JP4763754B2 - Solid polymer electrolyte membrane, raw material monomer composition and fuel cell - Google Patents

Solid polymer electrolyte membrane, raw material monomer composition and fuel cell Download PDF

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Description

本発明は、広い温度範囲にわたり高いプロトン伝導性を示し、耐溶剤性に優れた固体高分子電解質膜、その原料単量体組成物、及び固体高分子電解質膜を用いた燃料電池に関する。   The present invention relates to a solid polymer electrolyte membrane exhibiting high proton conductivity over a wide temperature range and excellent in solvent resistance, a raw material monomer composition thereof, and a fuel cell using the solid polymer electrolyte membrane.

固体高分子電解質膜として、Nafion(デュポン(株)製)の商標で知られるパーフルオロ骨格の側鎖にスルホン酸基を有するフッ素系高分子電解質膜が実用化されている。この電解質膜は耐熱性及び耐薬品性に優れ、苛酷な条件下での使用に耐えることができるが、非常に高価であるという問題を抱えている。   As a solid polymer electrolyte membrane, a fluorine-based polymer electrolyte membrane having a sulfonic acid group in a side chain of a perfluoro skeleton known by a trademark of Nafion (manufactured by DuPont) has been put into practical use. This electrolyte membrane is excellent in heat resistance and chemical resistance and can withstand use under severe conditions, but has a problem that it is very expensive.

そこで、特開2003-86021号は分子内にリン酸基及びエチレン性不飽和結合を有するリン酸基含有不飽和単量体と、分子内にスルホン酸基及びエチレン性不飽和結合を有するスルホン酸基含有不飽和単量体との共重合体からなる固体高分子電解質膜を提案している。この固体高分子電解質膜は比較的安価に製造することができるだけでなく、導電性が著しく高く、導電性の温度依存性が低く、耐熱性及び耐溶剤性に優れている点で従来の固体高分子電解質膜と一線を画すものであった。   Therefore, JP-A-2003-86021 discloses a phosphate group-containing unsaturated monomer having a phosphate group and an ethylenically unsaturated bond in the molecule, and a sulfonic acid having a sulfonate group and an ethylenically unsaturated bond in the molecule. A solid polymer electrolyte membrane composed of a copolymer with a group-containing unsaturated monomer has been proposed. This solid polymer electrolyte membrane can be manufactured not only at a relatively low cost, but also has a high conductivity, a low temperature dependency of conductivity, and excellent heat resistance and solvent resistance. It was in line with the molecular electrolyte membrane.

しかし燃料電池用の固体高分子電解質膜には、導電性だけでなく、耐溶剤性や耐久性についても一層の向上が求められている。このような状況下、特開2003-22823号(特許文献1)は、耐久性と機械的強度を有するプロトン伝導性膜として、側鎖のリン酸基、ホスホン酸基又はホスフィン酸基の一部がアミン塩化されたポリマーを多孔質膜の空孔内に担持させてなるプロトン伝導性膜を提案している。また特開平9-110982号(特許文献2)は、広い温度範囲にわたってプロトン伝導性を有する高分子固体電解質として、下記一般式(28):

Figure 0004763754
(但しR31は4価の芳香族基であり、R32は脂肪族基、脂環族基又は芳香族基であり、R33及びR34はそれぞれ独立に水素原子又は炭素数2〜5のアルキルリン酸基であり、かつ繰り返し構造単位中に0.1〜2個のアルキルリン酸基を含み、kは10〜10,000である。)により表されるポリベンズイミダゾールのアルキルリン酸塩からなる高分子固体電解質を提案している。 However, solid polymer electrolyte membranes for fuel cells are required to further improve not only conductivity but also solvent resistance and durability. Under such circumstances, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-22823 (Patent Document 1) describes a part of a side chain phosphate group, phosphonic acid group or phosphinic acid group as a proton conductive membrane having durability and mechanical strength. Proton-conducting membranes are proposed in which an amine-salt polymer is supported in the pores of a porous membrane. JP-A-910982 (Patent Document 2) discloses the following general formula (28) as a polymer solid electrolyte having proton conductivity over a wide temperature range:
Figure 0004763754
(However, R 31 is a tetravalent aromatic group, R 32 is an aliphatic group, an alicyclic group or an aromatic group, and R 33 and R 34 are each independently a hydrogen atom or a C 2-5 carbon atom. A polymer comprising an alkyl phosphate of polybenzimidazole represented by the formula (1): an alkyl phosphate group and 0.1 to 2 alkyl phosphate groups in a repeating structural unit, and k is 10 to 10,000. A solid electrolyte is proposed.

しかし特許文献1では、リン酸基をアミン塩化するアミンとして、不飽和基を有さないアルカノールアミン等を用いているので、アミノ基とリン酸基が四級アンモニウム塩基を形成しているのみであり、他の架橋性不飽和単量体を添加しない限り、架橋構造を形成できなかった。特許文献2の高分子固体電解質は、ポリベンズイミダゾールにアルキルリン酸基を導入することにより製造するものであるので、導入可能なリン酸基量は理論値の70%程度であり、リン酸基密度の向上に限界があった。このため特許文献2の高分子固体電解質のプロトン伝導率は、相対湿度100%/温度100℃の条件下でも10−4 S・cm−1のオーダーにあり、必ずしも優れているとは言えなかった。 However, in Patent Document 1, since an alkanolamine having no unsaturated group is used as the amine for converting the phosphate group into an amine, the amino group and the phosphate group only form a quaternary ammonium base. Yes, a crosslinked structure could not be formed unless another crosslinkable unsaturated monomer was added. Since the polymer solid electrolyte of Patent Document 2 is produced by introducing an alkyl phosphate group into polybenzimidazole, the amount of phosphate group that can be introduced is about 70% of the theoretical value. There was a limit to the improvement in density. For this reason, the proton conductivity of the polymer solid electrolyte disclosed in Patent Document 2 is in the order of 10 −4 S · cm −1 even under conditions of relative humidity of 100% / temperature of 100 ° C. and cannot be said to be necessarily excellent. .

特開2003-22823号公報JP2003-22823 特開平9-110982号公報JP-A-910982

従って本発明の目的は、幅広い温度領域において高いプロトン伝導性を有し、かつ優れた耐溶剤性を有する低廉な固体高分子電解質膜、その原料単量体組成物及び固体高分子電解質膜を用いた燃料電池を提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to use an inexpensive solid polymer electrolyte membrane having high proton conductivity in a wide temperature range and having excellent solvent resistance, a raw material monomer composition thereof, and a solid polymer electrolyte membrane. Is to provide a fuel cell.

上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者らは、(A) 分子内にリン酸基及びエチレン性不飽和結合を有するリン酸基含有不飽和単量体(a)と、分子内に置換又は無置換のアミノ基及びエチレン性不飽和結合を有するアミノ基含有不飽和単量体(b)とを反応させてなり、(a)が(b)で変性された四級アンモニウム塩を含む単量体組成物と、(B) フッ素基含有不飽和単量体(c)とを共重合すると、幅広い温度領域において高いプロトン伝導性を有し、かつ優れた耐溶剤性を有する低廉な固体高分子電解質膜が得られることを発見し、本発明に想到した。   As a result of diligent research in view of the above object, the present inventors have found that (A) a phosphate group-containing unsaturated monomer (a) having a phosphate group and an ethylenically unsaturated bond in the molecule, and substitution in the molecule. Or an amino group-containing unsaturated monomer (b) having an unsubstituted amino group and an ethylenically unsaturated bond, and (a) containing a quaternary ammonium salt modified with (b). When the monomer composition and (B) the fluorine-containing unsaturated monomer (c) are copolymerized, a low-cost solid having high proton conductivity in a wide temperature range and excellent solvent resistance is obtained. The inventors have discovered that a molecular electrolyte membrane can be obtained and have arrived at the present invention.

すなわち、本発明の固体高分子電解質膜は、(A) リン酸基及びエチレン性不飽和結合を有するリン酸基含有不飽和単量体(a)と、置換又は無置換のアミノ基及びエチレン性不飽和結合を有するアミノ基含有不飽和単量体(b)とを、(a)のリン酸基に対する(b)のアミノ基の割合が50〜180モル%となる範囲で反応させてなり、(a)が(b)で変性された四級アンモニウム塩を含む単量体組成物と、
(B) フッ素基含有不飽和単量体(c)と
を少なくとも共重合してなり、
(a)は下記一般式(1):

Figure 0004763754
(ただしR1は水素基又はアルキル基であり、R2は水素基又は置換もしくは無置換のアルキル基であり、nは1〜6の整数である)により表され、
(b)は下記一般式(2):
Figure 0004763754
(ただしR3は水素基又はメチル基であり、R4及びR5はそれぞれ独立に水素基、炭素数1〜4のアルキル基又は炭素数6〜10のアリール基であり、X1は−O−基又は−NH−基であり、Y1は置換もしくは無置換の炭素数1〜6のアルキレン基又は置換もしくは無置換の炭素数6〜16のアリーレン基である)により表される化合物、下記一般式(3):
Figure 0004763754
(ただしR6は水素基又はメチル基であり、R7及びR8はそれぞれ独立に水素基、炭素数1〜4のアルキル基又は炭素数6〜10のアリール基である)により表される化合物、下記一般式(4):
Figure 0004763754
(ただしR9は水素基又はメチル基であり、R10及びR11はそれぞれ独立に水素基、炭素数1〜4のアルキル基又は炭素数6〜10のアリール基であり、Y2は置換もしくは無置換の炭素数1〜6のアルキレン基又は置換もしくは無置換の炭素数6〜16のアリーレン基である)により表される化合物、下記一般式(5):
Figure 0004763754
(ただしR12は水素基又はメチル基であり、R13及びR14はそれぞれ独立に水素基、炭素数1〜4のアルキル基又は炭素数6〜10のアリール基である)により表される化合物、下記一般式(6):
Figure 0004763754
(ただしR15及びR16はそれぞれ独立に水素基又はメチル基であり、R17は水素基、炭素数1〜4のアルキル基又は炭素数6〜10のアリール基であり、Y3及びY4はそれぞれ独立に置換もしくは無置換の炭素数1〜6のアルキレン基又は置換もしくは無置換の炭素数6〜16のアリーレン基である)により表される化合物、及び1個以上のビニル基を有するヘテロ環状アミン化合物からなる群から選ばれた少なくとも一種であり、
(c)は、(i) 少なくとも1個のフッ素基を有する(メタ)アクリル酸エステル類、(ii) 少なくとも1個のフッ素基を有する(メタ)アクリル酸類、(iii) 少なくとも1個のフッ素基を有するアルキル基及び/又は少なくとも1個のフッ素基と1個のエチレン性不飽和結合とを有するオレフィン系不飽和単量体、並びに(iv) 少なくとも1個のフッ素基を含有するアルキレン基と2個のエチレン性不飽和結合とを有するジエン系不飽和単量体からなる群から選ばれた少なくとも一種であることを特徴とする。 That is, the solid polymer electrolyte membrane of the present invention comprises (A) a phosphate group-containing unsaturated monomer (a) having a phosphate group and an ethylenically unsaturated bond, a substituted or unsubstituted amino group, and an ethylenic group. An amino group-containing unsaturated monomer having an unsaturated bond (b) is reacted in a range where the ratio of the amino group of (b) to the phosphate group of (a) is 50 to 180 mol%, a monomer composition comprising a quaternary ammonium salt wherein (a) is modified in (b);
(B) at least copolymerized with a fluorine group-containing unsaturated monomer (c),
(a) is the following general formula (1):
Figure 0004763754
(Wherein R 1 is a hydrogen group or an alkyl group, R 2 is a hydrogen group or a substituted or unsubstituted alkyl group, and n is an integer of 1 to 6),
(b) is the following general formula (2):
Figure 0004763754
(However, R 3 is a hydrogen group or a methyl group, R 4 and R 5 are each independently a hydrogen group, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, or an aryl group having 6 to 10 carbon atoms, and X 1 is —O -Group or -NH- group, and Y 1 is a substituted or unsubstituted alkylene group having 1 to 6 carbon atoms or a substituted or unsubstituted arylene group having 6 to 16 carbon atoms), General formula (3):
Figure 0004763754
Wherein R 6 is a hydrogen group or a methyl group, and R 7 and R 8 are each independently a hydrogen group, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, or an aryl group having 6 to 10 carbon atoms. The following general formula (4):
Figure 0004763754
(Wherein R 9 is a hydrogen group or a methyl group, R 10 and R 11 are each independently a hydrogen group, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms or an aryl group having 6 to 10 carbon atoms, and Y 2 is substituted or An unsubstituted alkylene group having 1 to 6 carbon atoms or a substituted or unsubstituted arylene group having 6 to 16 carbon atoms), the following general formula (5):
Figure 0004763754
Wherein R 12 is a hydrogen group or a methyl group, and R 13 and R 14 are each independently a hydrogen group, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, or an aryl group having 6 to 10 carbon atoms. The following general formula (6):
Figure 0004763754
(However, R 15 and R 16 are each independently a hydrogen group or a methyl group, R 17 is a hydrogen group, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, or an aryl group having 6 to 10 carbon atoms, and Y 3 and Y 4 Are each independently a substituted or unsubstituted alkylene group having 1 to 6 carbon atoms or a substituted or unsubstituted arylene group having 6 to 16 carbon atoms, and a hetero compound having one or more vinyl groups. Is at least one selected from the group consisting of cyclic amine compounds,
(c) is (i) (meth) acrylic acid ester having at least one fluorine group, (ii) (meth) acrylic acid having at least one fluorine group, (iii) at least one fluorine group And / or an olefinically unsaturated monomer having at least one fluorine group and one ethylenically unsaturated bond, and (iv) an alkylene group containing at least one fluorine group and 2 It is at least one selected from the group consisting of diene unsaturated monomers having one ethylenically unsaturated bond.

(a)のR1はH又はCH3であり、R2はH、CH3又はCH2Clであるのが好ましい。 R 1 in (a) is preferably H or CH 3 , and R 2 is preferably H, CH 3 or CH 2 Cl.

前記フッ素基含有(メタ)アクリル酸エステル類としては下記一般式(7):

Figure 0004763754
(ただしX3は水素基、フッ素基、少なくとも1個のフッ素基を有する又は有しないメチル基であり、R25は少なくとも1個のフッ素基を有する又は有しないアルキル基である。)により表される化合物が好ましく、2,2,2−トリフルオロエチルメタクリートがより好ましい。前記フッ素基含有(メタ)アクリル酸類としては下記一般式(8):
Figure 0004763754
(ただしX4はフッ素基又は少なくとも1個のフッ素基を有するメチル基である。)により表される化合物が好ましい。前記フッ素基含有オレフィン系不飽和単量体としては
下記一般式(9):
Figure 0004763754
(ただしRf1は少なくとも1個のフッ素基を含有するアルキル基であり、X5、X6及びX7はそれぞれ独立に水素基又はフッ素基である。)又は下記一般式(10):
Figure 0004763754
(ただしX8、X9及びX10はそれぞれ独立にフッ素基又は少なくとも1個のフッ素基を有するメチル基であり、X11はフッ素基、その他のハロゲン、少なくとも1個のフッ素基を有するフッ素基含有メチル基、アルコキシ基、フッ素基含有アルコキシ基、アルキル基又は水素基である。)により表される化合物が好ましい。前記フッ素基含有ジエン系不飽和単量体としては下記一般式(11):
Figure 0004763754
(ただしRf2は少なくとも1個のフッ素基を含有するアルキレン基であり、X12、X13、X14、X15、X16及びX17はそれぞれ独立に水素基又はフッ素基である。)により表される化合物が好ましい。 Examples of the fluorine group-containing (meth) acrylic acid esters include the following general formula (7):
Figure 0004763754
(Wherein X 3 is a hydrogen group, a fluorine group, a methyl group having or not having at least one fluorine group, and R 25 is an alkyl group having or not having at least one fluorine group). Are preferred, and 2,2,2-trifluoroethyl methacrylate is more preferred. The fluorine group-containing (meth) acrylic acids include the following general formula (8):
Figure 0004763754
A compound represented by the formula (wherein X 4 is a fluorine group or a methyl group having at least one fluorine group) is preferred. The fluorine group-containing olefinically unsaturated monomer is represented by the following general formula (9):
Figure 0004763754
(Where Rf 1 is an alkyl group containing at least one fluorine group, and X 5 , X 6 and X 7 are each independently a hydrogen group or a fluorine group) or the following general formula (10):
Figure 0004763754
(However, X 8 , X 9 and X 10 are each independently a fluorine group or a methyl group having at least one fluorine group, and X 11 is a fluorine group, other halogens, or a fluorine group having at least one fluorine group. A methyl group, an alkoxy group, a fluorine group-containing alkoxy group, an alkyl group or a hydrogen group). The fluorine group-containing diene unsaturated monomer is represented by the following general formula (11):
Figure 0004763754
(Wherein Rf 2 is an alkylene group containing at least one fluorine group, and X 12 , X 13 , X 14 , X 15 , X 16 and X 17 are each independently a hydrogen group or a fluorine group). The compounds represented are preferred.

固体高分子電解質膜の好ましい例では、(a)〜(c)以外の不飽和単量体(d)を共重合成分として含み、(d)は分子内に1個以上のエチレン性不飽和結合と官能基とを有する不飽和単量体(d-1)、及び分子内に1個以上のエチレン性不飽和結合を有するが官能基を有しない不飽和単量体(d-2)の一方又は両方であり、(d-1)はリン系酸残基、スルホン酸基、カルボン酸基及びアルコール性水酸基からなる群から選ばれた少なくとも一種の官能基を有し、(d-2)は(メタ)アクリロニトリル、(メタ)アクリル酸エステル類、(メタ)アクリル酸アミド類、置換又は無置換のスチレン類及びビニル類からなる群から選ばれた少なくとも一種である。(前記四級アンモニウム塩含有単量体組成物)/((c)及び(d)の合計)の重量比は80/20〜40/60であるのが好ましい。   In a preferred example of the solid polymer electrolyte membrane, an unsaturated monomer (d) other than (a) to (c) is included as a copolymerization component, and (d) is one or more ethylenically unsaturated bonds in the molecule. One of unsaturated monomer (d-1) having a functional group and one or more unsaturated monomer (d-2) having one or more ethylenically unsaturated bonds in the molecule but having no functional group Or (d-1) has at least one functional group selected from the group consisting of a phosphoric acid residue, a sulfonic acid group, a carboxylic acid group and an alcoholic hydroxyl group, and (d-2) is It is at least one selected from the group consisting of (meth) acrylonitrile, (meth) acrylic acid esters, (meth) acrylic acid amides, substituted or unsubstituted styrenes and vinyls. The weight ratio of (the quaternary ammonium salt-containing monomer composition) / (total of (c) and (d)) is preferably 80/20 to 40/60.

