JP5103024B2 - Stabilized fluoropolymer - Google Patents

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Description

本発明は、安定化フルオロポリマーの製造方法、該製造方法から得られた安定化フルオロポリマー及び該安定化フルオロポリマーの加水分解体を含む高分子電解質膜に関する。 The present invention relates to a method for producing a stabilized fluoropolymer, a stabilized fluoropolymer obtained from the production method, and a polymer electrolyte membrane comprising a hydrolyzate of the stabilized fluoropolymer.

テトラフルオロエチレンと、−SOFを有するパーフルオロビニルエーテルとを共重合して得られるスルホン酸由来基含有フルオロポリマーは、−SOFを加水分解したものについて、燃料電池、化学センサー等の電解質膜材料としての用途が知られている。 A sulfonic acid-derived group-containing fluoropolymer obtained by copolymerizing tetrafluoroethylene and perfluorovinyl ether having —SO 2 F is an electrolyte such as a fuel cell or a chemical sensor obtained by hydrolyzing —SO 2 F. Applications as membrane materials are known.

このスルホン酸由来基含有フルオロポリマーの加水分解体は、例えば、燃料電池用電解質膜として長期間使用した場合、劣化し、燃料電池からの排水がHFを含むようになる問題が報告されている。 It has been reported that the hydrolyzate of the sulfonic acid-derived group-containing fluoropolymer deteriorates when used as a fuel cell electrolyte membrane for a long period of time, and the wastewater from the fuel cell contains HF.

この問題は、固体状態のスルホン酸由来基含有フルオロポリマーに対し、フッ素ガス等のフッ素ラジカル発生化合物を20〜300℃で接触させてポリマー鎖末端の不安定基の少なくとも40%を安定な基に転換する安定化処理により改善されることが報告されている(例えば、特許文献1参照)。 This problem is caused by bringing a fluorine radical generating compound such as fluorine gas into contact with a solid sulfonic acid-derived group-containing fluoropolymer at 20 to 300 ° C. so that at least 40% of unstable groups at the end of the polymer chain are stable groups. It has been reported that it is improved by a stabilizing treatment that converts (see, for example, Patent Document 1).

従来の安定化処理は、特にスルホン酸由来基含有フルオロポリマーが乳化重合により得たものである場合、不安定基の安定基への転換率が不充分となり、溶融成形時に着色、発泡等が発生するという問題があった。
特公昭46−23245号公報
Conventional stabilization treatment, especially when the sulfonic acid-derived group-containing fluoropolymer is obtained by emulsion polymerization, the conversion rate of unstable groups to stable groups becomes insufficient, and coloring, foaming, etc. occur during melt molding There was a problem to do.
Japanese Patent Publication No.46-23245

本発明の目的は、上記現状に鑑み、スルホン酸由来基含有フルオロポリマーを充分に安定化する方法、該方法から得られた安定化フルオロポリマー、及び、該安定化フルオロポリマーの加水分解体を含む高耐久性の燃料電池膜を提供することにある。 An object of the present invention includes a method for sufficiently stabilizing a sulfonic acid-derived group-containing fluoropolymer, a stabilized fluoropolymer obtained from the method, and a hydrolyzate of the stabilized fluoropolymer, in view of the above-described present situation. The object is to provide a highly durable fuel cell membrane.

本発明は、下記一般式(II)
CF=CF−O−(CFY−A (II)
(式中、Yは、F、Cl、Br又はIを表す。mは、1〜5の整数を表す。mが2〜5の整数であるとき、m個のYは、同一であってもよいし異なっていてもよい。Aは、−SOX又は−COZを表す。Xは、F、Cl、Br、I又は−NRを表す。Zは、−NR又は−ORを表す。R、R、R及びRは、同一又は異なって、H、アルカリ金属元素、アルキル基若しくはスルホニル含有基を表す。Rは、炭素数1〜4のアルキル基を表す。)で表される酸由来基含有パーハロビニルエーテルと、テトラフルオロエチレンとの重合を経て得られる安定化フルオロポリマーであって、上記安定化フルオロポリマーは、IR(赤外分光分析)測定において、カルボキシル基に由来するピーク〔x〕と、−CF−に由来するピーク〔y〕との強度比〔x/y〕が0.05以下であることを特徴とする安定化フルオロポリマーである。
本発明は、上述の安定化フルオロポリマーの加水分解体を含む高分子電解質膜である。
以下に本発明を詳細に説明する。
The present invention relates to the following general formula (II)
CF 2 = CF-O- (CFY 2) m -A (II)
(In the formula, Y 2 represents F, Cl, Br or I. m represents an integer of 1 to 5. When m is an integer of 2 to 5, m Y 2 s were the same. A represents —SO 2 X or —COZ, X represents F, Cl, Br, I, or —NR 5 R 6 , Z represents —NR 7 R 8 or .R 5 representing a -OR 9, R 6, R 7 and R 8 are the same or different, .R 9 representing H, an alkali metal element, an alkyl group or a sulfonyl-containing group, having 1 to 4 carbon atoms A stabilized fluoropolymer obtained by polymerization of an acid-derived group-containing perhalovinyl ether represented by (4) and tetrafluoroethylene, wherein the stabilized fluoropolymer is IR (infrared spectroscopic analysis). ) In the measurement, the peak [x] derived from the carboxyl group, CF 2 - is a stabilized fluoropolymer, wherein the intensity ratio of the peak [y] derived from [x / y] is 0.05 or less in.
The present invention is a polymer electrolyte membrane containing a hydrolyzate of the above-mentioned stabilized fluoropolymer.
The present invention is described in detail below.

本発明の安定化フルオロポリマー製造方法は、スルホン酸由来基含有フルオロポリマーを含む処理対象物にフッ素化処理を行うことにより安定化フルオロポリマーを製造することよりなるものである。 The method for producing a stabilized fluoropolymer of the present invention comprises producing a stabilized fluoropolymer by subjecting a treatment object containing a sulfonic acid-derived group-containing fluoropolymer to a fluorination treatment.

上記スルホン酸由来基含有フルオロポリマーは、−SOM(Mは、H、NR又はM 1/Lを表す。)を有するフルオロポリマーである。
上記NRにおけるR、R、R及びRは、同一又は異なって、H若しくは炭素数1〜4のアルキル基を表す。
上記炭素数1〜4のアルキル基としては特に限定されないが、直鎖アルキル基であることが好ましく、メチル基であることがより好ましい。
上記Mは、L価の金属を表す。上記L価の金属は、周期表の1族、2族、4族、8族、11族、12族又は13族に属する金属である。
上記L価の金属としては特に限定されず、例えば、周期表の1族として、Li、Na、K、Cs等が挙げられ、周期表の2族として、Mg、Ca等が挙げられ、周期表の4族として、Al等が挙げられ、周期表の8族として、Fe等が挙げられ、周期表の11族として、Cu、Ag等が挙げられ、周期表の12族として、Zn等が挙げられ、周期表の13族として、Zr等が挙げられる。
The sulfonic acid-derived group-containing fluoropolymer is a fluoropolymer having —SO 3 M (M represents H, NR 1 R 2 R 3 R 4 or M 1 1 / L ).
R 1 , R 2 , R 3 and R 4 in the NR 1 R 2 R 3 R 4 are the same or different and represent H or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms.
Although it does not specifically limit as said C1-C4 alkyl group, It is preferable that it is a linear alkyl group, and it is more preferable that it is a methyl group.
M 1 represents an L-valent metal. The L-valent metal is a metal belonging to Group 1, Group 2, Group 4, Group 8, Group 11, Group 12, or Group 13 of the Periodic Table.
The L-valent metal is not particularly limited, and examples thereof include Li, Na, K, Cs and the like as Group 1 of the periodic table, and Mg and Ca and the like as Group 2 of the periodic table. As the 4th group of the periodic table, Al and the like are listed. As the 8th group of the periodic table, Fe is listed. As the 11th group of the periodic table, Cu, Ag and the like are listed. As the 12th group of the periodic table, Zn is listed. Zr etc. are mentioned as group 13 of a periodic table.

