JP3690415B1 - Humidity sensor - Google Patents
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Abstract
【課題】耐熱性や耐水性に優れ、イオン交換容量やプロトン伝導性が優れ、吸水時の寸法変化等が改良され、しかも、支持基板との接着性も改良された湿度センサーを提供する。
【解決手段】支持基板11上に形成される複数の電極14、15と、電極14、15を被覆する高分子電解質からなる感湿膜を有する湿度センサー10であって、感湿膜が下記化学式(1)で示される繰り返し単位を有し、両末端が芳香族テトラカルボン酸成分残基からなる酸末端スルホン化ポリイミドを、3官能以上の芳香族アミン化合物で分岐架橋した分岐架橋型スルホン化ポリイミド膜18からなる。
【化1】
【選択図】図1
Provided is a humidity sensor having excellent heat resistance and water resistance, excellent ion exchange capacity and proton conductivity, improved dimensional change at the time of water absorption, and improved adhesion to a supporting substrate.
A humidity sensor 10 having a plurality of electrodes 14 and 15 formed on a support substrate 11 and a moisture sensitive film made of a polymer electrolyte covering the electrodes 14 and 15, wherein the moisture sensitive film has the following chemical formula: Branched cross-linked sulfonated polyimide having an acid-terminated sulfonated polyimide having a repeating unit represented by (1) and having both ends composed of aromatic tetracarboxylic acid component residues and branched with a trifunctional or higher functional aromatic amine compound. It consists of a film 18.
[Chemical 1]
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、湿度センサーの感湿膜に高分子電解質からなる感湿膜を用いる湿度センサーに関し、より詳細には、高温、高湿下での湿度測定ができる高分子電解質の感湿膜を用いる湿度センサーに関する。 The present invention relates to a humidity sensor using a moisture sensitive film made of a polymer electrolyte as the moisture sensitive film of the humidity sensor, and more particularly, to use a moisture sensitive film of a polymer electrolyte capable of measuring humidity at high temperature and high humidity. It relates to a humidity sensor.
従来より、電気抵抗型湿度センサーは、支持基板上に形成された複数の電極を被覆する感湿膜の感湿素子が気中の水分を吸湿し、この水分量で変化する電極間に発生する抵抗値を測定している。すなわち、湿度が高い(気中の水分が多い)と電極間に電気がよく流れ、湿度が低い(気中の水分が少ない)と電極間に電気が流れにくくなることで測定している。この湿度センサーの感湿膜に用いられる感湿素子には、有機ポリマーからなる高分子電解質、特に、ポリアクリル系、ポリビニル系の骨格を持つイオン導電性の高分子が使用されている。しかしながら、湿度センサーに有機ポリマーからなる感湿素子を用いる場合には、感湿素子が耐熱性や耐水性に劣るという問題を抱えている。 Conventionally, an electrical resistance type humidity sensor is generated between the electrodes that change the moisture content of the moisture-sensitive element of the moisture-sensitive film that covers a plurality of electrodes formed on the support substrate and absorbs moisture in the air. The resistance value is measured. That is, the measurement is performed by the fact that when the humidity is high (the amount of moisture in the air) is high, electricity flows between the electrodes, and when the humidity is low (the amount of moisture in the air is low), it is difficult for electricity to flow between the electrodes. For the moisture sensitive element used for the moisture sensitive film of this humidity sensor, a polymer electrolyte made of an organic polymer, in particular, an ion conductive polymer having a polyacrylic or polyvinyl skeleton is used. However, when a humidity sensor made of an organic polymer is used for the humidity sensor, the moisture sensor has a problem that it is inferior in heat resistance and water resistance.
耐熱性に優れ、吸湿性が高い高分子電解質としては、スルホン酸基を有するスルホン化ポリイミドが、例えば、燃料電池用高分子電解質膜用として提案されている(例えば、特許文献1、特許文献2、特許文献3参照)。しかしながら、これらのスルホン化ポリイミドは、電子吸引性のスルホン酸基のためにイミド結合が容易に加水分解するので耐水性が著しく劣るものであり湿度センサーの感湿膜に用いることができなかった。耐水性を持たせるためには、加水分解し易いスルホン酸基含有成分を減らし非スルホン酸基含有成分を多量に含んだ共重合化ポリイミドが検討されたが、このような共重合ポリイミドフィルムは、スルホン酸基含有量の低下のためイオン交換容量やプロトン伝導性等の特性を著しく低下させるものであり好ましいものではなかった。このため、イオン交換容量やプロトン伝導性が優れ、且つ耐水性や吸水時の寸法変化等が改良されたスルホン化ポリイミドが求められていた。
As a polymer electrolyte having excellent heat resistance and high hygroscopicity, a sulfonated polyimide having a sulfonic acid group has been proposed, for example, for a polymer electrolyte membrane for a fuel cell (for example,
耐水性が向上したスルホン化ポリイミドとしては、特定のスルホン化ジアミンを用いたスルホン化ポリイミドが開示されている(例えば、特許文献4、特許文献5参照)。しかしながら、これらのスルホン化ポリイミドには、耐水性や吸水時の寸法変化等に、更に改良の余地があった。
As the sulfonated polyimide having improved water resistance, a sulfonated polyimide using a specific sulfonated diamine is disclosed (for example, see
また、ポリイミド樹脂組成物には、アミノ基を3つ以上含む多官能成分とテトラカルボン酸二無水物との重縮合により得られる繰り返し構造単位と、スルホン酸基を有するジアミンとテトラカルボン酸二無水物との重縮合により得られる繰り返し構造単位とからなるものが開示され(例えば、特許文献6、特許文献7参照)、このようなポリイミド共重合体の製造方法が開示されている(例えば、特許文献8参照)。しかしながら、これらの特許文献で開示されたポリイミド樹脂組成物及びポリイミド共重合体は、その製造過程でゲルが発生してフィルム化等の加工性が著しく低下しないように、有機溶剤に対する溶解性が保たれるように制御して得られたものであって、実質的に未架橋なものであった。また、これらの特許文献は、架橋スルホン化ポリイミドの有する耐水性の向上、吸水寸法変化の改良について何ら示唆しているものではない。
In addition, the polyimide resin composition includes a repeating structural unit obtained by polycondensation of a polyfunctional component containing three or more amino groups and tetracarboxylic dianhydride, a diamine having a sulfonic acid group, and tetracarboxylic dianhydride. What consists of a repeating structural unit obtained by polycondensation with a product is disclosed (for example, see
従来の特許文献には、スルホン化ポリイミド及びそのスルホン化ポリイミドからなる分離膜について開示を行ったものがある(例えば、特許文献9、特許文献10、特許文献11、特許文献12、特許文献13参照)。しかしながら、これらの特許文献は、架橋スルホン化ポリイミドについての言及はなされていない。
また、従来の特許文献には、多価アミンを主成分としたポリアミド酸の三次元網目構造体の脱水・閉環反応により生成したポリイミド化体について言及しているものがある(例えば、特許文献14参照)。しかしながら、この特許文献は、スルホン化ポリイミドについては何ら言及していない。
In addition, in the conventional patent documents, there is one that refers to a polyimide product formed by a dehydration / ring-closing reaction of a three-dimensional network structure of polyamic acid mainly composed of a polyvalent amine (for example, Patent Document 14). reference). However, this patent document makes no mention of sulfonated polyimide.
本発明は、湿度センサーに用いられる感湿膜が感湿素子としての耐熱性や耐水性に優れたスルホン化ポリイミドよりなる高分子電解質膜からなり、イオン交換容量や、プロトン伝導性が優れ、吸水時の寸法変化等が改良され、しかも、セラミックからなる支持基板との接着性も改良された湿度センサーを提供することを目的とする。 In the present invention, the moisture-sensitive membrane used in the humidity sensor is composed of a polymer electrolyte membrane made of a sulfonated polyimide excellent in heat resistance and water resistance as a moisture-sensitive element, and has excellent ion exchange capacity, proton conductivity, and water absorption. It is an object of the present invention to provide a humidity sensor with improved dimensional change and the like, and also improved adhesion to a support substrate made of ceramic.
前記目的に沿う本発明に係る湿度センサーは、支持基板上に形成される複数の電極と、電極を被覆する高分子電解質からなる感湿膜を有する湿度センサーであって、感湿膜が下記化学式(1)で示される繰り返し単位を有し、両末端が芳香族テトラカルボン酸成分残基からなる酸末端スルホン化ポリイミドを、3官能以上の芳香族アミン化合物で分岐架橋した分岐架橋型スルホン化ポリイミド膜からなる。
[ここで、Ar1及びAr4は芳香環を有する4価の基であり、Ar2は1つ以上のスルホン酸基又はスルホン酸基の誘導体を置換基とする芳香環を有する2価の基であり、Ar5はスルホン酸基又はスルホン酸基の誘導体を置換基としない芳香環を有する2価の基であり、lは1以上の整数であり、mは0又は1以上の整数である。]
A humidity sensor according to the present invention that meets the above-mentioned object is a humidity sensor having a plurality of electrodes formed on a support substrate and a moisture-sensitive film made of a polymer electrolyte that covers the electrodes, wherein the moisture-sensitive film has the following chemical formula: Branched cross-linked sulfonated polyimide having an acid-terminated sulfonated polyimide having a repeating unit represented by (1) and having both ends composed of aromatic tetracarboxylic acid component residues and branched with a trifunctional or higher functional aromatic amine compound. It consists of a membrane.
[Wherein Ar 1 and Ar 4 are tetravalent groups having an aromatic ring, and Ar 2 is a divalent group having an aromatic ring substituted with one or more sulfonic acid groups or derivatives of sulfonic acid groups. Ar 5 is a divalent group having an aromatic ring that does not use a sulfonic acid group or a derivative of a sulfonic acid group as a substituent, l is an integer of 1 or more, and m is 0 or an integer of 1 or more. . ]
ここで、湿度センサーは、前記化学式(1)のAr1及び/又はAr4が、下記化学式(2)で示される4価の基である分岐架橋スルホン化ポリイミドからなるのがよい。
また、湿度センサーは、前記化学式(1)のAr2が、下記化学式(3)で示される2価の基である分岐架橋スルホン化ポリイミドからなるのがよい。
[ここで、D1は、O、CH2、C(CH3)2、C(CF3)2、O=S=O又はC=Oを示し、R1〜R3は、それぞれ独立に水素原子又は炭素数1〜2のアルキル基を示し、Xは、水素原子、アルカリ金属、アンモニウム又は4級アミンを示す。]
Further, the humidity sensor is preferably made of a branched and crosslinked sulfonated polyimide in which Ar 2 in the chemical formula (1) is a divalent group represented by the following chemical formula (3).
[Wherein D 1 represents O, CH 2 , C (CH 3 ) 2 , C (CF 3 ) 2 , O = S═O or C═O, and R 1 to R 3 each independently represent hydrogen An atom or a C1-C2 alkyl group is shown, and X shows a hydrogen atom, an alkali metal, ammonium, or a quaternary amine. ]
また、湿度センサーは、前記化学式(1)のAr2が、下記化学式(4)で示される2価の基である分岐架橋スルホン化ポリイミドからなるのがよい。
[ここで、D2は、O又はC(CH3)2を示し、R4〜R7は、それぞれ独立に水素原子又は炭素数1〜2のアルキル基を示し、下記の化11に示すように、Ar3は、
(式中、D3は、直接結合、O、CH2、C(CH3)2、C(CF3)2、O=S=O又はC=Oを示し、R8〜R10は、それぞれ独立に水素原子又は炭素数1〜2のアルキル基を示し、Xは、水素原子、アルカリ金属、アンモニウム又は4級アミンを示し、nは、0、1又は2の整数を示す。)である。]
The humidity sensor may be made of a branched and crosslinked sulfonated polyimide in which Ar 2 in the chemical formula (1) is a divalent group represented by the following chemical formula (4).
[Wherein D 2 represents O or C (CH 3 ) 2 , and R 4 to R 7 each independently represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 2 carbon atoms, as shown in Chemical Formula 11 below. And Ar 3 is
(In the formula, D 3 represents a direct bond, O, CH 2 , C (CH 3 ) 2 , C (CF 3 ) 2 , O = S═O or C═O, and R 8 to R 10 each represents Independently represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 2 carbon atoms, X represents a hydrogen atom, an alkali metal, ammonium or a quaternary amine, and n represents an integer of 0, 1 or 2. ]
また、湿度センサーは、前記化学式(1)のAr2が、下記化学式(5)で示される2価の基である分岐架橋スルホン化ポリイミドからなるのがよい。
[ここで、R11〜R13は、それぞれ独立に、水素原子又は炭素数1〜2のアルキル基を表し、pは、1又は2の整数であり、nは、1〜6の整数であり、kは、1又は2の整数であり(ただし、kが2のとき、R13は、存在しない)、Xは、水素原子、アルカリ金属、アンモニウム又は4級アミンである。]
Further, the humidity sensor is preferably made of a branched cross-linked sulfonated polyimide in which Ar 2 in the chemical formula (1) is a divalent group represented by the following chemical formula (5).
[Wherein R 11 to R 13 each independently represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 2 carbon atoms, p is an integer of 1 or 2, and n is an integer of 1 to 6. , K is an integer of 1 or 2 (provided that when k is 2, R 13 is not present), and X is a hydrogen atom, an alkali metal, ammonium or a quaternary amine. ]
前記目的に沿う本発明に係る湿度センサーは、(1)有機溶剤中で芳香族ジアミン成分Mbモルと芳香族テトラカルボン酸成分Maモルとを、モル比Ma/Mbが1.03〜1.5の範囲で反応させることにより、末端基が芳香族テトラカルボン酸成分残基からなる有機溶剤可溶性の酸末端スルホン化ポリイミドを合成し、(2)酸末端スルホン化ポリイミド溶液に100℃以下の温度で両末端の芳香族テトラカルボン酸成分残基とアミノ基とがほぼ等モルとなるように3官能以上の芳香族アミンを添加、混合し反応させ、高重合度の分岐型スルホン化ポリアミド酸溶液を得、(3)この溶液を110℃〜300℃の温度で加熱して、溶媒除去と熱イミド化を行うことで形成される分岐架橋型スルホン化ポリイミドからなる感湿膜が用いられる。 The humidity sensor according to the present invention that meets the above-described object is (1) an aromatic diamine component Mb mole and an aromatic tetracarboxylic acid component Ma mole in an organic solvent, with a molar ratio Ma / Mb of 1.03 to 1.5. The organic solvent-soluble acid-terminal sulfonated polyimide whose terminal group is composed of an aromatic tetracarboxylic acid component residue is synthesized by reacting in the range of (2), and (2) the acid-terminal sulfonated polyimide solution at a temperature of 100 ° C. or less. A trifunctional or higher functional aromatic amine is added, mixed and reacted so that the aromatic tetracarboxylic acid component residue and amino group at both ends are approximately equimolar, and a branched sulfonated polyamic acid solution having a high degree of polymerization is obtained. (3) A moisture-sensitive film made of a branched cross-linked sulfonated polyimide formed by heating the solution at a temperature of 110 ° C. to 300 ° C. to perform solvent removal and thermal imidization is used. .