本発明の固体高分子電解質用単量体組成物は、(A) リン酸基及びエチレン性不飽和結合を有するリン酸基含有不飽和単量体(a)と、置換又は無置換のアミノ基及びエチレン性不飽和結合を有するアミノ基含有不飽和単量体(b)とを、(a)のリン酸基に対する(b)のアミノ基の割合が50〜180モル%となる範囲で反応させてなり、(a)が(b)で変性された四級アンモニウム塩を含む単量体組成物と、
(B) フッ素基含有不飽和単量体(c)と
を少なくとも含み、
前記四級アンモニウム塩は、下記一般式(12):

Figure 0004763754
(但しR1は水素基又はアルキル基であり、R2は水素基又は置換もしくは無置換のアルキル基であり、R3は水素基又はメチル基であり、R4及びR5はそれぞれ独立に水素基、炭素数1〜4のアルキル基又は炭素数6〜10のアリール基であり、X1は−O−基又は−NH−基であり、Y1は置換もしくは無置換の炭素数1〜6のアルキレン基又は炭素数6〜12のアリーレン基であり、nは1〜6の整数である。)により表される化合物、下記一般式(13):
Figure 0004763754
(但しR1は水素基又はアルキル基であり、R2は水素基又は置換もしくは無置換のアルキル基であり、R6は水素基又はメチル基であり、R7及びR8はそれぞれ独立に水素基、炭素数1〜4のアルキル基又は炭素数6〜10のアリール基であり、nは1〜6の整数である。)により表される化合物、下記一般式(14):
Figure 0004763754
(但しR1は水素基又はアルキル基であり、R2は水素基又は置換もしくは無置換のアルキル基であり、R9は水素基又はメチル基であり、R10及びR11はそれぞれ独立に水素基、炭素数1〜4のアルキル基又は炭素数6〜10のアリール基であり、Y2は置換もしくは無置換の炭素数1〜6のアルキレン基又は置換もしくは無置換の炭素数6〜16のアリーレン基であり、nは1〜6の整数である。)により表される化合物、下記一般式(15):
Figure 0004763754
(但しR1は水素基又はアルキル基であり、R2は水素基又は置換もしくは無置換のアルキル基であり、R12は水素基又はメチル基であり、R13及びR14はそれぞれ独立に水素基、炭素数1〜4のアルキル基又は炭素数6〜10のアリール基であり、nは1〜6の整数である。)により表される化合物、下記一般式(16):
Figure 0004763754
(但しR1は水素基又はアルキル基であり、R2は水素基又は置換もしくは無置換のアルキル基であり、R15及びR16はそれぞれ独立に水素基又はメチル基であり、R17は水素基、炭素数1〜4のアルキル基又は炭素数6〜10のアリール基であり、Y3及びY4はそれぞれ独立に置換もしくは無置換の炭素数1〜6のアルキレン基又は置換もしくは無置換の炭素数6〜16のアリーレン基であり、nは1〜6の整数である。)により表される化合物、並びに下記一般式(1):
Figure 0004763754
(ただしR1は水素基又はアルキル基であり、R2は水素基又は置換もしくは無置換のアルキル基であり、nは1〜6の整数である。)により表されるリン酸基含有不飽和単量体を、1個以上のビニル基を有するヘテロ環状アミンで変性した化合物からなる群から選ばれた少なくとも一種であり、
(c)は、(i) 少なくとも1個のフッ素基を有する(メタ)アクリル酸エステル類、(ii) 少なくとも1個のフッ素基を有する(メタ)アクリル酸類、(iii) 少なくとも1個のフッ素基を有するアルキル基及び/又は少なくとも1個のフッ素基と1個のエチレン性不飽和結合とを有するオレフィン系不飽和単量体、並びに(iv) 少なくとも1個のフッ素基を含有するアルキレン基と2個のエチレン性不飽和結合とを有するジエン系不飽和単量体からなる群から選ばれた少なくとも一種であることを特徴とする。 The monomer composition for solid polymer electrolyte of the present invention comprises (A) a phosphate group-containing unsaturated monomer (a) having a phosphate group and an ethylenically unsaturated bond, and a substituted or unsubstituted amino group. And an amino group-containing unsaturated monomer (b) having an ethylenically unsaturated bond are reacted in a range where the ratio of the amino group of (b) to the phosphate group of (a) is 50 to 180 mol%. A monomer composition comprising a quaternary ammonium salt wherein (a) is modified in (b);
(B) at least a fluorine group-containing unsaturated monomer (c),
The quaternary ammonium salt has the following general formula (12):
Figure 0004763754
(However, R 1 is a hydrogen group or an alkyl group, R 2 is a hydrogen group or a substituted or unsubstituted alkyl group, R 3 is a hydrogen group or a methyl group, and R 4 and R 5 are each independently hydrogen. Group, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms or an aryl group having 6 to 10 carbon atoms, X 1 is an —O— group or an —NH— group, and Y 1 is a substituted or unsubstituted carbon atom having 1 to 6 carbon atoms. An alkylene group or an arylene group having 6 to 12 carbon atoms, and n is an integer of 1 to 6.), a compound represented by the following general formula (13):
Figure 0004763754
(However, R 1 is a hydrogen group or an alkyl group, R 2 is a hydrogen group or a substituted or unsubstituted alkyl group, R 6 is a hydrogen group or a methyl group, and R 7 and R 8 are each independently hydrogen. A group, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms or an aryl group having 6 to 10 carbon atoms, and n is an integer having 1 to 6), the following general formula (14):
Figure 0004763754
(However, R 1 is a hydrogen group or an alkyl group, R 2 is a hydrogen group or a substituted or unsubstituted alkyl group, R 9 is a hydrogen group or a methyl group, and R 10 and R 11 are each independently hydrogen. Group, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, or an aryl group having 6 to 10 carbon atoms, and Y 2 is a substituted or unsubstituted alkylene group having 1 to 6 carbon atoms or a substituted or unsubstituted carbon group having 6 to 16 carbon atoms. An arylene group, and n is an integer of 1 to 6.), a compound represented by the following general formula (15):
Figure 0004763754
(However, R 1 is a hydrogen group or an alkyl group, R 2 is a hydrogen group or a substituted or unsubstituted alkyl group, R 12 is a hydrogen group or a methyl group, and R 13 and R 14 are each independently hydrogen. A group, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms or an aryl group having 6 to 10 carbon atoms, and n is an integer of 1 to 6), the following general formula (16):
Figure 0004763754
(However, R 1 is a hydrogen group or an alkyl group, R 2 is a hydrogen group or a substituted or unsubstituted alkyl group, R 15 and R 16 are each independently a hydrogen group or a methyl group, and R 17 is a hydrogen group. Group, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms or an aryl group having 6 to 10 carbon atoms, and Y 3 and Y 4 are each independently a substituted or unsubstituted alkylene group having 1 to 6 carbon atoms or a substituted or unsubstituted group. A compound having 6 to 16 carbon atoms and n is an integer of 1 to 6), and the following general formula (1):
Figure 0004763754
(Wherein R 1 is a hydrogen group or an alkyl group, R 2 is a hydrogen group or a substituted or unsubstituted alkyl group, and n is an integer of 1 to 6). The monomer is at least one selected from the group consisting of compounds modified with a heterocyclic amine having one or more vinyl groups,
(c) is (i) (meth) acrylic acid ester having at least one fluorine group, (ii) (meth) acrylic acid having at least one fluorine group, (iii) at least one fluorine group And / or an olefinically unsaturated monomer having at least one fluorine group and one ethylenically unsaturated bond, and (iv) an alkylene group containing at least one fluorine group and 2 It is at least one selected from the group consisting of diene unsaturated monomers having one ethylenically unsaturated bond.

固体高分子電解質用単量体組成物は、未反応の(a)、未反応の(b)、及び(a)のリン酸基中の水酸基の全てが(b)のアミノ基と反応した不飽和単量体からなる群から選ばれた少なくとも一種を含んでもよい。   The monomer composition for a solid polymer electrolyte is an unreacted (a), an unreacted (b), and an unreacted product in which all of the hydroxyl groups in the phosphate group of (a) have reacted with the amino group of (b). It may contain at least one selected from the group consisting of saturated monomers.

本発明の固体高分子電解質膜は燃料電池用途に好適である。   The solid polymer electrolyte membrane of the present invention is suitable for fuel cell applications.

本発明の固体高分子電解質膜を構成する四級アンモニウム塩は、一分子中にリン酸基含有不飽和単量体及びアミノ基含有不飽和単量体に由来するエチレン性不飽和結合を有するので、固体高分子電解質膜は架橋構造を有し、優れた耐溶剤性を有する。さらに本発明の固体高分子電解質膜は、相対湿度90%/温度20〜80℃において10−3〜10−5 S・cm−1の優れたプロトン伝導性を有し、かかるプロトン伝導性の温度依存性が小さい。そのため本発明の固体高分子電解質膜は、一次電池用電解質膜、二次電池用電解質膜、燃料電池用電解質膜、表示素子膜、各種センサー膜、信号伝達媒体膜、固体コンデンサー膜、イオン交換膜などに好適に利用できる。特に大電力用途のDMFC(直接メタノール燃料電池)用の固体高分子電解質としての応用が期待される。 The quaternary ammonium salt constituting the solid polymer electrolyte membrane of the present invention has an ethylenically unsaturated bond derived from a phosphate group-containing unsaturated monomer and an amino group-containing unsaturated monomer in one molecule. The solid polymer electrolyte membrane has a crosslinked structure and has excellent solvent resistance. Furthermore, the solid polymer electrolyte membrane of the present invention has an excellent proton conductivity of 10 −3 to 10 −5 S · cm −1 at a relative humidity of 90% / temperature of 20 to 80 ° C., and the proton conductivity temperature. Small dependency. Therefore, the solid polymer electrolyte membrane of the present invention includes an electrolyte membrane for a primary battery, an electrolyte membrane for a secondary battery, an electrolyte membrane for a fuel cell, a display element membrane, various sensor membranes, a signal transmission medium membrane, a solid capacitor membrane, and an ion exchange membrane. It can utilize suitably for. In particular, it is expected to be applied as a solid polymer electrolyte for DMFC (direct methanol fuel cell) for high power applications.

[1] 固体高分子電解質用単量体組成物
本発明の固体高分子電解質用単量体組成物は、(A) 分子内にリン酸基及びエチレン性不飽和結合を各々1個有するリン酸基含有不飽和単量体(a)と、分子内に置換又は無置換のアミノ基及びエチレン性不飽和結合を各々1個以上有するアミノ基含有不飽和単量体(b)とを、(a)のリン酸基に対する(b)のアミノ基の割合が50〜180モル%となる範囲で反応させてなり、(a)が(b)で変性されて(a)のリン酸基中の水酸基の一部乃至大部分が(b)のアミノ基と反応した四級アンモニウム塩を含む単量体組成物と、(B) フッ素基含有不飽和単量体(c)とを含む。
[1] Monomer composition for solid polymer electrolyte The monomer composition for solid polymer electrolyte of the present invention comprises (A) phosphoric acid having one phosphoric acid group and one ethylenically unsaturated bond in the molecule. A group-containing unsaturated monomer (a) and an amino group-containing unsaturated monomer (b) each having one or more substituted or unsubstituted amino groups and ethylenically unsaturated bonds in the molecule (a) ) In the range in which the ratio of the amino group of (b) to the phosphate group of (b) is 50 to 180 mol%, (a) is modified with (b), and the hydroxyl group in the phosphate group of (a) (B) a monomer composition containing a quaternary ammonium salt reacted with an amino group, and (B) a fluorine group-containing unsaturated monomer (c).

(1) リン酸基含有不飽和単量体
リン酸基含有不飽和単量体は下記一般式(1):

Figure 0004763754
(ただしR1は水素又はアルキル基であり、R2は水素又は置換もしくは無置換のアルキル基であり、nは1〜6の整数である。)により表すことができる。R1はH又はCH3であるのが好ましく、R2はH、CH3又はCH2Clであるのが好ましい。 (1) Phosphoric acid group-containing unsaturated monomer The phosphoric acid group-containing unsaturated monomer is represented by the following general formula (1):
Figure 0004763754
(Where R 1 is hydrogen or an alkyl group, R 2 is hydrogen or a substituted or unsubstituted alkyl group, and n is an integer of 1 to 6). R 1 is preferably H or CH 3 and R 2 is preferably H, CH 3 or CH 2 Cl.

一般式(1)により表されるリン酸基含有不飽和単量体のうち代表的なものの構造式及び物性をそれぞれ表1及び表2に示す。これらの単量体はユニケミカル(株)から商品名Phosmer(登録商標)として販売されている。ただし本発明に使用できるリン酸基含有不飽和単量体はこれらに限定されるものではない。   Tables 1 and 2 show the structural formulas and physical properties of representative ones of the phosphate group-containing unsaturated monomers represented by the general formula (1), respectively. These monomers are sold by Unichemical Corporation under the trade name Phosmer (registered trademark). However, the phosphate group-containing unsaturated monomer that can be used in the present invention is not limited to these.

Figure 0004763754
Figure 0004763754

Figure 0004763754
注:(1) Brookfield型粘度計により測定(括弧内はロータNo.を示す)。
(2) 単位は質量%。
Figure 0004763754
Note: (1) Measured with a Brookfield viscometer (the rotor number is shown in parentheses).
(2) The unit is mass%.

一般式(1)により表されるリン酸基含有不飽和単量体の中でも、得られる固体高分子電解質膜の耐溶剤性を良好にする観点から、アシッド・ホスホオキシポリオキシプロピレングリコールメタクリレート(Phosmer PP)が好ましい。   Among the phosphoric acid group-containing unsaturated monomers represented by the general formula (1), from the viewpoint of improving the solvent resistance of the obtained solid polymer electrolyte membrane, acid phosphooxypolyoxypropylene glycol methacrylate (Phosmer PP) is preferred.

(2) アミノ基含有不飽和単量体
アミノ基含有不飽和単量体は、(a) 下記一般式(2):

Figure 0004763754
(ただしR3は水素基又はメチル基であり、R4及びR5はそれぞれ独立に水素基、炭素数1〜4のアルキル基又は炭素数6〜10のアリール基であり、X1は−O−基又は−NH−基であり、Y1は置換もしくは無置換の炭素数1〜6のアルキレン基又は置換もしくは無置換の炭素数6〜16のアリーレン基である。)により表される化合物、(b) 下記一般式(3):
Figure 0004763754
(ただしR6は水素基又はメチル基であり、R7及びR8はそれぞれ独立に水素基、炭素数1〜4のアルキル基又は炭素数6〜10のアリール基である。)により表される化合物、(c) 下記一般式(4):
Figure 0004763754
(ただしR9は水素基又はメチル基であり、R10及びR11はそれぞれ独立に水素基、炭素数1〜4のアルキル基又は炭素数6〜10のアリール基であり、Y2は置換もしくは無置換の炭素数1〜6のアルキレン基又は置換もしくは無置換の炭素数6〜16のアリーレン基である。)により表される化合物、(d) 下記一般式(5):
Figure 0004763754
(ただしR12は水素基又はメチル基であり、R13及びR14はそれぞれ独立に水素基、炭素数1〜4のアルキル基又は炭素数6〜10のアリール基である。)により表される化合物、(e) 下記一般式(6):
Figure 0004763754
(ただしR15及びR16はそれぞれ独立に水素基又はメチル基であり、R17は水素基、炭素数1〜4のアルキル基又は炭素数6〜10のアリール基であり、Y3及びY4はそれぞれ独立に置換もしくは無置換の炭素数1〜6のアルキレン基又は置換もしくは無置換の炭素数6〜16のアリーレン基である。)により表される化合物、及び(f) 1個以上のビニル基を有するヘテロ環状アミン化合物からなる群から選ばれた少なくとも一種である。 (2) Amino group-containing unsaturated monomer The amino group-containing unsaturated monomer is represented by (a) the following general formula (2):
Figure 0004763754
(However, R 3 is a hydrogen group or a methyl group, R 4 and R 5 are each independently a hydrogen group, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, or an aryl group having 6 to 10 carbon atoms, and X 1 is —O -Group or -NH- group, and Y 1 is a substituted or unsubstituted alkylene group having 1 to 6 carbon atoms or a substituted or unsubstituted arylene group having 6 to 16 carbon atoms. (b) The following general formula (3):
Figure 0004763754
(Wherein R 6 is a hydrogen group or a methyl group, and R 7 and R 8 are each independently a hydrogen group, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, or an aryl group having 6 to 10 carbon atoms). Compound (c) The following general formula (4):
Figure 0004763754
(Wherein R 9 is a hydrogen group or a methyl group, R 10 and R 11 are each independently a hydrogen group, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms or an aryl group having 6 to 10 carbon atoms, and Y 2 is substituted or An unsubstituted alkylene group having 1 to 6 carbon atoms or a substituted or unsubstituted arylene group having 6 to 16 carbon atoms), (d) the following general formula (5):
Figure 0004763754
(Wherein R 12 is a hydrogen group or a methyl group, and R 13 and R 14 are each independently a hydrogen group, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, or an aryl group having 6 to 10 carbon atoms). Compound (e) General formula (6) below:
Figure 0004763754
(However, R 15 and R 16 are each independently a hydrogen group or a methyl group, R 17 is a hydrogen group, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, or an aryl group having 6 to 10 carbon atoms, and Y 3 and Y 4 And each independently represents a substituted or unsubstituted alkylene group having 1 to 6 carbon atoms or a substituted or unsubstituted arylene group having 6 to 16 carbon atoms, and (f) one or more vinyls It is at least one selected from the group consisting of a heterocyclic amine compound having a group.