スルホン酸由来基含有フルオロポリマーは、上記−SOMに加えて、−SOX及び/又は−COZ(Xは、F、Cl、Br、I又は−NRを表す。Zは、−NR又は−ORを表す。R、R、R及びRは、同一又は異なって、H、アルカリ金属元素、アルキル基若しくはスルホニル含有基を表す。Rは、炭素数1〜4のアルキル基を表す。)を有していてもよい。 The sulfonic acid-derived group-containing fluoropolymer is, in addition to the above -SO 3 M, -SO 2 X and / or -COZ (X represents F, Cl, Br, I or -NR 5 R 6. Z represents —NR 7 R 8 or —OR 9 R 5 , R 6 , R 7 and R 8 are the same or different and represent H, an alkali metal element, an alkyl group or a sulfonyl-containing group, and R 9 is carbon. Represents an alkyl group of formulas 1 to 4).

上記−SOXにおけるXは、F、Cl又はBrが好ましく、より好ましくは、Fである。
上記−COZにおけるZは、−ORが好ましい。
上記アルカリ金属元素としては特に限定されず、例えば、Li、Na、K、Cs等が挙げられる。
上記アルキル基としては特に限定されず、例えば、メチル基、エチル基等の炭素数1〜4のアルキル基等が挙げられる。上記アルキル基は、ハロゲン原子により置換されていてもよい。
上記スルホニル含有基は、スルホニル基を有する含フッ素アルキル基であり、例えば、末端に置換基を有していてもよい含フッ素アルキルスルホニル基等が挙げられ、上記含フッ素アルキルスルホニル基としては、例えば、−SO (R は、含フッ素アルキレン基を表し、Zは、有機基を表す。)等が挙げられる。
上記有機基としては、例えば、−SOFが挙げられ、−SO(NRSO SONRSO−(kは、1以上の整数を表し、R は、含フッ素アルキレン基を表す。)のように無限につながっていてもよく、例えば、−SO(NRSO SONRSOF(kは、1以上、100以下の整数を表す。R及びRfは、上記と同じ。)であってもよい。燃料電池用途で使用される場合、加水分解して生じる−COOHは、安定性に問題があるため、−COZを含まないことが好ましい。
X in the above -SO 2 X is, F, Cl or Br, more preferably from F.
Z in the above -COZ is, -OR 9 are preferred.
The alkali metal element is not particularly limited, and examples thereof include Li, Na, K, and Cs.
It does not specifically limit as said alkyl group, For example, C1-C4 alkyl groups, such as a methyl group and an ethyl group, etc. are mentioned. The alkyl group may be substituted with a halogen atom.
The sulfonyl-containing group is a fluorine-containing alkyl group having a sulfonyl group, and examples thereof include a fluorine-containing alkylsulfonyl group which may have a substituent at the terminal. Examples of the fluorine-containing alkylsulfonyl group include , —SO 2 R f 1 Z 1 (R f 1 represents a fluorine-containing alkylene group, and Z 1 represents an organic group).
As the organic group, for example, -SO 2 F are mentioned, -SO 2 (NR 5 SO 2 R f 1 SO 2) k NR 5 SO 2 - (k represents an integer of 1 or more, R f 1 Represents an infinite fluorine group, such as —SO 2 (NR 5 SO 2 R f 1 SO 2 ) k NR 5 SO 2 F (k is 1 or more, Represents an integer of 100 or less, and R 5 and Rf 1 may be the same as above. When used in fuel cell applications, -COOH produced by hydrolysis has a problem in stability, and therefore preferably does not contain -COZ.

上記スルホン酸由来基含有フルオロポリマーは、更に、−COOHをポリマー鎖末端に有しているものであってもよい。
上記−COOHは、例えば、上記スルホン酸由来基含有フルオロポリマーの主鎖末端に重合開始剤の分子構造に由来して導入される。
上記−COOHは、例えば、重合開始剤としてパーオキシジカーボネート等を用いた場合に上記スルホン酸由来基含有フルオロポリマーの主鎖末端に形成される。上記スルホン酸由来基含有フルオロポリマーは、乳化重合により得られたものである場合、通常、−COOHをポリマー鎖末端に有している。
また、パーフルオロアルキルジカルボン酸を重合開始剤として用い、非水系で重合した場合、ポリマー鎖末端の一部はパーフルオロアルキル基となるが、通常、−COOH及び−COFが形成される。これはパーハロビニルエーテルのβ−開裂(β−scission)に由来するものである。
The sulfonic acid-derived group-containing fluoropolymer may further have —COOH at the end of the polymer chain.
The -COOH is introduced, for example, from the molecular structure of the polymerization initiator at the main chain terminal of the sulfonic acid-derived group-containing fluoropolymer.
The -COOH is formed at the end of the main chain of the sulfonic acid-derived group-containing fluoropolymer when, for example, peroxydicarbonate or the like is used as a polymerization initiator. When the sulfonic acid-derived group-containing fluoropolymer is obtained by emulsion polymerization, it usually has —COOH at the end of the polymer chain.
In addition, when perfluoroalkyldicarboxylic acid is used as a polymerization initiator and polymerized in a non-aqueous system, a part of the polymer chain terminal becomes a perfluoroalkyl group, but usually -COOH and -COF are formed. This is derived from β-cleavage of perhalovinyl ether.

上記スルホン酸由来基含有フルオロポリマーは、酸由来基含有パーハロビニルエーテル、及び、上記酸由来基含有パーハロビニルエーテルと共重合可能なモノマーからなる2元以上の共重合体であることが好ましい。 The sulfonic acid-derived group-containing fluoropolymer is preferably a binary or higher copolymer composed of an acid-derived group-containing perhalovinyl ether and a monomer copolymerizable with the acid-derived group-containing perhalovinyl ether.

上記酸由来基含有パーハロビニルエーテルは、下記一般式(I)
CF=CF−O−(CFCFY−O)−(CFY−A (I)
で表される化合物であることが好ましい。
The acid-derived group-containing perhalovinyl ether has the following general formula (I)
CF 2 = CF-O- (CF 2 CFY 1 -O) n - (CFY 2) m -A (I)
It is preferable that it is a compound represented by these.

上記一般式(I)におけるYは、F、Cl、Br、I又はパーフルオロアルキル基を表し、なかでも、パーフルオロアルキル基であることが好ましく、炭素数1〜3のパーフルオロアルキル基であることがより好ましく、−CFであることが更に好ましい。
上記一般式(I)におけるnは、0〜3の整数を表し、n個のYは、同一であってもよいし、異なっていてもよい。上記nは、好ましくは0又は1、より好ましくは0である。
上記一般式(I)におけるYは、F、Cl、Br又はIを表し、なかでも、Fが好ましい。
上記一般式(I)におけるmは、1〜5の整数を表す。mが2〜5の整数であるとき、m個のYは、同一であってもよいし、異なっていてもよい。上記mは、好ましくは2である。
上記一般式(I)は、YがF、mが2であるものが好ましく、YがF、mが2、nが0であるものがより好ましい。
Y 1 in the above general formula (I) represents F, Cl, Br, I or a perfluoroalkyl group, and among them, a perfluoroalkyl group is preferable, and a perfluoroalkyl group having 1 to 3 carbon atoms. More preferably, it is more preferably —CF 3 .
N in the general formula (I) represents an integer of 0 to 3, and the n Y 1 may be the same or different. N is preferably 0 or 1, more preferably 0.
Y 2 in the general formula (I) represents F, Cl, Br or I, and among them, F is preferable.
M in the said general formula (I) represents the integer of 1-5. when m is integer from 2 to 5, m number of Y 2 may be the same or different. The m is preferably 2.
In the general formula (I), Y 2 is F and m is preferably 2 , Y 2 is F, m is 2 and n is 0.

上記一般式(I)におけるAは、酸由来基である−SOX又は−COZ(X及びZは、上述の定義と同じ。)を表す。
上記スルホン酸由来基含有フルオロポリマーが有していてもよいとして上述した−SOX及び/又は−COZは、上記一般式(I)で表される酸由来基含有パーハロビニルエーテルを重合することにより導入したものであってよい。
A in the general formula (I) represents —SO 2 X or —COZ (X and Z are as defined above) which is an acid-derived group.
The above-described —SO 2 X and / or —COZ that the sulfonic acid-derived group-containing fluoropolymer may have is obtained by polymerizing the acid-derived group-containing perhalovinyl ether represented by the general formula (I). May be introduced.

上記酸由来基含有パーハロビニルエーテルは、下記一般式(II)
CF=CF−O−(CFY−A (II)
(式中、Y、m及びAは、上記一般式(I)におけるものと同じ。)で表される化合物であることがより好ましい。
上記酸由来基含有パーハロビニルエーテルは、1種又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
The acid-derived group-containing perhalovinyl ether has the following general formula (II)
CF 2 = CF-O- (CFY 2) m -A (II)
(Wherein Y 2 , m and A are the same as those in the above general formula (I)).
The said acid origin group containing perhalovinyl ether can be used 1 type or in combination of 2 or more types.