請求項1及びこれに従属する請求項2〜5のいずれか1項記載、ならびに請求項6記載の湿度センサーは、分岐架橋したスルホン化ポリイミドからなる高分子電解質の感湿素子を感湿膜として備えているので、感湿膜が高い耐熱性と耐水性を有する。また、分岐架橋度を上げても伝導度の低下が少なくプロトン伝導性に優れている。更に、伝導度を保持した上で、吸水時の寸法変化等が改良され、しかも、セラミックからなる支持基板との接着性も改良されている。従って、本発明の感湿膜を用いた湿度センサーは、高温、高湿度、及び結露雰囲気の環境下においても性能が発揮でき、各種高温、高湿制御センサーとして応用することができる。
6. The humidity sensor according to
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した場合の最良の形態について説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図1は本発明の一実施の形態に係る湿度センサーの説明図、図2は同湿度センサーの実施例1の耐水性試験を行った結果を示すグラフ、図3は同湿度センサーの実施例3の耐水性試験を行った結果を示すグラフ、図4は比較例1の耐水性試験を行った結果を示すグラフ、図5は本発明の一実施の形態に係る湿度センサーの実施例1の高温高湿試験を行った結果を示すグラフ、図6は同湿度センサーの実施例3の高温高湿試験を行った結果を示すグラフである。
Subsequently, the best mode when the present invention is embodied will be described with reference to the accompanying drawings to provide an understanding of the present invention.
Here, FIG. 1 is an explanatory view of a humidity sensor according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a graph showing the results of a water resistance test of Example 1 of the humidity sensor, and FIG. FIG. 4 is a graph showing the result of the water resistance test of Example 3, FIG. 4 is a graph showing the result of the water resistance test of Comparative Example 1, and FIG. 5 is an example of the humidity sensor according to one embodiment of the present invention. FIG. 6 is a graph showing the results of performing the high-temperature and high-humidity test of Example 3 of the humidity sensor.
図1に示すように、本発明の一実施の形態に係る湿度センサー10は、抵抗変化型湿度センサーであり、セラミック基板や、樹脂基板からなる支持基板11上に、Au蒸着膜等で形成された第1の櫛状電極12と、第2の櫛状電極13を有している。第1の櫛状電極12は、1又は複数本の第1の電極部14を有し、第2の櫛状電極13は、1又は複数本の第2の電極部15を有し、第1の電極部14と第2の電極部15とは、交互に並行して形成されている。第1の櫛状電極12と、第2の櫛状電極13のそれぞれの付け根部分には、外部と電気的に接続するためのそれぞれピン電極16がその先端で支持基板11の端部を挟み込むようにして一方の先端部を半田等で接続させている。更に、この接続部には、接続部を保護するために、接続部全体を覆うようにして絶縁樹脂や、ガラス等からなる絶縁体17が形成されている。そして、支持基板11上には、第1の電極部14を含む第1の櫛状電極12と、第2の電極部15を含む第2の櫛状電極13を挟み込んで覆うようにして、感湿膜である化学式(1)で表される分岐架橋型スルホン化ポリイミド膜18が形成されている。
As shown in FIG. 1, a
ここで、本発明の感湿膜を形成するための化学式(1)で表される分岐架橋型スルホン化ポリイミドは、芳香族テトラカルボン酸成分と、置換基としてスルホン酸基又はその誘導体基を有するスルホン化芳香族ジアミンを含む芳香族ジアミン成分と、3官能以上の芳香族アミン化合物とから合成される。なお、ここにおけるスルホン酸基又はその誘導体基とは、スルホン酸基、アルコキシスルホン酸基、及びそのナトリウム、カリウム、リチウムなどのアルカリ金属との塩、トリブチルアミン、トリエチルアミン、トリメチルアミン、N,N−ジメチルアニリン等の第3アミンとの塩、ピリジン等の環式アミンとの塩である。 Here, the branched cross-linked sulfonated polyimide represented by the chemical formula (1) for forming the moisture-sensitive film of the present invention has an aromatic tetracarboxylic acid component and a sulfonic acid group or a derivative group thereof as a substituent. It is synthesized from an aromatic diamine component containing a sulfonated aromatic diamine and a trifunctional or higher functional aromatic amine compound. In addition, the sulfonic acid group or derivative group in this case is a sulfonic acid group, an alkoxysulfonic acid group, and a salt thereof with an alkali metal such as sodium, potassium, lithium, tributylamine, triethylamine, trimethylamine, N, N-dimethyl. A salt with a tertiary amine such as aniline or a cyclic amine such as pyridine.
また、本発明の感湿膜を形成するための分岐架橋型スルホン化ポリイミドの合成に用いられる芳香族テトラカルボン酸成分としては、特に限定されるものではないが、例えば、3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸、2,3’,3,4’−ビフェニルテトラカルボン酸、3,3’,4,4’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸、3,3’,4,4’−ジフェニルエーテルテトラカルボン酸、ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)メタン、2,2−ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)プロパン、ピロメリット酸、1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボン酸、3,4,9,10−ペリレンテトラカルボン酸、4,4’−(ヘキサフルオロイソプロピリデン)ジフタル酸、m−(ターフェニル)3,4,3”,4”−テトラカルボン酸、又はそれらの酸二無水物やエステル化物を挙げることができる。これらの中で、1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボン酸、又はその酸二無水物やエステル化物を用いると良好な耐水性を持った分岐架橋型スルホン化ポリイミドを得やすいので特に好ましい。 In addition, the aromatic tetracarboxylic acid component used for the synthesis of the branched cross-linked sulfonated polyimide for forming the moisture-sensitive film of the present invention is not particularly limited, but for example, 3, 3 ′, 4 , 4'-biphenyltetracarboxylic acid, 2,3 ', 3,4'-biphenyltetracarboxylic acid, 3,3', 4,4'-base emission zone phenone tetracarboxylic acid, 3,3 ', 4,4 '-Diphenyl ether tetracarboxylic acid, bis (3,4-dicarboxyphenyl) methane, 2,2-bis (3,4-dicarboxyphenyl) propane, pyromellitic acid, 1,4,5,8-naphthalenetetracarboxylic Acid, 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic acid, 4,4 ′-(hexafluoroisopropylidene) diphthalic acid, m- (terphenyl) 3,4,3 ″, 4 ″ -tetracarboxylic acid, It may be mentioned those acid dianhydride or ester. Among these, 1,4,5,8-naphthalenetetracarboxylic acid, or its acid dianhydride or esterified product is particularly preferable because a branched and crosslinked sulfonated polyimide having good water resistance can be easily obtained.
更に、本発明の感湿膜を形成するための分岐架橋型スルホン化ポリイミドの合成に用いる芳香族ジアミン成分に含まれる置換基としてスルホン酸基又はその誘導体基を有するスルホン化芳香族ジアミンとしては、2,2’−ジスルホン酸ベンジジン、1,4−ジアミノベンゼン−3−スルホン酸、1,3−ジアミノベンゼン−4−スルホン酸、4,4’−ジアミノ−5,5’−ジメチル−(1,1’−ビフェニル)−2,2’−ジスルホン酸、及びそれらのスルホン酸がスルホン酸誘導体であるもの、及び、下記化学式(6)で表されるスルホン化芳香族ジアミン、下記化学式(7)で表されるスルホン化芳香族ジアミン、下記化学式(8)で表されるアルコキシスルホン化芳香族ジアミンを挙げることができる。
Furthermore, as the sulfonated aromatic diamine having a sulfonic acid group or a derivative group thereof as a substituent contained in the aromatic diamine component used for the synthesis of the branched cross-linked sulfonated polyimide for forming the moisture sensitive film of the present invention,
[ここで、D1は、O、CH2、C(CH3)2、C(CF3)2、O=S=O又はC=Oを示し、R1〜R3は、それぞれ独立に水素原子又は炭素数1〜2のアルキル基を示し、Xは、水素原子、アルカリ金属、アンモニウム又は4級アミンを示す。]
[Wherein D 1 represents O, CH 2 , C (CH 3 ) 2 , C (CF 3 ) 2 , O = S═O or C═O, and R 1 to R 3 each independently represent hydrogen An atom or a C1-C2 alkyl group is shown, and X shows a hydrogen atom, an alkali metal, ammonium, or a quaternary amine. ]
[ここで、D2は、O又はC(CH3)2を示し、R4〜R7は、それぞれ独立に水素原子又は炭素数1〜2のアルキル基を示し、下記の化15に示すように、Ar3は、
[Wherein D 2 represents O or C (CH 3 ) 2 , and R 4 to R 7 each independently represent a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 2 carbon atoms, as shown in Chemical Formula 15 below. And Ar 3 is
あるいは、下記の化16に示すように、Ar3は、
Alternatively, as shown in
(式中、D3は、直接結合、O、CH2、C(CH3)2、C(CF3)2、O=S=O又はC=Oを示し、R8〜R10は、それぞれ独立に水素原子又は炭素数1〜2のアルキル基を示し、Xは、水素原子、アルカリ金属、アンモニウム又は4級アミンを示し、nは、0、1又は2の整数を示す。)である。]
(In the formula, D 3 represents a direct bond, O, CH 2 , C (CH 3 ) 2 , C (CF 3 ) 2 , O = S═O or C═O, and R 8 to R 10 each represents Independently represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 2 carbon atoms, X represents a hydrogen atom, an alkali metal, ammonium or a quaternary amine, and n represents an integer of 0, 1 or 2. ]
[ここで、R11〜R13は、それぞれ独立に、水素原子又は炭素数1〜2のアルキル基を表し、pは、1又は2の整数であり、nは、1〜6の整数であり、kは、1又は2の整数であり(ただし、kが2のとき、R13は、存在しない)、Xは、水素原子、アルカリ金属、アンモニウム又は4級アミンである。]
[Wherein R 11 to R 13 each independently represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 2 carbon atoms, p is an integer of 1 or 2, and n is an integer of 1 to 6. , K is an integer of 1 or 2 (provided that when k is 2, R 13 is not present), and X is a hydrogen atom, an alkali metal, ammonium or a quaternary amine. ]
前述の置換基としてスルホン酸基又はその誘導基を有するスルホン化芳香族ジアミンの中でも、良好な耐水性を持った分岐架橋型スルホン化ポリイミドを得ることができることから、前記の化学式(6)〜化学式(8)で示されるスルホン化芳香族ジアミン、特に化学式(7)及び化学式(8)で示されるスルホン化芳香族ジアミンが好ましい。 Among the sulfonated aromatic diamines having a sulfonic acid group or a derivative group as the substituent, a branched and crosslinked sulfonated polyimide having good water resistance can be obtained. Therefore, the above chemical formula (6) to chemical formula The sulfonated aromatic diamine represented by (8), particularly the sulfonated aromatic diamine represented by chemical formula (7) and chemical formula (8) is preferred.
前記の化学式(6)、化学式(7)、及び化学式(8)のスルホン化芳香族ジアミンは、その構造によって適用できる合成方法が異なる。特に限定されるものではないが、例えば、以下の方法で好適に合成することができる。
化学式(6)で示されるスルホン化芳香族ジアミンは、芳香族ジアミンを硫酸塩とした後、細田、「理論製造 染料化学」、技報社発行、東京、1957年等に記載の方法でスルホン化することによって合成することができる。この時、用いられる芳香族ジアミンは、芳香環がO、CH2、C(CF3)2、SO2、COを挟んで結合しているものであり
、具体的には、3,4’−オキシジアニリン、4,4’−オキシジアニリン、3,3’−ジアミノジフェニルメタン、3,4’−ジアミノジフェニルメタン、4,4’−ジアミノジフェニルメタン、3,3’−ジメチル−4,4’−ジアミノジフェニルメタン、3,3’−ジエチル−4,4’−ジアミノジフェニルメタン、3,3’,5,5’−テトラメチル−4,4’−ジアミノジフェニルメタン、3,3’,5,5’−テトラエチル−4,4’−ジアミノジフェニルメタン、2,2−ビス(3−アミノフェニル)ヘキサフルオロプロパン、2,2−ビス(3−アミノフェニル)プロパン、2,2−ビス(4−アミノフェニル)プロパン、2,2−ビス(4−アミノフェニル)ヘキサフルオロプロパン、ビス(4−アミノフェニル)スルホン、ビス(3−アミノフェニル)スルホン、3,3’−ジアミノベンゾフェノン等を挙げることができる。
The sulfonated aromatic diamines represented by the chemical formula (6), the chemical formula (7), and the chemical formula (8) have different synthesis methods depending on their structures. Although not particularly limited, for example, it can be suitably synthesized by the following method.
The sulfonated aromatic diamine represented by the chemical formula (6) is converted to a sulfate by the method described in Hosoda, “Theoretical Manufacturing Dye Chemistry”, Gihosha, Tokyo, 1957, etc. Can be synthesized. At this time, the aromatic diamine used is one in which the aromatic ring is bonded with O, CH 2 , C (CF 3 ) 2 , SO 2 , and CO interposed therebetween. Specifically, 3, 4′- Oxydianiline, 4,4'-oxydianiline, 3,3'-diaminodiphenylmethane, 3,4'-diaminodiphenylmethane, 4,4'-diaminodiphenylmethane, 3,3'-dimethyl-4,4'-diamino Diphenylmethane, 3,3′-diethyl-4,4′-diaminodiphenylmethane, 3,3 ′, 5,5′-tetramethyl-4,4′-diaminodiphenylmethane, 3,3 ′, 5,5′-tetraethyl- 4,4′-diaminodiphenylmethane, 2,2-bis (3-aminophenyl) hexafluoropropane, 2,2-bis (3-aminophenyl) propane, 2,2-bis (4-aminophenyl) Propane, 2,2-bis (4-aminophenyl) hexafluoropropane, bis (4-aminophenyl) sulfone, bis (3-aminophenyl) sulfone, can be given 3,3'-benzophenone.