上記式(2)により表されるアミノ基含有不飽和単量体として、例えばN, N−ジメチルアミノメチル(メタ)アクリレート、N, N−ジエチルアミノメチル(メタ)アクリレート、N, N−ジプロピルアミノメチル(メタ)アクリレート、N, N−ジブチルアミノメチル(メタ)アクリレート、N, N−ジメチルアミノエチル(メタ)アクリレート、N, N−ジエチルアミノエチル(メタ)アクリレート、N, N−ジプロピルアミノエチル(メタ)アクリレート、N, N−ジブチルアミノエチル(メタ)アクリレート、N, N−ジメチルアミノプロピル(メタ)アクリレート、N, N−ジエチルアミノプロピル(メタ)アクリレート、N, N−ジプロピルアミノプロピル(メタ)アクリレート、N, N−ジブチルアミノプロピル(メタ)アクリレート、N, N−ジメチルアミノブチル(メタ)アクリレート、N, N−ジエチルアミノブチル(メタ)アクリレート、N, N−ジプロピルアミノブチル(メタ)アクリレート、N, N−ジブチルアミノブチル(メタ)アクリレート、N, N−ジメチルアミノメチル(メタ)アクリルアミド、N, N−ジエチルアミノメチル(メタ)アクリルアミド、N, N−ジプロピルアミノメチル(メタ)アクリルアミド、N, N−ジブチルアミノメチル(メタ)アクリルアミド、N, N−ジメチルアミノエチル(メタ)アクリルアミド、N, N−ジエチルアミノエチル(メタ)アクリルアミド、N, N−ジプロピルアミノエチル(メタ)アクリルアミド、N, N−ジブチルアミノエチル(メタ)アクリルアミド、N, N−ジメチルアミノプロピル(メタ)アクリルアミド、N, N−ジエチルアミノプロピル(メタ)アクリルアミド、N, N−ジプロピルアミノプロピル(メタ)アクリルアミド、N, N−ジブチルアミノプロピル(メタ)アクリルアミド、N, N−ジメチルアミノブチル(メタ)アクリルアミド、N, N−ジエチルアミノブチル(メタ)アクリルアミド、N, N−ジプロピルアミノブチル(メタ)アクリルアミド、N, N−ジブチルアミノブチル(メタ)アクリルアミド等が挙げられる。   Examples of the amino group-containing unsaturated monomer represented by the above formula (2) include N, N-dimethylaminomethyl (meth) acrylate, N, N-diethylaminomethyl (meth) acrylate, and N, N-dipropylamino. Methyl (meth) acrylate, N, N-dibutylaminomethyl (meth) acrylate, N, N-dimethylaminoethyl (meth) acrylate, N, N-diethylaminoethyl (meth) acrylate, N, N-dipropylaminoethyl ( (Meth) acrylate, N, N-dibutylaminoethyl (meth) acrylate, N, N-dimethylaminopropyl (meth) acrylate, N, N-diethylaminopropyl (meth) acrylate, N, N-dipropylaminopropyl (meth) Acrylate, N, N-Dibutylaminopropyl (meth) acrylate, N, N-dimethylaminobutyl (meth) Acrylate, N, N-diethylaminobutyl (meth) acrylate, N, N-dipropylaminobutyl (meth) acrylate, N, N-dibutylaminobutyl (meth) acrylate, N, N-dimethylaminomethyl (meth) acrylamide, N, N-diethylaminomethyl (meth) acrylamide, N, N-dipropylaminomethyl (meth) acrylamide, N, N-dibutylaminomethyl (meth) acrylamide, N, N-dimethylaminoethyl (meth) acrylamide, N, N-diethylaminoethyl (meth) acrylamide, N, N-dipropylaminoethyl (meth) acrylamide, N, N-dibutylaminoethyl (meth) acrylamide, N, N-dimethylaminopropyl (meth) acrylamide, N, N- Diethylaminopropyl (meth) acrylamide, N, N-dipropyl Minopropyl (meth) acrylamide, N, N-dibutylaminopropyl (meth) acrylamide, N, N-dimethylaminobutyl (meth) acrylamide, N, N-diethylaminobutyl (meth) acrylamide, N, N-dipropylaminobutyl ( And meth) acrylamide, N, N-dibutylaminobutyl (meth) acrylamide, and the like.

上記式(3)により表されるアミノ基含有不飽和単量体として、例えばビニルアミン、N-ビニルジメチルアミン、N-ビニルジエチルアミン、N-ビニルジフェニルアミン等が挙げられる。   Examples of the amino group-containing unsaturated monomer represented by the above formula (3) include vinylamine, N-vinyldimethylamine, N-vinyldiethylamine, N-vinyldiphenylamine and the like.

上記式(4)により表されるアミノ基含有不飽和単量体として、例えばアリルアミン、N, N−ジメチル−p−アミノスチレン 、N, N−ジエチル−p−アミノスチレン 、ジメチル(p−ビニルベンジル)アミン、ジエチル(p−ビニルベンジル)アミン、ジメチル(p−ビニルフェネチル)アミン、ジエチル(p−ビニルフェネチル)アミン、ジメチル(p−ビニルベンジルオキシメチル)アミン、ジメチル[2−(p−ビニルベンジルオキシ)エチル]アミン、ジエチル(p−ビニルベンジルオキシメチル)アミン、ジエチル[2−(p−ビニルベンジルオキシ)エチル]アミン、ジメチル(p−ビニルフェネチルオキシメチル)アミン、ジメチル[2−(p−ビニルフェネチルオキシ)エチル]アミン、ジエチル(p−ビニルフェネチルオキシメチル)アミン、ジエチル[2−(p−ビニルフェネチルオキシ)エチル]アミン等が挙げられる。   Examples of the amino group-containing unsaturated monomer represented by the above formula (4) include allylamine, N, N-dimethyl-p-aminostyrene, N, N-diethyl-p-aminostyrene, dimethyl (p-vinylbenzyl). ) Amine, diethyl (p-vinylbenzyl) amine, dimethyl (p-vinylphenethyl) amine, diethyl (p-vinylphenethyl) amine, dimethyl (p-vinylbenzyloxymethyl) amine, dimethyl [2- (p-vinylbenzyl) Oxy) ethyl] amine, diethyl (p-vinylbenzyloxymethyl) amine, diethyl [2- (p-vinylbenzyloxy) ethyl] amine, dimethyl (p-vinylphenethyloxymethyl) amine, dimethyl [2- (p- Vinylphenethyloxy) ethyl] amine, diethyl (p-vinylphenethyloxymethyl) amine, diethyl [2-(p-vinyl phenethyl oxy) ethyl] amine.

上記式(5)により表されるアミノ基含有不飽和単量体として、例えばアクリルアミド、メタクリルアミド、N, N−ジメチルアクリルアミド、N, N−ジメチルメタクリルアミド等が挙げられる。   Examples of the amino group-containing unsaturated monomer represented by the above formula (5) include acrylamide, methacrylamide, N, N-dimethylacrylamide, N, N-dimethylmethacrylamide and the like.

上記式(6)により表されるアミノ基含有不飽和単量体として、例えばジアリルメチルアミン等が挙げられる。   Examples of the amino group-containing unsaturated monomer represented by the above formula (6) include diallylmethylamine.

1個以上のビニル基を有するヘテロ環状アミン化合物として、例えば2−ビニルピリジン、3−ビニルピリジン、4−ビニルピリジン、1−ビニルイミダゾール、2−ビニルイミダゾール、4−ビニルイミダゾール、5−ビニルイミダゾール、1−ビニルピラゾール、3−ビニルピラゾール、4−ビニルピラゾール、1−ビニルトリアゾール、2−ビニルピリミジン、4−ビニルピリミジン、5−ビニルピリミジン、2−ビニルピラジン、3−ビニルピリダジン、4−ビニルピリダジン、2−ビニルトリアジン、N−ビニルピロール、N−ビニルインドール、N−ビニルカルバゾール、N−ビニルピロリドン、N−ビニル−ε−カプロラクタム、N−ビニルスクシンイミド、N−ビニルグルタルイミド、N−ビニルフタルイミド等が挙げられる。   Examples of the heterocyclic amine compound having one or more vinyl groups include 2-vinylpyridine, 3-vinylpyridine, 4-vinylpyridine, 1-vinylimidazole, 2-vinylimidazole, 4-vinylimidazole, 5-vinylimidazole, 1-vinylpyrazole, 3-vinylpyrazole, 4-vinylpyrazole, 1-vinyltriazole, 2-vinylpyrimidine, 4-vinylpyrimidine, 5-vinylpyrimidine, 2-vinylpyrazine, 3-vinylpyridazine, 4-vinylpyridazine, 2-vinyltriazine, N-vinylpyrrole, N-vinylindole, N-vinylcarbazole, N-vinylpyrrolidone, N-vinyl-ε-caprolactam, N-vinylsuccinimide, N-vinylglutarimide, N-vinylphthalimide, etc. Can be mentioned.

アミノ基含有不飽和単量体としては、得られる固体高分子電解質膜の耐溶剤性を良好にする観点から、上記式(2)、(4)及び(6)により表されるものが好ましく、上記式(2) により表されるものがより好ましい。   As the amino group-containing unsaturated monomer, from the viewpoint of improving the solvent resistance of the obtained solid polymer electrolyte membrane, those represented by the above formulas (2), (4) and (6) are preferable, Those represented by the above formula (2) are more preferred.

(3) リン酸基含有不飽和単量体とアミノ基含有不飽和単量体との配合割合
リン酸基含有不飽和単量体とアミノ基含有不飽和単量体との配合割合は、リン酸基含有不飽和単量体が一リン酸基当り2個の水酸基を有するため、リン酸基に対するアミノ基の割合が50〜180モル%となる範囲であるのが好ましい。この割合を50モル%未満とすると、架橋性を有する四級アンモニウム塩の生成量が少なくなり、得られる重合体の耐溶剤性が悪化する。一方この割合を180モル%超とすると、リン酸基が中和される割合が高くなり過ぎ、得られる重合体の酸性リン酸基の割合が少なくなるためプロトン伝導性が不十分となる。この比は60〜150モル%の範囲とするのがより好ましい。
(3) Blending ratio of phosphate group-containing unsaturated monomer and amino group-containing unsaturated monomer The blending ratio of phosphate group-containing unsaturated monomer and amino group-containing unsaturated monomer is Since the acid group-containing unsaturated monomer has two hydroxyl groups per phosphoric acid group, the ratio of the amino group to the phosphoric acid group is preferably in the range of 50 to 180 mol%. When this ratio is less than 50 mol%, the amount of quaternary ammonium salt having crosslinkability is reduced, and the solvent resistance of the resulting polymer is deteriorated. On the other hand, if this ratio exceeds 180 mol%, the ratio of neutralizing phosphate groups becomes too high, and the ratio of acidic phosphate groups in the resulting polymer decreases, resulting in insufficient proton conductivity. This ratio is more preferably in the range of 60 to 150 mol%.

(4) 四級アンモニウム塩含有組成物の調製方法
四級アンモニウム塩含有組成物は、例えば溶媒中において、リン酸基含有不飽和単量体に対して、所定の配合割合のアミノ基含有不飽和単量体、水及び必要に応じて添加する触媒を滴下し、0℃〜溶媒の沸点以下の温度で処理することにより調製できる。水の添加量はリン酸基含有不飽和単量体に対して約1質量%とする。溶媒としてはメタノール、エタノール、イソプロピルアルコール等のアルコールが挙げられる。溶媒の使用量に特に制限はなく、反応混合物の粘度が高くなり過ぎない程度であればよい。必要に応じて反応後の溶液を加熱減圧し、溶媒を留去する。
(4) Preparation method of quaternary ammonium salt-containing composition A quaternary ammonium salt-containing composition is an amino group-containing unsaturated compound having a predetermined blending ratio with respect to a phosphate group-containing unsaturated monomer, for example, in a solvent. A monomer, water, and a catalyst to be added as necessary can be added dropwise and treated at a temperature from 0 ° C to the boiling point of the solvent. The amount of water added is about 1% by mass relative to the phosphate group-containing unsaturated monomer. Examples of the solvent include alcohols such as methanol, ethanol and isopropyl alcohol. There is no restriction | limiting in particular in the usage-amount of a solvent, What is necessary is just a grade by which the viscosity of a reaction mixture does not become high too much. If necessary, the solution after the reaction is heated and decompressed to distill off the solvent.

図1は、メタノールに溶解させたアシッド・ホスホオキシポリオキシプロピレングリコールメタクリレート(Phosmer PP)を、N, N−ジメチルアミノエチルメタクリレート(DMAEMA)で滴定した場合の中和曲線の例を示す。図1に示すように、モル比(DMAEMA)/(Phosmer PP)が0〜2の範囲において、このモル比とpHは関連している。図1において、このモル比が0超〜1未満の領域ではハーフ塩と未反応のリン酸基含有不飽和単量体とが共存しており、このモル比が約1、すなわちpHが3.9〜4.5程度の時は、Phosmer PPが有するリン酸基の一方の水酸基のみがDMAEMAにより変性されたハーフ塩が殆どを占める。従って例えばほぼハーフ塩からなる組成物を調製するには、(i) Phosmer PPとDMAEMAをモル比1:1で混合し、pHが3.9〜4.5になるまで上記温度で攪拌処理するか、(ii) pHが3.9〜4.5になるまでPhosmer PPにDMAEMAを除々に滴下すればよい。このように、組成物原料として用いるリン酸基含有不飽和単量体及びアミノ基含有不飽和単量体について、予め図1に示すような中和曲線を作成しておくと、リン酸基含有不飽和単量体及びアミノ基含有不飽和単量体を混合した際のpHを測定することにより、所望組成の四級アンモニウム塩含有組成物が調製できたかどうか判定することができる。   FIG. 1 shows an example of a neutralization curve when acid phosphooxypolyoxypropylene glycol methacrylate (Phosmer PP) dissolved in methanol is titrated with N, N-dimethylaminoethyl methacrylate (DMAEMA). As shown in FIG. 1, this molar ratio and pH are related when the molar ratio (DMAEMA) / (Phosmer PP) is in the range of 0-2. In FIG. 1, in a region where the molar ratio is more than 0 to less than 1, the half salt and the unreacted phosphate group-containing unsaturated monomer coexist, and the molar ratio is about 1, that is, the pH is 3.9 to 3.9. When it is about 4.5, half salt in which only one of the phosphate groups of Phosmer PP is modified by DMAEMA occupies the majority. Thus, for example, to prepare a composition consisting essentially of a half salt, (i) Phosmer PP and DMAEMA are mixed at a molar ratio of 1: 1 and stirred at the above temperature until the pH is 3.9 to 4.5, or (ii ) DMAEMA may be gradually added dropwise to the Phosmer PP until the pH reaches 3.9 to 4.5. Thus, when a neutralization curve as shown in FIG. 1 is prepared in advance for the phosphate group-containing unsaturated monomer and the amino group-containing unsaturated monomer used as the composition raw material, By measuring the pH when the unsaturated monomer and the amino group-containing unsaturated monomer are mixed, it can be determined whether or not a quaternary ammonium salt-containing composition having a desired composition has been prepared.

(5) 四級アンモニウム塩含有組成物
上述の調製方法により得られる四級アンモニウム塩は、リン酸基含有不飽和単量体のリン酸基中の水酸基の一部乃至大部分が、アミノ基含有不飽和単量体のアミノ基と反応したものであるので、一分子中に水酸基と四級アンモニウム塩基とが共存している。具体的には、上述の調製方法により得られる四級アンモニウム塩含有組成物は、(a) 下記一般式(12):

