JP4670073B2 - Method for producing nano space control polymer ion exchange membrane - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池への使用に適した固体高分子電解質膜である高分子イオン交換膜の製造方法に関する。
また、本発明は、燃料電池に適した固体高分子電解質膜で、優れた耐酸化性、耐熱性及び寸法安定性と共に、優れた電気伝導性を有する高分子イオン交換膜の製造方法に関する。
The present invention relates to a method for producing a polymer ion exchange membrane which is a solid polymer electrolyte membrane suitable for use in a fuel cell.
The present invention also relates to a method for producing a polymer ion exchange membrane which is a solid polymer electrolyte membrane suitable for a fuel cell and has excellent electrical conductivity as well as excellent oxidation resistance, heat resistance and dimensional stability.

固体高分子電解質型イオン交換膜を用いた燃料電池は、エネルギー密度が高いことから、電気自動車の電源や簡易補助電源として期待されている。この燃料電池において、優れた特性を有する高分子イオン交換膜の開発は最も重要な技術の一つである。   A fuel cell using a solid polymer electrolyte type ion exchange membrane is expected to be used as a power source for electric vehicles and a simple auxiliary power source because of its high energy density. In this fuel cell, the development of a polymer ion exchange membrane having excellent characteristics is one of the most important technologies.

高分子イオン交換膜型燃料電池において、イオン交換膜は、プロトンを伝導するための電解質として作用し、また、燃料である水素やメタノールと酸化剤である空気(酸素)とを直接混合させないための隔膜としての役割も有する。このようなイオン交換膜としては、電解質としてイオン交換容量が大きいこと、長期間電流を通すので膜の化学的な安定性、特に、膜の劣化の主因となる水酸化ラジカル等に対する耐性(耐酸化性)が優れていること、電池の動作温度である80℃以上での耐熱性があること、また、電気抵抗を低く保持するために膜の保水性が一定で高いことが要求される。一方、隔膜としての役割から、膜の力学的な強度や寸法安定性が優れていること、水素ガス、メタノール又は酸素ガスについて過剰な透過性を有しないことなどが要求される。   In a polymer ion exchange membrane fuel cell, the ion exchange membrane acts as an electrolyte for conducting protons, and also prevents direct mixing of hydrogen or methanol as a fuel with air (oxygen) as an oxidant. It also has a role as a diaphragm. As such an ion exchange membrane, the ion exchange capacity is large as an electrolyte, and since a current is passed for a long period of time, the membrane is chemically stable, particularly resistant to hydroxyl radicals and the like which are the main causes of membrane degradation (oxidation resistance) It is required that the film has excellent heat resistance at 80 ° C. or higher, which is the operating temperature of the battery, and that the water retention of the film is constant and high in order to keep the electric resistance low. On the other hand, due to the role as a diaphragm, it is required that the film has excellent mechanical strength and dimensional stability and does not have excessive permeability to hydrogen gas, methanol or oxygen gas.

初期の高分子イオン交換膜型燃料電池では、スチレンとジビニルベンゼンの共重合で製造した炭化水素系高分子イオン交換膜が使用された。しかし、このイオン交換膜は耐酸化性に起因する耐久性が非常に劣っていたため実用性に乏しく、その後はデュポン社により開発されたパーフルオロスルホン酸膜「ナフィオン(デュポン社登録商標)」等が一般に用いられてきた。   Early polymer ion exchange membrane fuel cells used hydrocarbon polymer ion exchange membranes produced by copolymerization of styrene and divinylbenzene. However, this ion exchange membrane has poor durability due to oxidation resistance, so it is not practical. After that, a perfluorosulfonic acid membrane “Nafion (registered trademark of DuPont)” developed by DuPont is available. It has been used in general.

しかしながら、「ナフィオン(登録商標)」等の従来の含フッ素系高分子イオン交換膜は、化学的な耐久性や安定性には優れているが、イオン交換容量が1meq/g前後と小さく、また、保水性が不十分でイオン交換膜の乾燥が生じてプロトン伝導性が低下したり、メタノールを燃料とする場合に膜の膨潤やメタノールのクロスオーバーが起きたりする。   However, conventional fluorine-containing polymer ion exchange membranes such as “Nafion (registered trademark)” are excellent in chemical durability and stability, but have a small ion exchange capacity of around 1 meq / g, Insufficient water retention causes drying of the ion exchange membrane, resulting in a decrease in proton conductivity, and when methanol is used as fuel, membrane swelling and methanol crossover may occur.

また、イオン交換容量を大きくするため、スルホン酸基を多く導入しようとすると、高分子鎖中に架橋構造がないため、膜が膨潤して強度が著しく低下し、容易に破損するようになる。したがって、従来の含フッ素系高分子のイオン交換膜ではスルホン酸基の量を膜強度が保持される程度に抑える必要があり、このためイオン交換容量が1meq/g程度ものしかできなかった。   In order to increase the ion exchange capacity, if a large number of sulfonic acid groups are to be introduced, the polymer chain does not have a cross-linked structure, so that the membrane swells and the strength is remarkably lowered and easily broken. Therefore, in the conventional fluorine-containing polymer ion exchange membrane, it is necessary to suppress the amount of sulfonic acid groups to such an extent that the membrane strength is maintained, so that the ion exchange capacity is only about 1 meq / g.

さらに、ナフィオン(登録商標)などの含フッ素系高分子イオン交換膜はモノマーの合成が困難かつ複雑であり、また、これを重合してポリマー膜を製造する工程も複雑であるため、製品は非常に高価であり、プロトン交換膜型燃料電池を自動車などへ搭載して実用化する場合の大きな障害となっている。そのため、前記ナフィオン(登録商標)等に替わる低コストで高性能な電解質膜を開発する努力がおこなわれてきた。   Furthermore, fluorine-containing polymer ion exchange membranes such as Nafion (registered trademark) are difficult and complicated to synthesize monomers, and the process of polymerizing them to produce polymer membranes is also complicated, so the product is very The proton exchange membrane fuel cell is a major obstacle when it is put into practical use by mounting it in an automobile or the like. Therefore, efforts have been made to develop a low-cost and high-performance electrolyte membrane that replaces the Nafion (registered trademark) and the like.

一方、本発明と密接に関連する放射線グラフト重合法では、高分子膜にスルホン酸基を導入することができるモノマーをグラフトして、固体高分子電解質膜を作製する試みがなされている。本発明者らはこれらの新しい固体高分子電解質膜を開発すべく検討を重ね、架橋構造を有するポリテトラフルオロエチレンフィルムにスチレンモノマーを放射線グラフト反応により導入し、次いでスルホン化することにより、イオン交換容量を広い範囲に制御できることを特徴とする固体高分子電解質膜及びその製造方法を出願した(特許文献1)。しかし、このイオン交換膜はスチレングラフト鎖が炭化水素で構成されているため、膜に長時間電流を通すとグラフト鎖部の一部に酸化が起こり、膜のイオン交換能が低下した。   On the other hand, in the radiation graft polymerization method closely related to the present invention, an attempt is made to produce a solid polymer electrolyte membrane by grafting a monomer capable of introducing a sulfonic acid group into the polymer membrane. The present inventors have repeatedly studied to develop these new solid polymer electrolyte membranes, and introduced ion exchange by introducing a styrene monomer into a polytetrafluoroethylene film having a crosslinked structure by a radiation graft reaction and then sulfonating. An application has been filed for a solid polymer electrolyte membrane and a method for producing the same, characterized in that the capacity can be controlled in a wide range (Patent Document 1). However, in this ion exchange membrane, since the styrene graft chain is composed of hydrocarbons, when a current is passed through the membrane for a long time, oxidation occurs in a part of the graft chain portion, and the ion exchange ability of the membrane is lowered.

さらに、本発明者らは、架橋構造を有するポリテトラフルオロエチレンフィルムにフッ素系モノマーの放射線グラフト、または放射線共グラフトに続き、グラフト鎖にスルホン基を導入することによって、広いイオン交換容量と優れた耐酸化性とを特徴とする固体高分子電解質膜及びその製造方法を出願した(特許文献2)。しかし、通常のフッ素系高分子膜ではフッ素系モノマーはグラフト反応が膜の内部まで進行しにくく、反応条件によってはグラフト反応がフィルム表面に限られてしまうため、電解質膜としての特性を向上させにくいことが判明した。
特開2001−348439号公報 特開2002−348389号公報
Furthermore, the present inventors introduced a sulfone group into the graft chain following radiation grafting or radiation co-grafting of a fluorine-based monomer to a polytetrafluoroethylene film having a crosslinked structure, thereby providing a wide ion exchange capacity and excellent An application for a solid polymer electrolyte membrane characterized by oxidation resistance and a method for producing the same was filed (Patent Document 2). However, in a normal fluorine polymer film, the grafting reaction of the fluorine-based monomer hardly proceeds to the inside of the film, and depending on the reaction conditions, the graft reaction is limited to the film surface, so it is difficult to improve the characteristics as an electrolyte film. It has been found.
JP 2001-348439 A JP 2002-348389 A

本発明は、上述のような従来技術の問題点を克服するためになされたものであり、高分子固体電解質として、高分子イオン交換膜の欠点である、イオン交換容量が小さく、膜の寸法安定性が悪いこと、耐酸化性が低いこと、並びに作動温度が低い、即ち耐熱性が低いことを解決課題とする。   The present invention has been made in order to overcome the above-mentioned problems of the prior art. As a polymer solid electrolyte, the ion exchange capacity is small and the dimensional stability of the membrane is a drawback of the polymer ion exchange membrane. The problem to be solved is poor performance, low oxidation resistance, and low operating temperature, that is, low heat resistance.

本発明は、広いイオン交換容量と優れた耐酸化性や電気伝導性とを有する高分子イオン交換膜及びその製造方法を提供するものであり、特に燃料電池への使用に適したイオン交換膜及びその製造方法を提供する。   The present invention provides a polymer ion exchange membrane having a wide ion exchange capacity and excellent oxidation resistance and electrical conductivity and a method for producing the same, and particularly suitable for use in fuel cells and A manufacturing method thereof is provided.

高分子フィルムに放射線を照射し、種々のモノマーをグラフト又は共グラフトし、得られたグラフト鎖にスルホン酸基を導入することに関して研究を進めた結果、基材として高分子フィルムを用い、これに高エネルギー重イオンを照射してナノからミクロンサイズの直径を有する微細なシリンダー状の貫通孔を多数形成させ、この孔に特定の官能性モノマーを電離性放射線によってグラフトし、その際、グラフトを膜中心部まで進行させ、その後、導入されたスルホニル基、エステル基、ハロゲン基などの官能基をスルホン酸基とすることを特徴とする高分子イオン交換膜の製造法を発明するに至った。本発明の高分子イオン交換膜は、高分子フィルムへのモノマーのグラフト率が10〜150%、イオン交換容量が0.3〜2.5meq/gであることを特徴とする。また、本発明の高分子イオン交換膜は、イオン交換容量などの各特性を適切で広い範囲内に制御できること、耐酸化性、耐熱性や電気伝導性が高いこと、並びに膜の寸法安定性が高いことなどのきわめて優れた特徴を有する。   As a result of research on irradiation of polymer films, grafting or co-grafting of various monomers, and introducing sulfonic acid groups into the resulting graft chains, polymer films were used as substrates. Irradiated with high-energy heavy ions to form a large number of fine cylindrical through-holes with a nano to micron diameter, and a specific functional monomer is grafted into the holes by ionizing radiation, and the graft is formed into a membrane. The present inventors have invented a method for producing a polymer ion exchange membrane characterized in that the polymer is allowed to proceed to the center, and then the introduced functional group such as a sulfonyl group, ester group or halogen group is a sulfonic acid group. The polymer ion exchange membrane of the present invention is characterized in that the graft ratio of the monomer to the polymer film is 10 to 150% and the ion exchange capacity is 0.3 to 2.5 meq / g. In addition, the polymer ion exchange membrane of the present invention can appropriately control each characteristic such as ion exchange capacity within a wide range, has high oxidation resistance, heat resistance and electrical conductivity, and has dimensional stability of the membrane. It has extremely excellent characteristics such as high.

本発明によって製造された高分子イオン交換膜は、優れた耐酸化性、電気伝導性、及び寸法安定性、耐メタノール性と共に、イオン交換容量を広い範囲で制御できる特徴を有する。   The polymer ion exchange membrane produced by the present invention has the characteristics that the ion exchange capacity can be controlled in a wide range together with excellent oxidation resistance, electrical conductivity, dimensional stability, and methanol resistance.

上記の特徴を有する本発明のイオン交換膜は、特に燃料電池膜への使用に適している。また、安価で耐久性のある電解膜やイオン交換膜として有用である。   The ion exchange membrane of the present invention having the above characteristics is particularly suitable for use in a fuel cell membrane. Moreover, it is useful as an inexpensive and durable electrolytic membrane or ion exchange membrane.

本発明の一態様においては、高分子フィルム基材として、耐熱性が高く、耐酸化性のあるポリフッ化ビニリデン(以下、PVDFと略す。)を使用する。高分子フィルム基材は架橋構造を有するものを用いてもよく、高分子構造中の架橋構造により、膜の耐熱性とモノマーのグラフト率が向上し、さらに、照射による膜強度の低下を抑制することができる。架橋構造を有する高分子フィルム基材は、高温作動で高性能の燃料電池膜には好適である。   In one embodiment of the present invention, polyvinylidene fluoride (hereinafter abbreviated as PVDF) having high heat resistance and oxidation resistance is used as the polymer film substrate. The polymer film substrate may have a crosslinked structure, and the crosslinked structure in the polymer structure improves the heat resistance of the film and the graft ratio of the monomer, and further suppresses the decrease in film strength due to irradiation. be able to. A polymer film substrate having a crosslinked structure is suitable for high-performance fuel cell membranes operating at high temperatures.

このフィルム基材にサイクロトロン加速器などによって高エネルギー重イオンを照射する。本発明における重イオンとは炭素イオン以上のイオンを指す。炭素イオンより質量の小さなイオンでは、イオン照射後の穿孔において、孔の径に対する孔の深さの比が小さく、口径が小さくて深い穴を高分子フィルム基材に作製することが難しい。重イオンとして種々のイオンが使用できるが、高分子フィルムにナノからミクロンサイズの微少な貫通孔を形成するためには、1個のイオンによる照射損傷領域が数ナノサイズから数百ナノサイズの広がりを必要とする(H. Kudoh and Y. Morita, J. Poly. Sci. ,Part B. Vol.39, 757 (2001))。照射損傷領域の大きさは照射するイオンの質量やエネルギーに依存する。照射に用いる重イオンの種類としては、炭素、窒素、酸素、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンなどがイオンを発生させるのに容易であり、照射イオン種として有用である。   The film substrate is irradiated with high energy heavy ions by a cyclotron accelerator or the like. The heavy ion in the present invention refers to an ion that is higher than the carbon ion. With ions having a smaller mass than carbon ions, in the perforation after ion irradiation, the ratio of the hole depth to the hole diameter is small, and it is difficult to produce a deep hole with a small diameter in the polymer film substrate. Various ions can be used as heavy ions, but in order to form minute through-holes of nano to micron size in a polymer film, the irradiation damage region by one ion spreads from several nanos to several hundreds nanos (H. Kudoh and Y. Morita, J. Poly. Sci., Part B. Vol. 39, 757 (2001)). The size of the irradiation damage region depends on the mass and energy of the irradiated ions. As types of heavy ions used for irradiation, carbon, nitrogen, oxygen, neon, argon, krypton, xenon, and the like are easy to generate ions and are useful as irradiation ion species.

また、1個のイオンの照射損傷領域を大きくするためには、金イオン、ビスマスイオン、又はウランイオンなどの質量の大きなイオンを用いる。イオンの照射エネルギーは、高分子フィルム基材を厚さ方向に貫通することができるエネルギーであればよく、例えば、ポリフッ化ビニリデンフィルム基材50μm厚では、炭素イオンは40MeV以上、ネオンイオンは80MeV以上、アルゴンイオンでは180MeV以上であり、同じく100μm厚では、炭素イオンは62MeV以上、ネオンイオンは130MeV以上、アルゴンイオンでは300MeV以上である。また、キセノンイオン450MeVでは40μm厚、ウランイオン2.6GeVでは20μm厚の高分子フイルム基材を貫通する。   In order to enlarge the irradiation damage area of one ion, ions having a large mass such as gold ions, bismuth ions, or uranium ions are used. The ion irradiation energy may be energy that can penetrate the polymer film substrate in the thickness direction. For example, when the polyvinylidene fluoride film substrate is 50 μm thick, the carbon ion is 40 MeV or more, and the neon ion is 80 MeV or more. In the case of argon ions, it is 180 MeV or more. Similarly, at a thickness of 100 μm, carbon ions are 62 MeV or more, neon ions are 130 MeV or more, and argon ions are 300 MeV or more. Further, it penetrates a polymer film substrate having a thickness of 40 μm for xenon ion 450 MeV and 20 μm for uranium ion 2.6 GeV.

次いで、イオン照射したフィルムを、0.1N〜10NのKOHやNaOHの溶液(水、又はメタノール、エタノール、n−又はイソプロパノール、t−ブタノールなどのアルコールと水の混合溶液)、室温〜80℃で処理してイオンの照射損傷領域を中心とした微細なシリンダー状の貫通孔を開ける(特開平5−51479、特開平6−7656)。   Next, the ion-irradiated film was subjected to 0.1N to 10N KOH or NaOH solution (water, or a mixed solution of alcohol and water such as methanol, ethanol, n- or isopropanol, or t-butanol) at room temperature to 80 ° C. By processing, a fine cylindrical through-hole is formed around the ion irradiation damaged region (Japanese Patent Laid-Open Nos. 5-51479 and 6-7656).