下記の化18に示すように、前述の化学式(7)のAr3が As shown in the chemical formula 18 below, Ar 3 in the above chemical formula (7) is
(式中、D3は、直接結合、O、CH2、C(CH3)2、C(CF3)2、を示し、R8〜R10は、それぞれ独立に水素原子又は炭素数1〜2のアルキル基を示し、Xは、水素原子、アルカリ金属、アンモニウム又は4級アミンを示し、nは、0〜2の整数を示す。)の構造、すなわち、アミノ基に結合していない芳香環が電子吸引基と結合していないスルホン酸基含有芳香族ジアミンの場合、例えば、(A)芳香族ジアミンを濃硫酸中で、細田、「理論製造 染料化学」、技報社発行、東京、1957年等に記載の方法でスルホン化する方法、(B)二価フェノールを濃硫酸中で、細田、「理論製造 染料化学」、技報社発行、東京、1957年等に記載の方法でスルホン化後、特開平9−241225号公報等に記載の方法でニトロ基を有する芳香族ハライドと反応させ、ジニトロ化合物を合成し、その後、ニトロ基を還元することによってジアミン化合物とする方法、等によって合成することができる。
(Wherein D 3 represents a direct bond, O, CH 2 , C (CH 3 ) 2 , or C (CF 3 ) 2 , and R 8 to R 10 each independently represent a hydrogen atom or a carbon number of 1 to 2 represents an alkyl group, X represents a hydrogen atom, an alkali metal, ammonium or a quaternary amine, and n represents an integer of 0 to 2.), that is, an aromatic ring not bonded to an amino group Is a sulfonic acid group-containing aromatic diamine that is not bonded to an electron withdrawing group, for example, (A) Aromatic diamine in concentrated sulfuric acid, Hosoda, “Theoretical Manufacturing Dye Chemistry”, published by Gihosha, Tokyo, 1957 A method of sulfonation by the method described in the above, (B) after sulfonation by the method described in Hosoda, “Theoretical Production Dye Chemistry”, Gihosha, Tokyo, 1957 etc. in concentrated sulfuric acid, In the method described in JP-A-9-241225 It can be synthesized by reacting with an aromatic halide having a nitro group to synthesize a dinitro compound and then reducing the nitro group to obtain a diamine compound.
前記の(A)の反応において原料として用いられる芳香族ジアミンとしては、アミノ基に結合していない芳香環が電子吸引基と結合していないものであり、例えば、1,3−ビス(4−アミノフェノキシ)ベンゼン、1,4−ビス(4−アミノフェノキシ)ベンゼン、4,4’−ビス(4−アミノフェノキシ)ビフェニル、2,2−ビス[4−(4−アミノフェノキシ)フェニル]プロパン、2,2−ビス[4−(4−アミノフェノキシ)フェニル]ヘキサフルオロプロパン、α,α’−ビス(4−アミノフェニル)−1,4−ジイソプロピルベンゼン等を挙げることができる。
前記の(B)の反応において原料として用いられることのできる、二価フェノールとしては、芳香環が電子吸引基と結合していないものであり、例えば、ハイドロキノン、レゾルシノール、4,4’−ビフェノール、2,2’−ビフェノール、ビス(4−ヒドロキシフェニル)エーテル、ビス(2−ヒドロキシフェニル)エーテル、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(3−メチル−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(3,5−ジメチル−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)メタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン、1,3−ビス(4−ヒドロキシフェノキシ)ベンゼン、1,4−ビス(3−ヒドロキシフェノキシ)ベンゼン等を挙げることができる。ニトロ基を有する芳香族ハライドとしては、2−クロロニトロベンゼン、3−クロロニトロベンゼン、4−クロロニトロベンゼン、2−フルオロニトロベンゼン、3−フルオロニトロベンゼン、4−フルオロニトロベンゼン、ビス(2−ヒドロキシ−5−メチルフェニル)メタン等を挙げることができる。
The aromatic diamine used as a raw material in the reaction (A) is one in which an aromatic ring not bonded to an amino group is not bonded to an electron-withdrawing group. For example, 1,3-bis (4- Aminophenoxy) benzene, 1,4-bis (4-aminophenoxy) benzene, 4,4′-bis (4-aminophenoxy) biphenyl, 2,2-bis [4- (4-aminophenoxy) phenyl] propane, Examples include 2,2-bis [4- (4-aminophenoxy) phenyl] hexafluoropropane, α, α′-bis (4-aminophenyl) -1,4-diisopropylbenzene, and the like.
Examples of the dihydric phenol that can be used as a raw material in the reaction (B) are those in which an aromatic ring is not bonded to an electron-withdrawing group, such as hydroquinone, resorcinol, 4,4′-biphenol, 2,2′-biphenol, bis (4-hydroxyphenyl) ether, bis (2-hydroxyphenyl) ether, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) propane, 2,2-bis (3-methyl-4-) Hydroxyphenyl) propane, 2,2-bis (3,5-dimethyl-4-hydroxyphenyl) propane, bis (4-hydroxyphenyl) methane, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane, 1, 3-bis (4-hydroxyphenoxy) benzene, 1,4-bis (3-hydroxyphenoxy) benzene And the like can be given. As aromatic halides having a nitro group, 2-chloronitrobenzene, 3-chloronitrobenzene, 4-chloronitrobenzene, 2-fluoronitrobenzene, 3-fluoronitrobenzene, 4-fluoronitrobenzene, bis (2-hydroxy-5-methylphenyl) ) Methane and the like.
下記の化19に示すように、前述の化学式(7)のAr3が As shown in the chemical formula 19 below, Ar 3 in the chemical formula (7) is
(式中、D3は、O=S=O又はC=Oを示し、R8〜R10は、それぞれ独立に水素原子又は炭素数1〜2のアルキル基を示し、Xは、水素原子、アルカリ金属、アンモニウム又は4級アミンを示し、nは、1の整数を示す。)の構造で示される、すなわち、アミン基の結合していない芳香環が電子吸引基と結合している芳香族ジアミンの場合、例えば、(C)二価フェノールを発煙硫酸中で、細田、「理論製造 染料化学」、技報社発行、東京、1957年等に記載の方法でスルホン化後、特開平9−241225号公報等に記載の方法で、ニトロ基を有する芳香族ハライドと反応させ、ジニトロ化合物を合成し、その後、ニトロ基を還元することによってジアミン化合物とする方法等によって合成することができる。
(Wherein D 3 represents O═S═O or C═O, R 8 to R 10 each independently represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 2 carbon atoms, and X represents a hydrogen atom, An aromatic diamine in which an aromatic ring to which an amine group is not bonded is bonded to an electron-withdrawing group, i.e., an alkali metal, ammonium or a quaternary amine, and n is an integer of 1. In the case of, for example, (C) divalent phenol in fuming sulfuric acid, and after sulfonation by the method described in Hosoda, “Theoretical Manufacturing Dye Chemistry”, published by Gihosha, Tokyo, 1957, etc., JP-A-9-241225 It can be synthesized by a method described in a publication or the like by reacting with an aromatic halide having a nitro group to synthesize a dinitro compound and then reducing the nitro group to obtain a diamine compound.
前記の(C)の反応において、原料として用いることのできる、二価フェノールとしては、芳香環が電子吸引基と結合しているものであり、例えば、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルホン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)ケトン等を挙げることができ、ニトロ基を有する芳香族ハライドとしては、前述と同様のものを挙げることができる。 As the dihydric phenol that can be used as a raw material in the reaction (C), an aromatic ring is bonded to an electron withdrawing group. For example, bis (4-hydroxyphenyl) sulfone, bis ( 4-hydroxyphenyl) ketone and the like, and examples of the aromatic halide having a nitro group include those described above.
下記の化20に示すように、前述の化学式(7)のAr3が As shown in the chemical formula 20 below, Ar 3 in the chemical formula (7) is
[ここで、Xは、水素原子、アルカリ金属、アンモニウム又は4級アミンを表す。]の構造を有するスルホン酸基含有芳香族ジアミンの場合、例えば、(D)原料ジアミンを濃硫酸中で硫酸塩とし、その後、細田、「理論製造 染料化学」、技報社発行、東京、1957年等に記載の方法で発煙硫酸を用いてスルホン化することにより合成することができる。この時、用いられる原料ジアミンとして、9,9−ビス(4−アミノフェニル)フルオレンを挙げることができる。
[Wherein X represents a hydrogen atom, an alkali metal, ammonium or a quaternary amine. In the case of a sulfonic acid group-containing aromatic diamine having a structure of, for example, (D) Raw material diamine is converted into sulfate in concentrated sulfuric acid, then Hosoda, “Theoretical Manufacturing Dye Chemistry”, published by Gihosha, Tokyo, 1957 Etc. can be synthesized by sulfonation using fuming sulfuric acid by the method described in the above. At this time, 9, 9-bis (4-aminophenyl) fluorene can be mentioned as raw material diamine used.
前述の化学式(8)で示される構造からなるω−スルホアルコキシ基を有するスルホン化芳香族ジアミンは、例えば、(E)水酸基を有する芳香族ジニトロ化合物とハロゲン化アルキルスルホン酸アルカリ金属塩とを反応させ、ω−スルホアルコキシ基を有する芳香族ジニトロ化合物を合成後、ニトロ基を還元してω−スルホアルコキシ基含有芳香族ジアミンを得る方法、(F)水酸基を有する芳香族モノニトロ化合物とハロゲン化アルキルスルホン酸アルカリ金属塩とを反応させ、ω−スルホアルコキシ基を有する芳香族モノニトロ化合物を合成し、アゾカップリング反応に続き、還元、転位反応を行うことによって、ω−スルホアルコキシ基含有芳香族ジアミンを得る方法等、その構造に応じた合成法で調製することができる。 The sulfonated aromatic diamine having a ω-sulfoalkoxy group having the structure represented by the above chemical formula (8) is obtained by, for example, reacting an aromatic dinitro compound having a hydroxyl group with an alkali metal halide alkyl sulfonate. And synthesizing an aromatic dinitro compound having an ω-sulfoalkoxy group, and then reducing the nitro group to obtain an ω-sulfoalkoxy group-containing aromatic diamine, (F) an aromatic mononitro compound having a hydroxyl group and an alkyl halide By reacting with an alkali metal sulfonate, an aromatic mononitro compound having an ω-sulfoalkoxy group is synthesized, followed by an azo coupling reaction, followed by a reduction and rearrangement reaction, thereby obtaining an ω-sulfoalkoxy group-containing aromatic diamine. It can be prepared by a synthesis method according to the structure such as a method for obtaining
前記のω−スルホアルコキシ基含有芳香族ジアミンの合成法(E)で、水酸基を有する芳香族ジニトロ化合物とハロゲン化アルキルスルホン酸アルカリ金属塩との反応は、水酸基を有する芳香族ジニトロ化合物のアルカリ金属塩とハロゲン化アルキルスルホン酸アルカリ金属塩をN,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド等の極性溶剤中で、50〜140℃で1〜80時間反応することによって合成できる。
前記の水酸基を有する芳香族モノニトロ化合物は、少なくとも1つ以上の芳香環を有し、且つ芳香環に直接結合した2個のニトロ基と少なくとも1つ以上の水酸基を有するものであり、例えば、2,4−ジニトロフェノール、2,5−ジニトロフェノール、4,6−ジニトロクレゾール、3,5−ジニトロカテコール、4,4’−ジヒドキシ−(3,3’−ジニトロ)ビフェニル等を好適に挙げることができる。
前記の水酸基を有する芳香族ジニトロ化合物のアルカリ金属塩は、前記の極性溶剤中で、水酸基を有する芳香族ジニトロ化合物と炭酸カリウム又は炭酸ナトリウム等とを、共沸溶剤としてトルエン、ベンゼン、キシレンなどを用いて、生成する水分を除去しながら、100〜160℃で0.5〜5時間反応することによって合成できる。
また、前記のハロゲン化アルキルスルホン酸アルカリ金属塩は、末端にスルホン酸アルカリ金属塩を有するハロゲン化アルキル化合物であり、例えば、2−ブロモエタンスルホン酸、3−ブロモプロパンスルホン酸、4−ブロモブタンスルホン酸等のカリウム、ナトリウム、リチウム塩を好適に挙げることができる。
In the synthesis method (E) of the ω-sulfoalkoxy group-containing aromatic diamine, the reaction between the aromatic dinitro compound having a hydroxyl group and the alkali metal halide alkyl halide is an alkali metal of an aromatic dinitro compound having a hydroxyl group. It can be synthesized by reacting a salt with an alkali metal halide alkyl sulfonate in a polar solvent such as N, N-dimethylformamide, dimethylacetamide, dimethylsulfoxide and the like at 50 to 140 ° C. for 1 to 80 hours.
The aromatic mononitro compound having a hydroxyl group has at least one aromatic ring and has two nitro groups directly bonded to the aromatic ring and at least one hydroxyl group. , 4-dinitrophenol, 2,5-dinitrophenol, 4,6-dinitrocresol, 3,5-dinitrocatechol, 4,4′-dihydroxy- (3,3′-dinitro) biphenyl, etc. it can.
The alkali metal salt of the aromatic dinitro compound having a hydroxyl group includes, in the polar solvent, an aromatic dinitro compound having a hydroxyl group and potassium carbonate, sodium carbonate or the like, and toluene, benzene, xylene or the like as an azeotropic solvent. It can synthesize | combine by reacting at 100-160 degreeC for 0.5 to 5 hours, removing the water | moisture content to produce | generate.
The alkali metal sulfonic acid alkali metal salt is a halogenated alkyl compound having a sulfonic acid alkali metal salt at the terminal, such as 2-bromoethanesulfonic acid, 3-bromopropanesulfonic acid, 4-bromobutane. Preferable examples include potassium, sodium and lithium salts such as sulfonic acid.