Figure 0004763754
(但しR1は水素基又はアルキル基であり、R2は水素基又は置換もしくは無置換のアルキル基であり、R3は水素基又はメチル基であり、R4及びR5はそれぞれ独立に水素基、炭素数1〜4のアルキル基又は炭素数6〜10のアリール基であり、X1は−O−基又は−NH−基であり、Y1は置換もしくは無置換の炭素数1〜6のアルキレン基又は炭素数6〜12のアリーレン基であり、nは1〜6の整数である。)により表される化合物、(b) 下記一般式(13):
Figure 0004763754
(但しR1は水素基又はアルキル基であり、R2は水素基又は置換もしくは無置換のアルキル基であり、R6は水素基又はメチル基であり、R7及びR8はそれぞれ独立に水素基、炭素数1〜4のアルキル基又は炭素数6〜10のアリール基であり、nは1〜6の整数である。)により表される化合物、(c) 下記一般式(14):
Figure 0004763754
(但しR1は水素基又はアルキル基であり、R2は水素基又は置換もしくは無置換のアルキル基であり、R9は水素基又はメチル基であり、R10及びR11はそれぞれ独立に水素基、炭素数1〜4のアルキル基又は炭素数6〜10のアリール基であり、Y2は置換もしくは無置換の炭素数1〜6のアルキレン基又は置換もしくは無置換の炭素数6〜16のアリーレン基であり、nは1〜6の整数である。)により表される化合物、(d) 下記一般式(15):
Figure 0004763754
(但しR1は水素基又はアルキル基であり、R2は水素基又は置換もしくは無置換のアルキル基であり、R12は水素基又はメチル基であり、R13及びR14はそれぞれ独立に水素基、炭素数1〜4のアルキル基又は炭素数6〜10のアリール基であり、nは1〜6の整数である。)により表される化合物、(e) 下記一般式(16):
Figure 0004763754
(但しR1は水素基又はアルキル基であり、R2は水素基又は置換もしくは無置換のアルキル基であり、R15及びR16はそれぞれ独立に水素基又はメチル基であり、R17は水素基、炭素数1〜4のアルキル基又は炭素数6〜10のアリール基であり、Y3及びY4はそれぞれ独立に置換もしくは無置換の炭素数1〜6のアルキレン基又は置換もしくは無置換の炭素数6〜16のアリーレン基であり、nは1〜6の整数である。)により表される化合物、及び(f) (i) 下記一般式(1):
Figure 0004763754
(ただしR1は水素基又はアルキル基であり、R2は水素基又は置換もしくは無置換のアルキル基であり、nは1〜6の整数である。)により表されるリン酸基含有不飽和単量体を、(ii) 1個以上のビニル基を有するヘテロ環状アミンで変性した化合物からなる群から選ばれた少なくとも一種の四級アンモニウム塩を含む。 (5) Quaternary ammonium salt-containing composition The quaternary ammonium salt obtained by the above-described preparation method is such that a part or most of the hydroxyl groups in the phosphate group of the phosphate group-containing unsaturated monomer contain an amino group. Since it has reacted with the amino group of the unsaturated monomer, a hydroxyl group and a quaternary ammonium base coexist in one molecule. Specifically, the quaternary ammonium salt-containing composition obtained by the above-described preparation method includes (a) the following general formula (12):
Figure 0004763754
(However, R 1 is a hydrogen group or an alkyl group, R 2 is a hydrogen group or a substituted or unsubstituted alkyl group, R 3 is a hydrogen group or a methyl group, and R 4 and R 5 are each independently hydrogen. Group, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms or an aryl group having 6 to 10 carbon atoms, X 1 is an —O— group or an —NH— group, and Y 1 is a substituted or unsubstituted carbon atom having 1 to 6 carbon atoms. An alkylene group or an arylene group having 6 to 12 carbon atoms, and n is an integer of 1 to 6.), (b) the following general formula (13):
Figure 0004763754
(However, R 1 is a hydrogen group or an alkyl group, R 2 is a hydrogen group or a substituted or unsubstituted alkyl group, R 6 is a hydrogen group or a methyl group, and R 7 and R 8 are each independently hydrogen. A group, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, or an aryl group having 6 to 10 carbon atoms, and n is an integer of 1 to 6.), (c) the following general formula (14):
Figure 0004763754
(However, R 1 is a hydrogen group or an alkyl group, R 2 is a hydrogen group or a substituted or unsubstituted alkyl group, R 9 is a hydrogen group or a methyl group, and R 10 and R 11 are each independently hydrogen. Group, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, or an aryl group having 6 to 10 carbon atoms, and Y 2 is a substituted or unsubstituted alkylene group having 1 to 6 carbon atoms or a substituted or unsubstituted carbon group having 6 to 16 carbon atoms. An arylene group, and n is an integer of 1 to 6.), (d) the following general formula (15):
Figure 0004763754
(However, R 1 is a hydrogen group or an alkyl group, R 2 is a hydrogen group or a substituted or unsubstituted alkyl group, R 12 is a hydrogen group or a methyl group, and R 13 and R 14 are each independently hydrogen. A group, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, or an aryl group having 6 to 10 carbon atoms, and n is an integer of 1 to 6.), (e) the following general formula (16):
Figure 0004763754
(However, R 1 is a hydrogen group or an alkyl group, R 2 is a hydrogen group or a substituted or unsubstituted alkyl group, R 15 and R 16 are each independently a hydrogen group or a methyl group, and R 17 is a hydrogen group. Group, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms or an aryl group having 6 to 10 carbon atoms, and Y 3 and Y 4 are each independently a substituted or unsubstituted alkylene group having 1 to 6 carbon atoms or a substituted or unsubstituted group. A compound having a carbon number of 6 to 16 and n is an integer of 1 to 6), and (f) (i) the following general formula (1):
Figure 0004763754
(Wherein R 1 is a hydrogen group or an alkyl group, R 2 is a hydrogen group or a substituted or unsubstituted alkyl group, and n is an integer of 1 to 6). The monomer comprises (ii) at least one quaternary ammonium salt selected from the group consisting of compounds modified with a heterocyclic amine having one or more vinyl groups.

四級アンモニウム塩含有組成物は、未反応のリン酸基含有不飽和単量体、未反応のアミノ基含有不飽和単量体、及びリン酸基がアミノ基により中和された不飽和単量体(リン酸基中の水酸基の全てがアミノ基と反応した不飽和単量体)からなる群から選ばれた少なくとも一種を含んでもよい。   The quaternary ammonium salt-containing composition comprises an unreacted phosphate group-containing unsaturated monomer, an unreacted amino group-containing unsaturated monomer, and an unsaturated monomer in which the phosphate group is neutralized with an amino group. It may also contain at least one selected from the group consisting of a body (an unsaturated monomer in which all of the hydroxyl groups in the phosphate group have reacted with amino groups).

四級アンモニウム塩含有組成物は、一ヶ月程度冷蔵してもゲル化しない。これは四級アンモニウム塩の一分子中に水酸基と四級アンモニウム塩基とが共存していることによるものと推測される。   A quaternary ammonium salt-containing composition does not gel even when refrigerated for about a month. This is presumably due to the coexistence of a hydroxyl group and a quaternary ammonium base in one molecule of a quaternary ammonium salt.

(6) フッ素基含有不飽和単量体
フッ素基含有不飽和単量体は、(イ)少なくとも1個のフッ素基を有する(メタ)アクリル酸エステル類、(ロ)少なくとも1個のフッ素基を有する(メタ)アクリル酸類、(ハ)少なくとも1個のフッ素基を有するアルキル基及び/又は少なくとも1個のフッ素基と1個のエチレン性不飽和結合とを有するオレフィン系不飽和単量体、並びに(ニ)少なくとも1個のフッ素基を含有するアルキレン基と2個のエチレン性不飽和結合とを有するジエン系不飽和単量体からなる群から選ばれた少なくとも一種である。
(6) Fluorine group-containing unsaturated monomer Fluorine group-containing unsaturated monomer comprises (a) (meth) acrylic acid esters having at least one fluorine group, and (b) at least one fluorine group. (Meth) acrylic acid having, (c) an alkyl group having at least one fluorine group and / or an olefinically unsaturated monomer having at least one fluorine group and one ethylenically unsaturated bond, and (D) At least one selected from the group consisting of diene unsaturated monomers having an alkylene group containing at least one fluorine group and two ethylenically unsaturated bonds.

フッ素基含有(メタ)アクリル酸エステル類としては、下記一般式(7):

Figure 0004763754
(ただしX3は水素基、フッ素基、少なくとも1個のフッ素基を有する又は有しないメチル基であり、R25は少なくとも1個のフッ素基を有する又は有しないアルキル基である。)により表されるものが好ましい。 As fluorine group-containing (meth) acrylic acid esters, the following general formula (7):
Figure 0004763754
(Wherein X 3 is a hydrogen group, a fluorine group, a methyl group having or not having at least one fluorine group, and R 25 is an alkyl group having or not having at least one fluorine group). Those are preferred.

上記一般式(7)において、R25の炭素数は1〜10であるのが好ましく、1〜5であるのがより好ましい。R25がフッ素基を含有するアルキル基であり、かつその炭素数が2以上である場合、末端メチル基の水素基が全てフッ素基で置換されているのが好ましい。R25は、直鎖構造であっても分岐構造であってもよい。R25は、フッ素以外の他のハロゲン原子を有していてもよい。R25はヘテロ原子を有していてもよい。ヘテロ原子としては、R25中の炭素−炭素結合間に含まれるエーテル性酸素原子、チオエーテル性硫黄原子等が挙げられる。 In the general formula (7), R 25 preferably has 1 to 10 carbon atoms, and more preferably 1 to 5 carbon atoms. When R 25 is an alkyl group containing a fluorine group and has 2 or more carbon atoms, it is preferable that all of the hydrogen groups of the terminal methyl group are substituted with fluorine groups. R 25 may be a linear structure or a branched structure. R 25 may have a halogen atom other than fluorine. R 25 may have a hetero atom. Examples of the hetero atom include an etheric oxygen atom and a thioetheric sulfur atom contained between carbon-carbon bonds in R 25 .

上記一般式(7)により表されるフッ素基含有(メタ)アクリル酸エステル類としては、2,2,2−トリフルオロエチルアクリレート、2,2,2−トリフルオロエチルメタクリート、ターシャリーブチル−α−(トリフルオロメチル)アクリレート、トリフルオロエチル−α−(トリフルオロメチル)アクリレート、パーフロロオクチルエチル(メタ)アクリレート等が挙げられる。中でもフッ素基含有(メタ)アクリル酸エステル類としては、2,2,2−トリフルオロエチルメタクリート及びターシャリーブチル−α−(トリフルオロメチル)アクリレートが好ましい。   Examples of fluorine group-containing (meth) acrylic esters represented by the general formula (7) include 2,2,2-trifluoroethyl acrylate, 2,2,2-trifluoroethyl methacrylate, and tertiary butyl. Examples include α- (trifluoromethyl) acrylate, trifluoroethyl-α- (trifluoromethyl) acrylate, perfluorooctylethyl (meth) acrylate, and the like. Among these, as the fluorine group-containing (meth) acrylic acid esters, 2,2,2-trifluoroethyl methacrylate and tertiary butyl-α- (trifluoromethyl) acrylate are preferable.

フッ素基含有(メタ)アクリル酸類としては、下記一般式(8):

Figure 0004763754
(ただしX4はフッ素基又は少なくとも1個のフッ素基を有するメチル基である。)により表されるものが好ましい。上記一般式(8)においてX4はフッ素基又はパーフルオロメチル基であるのがより好ましい。フッ素基含有(メタ)アクリル酸類としては、α−(トリフルオロメチル)アクリル酸が特に好ましい。 As fluorine-containing (meth) acrylic acids, the following general formula (8):
Figure 0004763754
(Wherein X 4 is a fluorine group or a methyl group having at least one fluorine group) is preferred. In the general formula (8), X 4 is more preferably a fluorine group or a perfluoromethyl group. As the fluorine group-containing (meth) acrylic acid, α- (trifluoromethyl) acrylic acid is particularly preferable.

フッ素基含有オレフィン系不飽和単量体としては下記一般式(9):

Figure 0004763754
(ただしRf1は少なくとも1個のフッ素基を含有するアルキル基であり、X5、X6及びX7はそれぞれ独立に水素基又はフッ素基である。)又は下記一般式(10):
Figure 0004763754
(ただしX8、X9及びX10はそれぞれ独立にフッ素基又は少なくとも1個のフッ素基を有するメチル基であり、X11は水素基、フッ素基、その他のハロゲン、少なくとも1個のフッ素基を有するメチル基、フッ素基を有しないアルキル基、又はフッ素基を有するもしくは有しないアルコキシ基である。)により表されるものが好ましい。 The fluorine-containing olefinically unsaturated monomer is represented by the following general formula (9):
Figure 0004763754
(Where Rf 1 is an alkyl group containing at least one fluorine group, and X 5 , X 6 and X 7 are each independently a hydrogen group or a fluorine group) or the following general formula (10):
Figure 0004763754
(However, X 8 , X 9 and X 10 are each independently a fluorine group or a methyl group having at least one fluorine group, and X 11 is a hydrogen group, a fluorine group, other halogens, or at least one fluorine group. A methyl group having an alkyl group having no fluorine group, or an alkoxy group having or not having a fluorine group.

上記一般式(9)中のフッ素基を含有するアルキル基Rf1は、パーフルオロアルキル基であるのが好ましい。Rf1の炭素数は1〜20であるのが好ましく、1〜10であるのがより好ましい。Rf1は、直鎖構造であっても分岐構造であってもよいが、直鎖構造であるのが好ましい。Rf1は、フッ素以外の他のハロゲン原子を有していてもよい。Rf1は、ヘテロ原子を有していてもよい。ヘテロ原子としては、Rf1中の炭素−炭素結合間に含まれるエーテル性酸素原子、チオエーテル性硫黄原子等が挙げられる。 The alkyl group Rf 1 containing a fluorine group in the general formula (9) is preferably a perfluoroalkyl group. Rf 1 preferably has 1 to 20 carbon atoms, more preferably 1 to 10 carbon atoms. Rf 1 may be a linear structure or a branched structure, but is preferably a linear structure. Rf 1 may have a halogen atom other than fluorine. Rf 1 may have a hetero atom. Examples of the hetero atom include an etheric oxygen atom and a thioetheric sulfur atom contained between carbon-carbon bonds in Rf 1 .

上記一般式(9)により表されるフッ素基含有オレフィン系不飽和単量体としては、下記一般式(17):

Figure 0004763754
(但しRf1は上記式(9)と同じである。)により表されるものがより好ましい。 As the fluorine group-containing olefinically unsaturated monomer represented by the general formula (9), the following general formula (17):
Figure 0004763754
(Where Rf 1 is the same as that in the above formula (9)) is more preferable.

上記一般式(17)により表されるフッ素基含有オレフィン系不飽和単量体としては、(パーフルオロブチル)エチレン、(パーフルオロヘキシル)エチレン、(パーフルオロオクチル)エチレン、(パーフルオロデシル)エチレン等が挙げられる。中でもフッ素基含有オレフィン系不飽和単量体としては、(パーフルオロブチル)エチレン、(パーフルオロヘキシル)エチレン及び(パーフルオロオクチル)エチレンが好ましい。   Examples of the fluorine group-containing olefinically unsaturated monomer represented by the general formula (17) include (perfluorobutyl) ethylene, (perfluorohexyl) ethylene, (perfluorooctyl) ethylene, and (perfluorodecyl) ethylene. Etc. Of these, (perfluorobutyl) ethylene, (perfluorohexyl) ethylene and (perfluorooctyl) ethylene are preferable as the fluorine group-containing olefinic unsaturated monomer.

上記一般式(10)中のX8、X9及びX10としては、フッ素基又はパーフルオロメチル基が好ましい。上記一般式(10)中のX11がアルキル基、アルコキシ基又はフッ素基含有アルコキシ基である場合、それらの炭素数は1〜10であるのが好ましい。上記一般式(10)により表されるフッ素基含有オレフィン系不飽和単量体としては、ヘキサフルオロプロペン、クロロトリフルオロエチレン、1-メトキシ−(パーフルオロ-2-メチル-1-プロペン)等が挙げられる。 X 8 , X 9 and X 10 in the general formula (10) are preferably a fluorine group or a perfluoromethyl group. When X 11 in the general formula (10) is an alkyl group, an alkoxy group or a fluorine group-containing alkoxy group, the carbon number thereof is preferably 1 to 10. Examples of the fluorine-containing olefinically unsaturated monomer represented by the general formula (10) include hexafluoropropene, chlorotrifluoroethylene, 1-methoxy- (perfluoro-2-methyl-1-propene), and the like. Can be mentioned.

フッ素基含有ジエン系不飽和単量体としては、下記一般式(11):

Figure 0004763754
(ただしRf2は少なくとも1個のフッ素基を含有するアルキレン基であり、X12、X13、X14、X15、X16及びX17はそれぞれ独立に水素基又はフッ素基である。)により表されるものが好ましい。 As the fluorine-containing diene unsaturated monomer, the following general formula (11):
Figure 0004763754
(Wherein Rf 2 is an alkylene group containing at least one fluorine group, and X 12 , X 13 , X 14 , X 15 , X 16 and X 17 are each independently a hydrogen group or a fluorine group). Those represented are preferred.

上記一般式(11)中の少なくとも1個のフッ素基を含有するアルキレン基Rf2は、パーフルオロアルキレン基であるのが好ましい。Rf2の炭素数は1〜20であるのが好ましく、1〜10であるのがより好ましい。Rf2は、直鎖構造であっても分岐構造であってもよいが、直鎖構造であるのが好ましい。Rf2は、フッ素以外の他のハロゲン原子を有していてもよい。Rf2は、ヘテロ原子及び/又はヘテロ原子団を有していてもよい。ヘテロ原子としては、Rf2中の炭素−炭素結合間に含まれるエーテル性酸素原子、チオエーテル性硫黄原子等が挙げられる。ヘテロ原子団としてはエステル結合等が挙げられる。 The alkylene group Rf 2 containing at least one fluorine group in the general formula (11) is preferably a perfluoroalkylene group. Rf 2 preferably has 1 to 20 carbon atoms, more preferably 1 to 10 carbon atoms. Rf 2 may have a linear structure or a branched structure, but preferably has a linear structure. Rf 2 may have a halogen atom other than fluorine. Rf 2 may have a hetero atom and / or a hetero atom group. The hetero atom, carbon in Rf 2 - etheric oxygen atoms contained in the carbon-carbon bond, and the like thioether sulfur atom. Examples of the hetero atom group include an ester bond.

上記一般式(11)により表されるフッ素基含有オレフィン系不飽和単量体としては、下記一般式(18):

Figure 0004763754
(但しRf2は上記式(11)と同じである。)により表されるものがより好ましい。 Examples of the fluorine-containing olefinically unsaturated monomer represented by the general formula (11) include the following general formula (18):
Figure 0004763754
(However, Rf 2 is the same as the above formula (11).)

上記一般式(18)により表されるフッ素基含有ジエン系不飽和単量体としては、1,4-ジビニル(パーフルオロブチレン)(別名:1,4-ジビニルオクタフルオロブタン)、1,6-ジビニル(パーフルオロヘキシレン)(別名:1,6-ジビニルドデカフルオロヘキサン)及び1,8-ジビニル(パーフルオロオクチレン)(別名:1,8-ジビニルヘキサデカフルオロオクタン)が好ましい。   Examples of the fluorine-containing diene unsaturated monomer represented by the general formula (18) include 1,4-divinyl (perfluorobutylene) (also known as 1,4-divinyloctafluorobutane), 1,6- Divinyl (perfluorohexylene) (alias: 1,6-divinyldodecafluorohexane) and 1,8-divinyl (perfluorooctylene) (alias: 1,8-divinylhexadecafluorooctane) are preferred.

上記4種のフッ素基含有不飽和単量体の中でもフッ素基含有ジエン系不飽和単量体は優れた硬化性を有し、さらに共重合体に分子間架橋を形成できる観点から好ましい。フッ素基含有(メタ)アクリル酸エステル類及びフッ素基含有(メタ)アクリル酸類は、分子中に少量のフッ素基を有するにも関わらず、フッ素基含有オレフィン系不飽和単量体と類似の挙動を示す。   Among the four types of fluorine group-containing unsaturated monomers, fluorine group-containing diene unsaturated monomers are preferable from the viewpoint of having excellent curability and capable of forming intermolecular crosslinks in the copolymer. Fluorine group-containing (meth) acrylic acid esters and fluorine group-containing (meth) acrylic acids have similar behavior to fluorine group-containing olefinic unsaturated monomers, despite having a small amount of fluorine groups in the molecule. Show.