上記酸由来基含有パーハロビニルエーテルと共重合可能なモノマーは、上記酸由来基含有パーハロビニルエーテル以外のその他のビニルエーテル、及び、エチレン性モノマーであることが好ましい。上記酸由来基含有ハーハロビニルエーテルと共重合可能なモノマーとして、上記「酸由来基含有パーハロビニルエーテル以外のその他のビニルエーテル、及び、エチレン性モノマー」よりなる群から少なくとも1種を目的に応じて選択することができる。 The monomer copolymerizable with the acid-derived group-containing perhalovinyl ether is preferably a vinyl ether other than the acid-derived group-containing perhalovinyl ether, or an ethylenic monomer. As the monomer copolymerizable with the acid-derived group-containing herhalovinyl ether, at least one selected from the group consisting of the above “other vinyl ethers other than the acid-derived group-containing perhalovinyl ether and the ethylenic monomer” is selected according to the purpose. can do.

上記エチレン性モノマーは、エーテル酸素を有さず、ビニル基を有するモノマーであって、上記ビニル基は、フッ素原子により水素原子の一部又は全部が置換されていてもよいものである。 The ethylenic monomer is a monomer having no ether oxygen and having a vinyl group, and the vinyl group may have a hydrogen atom partially or entirely substituted with a fluorine atom.

上記エチレン性モノマーとしては、例えば、下記一般式
CF=CF−Rf
(式中、Rfは、F、Cl又は炭素数1〜9の直鎖状若しくは分岐状のフルオロアルキル基を表す。)で表されるハロエチレン性モノマー、下記一般式
CHY=CFY
(式中、Yは、H又はFを表し、Yは、H、F、Cl又は炭素数1〜9の直鎖状若しくは分岐状のフルオロアルキル基を表す。)で表される水素含有フルオロエチレン性モノマー等が挙げられる。
Examples of the ethylenic monomer include the following general formula CF 2 = CF-Rf 2
(Wherein Rf 2 represents F, Cl or a linear or branched fluoroalkyl group having 1 to 9 carbon atoms), a general formula CHY 3 = CFY 4 shown below
(Wherein Y 3 represents H or F, and Y 4 represents H, F, Cl, or a linear or branched fluoroalkyl group having 1 to 9 carbon atoms). Examples thereof include fluoroethylenic monomers.

上記エチレン性モノマーは、CF=CF、CH=CF、CF=CFCl、CF=CFH、CH=CFH、及び、CF=CFCFで表されるフルオロビニルエーテルからなる群より選ばれる少なくとも1つであることが好ましく、なかでも、パーハロエチレン性モノマーがより好ましく、パーフルオロエチレン性モノマーが更に好ましく、テトラフルオロエチレンが特に好ましい。
上記エチレン性モノマーとしては、1種又は2種以上を用いることができる。
The ethylenic monomer is selected from the group consisting of fluoro vinyl ethers represented by CF 2 = CF 2 , CH 2 = CF 2 , CF 2 = CFCl, CF 2 = CFH, CH 2 = CFH, and CF 2 = CFCF 3 At least one selected from the above is preferable, and among them, a perhaloethylenic monomer is more preferable, a perfluoroethylenic monomer is further preferable, and tetrafluoroethylene is particularly preferable.
As said ethylenic monomer, 1 type (s) or 2 or more types can be used.

上記酸由来基含有パーハロビニルエーテル以外のその他のビニルエーテルとしては上記酸由来基を含有しないものであれば特に限定されず、例えば、下記一般式
CF=CF−O−Rf
(式中、Rfは、炭素数1〜9のフルオロアルキル基又は炭素数1〜9のフルオロポリエーテル基を表す。)で表されるパーフルオロビニルエーテル、下記一般式
CHY=CF−O−Rf
(式中、Yは、H又はFを表し、Rfは、炭素数1〜9のエーテル酸素を有していてもよい直鎖状又は分岐状のフルオロアルキル基を表す。)で表される水素含有ビニルエーテル等が挙げられる。
上記その他のビニルエーテルとしては、1種又は2種以上を用いることができる。
Other vinyl ethers other than the acid-derived group-containing perhalovinyl ether are not particularly limited as long as they do not contain the acid-derived group. For example, the following general formula CF 2 = CF—O—Rf 3
(Wherein Rf 3 represents a fluoroalkyl group having 1 to 9 carbon atoms or a fluoropolyether group having 1 to 9 carbon atoms), the following general formula CHY 5 = CF—O— Rf 4
(Wherein Y 5 represents H or F, and Rf 4 represents a linear or branched fluoroalkyl group optionally having ether oxygen having 1 to 9 carbon atoms). And hydrogen-containing vinyl ether.
As said other vinyl ether, 1 type (s) or 2 or more types can be used.

上記スルホン酸由来基含有フルオロポリマーとしては、酸由来基含有パーハロビニルエーテルの少なくとも1種とエチレン性モノマーの少なくとも1種とを共重合してなる2元以上の共重合体が好ましく、酸由来基含有パーハロビニルエーテル1種とエチレン性モノマー1種とを共重合して得られる2元共重合体がより好ましいが、所望により、酸由来基含有パーハロビニルエーテルとエチレン性モノマーとに加え、酸由来基含有パーハロビニルエーテル以外のその他のビニルエーテルを共重合して得られる共重合体であってもよい。 The sulfonic acid-derived group-containing fluoropolymer is preferably a binary or higher copolymer obtained by copolymerizing at least one acid-derived group-containing perhalovinyl ether and at least one ethylenic monomer. A binary copolymer obtained by copolymerizing 1 type of perhalovinyl ether and 1 type of ethylenic monomer is more preferable, but if desired, in addition to acid-derived group-containing perhalovinyl ether and ethylenic monomer, it is derived from acid. A copolymer obtained by copolymerizing other vinyl ethers other than the group-containing perhalovinyl ether may also be used.

本発明におけるスルホン酸由来基含有フルオロポリマーは、上記酸由来基含有パーハロビニルエーテルに由来する酸由来基含有パーハロビニルエーテル単位5〜40モル%、上記エチレン性モノマーに由来するエチレン性モノマー単位60〜95モル%、及び、上記その他のビニルエーテルに由来するその他のビニルエーテル単位0〜5モル%からなるものであることが好ましい。
上記酸由来基含有パーハロビニルエーテル単位のより好ましい下限は、7モル%、更に好ましい下限は、10モル%、より好ましい上限は、35モル%、更に好ましい上限は、30モル%である。
上記エチレン性モノマー単位のより好ましい下限は、65モル%、更に好ましい下限は、70モル%、より好ましい上限は、90モル%、更に好ましい上限は、87モル%である。
上記その他のビニルエーテル単位のより好ましい上限は、4モル%、更に好ましい上限は、3モル%である。
The sulfonic acid-derived group-containing fluoropolymer in the present invention is an acid-derived group-containing perhalovinyl ether unit derived from the acid-derived group-containing perhalovinyl ether in an amount of 5 to 40 mol%, an ethylenic monomer unit derived from the ethylenic monomer in an amount of 60 to It is preferably composed of 95 mol% and 0 to 5 mol% of other vinyl ether units derived from the other vinyl ethers.
The more preferable lower limit of the acid-derived group-containing perhalovinyl ether unit is 7 mol%, the more preferable lower limit is 10 mol%, the more preferable upper limit is 35 mol%, and the further preferable upper limit is 30 mol%.
The more preferable lower limit of the ethylenic monomer unit is 65 mol%, the still more preferable lower limit is 70 mol%, the more preferable upper limit is 90 mol%, and the still more preferable upper limit is 87 mol%.
The more preferable upper limit of the other vinyl ether units is 4 mol%, and the more preferable upper limit is 3 mol%.