また、フッ素系のフィルム基材では、100℃以上の温度で加熱することによって照射損傷部分が分解されてモノマーやモノマー類似の気体に分解するので、これにより穿孔することも可能である。フィルム基材表面での孔の平均直径は走査型電子顕微鏡で容易に測定できる。本発明で使用するフィルム基材の孔の平均径はフィルム表面で10nm以上で10μm以下がよいが、イオン交換膜とするには10nm以上で1μm以下がより望ましい。これ以上小さい孔はエッチングで貫通孔を作製するのが困難であり、これ以上大きい孔ではフィルム基材の強度が低下してしまう。また、同様に基材表面における孔の数はイオン照射量と比例関係があり、孔の数は104〜1014個/cm2がよい。 In addition, in a fluorine-based film substrate, the irradiation damage portion is decomposed by heating at a temperature of 100 ° C. or higher and decomposes into a monomer or a monomer-like gas. The average diameter of the holes on the surface of the film substrate can be easily measured with a scanning electron microscope. The average diameter of the pores of the film substrate used in the present invention is preferably 10 nm or more and 10 μm or less on the film surface, but is more preferably 10 nm or more and 1 μm or less for an ion exchange membrane. If the hole is smaller than this, it is difficult to produce a through hole by etching, and if the hole is larger than this, the strength of the film substrate is lowered. Similarly, the number of holes on the substrate surface is proportional to the ion irradiation amount, and the number of holes is preferably 10 4 to 10 14 / cm 2 .

104個/cm2以下では下記のグラフト、スルホン化反応によってイオン交換膜を作製しても十分な膜の電気伝導特性などが得られず、1014個/cm2以上では孔が互いに重なり独立した孔が少なくなり膜特性が低下することから、好ましくない。 At 10 4 / cm 2 or less, even if an ion exchange membrane is produced by the following grafting or sulfonation reaction, sufficient electric conductivity of the membrane cannot be obtained, and at 10 14 / cm 2 or more, the pores overlap each other and become independent. This is not preferable because the number of pores is reduced and the film characteristics are deteriorated.

本発明による高分子イオン交換膜は、この穿孔されたPVDFフィルム基材に以下に説明するモノマー溶液、又は、モノマーとコモノマーの混合溶液を加えて減圧脱気し、γ線、高エネルギー電子線、X線などの電離放射線を照射して、フィルム基材表面や孔表面にグラフトのための活性点を生成せしめ、ここに該モノマーを同時グラフト重合させ、さらに、グラフト分子鎖内のスルホニルハライド基[−SO21]、スルホン酸エステル基[−SO31]、又はハロゲン基[−X2]をスルホン酸基[−SO3H]とすることにより製造する。また、炭化水素系モノマーに存在するフェニル基、ケトン、エーテル基などはクロルスルホン酸でスルホン酸基を導入して製造する。ここで、同時グラフト重合とは、フィルム基材とモノマーを共存させた状態で電離放射線を照射してグラフト重合を行う方法である。 The polymer ion exchange membrane according to the present invention is added to a monomer solution described below or a mixed solution of a monomer and a comonomer to the perforated PVDF film substrate, and degassed under reduced pressure to obtain γ rays, high energy electron beams, By irradiating with ionizing radiation such as X-rays, an active site for grafting is generated on the surface of the film substrate or on the surface of the hole, and the monomer is simultaneously graft polymerized therewith, and further, a sulfonyl halide group in the graft molecular chain [ It is produced by converting —SO 2 X 1 ], a sulfonate group [—SO 3 R 1 ], or a halogen group [—X 2 ] into a sulfonate group [—SO 3 H]. Also, phenyl groups, ketones, ether groups, etc. present in hydrocarbon monomers are produced by introducing sulfonic acid groups with chlorosulfonic acid. Here, the simultaneous graft polymerization is a method of performing graft polymerization by irradiating with ionizing radiation in a state where a film substrate and a monomer coexist.

本発明において、高分子フィルム基材にグラフト重合するモノマーは、以下の(1)〜(10)に示すモノマー、又は、モノマー/コモノマー系を使用することができる(以下、モノマーとは、グラフト後にこのモノマー単位にスルホン酸基を導入できるものをいい、コモノマーとは、グラフト後このコモノマー単位にスルホン酸基を容易には導入できないものをいうものとする。)。
(1)A群:スルホニルハライド基を有するモノマーである、CF2=CF(SO21)(式中、X1はハロゲン基で−F又は−Clである。以下同じ。)、CH2=CF(SO21)、CF2=CF(O(CF214SO21)、及びCF2=CF(OCH2(CF214SO21
からなる群から選択される1種類又は2種類以上のモノマー。
(2)B群:スルホン酸エステルを有するモノマーである、CF2=CF(SO31)(式中、R1はアルキル基で−CH3、−C25又は−C(CH33である。以下同じ。)、CH2=CF(SO31)、CF2=CF(O(CF214SO31)、及びCF2=CF(OCH2(CF214SO31)からなる群から選択される1種類又は2種類以上のモノマー。
(3)C群:ハロゲン化フッ化アルキルエーテル基を有するCF2=CF(O(CF2142)(式中、X2はハロゲン基で−Br又は−Clである。以下同じ。)、及びCF2=CF(OCH2(CF2142)からなる群から選択される1種類又は2種類のモノマー。
(4)次のA〜C群:
A群:CF2=CF(SO21)(式中、X1はハロゲン基で−F又は−Clである。以下同じ。)、CH2=CF(SO21)、CF2=CF(O(CF214SO21)、及びCF2=CF(OCH2(CF214SO21);
B群:CF2=CF(SO31)(式中、R1はアルキル基で−CH3、−C25、又は−C(CH33である。以下同じ。)、CH2=CF(SO31)、CF2=CF(O(CF214SO31)、及びCF2=CF(OCH2(CF214SO31);及び
C群;CF2=CF(O(CF2142)(式中、X2はハロゲン基で−Br又は−Clである。以下同じ。)、及びCF2=CF(OCH2(CF2142
のうち少なくとも2以上の異なる群から選択される2種類以上のモノマー。
In the present invention, the monomers shown in the following (1) to (10) or the monomer / comonomer system can be used as the monomer to be graft-polymerized on the polymer film substrate (hereinafter referred to as the monomer after grafting). This means that a sulfonic acid group can be introduced into this monomer unit, and a comonomer means that a sulfonic acid group cannot be easily introduced into this comonomer unit after grafting.
(1) Group A: a monomer having a sulfonyl halide group, CF 2 = CF (SO 2 X 1 ) (wherein X 1 is a halogen group, -F or -Cl; the same shall apply hereinafter), CH 2 = CF (SO 2 X 1) , CF 2 = CF (O (CF 2) 1 ~ 4 SO 2 X 1), and CF 2 = CF (OCH 2 ( CF 2) 1 ~ 4 SO 2 X 1)
One or more monomers selected from the group consisting of
(2) Group B: CF 2 = CF (SO 3 R 1 ), which is a monomer having a sulfonate ester (wherein R 1 is an alkyl group, —CH 3 , —C 2 H 5 or —C (CH 3 ) 3. the same applies hereinafter.), CH 2 = CF ( SO 3 R 1), CF 2 = CF (O (CF 2) 1 ~ 4 SO 3 R 1), and CF 2 = CF (OCH 2 ( CF 2 ) One type or two or more types of monomers selected from the group consisting of 1 to 4 SO 3 R 1 ).
(3) C group:. During CF 2 = CF having a halogenated fluoroalkyl ether group (O (CF 2) 1 ~ 4 X 2) ( wherein, X 2 is -Br or -Cl halogen groups below The same), and CF 2 = CF (OCH 2 (CF 2 ) 1 to 4 X 2 ).
(4) The following groups A to C:
Group A: CF 2 = CF (SO 2 X 1) (.. Wherein, X 1 is is -F or -Cl halogen group hereinafter the same), CH 2 = CF (SO 2 X 1), CF 2 = CF (O (CF 2) 1 ~ 4 SO 2 X 1), and CF 2 = CF (OCH 2 ( CF 2) 1 ~ 4 SO 2 X 1);
Group B: CF 2 = CF (SO 3 R 1 ) (wherein R 1 is an alkyl group and is —CH 3 , —C 2 H 5 , or —C (CH 3 ) 3. The same shall apply hereinafter), CH. 2 = CF (SO 3 R 1 ), CF 2 = CF (O (CF 2) 1 ~ 4 SO 3 R 1), and CF 2 = CF (OCH 2 ( CF 2) 1 ~ 4 SO 3 R 1); and group C; CF 2 = CF (O ( CF 2) 1 ~ 4 X 2) (.. wherein, X 2 is -Br or -Cl halogen group hereinafter), and CF 2 = CF (OCH 2 (CF 2 ) 1 to 4 X 2 )
2 or more types of monomers selected from at least 2 or more different groups.

(5)A群:CF2=CF(SO21)(式中、X1はハロゲン基で−F又は−Clである。以下同じ。)、CH2=CF(SO21)、CF2=CF(O(CF214SO21)、及びCF2=CF(OCH2(CF214SO21)からなる群から選択される1種類又は2種類以上のモノマーに、アクリル系コモノマーとして、CF2=CR2(COOR3)(式中、R2は−CH3又は−Fであり、R3は−H、−CH3、−C25又は−C(CH33)である。以下同じ。)、及びCH2=CR2(COOR3)からなる群から選択される1種類以上のコモノマーを、全モノマー基準で50モル%以下の量加えたモノマー/コモノマー系。 (5) A Group: CF 2 = CF (SO 2 X 1) (.. Wherein, X 1 is is -F or -Cl halogen group hereinafter the same), CH 2 = CF (SO 2 X 1), CF 2 = CF (O (CF 2) 1 ~ 4 SO 2 X 1), and CF 2 = CF (OCH 2 ( CF 2) 1 ~ 4 SO 2 X 1) 1 kind selected from the group consisting or 2 As the acrylic comonomer, CF 2 ═CR 2 (COOR 3 ) (wherein R 2 is —CH 3 or —F, and R 3 is —H, —CH 3 , —C 2 H). 5 or -C (CH 3) 3). same as below. And a monomer / comonomer system in which one or more comonomers selected from the group consisting of CH 2 ═CR 2 (COOR 3 ) are added in an amount of 50 mol% or less based on the total monomers.

(6)B群:CF2=CF(SO31)(式中、R1はアルキル基で−CH3、−C25又は−C(CH33である。以下同じ。)、CH2=CF(SO31)、CF2=CF(O(CF214SO31)、及びCF2=CF(OCH2(CF214SO31)からなる群から選択される1種類又は2種類以上のモノマーに、アクリル系コモノマーとして、CF2=CR2(COOR3)(式中、R2は−CH3又は−Fであり、R3は−H、−CH3、−C25又は−C(CH33)である。以下同じ。)、及びCH2=CR2(COOR3)からなる群から選択される1種類以上のコモノマーを、全モノマー基準で50モル%以下の量加えたモノマー/コモノマー系。 (6) Group B: CF 2 = CF (SO 3 R 1 ) (wherein R 1 is an alkyl group, —CH 3 , —C 2 H 5, or —C (CH 3 ) 3. The same shall apply hereinafter.) , CH 2 = CF (SO 3 R 1), CF 2 = CF (O (CF 2) 1 ~ 4 SO 3 R 1), and CF 2 = CF (OCH 2 ( CF 2) 1 ~ 4 SO 3 R 1 ), One or more monomers selected from the group consisting of CF 2 ═CR 2 (COOR 3 ) (wherein R 2 is —CH 3 or —F, R 3 Is —H, —CH 3 , —C 2 H 5 or —C (CH 3 ) 3 ). same as below. And a monomer / comonomer system in which one or more comonomers selected from the group consisting of CH 2 ═CR 2 (COOR 3 ) are added in an amount of 50 mol% or less based on the total monomers.

(7)C群:CF2=CF(O(CF2142)(式中、X2はハロゲン基で−Br又は−Clである。以下同じ。)、及びCF2=CF(OCH2(CF2142)からなる群から選択される1種類又は2種類のモノマーに、アクリル系コモノマーとして、CF2=CR2(COOR3)(式中、R2は−CH3又は−Fであり、R3は−H、−CH3、−C25又は−C(CH33)である。以下同じ。)、及びCH2=CR2(COOR3)からなる群から選択される1種類以上のコモノマーを、全モノマー基準で50モル%以下の量加えたモノマー/コモノマー系。 (7) C group: CF 2 = CF (O ( CF 2) 1 ~ 4 X 2) (.. Wherein, X 2 is -Br or -Cl halogen group hereinafter), and CF 2 = CF To one or two monomers selected from the group consisting of (OCH 2 (CF 2 ) 1 to 4 X 2 ), as an acrylic comonomer, CF 2 = CR 2 (COOR 3 ) (wherein R 2 is a -CH 3 or -F, R 3 is -H, -CH 3, a -C 2 H 5 or -C (CH 3) 3). same as below. And a monomer / comonomer system in which one or more comonomers selected from the group consisting of CH 2 ═CR 2 (COOR 3 ) are added in an amount of 50 mol% or less based on the total monomers.

(8)D群:スチレン、α−メチルスチレン、スチレン誘導体モノマーである2,4−ジメチルスチレン、ビニルトルエン、及び4−tert−ブチルスチレンからなる群から選択される1種類又は2種類以上のモノマー。   (8) Group D: One or more monomers selected from the group consisting of styrene, α-methylstyrene, styrene derivative monomers 2,4-dimethylstyrene, vinyltoluene, and 4-tert-butylstyrene. .

(9)E群:アセナフチレン、インデン、ベンゾフラン、5−ビニル−2−ノルボルネン、ビニルケトンCH2=CH(COR4)(式中、R4は−CH3、−C25、又はフェニル基(−C65)である。)、ビニルエーテルCH2=CH(OR5)(式中、R5は−Cn2n+1(n=1〜5)、−CH(CH3)2、−C(CH3)3、又はフェニル基である。)、及びフッ化ビニルエーテルCF2=CF(OR5)若しくはCH2=CF(OR5)からなる群から選択される1種類又は2種類以上のモノマー。 (9) Group E: acenaphthylene, indene, benzofuran, 5-vinyl-2-norbornene, vinyl ketone CH 2 ═CH (COR 4 ) (wherein R 4 is —CH 3 , —C 2 H 5 , or a phenyl group ( . -C 6 H 5) is a) vinyl ether CH 2 = CH (OR 5) ( wherein, R 5 is -C n H 2n + 1 (n = 1~5), - CH (CH 3) 2, -C (CH 3 ) 3 , or a phenyl group), and one or more selected from the group consisting of fluorovinyl ether CF 2 ═CF (OR 5 ) or CH 2 ═CF (OR 5 ) Monomer.

(10)次のD〜F群:
D群:スチレン、α−メチルスチレン、スチレン誘導体モノマーである2,4−ジメチルスチレン、ビニルトルエン、及び4−tert−ブチルスチレン;及び
E群:アセナフチレン、インデン、ベンゾフラン、5−ビニル−2−ノルボルネン、ビニルケトンCH2=CH(COR4)(式中、R4は−CH3、−C25、又はフェニル基(−C65)である。)、ビニルエーテルCH2=CH(OR5)(式中、R5は−Cn2n+1(n=1〜5)、−CH(CH3)2、−C(CH3)3、又はフェニル基である。)、及びフッ化ビニルエーテルCF2=CF(OR5)若しくはCH2=CF(OR5
F群:CF2=CR2(COOR3)(式中、R2は−CH3又は−Fであり、R3は−H、−CH3、−C25又は−C(CH33である。以下同じ。)、及びCH2=CR2(COOR3
の各群から選択される2種類以上のモノマー/コモノマー系。
(10) The following D to F groups:
Group D: styrene, α-methylstyrene, styrene derivative monomers 2,4-dimethylstyrene, vinyltoluene, and 4-tert-butylstyrene; and Group E: acenaphthylene, indene, benzofuran, 5-vinyl-2-norbornene , Vinyl ketone CH 2 ═CH (COR 4 ) (wherein R 4 is —CH 3 , —C 2 H 5 , or a phenyl group (—C 6 H 5 )), vinyl ether CH 2 ═CH (OR 5 (Wherein R 5 is —C n H 2n + 1 (n = 1 to 5), —CH (CH 3 ) 2 , —C (CH 3 ) 3 , or a phenyl group)), and fluoride. Vinyl ether CF 2 ═CF (OR 5 ) or CH 2 ═CF (OR 5 )
Group F: CF 2 = CR 2 (COOR 3 ) (wherein R 2 is —CH 3 or —F, and R 3 is —H, —CH 3 , —C 2 H 5 or —C (CH 3 )). 3. The same applies hereinafter.), And CH 2 = CR 2 (COOR 3 )
Two or more monomer / comonomer systems selected from each group of

ここで、上記の(5)〜(7)、及び(10)におけるアクリル系コモノマーとしては、例えば、CF2=CF(COOCH3)、CF2=C(CH3)(COOCH3)、CH2=C(CH3)(COOH)、CH2=CF(COOCH3)、CH2=CF(COOC(CH33)などがある。これらのコモノマーはグラフト後、これらのコモノマー単位にスルホン酸基を容易には導入できないので、全モノマー基準で50モル%以下の量に抑えて混合するのが良い。 Here, as the acrylic comonomer in the above (5) to (7) and (10), for example, CF 2 = CF (COOCH 3 ), CF 2 = C (CH 3 ) (COOCH 3 ), CH 2 = C (CH 3 ) (COOH), CH 2 = CF (COOCH 3 ), CH 2 = CF (COOC (CH 3 ) 3 ), and the like. Since these comonomers cannot easily introduce sulfonic acid groups into these comonomer units after grafting, they are preferably mixed in an amount of 50 mol% or less based on the total monomers.

(1)〜(3)のモノマーを使用する単独グラフト重合では、グラフト重合はフィルム基材の表面及び孔表面まで十分に進行し、(4)〜(7)のコモノマーを使用する共グラフト重合では、単独グラフトに比べグラフト速度が著しく増大する。例えば、CF2=CF(O(CF214SO21)、CF2=CF(O(CF214SO31)、CF2=CF(O(CF2142)はモノマーとして単独での重合性は低いが、コモノマーと共グラフトさせると十分に有用である。(8)〜(10)のモノマーを使用すると、後述するように、クロルスルホン酸などのスルホン化反応により有効量のスルホン酸基をグラフト鎖に導入することができる。 In the single graft polymerization using the monomers (1) to (3), the graft polymerization proceeds sufficiently to the surface of the film substrate and the surface of the pores, and in the co-graft polymerization using the comonomers (4) to (7). The grafting speed is significantly increased as compared with single grafting. For example, CF 2 = CF (O ( CF 2) 1 ~ 4 SO 2 X 1), CF 2 = CF (O (CF 2) 1 ~ 4 SO 3 R 1), CF 2 = CF (O (CF 2) 1 ~ 4 X 2) is less polymerizable alone as a monomer, but sufficiently useful when to comonomer co-grafted. When the monomers (8) to (10) are used, an effective amount of a sulfonic acid group can be introduced into the graft chain by a sulfonation reaction such as chlorosulfonic acid, as will be described later.