上記4種のフッ素基含有不飽和単量体は、単独で用いてもよいし、2種以上を併用しても良い。2種以上を併用する場合、例えばフッ素基含有オレフィン系不飽和単量体及び/又はフッ素基含有ジエン系不飽和単量体と、フッ素基含有(メタ)アクリル酸エステル類及び/又はフッ素基含有(メタ)アクリル酸類とを混合した組成等を挙げることができる。   The four types of fluorine group-containing unsaturated monomers may be used alone or in combination of two or more. When using 2 or more types together, for example, fluorine group-containing olefinic unsaturated monomer and / or fluorine group-containing diene unsaturated monomer, fluorine group-containing (meth) acrylic acid esters and / or fluorine group-containing The composition etc. which mixed (meth) acrylic acid can be mentioned.

(7) フッ素基含有不飽和単量体の含有量
フッ素基含有不飽和単量体の含有量の上限は、四級アンモニウム塩含有組成物を100として重量比で80が好ましい。
(7) Content of Fluorine Group-Containing Unsaturated Monomer The upper limit of the content of the fluorine group-containing unsaturated monomer is preferably 80 by weight with respect to 100 as the quaternary ammonium salt-containing composition.

[2] 他の不飽和単量体
固体高分子電解質用単量体組成物は、これと共重合し得る上記(a)〜(c)以外の他の不飽和単量体を含有してもよい。他の不飽和単量体は次の2群(1)、(2)に大別できる。
[2] Other unsaturated monomers The monomer composition for solid polymer electrolyte may contain other unsaturated monomers other than the above (a) to (c) which can be copolymerized therewith. Good. Other unsaturated monomers can be roughly divided into the following two groups (1) and (2).

(1) 官能基を含有する不飽和単量体
官能基を含有する不飽和単量体は、分子内に少なくとも1つの官能基と、少なくとも1つのエチレン性不飽和結合とを有する化合物である。官能基としては、酸性基、アルコール性水酸基、アルキルアミノ基(アミド基も有するものも含む)等を挙げることができる。酸性基としてリン系酸残基、スルホン酸基及びカルボン酸基からなる群から選ばれた少なくとも一種が好ましい。エチレン性不飽和結合を有する骨格としては、(メタ)アクリレート骨格、(メタ)アリルエステル骨格等を挙げることができる。
(1) Unsaturated monomer containing functional group An unsaturated monomer containing a functional group is a compound having at least one functional group and at least one ethylenically unsaturated bond in the molecule. Examples of the functional group include an acidic group, an alcoholic hydroxyl group, and an alkylamino group (including those having an amide group). As the acidic group, at least one selected from the group consisting of a phosphorus acid residue, a sulfonic acid group, and a carboxylic acid group is preferable. Examples of the skeleton having an ethylenically unsaturated bond include a (meth) acrylate skeleton and a (meth) allyl ester skeleton.

(i) リン系酸残基含有不飽和単量体
リン系酸残基含有不飽和単量体としては、下記式(19):

Figure 0004763754
(ただしR18及びR21はそれぞれ独立に水素基又はアルキル基であり、R19及びR20はそれぞれ独立に水素基又は置換もしくは無置換のアルキル基であり、m及びpはそれぞれ独立に1〜6の整数である。)により表されるリン酸基含有ジエステル系不飽和単量体が好ましい。このリン酸基含有ジエステル系不飽和単量体を用いることにより、得られる固体高分子電解質膜の耐溶剤性が向上する。リン酸基含有ジエステル系不飽和単量体としては、下記式(20);
Figure 0004763754
により表されるジ(メタクリロイルオキシエチル)ホスフェートが好ましい。 (i) Phosphoric acid residue-containing unsaturated monomer As the phosphoric acid residue-containing unsaturated monomer, the following formula (19):
Figure 0004763754
(However, R 18 and R 21 are each independently a hydrogen group or an alkyl group, R 19 and R 20 are each independently a hydrogen group or a substituted or unsubstituted alkyl group, and m and p are each independently 1 to 1) The phosphoric acid group-containing diester unsaturated monomer represented by the formula (6) is preferred. By using this phosphoric acid group-containing diester unsaturated monomer, the solvent resistance of the obtained solid polymer electrolyte membrane is improved. Examples of phosphoric acid group-containing diester unsaturated monomers include the following formula (20):
Figure 0004763754
Di (methacryloyloxyethyl) phosphate represented by is preferred.

リン系酸残基含有不飽和単量体としては、下記一般式(21):

Figure 0004763754
(ただしR26及びR29はそれぞれ独立に水素基又はアルキル基であり、R27及びR28はそれぞれ独立に水素基又は置換もしくは無置換のアルキル基であり、s及びtはそれぞれ独立に1〜6の整数である。)により表されるピロリン酸基含有不飽和単量体を用いてもよい。式(21)により表されるピロリン酸基含有不飽和単量体としては、下記式(22);
Figure 0004763754
により表されるジ(メタクリロイルオキシエチル)アシッド・ピロホスフェートが好ましい。 As the phosphoric acid residue-containing unsaturated monomer, the following general formula (21):
Figure 0004763754
(Wherein R 26 and R 29 are each independently a hydrogen group or an alkyl group, R 27 and R 28 are each independently a hydrogen group or a substituted or unsubstituted alkyl group, and s and t are each independently 1 to 1) It is also possible to use a pyrophosphate group-containing unsaturated monomer represented by the following formula: As the pyrophosphate group-containing unsaturated monomer represented by the formula (21), the following formula (22);
Figure 0004763754
Di (methacryloyloxyethyl) acid pyrophosphate represented by is preferred.

リン酸基含有不飽和単量体とリン酸基含有ジエステル系不飽和単量体及び/又はピロリン酸基含有不飽和単量体とを併用する場合、(リン酸基含有不飽和単量体)/(リン酸基含有ジエステル系不飽和単量体及び/又はピロリン酸基含有不飽和単量体)の配合モル比は1/0.1〜1/2であるのが好ましい。   When using together a phosphate group-containing unsaturated monomer and a phosphate group-containing diester unsaturated monomer and / or a pyrophosphate group-containing unsaturated monomer (phosphate group-containing unsaturated monomer) The blending molar ratio of / (phosphate group-containing diester unsaturated monomer and / or pyrophosphate group-containing unsaturated monomer) is preferably 1 / 0.1 to 1/2.

リン系酸残基を含有する不飽和単量体の他の例示化合物としては、上記式(1)により表されるリン酸基含有不飽和単量体が、炭化水素基含有アンモニウムイオン又はアルカノールアミン残基と錯塩を形成したものも挙げられる。そのような錯塩の対イオンとしては、第1級、第2級、第3級又は第4級のアルキル基、アリル基、アラルキル基等を含有するアンモニウムイオンやモノ、ジ又はトリアルカノールアミン残基が好ましく、特にN+R30 4−f(OH)f(但しR30は炭素数1〜18のアルキル基、炭素数6〜12の芳香族基及び炭素数6〜12の脂環族基からなる群から選ばれた少なくとも一種を表し、fは1〜3の正の整数を表す。)が好ましい。錯塩の具体的化合物として、下記一般式(23):

Figure 0004763754
により表されるメタクロイル・オキシエチルアシッドホスフェート・モノエタノールアミン塩が挙げられる。この錯塩は、ユニケミカル(株)から商品名「Phosmer MH」として販売されている。 As other exemplary compounds of the unsaturated monomer containing a phosphorus acid residue, the phosphate group-containing unsaturated monomer represented by the above formula (1) is a hydrocarbon group-containing ammonium ion or alkanolamine. The thing which formed the complex salt with the residue is also mentioned. The counter ions of such complex salts include primary, secondary, tertiary or quaternary alkyl groups, allyl groups, aralkyl groups, etc. ammonium ions and mono-, di- or trialkanolamine residues. In particular, N + R 30 4-f (OH) f (wherein R 30 is an alkyl group having 1 to 18 carbon atoms, an aromatic group having 6 to 12 carbon atoms, and an alicyclic group having 6 to 12 carbon atoms. At least one selected from the group consisting of f and f represents a positive integer of 1 to 3). As a specific compound of the complex salt, the following general formula (23):
Figure 0004763754
And methacryloyl oxyethyl acid phosphate monoethanolamine salt represented by This complex salt is sold by Unichemical Co., Ltd. under the trade name “Phosmer MH”.

(ii) スルホン酸塩基含有不飽和単量体
スルホン酸基を含有する不飽和単量体の例示化合物としては、下記一般式(24):

Figure 0004763754
(ただしR22は水素基又はメチル基である。)により表される化合物、下記一般式(25):
Figure 0004763754
(ただしR23は水素基又はメチル基であり、Y5は置換もしくは無置換の炭素数1〜6のアルキレン基又は炭素数6〜12のアリーレン基である。)により表される化合物、及び下記一般式(26):
Figure 0004763754
(ただしR24は水素基又はメチル基であり、X2は−O−基又は−NH−基であり、Y6は置換もしくは無置換の炭素数1〜6のアルキレン基又は炭素数6〜12のアリーレン基である。)により表される化合物からなる群から選ばれた少なくとも一種が好ましい。 (ii) Sulfonic acid group-containing unsaturated monomer Examples of the unsaturated monomer-containing unsaturated monomer include the following general formula (24):
Figure 0004763754
(Wherein R 22 is a hydrogen group or a methyl group), a compound represented by the following general formula (25):
Figure 0004763754
Wherein R 23 is a hydrogen group or a methyl group, and Y 5 is a substituted or unsubstituted alkylene group having 1 to 6 carbon atoms or an arylene group having 6 to 12 carbon atoms, and the following: Formula (26):
Figure 0004763754
(Wherein R 24 is a hydrogen group or a methyl group, X 2 is an —O— group or an —NH— group, and Y 6 is a substituted or unsubstituted alkylene group having 1 to 6 carbon atoms or 6 to 12 carbon atoms. And at least one selected from the group consisting of compounds represented by formula (1):

上記一般式(24)〜(26)のいずれかにより表されるスルホン酸基含有不飽和単量体としては、アリルスルホン酸(allyl sulfonic acid)、メタアリルスルホン酸(methallyl sulfonic acid)、ビニルスルホン酸、p-スチレンスルホン酸、(メタ)アクリル酸ブチル-4-スルホン酸、(メタ)アクリロオキシベンゼンスルホン酸、2-アクリルアミド-2-メチルプロパンスルホン酸(ターシャリーブチルアクリルアミドスルホン酸)等が挙げられる。好ましくはビニルスルホン酸、p-スチレンスルホン酸及びターシャリーブチルアクリルアミドスルホン酸である。ただしアリルスルホン酸(allyl sulfonic acid)、メタアリルスルホン酸(methallyl sulfonic acid)は、そのアリル(allyl)基が、退化(的)連鎖移動(degradative chain transfer)を起こすので、使用量を僅少にするのが好ましい。具体的には、固体高分子電解質用単量体組成物全体を100質量%として、多くても10質量%程度の使用量にする。   Examples of the sulfonic acid group-containing unsaturated monomer represented by any one of the general formulas (24) to (26) include allyl sulfonic acid, methallyl sulfonic acid, and vinyl sulfone. Acid, p-styrenesulfonic acid, (meth) acrylic acid butyl-4-sulfonic acid, (meth) acrylooxybenzenesulfonic acid, 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid (tertiary butylacrylamidesulfonic acid), etc. Can be mentioned. Preferred are vinyl sulfonic acid, p-styrene sulfonic acid and tertiary butyl acrylamide sulfonic acid. However, allyl sulfonic acid and methallyl sulfonic acid are used in small quantities because the allyl group causes degradative chain transfer. Is preferred. Specifically, the total amount of the monomer composition for solid polymer electrolyte is 100% by mass, and the amount used is at most about 10% by mass.

スルホン酸基は解離していてもよいし、錯塩を形成していても良い。錯塩を形成する場合、上記(i)でリン系酸残基含有不飽和単量体について述べたようなアンモニウムイオンもしくはアミン残基又はアルカリ金属と錯塩を形成するのが好ましい。   The sulfonic acid group may be dissociated or may form a complex salt. When forming a complex salt, it is preferable to form a complex salt with an ammonium ion, an amine residue or an alkali metal as described for the phosphoric acid residue-containing unsaturated monomer in (i) above.

(iii) カルボン酸基を含有する不飽和単量体
カルボン酸基を含有する不飽和単量体の例示化合物としては、(メタ)アクリル酸、クロトン酸、マレイン酸、フマル酸、イタコン酸、マレイン酸無水物等が挙げられる。これらは単独でもよいし、2種以上を併用しても良い。
(iii) Unsaturated monomer containing carboxylic acid group Examples of unsaturated monomers containing carboxylic acid groups include (meth) acrylic acid, crotonic acid, maleic acid, fumaric acid, itaconic acid, maleic acid. An acid anhydride etc. are mentioned. These may be used alone or in combination of two or more.

(iv) アルコール性水酸基を含有する不飽和単量体
アルコール性水酸基を含有する不飽和単量体としては、グリセロールジメタクリレート[例えば商品名「ブレンマーGMR」、「ブレンマーGMR-R」(日本油脂(株)製)等]、グリセロールメタクリレートアクリレート[例えば商品名「ブレンマーGAM」、「ブレンマーGAM-R」(日本油脂(株)製)等]、1,6−ヘキサンジオールジグリシジルエーテルアクリレート[例えば商品名「NK オリゴ EA-5521」(新中村化学工業(株)製)等]、1,4−ブタンジオールジグリシジルエーテルアクリレート[例えば商品名「NK オリゴ EA-5520」(新中村化学工業(株)製)等]、ビスフェノールA型エポキシアクリレート[例えば商品名「NK オリゴ EA-1020」(新中村化学工業(株)製)等]、及び2-ヒドロキシメチル(メタ)アクリレート、2-ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート等の2-ヒドロキシ(メタ)アクリレート類が挙げられる。中でも、グリセロールジメタクリレート、グリセロールメタクリレートアクリレート、1,6−ヘキサンジオールジグリシジルエーテルアクリレート、1,4−ブタンジオールジグリシジルエーテルアクリレート及びビスフェノールA型エポキシアクリレートは、エチレン性不飽和基を分子中に2個有する点から好ましい。
(iv) Unsaturated monomer containing alcoholic hydroxyl group Examples of unsaturated monomer containing alcoholic hydroxyl group include glycerol dimethacrylate [for example, “Blemmer GMR” and “Blemmer GMR-R” (Nippon Yushi ( Etc.)], glycerol methacrylate acrylate [e.g., trade name "Blenmer GAM", "Blenmer GAM-R" (Nippon Yushi Co., Ltd.)], 1,6-hexanediol diglycidyl ether acrylate [e.g., trade name “NK Oligo EA-5521” (manufactured by Shin-Nakamura Chemical Co., Ltd.), etc., 1,4-butanediol diglycidyl ether acrylate [eg, trade name “NK Oligo EA-5520” (manufactured by Shin-Nakamura Chemical Co., Ltd.) ), Etc.], bisphenol A type epoxy acrylate [for example, “NK Oligo EA-1020” (manufactured by Shin-Nakamura Chemical Co., Ltd.), etc.], and 2-hydroxymethyl And 2-hydroxy (meth) acrylates such as ru (meth) acrylate and 2-hydroxyethyl (meth) acrylate. Among them, glycerol dimethacrylate, glycerol methacrylate acrylate, 1,6-hexanediol diglycidyl ether acrylate, 1,4-butanediol diglycidyl ether acrylate and bisphenol A type epoxy acrylate have two ethylenically unsaturated groups in the molecule. It is preferable from the point of having.

(2) 官能基を含有しない不飽和単量体
官能基を含有しない不飽和単量体としては、(1)に記載した以外の、常温で気体でない、分子内に1個以上のエチレン性不飽和結合を有する不飽和単量体はすべて対象になるが、中でも(メタ)アクリロニトリル;メチル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート、アルキル(メタ)アクリレート等の(メタ)アクリル酸エステル類;(メタ)アクリル酸アミド類;置換又は無置換のスチレン類;塩化ビニル、酢酸ビニル等のビニル類が好適に使用される。1分子内に複数個のエチレン性不飽和結合を含有するエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、ヘキサメチレンジオールジ(メタ)アクリレートやジビニルベンゼンなども共重合体の耐化学薬品性を改良する目的をもって使用される。
(2) Unsaturated monomer that does not contain a functional group As the unsaturated monomer that does not contain a functional group, other than those described in (1), at least one ethylenically unsaturated group in the molecule that is not gas at normal temperature. Although all unsaturated monomers having a saturated bond are targeted, (meth) acrylonitrile; (meth) acrylic acid esters such as methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate, alkyl (meth) acrylate; (Meth) acrylic amides; substituted or unsubstituted styrenes; vinyls such as vinyl chloride and vinyl acetate are preferably used. Ethylene glycol di (meth) acrylate, trimethylolpropane tri (meth) acrylate, hexamethylenediol di (meth) acrylate, divinylbenzene, and the like containing a plurality of ethylenically unsaturated bonds in one molecule are also resistant to the copolymer. Used for the purpose of improving chemical properties.

(3) 各不飽和単量体の使用割合
四級アンモニウム塩含有組成物(A)、フッ素基含有不飽和単量体(c)及び他の不飽和単量体(d)の配合割合について、重量比で(A)100に対して(c)及び(d)の合計の上限が80であるのが好ましい。(A)/((c)及び(d)の合計)の重量比は80/20〜40/60であるのがより好ましい。またフッ素基含有不飽和単量体(c)、官能基を含有する不飽和単量体(d-1)、及び官能基を有しない不飽和単量体(d-2)の配合割合について、(d-1)/((c)及び(d-2)の合計)の重量比が100/0〜50/50であるのが好ましい。
(3) Ratio of use of each unsaturated monomer About the blending ratio of the quaternary ammonium salt-containing composition (A), the fluorine group-containing unsaturated monomer (c) and the other unsaturated monomer (d), It is preferable that the upper limit of the sum of (c) and (d) is 80 with respect to (A) 100 in weight ratio. The weight ratio of (A) / (total of (c) and (d)) is more preferably 80/20 to 40/60. Further, regarding the blending ratio of the fluorine group-containing unsaturated monomer (c), the unsaturated monomer containing the functional group (d-1), and the unsaturated monomer having no functional group (d-2), The weight ratio of (d-1) / (total of (c) and (d-2)) is preferably 100/0 to 50/50.