上記「エチレン性モノマー単位」とは、上記スルホン酸由来基含有フルオロポリマーの分子構造上の一部分であって、エチレン性モノマーの分子構造に由来する部分を意味する。例えば、テトラフルオロエチレン単位は、テトラフルオロエチレン〔CF=CF〕に由来する部分〔−CF−CF−〕を意味する。
上記「酸由来基含有パーハロビニルエーテル単位」とは、上記スルホン酸由来基含有フルオロポリマーの分子構造上の一部分であって、酸由来基含有パーハロビニルエーテルの分子構造に由来する部分を意味する。
上記「その他のビニルエーテル単位」とは、上記スルホン酸由来基含有フルオロポリマーの分子構造上の一部分であって、上記その他のビニルエーテルの分子構造に由来する部分を意味する。
The “ethylenic monomer unit” means a part of the molecular structure of the sulfonic acid-derived group-containing fluoropolymer and a part derived from the molecular structure of the ethylenic monomer. For example, the tetrafluoroethylene unit means a moiety [—CF 2 —CF 2 —] derived from tetrafluoroethylene [CF 2 ═CF 2 ].
The “acid-derived group-containing perhalovinyl ether unit” means a part of the molecular structure of the sulfonic acid-derived group-containing fluoropolymer and a part derived from the molecular structure of the acid-derived group-containing perhalovinyl ether.
The “other vinyl ether unit” means a part of the molecular structure of the sulfonic acid-derived group-containing fluoropolymer and a part derived from the molecular structure of the other vinyl ether.

本明細書において、上記酸由来基含有パーハロビニルエーテル単位、エチレン性モノマー単位、及び、その他のビニルエーテル単位の含有率は、それぞれ全モノマー単位を100モル%とした値である。
上記「全モノマー単位」は、上記スルホン酸由来基含有フルオロポリマーの分子構造上、モノマーに由来する部分の全てである。上記「全モノマー単位」が由来する単量体は、従って、上記スルホン酸由来基含有フルオロポリマーをなすこととなった単量体全量である。
本明細書において、上記「酸由来基含有パーハロビニルエーテル単位」の含有率(モル%)は、上記スルホン酸由来基含有フルオロポリマーにおける全モノマー単位が由来する単量体のモル数に占める、酸由来基含有パーハロビニルエーテル単位が由来する酸由来基含有パーハロビニルエーテルのモル数の割合である。上記「エチレン性モノマー単位」の含有率(モル%)及び上記「その他のビニルエーテル単位」の含有率(モル%)も同様に、由来する単量体のモル数の割合である。これら各単位の含有率は、高温19F−核磁気共鳴測定装置(日本国日本電子社製 JNM−FX100型)を用いて、300℃において無溶媒で測定することにより得られる値である。以下、この測定を略して高温NMRと表記する。
In this specification, the content rate of the said acid origin group containing perhalo vinyl ether unit, an ethylenic monomer unit, and another vinyl ether unit is a value which made all the monomer units 100 mol%, respectively.
The “all monomer units” are all the portions derived from the monomers in the molecular structure of the sulfonic acid-derived group-containing fluoropolymer. Therefore, the monomer from which the “total monomer unit” is derived is the total amount of the monomer that has formed the sulfonic acid-derived group-containing fluoropolymer.
In the present specification, the content (mol%) of the “acid-derived group-containing perhalovinyl ether unit” is an acid occupying in the number of moles of monomers from which all monomer units in the sulfonic acid-derived group-containing fluoropolymer are derived. It is the ratio of the number of moles of the acid-derived group-containing perhalovinyl ether from which the derived group-containing perhalovinyl ether unit is derived. Similarly, the content (mol%) of the “ethylenic monomer unit” and the content (mol%) of the “other vinyl ether unit” are the ratio of the number of moles of the derived monomer. The content of these units is a value obtained by measuring without solvent at 300 ° C. using a high-temperature 19 F-nuclear magnetic resonance measuring apparatus (JNM-FX100 type, manufactured by JEOL, Japan). Hereinafter, this measurement is abbreviated as high temperature NMR.

上記スルホン酸由来基含有フルオロポリマーの重合方法としては、例えば、溶液重合、懸濁重合、乳化重合等の従来公知の方法の何れであってもよいが、本発明の安定化フルオロポリマー製造方法が最も効果を奏する点で、乳化重合が好ましい。 The polymerization method of the sulfonic acid-derived group-containing fluoropolymer may be any of conventionally known methods such as solution polymerization, suspension polymerization, and emulsion polymerization. Emulsion polymerization is preferred because it is most effective.

上記スルホン酸由来基含有フルオロポリマーは、例えば、−SOFを有するモノマーを乳化重合して得られたものである場合、重合過程において、−SOFのごく一部が−SOHに変換したものである。この−SOHは、NR又はM1L+の存在下に容易に−SONR又は−SO 1/Lに変換することができる(上記R、R、R、R及びMは、上述の定義と同じ)。
上記−SOFを有するモノマーとしては、特に限定されないが、例えば、上述の一般式(I)におけるAが−SOFである酸由来基含有パーハロビニルエーテル等が挙げられる。なお、本発明におけるスルホン酸由来基含有フルオロポリマーが有する−SOM(Mは、上述の定義と同じ。)は、上述の乳化重合したモノマーが有する−SOFに由来するものに限定されず、例えば公知の方法等により導入したものであってもよい。
For example, when the sulfonic acid-derived group-containing fluoropolymer is obtained by emulsion polymerization of a monomer having —SO 2 F, in the polymerization process, a small part of —SO 2 F is converted to —SO 3 H. It is converted. The -SO 3 H has to be converted to + NR 1 R 2 R 3 R 4 or M 1L + easily -SO 3 in the presence of NR 1 R 2 R 3 R 4 or -SO 3 M 1 1 / L (R 1 , R 2 , R 3 , R 4 and M 1 are as defined above).
The monomer having a -SO 2 F, but are not limited to, for example, A in the above general formula (I) may be mentioned acid-derived group-containing perhalo vinyl ether is a -SO 2 F. Incidentally, -SO 3 M with the sulfonic acid-derived group-containing fluoropolymer of the present invention (M is the same. As defined above) are limited to those derived from the -SO 2 F with the monomers emulsion polymerization described above For example, it may be introduced by a known method.

本発明の安定化フルオロポリマー製造方法は、上記スルホン酸由来基含有フルオロポリマーを含む処理対象物にフッ素化処理を行うことよりなるものである。
本明細書において、上記「処理対象物」は、上記フッ素化処理を行う対象である。
上記処理対象物は、樹脂粉末状、ペレット状、成形して得た膜状の何れのであってもよい。上記処理対象物は、後述のフッ素化処理を充分に行う観点では、樹脂粉末状であることが望ましいが、取り扱い性の点で工業上はペレット状であることが望ましい。
The method for producing a stabilized fluoropolymer of the present invention comprises performing a fluorination treatment on a treatment object containing the sulfonic acid-derived group-containing fluoropolymer.
In the present specification, the “processing object” is an object to be subjected to the fluorination treatment.
The object to be treated may be in the form of a resin powder, a pellet, or a film obtained by molding. From the viewpoint of sufficiently performing the fluorination treatment described later, the treatment object is desirably in the form of a resin powder, but is desirably in the form of a pellet from the viewpoint of handleability.

上記スルホン酸由来基含有フルオロポリマーは、フッ素化処理を従来法により行うと、フッ素化が不充分となる問題があった。フッ素化が不充分となる理由としては、次のことが考えられる。即ち、上記スルホン酸由来基含有フルオロポリマーは、乾燥処理を経て、粉末状、ペレット状、成形体等の固体に調製したものであっても、通常、−SOMが高吸湿性であることにより空気中の水分を直ちに吸収してしまう。上記−SOMの高吸湿性は、例えば、−COOH、その塩、−COZ、−SOX等(Z及びXは、上述の定義と同じ。)のその他の官能基よりもはるかに大きい。この−SOMの高吸湿性により、実質的に上記スルホン酸由来基含有フルオロポリマーを主成分とする固体は、存在する雰囲気の湿度等にもよるが、通常、質量で500ppmを超える水分を含有している。このように含水率が高く上記スルホン酸由来基含有フルオロポリマーを含む固体に対して、従来の方法によりフッ素化処理を行うと、下記反応式(A)
2HO+4(F)→4HF+O(A)
で表される反応(A)にフッ素源(F)が消費されてしまい、その結果、スルホン酸由来基含有フルオロポリマーのフッ素化が阻害されるものと考えられる。
The sulfonic acid-derived group-containing fluoropolymer has a problem that fluorination becomes insufficient when the fluorination treatment is performed by a conventional method. Possible reasons for insufficient fluorination are as follows. That is, even if the above sulfonic acid-derived group-containing fluoropolymer is dried and then prepared into a solid such as a powder, a pellet or a molded body, -SO 3 M usually has high hygroscopicity. Will immediately absorb moisture in the air. High hygroscopicity of the -SO 3 M, for example, -COOH, a salt thereof, -COZ, -SO 2 X, such as (Z and X are the same. As defined above) much larger than the other functional groups . Due to the high hygroscopicity of -SO 3 M, the solid having the sulfonic acid-derived group-containing fluoropolymer as a main component substantially depends on the humidity of the atmosphere in which it exists, but usually has a water content exceeding 500 ppm by mass. Contains. When a solid having a high water content and containing the sulfonic acid-derived group-containing fluoropolymer is subjected to a fluorination treatment by a conventional method, the following reaction formula (A)
2H 2 O + 4 (F) → 4HF + O 2 (A)
It is considered that the fluorine source (F) is consumed in the reaction (A) represented by the following formula, and as a result, the fluorination of the sulfonic acid-derived group-containing fluoropolymer is inhibited.

