断伸びは150%以上だった。 (A) in FIG. 7 indicates the result of Nafion (registered trademark)-212 film (thickness=0.050 mm), which had a breaking stress of 16.9 MPa and a breaking elongation of 150% or more.
(B)とあるのは、例9の硬化物(CSPPSU)(厚み=0.061mm)の結果であり、破断応力は55.6MPa、破断伸びは69.6%だった。
(C)とあるのは、例3(10%BPO)の組成物を用いて得られた硬化物(活性化処理後)(厚み=0.052mm)の結果であり、破断応力51.3MPa、破断伸び59.2%だった。
(D)とあるのは、例7(10%AIBN)の組成物を用いて得られた硬化物(活性化処理後)(厚み=0.057mm)の結果であり、破断応力41.2MPa、破断伸び134.7%だった。
(B) is the result of the cured product (CSPPSU) (thickness=0.061 mm) of Example 9, which had a breaking stress of 55.6 MPa and a breaking elongation of 69.6%.
(C) is the result of a cured product (after activation treatment) (thickness = 0.052 mm) obtained using the composition of Example 3 (10% BPO), breaking stress 51.3 MPa, The elongation at break was 59.2%.
(D) is the result of a cured product (after activation treatment) (thickness = 0.057 mm) obtained using the composition of Example 7 (10% AIBN), breaking stress 41.2 MPa, The elongation at break was 134.7%.
上記の結果から、ラジカル重合開始剤としてアゾ系化合物を含有する例7の組成物を用いて得られた硬化物は、例3の組成物の硬化物と比較して、より大きな破断伸びを有していることがわかった。 From the above results, the cured product obtained using the composition of Example 7 containing an azo compound as a radical polymerization initiator has a larger elongation at break than the cured product of the composition of Example 3. I found out that
(イオン交換容量)
硬化物のイオン交換容量(IEC:Ion exchange capacity)はtitration法で評価した。硬化物を80℃で乾燥後、2M NaClに浸し、0.01M NaOHで適定した。
IEC (meq./g) = M1V1/Wdry
(M1はNaOHのモル濃度であり、V1はpH7に適定した量(ml)であり、Wdryは乾燥した硬化物の質量である。)
(ion exchange capacity)
The ion exchange capacity (IEC: Ion exchange capacity) of the cured product was evaluated by the titration method. After drying at 80° C., the cured product was immersed in 2M NaCl and titrated with 0.01M NaOH.
IEC (meq./g) = M1V1 / W dry
(M 1 is the molar concentration of NaOH, V 1 is the amount (ml) adjusted to pH 7, and W dry is the weight of the dry cured product.)
(プロトン伝導度)
硬化物のプロトン伝導度は、PSM1735アナライザ(Newtons4th)を備えた膜抵抗測定システムMTS740(Scribner Associates)を用いた4探針法により測定した。測定は、温度を40、及び、80℃とし、湿度は0~90%RHで実施した。また、インピーダンス測定は、印加電圧10mV(peak to peak)、周波数1Hz~1MHzで実施した。
表3は、イオン交換容量、及び、プロトン伝導度の測定結果である。
(proton conductivity)
The proton conductivity of the cured product was measured by a four-probe method using a membrane resistance measurement system MTS740 (Scribner Associates) equipped with a PSM1735 analyzer (Newtons 4th). The measurements were carried out at temperatures of 40 and 80° C. and humidity of 0 to 90% RH. Also, the impedance measurement was performed at an applied voltage of 10 mV (peak to peak) and a frequency of 1 Hz to 1 MHz.
Table 3 shows the measurement results of ion exchange capacity and proton conductivity.
表3中、「-」はデータがないことを表している。また、試料名として記載された「”nafion”212」とは、ナフィオン(登録商標)-212膜を意味している。 In Table 3, "-" indicates no data. Also, ""nafion" 212" described as a sample name means a Nafion (registered trademark)-212 membrane.
表3の結果から、例2~例4、及び、例6~例8の組成物を用いて得られた硬化物は、ラジカル重合開始剤を含有しない例9の組成物を用いて得られた硬化膜と比較して、低温(40℃)、及び、高温(80℃)のいずれの場合もより優れたプロトン伝導度を有していた。特に、高温・低加湿(40%RH)の場合でも、より優れたプロトン伝導度を有していた。 From the results in Table 3, the cured products obtained using the compositions of Examples 2 to 4 and Examples 6 to 8 were obtained using the composition of Example 9 containing no radical polymerization initiator. Compared to the cured film, it had better proton conductivity at both low temperature (40°C) and high temperature (80°C). In particular, it had better proton conductivity even at high temperature and low humidity (40% RH).
また、表3の結果からは、ラジカル重合開始剤として、アゾ系化合物を含有する例6の組成物を用いて得られた硬化物は、例2の組成物と比較してより優れたプロトン伝導性を有していることが明らかとなった。 Further, from the results in Table 3, the cured product obtained by using the composition of Example 6 containing an azo compound as a radical polymerization initiator exhibited superior proton conductivity compared to the composition of Example 2. It became clear that it has a sexuality.