(1)〜(10)のモノマー、及びモノマー/コモノマー系は、フレオン112(CCl2FCCl2F)、フレオン113(CCl2FCClF2)、ジクロロエタン、クロロメタン、n−ヘキサン、アルコール、t−ブタノール、ベンゼン、トルエン、シクロヘキサン、シクロヘキサノンやジメチルスルホオキシドの各溶媒で希釈したものを用いてもよい。 The monomers (1) to (10) and the monomer / comonomer system are Freon 112 (CCl 2 FCCl 2 F), Freon 113 (CCl 2 FCClF 2 ), dichloroethane, chloromethane, n-hexane, alcohol, and t-butanol. , Benzene, toluene, cyclohexane, cyclohexanone, or dimethyl sulfoxide may be used.

また、上記のモノマー及びモノマー/コモノマー系に、ジビニルベンゼン、ビス(ビニルフェニル)基を有する(CH2=CH(C64))2(CH2n(n=1〜4)、トリアリルシアヌレート、トリアリルイソシアヌレート、3,5−ビス(トリフルオロビニル)フェノール、及び3,5−ビス(トリフルオロビニロキシ)フェノールからなる群から選択される1種類以上の架橋剤を、全モノマー基準で30モル%以下の量添加してグラフト重合してもよい。 In addition, divinylbenzene and bis (vinylphenyl) group (CH 2 ═CH (C 6 H 4 )) 2 (CH 2 ) n (n = 1 to 4), trivinyl, One or more crosslinking agents selected from the group consisting of allyl cyanurate, triallyl isocyanurate, 3,5-bis (trifluorovinyl) phenol, and 3,5-bis (trifluorovinyloxy) phenol, Graft polymerization may be carried out by adding an amount of 30 mol% or less based on the monomer.

更に、グラフトモノマー溶液中に放射線照射によって重合の基点となり易く、結晶水や吸着水を保ちやすい、無機物である超微粒子状無定形シリカ(SiO2)、H+型モルデナイト (Ca,Na2,K2)Al2Si10O24・7H2O)、アルミナ(Al2O3)、及び、酸化ジルコニウム(ZrO2)、無機のプロトン伝導体であるジルコニウムホスフェイト(Zr(HPO4)2・nH2O)、りんタングステン酸水和物(H3PW12O40・nH2O) 、けいタングステン酸水和物(H4SiW12O40・nH2O) 、及び、モリブドりん酸水和物(MoO3H3PO4・nH2O)、並びに、これらの複合体である、りんタングステン酸水和物、ジルコニウムホスフェイト、又は、けいタングステン酸水和物を吸着させたアモルファスシリカ、及び、りんタングステン酸水和物、ジルコニウムホスフェイト、又は、けいタングステン酸水和物を吸着させたモルデナイトやアルミナからなる群から選択される1種類以上の微粉末を、全モノマー基準で1重量%〜30重量%の範囲で加えてグラフト重合させることによって、モノマーの重合収率を上げることができる。また、作製されたグラフト高分子イオン交換膜の導電性を大きくすることができる。 Furthermore, it is easy to become a base point of polymerization by irradiation in the graft monomer solution, and it is easy to keep crystal water and adsorbed water, which is an inorganic ultrafine particulate amorphous silica (SiO 2 ), H + type mordenite (Ca, Na 2 , K 2 ) Al 2 Si 10 O 24 · 7H 2 O), Alumina (Al 2 O 3 ), Zirconium oxide (ZrO 2 ), Inorganic proton conductor zirconium phosphate (Zr (HPO 4 ) 2 · nH 2 O), phosphotungstic acid hydrate (H 3 PW 12 O 40 · nH 2 O), silicotungstic acid hydrate (H 4 SiW 12 O 40 · nH 2 O), and molybdophosphoric acid hydrate (MoO 3 H 3 PO 4 .nH 2 O) and their composites, phosphotungstic acid hydrate, zirconium phosphate, or silicotungstic acid hydrate adsorbed amorphous silica, and Phosphotungstic acid hydrate, zirconium phosphate, or silicotungstic acid hydrate The polymerization yield of the monomer is increased by adding one or more fine powders selected from the group consisting of the attached mordenite and alumina in the range of 1% by weight to 30% by weight based on the total monomer and graft polymerization. be able to. In addition, the conductivity of the produced graft polymer ion exchange membrane can be increased.

超微粒子状無定形シリカ(アエロジル、Aerosil ()は比表面積、凝集性、疎水性の異なった種類のものがあり、これをモノマー溶液に加えることによって液の流動性を変化させて他の微粒子をモノマー溶液に均一に分散させ易くすることができる。   There are different types of ultrafine amorphous silica (Aerosil ()) with different specific surface area, cohesiveness, and hydrophobicity. It can be easily dispersed uniformly in the monomer solution.

また、複合体の作り方の一例として、無定形シリカ微粉末にりんタングステン酸水和物を吸着させたものは、りんタングステン酸水和物の水溶液にテトラエチルオルソシリケート(Si(OC2H5)4)とプロパノールを少量加えた溶液を無定形シリカ粉末に加え、室温でかき混ぜて放置後、濾過し減圧乾燥して得た。   In addition, as an example of how to make a composite, an amorphous silica fine powder adsorbed phosphotungstic acid hydrate can be obtained by adding tetraethylorthosilicate (Si (OC2H5) 4) and propanol to an aqueous solution of phosphotungstic acid hydrate. Was added to amorphous silica powder, stirred at room temperature, allowed to stand, filtered and dried under reduced pressure.

モノマー溶液と無機の粉末との混合は、これらを混ぜた後、流動性の調節に超微粒子状無定形シリカを適量加えて攪拌し、グラフト用のモノマー溶液とした。
イオン穿孔したフィルム基材への上記モノマーのグラフト重合は、ステンレス又はガラス製の耐圧容器に、穿孔フィルム基材を入れて十分に真空に引き、予め不活性ガスのバブリングや凍結脱気により酸素ガスを除いたモノマーを加えて、60Co−γ線を、室温、不活性ガス中で5〜500kGy照射する。グラフト重合は、穿孔フィルム基材とモノマーを同時に放射線照射してグラフト反応させる、いわゆる同時照射法と、穿孔フィルム基材を先に放射線照射した後にモノマーと接触させてグラフト反応させる、いわゆる後グラフト重合法のいずれかの方法によって行うことができる。グラフト重合温度は同時照射法では室温、後グラフト重合法では、モノマーや溶媒の沸点以下の温度で通常0℃〜100℃で行なう。酸素の存在はグラフト反応を阻害するため、これら一連の操作はアルゴンガスや窒素ガスなどの不活性ガス中で行い、また、モノマーやモノマーを溶媒に溶かした溶液は常法の処理(バブリングや凍結脱気)で酸素を除去した状態で使用する。
For mixing the monomer solution and the inorganic powder, after mixing these, an appropriate amount of ultrafine amorphous silica was added to adjust the fluidity and stirred to obtain a monomer solution for grafting.
Graft polymerization of the above-mentioned monomer onto the ion-perforated film base is carried out by placing the perforated film base in a stainless steel or glass pressure vessel and pulling it to a sufficient vacuum, preliminarily bubbling with inert gas or freezing degassing to generate oxygen gas. The monomer except for is added, and 60 Co-γ rays are irradiated at 5 to 500 kGy in an inert gas at room temperature. Graft polymerization consists of a so-called simultaneous irradiation method in which a perforated film substrate and a monomer are simultaneously irradiated with a radiation, and a so-called post-graft weight in which a perforated film substrate is first irradiated with radiation and then contacted with a monomer to cause a graft reaction. This can be done by any legal method. The graft polymerization temperature is room temperature in the simultaneous irradiation method, and is usually 0 ° C. to 100 ° C. at a temperature below the boiling point of the monomer or solvent in the post-graft polymerization method. Since the presence of oxygen hinders the grafting reaction, these series of operations are performed in an inert gas such as argon gas or nitrogen gas, and the monomer or a solution in which the monomer is dissolved in a solvent is treated in a conventional manner (bubbling or freezing). Use with oxygen removed by degassing.

グラフト率(実施例の式(1)参照)は、同時照射法では放射線の線量が多いほど、若しくは、放射線の線量率が低く照射時間が長いほどグラフト率が高く、後グラフト重合法では、線量が多いほど、グラフト温度が高いほど、若しくは、グラフト時間が長いほどグラフト率は高くなる。   The graft ratio (see the formula (1) in the examples) is higher for the simultaneous irradiation method, the higher the radiation dose, or the lower the radiation dose rate and the longer the irradiation time, the higher the graft ratio. The greater the amount, the higher the grafting temperature or the longer the grafting time, the higher the grafting ratio.

電離放射線は、物質の透過率が高いγ線やX線、また、照射容器、フィルム基材やモノマー溶液を透過するに十分な高エネルギー電子線を用いるのが良い。
イオン照射による穿孔は高分子の構成分子や固体構造、即ち結晶性か非晶性かなどによらず広く有機高分子材料に適用できる。高分子フィルム基材は、本発明の一態様で使用するポリフッ化ビニリデン(PVDF)のほかに、高分子量ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリアミド、芳香族ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリカーボネイト、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンサルファイド、又はポリスルホンフィルム基材を用いることができる。また、ポリイミド系の高分子フィルムであるポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリベンゾイミダゾール、又はポリエーテルエーテルイミドフィルム基材も使用することができる。さらに、フッ素系の高分子であるエチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−六フッ化プロピレン共重合体、又はテトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体フィルム基材を用いてもよい。これらのフィルム基材は、架橋構造を有さないフィルム基材を使用することができるが、予め架橋したフィルム基材を用いることにより、得られるイオン交換膜の耐熱性が向上する、膜の膨潤が少ない、架橋構造の導入によりモノマーのグラフト率が向上する、照射による膜強度の低下を抑制できる等の利点があるので、高温作動で高性能の燃料電池膜には好適である。例えば、グラフトモノマーとしてスチレンを用いた場合、未架橋のポリテトラフルオロエチレンに比較し、架橋ポリテトラフルオロエチレンはグラフト率を著しく増加させることができ、このため未架橋ポリテトラフルオロエチレンの2〜10倍のスルホン酸基を架橋ポリテトラフルオロエチレンに導入できることを本発明者らはすでに見出した(特開2001‐348439号公報:特願2000-170450)。架橋構造を有するテトラフルオロエチレン−六フッ化プロピレン共重合体やテトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体の製造方法はRadiation Physical Chemistry vol. 42, NO. 1/3, pp. 139-142(1993)に掲載されている。
As the ionizing radiation, it is preferable to use γ-rays or X-rays having a high substance transmittance, and high-energy electron beams sufficient to pass through the irradiation container, the film substrate or the monomer solution.
Perforation by ion irradiation can be widely applied to organic polymer materials regardless of the constituent molecules and solid structure of the polymer, that is, crystalline or amorphous. In addition to the polyvinylidene fluoride (PVDF) used in one embodiment of the present invention, the polymer film substrate is a high molecular weight polyethylene, polypropylene, polystyrene, polyamide, aromatic polyamide, polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polycarbonate, polyether. A ketone, polyetheretherketone, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, or polysulfone film substrate can be used. A polyimide-based polymer film, such as polyimide, polyetherimide, polyamideimide, polybenzimidazole, or polyetheretherimide film base material can also be used. Further, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polytetrafluoroethylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, or tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer film substrate, which is a fluorine-based polymer May be used. Although these film base materials can use a film base material having no cross-linked structure, the heat resistance of the obtained ion exchange membrane is improved by using a pre-cross-linked film base material. Therefore, it is suitable for high-performance fuel cell membranes operating at high temperatures. For example, when styrene is used as the graft monomer, the cross-linked polytetrafluoroethylene can remarkably increase the graft ratio as compared with uncross-linked polytetrafluoroethylene. The present inventors have already found that double sulfonic acid groups can be introduced into crosslinked polytetrafluoroethylene (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-348439: Japanese Patent Application No. 2000-170450). A method for producing a tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer or a tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer having a crosslinked structure is described in Radiation Physical Chemistry vol. 42, NO. 1/3, pp. 139-142 ( 1993).

上記で得られたグラフトした穿孔フィルムにスルホン酸基を導入するには、上記の(1)〜(7)のグラフトした分子鎖中の[−SO21]基は、0.1N〜10N濃度の苛性カリ(KOH)又は苛性ソーダ(NaOH)の水溶液、水/アルコール溶液、又は水/ジメチルスルホオキシド溶液中、室温〜100℃以下の温度で反応させて、スルホン酸塩[−SO3M](式中、Mはアルカリ金属でNa又はKである。)とし、次いでスルホン酸塩基を1N〜2N硫酸溶液中、60℃でスルホン酸基[−SO3H]とすることにより、高分子イオン交換膜が得られる。また、グラフトした分子鎖中の[−SO31]基は、0.1N〜10N濃度の硫酸溶液中など酸性溶液中で、室温〜100℃で反応させて加水分解するか、又は同濃度の水酸化カリウムやナトリウム溶液中で加水分解し、スルホン酸基[−SO3H]とすることにより、高分子イオン交換膜が得られる。更に、グラフトした分子鎖中のハロゲン基[−X2]は、亜硫酸塩若しくは亜硫酸水素塩の水溶液、又は、水/アルコールの溶液中などで反応させてスルホン酸塩基[−SO3M](式中、Mはアルカリ金属でNa又はKである。)とし、次いで上記と同様にスルホン酸塩基をスルホン酸基[−SO3H]とする。 In order to introduce a sulfonic acid group into the grafted perforated film obtained above, the [—SO 2 X 1 ] group in the grafted molecular chain of the above (1) to (7) is 0.1N to 10N. The sulfonate [—SO 3 M] (in an aqueous solution of caustic potash (KOH) or caustic soda (NaOH) in a concentration, a water / alcohol solution, or a water / dimethyl sulfoxide solution is reacted at a temperature of room temperature to 100 ° C. or less. In the formula, M is an alkali metal and is Na or K.) Then, a sulfonic acid group is converted into a sulfonic acid group [—SO 3 H] at 60 ° C. in a 1N to 2N sulfuric acid solution. A membrane is obtained. In addition, the [—SO 3 R 1 ] group in the grafted molecular chain is hydrolyzed by reacting at a room temperature to 100 ° C. in an acidic solution such as a sulfuric acid solution having a concentration of 0.1N to 10N, or the same concentration. The polymer ion exchange membrane can be obtained by hydrolyzing it in a potassium hydroxide or sodium solution to form a sulfonic acid group [—SO 3 H]. Furthermore, the halogen group [—X 2 ] in the grafted molecular chain is reacted with an aqueous solution of sulfite or bisulfite, or in a water / alcohol solution, etc. to react with a sulfonate group [—SO 3 M] (formula M is an alkali metal which is Na or K.) Then, the sulfonate group is converted to a sulfonate group [—SO 3 H] in the same manner as described above.

上記(8)〜(10)のグラフトした分子鎖、又はグラフトした分子鎖中のフェニル基、ケトン、及びエーテル基は、クロルスルホン酸のジクロルエタン溶液やクロロホルム溶液を反応させることによって、グラフト鎖中にスルホン酸基を導入することができる。ケトン、及びエーテル基ではこれらの基やこの周辺の構造に対する脱塩酸反応によって、グラフト鎖中にスルホン酸基が導入される。芳香環を有する炭化水素系のフィルム基材ではクロルスルホン酸によるスルホン基の導入は基材自身もスルホン化されるので、この場合には特に架橋構造を有するフィルム基材が有効である。   The grafted molecular chain of (8) to (10) above, or the phenyl group, ketone, and ether group in the grafted molecular chain are reacted with a dichloroethane solution or a chloroform solution of chlorosulfonic acid in the graft chain. Sulfonic acid groups can be introduced. In the case of ketone and ether groups, a sulfonic acid group is introduced into the graft chain by dehydrochlorination reaction on these groups and the surrounding structure. In the case of a hydrocarbon-based film base material having an aromatic ring, introduction of a sulfone group by chlorosulfonic acid causes the base material itself to be sulfonated. In this case, a film base material having a crosslinked structure is particularly effective.

更に、(5)〜(7)により得られるグラフト鎖中のエステル基も、苛性ソーダ(NaOH)や苛性カリ(KOH)溶液との反応によってカルボキシル基とすることができる。カルボキシル基は、本発明により得られるイオン交換膜を燃料電池膜として用いた場合に、フィルム中の水分の保持にきわめて有用である。   Furthermore, the ester group in the graft chain obtained by (5) to (7) can also be converted to a carboxyl group by reaction with caustic soda (NaOH) or caustic potash (KOH) solution. The carboxyl group is extremely useful for retaining moisture in the film when the ion exchange membrane obtained by the present invention is used as a fuel cell membrane.

以上のグラフト反応を用いる場合とは別に、架橋構造を有しないか、又は架橋構造を有するポリフッ化ビニリデン、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、超高分子量ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリアミドである高分子フィルム基材に高エネルギー重イオンによる穿孔を行い、これにクロルスルホン酸を反応させてフィルム基材分子鎖中に直接、スルホン酸基[−SO3H]を導入して高分子イオン交換膜を製造しても良い。これは、上記の高分子フィルム基材では分子内に−CH2−CH2−単位やCH2−CF2−単位が存在し、重イオン照射によってフィルム内の照射損傷領域に多くの二重結合や三級炭素についた水素原子が生成する。そして、穿孔された孔の表面にもこれらの二重結合や三級炭素についた水素原子が多く残存し、これがクロルスルホン酸と反応して孔表面に高い濃度のスルホン酸基が固定されて、イオン交換能を示す高分子イオン交換膜が得られるためである。 Separately from the case of using the above graft reaction, a polymer that does not have a cross-linked structure or has a cross-linked structure, such as polyvinylidene fluoride, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, ultrahigh molecular weight polyethylene, polypropylene, polystyrene, and polyamide. Perforation with high-energy heavy ions is performed on the film substrate, and this is reacted with chlorosulfonic acid to introduce a sulfonic acid group [—SO 3 H] directly into the film substrate molecular chain to form a polymer ion exchange membrane. It may be manufactured. This is because in the above polymer film substrate, there are —CH 2 —CH 2 — units or CH 2 —CF 2 — units in the molecule, and many double bonds are present in the irradiation damaged region in the film by heavy ion irradiation. And hydrogen atoms attached to tertiary carbon. And many hydrogen atoms attached to these double bonds and tertiary carbon also remain on the surface of the perforated hole, which reacts with chlorosulfonic acid to fix a high concentration of sulfonic acid groups on the surface of the hole, This is because a polymer ion exchange membrane exhibiting ion exchange ability is obtained.