本発明の安定化フルオロポリマー製造方法において、処理対象物は、水分が質量で500ppm以下であるものである。500ppmを超えると、スルホン酸由来基含有フルオロポリマーのフッ素化を阻害することから好ましくない。好ましい上限は、450ppm、より好ましい上限は、350ppmである。上記処理対象物中の水分は、上記範囲内であれば経済性、生産性の観点から下限を例えば0.01ppmとすることができる。
上記処理対象物中の水分量は、カールフィッシャー滴定法を用いて測定し得られた値である。
In the stabilized fluoropolymer production method of the present invention, the object to be treated has a water content of 500 ppm or less. If it exceeds 500 ppm, it is not preferable because it inhibits fluorination of the sulfonic acid-derived group-containing fluoropolymer. A preferable upper limit is 450 ppm, and a more preferable upper limit is 350 ppm. If the water | moisture content in the said process target object is in the said range, a minimum can be 0.01 ppm from a viewpoint of economical efficiency and productivity.
The amount of water in the treatment object is a value obtained by measurement using the Karl Fischer titration method.

本発明の安定化フルオロポリマー製造方法は、処理対象物の含水量が上述の範囲となる条件下でフッ素化処理を行うことにより、上記反応(A)のようなフッ素化処理の阻害反応を抑制し、上記スルホン酸由来基含有フルオロポリマーを充分にフッ素化することを可能にしたものである。 The method for producing a stabilized fluoropolymer of the present invention suppresses the inhibition reaction of the fluorination treatment such as the above reaction (A) by performing the fluorination treatment under the condition that the water content of the treatment object falls within the above range. Thus, the sulfonic acid-derived group-containing fluoropolymer can be sufficiently fluorinated.

処理対象物中の水分を上述の範囲にする方法としては特に限定されず、例えば、所望により遠心脱水等を経た後、80〜130℃で2時間〜50時間、温度を所望により段階的に変え、所望により減圧し、加熱する方法;ベント型押出機内で溶融させてベント孔から脱揮させる方法等の従来公知の乾燥方法を用いることができる。後者の方法を用いた場合、−SOMの一部は分解されることもあり得る点で好ましい。
上記スルホン酸由来基含有フルオロポリマーが高吸湿性の官能基を有するので、上記乾燥から後述するフッ素化処理までの工程は密閉化するか、またはなるべく手早く行うことが好ましい。
There is no particular limitation on the method of bringing the water content in the object to be processed into the above-mentioned range. For example, after performing centrifugal dehydration if necessary, the temperature is changed stepwise from 80 to 130 ° C. for 2 to 50 hours as desired. A conventionally known drying method such as a method of reducing pressure and heating if desired; a method of melting in a vent-type extruder and devolatilizing from a vent hole can be used. When the latter method is used, it is preferable in that a part of —SO 3 M may be decomposed.
Since the sulfonic acid-derived group-containing fluoropolymer has a highly hygroscopic functional group, the steps from the drying to the fluorination treatment described later are preferably sealed or performed as quickly as possible.

本発明の安定化フルオロポリマー製造方法におけるフッ素化処理は、フッ素源を用いて行うものである。
上記フッ素源は、F、SF、IF、NF、PF、ClF及びClFからなる群より選択される少なくとも1種であることが好ましく、Fであることがより好ましい。
上記フッ素化処理は、上記フッ素源からなるガス状フッ素化剤を用いて行うことが好ましい。この場合、上記フッ素源は、上記ガス状フッ素化剤の1容積%以上であることが好ましい。より好ましい下限は、10容量%である。
上記ガス状フッ素化剤は、上記フッ素源と、フッ素化に不活性な気体とからなるものである。
上記フッ素化に不活性な気体としては特に限定されず、例えば、窒素ガス、アルゴンガス等が挙げられる。
The fluorination treatment in the method for producing a stabilized fluoropolymer of the present invention is performed using a fluorine source.
The fluorine source is preferably at least one selected from the group consisting of F 2 , SF 4 , IF 5 , NF 3 , PF 5 , ClF and ClF 3 , and more preferably F 2 .
The fluorination treatment is preferably performed using a gaseous fluorinating agent comprising the fluorine source. In this case, the fluorine source is preferably 1% by volume or more of the gaseous fluorinating agent. A more preferred lower limit is 10% by volume.
The gaseous fluorinating agent comprises the fluorine source and a gas inert to fluorination.
The gas inert to the fluorination is not particularly limited, and examples thereof include nitrogen gas and argon gas.

上記フッ素化処理は、フルオロポリマーの融点未満で実施することが好ましく、通常、250℃以下、より好ましくは、室温〜150℃で行う。
上記フッ素化処理は、連続式、バッチ式の何れもの操作も可能である。
また、上記フッ素化処理において用いられる装置は、棚段型反応器、筒型反応器等の静置式反応器;攪拌翼を備えた反応器;ロータリーキルン、Wコーン型反応器、V型ブレンダー等の容器回転(転倒)式反応器;振動式反応器;攪拌流動床等の種々の流動床反応器;等から適宜選択される。
上記フッ素化処理において、反応温度を均質に保つために、フルオロカーボン類等のフッ素源に対して不活性な溶媒を用いることができる。また、処理対象物が、樹脂粉末状、ペレット状の場合には、容器回転式反応器又は振動式反応器にてフッ素化処理を行うことが、反応温度を均質に保ちやすい点で好ましい。
The fluorination treatment is preferably carried out below the melting point of the fluoropolymer, usually 250 ° C. or less, more preferably from room temperature to 150 ° C.
The fluorination treatment can be performed continuously or batchwise.
The apparatus used in the above fluorination treatment includes a stationary reactor such as a shelf reactor, a cylindrical reactor, a reactor equipped with a stirring blade, a rotary kiln, a W cone reactor, a V blender, etc. It is appropriately selected from a container rotating (tumbling) reactor; a vibrating reactor; various fluidized bed reactors such as a stirred fluidized bed;
In the fluorination treatment, in order to keep the reaction temperature homogeneous, a solvent inert to a fluorine source such as fluorocarbons can be used. Further, when the object to be treated is in the form of a resin powder or a pellet, it is preferable to perform the fluorination treatment in a container rotating reactor or a vibrating reactor because it is easy to keep the reaction temperature homogeneous.

上記フッ素化処理は、フッ素化処理前のスルホン酸由来基含有フルオロポリマーが有している熱分解しやすい不安定基をフッ素化することにより、熱分解しにくい安定基に変換するための処理である。
上記フッ素化処理は、好ましくは、上記スルホン酸由来基含有フルオロポリマーが有している−CFSOM(Mは、上述の定義と同じ。)を−CFH、−CF等に変換し、更に、上記スルホン酸由来基含有フルオロポリマーが所望により鎖末端に有する−COOHを−CFに、−SONHを−SOFに、それぞれ変換するものと考えられる。
上記フッ素化処理は、これらの変換により、上記スルホン酸由来基含有フルオロポリマーを用いた溶融成形時に−SOM等の不安定基が熱分解して着色したり、−COOH等の不安定基が分解して発泡したりすることを防止することができる。
上記フッ素化処理によって、処理対象物中に含まれるオリゴマー等の低分子量体、未反応モノマー、副生産物等の不純物をも除去することができる。
The fluorination treatment is a treatment for converting a sulfonic acid-derived group-containing fluoropolymer before fluorination treatment into a stable group that is difficult to thermally decompose by fluorinating unstable groups that are easily thermally decomposed. is there.
In the fluorination treatment, preferably, —CF 2 SO 3 M (M is the same as the above definition) contained in the sulfonic acid-derived group-containing fluoropolymer is changed to —CF 2 H, —CF 3 or the like. Further, it is considered that the sulfonic acid-derived group-containing fluoropolymer further converts —COOH at the chain end to —CF 3 and —SO 2 NH 2 to —SO 2 F, respectively, as desired.
In the fluorination treatment, by these conversions, unstable groups such as —SO 3 M are thermally decomposed and colored during melt molding using the sulfonic acid-derived group-containing fluoropolymer, or unstable groups such as —COOH. Can be prevented from being decomposed and foamed.
By the fluorination treatment, impurities such as low molecular weight substances such as oligomers, unreacted monomers, and by-products contained in the object to be treated can be removed.