[3] 混合し得る他の重合体
固体高分子電解質膜を製造する際の造膜性や、固体高分子電解質膜の強度、疎水性、耐溶剤性等を一層向上させるために、固体高分子電解質膜を構成する共重合体と相溶し得るその他の重合体を混合することができる。その他の重合体としてはポリアミド樹脂、ポリビニルアルコール、ポリアクリルアミド、ポリアクリル酸、メラミン樹脂、セルロース及びその変性物等を挙げることができる。ポリアミド樹脂としては特開2003-138088号に記載のN-アルコキシアルキル化ポリアミドが好ましい。
[3] Other polymers that can be mixed In order to further improve the film-forming properties when producing a solid polymer electrolyte membrane, the strength, hydrophobicity, solvent resistance, etc. of the solid polymer electrolyte membrane, Other polymers that are compatible with the copolymer constituting the electrolyte membrane can be mixed. Examples of other polymers include polyamide resin, polyvinyl alcohol, polyacrylamide, polyacrylic acid, melamine resin, cellulose, and modified products thereof. As the polyamide resin, N-alkoxyalkylated polyamides described in JP-A No. 2003-138088 are preferable.

[4] 固体高分子電解質膜の製造方法
本発明の固体高分子電解質膜は、上記固体高分子電解質用単量体組成物を調製し、これに光増感剤を添加し、固体高分子電解質用単量体組成物が付着しない材料(フッ素系重合体等)により被覆された板に流延し、紫外線透過性板で覆った後、紫外線を照射して不飽和単量体を(共)重合させることにより、製造することができる。
[4] Method for Producing Solid Polymer Electrolyte Membrane The solid polymer electrolyte membrane of the present invention is prepared by preparing the above-mentioned monomer composition for a solid polymer electrolyte and adding a photosensitizer thereto. Cast on a plate coated with a material that does not adhere to the monomer composition (fluorine polymer, etc.), cover with a UV transparent plate, and then irradiate with UV to release the unsaturated monomer (both) It can be produced by polymerization.

固体高分子電解質用単量体組成物中に加える光増感剤としては、
(i) R-(CO)x -R’(R,R’=水素基又は炭化水素基、x = 2〜3)で表される隣接ポリケトン化合物類(例えば、ジアセチル、ジベンジル等)、
(ii) R-CO-CHOH-R’(R,R’=水素基又は炭化水素基)で表されるα-カルボニルアルコール類(例えば、ベンゾイン等)、
(iii) R-CH(OR”)-CO-R’(R,R’,R”=炭化水素基)で表されるアシロイン・エーテル類(例えば、ベンゾインメチルエーテル等)、
(iv) Ar-CR(OH)-CO-Ar(Ar=アリール基、R=炭化水素基)で表されるα-置換アシロイン類(例えば、α-アルキルベンゾイン等)、及び
(v) 多核キノン類(例えば、9,10-アンスラキノン等)がある。
これらの光増感剤は、それぞれ単独で使用できるが、複数のものを併用してもよい。
As a photosensitizer to be added to the monomer composition for solid polymer electrolyte,
(i) adjacent polyketone compounds represented by R— (CO) x —R ′ (R, R ′ = hydrogen group or hydrocarbon group, x = 2 to 3) (for example, diacetyl, dibenzyl, etc.),
(ii) α-carbonyl alcohols represented by R—CO—CHOH—R ′ (R, R ′ = hydrogen group or hydrocarbon group) (for example, benzoin),
(iii) acyloin ethers represented by R—CH (OR ″) — CO—R ′ (R, R ′, R ″ = hydrocarbon group) (for example, benzoin methyl ether),
(iv) α-substituted acyloins represented by Ar—CR (OH) —CO—Ar (Ar = aryl group, R = hydrocarbon group) (for example, α-alkylbenzoin), and
(v) There are polynuclear quinones (for example, 9,10-anthraquinone, etc.).
These photosensitizers can be used alone, but a plurality of them may be used in combination.

光増感剤の使用量は固体高分子電解質用単量体組成物の質量に対して、0.01〜3質量%の範囲、好ましくは0.01〜1.5質量%の範囲である。0.01質量%未満だと、所定の紫外線照射時間内に重合が完結せず、未反応単量体が残留するので好ましくないし、3質量%超だと、得られる重合体の重合度が低くなる上、重合体が着色する傾向にあるので好ましくない。   The usage-amount of a photosensitizer is the range of 0.01-3 mass% with respect to the mass of the monomer composition for solid polymer electrolytes, Preferably it is the range of 0.01-1.5 mass%. If it is less than 0.01% by mass, polymerization is not completed within a predetermined ultraviolet irradiation time, and unreacted monomers remain. This is not preferable, and if it exceeds 3% by mass, the degree of polymerization of the resulting polymer is lowered. This is not preferable because the polymer tends to be colored.

固体高分子電解質用単量体組成物を紫外線照射重合するに当たって使用する紫外線透過性板及び支持基板は紫外線透過率が高いことのみならず、紫外線照射による重合時の昇温に耐える耐熱性を有すること、及び固体高分子電解質用単量体組成物及びこれを重合して得られる固体高分子電解質と接着せず、剥離性が良好なことが必要である。   The UV transmissive plate and support substrate used for UV irradiation polymerization of the monomer composition for solid polymer electrolytes have not only high UV transmittance but also heat resistance to withstand temperature rise during UV irradiation polymerization. In addition, it is necessary that the monomer composition for a solid polymer electrolyte and the solid polymer electrolyte obtained by polymerizing the monomer composition are not adhered and have good releasability.

支持基板として通常使用するガラス平板は紫外線透過率と耐熱性については非常に良いが、固体高分子電解質用単量体組成物の重合により得られる固体高分子電解質と密着するので、予めガラス平板の表面にシリコーン系又はフッ素系の剥離剤を塗布しておくか、フッ素樹脂系の薄い透明フィルムを貼りつけた上で使用するのが好ましい。   The glass plate usually used as a support substrate is very good in terms of UV transmittance and heat resistance, but is in close contact with the solid polymer electrolyte obtained by polymerization of the monomer composition for solid polymer electrolyte. It is preferable to use it after applying a silicone-based or fluorine-based release agent on the surface, or by attaching a thin fluororesin-based transparent film.

支持基板としては、ガラス平板以外に、ポリパーフルオロビニルエーテル樹脂(PFA)、ポリフッ化ビニリデン樹脂(PVDF)等のフッ素系樹脂の他、ポリ3-メチルペンテン樹脂、ポリプロピレン樹脂等の紫外線透過率の良い100℃以上の耐熱性を有する樹脂平板を使用することができる。   In addition to glass flat plates, the supporting substrate has good UV transmittance such as polyperfluorovinyl ether resin (PFA) and polyvinylidene fluoride resin (PVDF), as well as poly-3-methylpentene resin and polypropylene resin. A resin flat plate having heat resistance of 100 ° C. or higher can be used.

固体高分子電解質用単量体組成物を流延した後で紫外線透過性板で覆って紫外線照射を行うか、固体高分子電解質用単量体組成物を含浸させるか塗布した補強材を2枚の支持基板の間に挟んで紫外線照射を行うに当たって、空気及び余分な固体高分子電解質用単量体組成物を系外に絞り出す必要がある。例えば図2に示すように、2枚の支持基板2,2の間に組成物1を挟み、均等に圧力をかけて、クリップ又はクランプ3で止めた状態で、水平に保ちながら紫外線照射を行うのが好ましい。照射は、少なくとも片面に対して1〜15分間行う。照射を表裏交互に行う場合は、片面に対して1〜15分間行う。光重合時の紫外線照射強度は5〜100μW/cm2、好ましくは10〜80μW/cm2とする。紫外線照射距離は、上記照射時間の範囲で十分硬化するように適宜設定する。光重合法により得られた膜に対して、機械的強度及び耐溶剤性の向上を目的として、100〜140℃で1〜15分程度加熱処理するのが好ましい。 After casting the polymer composition for the solid polymer electrolyte, it is covered with an ultraviolet transmissive plate and irradiated with ultraviolet rays, or impregnated with or coated with the monomer composition for the solid polymer electrolyte. In order to irradiate ultraviolet rays while sandwiching between the supporting substrates, it is necessary to squeeze out air and an extra monomer component for the solid polymer electrolyte to the outside of the system. For example, as shown in FIG. 2, the composition 1 is sandwiched between two support substrates 2 and 2, and UV irradiation is carried out while keeping it horizontal with a pressure applied evenly and stopped with a clip or clamp 3. Is preferred. Irradiation is performed for at least one side for 1 to 15 minutes. When irradiation is performed alternately on the front and back sides, it is performed for 1 to 15 minutes on one side. The ultraviolet irradiation intensity at the time of photopolymerization is 5 to 100 μW / cm 2 , preferably 10 to 80 μW / cm 2 . The ultraviolet irradiation distance is appropriately set so as to be sufficiently cured within the above irradiation time range. The film obtained by the photopolymerization method is preferably heat-treated at 100 to 140 ° C. for about 1 to 15 minutes for the purpose of improving mechanical strength and solvent resistance.

本発明では、光増感剤の固体高分子電解質用単量体組成物への溶解を支援する目的で希釈剤としてメタノールなどの低沸点溶剤を加えることもできる。   In the present invention, a low-boiling solvent such as methanol may be added as a diluent for the purpose of assisting the dissolution of the photosensitizer in the monomer composition for a solid polymer electrolyte.

固体高分子電解質用単量体組成物を、補強材に含浸させるか塗布した後、補強材を紫外線透過性の支持基板に挟み、紫外線を照射して不飽和単量体を光重合させることにより、複合膜化してもよい。   After impregnating or applying the monomer composition for a solid polymer electrolyte into a reinforcing material, the reinforcing material is sandwiched between UV permeable support substrates and irradiated with ultraviolet rays to photopolymerize the unsaturated monomer. Alternatively, a composite film may be formed.

使用する補強材は下記の3群に大別できる。
(i) 無機質繊維からなる補強材
ガラス繊維、アルミナ繊維、ロックウール繊維、スラグ繊維などからなる織布、不織布、紙等が挙げられる。無機質繊維からなる補強材の坪量は10〜60 mg/cm2、好ましくは10〜40 mg/cm2で、厚さは1μm〜60μm、好ましくは5μm〜40μmの範囲である。
The reinforcing materials to be used can be roughly divided into the following three groups.
(i) Reinforcing material made of inorganic fiber Examples of the reinforcing material include woven fabric, nonwoven fabric, and paper made of glass fiber, alumina fiber, rock wool fiber, slag fiber and the like. The basis weight of the reinforcing material made of inorganic fibers is 10 to 60 mg / cm 2 , preferably 10 to 40 mg / cm 2 , and the thickness is in the range of 1 μm to 60 μm, preferably 5 μm to 40 μm.

(ii) 有機質繊維からなる補強材
通常、衣料用に用いられるナイロン繊維、ポリエステル繊維、アクリル繊維等や、産業用に用いられるアラミド繊維からなる織布、不織布、紙等が挙げられる。不織布としてはポリプロピレン不織布が挙げられる。ただし紫外線照射時に複合系の温度が〜100℃まで上昇することがあり得るので、それに耐える耐熱性を有するものであることが必要である。有機質繊維からなる補強材の坪量と厚さは、(i)の場合と同じである。ただし含浸させる固体高分子電解質用単量体組成物がスルホン酸基などの強酸基を有する不飽和単量体を含む場合は、ナイロン繊維からなる織布、不織布、紙等は耐酸性が弱いため不適である。
(ii) Reinforcing materials made of organic fibers Usually, nylon fibers, polyester fibers, acrylic fibers, etc. used for clothing, and woven fabrics, nonwoven fabrics, papers, etc. made of aramid fibers used for industrial use are listed. Examples of the nonwoven fabric include polypropylene nonwoven fabric. However, since the temperature of the composite system may rise to ˜100 ° C. during ultraviolet irradiation, it is necessary to have heat resistance that can withstand it. The basis weight and thickness of the reinforcing material made of organic fibers are the same as in the case of (i). However, if the monomer composition for the solid polymer electrolyte to be impregnated contains an unsaturated monomer having a strong acid group such as a sulfonic acid group, the woven fabric, nonwoven fabric, paper, etc. made of nylon fiber have weak acid resistance. Unsuitable.

(iii) 樹脂フィルム
汎用樹脂であるポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリ3−メチルペンテン樹脂、ナイロン−6樹脂、ポリエステル樹脂、熱可塑性ポリウレタン樹脂などや、耐熱性樹脂であるポリスルホン樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、アラミド樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素系樹脂などから製膜したフィルムが好ましい。樹脂フィルムは、微孔を有するフィルムでもよいし、微孔を有しないフィルムのどちらでもよいが、前者が好ましい。ただし含浸させる固体高分子電解質用単量体組成物がスルホン酸基などの強酸基を有する不飽和単量体を含む場合は、ナイロンフィルムは、耐酸性が強くないため不適である。
(iii) Resin film General-purpose resins such as polyethylene resin, polypropylene resin, poly-3-methylpentene resin, nylon-6 resin, polyester resin, thermoplastic polyurethane resin, heat-resistant resin such as polysulfone resin, polyethersulfone resin, A film formed from a polyether ether ketone resin, an aramid resin, a polyimide resin, a fluorine resin, or the like is preferable. The resin film may be a film having micropores or a film having no micropores, but the former is preferable. However, when the monomer composition for the solid polymer electrolyte to be impregnated contains an unsaturated monomer having a strong acid group such as a sulfonic acid group, the nylon film is not suitable because the acid resistance is not strong.

微多孔フィルムの場合は、微孔の孔径が出来るだけ小さい方が好ましく、サブミクロン径であることが好ましい。また全体の開孔率は出来るだけ大きい方が好ましく、40〜50%(対表面積)のものが特に好ましい。樹脂フィルムの厚さは1μm〜40μmであるのが好ましく、5μm〜25μmの範囲であるのがより好ましい。   In the case of a microporous film, the pore size of the micropore is preferably as small as possible, and is preferably a submicron diameter. Further, the overall open area ratio is preferably as large as possible, and particularly preferably 40 to 50% (surface area). The thickness of the resin film is preferably 1 μm to 40 μm, and more preferably 5 μm to 25 μm.

補強材と固体高分子電解質用単量体組成物の使用割合は、補強材の固体高分子電解質用単量体組成物に対する親和性、換言すれば、固体高分子電解質用単量体組成物の吸収性によって大きく異なるが、一般的に補強材/固体高分子電解質用単量体組成物=1/20〜1/2(質量比)の範囲である。   The proportion of the reinforcing material and the solid polymer electrolyte monomer composition used is the affinity of the reinforcing material to the solid polymer electrolyte monomer composition, in other words, the solid polymer electrolyte monomer composition. Generally, it is in the range of reinforcing material / monomer composition for solid polymer electrolyte = 1/20 to 1/2 (mass ratio), although it varies greatly depending on the absorbability.

本発明では、固体高分子電解質用単量体組成物の粘度を下げ、補強材への含浸を容易にし、補強材への付着量を減少せしめて複合膜の厚さを薄くするなどの目的で、希釈剤としてメタノールなどの低沸点溶剤を加えることもできる。   In the present invention, for the purpose of reducing the viscosity of the monomer composition for a solid polymer electrolyte, facilitating the impregnation of the reinforcing material, reducing the amount of adhesion to the reinforcing material, and reducing the thickness of the composite membrane. Also, a low boiling point solvent such as methanol can be added as a diluent.

[5] 固体高分子電解質膜の特性
本発明の固体高分子電解質膜は、室温/24時間でのメタノール抽出率が、室温乾燥した膜で12%以下であり、130℃で乾燥した膜で7%以下であり、耐溶剤性に優れている。本発明の固体高分子電解質膜が耐溶剤性に優れているのは、固体高分子電解質膜を構成する四級アンモニウム塩が、一分子中に(a) リン酸基含有不飽和単量体に由来するエチレン性不飽和結合と、(b) アミノ基含有不飽和単量体に由来するエチレン性不飽和結合とを有するので、これらの不飽和結合により形成された架橋構造を有することによるものと推測される。本発明の固体高分子電解質膜では、アミノ基がエチレン性不飽和結合由来の炭化水素骨格に直接又はアルキレン基等を介して結合しており、かつリン酸基に結合しているため、リン酸基とアミノ基の結合は強く、解離し難い。このため比較的高温においても耐溶剤性に優れている。
[5] Characteristics of the solid polymer electrolyte membrane The solid polymer electrolyte membrane of the present invention has a methanol extraction rate at room temperature / 24 hours of 12% or less for a membrane dried at room temperature, and 7 for a membrane dried at 130 ° C. % Or less and excellent in solvent resistance. The solid polymer electrolyte membrane of the present invention is excellent in solvent resistance because the quaternary ammonium salt constituting the solid polymer electrolyte membrane is converted into (a) a phosphate group-containing unsaturated monomer in one molecule. Since it has an ethylenically unsaturated bond derived from and (b) an ethylenically unsaturated bond derived from an amino group-containing unsaturated monomer, it has a crosslinked structure formed by these unsaturated bonds. Guessed. In the solid polymer electrolyte membrane of the present invention, the amino group is bonded to the hydrocarbon skeleton derived from the ethylenically unsaturated bond directly or via an alkylene group and the like, and is bonded to the phosphate group. The bond between the group and the amino group is strong and difficult to dissociate. For this reason, it is excellent in solvent resistance even at relatively high temperatures.

本発明の固体高分子電解質膜は、相対湿度90%/温度20〜80℃において10−3〜10−5 S・cm−1の優れたプロトン伝導率を有し、かかるプロトン伝導率の温度依存性が小さい。中でもスルホン酸基含有不飽和単量体を含む膜は特にプロトン伝導率に優れている。ここでプロトン伝導率とは、複素インピーダンス法を用いて測定して得られたデータを平面複素インピーダンス解析し、その結果をcole-cole プロット図形処理をして得られたサンプルの抵抗値から求めたものである。 The solid polymer electrolyte membrane of the present invention has excellent proton conductivity of 10 −3 to 10 −5 S · cm −1 at a relative humidity of 90% / temperature of 20 to 80 ° C., and the temperature dependence of the proton conductivity. The nature is small. Among them, a membrane containing a sulfonic acid group-containing unsaturated monomer is particularly excellent in proton conductivity. Here, proton conductivity is obtained from the resistance value of the sample obtained by performing plane complex impedance analysis on the data obtained by measurement using the complex impedance method and processing the cole-cole plot figure. Is.