前記のω−スルホアルコキシ基含有芳香族ジアミンの合成法(E)で、ω−スルホアルコキシ基を有する芳香族ジニトロ化合物のニトロ基の還元は、日本化学会編、新実験化学講座15、酸化と還元、丸善、1975年等に記載されているような公知の方法を用いることができ、例えば、Pd/Cを用い水素添加することで達成される。 In the synthesis method (E) of the ω-sulfoalkoxy group-containing aromatic diamine, the reduction of the nitro group of the aromatic dinitro compound having the ω-sulfoalkoxy group is performed by the Chemical Society of Japan, New Experimental Chemistry Course 15, Known methods such as those described in Reduction, Maruzen, 1975 and the like can be used, and for example, this is achieved by hydrogenation using Pd / C.
前記のω−スルホアルコキシ基含有芳香族ジアミンの合成法(F)で用いられる水酸基を有する芳香族モノニトロ化合物は、少なくとも1つ以上の水酸基を有する芳香族モノニトロ化合物であり、例えば、m−ニトロフェノール、O−ニトロフェノール等を好適に挙げることができる。 The aromatic mononitro compound having a hydroxyl group used in the synthesis method (F) of the ω-sulfoalkoxy group-containing aromatic diamine is an aromatic mononitro compound having at least one hydroxyl group, such as m-nitrophenol. O-nitrophenol and the like can be preferably mentioned.
前記のω−スルホアルコキシ基含有芳香族ジアミンの合成法(F)において、ω−スルホアルコキシ酸基を有する芳香族モノニトロ化合物は、水酸基を有する芳香族モノニトロ化合物とハロゲン化アルキルスルホン酸アルカリ金属塩とを、前記のω−スルホアルコキシ基含有芳香族ジアミンの合成法(E)で述べた方法と同様に反応させて合成できる。
この合成法(F)で、アゾカップリング反応及びそれに続く転位反応は、日本化学会編、新実験化学講座15、酸化と還元、丸善、1975年等に記載されているような公知の方法を用いることができ、例えば、Zn/NaOH/メタノールを水中で加熱してアゾベンゼンとし、次いでZn/エタノールをアンモニア中で加熱してヒドラゾベンゼンにし、濃塩酸中で加熱してベンジジン転移して達成される。
In the synthesis method (F) of the ω-sulfoalkoxy group-containing aromatic diamine, the aromatic mononitro compound having a ω-sulfoalkoxy acid group includes an aromatic mononitro compound having a hydroxyl group, and an alkali metal halide alkyl sulfonate. Can be synthesized in the same manner as described in the synthesis method (E) of the ω-sulfoalkoxy group-containing aromatic diamine.
In this synthesis method (F), the azo coupling reaction and the subsequent rearrangement reaction can be carried out using known methods as described in the Chemical Society of Japan, New Experimental Chemistry Course 15, Oxidation and Reduction, Maruzen, 1975, etc. For example, Zn / NaOH / methanol is heated in water to azobenzene, then Zn / ethanol is heated in ammonia to hydrazobenzene, and heated in concentrated hydrochloric acid to achieve benzidine transition. The
本発明の湿度センサーの感湿膜を形成するための分岐架橋型スルホン化ポリイミドの合成に用いられる前記化学式(8)で示される構造からなるω−スルホアルコキシ基含有芳香族ジアミンとしては、特に限定されるものではないが、具体的には、2−(2,4−ジアミノフェノキシ)エタンスルホン酸、3−(2,4−ジアミノフェノキシ)プロパンスルホン酸、4−(2,4−ジアミノフェノキシ)ブタンスルホン酸、2−(2,5−ジアミノフェノキシ)エタンスルホン酸、3−(2,5−ジアミノフェノキシ)プロパンスルホン酸、4−(2,5−ジアミノフェノキシ)ブタンスルホン酸、2−(4,6−ジアミノ−2−メチルフェノキシ)エタンスルホン酸、3−(4,6−ジアミノ−2−メチルフェノキシ)プロパンスルホン酸、4−(4,6−ジアミノ−2−メチルフェノキシ)ブタンスルホン酸、1,5−ジアミノ−2,3−ジ(2−スルホエトキシ)ベンゼン、1,5−ジアミノ−2,3−ジ(3−スルホプロポキシ)ベンゼン、1,5−ジアミノ−2,3−ジ(4−スルホブトキシ)ベンゼン、2,2’−ビス(3−スルホプロポキシ)ベンジジン、3,3’−ビス(3−スルホプロポキシ)ベンジジン等を好適に挙げることができ、特に、イオン交換容量を高くできることから、ω−スルホアルコキシ基を2つ以上有するω−スルホアルコキシ基含有芳香族ジアミン、例えば、1,5−ジアミノ−2,3−ジ(2−スルホエトキシ)ベンゼン、1,5−ジアミノ−2,3−ジ(3−スルホプロポキシ)ベンゼン、1,5−ジアミノ−2,3−ジ(4−スルホブトキシ)ベンゼン、2,2’−ビス(3−スルホプロポキシ)ベンジジン、3,3’−ビス(3−スルホプロポキシ)ベンジジン等を好適に挙げることができる。 The ω-sulfoalkoxy group-containing aromatic diamine having the structure represented by the chemical formula (8) used for the synthesis of the branched and cross-linked sulfonated polyimide for forming the moisture sensitive film of the humidity sensor of the present invention is particularly limited. Specifically, 2- (2,4-diaminophenoxy) ethanesulfonic acid, 3- (2,4-diaminophenoxy) propanesulfonic acid, 4- (2,4-diaminophenoxy) Butanesulfonic acid, 2- (2,5-diaminophenoxy) ethanesulfonic acid, 3- (2,5-diaminophenoxy) propanesulfonic acid, 4- (2,5-diaminophenoxy) butanesulfonic acid, 2- (4 , 6-Diamino-2-methylphenoxy) ethanesulfonic acid, 3- (4,6-diamino-2-methylphenoxy) propanesulfonic acid 4- (4,6-diamino-2-methylphenoxy) butanesulfonic acid, 1,5-diamino-2,3-di (2-sulfoethoxy) benzene, 1,5-diamino-2,3-di (3 -Sulfopropoxy) benzene, 1,5-diamino-2,3-di (4-sulfobutoxy) benzene, 2,2'-bis (3-sulfopropoxy) benzidine, 3,3'-bis (3-sulfopropoxy) ) Benzidine and the like can be preferably mentioned. Particularly, since the ion exchange capacity can be increased, an ω-sulfoalkoxy group-containing aromatic diamine having two or more ω-sulfoalkoxy groups, for example, 1,5-diamino-2 , 3-Di (2-sulfoethoxy) benzene, 1,5-diamino-2,3-di (3-sulfopropoxy) benzene, 1,5-diamino-2,3-di (4-sulfobu) Alkoxy) benzene, 2,2'-bis (3-sulfopropoxy) benzidine, 3,3'-bis (3-sulfopropoxy) benzidine, and the like can be suitably cited.
本発明の湿度センサーの感湿膜を形成するための分岐架橋型スルホン化ポリイミドの合成において、芳香族ジアミン成分として置換基としてスルホン酸基又はその誘導体基を有するスルホン化芳香族ジアミンと共に、置換基としてスルホン酸基又はその誘導体基を有しない非スルホン化芳香族ジアミンを併用することができる。そのような非スルホン化芳香族ジアミンとしては、例えば、4,4’−ジアミノジフェニルエーテル、4,4’−ジアミノジフェニルスルホン、4,4’−ジアミノジフェニルスルフィド、ベンジジン、メタフェニレンジアミン、パラフェニレンジアミン、1,5−ナフタレンジアミン、2,6−ナフタレンジアミン、ビス[4−(4−アミノフェノキシ)フェニル]スルホン、ビス−(4−アミノフェノキシフェニル)スルフィド、ビス−(4−アミノフェノキシフェニル)ビフェニル、1,4−ビス−(4−アミノフェノキシ)ベンゼン、1,3−ビス−( 4−アミノフェノキシ)ベンゼン、3,4’−ジアミノジフェニルエーテル、4,4’−ビス(4−アミノフェノキシ)ビフェニル、ビス[4−(3−アミノフェノキシ)フェニル]スルホン、9,9−ビス(4−アミノフェニル)フルオレン、2,2−ビス[4−(4−アミノフェノキシ)フェニル]ヘキサフルオロプロパン、2,2−ビス[4−(4−アモノフェノキシ)フェニル]プロパン、2,2’−ビス(トリフルオロメチル)−ベンジジン等を挙げることができる。 In the synthesis of a branched cross-linked sulfonated polyimide for forming a moisture sensitive film of the humidity sensor of the present invention, a substituent group together with a sulfonated aromatic diamine having a sulfonic acid group or a derivative group as a substituent as an aromatic diamine component A non-sulfonated aromatic diamine having no sulfonic acid group or derivative group thereof can be used in combination. Examples of such non-sulfonated aromatic diamines include 4,4′-diaminodiphenyl ether, 4,4′-diaminodiphenyl sulfone, 4,4′-diaminodiphenyl sulfide, benzidine, metaphenylenediamine, paraphenylenediamine, 1,5-naphthalenediamine, 2,6-naphthalenediamine, bis [4- ( 4-aminophenoxy) phenyl] sulfone, bis- (4-aminophenoxyphenyl) sulfide, bis- (4-aminophenoxyphenyl) biphenyl, 1,4-bis- (4-aminophenoxy) benzene, 1,3-bis- (4-aminophenoxy) benzene, 3,4′-diaminodiphenyl ether, 4,4′-bis (4-aminophenoxy) biphenyl, Bis [4- (3-aminophenoxy) phenyl] s Hong, 9,9-bis (4-aminophenyl) fluorene, 2,2-bis [4- (4-aminophenoxy) phenyl] hexafluoropropane, 2,2-bis [4- (4-amonophenoxy) Phenyl] propane, 2,2′-bis (trifluoromethyl) -benzidine and the like.
本発明の湿度センサーの感湿膜を形成するための分岐架橋型スルホン化ポリイミドの合成において、芳香族ジアミン成分としてスルホン化芳香族ジアミンと非スルホン化芳香族ジアミンとを併用する場合には、スルホン化芳香族ジアミンと非スルホン化芳香族ジアミンとの割合は、得られる分岐架橋型スルホン化ポリイミドのイオン交換容量が0.5〜3.5ミリ等量/g、特に、1.5〜3.5ミリ等量/gの範囲になるような割合で用いられるのが好適である。特に、スルホン化芳香族ジアミンの割合は、全芳香族ジアミン成分100モル%中、60モル%以上、好ましくは65モル%以上、特に、70モル%以上であることが、イオン交換容量を高くすることができるので好適である。非スルホン化芳香族ジアミンの割合が40モル%を超えるとイオン交換容量が低くなるので好ましくない。 In the synthesis of the branched cross-linked sulfonated polyimide for forming the moisture sensitive film of the humidity sensor of the present invention, when a sulfonated aromatic diamine and a non-sulfonated aromatic diamine are used in combination as the aromatic diamine component, The ratio of the sulfonated aromatic diamine to the non-sulfonated aromatic diamine is such that the ion-exchange capacity of the resulting branched crosslinked sulfonated polyimide is 0.5 to 3.5 milliequivalent / g, particularly 1.5 to 3. It is preferably used at a rate such that it is in the range of 5 milliequivalents / g. In particular, the ratio of the sulfonated aromatic diamine is 60 mol% or more, preferably 65 mol% or more, and particularly 70 mol% or more in 100 mol% of the total aromatic diamine component, so that the ion exchange capacity is increased. This is preferable. If the ratio of non-sulfonated aromatic diamine exceeds 40 mol%, the ion exchange capacity is lowered, which is not preferable.
本発明の湿度センサーの感湿膜を形成するための分岐架橋型スルホン化ポリイミドの合成において、芳香族テトラカルボン酸成分と芳香族ジアミン成分とは、芳香族テトラカルボン酸成分のモル数をMa、芳香族ジアミン成分のモル数をMbとした時、Ma/Mbが、1.03〜1.5、好ましくは、1.04〜1.33、更に好ましくは、1.05〜1.33の範囲を用いる。Ma/Mbが1.03より小さいと、最終的に得られる分岐架橋型スルホン化ポリイミドの架橋が十分とならない。また、1.5より大きいと、最終的に得られる分岐架橋型スルホン化ポリイミドのイオン交換容量が小さくなったり、硬くなり過ぎたりする。 In the synthesis of the branched cross-linked sulfonated polyimide for forming the moisture-sensitive film of the humidity sensor of the present invention, the aromatic tetracarboxylic acid component and the aromatic diamine component are Ma, When the number of moles of the aromatic diamine component is Mb, Ma / Mb is in the range of 1.03 to 1.5, preferably 1.04 to 1.33, and more preferably 1.05 to 1.33. Is used. When Ma / Mb is smaller than 1.03, the finally obtained branched cross-linked sulfonated polyimide is not sufficiently cross-linked. On the other hand, if it is larger than 1.5, the ion-exchange capacity of the finally obtained branched cross-linked sulfonated polyimide becomes small or becomes too hard.
本発明の湿度センサーの感湿膜を形成するための分岐架橋型スルホン化ポリイミドの作製において用いられる3官能以上の芳香族アミン化合物としては、架橋反応を容易に行わせるために、同じ芳香環に2つのアミン基が隣接して結合していないもの、特に、同じ芳香環に2つ以上の第1アミン基を結合していないものが好ましく、例えば、1,3,5−トリ(4−アミノフェノキシ)ベンゼン、トリ(4−アミノフェニル)メタン、1,3,5−トリアミノベンゼン、5,10,15,20−テトラキス(4−アミノフェニル)−21H,23H−ポルフィリン等を挙げることができ、耐熱性の点から、特に、1,3,5−トリ(4−アミノフェノキシ)ベンゼンが好ましい。 The trifunctional or higher functional aromatic amine compound used in the preparation of the branched cross-linked sulfonated polyimide for forming the moisture-sensitive film of the humidity sensor of the present invention includes the same aromatic ring to facilitate the cross-linking reaction. Preferred are those in which two amine groups are not adjacently bonded, particularly those in which two or more primary amine groups are not bonded to the same aromatic ring, such as 1,3,5-tri (4-amino Phenoxy) benzene, tri (4-aminophenyl) methane, 1,3,5-triaminobenzene, 5,10,15,20-tetrakis (4-aminophenyl) -21H, 23H-porphyrin and the like. From the viewpoint of heat resistance, 1,3,5-tri (4-aminophenoxy) benzene is particularly preferable.