酸素プラズマを用いて高分子フィルム基材に微細な孔をあける場合には、通常の酸素プラズマ照射装置(例えば、AXIC社製、HF−8型リアクティブイオンエッチング装置)の試料台に微細孔の開いたSUS製金属マスクを貼りつけた厚さ50μm以下の高分子フィルム膜を置く。装置内を真空にして、例えば、酸素圧を200×10−3torrトール程度とし、電力300Wで酸素プラズマを照射する。おおよその穿孔速度は高分子フィルム基材の種類にも依るが2〜4μm/min程度であり、10〜25分程度で貫通孔が開く。高分子フィルムにグラフトモノマーがいくらか浸透する場合は貫通孔でなく、厚みを数μm残した非貫通孔でもよい。孔をあけた後、マスクを取り除き高分子フィルム膜をアセトンで洗浄後減圧乾燥して、放射線を照射してグラフト反応を行う。SUS製金属マスクは直径10μφの孔が約10個/cmあるものなどを用いる。酸素プラズマを用いて高分子フィルム基材に微細な孔をあけるもう一つの方法は、高分子フィルム基材にアルミニュウムを蒸着し、この上にホトレジストを塗って光によってホトレジストに直径数μmの多数の孔をあけ、これをマスクとしてアルミニュウム蒸着膜を酸でエッチングして孔を開ける。さらに、この微細孔のあるアルミ蒸着膜をマスクとして高分子フィルム基材を酸素プラズマでエッチングして多数の孔を開ける。最後に蒸着アルミニュウム膜を酸で除いて、直径数μmの多数の孔の開いた高分子フィルム基材を得る。酸素プラズマによる高分子フィルム基材の穿孔は、上に記載したフッ素系及び炭化水素系のすべての高分子フィルム基材に有効である。 When fine holes are made in a polymer film substrate using oxygen plasma, fine holes are formed on the sample stage of a normal oxygen plasma irradiation apparatus (for example, HF-8 type reactive ion etching apparatus manufactured by AXIC). A polymer film membrane having a thickness of 50 μm or less with an open SUS metal mask attached is placed. The inside of the apparatus is evacuated, for example, the oxygen pressure is set to about 200 × 10 −3 torr Torr, and oxygen plasma is irradiated at a power of 300 W. Although the approximate perforation speed depends on the type of polymer film substrate, it is about 2 to 4 μm / min, and the through-hole is opened in about 10 to 25 minutes. When some graft monomer penetrates into the polymer film, it may not be a through hole but a non-through hole having a thickness of several μm . After making the holes, the mask is removed, the polymer film is washed with acetone, dried under reduced pressure, and irradiated with radiation to carry out the graft reaction. As the SUS metal mask, one having about 10 5 holes / cm 2 having a diameter of 10 μm φ is used. Another method for making fine holes in a polymer film substrate using oxygen plasma is to deposit aluminum on the polymer film substrate, coat a photoresist on it, and apply light to the photoresist to form a large number of diameters of several μm. Using this as a mask, the aluminum deposited film is etched with acid to make a hole. Further, the polymer film substrate is etched with oxygen plasma using the aluminum deposited film having fine holes as a mask to open a large number of holes. Finally, the deposited aluminum film is removed with an acid to obtain a polymer film substrate having a large number of pores with a diameter of several μm . Perforation of the polymer film substrate by oxygen plasma is effective for all the fluorine-based and hydrocarbon-based polymer film substrates described above.

この酸素プラズマによって穿孔された高分子フィルム基材に、イオン穿孔高分子フィルム基材膜と同様に、上記のモノマー、及び、モノマー/コモノマー系を放射線でグラフトし、さらに、苛性カリ(KOH)若しくは苛性ソーダ(NaOH)溶液、又は亜硫酸塩若しくは亜硫酸水素塩の溶液による処理を行ってスルホン酸基を導入して高分子イオン交換膜を作製する。   In the same manner as the ion perforated polymer film substrate membrane, the above-mentioned monomer and monomer / comonomer system are grafted onto the polymer film substrate perforated by this oxygen plasma with radiation, and caustic potash (KOH) or caustic soda. Treatment with a (NaOH) solution, or a sulfite or bisulfite solution is performed to introduce sulfonic acid groups to produce a polymer ion exchange membrane.

本発明による高分子イオン交換膜はグラフト量やスルホン化反応量、即ち、導入されるスルホン酸基の量を制御することによって、得られる膜のイオン交換容量を変えることができる。グラフト反応は、グラフト率60〜80%で徐々に飽和してくる傾向を示す。本発明において、グラフト率は、フィルム基材に対し、10〜150%、より好ましくは15〜100%である。   The polymer ion exchange membrane according to the present invention can change the ion exchange capacity of the resulting membrane by controlling the graft amount and the sulfonation reaction amount, that is, the amount of sulfonic acid groups introduced. The graft reaction tends to be gradually saturated at a graft rate of 60 to 80%. In the present invention, the graft ratio is 10 to 150%, more preferably 15 to 100%, relative to the film substrate.

ここで、イオン交換容量とは、乾燥イオン交換膜の重量1g当たりのイオン交換基量(meq/g)である。グラフトモノマーの種類に依存するが、グラフト率が10%以下の場合はイオン交換容量が0.3meq/g以下であり、グラフト率が150%以上の場合は膜の膨潤が大きくなる。すなわち、グラフト率を高くしてイオン交換基を多く導入すれば、イオン交換容量は高くなる。しかし、イオン交換基量を多くしすぎると、含水時に膜が膨潤して膜の強度が低下する。これらのことから、本発明の高分子イオン交換膜においては、イオン交換容量は0.3meq/g〜2.5meq/g、好ましくは0.5meq/g〜2.0meq/gである。   Here, the ion exchange capacity is the amount of ion exchange groups (meq / g) per gram of weight of the dry ion exchange membrane. Depending on the type of graft monomer, when the graft rate is 10% or less, the ion exchange capacity is 0.3 meq / g or less, and when the graft rate is 150% or more, the swelling of the membrane increases. That is, the ion exchange capacity is increased by increasing the graft ratio and introducing more ion exchange groups. However, if the amount of ion-exchange groups is excessively large, the membrane swells when it contains water and the strength of the membrane decreases. From these, in the polymer ion exchange membrane of the present invention, the ion exchange capacity is 0.3 meq / g to 2.5 meq / g, preferably 0.5 meq / g to 2.0 meq / g.

本発明の高分子イオン交換膜においては、グラフト基材の選択、導入するスルホン酸基の量やグラフトモノマーの分子構造によって、膜の含水率を制御することができる。この膜を燃料電池用イオン交換膜として使用する場合、含水率が低すぎると運転条件のわずかな変化によって電気伝導度やガス透過係数が変わり好ましくない。従来のナフィオン膜は分子鎖のほとんどが−CF2−で構成されているために、80℃以上の高い温度で電池を作動させると膜中に水分子が不足し、膜の導電率が急速に低下する。 In the polymer ion exchange membrane of the present invention, the water content of the membrane can be controlled by selecting the graft substrate, the amount of sulfonic acid groups to be introduced, and the molecular structure of the graft monomer. When this membrane is used as an ion exchange membrane for a fuel cell, if the water content is too low, the electrical conductivity and gas permeability coefficient change due to slight changes in operating conditions, which is not preferable. Since conventional Nafion membranes are mostly composed of —CF 2 —, when the battery is operated at a high temperature of 80 ° C. or higher, water molecules are insufficient in the membrane, and the conductivity of the membrane rapidly increases. descend.

これに対し、本発明のイオン交換膜は、グラフト鎖にスルホン酸基の他にカルボキシル基などの親水基や炭化水素構造を導入することができるため、含水率は、主にスルホン酸基の量によるが、10〜120重量(wt)%の範囲で制御することができる。一般的には、イオン交換容量が増すにつれて含水率も増大するが、本発明のイオン交換膜の含水率は、10〜120wt%、好ましくは20〜80wt%とすることができる。   In contrast, the ion exchange membrane of the present invention can introduce a hydrophilic group such as a carboxyl group or a hydrocarbon structure in addition to the sulfonic acid group into the graft chain, so that the water content is mainly the amount of the sulfonic acid group. However, it can be controlled in the range of 10 to 120% by weight (wt). In general, the water content increases as the ion exchange capacity increases, but the water content of the ion exchange membrane of the present invention can be 10 to 120 wt%, preferably 20 to 80 wt%.

また、本発明の高分子膜は、微細孔内へのグラフト重合により約2.5meq/gのイオン交換容量まで多量にスルホン酸基を導入しても、膜の力学特性や寸法安定性が保たれ、実用に供することができる。高いイオン交換容量と膜の力学的特性の優れた膜は実用上極めて重要である。   The polymer membrane of the present invention maintains the mechanical properties and dimensional stability of the membrane even when a large amount of sulfonic acid groups are introduced up to an ion exchange capacity of about 2.5 meq / g by graft polymerization into the micropores. It can be used practically. Membranes with high ion exchange capacity and excellent mechanical properties are extremely important for practical use.

高分子イオン交換膜は、イオン交換容量とも関係する電気伝導度が高いものほど電気抵抗が小さく、電解質膜としての性能はすぐれている。しかし、25℃におけるイオン交換膜の電気伝導度が0.05(Ω・cm)-1以下である場合は、燃料電池としての出力性能が著しく低下する場合が多いため、イオン交換膜の電気伝導度は0.05(Ω・cm)-1以上、より高性能のイオン交換膜では0.10(Ω・cm)-1以上に設計されていることが多い。本発明によるイオン交換膜では25℃におけるイオン交換膜の電気伝導度がナフィオン(登録商標)膜と同等かそれよりも高い値が得られた。これはイオンの伝達する経路が微細孔内のグラフト領域に限られているため、イオンの伝達が比較的に高くなったと思われる。 The higher the electric conductivity related to the ion exchange capacity of the polymer ion exchange membrane, the smaller the electric resistance and the better the performance as an electrolyte membrane. However, when the electric conductivity of the ion exchange membrane at 25 ° C. is 0.05 (Ω · cm) −1 or less, the output performance as a fuel cell is often significantly reduced. In many cases, the degree is designed to be 0.05 (Ω · cm) −1 or more, and 0.10 (Ω · cm) −1 or more for higher performance ion exchange membranes. In the ion exchange membrane according to the present invention, the electric conductivity of the ion exchange membrane at 25 ° C. was equal to or higher than that of the Nafion (registered trademark) membrane. This is probably because ion transmission is relatively high because the ion transmission path is limited to the graft region in the micropores.

イオン交換膜の電気伝導度を高めるため、イオン交換膜の厚みを薄くすることも考えられる。しかし現状では、過度に薄いイオン交換膜では破損しやすく、イオン交換膜自体の製作が困難である。したがって、通常では30〜200μmのイオン交換膜が使われている。本発明の場合、膜厚は10〜200μm、好ましくは20〜150μmの範囲のものが有効である。   In order to increase the electric conductivity of the ion exchange membrane, it is also conceivable to reduce the thickness of the ion exchange membrane. However, at present, an excessively thin ion exchange membrane is easily damaged, and it is difficult to manufacture the ion exchange membrane itself. Therefore, an ion exchange membrane of 30 to 200 μm is usually used. In the case of the present invention, a film thickness of 10 to 200 μm, preferably 20 to 150 μm is effective.

燃料電池膜においては、現在、燃料の候補の一つとして考えられているメタノールがあるが、パーフルオロスルホン酸膜であるナフィオン(登録商標)膜は分子間の架橋構造がないためにメタノールによって大きく膨潤し、燃料であるメタノールが電池膜を通してアノード(燃料極)からカソード(空気極)へと拡散する燃料のクロスオーバーが、発電効率を低下させるとして大きな問題となっている。しかし、本発明による高分子イオン交換膜では、フィルム基材がメタノールを透過しないものであれば、水素イオンの移動は穿孔内のスルホン酸化されたグラフト鎖を通して起こるのでメタノールを含めたアルコール類による膜の膨潤はほとんど認められない。このため、改質器を用いずにメタノールを直接燃料とするダイレクト・メタノール型燃料電池(Direct methanol Fuel cell)の膜として有用である。 In the fuel cell membrane, there is methanol which is currently considered as one of the fuel candidates, but the Nafion (registered trademark) membrane, which is a perfluorosulfonic acid membrane, is greatly increased by methanol because there is no intermolecular cross-linking structure. The fuel crossover that swells and diffuses methanol, which is fuel, from the anode (fuel electrode) to the cathode (air electrode) through the cell membrane is a serious problem as it reduces power generation efficiency. However, in the polymer ion exchange membrane according to the present invention, if the film substrate does not permeate methanol, the movement of hydrogen ions occurs through the sulfonated graft chains in the perforations, so the membrane is made of alcohols including methanol. Almost no swelling is observed. For this reason, it is useful as a membrane of a direct methanol fuel cell using methanol directly as a fuel without using a reformer.

燃料電池膜においては、膜の耐酸化性は膜の耐久性(寿命)に関係する極めて重要な特性である。これは電池稼働中に発生するOHラジカル等がイオン交換膜を攻撃して、膜を劣化させるものである。高分子フィルムに炭化水素系のスチレンをグラフトした後、ポリスチレングラフト鎖をスルホン化して得た高分子イオン交換膜の耐酸化性は極めて低い。例えば、グラフト率93%のポリスチレン鎖をスルホン化したポリスチレングラフト架橋フッ素樹脂イオン交換膜は、80℃の3%過酸化水素水溶液中、約60分でイオン交換膜が劣化し、イオン交換容量がほぼ半分となる(比較例3)。これは、OHラジカルの攻撃によって、ポリスチレン鎖が容易に分解するためである。   In a fuel cell membrane, the oxidation resistance of the membrane is a very important characteristic related to the durability (life) of the membrane. This is because OH radicals and the like generated during battery operation attack the ion exchange membrane and deteriorate the membrane. A polymer ion exchange membrane obtained by grafting hydrocarbon-based styrene to a polymer film and then sulfonating polystyrene graft chains has extremely low oxidation resistance. For example, a polystyrene graft-crosslinked fluororesin ion exchange membrane sulfonated with a polystyrene chain having a graft rate of 93% deteriorates in about 60 minutes in an aqueous 3% hydrogen peroxide solution at 80 ° C. It becomes half (Comparative Example 3). This is because the polystyrene chain is easily decomposed by the attack of OH radicals.

これに対し、本発明による高分子イオン交換膜は、グラフト鎖がフッ素系モノマーの重合体、ないしは、炭化水素系モノマーの高度架橋体であり、しかも、グラフト体が極微細な穿孔内にあるため耐酸化性がきわめて高く、80℃の3%過酸化水素水溶液中に24時間以上置いてもイオン交換容量はほとんど変化しない。   In contrast, in the polymer ion exchange membrane according to the present invention, the graft chain is a polymer of a fluorinated monomer or a highly cross-linked product of a hydrocarbon monomer, and the graft is in extremely fine perforations. Oxidation resistance is extremely high, and the ion exchange capacity hardly changes even when placed in a 3% hydrogen peroxide aqueous solution at 80 ° C. for 24 hours or more.

以上のように、本発明の高分子イオン交換膜は優れた寸法安定性や耐酸化性、耐メタノール性を有すると共に、膜としての重要な特性であるイオン交換容量を0.3〜2.5meq/gの広い範囲に制御できる。   As described above, the polymer ion exchange membrane of the present invention has excellent dimensional stability, oxidation resistance, and methanol resistance, and has an ion exchange capacity of 0.3 to 2.5 meq, which is an important characteristic of the membrane. / G can be controlled in a wide range.

以下、本発明を実施例及び比較例により説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。なお、各測定値は以下の測定によって求めた。
(1)グラフト率
フィルム基材を主鎖部、フッ素モノマーやこれらと炭化水素系モノマー等とのグラフト重合した部分をグラフト鎖部とすると、主鎖部に対するグラフト鎖部の重量比は、次式のグラフト率(Xdg(重量%))として表される。
Hereinafter, although an example and a comparative example explain the present invention, the present invention is not limited to this. In addition, each measured value was calculated | required by the following measurements.
(1) Graft ratio When the film base is a main chain part, and a graft polymerized part of a fluorine monomer or a hydrocarbon monomer and the like is a graft chain part, the weight ratio of the graft chain part to the main chain part is as follows: It is expressed as a graft ratio (X dg (% by weight)).

Figure 0004670073
Figure 0004670073

(2)イオン交換容量
膜のイオン交換容量(Iex(meq/g))は次式で表される。
(2) Ion Exchange Capacity The ion exchange capacity (I ex (meq / g)) of the membrane is expressed by the following equation.

Figure 0004670073
Figure 0004670073

n(酸基)obsの測定は、正確を期すため、膜を再度1M(1モル)硫酸溶液中に50℃で4時間浸漬し、完全に酸型(H型)とした。その後、3MのNaCl水溶液中50℃、4時間浸漬して−SO3Na型とし、置換されたプロトン(H+)を0.2NのNaOHで中和滴定し酸基濃度を求めた。 For the measurement of n (acid group) obs , the membrane was again immersed in a 1 M (1 mol) sulfuric acid solution at 50 ° C. for 4 hours for complete accuracy, so that the acid form (H form) was completely obtained. Then, it was immersed in a 3 M NaCl aqueous solution at 50 ° C. for 4 hours to form —SO 3 Na type, and the substituted proton (H + ) was neutralized with 0.2 N NaOH to determine the acid group concentration.