固体高分子電解質(複合)膜の厚さは通常300μm以下であり、好ましくは10〜200μmである。   The thickness of the solid polymer electrolyte (composite) membrane is usually 300 μm or less, preferably 10 to 200 μm.

本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。   The present invention will be described in more detail with reference to the following examples, but the present invention is not limited to these examples.

実施例1,2
(四級アンモニウム塩含有組成物の調製)
77.3 g(0.157モル)のアシッド・ホスホオキシポリオキシプロピレングリコールメタクリレート(商品名「Phosmer PP」、ユニケミカル(株)製)、及び0.77 gの水を350 mLのメタノールに室温で溶解させ、得られた溶液に28.3 g(0.180モル)のN, N−ジメチルアミノエチルメタクリレート(DMAEMA)を滴下し、pHが5.3となるまで撹拌した。得られた反応溶液を40℃で減圧濃縮し、100.1 gの生成物を得た。生成物の二重結合純度(臭素付加法)は84.6%であり、酸価(1NのKOH水溶液を使用)は134.1 mgであった[Phosmer PP及びDMAEMAからなるハーフ塩(下記式(27)参照)の理論酸価:87.4 mg/g。強塩基であるKOHを使用しているため、Phosmer PPと塩を形成したDMAEMAの一部がKOHに置換され、本来の酸価より高い値として測定されると推測される(以下同様)。]。このことから下記式(27):

Figure 0004763754
(但しn=5〜6である。)により表されるハーフ塩を主成分とする組成物が得られたと判断した。 Examples 1 and 2
(Preparation of quaternary ammonium salt-containing composition)
77.3 g (0.157 mol) of acid phosphooxypolyoxypropylene glycol methacrylate (trade name “Phosmer PP”, manufactured by Unichemical Co., Ltd.) and 0.77 g of water were dissolved in 350 mL of methanol at room temperature. 28.3 g (0.180 mol) of N, N-dimethylaminoethyl methacrylate (DMAEMA) was added dropwise to the solution and stirred until the pH was 5.3. The obtained reaction solution was concentrated under reduced pressure at 40 ° C. to obtain 100.1 g of a product. The double bond purity (bromine addition method) of the product was 84.6%, and the acid value (using 1N KOH aqueous solution) was 134.1 mg [see half salt consisting of Phosmer PP and DMAEMA (see the following formula (27)) ) Theoretical acid value: 87.4 mg / g. Since KOH, which is a strong base, is used, it is presumed that a part of DMAEMA that forms a salt with Phosmer PP is substituted with KOH and measured as a value higher than the original acid value (the same applies hereinafter). ]. From this, the following equation (27):
Figure 0004763754
(However, n = 5-6) It was judged that the composition which has the half salt represented by these as a main component was obtained.

(固体高分子電解質膜の作製)
得られたハーフ塩を含む単量体組成物(PP-DM(I))を用いて、固体高分子電解質膜を作製した。用いた不飽和単量体の原料、及びそれらの配合割合を表3に示す。まず表3に記載の単量体組成物に、光増感剤として[イルガキュア651(2,2-ジメトキシ-1,2-ジフェニルエタン-1-オン) +イルガキュア500(1-ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、ベンゾフェノン) = 1 wt% + 0.5 wt%](対全単量体)を溶解させた。次いで図2及び図3に示すように、得られた組成物1を、フッ素系樹脂フィルムを付着したガラス平板2にキャストし、その上にフッ素系樹脂フィルムを付着したガラス平板2を被せ、2枚のガラス平板2,2間に組成物1を挟んだ状態とし、高圧水銀灯(セン特殊光源(株)製キュアラブHLR-1000F-22、波長:365 nm)を用いて、紫外線照射強度15〜30μW/cm2で片面から7〜8分間照射して(照射距離:25 cm)光重合させることにより固体高分子電解質膜を作製した。得られた膜に対して130℃で5分間の熱処理を施した。作製した固体高分子電解質複合膜のメタノール抽出率等を表3に示す。
(Preparation of solid polymer electrolyte membrane)
A solid polymer electrolyte membrane was produced using the monomer composition (PP-DM (I)) containing the obtained half salt. Table 3 shows the raw materials of the unsaturated monomers used and their blending ratios. First, as a photosensitizer, [Irgacure 651 (2,2-dimethoxy-1,2-diphenylethane-1-one) + Irgacure 500 (1-hydroxycyclohexyl phenyl ketone, Benzophenone) = 1 wt% + 0.5 wt%] (vs total monomers). Next, as shown in FIG. 2 and FIG. 3, the obtained composition 1 was cast on a glass flat plate 2 to which a fluororesin film was attached, and the glass flat plate 2 to which a fluororesin film was attached was put thereon, and 2 The composition 1 is sandwiched between two glass flat plates 2 and 2, and a high pressure mercury lamp (Cure Arab HLR-1000F-22 manufactured by Sen Special Light Source Co., Ltd., wavelength: 365 nm) is used. A solid polymer electrolyte membrane was prepared by photopolymerization by irradiation for 7 to 8 minutes from one side at / cm 2 (irradiation distance: 25 cm). The obtained film was heat-treated at 130 ° C. for 5 minutes. Table 3 shows the methanol extraction rate and the like of the produced solid polymer electrolyte composite membrane.

Figure 0004763754
Figure 0004763754

注:(1) アシッド・ホスホオキシポリオキシプロピレングリコールメタクリレート(Phosmer PP、分子量:485)及びN, N−ジメチルアミノエチルメタクリレート(DMAEMA、分子量:157)をモル比(DMAEMA)/(Phosmer PP)=1.15で反応させた組成物。
(2) メタクリロイルオキシエチルホスフェート(Phosmer M、分子量:210)及びジ(メタクリロイルオキシエチル)ホスフェート(分子量:322)を理論モル比1:1で含む組成物。
(3) アクリロニトリル(分子量:53)。
(4) 2,2,2−トリフルオロエチルメタクリート(分子量:168)。
(5) 膜を大過剰のメタノールに室温で24時間浸漬した後の質量減少を測定。
Note: (1) Acid phosphooxypolyoxypropylene glycol methacrylate (Phosmer PP, molecular weight: 485) and N, N-dimethylaminoethyl methacrylate (DMAEMA, molecular weight: 157) molar ratio (DMAEMA) / (Phosmer PP) = Composition reacted in 1.15.
(2) A composition comprising methacryloyloxyethyl phosphate (Phosmer M, molecular weight: 210) and di (methacryloyloxyethyl) phosphate (molecular weight: 322) in a theoretical molar ratio of 1: 1.
(3) Acrylonitrile (molecular weight: 53).
(4) 2,2,2-trifluoroethyl methacrylate (molecular weight: 168).
(5) Measure the mass loss after immersing the membrane in a large excess of methanol at room temperature for 24 hours.

比較例1〜4
(固体高分子電解質形成用組成物の調製)
77.3 g(0.157モル)のPhosmer PP、53.2 g(0.34モル)DMAEMA及び0.77 gの水を用いて、pHが7.0となるまで撹拌した以外は実施例1と同様にして反応させた。得られた反応溶液を40℃で減圧濃縮し、124.0 gの生成物を得た。pHが7.0とほぼ中和したことから、リン酸基がアミノ基により中和された不飽和単量体を主成分とする組成物が得られたと判断した。なお生成物の二重結合純度(臭素付加法)は100%であり、酸価(1NのKOH水溶液を使用)は69.6 mgであった。
Comparative Examples 1-4
(Preparation of composition for forming solid polymer electrolyte)
The reaction was conducted in the same manner as in Example 1 except that 77.3 g (0.157 mol) of Phosmer PP, 53.2 g (0.34 mol) DMAEMA, and 0.77 g of water were used until the pH was 7.0. The obtained reaction solution was concentrated under reduced pressure at 40 ° C. to obtain 124.0 g of a product. Since the pH was almost neutralized to 7.0, it was judged that a composition containing an unsaturated monomer whose phosphate group was neutralized with an amino group as a main component was obtained. The double bond purity (bromine addition method) of the product was 100%, and the acid value (using 1N aqueous KOH solution) was 69.6 mg.

(固体高分子電解質膜の作製)
得られた単量体組成物(PP-DM(II))を用いて、実施例1と同様にして固体高分子電解質膜を作製した。用いた不飽和単量体の原料、及びそれらの配合割合を表4に示す。作製した固体高分子電解質複合膜のメタノール抽出率等を表4に示す。
(Preparation of solid polymer electrolyte membrane)
Using the resulting monomer composition (PP-DM (II)), a solid polymer electrolyte membrane was produced in the same manner as in Example 1. Table 4 shows the unsaturated monomer materials used and the blending ratios thereof. Table 4 shows the methanol extraction rate and the like of the produced solid polymer electrolyte composite membrane.

比較例5、6
表4に示す不飽和単量体を用い、実施例1と同様にして固体高分子電解質膜を作製した。作製した固体高分子電解質複合膜のメタノール抽出率等を表4に示す。
Comparative Examples 5 and 6
A solid polymer electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Example 1 using the unsaturated monomer shown in Table 4. Table 4 shows the methanol extraction rate and the like of the produced solid polymer electrolyte composite membrane.

Figure 0004763754
Figure 0004763754

表4(続き)

Figure 0004763754
Table 4 (continued)
Figure 0004763754

注:(1) アシッド・ホスホオキシポリオキシプロピレングリコールメタクリレート(Phosmer PP、分子量:485)及びN, N−ジメチルアミノエチルメタクリレート(DMAEMA、分子量:157)をモル比(DMAEMA)/(Phosmer PP)=2.17で反応させた組成物。
(2) メタクリロイルオキシエチルホスフェート(Phosmer M、分子量:210)及びジ(メタクリロイルオキシエチル)ホスフェート(分子量:322)を理論モル比1:1で含む組成物。
(3) スチレン(分子量:104)。
(4) アクリロニトリル(分子量:53)。
(5) 2,2,2−トリフルオロエチルメタクリート(分子量:168)。
(6) 膜を大過剰のメタノールに室温で24時間浸漬した後の質量減少を測定。
Note: (1) Acid phosphooxypolyoxypropylene glycol methacrylate (Phosmer PP, molecular weight: 485) and N, N-dimethylaminoethyl methacrylate (DMAEMA, molecular weight: 157) molar ratio (DMAEMA) / (Phosmer PP) = Composition reacted in 2.17.
(2) A composition comprising methacryloyloxyethyl phosphate (Phosmer M, molecular weight: 210) and di (methacryloyloxyethyl) phosphate (molecular weight: 322) in a theoretical molar ratio of 1: 1.
(3) Styrene (molecular weight: 104).
(4) Acrylonitrile (molecular weight: 53).
(5) 2,2,2-trifluoroethyl methacrylate (molecular weight: 168).
(6) Measure the mass loss after immersing the membrane in a large excess of methanol at room temperature for 24 hours.

表3及び4に示した結果から、実施例1,2の膜は、メタノール抽出率が7%以下であり、耐メタノール性に優れていることが分かる。比較例5、6は、酸性基を含む単量体として、四級アンモニウム塩基を含まないリン酸基含有不飽和単量体のみを使用しているため、実施例の各膜に対して耐メタノール性が大きく劣っている。なお実施例の固体高分子電解質膜の厚さは70〜170μmの範囲であるが、ガラス平板に挟む単量体組成物の量とそれを搾り出す圧力を適宜調製することにより所望の厚さとすることができる。   From the results shown in Tables 3 and 4, it can be seen that the membranes of Examples 1 and 2 have a methanol extraction rate of 7% or less and excellent methanol resistance. Comparative Examples 5 and 6 use only a phosphate group-containing unsaturated monomer that does not contain a quaternary ammonium base as a monomer that contains an acidic group. The nature is greatly inferior. In addition, although the thickness of the solid polymer electrolyte membrane of an Example is the range of 70-170 micrometers, it is set as desired thickness by adjusting suitably the quantity of the monomer composition pinched | interposed into a glass plate, and the pressure which squeezes it out. be able to.

(プロトン伝導性の評価)
プロトン伝導率は複素インピーダンス法を用いて測定した。上述の方法により作製した実施例1,2及び比較例1〜4の膜から切り出したサンプルを2枚の白金電極に挟み、(株)東陽テクニカ製のエレクトロケミカル・インターフェースポテンショスタットのセルに充填した。測定周波数範囲:1 MHz、相対湿度:90%、測定温度範囲:20〜80℃で、セルのインピーダンスを測定した。得られたデータを平面複素インピーダンス解析し、その結果をcole-cole プロット図形処理をして得られたサンプルの抵抗値からプロトン伝導率を求めた。結果を図4,5に示す。
(Evaluation of proton conductivity)
Proton conductivity was measured using the complex impedance method. Samples cut from the membranes of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 4 prepared by the above-described method were sandwiched between two platinum electrodes, and filled in a cell of an electrochemical interface potentiostat manufactured by Toyo Corporation. . The cell impedance was measured at a measurement frequency range of 1 MHz, a relative humidity of 90%, and a measurement temperature range of 20 to 80 ° C. The obtained data was subjected to planar complex impedance analysis, and the proton conductivity was obtained from the resistance value of the sample obtained by performing the cole-cole plot graphic processing on the result. The results are shown in FIGS.

実施例1,2の固体高分子電解質膜のプロトン伝導率はRH90%/20〜80℃の条件下で10−3〜10−5 S・cm−1のオーダーにあり、リン酸基を官能基とする高分子電解質としては良好な水準であり、かつプロトン伝導率の温度依存性が小さいことが分かる。これに対して比較例1〜4の膜は上記式(27)に示すハーフ塩を含まないか、含んでも極僅かであるため、プロトン伝導率がRH90%/80℃の条件下でも10−4 S・cm−1のオーダーにあり、劣っていた。 The proton conductivity of the solid polymer electrolyte membranes of Examples 1 and 2 is in the order of 10 −3 to 10 −5 S · cm −1 under conditions of RH 90% / 20 to 80 ° C., and the phosphate group is a functional group. It can be seen that the polymer electrolyte is a good level and the temperature dependence of proton conductivity is small. On the other hand, the membranes of Comparative Examples 1 to 4 do not contain the half salt represented by the above formula (27) or contain very little, so even if the proton conductivity is RH 90% / 80 ° C., 10 −4 It was in the order of S · cm −1 and was inferior.

アシッド・ホスホオキシポリオキシプロピレングリコールメタクリレートを、N, N−ジメチルアミノエチルメタクリレートで滴定した中和曲線の例を示すグラフである。It is a graph which shows the example of the neutralization curve which titrated acid phosphooxy polyoxypropylene glycol methacrylate with N, N- dimethylamino ethyl methacrylate. ガラス平板2枚の間に固体高分子電解質用組成物を挟んだ状態を示す側面図である。It is a side view which shows the state which pinched | interposed the composition for solid polymer electrolytes between two glass flat plates. ガラス平板2枚の間に固体高分子電解質用組成物を挟んだ状態を示す平面図である。It is a top view which shows the state which pinched | interposed the composition for solid polymer electrolytes between two glass flat plates. 実施例1,2の固体高分子電解質膜について、温度T(℃)とプロトン伝導率log(σ/S・cm−1) との関係をcole-cole プロットにより示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between temperature T (degreeC) and proton conductivity log ((sigma) / S * cm < -1 >) by a cole-cole plot about the solid polymer electrolyte membrane of Example 1,2. 比較例1〜4の固体高分子電解質膜について、温度T(℃)とプロトン伝導率log(σ/S・cm−1) との関係をcole-cole プロットにより示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between temperature T (degreeC) and proton conductivity log ((sigma) / S * cm < -1 >) by a cole-cole plot about the solid polymer electrolyte membrane of Comparative Examples 1-4.