前記の3官能以上の芳香族アミン化合物は、酸末端スルホン化ポリイミドの末端基に対して略等モルとなるように用いられる。具体的には、酸末端スルホン化ポリイミドの酸末端基のモル数をM2とし、3官能以上の芳香族アミン化合物のアミン基のモル数をM3とした時、モル比M3/M2が、0.9〜1.1の範囲、好ましくは、0.92〜1.08の範囲、更に好ましくは、0.95〜1.05の範囲であることが好ましい。モル比が、0.9より小さかったり、1.1より大きいと、架橋が十分に進行しにくいので、最終的に得られる分岐架橋型スルホン化ポリイミドの吸水時の寸法変化、及び耐水性等を十分に改良できなくなることがある。 The trifunctional or higher functional aromatic amine compound is used so as to be approximately equimolar with respect to the terminal group of the acid-terminal sulfonated polyimide. Specifically, when the number of moles of acid end groups of the acid-terminated sulfonated polyimide and M 2, the number of moles of amine groups of trifunctional or more aromatic amine compounds was M 3, molar ratio M 3 / M 2 Is in the range of 0.9 to 1.1, preferably in the range of 0.92 to 1.08, and more preferably in the range of 0.95 to 1.05. When the molar ratio is smaller than 0.9 or larger than 1.1, the crosslinking is not sufficiently advanced, so that the finally obtained branched crosslinked sulfonated polyimide has a dimensional change upon water absorption, water resistance, etc. It may not be possible to improve sufficiently.
本発明の湿度センサーの感湿膜を形成するための分岐架橋型スルホン化ポリイミドは、(1)有機溶剤中で置換基としてスルホン酸基又はその誘導基を有するスルホン化芳香族ジアミンを含む芳香族ジアミン成分Mbモルと、芳香族テトラカルボン酸成分Maモルとを、モル比Ma/Mbが、1.03〜1.5の範囲で反応させることにより、実質的に末端基が芳香族テトラカルボン酸成分残基からなる前記化学式(1)で示される有機溶剤可溶性の酸末端スルホン化ポリイミドを合成し、(2)その酸末端スルホン化ポリイミドの溶液に100℃以下の温度で芳香族テトラカルボン酸成分残基末端とアミノ基とが略等モルとなるように3官能以上の芳香族アミン化合物を添加、混合し反応させ、高重合度の分岐型スルホン化ポリアミド酸溶液を得、(3)この溶液を110℃〜300℃の温度で加熱して、溶媒除去と熱イミド化を行うことで好適に作製される。
なお、末端基が芳香族テトラカルボン酸成分残基からなる酸末端スルホン化ポリイミドの末端は、具体的には、ジカルボン酸基、エステル化されたジカルボン酸基、又はジカルボン酸無水物基である。
The branched cross-linked sulfonated polyimide for forming the moisture-sensitive film of the humidity sensor of the present invention is (1) an aromatic containing a sulfonated aromatic diamine having a sulfonic acid group or a derivative group as a substituent in an organic solvent. By reacting the diamine component Mb mole with the aromatic tetracarboxylic acid component Ma mole at a molar ratio Ma / Mb in the range of 1.03 to 1.5, the end group is substantially aromatic tetracarboxylic acid. An organic solvent-soluble acid-terminated sulfonated polyimide represented by the chemical formula (1) consisting of component residues is synthesized, and (2) an aromatic tetracarboxylic acid component in the acid-terminated sulfonated polyimide solution at a temperature of 100 ° C. or lower. A trifunctional or higher functional aromatic amine compound is added, mixed and reacted so that the residue terminal and the amino group are approximately equimolar, and a highly soluble branched sulfonated polyamic acid solution is obtained. The resulting, (3) the solution is heated at a temperature of 110 ° C. to 300 ° C., and is suitably prepared by performing solvent removal and thermal imidization.
In addition, the terminal of the acid terminal sulfonated polyimide whose terminal group is an aromatic tetracarboxylic acid component residue is specifically a dicarboxylic acid group, an esterified dicarboxylic acid group, or a dicarboxylic anhydride group.
本発明の湿度センサーの感湿膜を形成するための分岐架橋型スルホン化ポリイミドの作製において、酸末端スルホン化ポリイミドの合成は、公知の方法を用いることができる。具体的には、例えば、極性の有機溶剤中で芳香族ジアミン成分と芳香族テトラカルボン酸成分とを前述のモル比で、必要ならば、重合反応やイミド反応をより促進するために、前述の第3アミン又は環式アミンや共沸溶剤としてトルエン又はキシレン等を添加し、140〜220℃に加熱し生成した水を除去しながら0.5〜100時間反応させることによって容易に達成できる。更に、安息香酸等を触媒として添加してもよい。第3アミン又は環式アミンは、スルホン酸基に対し、等モル以上添加されることが好ましい。得られた酸末端スルホン化ポリイミド溶液は、そのまま次の段階に用いてもよく、また、貧溶剤に投入して、一旦酸末端スルホン化ポリイミドを析出させた後に、再度極性溶剤に溶解させてもよい。この時用いられる極性有機溶剤としては、具体的には、ジメチルスルホキシド、ジエチルスルホキシド等のスルホキシド系溶剤、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジエチルホルムアミド等のホルムアミド系溶剤、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジエチルアセトアミド等のアセトアミド系溶剤、N−メチル−2−ピロリドン、N−ビニル−2−ピロリドン等のピロリドン系溶剤、フェノール、O−クレゾール、m−クレゾール、p−クレゾール、m−クレゾール酸、キシレノール、p−クロロフェノール等のハロゲン化フェノール、カテコール等のフェノール系溶剤、あるいはヘキサメチルホスホルアミド、γ−ブチロラクトン等を挙げることができる。また、これらの有機溶剤は、単独でも、又は2種以上混合して使用してもよい。 In the production of the branched cross-linked sulfonated polyimide for forming the moisture sensitive film of the humidity sensor of the present invention, a known method can be used for the synthesis of the acid-terminal sulfonated polyimide. Specifically, for example, in the polar organic solvent, the aromatic diamine component and the aromatic tetracarboxylic acid component in the above molar ratio, if necessary, in order to further promote the polymerization reaction or imide reaction, It can be easily achieved by adding toluene, xylene or the like as a tertiary amine or cyclic amine or an azeotropic solvent, and heating to 140 to 220 ° C. to react for 0.5 to 100 hours while removing the generated water. Further, benzoic acid or the like may be added as a catalyst. The tertiary amine or cyclic amine is preferably added in an equimolar amount or more with respect to the sulfonic acid group. The obtained acid-terminated sulfonated polyimide solution may be used as it is in the next step, or may be poured into a poor solvent, once the acid-terminated sulfonated polyimide is precipitated, and then dissolved again in a polar solvent. Good. Specific examples of the polar organic solvent used at this time include sulfoxide solvents such as dimethyl sulfoxide and diethyl sulfoxide, formamide solvents such as N, N-dimethylformamide and N, N-diethylformamide, and N, N-dimethyl. Acetamide solvents such as acetamide and N, N-diethylacetamide, pyrrolidone solvents such as N-methyl-2-pyrrolidone and N-vinyl-2-pyrrolidone, phenol, O-cresol, m-cresol, p-cresol, m -Halogenated phenols such as cresolic acid, xylenol, p-chlorophenol, phenol solvents such as catechol, hexamethylphosphoramide, γ-butyrolactone, and the like. These organic solvents may be used alone or in combination of two or more.
芳香族ジアミン成分としてスルホン化芳香族ジアミンと非スルホン化芳香族ジアミンとを用いる場合は、ランダム共重合体及びブロック共重合体のどちらでも構わない。
酸末端スルホン化ポリイミドが、スルホン化芳香族ジアミン成分と非スルホン化芳香族ジアミン成分とからなるブロック共重合体である場合は、前述の酸末端スルホン化ポリイミドの合成方法と同様にして、所定量のスルホン化芳香族ジアミン(又は非スルホン化芳香族ジアミン)とテトラカルボン酸成分を用いて酸末端スルホン化ポリイミド(又は非スルホン化酸末端ポリイミド)を合成した後に、その溶液に所定量の非スルホン化芳香族ジアミン(又はスルホン化芳香族ジアミン)とテトラカルボン酸成分を添加して再度前述の条件で反応させることにより得ることができる。
When a sulfonated aromatic diamine and a non-sulfonated aromatic diamine are used as the aromatic diamine component, either a random copolymer or a block copolymer may be used.
When the acid-terminated sulfonated polyimide is a block copolymer comprising a sulfonated aromatic diamine component and a non-sulfonated aromatic diamine component, a predetermined amount is obtained in the same manner as in the above-described method for synthesizing an acid-terminated sulfonated polyimide. After synthesizing acid-terminated sulfonated polyimide (or non-sulfonated acid-terminated polyimide) using a sulfonated aromatic diamine (or non-sulfonated aromatic diamine) and a tetracarboxylic acid component, a predetermined amount of non-sulfone is added to the solution. It can be obtained by adding a sulfonated aromatic diamine (or sulfonated aromatic diamine) and a tetracarboxylic acid component and reacting them again under the conditions described above.
本発明の湿度センサーの感湿膜を形成するための分岐架橋型スルホン化ポリイミドの作製において、酸末端スルホン化ポリイミド溶液の作製に続き、その溶液に3官能以上の芳香族アミン化合物を添加、混合された混合溶液が調製される。この混合溶液の調製は、前述の酸末端スルホン化ポリイミド溶液に、100℃以下、好ましくは、90℃以下、更に好ましくは80℃以下の温度で、3官能以上の芳香族アミン化合物が添加、混合されることによって行われる。添加、混合する溶液の温度が、100℃より高いとゲル化することがあるので好ましくない。このようにして得られた酸末端スルホン化ポリイミドと3官能以上の芳香族アミン化合物との混合溶液は、ゲル化することなしに全固体成分の濃度を、例えば、5重量%以上の高濃度にすることができる。ここでは、酸末端スルホン化ポリイミドと3官能以上の芳香族アミン化合物との混合溶液の濃度は、全固形分が1〜15重量%、特に、3〜8重量%であることが好適である。濃度が低い溶液は、分岐架橋型スルホン化ポリイミド感湿膜を製造する時に被覆膜が薄くなり過ぎて好ましくない。また、溶液濃度が高くなり過ぎると膜が厚くなり過ぎ、好ましくない。 In preparation of a branched cross-linked sulfonated polyimide for forming a moisture sensitive film of the humidity sensor of the present invention, following the preparation of an acid-terminated sulfonated polyimide solution, a trifunctional or higher functional aromatic amine compound is added to the solution and mixed. A prepared mixed solution is prepared. This mixed solution is prepared by adding and mixing an aromatic amine compound having three or more functions with the acid-terminated sulfonated polyimide solution at a temperature of 100 ° C. or lower, preferably 90 ° C. or lower, more preferably 80 ° C. or lower. Is done. If the temperature of the solution to be added and mixed is higher than 100 ° C., gelation may occur, which is not preferable. The mixed solution of the acid-terminated sulfonated polyimide thus obtained and the trifunctional or higher functional aromatic amine compound has a total solid component concentration of, for example, a high concentration of 5% by weight or more without gelation. can do. Here, the concentration of the mixed solution of the acid-terminated sulfonated polyimide and the trifunctional or higher functional aromatic amine compound is preferably 1 to 15% by weight, particularly 3 to 8% by weight, based on the total solid content. A solution having a low concentration is not preferable because the coating film becomes too thin when a branched cross-linked sulfonated polyimide moisture-sensitive film is produced. Moreover, when the solution concentration becomes too high, the film becomes too thick, which is not preferable.
本発明の湿度センサーの感湿膜を形成するための分岐架橋型スルホン化ポリイミドの作製において、前述の酸末端スルホン化ポリイミドと3官能以上の芳香族アミン化合物の混合溶液を加熱し、溶剤除去とともに架橋反応を進行させることによって分岐架橋型スルホン化ポリイミドが製造される。この時の最終的な加熱温度は、110〜300℃の温度であり、より好ましくは、150〜250℃の範囲である。加熱温度が110℃より低いと、イミド化反応及び架橋反応が十分に進行せず好ましくない。一方、300℃より高くなると、スルホン酸基又はスルホン酸誘導体基等の分解反応が生じることから好ましくない。加熱時間は、1分〜48時間、好ましくは、2分〜24時間である。この工程において、当該溶液を、櫛状電極を形成したセラミック基板等の支持体上に塗布して、加熱し、溶剤除去とともに架橋反応を進行させた分岐架橋スルホン化ポリイミドからなる湿度センサーの感湿膜を容易に得ることができる。この時、必要ならば、溶媒等の除去を容易にするために、メタノール、エタノール、イソプロパノール、アセトン等に10〜50℃で、0.5分〜24時間浸漬してもよい。 In preparation of the branched cross-linked sulfonated polyimide for forming the moisture sensitive film of the humidity sensor of the present invention, the mixed solution of the above-mentioned acid-terminal sulfonated polyimide and trifunctional or higher aromatic amine compound is heated to remove the solvent. A branched and crosslinked sulfonated polyimide is produced by advancing the crosslinking reaction. The final heating temperature at this time is a temperature of 110-300 degreeC, More preferably, it is the range of 150-250 degreeC. When the heating temperature is lower than 110 ° C., the imidization reaction and the crosslinking reaction do not proceed sufficiently, which is not preferable. On the other hand, when the temperature is higher than 300 ° C., a decomposition reaction such as a sulfonic acid group or a sulfonic acid derivative group is not preferable. The heating time is 1 minute to 48 hours, preferably 2 minutes to 24 hours. In this step, the solution is applied to a support such as a ceramic substrate on which comb-shaped electrodes are formed, heated, and the humidity sensitivity of a humidity sensor comprising a branched and crosslinked sulfonated polyimide that has undergone a crosslinking reaction along with solvent removal. A film can be easily obtained. At this time, if necessary, in order to facilitate the removal of the solvent, it may be immersed in methanol, ethanol, isopropanol, acetone or the like at 10 to 50 ° C. for 0.5 minute to 24 hours.
前述の製造工程で第3アミンや環式アミンを加えたり、用いたスルホン化芳香族ジアミンが前述のスルホン酸基の誘導体の場合、そのまま湿度センサーの感湿膜として用いることができるし、また、後述するようにイオン交換することにより、プロトン型又は他のイオン塩型で用いることもできる。 When a tertiary amine or a cyclic amine is added in the above-described production process, or the sulfonated aromatic diamine used is a derivative of the above-described sulfonic acid group, it can be used as it is as a moisture-sensitive film of a humidity sensor. It can also be used in the proton type or other ionic salt type by ion exchange as described later.