(3)含水率
室温で水中に保存しておいたH型のイオン交換膜を水中から取り出し軽くふき取った後(約1分後)の膜の重量をWs(g)とし、その後、この膜を60℃にて16時間、真空乾燥した時の膜の重量Wd(g)を乾燥重量とすると、Ws、Wdから次式により含水率が求められる。
(3) Moisture content After removing the H-type ion exchange membrane stored in water at room temperature from the water and wiping it lightly (after about 1 minute), the weight of the membrane is defined as W s (g). When the weight W d (g) of the film when vacuum-dried at 60 ° C. for 16 hours is defined as the dry weight, the water content can be obtained from W s and W d by the following equation.

Figure 0004670073
Figure 0004670073

(4)電気伝導度
イオン交換膜の電気伝導性は、交流法による測定(新実験化学講座19、高分子化学〈II
〉、p. 992,丸善)で、通常の膜抵抗測定セルとヒュ−レットパッカード製のLCRメータ、E-4925Aを使用して膜抵抗(Rm)の測定を行った。1M硫酸水溶液をセルに満たして膜の有無による白金電極間(距離5mm)の抵抗を測定し、膜の電気伝導度(比伝導度)は次式を用いて算出した。
(4) Electrical conductivity The electrical conductivity of ion-exchange membranes was measured by the AC method (New Experimental Chemistry Course 19, Polymer Chemistry <II
>, P. 992, Maruzen), the membrane resistance (R m ) was measured using a normal membrane resistance measuring cell, a Hewlett Packard LCR meter, E-4925A. The cell was filled with a 1M aqueous sulfuric acid solution, and the resistance between platinum electrodes (distance 5 mm) depending on the presence or absence of the film was measured. The electric conductivity (specific conductivity) of the film was calculated using the following equation.

Figure 0004670073
Figure 0004670073

電気伝導度測定値の比較のために、直流法でMark W. Verbrugge, Robert F. Hill等(J. Electrochem. Soc., 137, 3770-3777(1990))と類似のセル及びポテンショスタット、関数発生器を用いて測定した。交流法と直流法の測定値には良い相関性が見られた。下記の表1の値は交流法による測定値である。 Cell and potentiostats and functions similar to those of Mark W. Verbrugge, Robert F. Hill et al. (J. Electrochem. Soc., 137 , 3770-3777 (1990)) by DC method for comparison of electrical conductivity measurements. Measured using a generator. There was a good correlation between the measured values of the AC and DC methods. The values in Table 1 below are measured values by the AC method.

(5)耐酸化性(重量残存率%)
60℃で16時間真空乾燥後のイオン交換膜の重量をW3とし、80℃の3%過酸化水素溶液に24時間処理したイオン交換膜の乾燥後重量をW4とする。
(5) Oxidation resistance (weight residual rate%)
The weight of the ion exchange membrane after vacuum drying at 60 ° C. for 16 hours is defined as W 3, and the weight after drying of the ion exchange membrane treated with a 3% hydrogen peroxide solution at 80 ° C. for 24 hours is defined as W 4 .

Figure 0004670073
Figure 0004670073

(6)膜の長さ膨潤度(%)
スルホン酸型膜の室温における湿潤状態(水)の膜の一辺の長さをL0とし、膜を所定の条件にてメタノール溶液に浸漬した後、室温におけるメタノール溶液湿潤状態での膜の同じ片の長さをLMとすると
(6) Film length swelling degree (%)
The length of one side of a sulfonic acid type membrane in a wet state (water) at room temperature is L 0 , and the membrane is immersed in a methanol solution under predetermined conditions, and then the same piece of the membrane in a methanol solution wet state at room temperature If the length of L is L M

Figure 0004670073
Figure 0004670073

(実施例1)
架橋したポリフッ化ビニリデンフィルム基材(以下PVDFと略す)を得るために以下の照射を行った。厚さ25μmのポリフッ化ビニリデンフィルムフィルム(クレハ化学製)の10cmx10cmをSUS製オートクレーブ照射容器(内径7cmφx高さ30cm)に入れ、容器内を10-3Torrに脱気してアルゴンガスに置換した。その後、60Co−γ線を室温にて線量率5kGy/hで線量500kGy(100時間)照射した。照射PVDFフィルムの架橋状態はジメチルホルムアミド溶媒でゲル化率を測定したところ80%であった。
Example 1
In order to obtain a crosslinked polyvinylidene fluoride film substrate (hereinafter abbreviated as PVDF), the following irradiation was performed. 10 cm × 10 cm of a 25 μm-thick polyvinylidene fluoride film film (manufactured by Kureha Chemical) was placed in a SUS autoclave irradiation container (inner diameter 7 cmφ × height 30 cm), and the inside of the container was degassed to 10 −3 Torr and replaced with argon gas. Thereafter, 60 Co-γ rays were irradiated at a dose rate of 5 kGy / h and a dose of 500 kGy (100 hours) at room temperature. The crosslinked state of the irradiated PVDF film was 80% when the gelation rate was measured with a dimethylformamide solvent.

得られた架橋PVDFをAVFサイクロトロン加速器(原研、高崎研)のビームラインにある照射装置(内径60cmφ×高さ100cm)内の照射台に取付け、容器内を10−6Torrに脱気して、450MeVのXe(キセノン)イオンを3×10個/cm量照射した。照射容器からフィルムを取りだし、9NのKOH水溶液に60℃、100時間浸漬して、イオン照射による照射損傷部位をエッチングした。十分水洗後、乾燥して、走査型電子顕微鏡で孔の平均の大きさを測定したところ0.4μmであった。 The obtained cross-linked PVDF was attached to an irradiation stand in an irradiation device (inner diameter 60 cmφ × height 100 cm) in the beam line of the AVF cyclotron accelerator (JAERI, Takasaki Lab), and the inside of the container was deaerated to 10 −6 Torr, 450 x MeV Xe (xenon) ions were irradiated in an amount of 3 × 10 8 ions / cm 2 . The film was taken out from the irradiation container and immersed in a 9N KOH aqueous solution at 60 ° C. for 100 hours to etch the irradiation damage site by ion irradiation. After sufficiently washing with water and drying, the average size of the pores was measured with a scanning electron microscope and found to be 0.4 μm .

この穿孔PVDFフィルム基材を2cmx2cmに切断しコック付きのガラス製セパラブル容器(内径3cmφx15cm高さ)に入れて、さらに、1,2,2-トリフルオロエチレンスルホニルフルオライド(CF2=CF(SO2F))をフィルムが浸るまで入れ、凍結脱気を繰り返してモノマー液体や穿孔フィルム中の空気を除いた。最後に、ガラス容器内をアルゴンガスで置換して密封した。この状態で穿孔PVDFフィルムに、γ線(線量率10kGy/h)を300kGy室温で照射した。照射後、さらに60℃にして24時間反応させ、トルエン、ついでアセトンで洗浄し、フィルムを乾燥した。式(1)によって求めたグラフト率は18%であった。 This perforated PVDF film substrate is cut into 2 cm × 2 cm, put into a glass separable container with a cock (inner diameter 3 cmφ × 15 cm height), and further 1,2,2-trifluoroethylenesulfonyl fluoride (CF 2 ═CF (SO 2 F)) was added until the film was immersed, and freeze deaeration was repeated to remove monomer liquid and air in the perforated film. Finally, the inside of the glass container was replaced with argon gas and sealed. In this state, the perforated PVDF film was irradiated with gamma rays (dose rate 10 kGy / h) at 300 kGy at room temperature. After irradiation, the mixture was further reacted at 60 ° C. for 24 hours, washed with toluene and then with acetone, and the film was dried. The graft ratio determined by the formula (1) was 18%.

このグラフト穿孔PVDFフィルムを20重量%、KOHのジメチルスルホオキシド/水(1:2)溶液、80℃で24時間反応させた。反応後、膜を取り出し、水洗し、2Nの硫酸溶液中、60℃で4時間処理した。本実施例で得られた膜のグラフト率、イオン交換容量(式(2))、含水率(式(3))、及び、電気伝導度(式(4))を下記の表1に示す。   This graft perforated PVDF film was reacted at 20% by weight in a dimethyl sulfoxide / water (1: 2) solution of KOH at 80 ° C. for 24 hours. After the reaction, the membrane was taken out, washed with water, and treated in a 2N sulfuric acid solution at 60 ° C. for 4 hours. Table 1 below shows the graft ratio, ion exchange capacity (formula (2)), moisture content (formula (3)), and electrical conductivity (formula (4)) of the membrane obtained in this example.

(実施例2)
厚さ38μmのポリエチレンテレフタレートフィルム(ヘキスト社製、以下PETと略す)を、実施例1と同様にAVFサイクロトロン加速器(原研、高崎研)のビームラインにある照射装置(内径60cmφ×高さ100cm)内の照射台に取付け、容器内を10−6Torrに脱気して、450MeVのXe(キセノン)イオンを3×10個/cm量照射した。照射容器からフィルムを取りだし、0.2NのNaOH水溶液に70℃、17時間浸漬して、イオン照射による照射損傷部位をエッチングした。十分水洗後、乾燥して、走査型電子顕微鏡で孔の平均の大きさを測定したところ0.5μmであった。
(Example 2)
A polyethylene terephthalate film (made by Hoechst, hereinafter abbreviated as PET) having a thickness of 38 μm is placed in an irradiation apparatus (inner diameter: 60 cmφ × height: 100 cm) in the beam line of the AVF cyclotron accelerator (JAERI, Takasaki Lab) as in Example 1. The container was evacuated to 10 −6 Torr, and 450 MeV Xe (xenon) ions were irradiated in an amount of 3 × 10 8 ions / cm 2 . The film was taken out from the irradiation container and immersed in a 0.2N NaOH aqueous solution at 70 ° C. for 17 hours to etch a portion damaged by irradiation with ions. After sufficiently washing with water and drying, the average size of the pores was measured with a scanning electron microscope and found to be 0.5 μm .

得られた穿孔ポリエチレンテレフタレートフィルム基材を2cmx2cmに切断しコック付きのガラス製セパラブル容器(内径3cmφx15cm高さ)に入れて、さらに、3-クロル-2,2,3,3-テトラフルオロプロピオキシトリフルオロエチレン(CF2=CF(OCH2(CF2)2Cl))をフィルムが浸るまで入れ、凍結脱気を繰り返してモノマー液体や穿孔フィルム中の空気を除いた。最後に、ガラス容器内をアルゴンガスで置換して密封した。この状態で穿孔ポリエチレンテレフタレートフィルムに、γ線(線量率10kGy/h)を300kGy室温で照射した。照射後、さらに60℃にして24時間反応させ、トルエンついでアセトンで洗浄し、フィルムを乾燥した。式(1)によって求めたグラフト率は38%であった。 The obtained perforated polyethylene terephthalate film substrate was cut to 2 cm x 2 cm and placed in a glass separable container with a cock (inner diameter 3 cm φ x 15 cm height), and further, 3-chloro-2,2,3,3-tetrafluoropropoxyoxytri Fluoroethylene (CF 2 = CF (OCH 2 (CF 2 ) 2 Cl)) was added until the film was immersed, and freeze deaeration was repeated to remove monomer liquid and air in the perforated film. Finally, the inside of the glass container was replaced with argon gas and sealed. In this state, the perforated polyethylene terephthalate film was irradiated with gamma rays (dose rate 10 kGy / h) at 300 kGy at room temperature. After irradiation, the mixture was further reacted at 60 ° C. for 24 hours, washed with toluene and then with acetone, and the film was dried. The graft ratio determined by the formula (1) was 38%.

このグラフトポリエチレンテレフタレート膜を耐圧オートクレーブに入れ、これに亜硫酸ナトリウム(NaSO)の20wt%水溶液にイソプロパノール(1:3(水))を加えた溶液で膜を浸し、簡単にバブリングして空気を窒素に置換した。このオートクレーブを120℃のオイルバスに入れ、30分間反応させた。冷却後、膜をオートクレーブから取り出し、水洗し、2Nの硫酸溶液中、60℃で4時間処理した。本実施例で得られた膜のグラフト率、イオン交換容量、含水率、および、電気伝導度を表1に示す。
(実施例3)
実施例1と同様にして、450MeVのXe(キセノン)イオンを3×10個/cm量照射した後、同様にエッチング処理して穿孔PVDFフィルムを作製した。
The grafted polyethylene terephthalate membrane is placed in a pressure-resistant autoclave, and the membrane is immersed in a solution obtained by adding isopropanol (1: 3 (water)) to a 20 wt% aqueous solution of sodium sulfite (Na 2 SO 3 ). Was replaced with nitrogen. This autoclave was placed in a 120 ° C. oil bath and allowed to react for 30 minutes. After cooling, the membrane was removed from the autoclave, washed with water, and treated in a 2N sulfuric acid solution at 60 ° C. for 4 hours. Table 1 shows the graft ratio, ion exchange capacity, moisture content, and electrical conductivity of the membrane obtained in this example.
(Example 3)
In the same manner as in Example 1, after irradiating 450 MeV of Xe (xenon) ions in an amount of 3 × 10 8 ions / cm 2 , etching treatment was performed in the same manner to produce a perforated PVDF film.

得られた穿孔PVDFフィルムを2cmx2cmに切断しコック付きのガラス製セパラブル容器(内径3cmφx15cm高さ)に入れて、さらに、1,2,2-トリフルオロエチレンスルホニルフルオライド(CF2=CFSO2F)とメチル-1,2,2-トリフルオロアクリレート(CF2=CFCOOCH3)を容量比3:2に混合した溶液をフィルムが浸るまで入れ、凍結脱気を繰り返してモノマー液体や穿孔フィルム中の空気を除いた。最後に、ガラス容器内をアルゴンガスで置換して密封した。この状態で穿孔PVDFフィルムに、γ線(線量率10kGy/h)を160kGy室温で照射した。照射後、さらに60℃にして24時間反応させた。反応後、トルエン、ついでアセトンで洗浄し、乾燥した。以下の式(1)によって求めたグラフト率は26%であった。 The obtained perforated PVDF film was cut to 2 cm x 2 cm and placed in a glass separable container with a cock (inner diameter 3 cm φ x 15 cm height), and further 1,2,2-trifluoroethylenesulfonyl fluoride (CF 2 = CFSO 2 F) And a solution of methyl-1,2,2-trifluoroacrylate (CF 2 = CFCOOCH 3 ) mixed in a volume ratio of 3: 2 until the film is immersed, and freeze degassing is repeated until the monomer liquid or air in the perforated film Was excluded. Finally, the inside of the glass container was replaced with argon gas and sealed. In this state, the perforated PVDF film was irradiated with γ rays (dose rate 10 kGy / h) at 160 kGy at room temperature. After irradiation, the mixture was further reacted at 60 ° C. for 24 hours. After the reaction, it was washed with toluene and then with acetone and dried. The graft ratio determined by the following formula (1) was 26%.

このグラフト穿孔PVDFフィルムを20重量%、KOHのジメチルスルホオキシド/水(1:2)溶液、80℃で24時間反応させた。反応後、膜を取り出し、水洗し、2Nの硫酸溶液中、60℃で4時間処理した。本実施例で得られた膜のグラフト率、イオン交換容量(式(2))、含水率(式(3))、及び、電気伝導度(式(4))を下記の表1に示す。
(実施例4)
実施例2と同様にして、450MeVのXe(キセノン)イオンを3×10個/cm量照射した後、同様にエッチング処理して穿孔PVDFフィルムを作製した。
This graft-perforated PVDF film was reacted at 20% by weight in a dimethyl sulfoxide / water (1: 2) solution of KOH at 80 ° C. for 24 hours. After the reaction, the membrane was taken out, washed with water, and treated in a 2N sulfuric acid solution at 60 ° C. for 4 hours. Table 1 below shows the graft ratio, ion exchange capacity (formula (2)), moisture content (formula (3)), and electrical conductivity (formula (4)) of the membrane obtained in this example.
Example 4
In the same manner as in Example 2, after irradiating 450 MeV of Xe (xenon) ions in an amount of 3 × 10 8 ions / cm 2 , etching treatment was performed in the same manner to produce a perforated PVDF film.

得られた穿孔PETフィルム基材を2cmx2cmに切断しコック付きのガラス製セパラブル容器(内径3cmφx15cm高さ)に入れて、さらに、1,2,2-トリフルオロエチレンスルホニルフルオライド(CF2=CFSO2F)とメチル-1-フルオロアクリレート(CH2=CFCOOCH3)を容量比3:1に混合した溶液をフィルムが浸るまで入れ、凍結脱気を繰り返してモノマー液体や穿孔フィルム中の空気を除いた。最後に、ガラス容器内をアルゴンガスで置換して密封した。この状態で穿孔PETフィルムに、γ線(線量率10kGy/h)を100kGy室温で照射した。照射後、さらに60℃にして24時間反応させた。反応後、トルエン、ついでアセトンで洗浄し、乾燥した。以下の式(1)によって求めたグラフト率は48%であった。 The obtained perforated PET film substrate was cut into 2 cm × 2 cm, put into a glass separable container (inner diameter 3 cmφ × 15 cm height) with a cock, and further 1,2,2-trifluoroethylenesulfonyl fluoride (CF 2 = CFSO 2 F) and methyl-1-fluoroacrylate (CH 2 = CFCOOCH 3 ) mixed in a volume ratio of 3: 1 were added until the film was immersed, and freeze deaeration was repeated to remove monomer liquid and air in the perforated film. . Finally, the inside of the glass container was replaced with argon gas and sealed. In this state, the perforated PET film was irradiated with gamma rays (dose rate 10 kGy / h) at 100 kGy at room temperature. After irradiation, the mixture was further reacted at 60 ° C. for 24 hours. After the reaction, it was washed with toluene and then with acetone and dried. The graft ratio determined by the following formula (1) was 48%.