符号の説明Explanation of symbols

1・・・組成物
2・・・ガラス平板
3・・・クリップ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Composition 2 ... Glass flat plate 3 ... Clip

Claims (9)

(A) リン酸基及びエチレン性不飽和結合を有するリン酸基含有不飽和単量体(a)と、置換又は無置換のアミノ基及びエチレン性不飽和結合を有するアミノ基含有不飽和単量体(b)とを、(a)のリン酸基に対する(b)のアミノ基の割合が50〜180モル%となる範囲で反応させてなり、(a)が(b)で変性された四級アンモニウム塩を含む単量体組成物と、
(B) フッ素基含有不飽和単量体(c)と
を少なくとも共重合してなる固体高分子電解質膜であって、
(a)は下記一般式(1):
Figure 0004763754
(ただしR1は水素基又はアルキル基であり、R2は水素基又は置換もしくは無置換のアルキル基であり、nは1〜6の整数である)により表され、
(b)は下記一般式(2):
Figure 0004763754
(ただしR3は水素基又はメチル基であり、R4及びR5はそれぞれ独立に水素基、炭素数1〜4のアルキル基又は炭素数6〜10のアリール基であり、X1は−O−基又は−NH−基であり、Y1は置換もしくは無置換の炭素数1〜6のアルキレン基又は置換もしくは無置換の炭素数6〜16のアリーレン基である)により表される化合物、下記一般式(3):
Figure 0004763754
(ただしR6は水素基又はメチル基であり、R7及びR8はそれぞれ独立に水素基、炭素数1〜4のアルキル基又は炭素数6〜10のアリール基である)により表される化合物、下記一般式(4):
Figure 0004763754
(ただしR9は水素基又はメチル基であり、R10及びR11はそれぞれ独立に水素基、炭素数1〜4のアルキル基又は炭素数6〜10のアリール基であり、Y2は置換もしくは無置換の炭素数1〜6のアルキレン基又は置換もしくは無置換の炭素数6〜16のアリーレン基である)により表される化合物、下記一般式(5):
Figure 0004763754
(ただしR12は水素基又はメチル基であり、R13及びR14はそれぞれ独立に水素基、炭素数1〜4のアルキル基又は炭素数6〜10のアリール基である)により表される化合物、下記一般式(6):
Figure 0004763754
(ただしR15及びR16はそれぞれ独立に水素基又はメチル基であり、R17は水素基、炭素数1〜4のアルキル基又は炭素数6〜10のアリール基であり、Y3及びY4はそれぞれ独立に置換もしくは無置換の炭素数1〜6のアルキレン基又は置換もしくは無置換の炭素数6〜16のアリーレン基である)により表される化合物、及び1個以上のビニル基を有するヘテロ環状アミン化合物からなる群から選ばれた少なくとも一種であり、
(c)は、(i) 少なくとも1個のフッ素基を有する(メタ)アクリル酸エステル類、(ii) 少なくとも1個のフッ素基を有する(メタ)アクリル酸類、(iii) 少なくとも1個のフッ素基を有するアルキル基及び/又は少なくとも1個のフッ素基と1個のエチレン性不飽和結合とを有するオレフィン系不飽和単量体、並びに(iv) 少なくとも1個のフッ素基を含有するアルキレン基と2個のエチレン性不飽和結合とを有するジエン系不飽和単量体からなる群から選ばれた少なくとも一種であることを特徴とする固体高分子電解質膜。
(A) A phosphate group-containing unsaturated monomer (a) having a phosphate group and an ethylenically unsaturated bond, and a substituted or unsubstituted amino group and an amino group-containing unsaturated monomer having an ethylenically unsaturated bond The body (b) is reacted in the range where the ratio of the amino group of (b) to the phosphate group of (a) is 50 to 180 mol%, and (a) is modified with (b). A monomer composition comprising a quaternary ammonium salt;
(B) a solid polymer electrolyte membrane obtained by copolymerizing at least a fluorine group-containing unsaturated monomer (c),
(a) is the following general formula (1):
Figure 0004763754
(Wherein R 1 is a hydrogen group or an alkyl group, R 2 is a hydrogen group or a substituted or unsubstituted alkyl group, and n is an integer of 1 to 6),
(b) is the following general formula (2):
Figure 0004763754
(However, R 3 is a hydrogen group or a methyl group, R 4 and R 5 are each independently a hydrogen group, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, or an aryl group having 6 to 10 carbon atoms, and X 1 is —O -Group or -NH- group, and Y 1 is a substituted or unsubstituted alkylene group having 1 to 6 carbon atoms or a substituted or unsubstituted arylene group having 6 to 16 carbon atoms), General formula (3):
Figure 0004763754
Wherein R 6 is a hydrogen group or a methyl group, and R 7 and R 8 are each independently a hydrogen group, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, or an aryl group having 6 to 10 carbon atoms. The following general formula (4):
Figure 0004763754
(Wherein R 9 is a hydrogen group or a methyl group, R 10 and R 11 are each independently a hydrogen group, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms or an aryl group having 6 to 10 carbon atoms, and Y 2 is substituted or An unsubstituted alkylene group having 1 to 6 carbon atoms or a substituted or unsubstituted arylene group having 6 to 16 carbon atoms), the following general formula (5):
Figure 0004763754
Wherein R 12 is a hydrogen group or a methyl group, and R 13 and R 14 are each independently a hydrogen group, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, or an aryl group having 6 to 10 carbon atoms. The following general formula (6):
Figure 0004763754
(However, R 15 and R 16 are each independently a hydrogen group or a methyl group, R 17 is a hydrogen group, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, or an aryl group having 6 to 10 carbon atoms, and Y 3 and Y 4 Are each independently a substituted or unsubstituted alkylene group having 1 to 6 carbon atoms or a substituted or unsubstituted arylene group having 6 to 16 carbon atoms, and a hetero compound having one or more vinyl groups. Is at least one selected from the group consisting of cyclic amine compounds,
(c) is (i) (meth) acrylic acid ester having at least one fluorine group, (ii) (meth) acrylic acid having at least one fluorine group, (iii) at least one fluorine group And / or an olefinically unsaturated monomer having at least one fluorine group and one ethylenically unsaturated bond, and (iv) an alkylene group containing at least one fluorine group and 2 A solid polymer electrolyte membrane, which is at least one selected from the group consisting of diene unsaturated monomers having one ethylenically unsaturated bond.
請求項1に記載の固体高分子電解質膜において、(a)のR1はH又はCH3であり、R2はH、CH3又はCH2Clであることを特徴とする固体高分子電解質膜。 The solid polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein R 1 in (a) is H or CH 3 and R 2 is H, CH 3 or CH 2 Cl. . 請求項1又は2に記載の固体高分子電解質膜において、前記フッ素基含有(メタ)アクリル酸エステル類は下記一般式(7):
Figure 0004763754
(ただしX3は水素基、フッ素基、少なくとも1個のフッ素基を有する又は有しないメチル基であり、R25は少なくとも1個のフッ素基を有する又は有しないアルキル基である。)により表され、前記フッ素基含有(メタ)アクリル酸類は下記一般式(8):
Figure 0004763754
(ただしX4はフッ素基又は少なくとも1個のフッ素基を有するメチル基である。)により表され、前記フッ素基含有オレフィン系不飽和単量体は
下記一般式(9):
Figure 0004763754
(ただしRf1は少なくとも1個のフッ素基を含有するアルキル基であり、X5、X6及びX7はそれぞれ独立に水素基又はフッ素基である。)又は下記一般式(10):
Figure 0004763754
(ただしX8、X9及びX10はそれぞれ独立にフッ素基又は少なくとも1個のフッ素基を有するメチル基であり、X11は水素基、フッ素基、その他のハロゲン、少なくとも1個のフッ素基を有するメチル基、フッ素基を有しないアルキル基、又はフッ素基を有するもしくは有しないアルコキシ基である。)により表され、前記フッ素基含有ジエン系不飽和単量体は下記一般式(11):
Figure 0004763754
(ただしRf2は少なくとも1個のフッ素基を含有するアルキレン基であり、X12、X13、X14、X15、X16及びX17はそれぞれ独立に水素基又はフッ素基である。)により表されることを特徴とする固体高分子電解質膜。
The solid polymer electrolyte membrane according to claim 1 or 2, wherein the fluorine group-containing (meth) acrylic acid ester has the following general formula (7):
Figure 0004763754
(Wherein X 3 is a hydrogen group, a fluorine group, a methyl group having or not having at least one fluorine group, and R 25 is an alkyl group having or not having at least one fluorine group). The fluorine group-containing (meth) acrylic acid has the following general formula (8):
Figure 0004763754
Wherein X 4 is a fluorine group or a methyl group having at least one fluorine group, and the fluorine group-containing olefinically unsaturated monomer is represented by the following general formula (9):
Figure 0004763754
(Where Rf 1 is an alkyl group containing at least one fluorine group, and X 5 , X 6 and X 7 are each independently a hydrogen group or a fluorine group) or the following general formula (10):
Figure 0004763754
(However, X 8 , X 9 and X 10 are each independently a fluorine group or a methyl group having at least one fluorine group, and X 11 is a hydrogen group, a fluorine group, other halogens, or at least one fluorine group. Having a methyl group, an alkyl group having no fluorine group, or an alkoxy group having or not having a fluorine group.), The fluorine group-containing diene unsaturated monomer is represented by the following general formula (11):
Figure 0004763754
(Wherein Rf 2 is an alkylene group containing at least one fluorine group, and X 12 , X 13 , X 14 , X 15 , X 16 and X 17 are each independently a hydrogen group or a fluorine group). A solid polymer electrolyte membrane characterized by being represented.
請求項1〜3のいずれかに記載の固体高分子電解質膜において、(c)として2,2,2−トリフルオロエチルメタクリートを共重合してなることを特徴とする固体高分子電解質膜。 The solid polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 3, wherein (c) is copolymerized with 2,2,2-trifluoroethyl methacrylate. 請求項1〜4のいずれかに記載の固体高分子電解質膜において、(a)〜(c)以外の不飽和単量体(d)を共重合成分として含み、(d)は分子内に1個以上のエチレン性不飽和結合と官能基とを有する不飽和単量体(d-1)、及び分子内に1個以上のエチレン性不飽和結合を有するが官能基を有しない不飽和単量体(d-2)の一方又は両方であり、(d-1)はリン系酸残基、スルホン酸基、カルボン酸基及びアルコール性水酸基からなる群から選ばれた少なくとも一種の官能基を有し、(d-2)は(メタ)アクリロニトリル、(メタ)アクリル酸エステル類、(メタ)アクリル酸アミド類、置換又は無置換のスチレン類及びビニル類からなる群から選ばれた少なくとも一種であることを特徴とする固体高分子電解質膜。 The solid polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 4, comprising an unsaturated monomer (d) other than (a) to (c) as a copolymerization component, wherein (d) is 1 in the molecule. Unsaturated monomer (d-1) having at least one ethylenically unsaturated bond and a functional group, and unsaturated monomer having at least one ethylenically unsaturated bond but no functional group in the molecule Or (d-1) having at least one functional group selected from the group consisting of a phosphoric acid residue, a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, and an alcoholic hydroxyl group. (D-2) is at least one selected from the group consisting of (meth) acrylonitrile, (meth) acrylic acid esters, (meth) acrylic acid amides, substituted or unsubstituted styrenes and vinyls. A solid polymer electrolyte membrane characterized by that. 請求項5に記載の固体高分子電解質膜において、(前記四級アンモニウム塩含有単量体組成物)/((c)及び(d)の合計)の重量比は80/20〜40/60であることを特徴とする固体高分子電解質膜。
6. The solid polymer electrolyte membrane according to claim 5, wherein a weight ratio of (the quaternary ammonium salt-containing monomer composition) / (total of (c) and (d)) is 80/20 to 40/60. solid polymer electrolyte membrane, characterized in that.
(A) リン酸基及びエチレン性不飽和結合を有するリン酸基含有不飽和単量体(a)と、置換又は無置換のアミノ基及びエチレン性不飽和結合を有するアミノ基含有不飽和単量体(b)とを、(a)のリン酸基に対する(b)のアミノ基の割合が50〜180モル%となる範囲で反応させてなり、(a)が(b)で変性された四級アンモニウム塩を含む単量体組成物と、
(B) フッ素基含有不飽和単量体(c)と
を少なくとも含む固体高分子電解質用単量体組成物であって、
前記四級アンモニウム塩は、下記一般式(12):
Figure 0004763754
(但しR1は水素基又はアルキル基であり、R2は水素基又は置換もしくは無置換のアルキル基であり、R3は水素基又はメチル基であり、R4及びR5はそれぞれ独立に水素基、炭素数1〜4のアルキル基又は炭素数6〜10のアリール基であり、X1は−O−基又は−NH−基であり、Y1は置換もしくは無置換の炭素数1〜6のアルキレン基又は炭素数6〜12のアリーレン基であり、nは1〜6の整数である。)により表される化合物、下記一般式(13):
Figure 0004763754
(但しR1は水素基又はアルキル基であり、R2は水素基又は置換もしくは無置換のアルキル基であり、R6は水素基又はメチル基であり、R7及びR8はそれぞれ独立に水素基、炭素数1〜4のアルキル基又は炭素数6〜10のアリール基であり、nは1〜6の整数である。)により表される化合物、下記一般式(14):
Figure 0004763754
(但しR1は水素基又はアルキル基であり、R2は水素基又は置換もしくは無置換のアルキル基であり、R9は水素基又はメチル基であり、R10及びR11はそれぞれ独立に水素基、炭素数1〜4のアルキル基又は炭素数6〜10のアリール基であり、Y2は置換もしくは無置換の炭素数1〜6のアルキレン基又は置換もしくは無置換の炭素数6〜16のアリーレン基であり、nは1〜6の整数である。)により表される化合物、下記一般式(15):
Figure 0004763754
(但しR1は水素基又はアルキル基であり、R2は水素基又は置換もしくは無置換のアルキル基であり、R12は水素基又はメチル基であり、R13及びR14はそれぞれ独立に水素基、炭素数1〜4のアルキル基又は炭素数6〜10のアリール基であり、nは1〜6の整数である。)により表される化合物、下記一般式(16):
Figure 0004763754
(但しR1は水素基又はアルキル基であり、R2は水素基又は置換もしくは無置換のアルキル基であり、R15及びR16はそれぞれ独立に水素基又はメチル基であり、R17は水素基、炭素数1〜4のアルキル基又は炭素数6〜10のアリール基であり、Y3及びY4はそれぞれ独立に置換もしくは無置換の炭素数1〜6のアルキレン基又は置換もしくは無置換の炭素数6〜16のアリーレン基であり、nは1〜6の整数である。)により表される化合物、並びに下記一般式(1):
Figure 0004763754
(ただしR1は水素基又はアルキル基であり、R2は水素基又は置換もしくは無置換のアルキル基であり、nは1〜6の整数である。)により表されるリン酸基含有不飽和単量体を、1個以上のビニル基を有するヘテロ環状アミンで変性した化合物からなる群から選ばれた少なくとも一種であり、
(c)は、(i) 少なくとも1個のフッ素基を有する(メタ)アクリル酸エステル類、(ii) 少なくとも1個のフッ素基を有する(メタ)アクリル酸類、(iii) 少なくとも1個のフッ素基を有するアルキル基及び/又は少なくとも1個のフッ素基と1個のエチレン性不飽和結合とを有するオレフィン系不飽和単量体、並びに(iv) 少なくとも1個のフッ素基を含有するアルキレン基と2個のエチレン性不飽和結合とを有するジエン系不飽和単量体からなる群から選ばれた少なくとも一種であることを特徴とする固体高分子電解質用単量体組成物。
(A) A phosphate group-containing unsaturated monomer (a) having a phosphate group and an ethylenically unsaturated bond, and a substituted or unsubstituted amino group and an amino group-containing unsaturated monomer having an ethylenically unsaturated bond The body (b) is reacted in the range where the ratio of the amino group of (b) to the phosphate group of (a) is 50 to 180 mol%, and (a) is modified with (b). A monomer composition comprising a quaternary ammonium salt;
(B) a monomer composition for solid polymer electrolyte comprising at least a fluorine group-containing unsaturated monomer (c),
The quaternary ammonium salt has the following general formula (12):
Figure 0004763754
(However, R 1 is a hydrogen group or an alkyl group, R 2 is a hydrogen group or a substituted or unsubstituted alkyl group, R 3 is a hydrogen group or a methyl group, and R 4 and R 5 are each independently hydrogen. Group, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms or an aryl group having 6 to 10 carbon atoms, X 1 is an —O— group or an —NH— group, and Y 1 is a substituted or unsubstituted carbon atom having 1 to 6 carbon atoms. An alkylene group or an arylene group having 6 to 12 carbon atoms, and n is an integer of 1 to 6.), a compound represented by the following general formula (13):
Figure 0004763754
(However, R 1 is a hydrogen group or an alkyl group, R 2 is a hydrogen group or a substituted or unsubstituted alkyl group, R 6 is a hydrogen group or a methyl group, and R 7 and R 8 are each independently hydrogen. A group, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms or an aryl group having 6 to 10 carbon atoms, and n is an integer having 1 to 6), the following general formula (14):
Figure 0004763754
(However, R 1 is a hydrogen group or an alkyl group, R 2 is a hydrogen group or a substituted or unsubstituted alkyl group, R 9 is a hydrogen group or a methyl group, and R 10 and R 11 are each independently hydrogen. Group, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, or an aryl group having 6 to 10 carbon atoms, and Y 2 is a substituted or unsubstituted alkylene group having 1 to 6 carbon atoms or a substituted or unsubstituted carbon group having 6 to 16 carbon atoms. An arylene group, and n is an integer of 1 to 6.), a compound represented by the following general formula (15):
Figure 0004763754
(However, R 1 is a hydrogen group or an alkyl group, R 2 is a hydrogen group or a substituted or unsubstituted alkyl group, R 12 is a hydrogen group or a methyl group, and R 13 and R 14 are each independently hydrogen. A group, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms or an aryl group having 6 to 10 carbon atoms, and n is an integer of 1 to 6), the following general formula (16):
Figure 0004763754
(However, R 1 is a hydrogen group or an alkyl group, R 2 is a hydrogen group or a substituted or unsubstituted alkyl group, R 15 and R 16 are each independently a hydrogen group or a methyl group, and R 17 is a hydrogen group. Group, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms or an aryl group having 6 to 10 carbon atoms, and Y 3 and Y 4 are each independently a substituted or unsubstituted alkylene group having 1 to 6 carbon atoms or a substituted or unsubstituted group. A compound having 6 to 16 carbon atoms and n is an integer of 1 to 6), and the following general formula (1):
Figure 0004763754
(Wherein R 1 is a hydrogen group or an alkyl group, R 2 is a hydrogen group or a substituted or unsubstituted alkyl group, and n is an integer of 1 to 6). The monomer is at least one selected from the group consisting of compounds modified with a heterocyclic amine having one or more vinyl groups,
(c) is (i) (meth) acrylic acid ester having at least one fluorine group, (ii) (meth) acrylic acid having at least one fluorine group, (iii) at least one fluorine group And / or an olefinically unsaturated monomer having at least one fluorine group and one ethylenically unsaturated bond, and (iv) an alkylene group containing at least one fluorine group and 2 A monomer composition for a solid polymer electrolyte, which is at least one selected from the group consisting of diene unsaturated monomers having one ethylenically unsaturated bond.
請求項に記載の固体高分子電解質用単量体組成物において、未反応の(a)、未反応の(b)、及び(a)のリン酸基中の水酸基の全てが(b)のアミノ基と反応した不飽和単量体からなる群から選ばれた少なくとも一種を含むことを特徴とする固体高分子電解質用単量体組成物。
The monomer composition for a solid polymer electrolyte according to claim 7 , wherein all of the hydroxyl groups in the phosphate groups of unreacted (a), unreacted (b), and (a) are (b). A monomer composition for a solid polymer electrolyte, comprising at least one selected from the group consisting of unsaturated monomers reacted with an amino group.
請求項1〜のいずれかに記載の固体高分子電解質膜を用いたことを特徴とする燃料電池。
A fuel cell comprising the solid polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 6 .
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