また、表3の結果からは、組成物中におけるSPPSU(高分子化合物)の含有量に対する、ラジカル重合開始剤の含有量が0.05を超えて、0.15未満である例7の組成物を用いて得られた硬化物は、例6の組成物を用いて得られた硬化物、及び、例8の組成物を用いて得られた硬化物と比較して、低温における、及び、高温(80℃)高加湿(90%RH)における、より優れたイオン伝導性を有していることが明らかとなった。 Further, from the results in Table 3, the content of the radical polymerization initiator with respect to the content of SPPSU (polymer compound) in the composition is more than 0.05 and less than 0.15. compared to the cured product obtained using the composition of Example 6 and the cured product obtained using the composition of Example 8, at low temperature and at high temperature (80° C.) was found to have better ionic conductivity at high humidity (90% RH).
また、表3の結果からは、組成物中におけるSPPSU(高分子化合物)の含有量に対する、ラジカル重合開始剤の含有量が0.05を超える例7の組成物を用いて得られた硬化物は、例6の組成物を用いて得られた硬化物と比較して、高温(80℃)低加湿(40%RH)におけるより優れたプロトン伝導性を有していることが明らかとなった。 Further, from the results in Table 3, the cured product obtained using the composition of Example 7 in which the content of the radical polymerization initiator exceeds 0.05 with respect to the content of SPPSU (polymer compound) in the composition has superior proton conductivity at high temperature (80° C.) and low humidity (40% RH) compared to the cured product obtained using the composition of Example 6. .
10 :燃料電池
11 :積層体
12、13 :ガス拡散層
14、15 :セパレータ
16、17 :流路
18、19 :冷却水流路
21 :電解質層
22、23 :触媒層
30 :水電解装置
31、32 :電極
33 :イオン交換膜
34 :容器
35 :電解液
40 :レドックスフロー電池
41 :分離膜
42 :正極セル
43 :負極セル
44 :正極電解液
45 :負極電解液
46 :正極タンク
47 :負極タンク
48、49 :ポンプ
50 :アクチュエータ素子
51 :可撓性電極
53 :電解質層
10: fuel cell 11:
Claims (17)
(式1中、Ar11はアリーレン基、又は、ヘテロアリーレン基を表し、L11は単結合、又は、2価の基を表し、mは2~40の整数を表し、複数あるAr11、及び、L11は、それぞれ同一でも異なってもよく、前記繰り返し単位の1つあたり、前記Ar11で表される基が有する水素原子の1少なくとも1つがスルホン酸基又はその塩、を有する基で置換されている) A composition comprising a polymer compound having a repeating unit represented by the following formula 1 and a radical polymerization initiator.
(In Formula 1, Ar 11 represents an arylene group or a heteroarylene group, L 11 represents a single bond or a divalent group, m represents an integer of 2 to 40, and a plurality of Ar 11 , and , L 11 may be the same or different, and at least one hydrogen atom of the group represented by Ar 11 is substituted with a group having a sulfonic acid group or a salt thereof per one repeating unit. is done)
(式3中、L31、及び、L32はそれぞれ独立に、単結合、酸素原子、硫黄原子、又は、-SO2-を表し、複数あるL31、及び、L32は同一でも異なってもよく、X31、X32、及び、X33はそれぞれ独立に、水素原子、リチウム原子、ナトリウム原子、又は、カリウム原子を表し、mは1~5の整数を表し、rは1~3の整数を表し、nは0~10の整数を表し、y1、y2、及び、y3はそれぞれ独立に0~4の整数を表し、y1、y2、及び、y3からなる群より選択される少なくとも1つが1以上である) 4. The composition according to claim 3, wherein the repeating unit represented by Formula 2 is a repeating unit represented by Formula 3 below.
(In Formula 3, L 31 and L 32 each independently represent a single bond, an oxygen atom, a sulfur atom, or —SO 2 —, and multiple L 31 and L 32 may be the same or different. X 31 , X 32 and X 33 each independently represent a hydrogen atom, a lithium atom, a sodium atom or a potassium atom, m represents an integer of 1 to 5, and r represents an integer of 1 to 3 represents, n represents an integer of 0 to 10, y 1 , y 2 and y 3 each independently represents an integer of 0 to 4, and is selected from the group consisting of y 1 , y 2 and y 3 is 1 or more)
(式4中、X41、X42、X43、及び、X44はそれぞれ独立に、水素原子、リチウム原子、ナトリウム原子、又は、カリウム原子であり、z1、z2、z3、及び、z4はそれぞれ独立に0~4の整数を表し、z1、z2、z3、及び、z4からなる群より選択される少なくとも1つが1以上である) 5. The composition according to claim 4, wherein the repeating unit represented by Formula 3 is a repeating unit represented by Formula 4 below.
(In Formula 4, X 41 , X 42 , X 43 and X 44 are each independently a hydrogen atom, a lithium atom, a sodium atom or a potassium atom, and z 1 , z 2 , z 3 and z 4 each independently represent an integer of 0 to 4, and at least one selected from the group consisting of z 1 , z 2 , z 3 and z 4 is 1 or more)
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