このグラフト穿孔PETフィルムを2NのメタノールKOH溶液で12時間処理後、硫酸溶液で処理した。本実施例で得られた膜のグラフト率、イオン交換容量(式(2))、含水率(式(3))、及び、電気伝導度(式(4))を下記の表1に示す。
(実施例5)
実施例1と同様にして、450MeVのXe(キセノン)イオンを3×10個/cm量照射した後、同様にエッチング処理して穿孔PVDFフィルムを作製した。
This graft-perforated PET film was treated with a 2N methanol KOH solution for 12 hours and then with a sulfuric acid solution. Table 1 below shows the graft ratio, ion exchange capacity (formula (2)), moisture content (formula (3)), and electrical conductivity (formula (4)) of the membrane obtained in this example.
(Example 5)
In the same manner as in Example 1, after irradiating 450 MeV of Xe (xenon) ions in an amount of 3 × 10 8 ions / cm 2 , etching treatment was performed in the same manner to produce a perforated PVDF film.

得られた穿孔PVDFフィルムを2cmx2cmに切断しコック付きのガラス製セパラブル容器(内径3cmφx15cm高さ)に入れて、さらに、2-ブロモ-1,1,2,2-テトラフルオロエトキシトリフルオロエチレン(CF2=CF(O(CF2)2Br))とメチル-1,2,2-トリフルオロアクリレート(CF2=CFCOOCH3)を容量比3:2に混合した溶液をフィルムが浸るまで入れ、凍結脱気を繰り返してモノマー液体や穿孔フィルム中の空気を除いた。最後に、ガラス容器内をアルゴンガスで置換して密封した。この状態で穿孔PVDFフィルムに、γ線(線量率10kGy/h)を200kGy室温で照射した。照射後、さらに60℃にして24時間反応させた。反応後、トルエン、ついでアセトンで洗浄し、乾燥した。以下の式(1)によって求めたグラフト率は23%であった。 The obtained perforated PVDF film was cut into 2 cm × 2 cm, put into a glass separable container (inner diameter 3 cmφ × 15 cm height) with a cock, and further, 2-bromo-1,1,2,2-tetrafluoroethoxytrifluoroethylene (CF 2 = CF (O (CF 2 ) 2 Br)) and methyl-1,2,2-trifluoroacrylate (CF 2 = CFCOOCH 3 ) mixed in a volume ratio of 3: 2 is added until the film is immersed and frozen. Degassing was repeated to remove monomer liquid and air in the perforated film. Finally, the inside of the glass container was replaced with argon gas and sealed. In this state, the perforated PVDF film was irradiated with γ rays (dose rate 10 kGy / h) at 200 kGy at room temperature. After irradiation, the mixture was further reacted at 60 ° C. for 24 hours. After the reaction, it was washed with toluene and then with acetone and dried. The graft ratio determined by the following formula (1) was 23%.

このグラフトPVDF膜を耐圧オートクレーブに入れ、これに亜硫酸ナトリウム(NaSO)の20wt%水溶液にイソプロパノール(1:3(水))を加えた溶液で膜を浸し、簡単にバブリングして空気を窒素に置換した。このオートクレーブを120℃のオイルバスに入れ、30分間反応させた。冷却後、膜をオートクレーブから取り出し、水洗し、2Nの硫酸溶液中、60℃で4時間処理した。本実施例で得られた膜のグラフト率、イオン交換容量、含水率、および、電気伝導度を表1に示す。
(実施例6)
実施例2と同様にして、PETフィルム基材に500MeV、Au(金)イオンを3×10個/cm量照射した。照射容器からフィルムを取りだし、0.2NのNaOH水溶液に70℃、17時間浸漬して、イオン照射による照射損傷部位をエッチングした。十分水洗後、乾燥して、走査型電子顕微鏡で孔の平均の大きさを測定したところ0.6μmであった。
The grafted PVDF membrane is placed in a pressure-resistant autoclave, and the membrane is immersed in a solution obtained by adding isopropanol (1: 3 (water)) to a 20 wt% aqueous solution of sodium sulfite (Na 2 SO 3 ). Replaced with nitrogen. This autoclave was placed in a 120 ° C. oil bath and allowed to react for 30 minutes. After cooling, the membrane was removed from the autoclave, washed with water, and treated in a 2N sulfuric acid solution at 60 ° C. for 4 hours. Table 1 shows the graft ratio, ion exchange capacity, moisture content, and electrical conductivity of the membrane obtained in this example.
(Example 6)
In the same manner as in Example 2, the PET film substrate was irradiated with 3 × 10 8 ions / cm 2 of 500 MeV and Au (gold) ions. The film was taken out from the irradiation container and immersed in a 0.2N NaOH aqueous solution at 70 ° C. for 17 hours to etch a portion damaged by irradiation with ions. After sufficiently washing with water and drying, the average size of the pores was measured with a scanning electron microscope and found to be 0.6 μm .

得られた穿孔PETフィルム基材を2cmx2cmに切断し、コック付きの耐圧ガラス製セパラブル容器(内径3cmφx15cm高さ)に入れて、さらに、2-ブロモ-1,1,2,2-テトラフルオロエトキシトリフルオロエチレン(CF2=CF(O(CF2)2Br))とメチル-1-フルオロアクリレート(CH2=CFCOOCH3)を容量比3:2に混合した溶液をフィルムが浸るまで入れ、凍結脱気を繰り返してモノマー液体や穿孔フィルム中の空気を除いた。最後に、ガラス容器内をアルゴンガスで置換して密封した。この状態で穿孔PETフィルムに、γ線(線量率10kGy/h)を200kGy室温で照射した。照射後、さらに60℃にして24時間反応させた。反応後、トルエン、ついでアセトンで洗浄し、乾燥した。以下の式(1)によって求めたグラフト率は56%であった。 The perforated PET film base material obtained was cut into 2cmx2cm, placed in a pressure-resistant glass separable container with a cock (inner diameter 3cmφx15cm height), and 2-bromo-1,1,2,2-tetrafluoroethoxytri A solution prepared by mixing fluoroethylene (CF 2 ═CF (O (CF 2 ) 2 Br)) and methyl-1-fluoroacrylate (CH 2 ═CFCOOCH 3 ) in a volume ratio of 3: 2 is added until the film is immersed, Repeatedly, the monomer liquid and air in the perforated film were removed. Finally, the inside of the glass container was replaced with argon gas and sealed. In this state, the perforated PET film was irradiated with γ rays (dose rate 10 kGy / h) at 200 kGy at room temperature. After irradiation, the mixture was further reacted at 60 ° C. for 24 hours. After the reaction, it was washed with toluene and then with acetone and dried. The graft ratio determined by the following formula (1) was 56%.

このグラフト穿孔PET膜を耐圧オートクレーブに入れ、これに亜硫酸ナトリウム(NaSO)の20wt%水溶液にイソプロパノール(1:3(水))を加えた溶液で膜を浸し、簡単にバブリングして空気を窒素に置換した。このオートクレーブを120℃のオイルバスに入れ、30分間反応させた。冷却後、膜をオートクレーブから取り出し、水洗し、2Nの硫酸溶液中、60℃で4時間処理した。本実施例で得られた膜のグラフト率、イオン交換容量、含水率、および、電気伝導度を表1に示す。
(実施例7)
実施例1と同様にして、450MeVのXe(キセノン)イオンを3×10個/cm量照射した後、同様にエッチング処理して穿孔PVDFフィルムを作製した。
This graft-perforated PET film is placed in a pressure-resistant autoclave, and the film is immersed in a solution obtained by adding isopropanol (1: 3 (water)) to a 20 wt% aqueous solution of sodium sulfite (Na 2 SO 3 ). Was replaced with nitrogen. This autoclave was placed in a 120 ° C. oil bath and allowed to react for 30 minutes. After cooling, the membrane was removed from the autoclave, washed with water, and treated in a 2N sulfuric acid solution at 60 ° C. for 4 hours. Table 1 shows the graft ratio, ion exchange capacity, moisture content, and electrical conductivity of the membrane obtained in this example.
(Example 7)
In the same manner as in Example 1, after irradiating 450 MeV of Xe (xenon) ions in an amount of 3 × 10 8 ions / cm 2 , etching treatment was performed in the same manner to produce a perforated PVDF film.

得られた穿孔PVDFフィルムを2cmx2cmに切断しコック付きの耐圧ガラス製セパラブル容器(内径3cmφx15cm高さ)に入れて脱気後アルゴンガスで置換した。この状態でPVDFフィルム基材に、γ線(線量率2.5kGy/h)を60kGy室温で照射した。凍結脱気によって空気を除いたスチレンと2,4-ジメチルスチレンを容量比1:1に混合した溶液に7vol%のジビニルベンゼンを加えた溶液を、照射したフイルム入りの耐圧ガラス製セパラブル容器にフィルムが浸されるまで導入した。容器をアルゴンガスで密閉し、攪拌しながら60℃にして24時間、後グラフト重合させた。反応後、トルエン、ついでアセトンで洗浄し、乾燥した。式(1)によって求めたグラフト率は78%であった。   The obtained perforated PVDF film was cut into 2 cm × 2 cm, put into a pressure-resistant glass separable container with a cock (inner diameter: 3 cmφ × 15 cm height), deaerated, and then replaced with argon gas. In this state, the PVDF film substrate was irradiated with γ rays (dose rate 2.5 kGy / h) at 60 kGy room temperature. A solution prepared by adding 7vol% divinylbenzene to a mixture of styrene and 2,4-dimethylstyrene, which have been freed of air by freeze degassing, in a volume ratio of 1: 1, is applied to a pressure-resistant glass separable container containing irradiated film. Introduced until soaked. The vessel was sealed with argon gas and post-grafted for 24 hours at 60 ° C. with stirring. After the reaction, it was washed with toluene and then with acetone and dried. The graft ratio determined by the formula (1) was 78%.

このグラフトPVDF膜を室温にて0.5Nのクロルスルホン酸/ジクロロエタン溶液でスルホン化した。本実施例で得られた膜のグラフト率、イオン交換容量、含水率、および、電気伝導度を表1に示す。
(実施例8)
膜のアルコールによる膨潤度を測定した。本実施例により得られた膜、及びナフィオン117を3Nの硫酸溶液に浸漬し、スルホン酸基をH型とした。そして、室温水に浸漬し、湿潤状態で寸法を測定した。次に膜をメタノール濃度80vol%水溶液に浸けて60℃、3時間保持し、その後、室温まで一夜放冷した後、膜の寸法変化を測定した。その結果を表1に示す。本実施例で得られた膜は、ナフィオン膜に比べメタノールによる膜の膨潤がほとんど認められないので、直接メタノール型燃料電池の膜材料としてきわめて有効である。表1より本発明の有効性が実証された。
The grafted PVDF membrane was sulfonated with a 0.5N chlorosulfonic acid / dichloroethane solution at room temperature. Table 1 shows the graft ratio, ion exchange capacity, moisture content, and electrical conductivity of the membrane obtained in this example.
(Example 8)
The degree of swelling of the membrane with alcohol was measured. The membrane obtained in this example and Nafion 117 were immersed in a 3N sulfuric acid solution to make the sulfonic acid group H-shaped. And it was immersed in room temperature water, and the dimension was measured in the wet state. Next, the membrane was immersed in an aqueous 80 vol% methanol concentration and held at 60 ° C. for 3 hours, and then allowed to cool to room temperature overnight, and then the dimensional change of the membrane was measured. The results are shown in Table 1. The membrane obtained in this example is very effective as a membrane material for a direct methanol fuel cell because the membrane is hardly swollen by methanol as compared with the Nafion membrane. Table 1 demonstrates the effectiveness of the present invention.

Figure 0004670073
Figure 0004670073

(実施例9)
実施例1と同様にして、450MeVのXe(キセノン)イオンを3×10個/cm量照射した後、同様にエッチング処理して穿孔PVDFフィルムを作製した。
Example 9
In the same manner as in Example 1, after irradiating 450 MeV of Xe (xenon) ions in an amount of 3 × 10 8 ions / cm 2 , etching treatment was performed in the same manner to produce a perforated PVDF film.

得られた穿孔PVDFフィルムを2cmx2cmに切断しコック付きのガラス製セパラブル容器(内径3cmφx15cm高さ)に入れて、これに1,2,2-トリフルオロエチレンスルホニルフルオライド(CF2=CFSO2F)とメチル-1,2,2-トリフルオロアクリレート(CF2=CFCOOCH3)を容量比3:2に混合した溶液にアモルファスシリカ(SiO2:アエロゾル(Aerosol)、A380)を重量比で約5%加えたものを超音波下に攪拌して均一な懸濁液とした溶液をフィルムが浸るまで入れ、凍結脱気を繰り返してモノマー溶液や穿孔フィルム中の空気を除いた。最後に、ガラス容器内をアルゴンガスで置換して密封した。この状態で穿孔PVDFフィルムに、γ線(線量率10kGy/h)を160kGy室温で照射した。照射後、さらに60℃にして24時間反応させた。反応後、トルエン、ついでアセトンで洗浄し、乾燥した。以下の式(1)によって求めたグラフト率は66%であった。 The obtained perforated PVDF film was cut to 2 cm x 2 cm and placed in a glass separable container with a cock (inner diameter 3 cm φ x 15 cm height), and 1,2,2-trifluoroethylenesulfonyl fluoride (CF 2 = CFSO 2 F) was added to this. 5% by weight of amorphous silica (SiO 2 : Aerosol, A380) is added to a solution in which 1: 2 and methyl-1,2,2-trifluoroacrylate (CF 2 = CFCOOCH 3 ) are mixed at a volume ratio of 3: 2. The added solution was stirred under an ultrasonic wave to make a uniform suspension until the film was immersed, and freeze deaeration was repeated to remove the monomer solution and air in the perforated film. Finally, the inside of the glass container was replaced with argon gas and sealed. In this state, the perforated PVDF film was irradiated with γ rays (dose rate 10 kGy / h) at 160 kGy at room temperature. After irradiation, the mixture was further reacted at 60 ° C. for 24 hours. After the reaction, it was washed with toluene and then with acetone and dried. The graft ratio determined by the following formula (1) was 66%.

このグラフト穿孔PVDFフィルムを20重量%、KOHのジメチルスルホオキシド/水(1:2)溶液、80℃で24時間反応させた。反応後、膜を取り出し、水洗し、2Nの硫酸溶液中、60℃で4時間処理した。本実施例で得られた膜のグラフト率、イオン交換容量(式(2))、含水率(式(3))、及び、電気伝導度(式(4))を下記の表2に示す。また、実施例8方法に従って、膜のメタノールによる膨潤度を測定した。これも表2に示す。
(実施例10)
実施例1と同様にして、450MeVのXe(キセノン)イオンを3×10個/cm量照射した後、同様にエッチング処理して穿孔PVDFフィルムを作製した。
This graft-perforated PVDF film was reacted at 20% by weight in a dimethyl sulfoxide / water (1: 2) solution of KOH at 80 ° C. for 24 hours. After the reaction, the membrane was taken out, washed with water, and treated in a 2N sulfuric acid solution at 60 ° C. for 4 hours. Table 2 below shows the graft ratio, ion exchange capacity (formula (2)), moisture content (formula (3)), and electrical conductivity (formula (4)) of the membrane obtained in this example. In addition, according to the method of Example 8, the degree of swelling of the membrane with methanol was measured. This is also shown in Table 2.
(Example 10)
In the same manner as in Example 1, after irradiating 450 MeV of Xe (xenon) ions in an amount of 3 × 10 8 ions / cm 2 , etching treatment was performed in the same manner to produce a perforated PVDF film.

得られた穿孔PVDFフィルムを2cmx2cmに切断しコック付きのガラス製セパラブル容器(内径3cmφx15cm高さ)に入れて、これに2-ブロモ-1,1,2,2-テトラフルオロエトキシトリフルオロエチレン(CF2=CF(O(CF2)2Br))とメチル-1,2,2-トリフルオロアクリレート(CF2=CFCOOCH3)を容量比3:2に混合した溶液にりんタングステン酸水和物(H4PW1240・36H2O)の微粉末を重量比で5%加え、さらに、この溶液を懸濁状にするため少量のアモルファスシリカ(重量比で1〜2%程度)を加えたものを超音波下に攪拌して均一な懸濁液とした溶液をフィルムが浸るまで入れ、凍結脱気を繰り返してモノマー溶液や穿孔フィルム中の空気を除いた。最後に、ガラス容器内をアルゴンガスで置換して密封した。この状態で穿孔PVDFフィルムに、γ線(線量率10kGy/h)を160kGy室温で照射した。照射後、さらに60℃にして24時間反応させた。反応後、トルエン、ついでアセトンで洗浄し、乾燥した。以下の式(1)によって求めたグラフト率は73%であった。 The obtained perforated PVDF film was cut to 2 cm × 2 cm and placed in a glass separable container (inner diameter 3 cmφ × 15 cm height) with a cock, and 2-bromo-1,1,2,2-tetrafluoroethoxytrifluoroethylene (CF 2 = CF (O (CF 2 ) 2 Br)) and methyl-1,2,2-trifluoroacrylate (CF 2 = CFCOOCH 3 ) mixed in a volume ratio of 3: 2 to a phosphotungstic acid hydrate ( H 4 PW 12 O 40 · 36H 2 O) fine powder was added at 5% by weight, and a small amount of amorphous silica (about 1 to 2% by weight) was added to make this solution suspended. The solution was stirred under an ultrasonic wave to make a uniform suspension until the film was immersed, and freeze deaeration was repeated to remove the monomer solution and air in the perforated film. Finally, the inside of the glass container was replaced with argon gas and sealed. In this state, the perforated PVDF film was irradiated with γ rays (dose rate 10 kGy / h) at 160 kGy at room temperature. After irradiation, the mixture was further reacted at 60 ° C. for 24 hours. After the reaction, it was washed with toluene and then with acetone and dried. The graft ratio determined by the following formula (1) was 73%.