なお、本発明の湿度センサーの感湿膜を形成するための分岐架橋型スルホン化ポリイミドの作製において、スルホン化芳香族ジアミンの置換基は、スルホン酸でもスルホン酸の誘導体でも構わないが、重合時の溶解性を高める必要がある時は、第3アミン又は環式アミンとの塩を形成していることが好ましい。この重合溶液を塗布して作製する感湿膜は、アミン塩型である。この感湿膜を0.01〜1Nの硫酸等の水溶液に、10〜80℃で、0.5分〜10時間浸漬することにより、置換基をスルホン酸へ酸置換することができる。また、置換基がアミン塩又はプロトン型の分岐架橋スルホン化ポリイミド感湿膜を、0.1〜3モル濃度のアルカリ金属のハロゲン化物等の水溶液に10〜80℃で、0.5分〜2時間浸漬することにより、対応する誘導体の置換基へと変換できる。 In the preparation of the branched and crosslinked sulfonated polyimide for forming the moisture sensitive film of the humidity sensor of the present invention, the substituent of the sulfonated aromatic diamine may be sulfonic acid or a derivative of sulfonic acid. When it is necessary to increase the solubility of, it is preferable to form a salt with a tertiary amine or a cyclic amine. The moisture-sensitive film produced by applying this polymerization solution is an amine salt type. By immersing this moisture-sensitive film in an aqueous solution of 0.01 to 1N sulfuric acid or the like at 10 to 80 ° C. for 0.5 minutes to 10 hours, the substituent can be acid-substituted with sulfonic acid. Further, a branched or crosslinked sulfonated polyimide moisture-sensitive membrane having an amine salt or a proton type substituent in an aqueous solution of an alkali metal halide of 0.1 to 3 molar concentration at 10 to 80 ° C. for 0.5 minutes to 2 By soaking for a time, it can be converted to a substituent of the corresponding derivative.
本発明の湿度センサーの感湿膜を形成するための分岐架橋型スルホン化ポリイミドは、例えば、酸末端スルホン化ポリイミドが溶解可能な有機溶剤、具体的にはジメチルスルホキシド、ジエチルスルホキシド等のスルホキシド系溶剤、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジエチルホルムアミド等のホルムアミド系溶剤、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジエチルアセトアミド等のアセトアミド系溶剤、N−メチル−2−ピロリドン、N−ビニル−2−ピロリドン等のピロリドン系溶剤、フェノール、o−クレゾール、m−クレゾール、p−クレゾール、m−クレゾール酸、キシレノール、p−クロロフェノール等のハロゲン化フェノール、カテコール等のフェノール系溶剤、あるいは、ヘキサメチルホスホルアミド、γ−ブチロラクトン等、特に、m−クレゾール及びN−メチル−2−ピロリドンに、実質的に不溶な程度まで架橋されている。 The branched cross-linked sulfonated polyimide for forming the moisture sensitive film of the humidity sensor of the present invention is, for example, an organic solvent in which acid-terminated sulfonated polyimide can be dissolved, specifically, sulfoxide solvents such as dimethyl sulfoxide and diethyl sulfoxide. N, N-dimethylformamide, N, N-diethylformamide and other formamide solvents, N, N-dimethylacetamide, N, N-diethylacetamide and other acetamide solvents, N-methyl-2-pyrrolidone, N-vinyl Pyrrolidone solvents such as 2-pyrrolidone, phenol, o-cresol, m-cresol, p-cresol, m-cresolic acid, xylenol, phenol solvents such as p-chlorophenol, phenol solvents such as catechol, or Hexamethylphosphoramide, γ-buty Lactones such as, in particular, m- cresol and N- methyl-2-pyrrolidone, is crosslinked to a substantially extent insoluble.
本発明の湿度センサーの高分子電解質の感湿膜は、前記分岐架橋型スルホン化ポリイミドを含んで構成されるものである。好ましくは、イオン交換容量が0.5〜3.5ミリ等量/g、特に、1.5〜3.5ミリ等量/gの高いイオン交換容量を持ち、且つ、吸水時の寸法安定性や耐水性が改良されたものである。また、感湿膜は、前記分岐架橋型スルホン化ポリイミド以外の樹脂成分を含んだ組成物であっても構わないが、前記分岐架橋型スルホン化ポリイミドが全樹脂成分中10重量%以上、好ましくは50重量%以上、更に80重量%以上が好ましく、特に、100重量%からなるものが好適である。全樹脂成分中10重量%未満では、分岐架橋型スルホン化ポリイミドの良好な電解質としての特性を発現させることが難しい。更に、他の樹脂成分との組成物を構成する場合、他の樹脂成分は特に限定されないが、例えば、置換基としてスルホン酸基を有するか又は有さない芳香族ポリイミドを用いても構わない。 The humidity-sensitive film of the polymer electrolyte of the humidity sensor of the present invention comprises the branched and crosslinked sulfonated polyimide. Preferably, the ion exchange capacity is as high as 0.5 to 3.5 milliequivalent / g, particularly 1.5 to 3.5 milliequivalent / g, and the dimensional stability during water absorption is preferred. And water resistance is improved. Further, the moisture sensitive film may be a composition containing a resin component other than the branched cross-linked sulfonated polyimide, but the branched cross-linked sulfonated polyimide is 10% by weight or more of the total resin component, preferably It is preferably 50% by weight or more, more preferably 80% by weight or more, and particularly preferably 100% by weight. If it is less than 10% by weight in the total resin components, it is difficult to develop the characteristics of the branched and crosslinked sulfonated polyimide as a good electrolyte. Furthermore, when comprising a composition with another resin component, another resin component is not specifically limited, For example, you may use the aromatic polyimide which has or does not have a sulfonic acid group as a substituent.
本発明の湿度センサーは、高分子電解質の感湿膜である前記分岐架橋型スルホン化ポリイミド膜が水の浸漬に対する寸法変化が小さくなるように改善されており、支持基板との密着性が強固であるので、極めて耐久性に優れている。 In the humidity sensor of the present invention, the branched cross-linked sulfonated polyimide membrane, which is a moisture sensitive membrane of a polymer electrolyte, is improved so that the dimensional change with respect to water immersion is reduced, and the adhesiveness to the support substrate is strong. Because it is, it is extremely durable.
本発明の実施例及び比較例について、以下に説明する。なお、各実施例及び比較例に示す高分子電解質の感湿膜は、上述の図1における2つのピン電極16、16間の抵抗が所定値になるように、第1の電極部14と第2の電極部15の本数とその間の距離とを設定したものである。
Examples of the present invention and comparative examples will be described below. It should be noted that the polymer electrolyte moisture sensitive films shown in the examples and comparative examples have the first electrode part 14 and the first electrode part 14 so that the resistance between the two
[合成例1]
1,3,5−トリ(4−アミノフェノキシ)ベンゼン(以下、TAPBと略称することもある。)の合成
4−フルオロニトロベンゼン49.6g(0.35モル)、1,3,5−トリヒドロキシベンゼン12.6g(0.1モル)、K2CO320.7g(0.15モル)を、ジメチルスルホキシド200ml及びトルエン50mlに添加し、窒素気流下で加熱した。140℃で4時間、トルエンを還流させながら、生成した水を除去した。トルエンを除去しながら、175℃まで昇温し、16時間加熱した。冷却後、多量のメタノールに析出させ、得られた固体を3回水洗後、乾燥した。
得られた固体30g、塩化鉄(III)60mg、白金担持炭素2gを2−メトキシエタノール110mlに添加し、90℃に昇温後、ヒドラジン−水和物18.9gを2時間かけて滴下した。110℃で2時間加熱後、室温まで冷却し、濾過した。濾液に、濃塩酸20mlを添加し、固体を析出させた。得られた固体を濾別し、アセトンで洗浄、乾燥後、水に溶解した。アンモニア水を加え、固体を析出させた。固体を濾別し、乾燥して、黄色固体を得た。得られた黄色固体は、H−NMR測定で、TAPBであることが確認された。
[Synthesis Example 1]
Synthesis of 1,3,5-tri (4-aminophenoxy) benzene (hereinafter sometimes abbreviated as TAPB) 49.6 g (0.35 mol) of 4-fluoronitrobenzene, 1,3,5-trihydroxy 12.6 g (0.1 mol) of benzene and 20.7 g (0.15 mol) of K 2 CO 3 were added to 200 ml of dimethyl sulfoxide and 50 ml of toluene, and heated under a nitrogen stream. The produced water was removed while refluxing toluene at 140 ° C. for 4 hours. While removing toluene, the temperature was raised to 175 ° C. and heated for 16 hours. After cooling, it was precipitated in a large amount of methanol, and the obtained solid was washed with water three times and dried.
30 g of the obtained solid, 60 mg of iron (III) chloride, and 2 g of platinum-supported carbon were added to 110 ml of 2-methoxyethanol, and after heating to 90 ° C., 18.9 g of hydrazine hydrate was added dropwise over 2 hours. After heating at 110 ° C. for 2 hours, it was cooled to room temperature and filtered. 20 ml of concentrated hydrochloric acid was added to the filtrate to precipitate a solid. The obtained solid was separated by filtration, washed with acetone, dried, and dissolved in water. Aqueous ammonia was added to precipitate a solid. The solid was filtered off and dried to give a yellow solid. The obtained yellow solid was confirmed to be TAPB by H-NMR measurement.
[実施例1](酸無水物の1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボン酸(以下、NTDAと略称することもある。)/ジアミン2,2’−ビス(3−スルホプロポキシ)ベンジジン(以下、2,2’−BSPBと略称することもある。)=6/5の場合)
(1)3−(3’−ニトロフェノキシ)プロパンスルホン酸Naの合成
以下に示す手順で、下記の化21の化学構造式を有する3−(3’−ニトロフェノキシ)プロパンスルホン酸のNa塩を合成した。
[Example 1] (
(1) Synthesis of 3- (3′-nitrophenoxy) propanesulfonic acid Na In the procedure shown below, Na salt of 3- (3′-nitrophenoxy) propanesulfonic acid having the following chemical structural formula Synthesized.
完全に乾燥させた100mlの4つ口フラスコに、m−ニトロフェノール13.9g(100ミリモル)、及び、DMF120mlを入れ、窒素雰囲気で攪拌した。m−ニトロフェノールが溶解した後、K2CO320g(150ミリモル)とトルエン20mlを加えた。反応混合物を30分間室温で攪拌し、その後、加熱・還流を2時間行った。反応混合物を再び室温まで冷却し、3−プロモプロパンスルホン酸Na22.5g(100ミリモル)を一度に加えた。反応混合物を110℃まで再加熱し、この温度で24時間保持した。次に、室温まで冷却した後、暗橙色の反応液を濾過し、沈殿物をアセトンで洗浄した。次に、40℃で10時間真空乾燥させた。得られた固形物にDMSOを300ml加え、この混合物を30分間室温で攪拌し、不溶解の無機塩を濾過して除いた。更に、濾液から溶剤(DMSO)を減圧下で留去し、得られた固形物をアセトンで洗浄し、50℃で20時間真空乾燥させた。この生成物をメタノールから再結晶することにより精製し、24gの前記化21の化学構造式を有する3−(3’−ニトロフェノキシ)プロパンスルホン酸Naを得た。収率は、86%であった。
この生成物について、H−NMRを測定した。その結果、7.82ppm(d)、7.69ppm(s)、7.60−7.55(t)及び7.44−7.37(m)が観測され、フェニル環のHに基づくシグナルとして帰属された。また、4.22−4.18ppm(t)は、エーテル結合に隣接するCH2のプロトンに、2.62−2.56ppm(t)は、スルホニル基に隣接するCH2のプロトンに、2.09−1.99ppm(m)は、中間のCH2のプロトンにそれぞれ帰属され、前記化21の化学構造式を有する3−(3’−ニトロフェノキシ)プロパンスルホン酸Naが生成していることが確認された。
To a completely dried 100 ml four-necked flask, 13.9 g (100 mmol) of m-nitrophenol and 120 ml of DMF were added and stirred in a nitrogen atmosphere. After m-nitrophenol was dissolved, 20 g (150 mmol) of K 2 CO 3 and 20 ml of toluene were added. The reaction mixture was stirred for 30 minutes at room temperature, and then heated and refluxed for 2 hours. The reaction mixture was again cooled to room temperature and 22.5 g (100 mmol) of 3-promopropanesulfonic acid Na was added in one portion. The reaction mixture was reheated to 110 ° C. and held at this temperature for 24 hours. Next, after cooling to room temperature, the dark orange reaction solution was filtered, and the precipitate was washed with acetone. Next, it was vacuum-dried at 40 ° C. for 10 hours. 300 ml of DMSO was added to the obtained solid, the mixture was stirred for 30 minutes at room temperature, and insoluble inorganic salts were removed by filtration. Further, the solvent (DMSO) was distilled off from the filtrate under reduced pressure, and the resulting solid was washed with acetone and vacuum-dried at 50 ° C. for 20 hours. The product was purified by recrystallization from methanol to obtain 24 g of Na (3- (3′-nitrophenoxy) propanesulfonate having the chemical structural formula of Chemical Formula 21. The yield was 86%.
About this product, H-NMR was measured. As a result, 7.82 ppm (d), 7.69 ppm (s), 7.60-7.55 (t), and 7.44-7.37 (m) were observed as signals based on H of the phenyl ring. Assigned. Also, 4.22-4.18 ppm (t) is the CH 2 proton adjacent to the ether bond and 2.62-2.56 ppm (t) is the CH 2 proton adjacent to the sulfonyl group. 09-1.99 ppm (m) is attributed to an intermediate CH 2 proton, and 3- (3′-nitrophenoxy) propanesulfonic acid Na having the chemical structural formula of the above chemical formula 21 is generated. confirmed.