なお、上記スルホン酸由来基含有フルオロポリマーが有する−SOM(Mは、上述の定義と同じ。)は、フッ素化処理により、イオン交換能を有しない−CFH、−CF等に変換されるが、上記−SOMが上述のモノマーが有する−SOFが乳化重合により変換したものである場合、−SOFから−SOMへの変換率はごく微量であるので、上記フッ素化処理を経て成形膜等をイオン交換用途に用いるときであってもイオン交換当量重量〔Ew〕を大きく増大させずに維持することができる。 In addition, —SO 3 M (M is the same as the above definition) included in the sulfonic acid-derived group-containing fluoropolymer is converted into —CF 2 H, —CF 3, or the like that does not have ion exchange ability by fluorination treatment. While being converted, if the -SO 3 M is what -SO 2 F with the monomers described above was converted by emulsion polymerization, since the conversion of -SO 2 F into -SO 3 M is a trace amount Even when the molded membrane or the like is used for ion exchange after the fluorination treatment, the ion exchange equivalent weight [Ew] can be maintained without greatly increasing.

本発明の安定化フルオロポリマー製造方法は、上記フッ素化処理を行うことにより安定化フルオロポリマーを製造することよりなるものである。
本明細書において、上記「安定化フルオロポリマー」は、スルホン酸由来基含有フルオロポリマーから上記フッ素化処理を行うことにより得られるフルオロポリマーであって、上記スルホン酸由来基含有フルオロポリマーが有していた−COOH、−CFSOM、−SONH等の熱分解しやすい不安定基が−CFH、−CF、−SOF等の熱分解しにくい安定基に変換されたものである。
上記安定化フルオロポリマーは、上記フッ素化処理後、HF等の揮発成分と併存していることがあるので、これを除去することが好ましい。
上記揮発成分の除去は、脱揮機構を有している押出機を用いて行うことが好ましく、ベント孔を少なくとも1個有するベント型押出機を用いて行うことがより好ましい。
The method for producing a stabilized fluoropolymer of the present invention comprises producing a stabilized fluoropolymer by performing the above fluorination treatment.
In the present specification, the “stabilized fluoropolymer” is a fluoropolymer obtained by performing the fluorination treatment from a sulfonic acid-derived group-containing fluoropolymer, and the sulfonic acid-derived group-containing fluoropolymer has In addition, unstable groups such as —COOH, —CF 2 SO 3 M, —SO 2 NH 2 and the like that are easily decomposed by heat are converted into stable groups such as —CF 2 H, —CF 3 , and —SO 2 F that are difficult to thermally decompose. It is a thing.
Since the stabilized fluoropolymer may coexist with a volatile component such as HF after the fluorination treatment, it is preferably removed.
The removal of the volatile component is preferably performed using an extruder having a devolatilization mechanism, and more preferably performed using a vent type extruder having at least one vent hole.

フッ素化処理を行う処理対象物としては樹脂粉末状が望ましいことを上述したが、処理対象物として樹脂粉末を用いる場合、処理対象物は、フッ素化処理の後、ベント型押出機内で溶融混練して上記揮発成分の除去を行い、引き続きペレット化することが好ましく、フッ素化処理を上述のベント型押出機内で行い、同じ押出機内で引き続き上記揮発成分の除去とペレット化とを行うことがより好ましい。 Although it has been described above that a resin powder is desirable as an object to be fluorinated, when a resin powder is used as an object to be treated, the object to be treated is melt-kneaded in a vent-type extruder after the fluorination treatment. It is preferable to remove the volatile component and subsequently pelletize, more preferably to perform the fluorination treatment in the above-described vent type extruder, and subsequently to remove and pelletize the volatile component in the same extruder. .

上記フッ素化処理は、処理対象物が膜状である場合であっても、同様に安定化することが可能である。
膜状体に上記フッ素化処理を行うことは、該膜状体を電解質膜として使用する場合、安定化処理後に大きな熱的ダメージを受けることが無く、ポリマー鎖の断裂による不安定基の生成が無い点で、好ましい。
処理対象物が膜状である場合における上記フッ素化処理としては、例えば、前述のベント型押出機内で溶融させてベント孔から脱揮させる方法にて成形したペレットを用い、引き続いて溶融押し出し製膜した後、筒型反応器や巻き取り機を備えた反応装置を用いてフッ素化処理を施すことが好ましい。
The fluorination treatment can be similarly stabilized even when the object to be treated is a film.
Performing the above fluorination treatment on the film-like body means that when the film-like body is used as an electrolyte membrane, there is no significant thermal damage after the stabilization treatment, and unstable groups are generated due to the breakage of the polymer chain. It is preferable in that there is no point.
As the fluorination treatment when the object to be treated is in the form of a film, for example, pellets formed by the method of melting in the vent type extruder and devolatilizing from the vent hole are used, and subsequently melt extrusion film formation Then, it is preferable to perform fluorination treatment using a reactor equipped with a cylindrical reactor or a winder.

上記各種反応装置を用いるフッ素化処理に先立って乾燥処理を施す場合は、真空排気を行うか、又は、乾燥気体を流通させることが好ましい。
また、上記処理対象物中のスルホン酸由来基含有フルオロポリマーが不安定基として−COFを有する場合、これを安定化するためには、比較的高い温度が必要となるので、予め加水分解等により−COOHに変換した後、水分量を500ppm以下に調整し、フッ素化処理を施すことができる。
When the drying treatment is performed prior to the fluorination treatment using the above various reactors, it is preferable to perform vacuum evacuation or to distribute a dry gas.
In addition, when the sulfonic acid-derived group-containing fluoropolymer in the object to be treated has -COF as an unstable group, a relatively high temperature is required to stabilize it. After conversion to —COOH, the moisture content can be adjusted to 500 ppm or less and subjected to fluorination treatment.

本発明において、上記安定化フルオロポリマーは、上述のようにフッ素化処理前において通常有していたポリマー鎖末端の−COOHが上記フッ素化処理により−CFH、−CF等の安定基に変換されたものである。この変換率は、本発明の安定化フルオロポリマー製造方法において極めて高く、赤外分光分析〔IR〕測定において、カルボキシル基に由来するピーク〔x〕と、−CF−に由来するピーク〔y〕との強度比〔x/y〕を0.05以下にすることができる。上記強度比〔x/y〕の好ましい上限は、0.04であり、より好ましい上限は、0.03である。
上記安定化フルオロポリマー製造方法により得られた安定化フルオロポリマー(以下、「安定化フルオロポリマー(A)」ということがある。)もまた、本発明の一つである。
本発明において、安定化フルオロポリマーは、安定化フルオロポリマー(A)の特徴を有し且つ後述の安定化フルオロポリマー(B)の特徴をも有するもの、安定化フルオロポリマー(A)の特徴を有し且つ後述の安定化フルオロポリマー(C)の特徴をも有するもの、又は、安定化フルオロポリマー(A)の特徴を有し且つ安定化フルオロポリマー(B)の特徴を有し且つ安定化フルオロポリマー(C)の特徴をも有するものであることが好ましい。
In the present invention, as described above, the stabilized fluoropolymer has a —COOH at the end of the polymer chain, which was usually held before the fluorination treatment, converted into a stable group such as —CF 2 H or —CF 3 by the fluorination treatment. It has been converted. This conversion rate is extremely high in the method for producing a stabilized fluoropolymer of the present invention. In infrared spectroscopic analysis [IR] measurement, a peak derived from a carboxyl group [x] and a peak derived from —CF 2 — [y] Strength ratio [x / y] can be 0.05 or less. A preferable upper limit of the intensity ratio [x / y] is 0.04, and a more preferable upper limit is 0.03.
The stabilized fluoropolymer obtained by the method for producing a stabilized fluoropolymer (hereinafter sometimes referred to as “stabilized fluoropolymer (A)”) is also one aspect of the present invention.
In the present invention, the stabilized fluoropolymer has the characteristics of the stabilized fluoropolymer (A) and the characteristics of the stabilized fluoropolymer (B) described later, and the characteristics of the stabilized fluoropolymer (A). And having the characteristics of the stabilized fluoropolymer (C) described later, or having the characteristics of the stabilized fluoropolymer (A) and having the characteristics of the stabilized fluoropolymer (B) and the stabilized fluoropolymer It is preferable that it also has the characteristic of (C).