このグラフト穿孔PVDFフィルムを20重量%、KOHのジメチルスルホオキシド/水(1:2)溶液、80℃で24時間反応させた。反応後、膜を取り出し、水洗し、2Nの硫酸溶液中、60℃で4時間処理した。本実施例で得られた膜のグラフト率、イオン交換容量(式(2))、含水率(式(3))、及び、電気伝導度(式(4))を下記の表2に示す。また、実施例8方法に従って、膜のメタノールによる膨潤度を測定した。これも表2に示す。
(実施例11)
実施例1と同様にして、450MeVのXe(キセノン)イオンを3×10個/cm量照射した後、同様にエッチング処理して穿孔PVDFフィルムを作製した
This graft-perforated PVDF film was reacted at 20% by weight in a dimethyl sulfoxide / water (1: 2) solution of KOH at 80 ° C. for 24 hours. After the reaction, the membrane was taken out, washed with water, and treated in a 2N sulfuric acid solution at 60 ° C. for 4 hours. Table 2 below shows the graft ratio, ion exchange capacity (formula (2)), moisture content (formula (3)), and electrical conductivity (formula (4)) of the membrane obtained in this example. Further, according to the method of Example 8, the degree of swelling of the membrane with methanol was measured. This is also shown in Table 2.
(Example 11)
In the same manner as in Example 1, after irradiating 450 MeV of Xe (xenon) ions in an amount of 3 × 10 8 ions / cm 2 , etching treatment was performed in the same manner to produce a perforated PVDF film .

得られた穿孔PVDFフィルムを2cmx2cmに切断しコック付きのガラス製セパラブル容器(内径3cmφx15cm高さ)に入れて、さらに、1,2,2-トリフルオロエチレンスルホニルフルオライド(CF2=CFSO2F)とメチル-1,2,2-トリフルオロアクリレート(CF2=CFCOOCH3)を容量比3:2に混合した溶液にシリカ表面にりんタングステン酸水和物を吸着させた微粉末を重量比重量比で5%加え、さらに、このモノマー溶液を懸濁状にするため少量のアモルファスシリカ(重量比で1〜2%程度)を加えたものを超音波下に攪拌して均一な懸濁液とした溶液をフィルムが浸るまで入れ、凍結脱気を繰り返してモノマー液体や穿孔フィルム中の空気を除いた。最後に、ガラス容器内をアルゴンガスで置換して密封した。この状態で穿孔PVDFフィルムに、γ線(線量率10kGy/h)を160kGy室温で照射した。照射後、さらに60℃にして24時間反応させた。反応後、トルエン、ついでアセトンで洗浄し、乾燥した。以下の式(1)によって求めたグラフト率は62%であった。 The obtained perforated PVDF film was cut to 2 cm x 2 cm and placed in a glass separable container with a cock (inner diameter 3 cm φ x 15 cm height), and further 1,2,2-trifluoroethylenesulfonyl fluoride (CF 2 = CFSO 2 F) Weight ratio of fine powder in which phosphotungstic acid hydrate was adsorbed on the silica surface in a solution in which 1: 2 and methyl-1,2,2-trifluoroacrylate (CF 2 = CFCOOCH 3 ) were mixed at a volume ratio of 3: 2. In order to make this monomer solution into a suspension, a small amount of amorphous silica (about 1 to 2% by weight) was added with stirring under ultrasound to obtain a uniform suspension. The solution was added until the film was immersed, and freeze degassing was repeated to remove the monomer liquid and air in the perforated film. Finally, the inside of the glass container was replaced with argon gas and sealed. In this state, the perforated PVDF film was irradiated with γ rays (dose rate 10 kGy / h) at 160 kGy at room temperature. After irradiation, the mixture was further reacted at 60 ° C. for 24 hours. After the reaction, it was washed with toluene and then with acetone and dried. The graft ratio determined by the following formula (1) was 62%.

このグラフト穿孔PVDFフィルムを20重量%、KOHのジメチルスルホオキシド/水(1:2)溶液、80℃で24時間反応させた。反応後、膜を取り出し、水洗し、2Nの硫酸溶液中、60℃で4時間処理した。本実施例で得られた膜のグラフト率、イオン交換容量(式(2))、含水率(式(3))、及び、電気伝導度(式(4))を下記の表2に示す。また、実施例8方法に従って、膜のメタノールによる膨潤度を測定した。これも表2に示す。   This graft perforated PVDF film was reacted at 20% by weight in a dimethyl sulfoxide / water (1: 2) solution of KOH at 80 ° C. for 24 hours. After the reaction, the membrane was taken out, washed with water, and treated in a 2N sulfuric acid solution at 60 ° C. for 4 hours. Table 2 below shows the graft ratio, ion exchange capacity (formula (2)), moisture content (formula (3)), and electrical conductivity (formula (4)) of the membrane obtained in this example. In addition, according to the method of Example 8, the degree of swelling of the membrane with methanol was measured. This is also shown in Table 2.

Figure 0004670073
Figure 0004670073

(実施例12)
架橋したポリフッ化ビニリデンフィルム基材を得るために以下の照射を行った。厚さ25μmのポリフッ化ビニリデンフィルムフィルム(クレハ化学製)の10cmx10cmをSUS製オートクレーブ照射容器(内径7cmφx高さ30cm)に入れ、容器内を10-3Torrに脱気してアルゴンガスに置換した。その後、60Co-γ線を室温にて線量率5kGy/hで線量500kGy(100時間)照射した。照射PVDFフィルムの架橋状態はジメチルホルムアミド溶媒でゲル化率を測定したところ80%であった。
(Example 12)
In order to obtain a crosslinked polyvinylidene fluoride film substrate, the following irradiation was performed. 10 cm × 10 cm of a 25 μm-thick polyvinylidene fluoride film film (manufactured by Kureha Chemical) was placed in a SUS autoclave irradiation container (inner diameter 7 cmφ × height 30 cm), and the inside of the container was deaerated to 10 −3 Torr and replaced with argon gas. Thereafter, 60 Co-γ rays were irradiated at a dose rate of 5 kGy / h and a dose of 500 kGy (100 hours) at room temperature. The crosslinked state of the irradiated PVDF film was 80% when the gelation rate was measured with a dimethylformamide solvent.

酸素プラズマ照射装置(AXIC社製、HF−8型リアクティブイオンエッチング装置)の試料台に直径10μφの孔が約10個/cmあるSUS製金属マスクを密着させた2cm×2cmx厚さ25μmの上記の架橋PVDF膜を置いた。装置内を真空にして酸素圧を190×10−3Torrとし、電力300Wで、断続的に30分間酸素プラズマを照射した。プラズマ照射後、マスクを取り除き高分子フィルム膜をアセトンで洗浄後減圧乾燥した。 Oxygen plasma irradiation device (AXIC Co., HF-8 type reactive ion etching apparatus) 2 cm × hole of the sample stage diameter 10 mu m phi was brought into close contact with about 10 5 / cm 2 is made of SUS metal mask 2cmx The above-mentioned crosslinked PVDF membrane having a thickness of 25 μm was placed. The inside of the apparatus was evacuated, the oxygen pressure was set to 190 × 10 −3 Torr, the power was 300 W, and oxygen plasma was irradiated intermittently for 30 minutes. After the plasma irradiation, the mask was removed, and the polymer film was washed with acetone and dried under reduced pressure.

得られた穿孔PVDFフィルムをコック付きのガラス製セパラブル容器(内径3cmφx15cm高さ)に入れて、これに2-ブロモ-1,1,2,2-テトラフルオロエトキシトリフルオロエチレン(CF2=CF(O(CF2)2Br))とイソブテンの容量比2:1のモノマー溶液を0℃にてフィルムが浸るまで入れ、室温/液体窒素温度の凍結脱気を繰り返してモノマー溶液や穿孔フィルム中の空気を除いた。最後に、ガラス容器内をアルゴンガスで置換して密封した。この状態で穿孔PVDFフィルムに、γ線(線量率10kGy/h)を220kGy室温で照射した。照射後、さらに60℃にして24時間反応させた。反応後、トルエン、ついでアセトンで洗浄し、乾燥した。以下の式(1)によって求めたグラフト率は56%であった。 The obtained perforated PVDF film was put into a glass separable container (inner diameter: 3 cmφ × 15 cm height) with a cock, and 2-bromo-1,1,2,2-tetrafluoroethoxytrifluoroethylene (CF 2 = CF ( O (CF 2 ) 2 Br)) and isobutene in a volume ratio of 2: 1 monomer solution are put at 0 ° C. until the film is immersed, and freeze degassing at room temperature / liquid nitrogen temperature is repeated to repeat the monomer solution or perforated film. Removed air. Finally, the inside of the glass container was replaced with argon gas and sealed. In this state, the perforated PVDF film was irradiated with gamma rays (dose rate 10 kGy / h) at 220 kGy room temperature. After irradiation, the mixture was further reacted at 60 ° C. for 24 hours. After the reaction, it was washed with toluene and then with acetone and dried. The graft ratio determined by the following formula (1) was 56%.

このグラフト穿孔PVDF膜を耐圧オートクレーブに入れ、これに亜硫酸ナトリウム(Na2SO3)の20wt%水溶液にイソプロパノール(1:3(水))を加えた溶液で膜を浸し、簡単にバブリングして空気を窒素に置換した。このオートクレーブを100℃のオイルバスに入れ、10時間反応させた。冷却後、膜をオートクレーブから取り出し、水洗し、2Nの硫酸溶液中、60℃で4時間処理した。本実施例で得られた膜のグラフト率、イオン交換容量、含水率、および、電気伝導度を下記の表3に示す。また、実施例8方法に従って、膜のメタノールによる膨潤度を測定した。これも表3に示す。 This graft-perforated PVDF membrane is placed in a pressure-resistant autoclave, and the membrane is immersed in a solution obtained by adding isopropanol (1: 3 (water)) to a 20 wt% aqueous solution of sodium sulfite (Na 2 SO 3 ). Was replaced with nitrogen. This autoclave was placed in a 100 ° C. oil bath and allowed to react for 10 hours. After cooling, the membrane was removed from the autoclave, washed with water, and treated in a 2N sulfuric acid solution at 60 ° C. for 4 hours. The graft ratio, ion exchange capacity, water content, and electrical conductivity of the membrane obtained in this example are shown in Table 3 below. In addition, according to the method of Example 8, the degree of swelling of the membrane with methanol was measured. This is also shown in Table 3.

Figure 0004670073
Figure 0004670073

(比較例1,2)
下記の表1に示したナフィオン115、ナフィオン117(デュポン社製)について測定されたイオン交換容量、含水率、及び電気伝導度の結果を表1の比較例1、2に示す。
(Comparative Examples 1 and 2)
The results of ion exchange capacity, water content, and electrical conductivity measured for Nafion 115 and Nafion 117 (manufactured by DuPont) shown in Table 1 below are shown in Comparative Examples 1 and 2 in Table 1.

(比較例3)
実施例1で得た架橋PTFEフィルム(厚さ50μm)をコック付きのガラス製セパラブル容器(内径3cmφ×高さ15cm)に入れて脱気後アルゴンガスで置換した。この状態で架橋PTFEフィルムに、再び、γ線(線量率10kGy/h)を45kGy室温で照射した。アルゴンガスのバブリングによって酸素を除きアルゴンガス置換したスチレンモノマーを架橋PTFEフィルムの入ったガラス容器に、膜が浸漬されるまで導入した。容器内を攪拌し、60℃で6時間反応させた。その後、グラフト共重合膜をトルエン、続いてアセトンで洗浄し、乾燥した。グラフト率は93%であった。このグラフト重合膜を0.5Mクロルスルホン酸(1,2−ジクロロエタン溶媒)に浸漬し60℃、24時間スルホン化反応を行った。その後、この膜を水洗いしてスルホン酸基とした。


(Comparative Example 3)
The crosslinked PTFE film (thickness 50 μm) obtained in Example 1 was placed in a glass separable container (inner diameter 3 cmφ × height 15 cm) with a cock, and then purged with argon gas. In this state, the crosslinked PTFE film was again irradiated with γ rays (dose rate 10 kGy / h) at a room temperature of 45 kGy. Styrene monomer, in which oxygen was removed by bubbling with argon gas and replaced with argon gas, was introduced into a glass container containing a crosslinked PTFE film until the membrane was immersed. The container was stirred and reacted at 60 ° C. for 6 hours. Thereafter, the graft copolymer membrane was washed with toluene and then with acetone and dried. The graft rate was 93%. This graft polymerized membrane was immersed in 0.5 M chlorosulfonic acid (1,2-dichloroethane solvent) and subjected to sulfonation reaction at 60 ° C. for 24 hours. Thereafter, this membrane was washed with water to obtain sulfonic acid groups.


Claims (19)