(2)3,3’−ビス(3−スルホプロポキシ)アゾベンゼン二ナトリウムの合成
以下に示す手順で、下記の化22の化学構造式を有する3,3’−ビス(3−スルホプ
ロポキシ)アゾベンゼン二ナトリウムを合成した。
(2) Synthesis of 3,3′-bis (3-sulfopropoxy)
完全に乾燥させた100mlの4つ口フラスコに、3−(3’−ニトロフェノキシ)プロパンスルホン酸Na5.7g(20ミリモル)と水15mlとをメタノール15mlと共に加え、窒素を流しながら亜鉛粉4.6gを加えた。混合物を攪拌しながら90℃まで加熱し、次に、水10mlに溶解したNaOH5gをフラスコ内に滴下した。反応液を90℃で3時間攪拌した後、室温まで冷却し、濾過した濾液を減圧下で留去し、得られた固形物をエタノールで洗浄し、これを60℃で20時間真空乾燥させ、オレンジ色の前記化22の化学構造式を有する生成物4.4gを得た。収率は、88%であった。
この生成物について、H−NMRを測定した。その結果、7.51ppm(m)、7.4ppm(s)、7.15ppm(split)が観測され、フェニル環のHに基づくシグナルとして帰属された。プロポキシ基のプロトンのシグナルは、上記と同様に帰属された。以上の結果から、3,3’−ビス(3−スルホプロポキシ)アゾベンゼン二ナトリウムが生成していることが確認された。
To a 100 ml four-necked flask that has been completely dried, 5.7 g (20 mmol) of 3- (3′-nitrophenoxy) propanesulfonic acid and 15 ml of water are added together with 15 ml of methanol. 6 g was added. The mixture was heated to 90 ° C. with stirring, then 5 g NaOH dissolved in 10 ml water was added dropwise into the flask. The reaction solution was stirred at 90 ° C. for 3 hours, then cooled to room temperature, the filtered filtrate was distilled off under reduced pressure, and the resulting solid was washed with ethanol, which was vacuum-dried at 60 ° C. for 20 hours, 4.4 g of an orange product having the chemical structural formula of Chemical Formula 22 was obtained. The yield was 88%.
About this product, H-NMR was measured. As a result, 7.51 ppm (m), 7.4 ppm (s), and 7.15 ppm (split) were observed and assigned as signals based on H of the phenyl ring. Proton signal of propoxy group was assigned as above. From the above results, it was confirmed that
(3)3,3’−ビス(3−スルホプロポキシ)ヒドラゾベンゼン二ナトリウムの合成
以下に示す手順で、下記の化23の化学構造式を有する3,3’−ビス(3−スルホプロポキシ)ヒドラゾベンゼン二ナトリウムを合成した。
(3) Synthesis of 3,3′-bis (3-sulfopropoxy)
完全に乾燥させた100mlの4つ口フラスコに、3,3’−ビス(3−スルホプロポキシ)アゾベンゼン二ナトリウム1.5g(3.0ミリモル)と水15mlと1.5mlの酢酸とを窒素雰囲気にて攪拌しながら加えた。次に、反応混合物を90℃まで加熱し、亜鉛粉1.5gを素早く加え、混合液を更に1時間この温度で攪拌した。室温まで冷却した後、反応混合物を濾過し、濾液を減圧下で留去した。得られた固形物をエタノールで洗浄し、真空乾燥させて灰白色の1.32gの固体を得た。収率は、87%であった。
この生成物について、H−NMRを測定した。その結果、7.25−7.15ppm(t)、6.77−6.62ppm(m)が観測され、フェニル環のHに基づくシグナルとして帰属された。プロポキシ基のプロトンのシグナルは、上記と同様に帰属された。以上の結果から、3,3’−ビス(3−スルホプロポキシ)ヒドラゾベンゼン二ナトリウムが生成していることが確認された。
In a completely dried 100 ml four-necked flask, 1.5 g (3.0 mmol) of 3,3′-bis (3-sulfopropoxy) azobenzene disodium, 15 ml of water and 1.5 ml of acetic acid were added in a nitrogen atmosphere. With stirring. The reaction mixture was then heated to 90 ° C., 1.5 g of zinc powder was quickly added and the mixture was stirred for an additional hour at this temperature. After cooling to room temperature, the reaction mixture was filtered and the filtrate was evaporated under reduced pressure. The obtained solid was washed with ethanol and vacuum dried to obtain 1.32 g of an off-white solid. The yield was 87%.
About this product, H-NMR was measured. As a result, 7.25-7.15 ppm (t) and 6.77-6.62 ppm (m) were observed and assigned as signals based on H of the phenyl ring. Proton signal of propoxy group was assigned as above. From the above results, it was confirmed that
(4)2,2’−ビス(3−スルホプロポキシ)ベンジジン(略称:2,2’−BSPB)の合成
以下に示す手順で、下記の化24の化学構造式を有する2,2’−BSPBを合成した。
(4) Synthesis of 2,2′-bis (3-sulfopropoxy) benzidine (abbreviation: 2,2′-BSPB) 2,2′-BSPB having the chemical structural formula shown below by the procedure shown below Was synthesized.
完全に乾燥させた100mlの4つ口フラスコに、3,3’−ビス(3−スルホプロポキシ)ヒドラゾベンゼン二ナトリウム1.0gと水5mlと濃塩酸5mlとを窒素気流下で攪拌しながら加えた。混合物を100℃で2時間加熱した後、室温まで冷却した。生成した沈殿を濾過し、真空乾燥することにより、前記化24の化学構造式を有する白色の2,2’−BSPB0.5gを得た。収率は、60%であった。
この生成物について、トリエチルアミンの存在下でH−NMRを測定した。その結果、6.77−6.71ppm(d)、6.2ppm(s)が観測され、フェニル環のHに基づくシグナルとして帰属された。4.91ppm(br)は、2つのアミノ基のプロトンに帰属された。また、3.9−3.8ppm(t)は、エーテル結合に隣接するCH2のプロトンに、2.52−2.45ppm(t)は、スルホニル基に隣接するCH2のプロトンに、1.93−1.79ppm(m)は、中間のCH2のプロトンにそれぞれ帰属された。以上の結果から、2,2’−BSPBが生成していることが確認された。
To a completely dried 100 ml four-necked flask, 1.0 g of
This product was subjected to H-NMR measurement in the presence of triethylamine. As a result, 6.77-6.71 ppm (d) and 6.2 ppm (s) were observed and assigned as signals based on H of the phenyl ring. 4.91 ppm (br) was assigned to two amino group protons. Also, 3.9-3.8 ppm (t) is the CH 2 proton adjacent to the ether bond and 2.52-2.45 ppm (t) is the CH 2 proton adjacent to the sulfonyl group. 93-1.79 ppm (m) was assigned to the intermediate CH 2 proton, respectively. From the above results, it was confirmed that 2,2′-BSPB was generated.
(5)NTDA−2,2’−BSPB/TAPB分岐架橋スルホン化ポリイミドからなる感湿膜の作製
以下に示す手順で、下記の化25の化学構造式で示される構造単位のNTDA−2,2’−BSPB/TAPB分岐架橋スルホン化ポリイミド(トリエチルアミン塩型)からなる感湿膜を作製した。
(5) Preparation of moisture sensitive film made of NTDA-2,2'-BSPB / TAPB branched cross-linked sulfonated polyimide NTDA-2,2 of structural unit represented by chemical structural formula of chemical formula 25 A moisture-sensitive film made of '-BSPB / TAPB branched crosslinked sulfonated polyimide (triethylamine salt type) was prepared.
完全に乾燥させた100mlの4つ口フラスコに、2,2’−BSPB2.303g(5ミリモル)と、m−クレゾール19gと、トリエチルアミン1.56gとを窒素気流中で攪拌しながら投入した。2,2’−BSPBが完全に溶解した後、昇華精製したNTDA(1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物)1.609g(6ミリモル)と、触媒としての安息香酸1.06gとをフラスコに加えた。混合液を80℃で2時間加熱した後、180℃で10時間加熱した。次に、25℃まで冷却した後、TAPBを0.267g(0.67ミリモル)、m−クレゾール16.5g加え、70℃で2時間攪拌して高重合度のNTDA−2,2’−BSPB/TAPB分岐架橋スルホン化ポリアミド酸溶液を得た。得られた均一溶液の全固形分濃度は、11重量%であった。この溶液にm−クレゾールを加えて5%に希釈する。そして、この溶液を図1に示す、第1と、第2の櫛状電極12、13を有する支持基板11に塗布し、これを80℃で3時間、次いで真空中160℃で2時間加熱、乾燥処理して感湿膜を得た。この実施例1の湿度センサーの感湿膜について、後述する耐水性試験と、耐高温高湿試験を行い、結果をそれぞれ図2と図5に示した。
To a completely dried 100 ml four-necked flask, 2.303 g (5 mmol) of 2,2′-BSPB, 19 g of m-cresol, and 1.56 g of triethylamine were added with stirring in a nitrogen stream. After 2,2′-BSPB was completely dissolved, 1.209 g (6 mmol) of NTDA (1,4,5,8-naphthalenetetracarboxylic dianhydride) purified by sublimation and
[実施例2](酸無水物NTDA/ジアミン3,3’−ビス(3’−スルホプロポキシ)ベンジジン(以下、3,3’−BSPBと略称することもある。)=5/4の場合)
m−ニトロフェノールに代えてo−ニトロフェノールを用いた以外、実施例1と同様の方法によって、3,3’−ビス(3’−スルホプロポキシ)ベンジジン(略称:3,3’−BSPB)を合成した。全体での収率は、46%であった。
この生成物について、トリエチルアミンの存在下でH−NMRを測定した。6.98−6.93ppm(s)、6.93−6.82ppm(d)、6.70−6.60ppm(d)が観測され、フェニル環のプロトンに帰属された。4.9−4.5ppm(br)は、アミノ基のプロトンに、4.17−4.02ppm(t)は、エーテル結合に隣接するCH2のプロトンに、2.8ppm付近(トリエチルアミンのシグナルと重なる)は、スルホ基に隣接するCH2のプロトンに、2.15−1.98ppm(m)は、中間のCH2のプロトンに、それぞれ帰属された。その帰属と積分強度比から、生成物は、3,3’−BSPBであることが確認された。
3,3’−BSPB1.842g(4ミリモル)、NTDA1.342g(5ミリモル)、TAPB0.267g(0.67ミリモル)を用い、実施例1と同様にして高重合度のNTDA−3,3’−BSPB/TAPB分岐架橋スルホン化ポリアミド酸溶液を得た。この溶液にm−クレゾールを加えて6%に希釈する。そして、この溶液を図1に示す、第1と、第2の櫛状電極12、13を有する支持基板11に塗布し、これを80℃で3時間、次いで真空中160℃で2時間加熱、乾燥処理して湿度センサーの感湿膜を得た。この実施例2の湿度センサーの感湿膜について、後述する耐水性試験、耐高温高湿試験を行い、実施例1の結果とほぼ同様の結果を得た。
[Example 2] (Acid anhydride NTDA /
3,3′-bis (3′-sulfopropoxy) benzidine (abbreviation: 3,3′-BSPB) was obtained in the same manner as in Example 1 except that o-nitrophenol was used instead of m-nitrophenol. Synthesized. The overall yield was 46%.
This product was subjected to H-NMR measurement in the presence of triethylamine. 6.98-6.93 ppm (s), 6.93-6.82 ppm (d), and 6.70-6.60 ppm (d) were observed and assigned to protons on the phenyl ring. 4.9-4.5 ppm (br) for amino group protons, 4.17-4.02 ppm (t) for CH 2 protons adjacent to the ether bond, around 2.8 ppm (with triethylamine signal and (Overlapping) was assigned to the CH 2 proton adjacent to the sulfo group, and 2.15 to 1.98 ppm (m) was assigned to the intermediate CH 2 proton. From the attribution and integral intensity ratio, the product was confirmed to be 3,3′-BSPB.
3,3′-BSPB 1.842 g (4 mmol), NTDA 1.342 g (5 mmol), TAPB 0.267 g (0.67 mmol) were used and NTDA-3,3 ′ having a high degree of polymerization in the same manner as in Example 1. -A BSPB / TAPB branched cross-linked sulfonated polyamic acid solution was obtained. Add m-cresol to this solution and dilute to 6%. Then, this solution is applied to the support substrate 11 having the first and second comb-like electrodes 12 and 13 shown in FIG. 1, and this is heated at 80 ° C. for 3 hours and then in vacuum at 160 ° C. for 2 hours. The moisture-sensitive film of the humidity sensor was obtained by drying treatment. The moisture-sensitive film of the humidity sensor of Example 2 was subjected to a water resistance test and a high-temperature and high-humidity test described later, and almost the same results as those of Example 1 were obtained.
[実施例3](酸無水物NTDA/ジアミン4,4’−ビス(4−アミノフェノキシ)ビフェニル−3,3’−ジスルホン酸(以下、BAPBDSと略称することもある。)=5/4の場合)
(1)4,4’−ビス(4−アミノフェノキシ)ビフェニル−3,3’−ジスルホン酸(BAPBDS)の合成
20gの4,4’−ビス(4−アミノフェノキシ)ビフェニルを17mlの95%硫酸に溶解後、溶液を0℃まで冷却し、35mlの発煙硫酸(SO360%)を滴下した。80℃で1時間攪拌後、室温まで冷却し、氷水に投入して析出した固体を濾別した。NaOH水溶液に溶解させた後、塩酸水溶液を加え、析出した固体を濾別、水洗、乾燥し、生成物を得た。得られた生成物は、H−NMRからBAPBDSであることが確認された。
[Example 3] (Acid anhydride NTDA /
(1) Synthesis of 4,4′-bis (4-aminophenoxy) biphenyl-3,3′-disulfonic acid (BAPBDS) 20 g of 4,4′-bis (4-aminophenoxy) biphenyl was added to 17 ml of 95% sulfuric acid. The solution was cooled to 0 ° C. and 35 ml of fuming sulfuric acid (SO 3 60%) was added dropwise. After stirring at 80 ° C. for 1 hour, the mixture was cooled to room temperature, poured into ice water, and the precipitated solid was separated by filtration. After dissolving in an aqueous NaOH solution, an aqueous hydrochloric acid solution was added, and the precipitated solid was separated by filtration, washed with water and dried to obtain a product. The resulting product, it was confirmed that the H-NMR or et B APBDS.