本発明の安定化フルオロポリマー(以下、「安定化フルオロポリマー(B)」ということがある。)は、上記一般式(II)で表される酸由来基含有パーハロビニルエーテルと、テトラフルオロエチレンとの重合を経て得られる安定化フルオロポリマーであって、上記安定化フルオロポリマーは、IR測定において、カルボキシル基に由来するピーク〔x〕と、−CF−に由来するピーク〔y〕との強度比〔x/y〕が0.05以下であるものである。
上記酸由来基含有パーハロビニルエーテルとテトラフルオロエチレンとの重合は、乳化重合であることが好ましい。
The stabilized fluoropolymer of the present invention (hereinafter sometimes referred to as “stabilized fluoropolymer (B)”) includes an acid-derived group-containing perhalovinyl ether represented by the general formula (II), tetrafluoroethylene, In the IR measurement, the stabilized fluoropolymer has an intensity of a peak [x] derived from a carboxyl group and a peak [y] derived from —CF 2 — in IR measurement. The ratio [x / y] is 0.05 or less.
The polymerization of the acid-derived group-containing perhalovinyl ether and tetrafluoroethylene is preferably emulsion polymerization.

上記安定化フルオロポリマー(B)において、上記カルボキシル基〔−COOH〕は、主にポリマー鎖末端基として形成されたものであり、上記−CF−は、主にポリマー主鎖に存在するものである。
上記安定化フルオロポリマー(B)において、上記強度比〔x/y〕の好ましい上限は、0.04であり、より好ましい上限は、0.03である。
上記安定化フルオロポリマー(B)は、上記範囲内の強度比〔x/y〕を有するものであれば、その製造方法については特に限定されないが、本発明の安定化フルオロポリマー製造方法を用いることにより、容易に得ることができる。
In the stabilized fluoropolymer (B), the carboxyl group [—COOH] is mainly formed as a polymer chain end group, and the —CF 2 — is mainly present in the polymer main chain. is there.
In the stabilized fluoropolymer (B), a preferable upper limit of the strength ratio [x / y] is 0.04, and a more preferable upper limit is 0.03.
The production method of the stabilized fluoropolymer (B) is not particularly limited as long as it has an intensity ratio [x / y] within the above range, but the production method of the stabilized fluoropolymer of the present invention is used. Thus, it can be easily obtained.

上記安定化フルオロポリマー(B)は、上述の本発明の安定化フルオロポリマー製造方法により効率良く得ることができるが、上記本発明の安定化フルオロポリマー製造方法により得られたものに必ずしも限定されない点で、上述の安定化フルオロポリマー(A)とは概念が異なるものである。
本明細書において、(A)、(B)又は後述の(C)を付すことなく、単に「安定化フルオロポリマー」というときは、安定化フルオロポリマー(A)、安定化フルオロポリマー(B)及び後述する安定化フルオロポリマー(C)の何れであるかを区別することなく、安定化フルオロポリマー(A)、安定化フルオロポリマー(B)及び/又は安定化フルオロポリマー(C)を含み得る上位概念である。
The stabilized fluoropolymer (B) can be efficiently obtained by the above-described stabilized fluoropolymer production method of the present invention, but is not necessarily limited to that obtained by the above-described stabilized fluoropolymer production method of the present invention. Thus, the concept is different from the above-mentioned stabilized fluoropolymer (A).
In the present specification, without referring to (A), (B) or (C) described later, when simply referred to as “stabilized fluoropolymer”, the stabilized fluoropolymer (A), the stabilized fluoropolymer (B) and A high-level concept that can include the stabilized fluoropolymer (A), the stabilized fluoropolymer (B), and / or the stabilized fluoropolymer (C) without distinguishing between the stabilized fluoropolymer (C) described below. It is.

上記安定化フルオロポリマーは、赤外分光分析[IR]測定において、上記強度比〔x/y〕が上述の範囲であるものであるので、溶融成形時に発泡が生じにくいものとすることができる。
本発明において、上記強度比〔x/y〕は、赤外分光光度計を用いて測定し得られた各ピークの強度から算出する。
上記カルボキシル基に由来するピーク〔x〕は、1776cm−1付近に観測されるカルボキシル基の会合体に由来する吸収ピーク強度と、1807cm−1付近に観測される非会合体に由来する吸収ピーク強度との和である。
上記−CF−に由来するピーク〔y〕は、−CF−の倍音に由来する吸収ピークである。
The stabilized fluoropolymer has an intensity ratio [x / y] in the above-mentioned range in infrared spectroscopic analysis [IR] measurement, so that foaming hardly occurs during melt molding.
In the present invention, the intensity ratio [x / y] is calculated from the intensity of each peak obtained by measurement using an infrared spectrophotometer.
Peak [x] derived from the carboxyl group, and the absorption peak intensity derived from the aggregate of the carboxyl groups to be observed near 1776 cm -1, the absorption peak intensity derived from non-aggregate observed near 1807cm -1 And the sum.
The peak [y] derived from —CF 2 — is an absorption peak derived from the overtone of —CF 2 —.

上記安定化フルオロポリマーは、スルホニル基の量が200ppm以下であることが好ましい。より好ましい上限は、50ppmである。
上記安定化フルオロポリマーは、カルボキシル基の量が100ppm以下であることが好ましい。より好ましい上限は、30ppmである。
The stabilized fluoropolymer preferably has an amount of sulfonyl groups of 200 ppm or less. A more preferable upper limit is 50 ppm.
The stabilized fluoropolymer preferably has a carboxyl group content of 100 ppm or less. A more preferable upper limit is 30 ppm.

本明細書において、上記スルホニル基の量及びカルボキシル基の量は、安定化フルオロポリマーを270℃、10MPaにおいて20分間ヒートプレスして厚さ150〜200μmの測定用膜を作成し、FT−IR分光器を用いてスペクトル測定し、以下の手順によって得られる値である。
まず、150℃で20時間フッ素化処理を行うことにより不安定基を完全に安定化した標準サンプルを別途作成しておき、そのIRスペクトルと測定用膜のIRスペクトルとの差スペクトルをC−F倍音の吸収ピークで規格化して導出し、得られた差スペクトルにおいて、1056cm−1付近に観測されるスルホン酸基に由来する吸収ピーク、1776cm−1付近に観測されるカルボキシル基の会合体に由来する吸収ピーク、及び、1807cm−1付近に観測される非会合体に由来する吸収ピークの強度を読み取り、それぞれC−F倍音のピーク強度で規格化して吸収ピーク強度Absを得る。
各官能基の量は、各官能基の吸収ピークの吸光係数ε(cm/mol・cm)、サンプルの比重d(g/cm)、及び、C−F倍音の強度が1のときのサンプル膜厚l(cm)からランバートベール則(Abs=εcl、cは濃度)を使って、下記式
官能基量(ppm)={Abs×(各官能基の分子量)}×1011/εdl
に基づいて算出される。
本明細書において、上記カルボキシル基の量は、カルボキシル基の会合体の量と非会合体の量との和である。
In the present specification, the amount of the sulfonyl group and the amount of the carboxyl group are determined by FT-IR spectroscopy by heat-pressing the stabilized fluoropolymer at 270 ° C. and 10 MPa for 20 minutes to form a measurement film having a thickness of 150 to 200 μm. This is a value obtained by measuring the spectrum using a container and by the following procedure.
First, a standard sample in which unstable groups are completely stabilized by performing fluorination treatment at 150 ° C. for 20 hours is prepared separately, and the difference spectrum between the IR spectrum and the IR spectrum of the measurement film is expressed as C−F. derived normalized by the absorption peak of the harmonics, from the resulting difference spectrum, the absorption peak derived from a sulfonic acid group is observed near 1056cm -1, the aggregate of the carboxyl groups to be observed near 1776 cm -1 The absorption peak intensity Abs is obtained by reading the intensity of the absorption peak and the absorption peak derived from the non-aggregate observed in the vicinity of 1807 cm −1 and normalizing with the peak intensity of the C—F overtone.
The amount of each functional group is determined based on the absorption coefficient ε (cm 3 / mol · cm) of the absorption peak of each functional group, the specific gravity d (g / cm 3 ) of the sample, and the intensity of the CF overtone being 1. Using the Lambert-Beer rule (Abs = εcl, c is the concentration) from the sample film thickness l (cm), the following formula functional group amount (ppm) = {Abs × (molecular weight of each functional group)} × 10 11 / εdl
Is calculated based on
In the present specification, the amount of the carboxyl group is the sum of the amount of association of the carboxyl group and the amount of non-association.