高分子フィルム基材に高エネルギー重イオンを照射して照射損傷を形成した後、該照射損傷を化学的にエッチング処理して、該フィルム基材に、基材表面における平均直径が10nm以上、数が10〜1014個/cmの微細なシリンダー状の貫通孔を形成し、得られた穿孔フィルム基材に、スルホニルハライド基を有するモノマーである、CF=CF(SO)(式中、Xはハロゲン基で−F又は−Clである。以下同じ。)、CH=CF(SO)、CF=CF(O(CFSO)、及びCF=CF(OCH(CFSO)からなる群から選択される1種類又は2種類以上のモノマーを加えて脱気し、γ線、X線又は電子線から選択される電離性放射線を照射することよって、該フィルム基材の表面や孔内に該モノマーをグラフト重合させ、グラフトした分子鎖中の[−SO]基をスルホン酸塩基[−SOM](式中、Mはアルカリ金属でNa又はKである。)とし、次いでスルホン酸基[−SOH]とすることを特徴とする、高分子イオン交換膜の製造方法。 After irradiation damage is formed by irradiating the polymer film substrate with high energy heavy ions, the irradiation damage is chemically etched, and the film substrate has an average diameter of 10 nm or more on the substrate surface. CF 4 = CF (SO 2 X 1 ), which is a monomer having a sulfonyl halide group on the perforated film base material, in which fine cylindrical through holes of 10 4 to 10 14 pieces / cm 2 are formed. (In the formula, X 1 is a halogen group and is -F or -Cl. The same applies hereinafter.), CH 2 = CF (SO 2 X 1 ), CF 2 = CF (O (CF 2 ) 1 to 4 SO 2 X 1 ), and CF 2 = CF (OCH 2 (CF 2 ) 1 to 4 SO 2 X 1 ) to add one or more monomers selected from the group consisting of degassing, γ-ray, X-ray Or ionizing release selected from electron beams What I irradiating the line, the film substrate the monomer is graft-polymerized on the surface and within the pores of, the grafted molecular chain [-SO 2 X 1] based on sulfonate [-SO 3 M] (Formula M is an alkali metal, which is Na or K.), and then a sulfonic acid group [—SO 3 H]. 高分子フィルム基材に高エネルギー重イオンを照射して照射損傷を形成した後、該照射損傷を化学的にエッチング処理して、該フィルム基材に、基材表面における平均直径が10nm以上、数が10〜1014個/cmの微細なシリンダー状の貫通孔を形成し、得られた穿孔フィルム基材に、スルホン酸エステル基を有するモノマーである、CF=CF(SO)(式中、Rはアルキル基で−CH、−C又は−C(CHである。以下同じ。)、CH=CF(SO)、CF=CF(O(CFSO)、及びCF=CF(OCH(CFSO)からなる群から選択される1種類又は2種類以上のモノマーを加えて脱気し、γ線、X線又は電子線から選択される電離性放射線を照射することよって、該フィルム基材の表面や孔内に該モノマーをグラフト重合させ、グラフトした分子鎖中の[−SO]基を加水分解してスルホン酸基[−SOH]とすることを特徴とする、高分子イオン交換膜の製造方法。 After irradiation damage is formed by irradiating the polymer film substrate with high energy heavy ions, the irradiation damage is chemically etched, and the film substrate has an average diameter of 10 nm or more on the substrate surface. Formed a fine cylindrical through-hole of 10 4 to 10 14 pieces / cm 2 , and CF 2 = CF (SO 3 R 1) which is a monomer having a sulfonate group in the obtained perforated film base material (In the formula, R 1 is an alkyl group which is —CH 3 , —C 2 H 5 or —C (CH 3 ) 3. The same shall apply hereinafter.), CH 2 = CF (SO 3 R 1 ), CF 2 = One or more selected from the group consisting of CF (O (CF 2 ) 1 to 4 SO 3 R 1 ) and CF 2 ═CF (OCH 2 (CF 2 ) 1 to 4 SO 3 R 1 ) Degas by adding monomer, γ ray, X ray Is it'll be irradiated with ionizing radiation selected from electron beam, by graft polymerizing the monomer on the surface or in the pores of said film base, hydrolyzing the [-SO 3 R 1] groups in the grafted molecular chains And a sulfonic acid group [—SO 3 H]. 高分子フィルム基材に高エネルギー重イオンを照射して照射損傷を形成した後、該照射損傷を化学的にエッチング処理して、該フィルム基材に、基材表面における平均直径が10nm以上、数が10〜1014個/cmの微細なシリンダー状の貫通孔を形成し、得られた穿孔フィルム基材に、CF=CF(O(CF)(式中、Xはハロゲン基で−Br又は−Clである。以下同じ。)、及びCF=CF(OCH(CF)からなる群から選択される1種類又は2種類のモノマーを加えて脱気し、γ線、X線又は電子線から選択される電離性放射線を照射することよって、該フィルム基材の表面や孔内に該モノマーをグラフト重合させ、グラフトした分子鎖中のハロゲン基[−X]を亜硫酸塩若しくは亜硫酸水素塩の水溶液又は水とアルコールの混合溶液中で反応させて、スルホン酸塩基[−SOM](式中、Mはアルカリ金属でNa又はKである。)とし、次いでスルホン酸基[−SOH]とすることを特徴とする、高分子イオン交換膜の製造方法。 After irradiation damage is formed by irradiating the polymer film substrate with high energy heavy ions, the irradiation damage is chemically etched, and the film substrate has an average diameter of 10 nm or more on the substrate surface. Are formed into fine cylindrical through-holes of 10 4 to 10 14 pieces / cm 2 , and CF 2 = CF (O (CF 2 ) 1 to 4 X 2 ) (in the formula, , X 2 is a halogen group, which is —Br or —Cl. The same shall apply hereinafter.), And CF 2 ═CF (OCH 2 (CF 2 ) 1 to 4 X 2 ). The monomer is deaerated by adding an ionizing radiation selected from γ-rays, X-rays, or electron beams to cause the monomer to graft polymerize on the surface of the film substrate or in the pores, thereby grafted molecules. Halogen group in the chain [—X 2 ] In an aqueous solution of sulfite or bisulfite or a mixed solution of water and alcohol to give a sulfonate group [—SO 3 M] (wherein M is an alkali metal and is Na or K), Next, a method for producing a polymer ion exchange membrane, characterized in that the sulfonic acid group [—SO 3 H] is used. 高分子フィルム基材に高エネルギー重イオンを照射して照射損傷を形成した後、該照射損傷を化学的にエッチング処理して、該フィルム基材に、基材表面における平均直径が10nm以上、数が10〜1014個/cmの微細なシリンダー状の貫通孔を形成し、得られた穿孔フィルム基材に、次のA〜C群:
A群:CF=CF(SO)(式中、Xはハロゲン基で−F又は−Clである。以下同じ。)、CH=CF(SO)、CF=CF(O(CFSO)、及びCF=CF(OCH(CFSO);
B群:CF=CF(SO)(式中、Rはアルキル基で−CH、−C、又は−C(CHである。以下同じ。)、CH=CF(SO)、CF=CF(O(CFSO)、及びCF=CF(OCH(CFSO);及び
C群;CF=CF(O(CF)(式中、Xはハロゲン基で−Br又は−Clである。以下同じ。)、及びCF=CF(OCH(CF
のうち少なくとも2以上の異なる群から選択される2種類以上のモノマーを加えて脱気し、γ線、X線又は電子線から選択される電離性放射線を照射することよって、該フィルム基材の表面や孔内に該モノマーをグラフト重合させ、グラフトした分子鎖中の官能基をスルホン酸基[−SOH]とすることを特徴とする、高分子イオン交換膜の製造方法。
After irradiation damage is formed by irradiating the polymer film substrate with high energy heavy ions, the irradiation damage is chemically etched, and the film substrate has an average diameter of 10 nm or more on the substrate surface. Are formed from 10 4 to 10 14 pieces / cm 2 of fine cylindrical through-holes, and the obtained perforated film base material has the following groups A to C:
Group A: CF 2 = CF (SO 2 X 1) (.. Wherein, X 1 is is -F or -Cl halogen group hereinafter the same), CH 2 = CF (SO 2 X 1), CF 2 = CF (O (CF 2) 1 ~ 4 SO 2 X 1), and CF 2 = CF (OCH 2 ( CF 2) 1 ~ 4 SO 2 X 1);
Group B: CF 2 ═CF (SO 3 R 1 ) (wherein R 1 is an alkyl group, —CH 3 , —C 2 H 5 , or —C (CH 3 ) 3. The same shall apply hereinafter), CH. 2 = CF (SO 3 R 1 ), CF 2 = CF (O (CF 2) 1 ~ 4 SO 3 R 1), and CF 2 = CF (OCH 2 ( CF 2) 1 ~ 4 SO 3 R 1); and group C; CF 2 = CF (O ( CF 2) 1 ~ 4 X 2) (.. wherein, X 2 is -Br or -Cl halogen group hereinafter), and CF 2 = CF (OCH 2 (CF 2) 1 ~ 4 X 2)
Of the film substrate by adding two or more monomers selected from at least two different groups and degassing and irradiating with ionizing radiation selected from γ-rays, X-rays or electron beams. A method for producing a polymer ion exchange membrane, wherein the monomer is graft-polymerized on the surface or pores, and the functional group in the grafted molecular chain is converted to a sulfonic acid group [—SO 3 H].
更に、アクリルモノマーである、CF=CR(COOR)(式中、Rは−CH又は−Fであり、Rは−H、−CH、−C又は−C(CH)である。以下同じ。)、及びCH=CR(COOR)からなる群から選択される1種類以上のコモノマーを、全モノマー基準で50モル%以下の量加えてグラフト重合させる、請求項1〜3のいずれか1項に記載の高分子イオン交換膜の製造方法。 Furthermore, CF 2 = CR 2 (COOR 3 ) (wherein R 2 is —CH 3 or —F, and R 3 is —H, —CH 3 , —C 2 H 5 or —C, which is an acrylic monomer. (CH 3 ) 3 ). same as below. ) And one or more comonomers selected from the group consisting of CH 2 ═CR 2 (COOR 3 ) and added in an amount of 50 mol% or less on the basis of the total monomer to perform graft polymerization. 2. A method for producing a polymer ion exchange membrane according to item 1. 高分子フィルム基材に高エネルギー重イオンを照射して照射損傷を形成した後、該照射損傷を化学的にエッチング処理して、該フィルム基材に、基材表面における平均直径が10nm以上、数が10〜1014個/cmの微細なシリンダー状の貫通孔を形成し、得られた穿孔フィルム基材に、スチレン、α−メチルスチレン、スチレン誘導体モノマーである2,4−ジメチルスチレン、ビニルトルエン、及び4−tert−ブチルスチレンからなる群から選択される1種類又は2種類以上のモノマーを加えて脱気し、γ線、X線又は電子線から選択される電離性放射線を照射することよって、該フィルム基材の表面や孔内に該モノマーをグラフト重合させ、グラフトした分子鎖や分子鎖中の芳香環にクロルスルホン酸でスルホン酸基[−SOH]を導入することを特徴とする、高分子イオン交換膜の製造方法。 After irradiation damage is formed by irradiating the polymer film substrate with high energy heavy ions, the irradiation damage is chemically etched, and the film substrate has an average diameter of 10 nm or more on the substrate surface. 10 4 to 10 14 pieces / cm 2 of fine cylindrical through-holes were formed, and the resulting perforated film substrate was subjected to styrene, α-methylstyrene, styrene derivative monomer 2,4-dimethylstyrene, One or more monomers selected from the group consisting of vinyltoluene and 4-tert-butylstyrene are added to deaerate and irradiated with ionizing radiation selected from γ-rays, X-rays or electron beams. Thus, the monomer is graft-polymerized on the surface or pores of the film substrate, and the grafted molecular chain and the aromatic ring in the molecular chain are sulfonated with chlorosulfonic acid [ And introducing the SO 3 H], method for producing a polymer ion exchange membrane. 高分子フィルム基材に高エネルギー重イオンを照射して照射損傷を形成した後、該照射損傷を化学的にエッチング処理して、該フィルム基材に、基材表面における平均直径が10nm以上、数が10〜1014個/cmの微細なシリンダー状の貫通孔を形成し、得られた穿孔フィルム基材に、アセナフチレン、ビニルケトンCH=CH(COR)(式中、Rは−CH、−C、又はフェニル基(−C)である。)、ビニルエーテルCH=CH(OR)(式中、Rは−C2n+1(n=1〜5)、−CH(CH、−C(CH、又はフェニル基である。)、フッ化ビニルエーテルCF=CF(OR)若しくはCH=CF(OR)、インデン、ベンゾフラン及び5−ビニル−2−ノルボルネンからなる群から選択される1種類又は2種類以上のモノマーを加えて脱気し、γ線、X線又は電子線から選択される電離性放射線を照射することよって、該フィルム基材の表面や孔内に該モノマーをグラフト重合させ、グラフトした分子鎖や分子鎖中の芳香環にクロルスルホン酸でスルホン酸基[−SOH]を導入することを特徴とする、高分子イオン交換膜の製造方法。 After irradiation damage is formed by irradiating the polymer film substrate with high energy heavy ions, the irradiation damage is chemically etched, and the film substrate has an average diameter of 10 nm or more on the substrate surface. 10 4 to 10 14 pieces / cm 2 of fine cylindrical through-holes are formed, and acenaphthylene, vinyl ketone CH 2 = CH (COR 4 ) (wherein R 4 is − CH 3 , —C 2 H 5 , or a phenyl group (—C 6 H 5 )), vinyl ether CH 2 ═CH (OR 5 ) (wherein R 5 represents —C n H 2n + 1 (n = 1 to 1). 5), —CH (CH 3 ) 2 , —C (CH 3 ) 3 , or a phenyl group.), Fluorinated vinyl ether CF 2 ═CF (OR 5 ) or CH 2 ═CF (OR 5 ), indene, Benzofuran By degassing by adding one or more monomers selected from the group consisting of 5-vinyl-2-norbornene and irradiating with ionizing radiation selected from γ-rays, X-rays or electron beams The monomer is graft-polymerized on the surface or pores of the film substrate, and a sulfonic acid group [—SO 3 H] is introduced with chlorosulfonic acid into the grafted molecular chain or an aromatic ring in the molecular chain. A method for producing a polymer ion exchange membrane. 高分子フィルム基材に高エネルギー重イオンを照射して照射損傷を形成した後、該照射損傷を化学的にエッチング処理して、該フィルム基材に、基材表面における平均直径が10nm以上、数が10〜1014個/cmの微細なシリンダー状の貫通孔を形成し、得られた穿孔フィルム基材に、次のD〜F群:
D群:スチレン、α−メチルスチレン、スチレン誘導体モノマーである2,4−ジメチルスチレン、ビニルトルエン、及び4−tert−ブチルスチレン;及び
E群:アセナフチレン、ビニルケトンCH=CH(COR)(式中、Rは−CH、−C、又はフェニル基(−C)である。)、ビニルエーテルCH=CH(OR)(式中、Rは−C2n+1(n=1〜5)、−CH(CH、−C(CH、又はフェニル基である。)、フッ化ビニルエーテルCF=CF(OR)若しくはCH=CF(OR)、インデン、ベンゾフラン及び5−ビニル−2−ノルボルネン
F群:CF=CR(COOR)(式中、Rは−CH又は−Fであり、Rは−H、−CH、−C又は−C(CHである。以下同じ。)、及びCH=CR(COOR
の各群から選ばれた2種類以上のモノマー/コモノマーを加えて脱気し、γ線、X線又は電子線から選択される電離性放射線を照射することよって、該フィルム基材の表面や孔内に該モノマーをグラフト重合させ、グラフトした分子鎖や分子鎖中の芳香環にクロルスルホン酸でスルホン酸基[−SOH]を導入することを特徴とする、高分子イオン交換膜の製造方法。
After irradiation damage is formed by irradiating the polymer film substrate with high energy heavy ions, the irradiation damage is chemically etched, and the film substrate has an average diameter of 10 nm or more on the substrate surface. Are formed into fine cylindrical through-holes of 10 4 to 10 14 pieces / cm 2 , and the obtained perforated film base material has the following groups D to F:
Group D: styrene, α-methylstyrene, styrene derivative monomers 2,4-dimethylstyrene, vinyltoluene, and 4-tert-butylstyrene; and Group E: acenaphthylene, vinylketone CH 2 ═CH (COR 4 ) (formula In the formula, R 4 is —CH 3 , —C 2 H 5 , or a phenyl group (—C 6 H 5 ). Vinyl vinyl CH 2 ═CH (OR 5 ) (wherein R 5 is —C n H 2n + 1 (n = 1 to 5), —CH (CH 3 ) 2 , —C (CH 3 ) 3 , or phenyl group), fluorovinyl ether CF 2 ═CF (OR 5 ) or CH 2 ═CF ( oR 5), indene, benzofuran and 5-vinyl-2-norbornene F group: CF 2 = CR 2 (COOR 3) ( wherein, R 2 is -CH 3 or -F, R 3 is -H -CH 3, -C 2 H 5 or -C (CH 3) 3. The same applies hereinafter.), And CH 2 = CR 2 (COOR 3 )
By adding two or more types of monomers / comonomer selected from each group of the above, degassing, and irradiating with ionizing radiation selected from γ-rays, X-rays or electron beams, the surface and pores of the film substrate Production of a polymer ion-exchange membrane, wherein the monomer is graft-polymerized and a sulfonic acid group [—SO 3 H] is introduced with chlorosulfonic acid into the grafted molecular chain or an aromatic ring in the molecular chain. Method.
グラフト重合が同時グラフト重合法により行われる、請求項1〜8のいずれか1項に記載の高分子イオン交換膜の製造方法。   The method for producing a polymer ion exchange membrane according to any one of claims 1 to 8, wherein the graft polymerization is carried out by a simultaneous graft polymerization method. グラフト重合が後グラフト重合法により行われる、請求項1〜8のいずれか1項に記載の高分子イオン交換膜の製造方法。   The method for producing a polymer ion exchange membrane according to any one of claims 1 to 8, wherein the graft polymerization is carried out by a post-graft polymerization method. 高分子フィルム基材が、ポリフッ化ビニリデン、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−六フッ化プロピレン共重合体、又はテトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体フィルム基材である、請求項1〜10のいずれか1項に記載の高分子イオン交換膜の製造方法。   Polymer film substrate is polyvinylidene fluoride, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polytetrafluoroethylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, or tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer film The manufacturing method of the polymer ion exchange membrane of any one of Claims 1-10 which is a base material. 高分子フィルム基材が、高分子量ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリアミド、芳香族ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリカーボネイト、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンサルファイド、又はポリスルホンフィルム基材である、請求項1〜10のいずれか1項に記載の高分子イオン交換膜の製造方法。   Polymer film substrate is high molecular weight polyethylene, polypropylene, polystyrene, polyamide, aromatic polyamide, polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polycarbonate, polyether ketone, polyether ether ketone, polyether sulfone, polyphenylene sulfide, or polysulfone film group The manufacturing method of the polymer ion exchange membrane of any one of Claims 1-10 which is a material. 高分子フィルム基材が、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリベンゾイミダゾール、又はポリエーテルエーテルイミドフィルム基材である、請求項1〜10のいずれか1項に記載の高分子イオン交換膜の製造方法。   The polymer ion exchange membrane according to any one of claims 1 to 10, wherein the polymer film substrate is a polyimide, polyetherimide, polyamideimide, polybenzimidazole, or polyetheretherimide film substrate. Production method. 高分子フィルム基材が架橋構造を有する、請求項1〜13のいずれか1項に記載の高分子イオン交換膜の製造方法。   The method for producing a polymer ion exchange membrane according to any one of claims 1 to 13, wherein the polymer film substrate has a crosslinked structure. 更に、ジビニルベンゼン、トリアリルシアヌレート、トリアリルイソシアヌレート、3,5−ビス(トリフルオロビニル)フェノール、3,5−ビス(トリフルオロビニロキシ)フェノール及びビス(ビニルフェニル)基を有する(CH=CH(C))(CH(n=1〜4)からなる群から選択される1種類以上の架橋剤を、全モノマー基準で30モル%以下の量加えてグラフト重合させる、請求項1〜14のいずれか1項に記載の高分子イオン交換膜の製造方法。 In addition, it has divinylbenzene, triallyl cyanurate, triallyl isocyanurate, 3,5-bis (trifluorovinyl) phenol, 3,5-bis (trifluorovinyloxy) phenol and bis (vinylphenyl) groups (CH 2 ═CH (C 6 H 4 )) 2 (CH 2 ) n (n = 1 to 4) and one or more crosslinking agents selected from the group consisting of 30 mol% or less based on the total monomers The method for producing a polymer ion exchange membrane according to any one of claims 1 to 14, wherein graft polymerization is performed. 更に、グラフトモノマー溶液中に無機物である超微粒子状無定形シリカ(SiO)、H型モルデナイト(Ca,Na,K)AlSi1024・7HO)、アルミナ(Al)、及び、酸化ジルコニウム(ZrO)からなる群から選択される1種類以上の微粉末を、全モノマー基準で1重量%〜30重量%の範囲で加えてグラフト重合させる、請求項1〜15のいずれか1項に記載の高分子イオン交換膜の製造方法。 Furthermore, finely divided amorphous silica (SiO 2) which is an inorganic material in the graft monomer solution, H + type mordenite (Ca, Na 2, K 2 ) Al 2 Si 10 O 24 · 7H 2 O), alumina (Al 2 O 3), and, one or more powder selected from the group consisting of zirconium oxide (ZrO 2), is graft polymerized in addition in the range of 1% to 30% by weight based on total monomers, claim 1 The manufacturing method of the polymeric ion exchange membrane of any one of -15. 更に、グラフトモノマー溶液中にジルコニウムホスフェイト(Zr(HPO・nHO)、りんタングステン酸水和物(HPW1240・nHO)、けいタングステン酸水和物(HSiW1240・nHO)、及び、モリブドりん酸水和物(MoOPO・nHO)からなる群から選択される1種類以上の微粉末を、全モノマー基準で1重量%〜30重量%の範囲で加えてグラフト重合させる、請求項1〜15のいずれか1項に記載の高分子イオン交換膜の製造方法。 Further, zirconium phosphate (Zr (HPO 4 ) 2 · nH 2 O), phosphotungstic acid hydrate (H 3 PW 12 O 40 · nH 2 O), silicotungstic acid hydrate (H 4 SiW 12 O 40 · nH 2 O) and molybdophosphate hydrate (MoO 3 H 3 PO 4 · nH 2 O), one or more fine powders selected on the basis of all monomers The method for producing a polymer ion exchange membrane according to any one of claims 1 to 15, wherein the polymer is added in the range of 1% by weight to 30% by weight for graft polymerization. 更に、グラフトモノマー溶液中にりんタングステン酸水和物、ジルコニウムホスフェイト、及び、けいタングステン酸水和物を吸着させた無定形シリカ、又は、りんタングステン酸水和物、ジルコニウムホスフェイト、及び、けいタングステン酸水和物を吸着させたモルデナイトやアルミナからなる群から選択される1種類以上の微粉末を、全モノマー基準で1重量%〜30重量%の範囲で加えてグラフト重合させる、請求項1〜15のいずれか1項に記載の高分子イオン交換膜の製造方法。   Further, amorphous silica in which phosphotungstic acid hydrate, zirconium phosphate and silicotungstic acid hydrate are adsorbed in the graft monomer solution, or phosphotungstic acid hydrate, zirconium phosphate and silica. 2. One or more fine powders selected from the group consisting of mordenite and alumina adsorbed with tungstic acid hydrate are added in the range of 1% by weight to 30% by weight based on the total monomers, and graft polymerization is performed. The manufacturing method of the polymeric ion exchange membrane of any one of -15. 得られる高分子イオン交換膜のグラフト率が10〜150%、イオン交換容量が0.3〜2.5meq/gであることを特徴とする、請求項1〜18のいずれか1項に記載の高分子イオン交換膜の製造方法。   The graft ratio of the obtained polymer ion exchange membrane is 10 to 150%, and the ion exchange capacity is 0.3 to 2.5 meq / g, according to any one of claims 1 to 18, A method for producing a polymer ion exchange membrane.
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