(2)NTDA−BAPBDS/TAPB分岐架橋スルホン化ポリイミドからなる感湿膜の作製
NTDA1.342g(5ミリモル)、BAPBDS2.114g(4ミリモル)、TAPB0.341(0.67ミリモル)を用い実施例1と同様にして、高重合度のNTDA−BAPBDS/TAPB分岐架橋スルホン化ポリアミド酸溶液を得た。この溶液にm−クレゾールを加えて6%に希釈する。そして、この溶液を図1に示す、第1と、第2の櫛状電極12、13を有する支持基板11に塗布し、これを80℃で3時間、次いで真空中160℃で2時間加熱、乾燥処理して感湿膜を得た。この実施例3の湿度センサーの感湿膜について、後述する耐水性試験、耐高温高湿試験を行い、それぞれの結果を図3と図6に示した。
(2) Preparation of moisture sensitive film made of NTDA-BAPBDS / TAPB branched cross-linked sulfonated polyimide Example 1 using NTDA 1.342 g (5 mmol), BAPBDS 2.114 g (4 mmol), TAPB 0.341 (0.67 mmol) In the same manner as above, an NTDA-BAPBDS / TAPB branched cross-linked sulfonated polyamic acid solution having a high degree of polymerization was obtained. Add m-cresol to this solution and dilute to 6%. Then, this solution is applied to the support substrate 11 having the first and second comb-shaped electrodes 12 and 13 shown in FIG. 1, and this is heated at 80 ° C. for 3 hours and then in vacuum at 160 ° C. for 2 hours. A moisture-sensitive film was obtained by drying treatment. The moisture sensitive film of the humidity sensor of Example 3 was subjected to a water resistance test and a high temperature and high humidity test described later, and the results are shown in FIGS. 3 and 6.
[比較例1]
ポリグリシジルメタクリレートをトリエチルアミン塩酸塩により四級アンモニウム化した高分子をアルコールに溶解し、図1に示す、第1と、第2の櫛状電極12、13を有する支持基板11に塗布し、165℃で2時間乾燥を行い、比較例1の湿度センサーの感湿膜を得た。この比較例1の湿度センサーの感湿膜について、後述する耐水性試験、耐高温高湿試験を行い、耐水性試験の結果を図4に示した。
[Comparative Example 1]
A polymer obtained by quaternizing ammonium polyglycidyl methacrylate with triethylamine hydrochloride is dissolved in alcohol and applied to a support substrate 11 having first and second comb electrodes 12 and 13 shown in FIG. Was dried for 2 hours to obtain a moisture sensitive film of the humidity sensor of Comparative Example 1. The moisture sensitive film of the humidity sensor of Comparative Example 1 was subjected to a water resistance test and a high temperature and high humidity test described later, and the results of the water resistance test are shown in FIG.
[比較例2](NTDA−2,2’−BSPBポリイミドの合成の場合))
酸無水物として昇華精製したNTDA、スルホン酸基含有ジアミンとして2,2’−ビス(3−スルホプロポキシ)ベンジジン(2,2’−BSPB)を用いてNTDA−2,2’−BSPBポリイミドを合成した。先ず、m−クレゾール中に、2,2’−BSPBと、NTDAと、トリエチルアミンと、安息香酸とを、BSPB:NTDA:トリエチルアミン:安息香酸=1:1:2:1.5となるように加えて溶解させ、80℃で4時間加熱した後、更に180℃で20時間加熱して、溶液熱イミド化を行った。反応溶液を室温まで冷却した後、アセトンに再沈殿させて洗浄し、これを60℃で20時間真空乾燥させることにより、下記の化26の化学構造式で示される構造単位を有するNTDA−2,2’−BSPBポリイミドトリエチルアミン塩を得た。
[Comparative Example 2] (In case of synthesis of NTDA-2,2′-BSPB polyimide))
NTDA-2,2'-BSPB polyimide is synthesized using NTDA purified by sublimation as acid anhydride and 2,2'-bis (3-sulfopropoxy) benzidine (2,2'-BSPB) as diamine containing sulfonic acid group. did. First, 2,2′-BSPB, NTDA, triethylamine, and benzoic acid are added to m-cresol so that BSPB: NTDA: triethylamine: benzoic acid = 1: 1: 2: 1.5. The solution was heated at 80 ° C. for 4 hours, and further heated at 180 ° C. for 20 hours to effect solution thermal imidization. The reaction solution was cooled to room temperature, washed reprecipitated in acetone, by which the 20 hours and vacuum dried at 60 ° C., NTDA-2 having a structural unit represented by the chemical structural formula of Chemical Formula 26 below, 2'-BSPB polyimide triethylamine salt was obtained.
得られたNTDA−2,2’−BSPBポリイミド(トリエチルアミン塩)をメタクレゾールで溶解し、図1に示す、第1と、第2の櫛状電極12、13を有する支持基板11に塗布し、80℃で3時間、次いで168℃で2時間真空乾燥させて、比較例2の湿度センサーの感湿膜を得た。この比較例2の湿度センサーの感湿膜について、後述する耐水性試験を行った。 The obtained NTDA-2,2′-BSPB polyimide (triethylamine salt) was dissolved in metacresol and applied to the support substrate 11 having the first and second comb electrodes 12 and 13 shown in FIG. The film was vacuum-dried at 80 ° C. for 3 hours and then at 168 ° C. for 2 hours to obtain a humidity sensitive film of the humidity sensor of Comparative Example 2. The moisture resistance film of the humidity sensor of Comparative Example 2 was subjected to a water resistance test described later.
(耐水性試験)
実施例1〜3、及び比較例1、2の湿度センサーの感湿膜について、耐水性試験を行い、その代表となる結果を図2〜図4に示した。試験は、抵抗値の相対湿度依存性の測定を、初期と、感湿膜を25℃の水に24時間浸漬した後とで比較することにより行った。抵抗値の測定は、Agilent製LCRメーター4263Bを使用し、室温25℃で行った。標準湿度発生器は、神栄株式会社製SRH−01を用いた。
(Water resistance test)
The moisture resistance films of the humidity sensors of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 were subjected to a water resistance test, and the representative results are shown in FIGS. The test was performed by measuring the relative humidity dependency of the resistance value by comparing the initial value with that after dipping the moisture sensitive film in water at 25 ° C. for 24 hours. The resistance value was measured at 25 ° C. using an Agilent LCR meter 4263B. As the standard humidity generator, SRH-01 manufactured by Shinei Co., Ltd. was used.
図2〜図4の結果から明らかなように、分岐架橋スルホン化ポリイミドを湿度センサーの感湿膜として備えた実施例1〜3の感湿膜は、水中への浸漬の前後で特性は殆ど変化せず、高い耐水性を有していることが分かる。これに対して、比較例1の湿度センサーの感湿膜では、水中への浸漬後の抵抗値が大きく増大し、また、比較例2では、水浸漬後の感湿膜がはく離して抵抗値の測定ができず、何れの場合も耐水性が低いことが分かる。 As apparent from the results of FIGS. 2 to 4, the moisture sensitive films of Examples 1 to 3 provided with the branched and crosslinked sulfonated polyimide as the moisture sensitive film of the humidity sensor have almost the same characteristics before and after being immersed in water. It turns out that it has high water resistance. On the other hand, in the humidity sensitive film of the humidity sensor of Comparative Example 1, the resistance value after immersion in water greatly increases, and in Comparative Example 2, the moisture sensitive film after immersion in water peels off and the resistance value increases. It is understood that the water resistance is low in any case.
(高温高湿試験)
実施例1〜3、及び比較例1、2の湿度センサーの感湿膜について、高温高湿試験を行った。試験は、温度85℃、湿度100%の高温高湿槽の中に投入し、投入前、100、200、300、500、1000時間後のそれぞれの支持基板からの感湿膜の剥離状況を観察した。分岐架橋スルホン化芳香族ポリイミドを湿度センサーの感湿膜として備えた実施例1〜3の感湿膜は、1000時間の長期間の高温高湿の環境中にあっても、支持基板からのはく離等の異常は確認されなかった。これに対して、比較例1、2の湿度センサーの感湿膜では、比較的早い時間で支持基板からはく離することが確認された。実施例1〜3の感湿膜について、1000時間処理後に、前記の耐水性試験の場合と同様に、室温で抵抗値と相対湿度の関係を測定した。その結果を図5と図6に示す。実施例2の場合は、実施例1とほぼ同じ結果が得られた。実施例1〜3の感湿膜は、1000時間後でも初特性とほぼ同じ特性を示し、高温高湿に対する非常に優れた耐久性を有していることが分かる。
(High temperature and high humidity test)
A high temperature and high humidity test was performed on the moisture sensitive films of the humidity sensors of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2. The test was put in a high-temperature and high-humidity tank having a temperature of 85 ° C. and a humidity of 100%, and the state of peeling of the moisture-sensitive film from each support substrate was observed before 100, 200, 300, 500, and 1000 hours. did. The moisture-sensitive membranes of Examples 1 to 3 provided with a branched and crosslinked sulfonated aromatic polyimide as the moisture-sensitive membrane of the humidity sensor are peeled off from the support substrate even in a high-temperature and high-humidity environment for a long period of 1000 hours. Such abnormalities were not confirmed. On the other hand, it was confirmed that the humidity sensitive films of the humidity sensors of Comparative Examples 1 and 2 were released from the support substrate in a relatively early time. About the moisture sensitive film | membrane of Examples 1-3, the relationship between a resistance value and relative humidity was measured at room temperature after the 1000-hour process similarly to the case of the said water resistance test. The results are shown in FIGS. In the case of Example 2, almost the same result as Example 1 was obtained. It can be seen that the moisture-sensitive films of Examples 1 to 3 have almost the same characteristics as the initial characteristics even after 1000 hours and have very excellent durability against high temperature and high humidity.
本発明の湿度センサーは、高温、高湿下の過酷な環境にあっても、感湿膜が支持基板からはく離の発生を起こさず、再現性に優れた電気抵抗式湿度センサーとして用いることができる。 The humidity sensor of the present invention can be used as an electric resistance type humidity sensor excellent in reproducibility without causing the moisture sensitive film to peel off from the support substrate even in a severe environment under high temperature and high humidity. .
10:湿度センサー、11:支持基板、12:第1の櫛状電極、13:第2の櫛状電極、14:第1の電極部、15:第2の電極部、16:ピン電極、17:絶縁体、18:分岐架橋型スルホン化ポリイミド膜 10: humidity sensor, 11: support substrate, 12: first comb electrode, 13: second comb electrode, 14: first electrode portion, 15: second electrode portion, 16: pin electrode, 17 : Insulator, 18: Branched cross-linked sulfonated polyimide membrane
Claims (6)
前記感湿膜が下記化学式(1)で示される繰り返し単位を有し、両末端が芳香族テトラカルボン酸成分残基からなる酸末端スルホン化ポリイミドを、3官能以上の芳香族アミン化合物で分岐架橋した分岐架橋型スルホン化ポリイミド膜からなることを特徴とする湿度センサー。
[ここで、Ar1及びAr4は芳香環を有する4価の基であり、Ar2は1つ以上のスルホン酸基又はスルホン酸基の誘導体を置換基とする芳香環を有する2価の基であり、Ar5はスルホン酸基又はスルホン酸基の誘導体を置換基としない芳香環を有する2価の基であり、lは1以上の整数であり、mは0又は1以上の整数である。] A humidity sensor having a plurality of electrodes formed on a support substrate and a moisture sensitive film made of a polymer electrolyte covering the electrodes,
The moisture-sensitive film has a repeating unit represented by the following chemical formula (1), and an acid-terminated sulfonated polyimide consisting of an aromatic tetracarboxylic acid component residue at both ends is branched with a trifunctional or higher functional aromatic amine compound. A humidity sensor comprising a branched and crosslinked sulfonated polyimide membrane.
[Wherein Ar 1 and Ar 4 are tetravalent groups having an aromatic ring, and Ar 2 is a divalent group having an aromatic ring substituted with one or more sulfonic acid groups or derivatives of sulfonic acid groups. Ar 5 is a divalent group having an aromatic ring that does not use a sulfonic acid group or a derivative of a sulfonic acid group as a substituent, l is an integer of 1 or more, and m is 0 or an integer of 1 or more. . ]
[ここで、D1は、O、CH2、C(CH3)2、C(CF3)2、O=S=O又はC=Oを示し、R1〜R3は、それぞれ独立に水素原子又は炭素数1〜2のアルキル基を示し、Xは、水素原子、アルカリ金属、アンモニウム又は4級アミンを示す。] 3. The humidity sensor according to claim 1, wherein Ar 2 in the chemical formula (1) is composed of a branched cross-linked sulfonated polyimide which is a divalent group represented by the following chemical formula (3).
[Wherein D 1 represents O, CH 2 , C (CH 3 ) 2 , C (CF 3 ) 2 , O = S═O or C═O, and R 1 to R 3 each independently represent hydrogen An atom or a C1-C2 alkyl group is shown, and X shows a hydrogen atom, an alkali metal, ammonium, or a quaternary amine. ]
(式中、D3は、直接結合、O、CH2、C(CH3)2、C(CF3)2、O=S=O又はC=Oを示し、R8〜R10は、それぞれ独立に水素原子又は炭素数1〜2のアルキル基を示し、Xは、水素原子、アルカリ金属、アンモニウム又は4級アミンを示し、nは、0、1又は2の整数を示す。)である。] 3. The humidity sensor according to claim 1, wherein Ar 2 in the chemical formula (1) is made of a branched cross-linked sulfonated polyimide which is a divalent group represented by the following chemical formula (4).
(In the formula, D 3 represents a direct bond, O, CH 2 , C (CH 3 ) 2 , C (CF 3 ) 2 , O = S═O or C═O, and R 8 to R 10 each represents Independently represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 2 carbon atoms, X represents a hydrogen atom, an alkali metal, ammonium or a quaternary amine, and n represents an integer of 0, 1 or 2. ]
[ここで、R11〜R13は、それぞれ独立に、水素原子又は炭素数1〜2のアルキル基を表し、pは、1又は2の整数であり、nは、1〜6の整数であり、kは、1又は2の整数であり(ただし、kが2のとき、R13は、存在しない)、Xは、水素原子、アルカリ金属、アンモニウム又は4級アミンである。] 3. The humidity sensor according to claim 1 , wherein Ar 2 in the chemical formula (1) is composed of a branched cross-linked sulfonated polyimide which is a divalent group represented by the following chemical formula (5).
[Wherein R 11 to R 13 each independently represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 2 carbon atoms, p is an integer of 1 or 2, and n is an integer of 1 to 6. , K is an integer of 1 or 2 (provided that when k is 2, R 13 is not present), and X is a hydrogen atom, an alkali metal, ammonium or a quaternary amine. ]
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