上記一般式(II)で表される酸由来基含有パーハロビニルエーテルと、テトラフルオロエチレンとを重合して得られるフルオロポリマーであって、前記フルオロポリマーの加水分解体について、上記加水分解体を比誘電率が5.0以上の含酸素炭化水素系化合物に膨潤させて19F固体核磁気共鳴測定を行って求めた加水分解体の主鎖末端−CF基の積分強度と、主鎖から分岐したエーテル結合に隣接する側鎖−CF−の積分強度と、滴定法によって求めたイオン交換当量重量Ew値とを用いて算出した該加水分解体の主鎖を構成する炭素原子10万個あたりに存在する主鎖末端−CF基の個数(X)が10個以上であることを特徴とする安定化フルオロポリマー(以下、「安定化フルオロポリマー(C)」と称することもある)もまた、本発明の1つである。 A fluoropolymer obtained by polymerizing an acid-derived group-containing perhalovinyl ether represented by the general formula (II) and tetrafluoroethylene, wherein the hydrolyzate is compared with the hydrolyzate of the fluoropolymer. The integral strength of the main chain end-CF 3 group of the hydrolyzate obtained by swelling with an oxygen-containing hydrocarbon compound having a dielectric constant of 5.0 or more and performing 19 F solid-state nuclear magnetic resonance measurement, and branching from the main chain Per 100,000 carbon atoms constituting the main chain of the hydrolyzate calculated using the integrated intensity of the side chain -CF 2- adjacent to the ether bond and the ion exchange equivalent weight Ew value determined by the titration method there stabilized fluoropolymer, wherein (hereinafter, also referred to as "stabilized fluoropolymer (C)" that the number of main chain terminal -CF 3 group present (X) is 10 or more in It is also one of the present invention.

上記安定化フルオロポリマー(C)は、上記主鎖末端−CF基の個数(X)が10個以上であるものなので、主鎖末端基が充分に安定化されたものである。
上記主鎖末端−CF基の個数(X)は、下限が15個であることがより好ましい。
In the stabilized fluoropolymer (C), the number (X) of the main chain terminal —CF 3 groups is 10 or more, so that the main chain terminal group is sufficiently stabilized.
The lower limit of the number (X) of the main chain terminal —CF 3 groups is more preferably 15.

上記主鎖末端−CF基の個数(X)は、19F固体核磁気共鳴測定を行うことにより得られる主鎖末端−CF基の積分強度と、主鎖から分岐したエーテル結合に隣接する−CF−の積分強度と、滴定法により求めた試料のイオン交換当量重量Ewとから算出することができる。
上記19F固体核磁気共鳴測定において、膨潤溶媒として、比誘電率が5.0以上の含酸素炭化水素系化合物を用いることができる。上記比誘電率が5.0以上の含酸素炭化水素系化合物としては、特に限定されず、例えば、N−メチルアセトアミド等が挙げられる。
本発明において、上記19F固体核磁気共鳴測定は、N−メチルアセトアミドにて膨潤させたフルオロポリマーについて、MAS(Magic Angle Spinning)回転数4.8kHz、測定周波数376.5MHz、化学シフト基準CFCOOH(−77ppm)、測定温度473Kにて、測定機器としてDSX400(ドイツ国Bruker Biospin社製)を用いて行う。
上記19F固体核磁気共鳴測定において、主鎖末端−CF基の積分強度(A)は−79.7ppmをピークとするシグナルから、主鎖から分岐した側鎖のエーテル結合に隣接する側鎖−CF−の積分強度(B)は、−76.4ppmをピークとするシグナルから測定することができる。
上記主鎖末端−CF基の個数(X)は、上記積分強度(A)及び積分強度(B)、並びに、滴定法により求めた試料のイオン交換当量重量Ewより、下記式(III)
X=100000/[{(B/A)×3/2}×{2×(Ew−178−50×m)/100}+2] (III)
を用いて算出することができる。ここで、mは前記一般式(II)におけるmの値に従う。
The number of the main chain terminal -CF 3 group (X) is the integrated intensity of main chain terminal -CF 3 groups obtained by carrying out the 19 F solid state nuclear magnetic resonance measurement, adjacent to the branched ether bonds from the main chain It can be calculated from the integrated intensity of —CF 2 — and the ion exchange equivalent weight Ew of the sample obtained by the titration method.
In the 19 F solid nuclear magnetic resonance measurement, an oxygen-containing hydrocarbon compound having a relative dielectric constant of 5.0 or more can be used as a swelling solvent. The oxygen-containing hydrocarbon compound having a relative dielectric constant of 5.0 or more is not particularly limited, and examples thereof include N-methylacetamide.
In the present invention, the 19 F solid-state nuclear magnetic resonance measurement was carried out using a MAS (Magic Angle Spinning) rotation speed of 4.8 kHz, a measurement frequency of 376.5 MHz, a chemical shift reference CF 3 for a fluoropolymer swollen with N-methylacetamide. The measurement is performed using DSX400 (manufactured by Bruker Biospin, Germany) as a measuring instrument at COOH (−77 ppm) and a measurement temperature of 473 K.
In the 19 F solid state nuclear magnetic resonance measurement, the integrated intensity (A) of the main chain terminal —CF 3 group is a side chain adjacent to the ether bond of the side chain branched from the main chain from a signal having a peak at −79.7 ppm. The integrated intensity (B) of —CF 2 — can be measured from a signal having a peak at −76.4 ppm.
The number (X) of the main chain terminal —CF 3 groups is represented by the following formula (III) from the integral intensity (A) and integral intensity (B), and the ion exchange equivalent weight Ew of the sample obtained by the titration method.
X = 100000 / [{(B / A) × 3/2} × {2 × (Ew−178−50 × m) / 100} +2] (III)
Can be used to calculate. Here, m follows the value of m in the general formula (II).

上記安定化フルオロポリマー(C)は、上述のIR測定において、カルボキシル基に由来するピーク〔x〕と、−CF−に由来するピーク〔y〕との強度比〔x/y〕が0.05以下であることが好ましい。
上記安定化フルオロポリマー(C)において、上記強度比〔x/y〕の好ましい範囲は、上記安定化フルオロポリマー(B)に関して説明した範囲と同じである。
In the IR measurement described above, the stabilized fluoropolymer (C) has an intensity ratio [x / y] of a peak [x] derived from a carboxyl group and a peak [y] derived from —CF 2 — of 0. It is preferable that it is 05 or less.
In the stabilized fluoropolymer (C), the preferred range of the strength ratio [x / y] is the same as the range described for the stabilized fluoropolymer (B).

上記安定化フルオロポリマー(C)は、上記一般式(II)で表される酸由来基含有パーハロビニルエーテルと、テトラフルオロエチレンとの重合を経て得られるものであれば、その製造方法については特に限定されないが、上記重合は、乳化重合であることが好ましい。
上記安定化フルオロポリマー(C)は、上述の本発明の安定化フルオロポリマー製造方法により効率良く得ることができる。上記安定化フルオロポリマー(C)は、上記本発明の安定化フルオロポリマー製造方法により得られたものに必ずしも限定されない点で、上述の安定化フルオロポリマー(A)とは概念が異なるものである。
本発明の安定化フルオロポリマー(B)及び安定化フルオロポリマー(C)は、上記一般式(II)から明らかであるように、上記一般式(I)におけるnが0であるような側鎖が短いものである。
本発明者らは、後述のフェントン処理1の結果から明らかなように、側鎖の短いポリマーの方が化学的安定性に優れることを発見し、本発明の安定化フルオロポリマー(B)及び安定化フルオロポリマー(C)を完成したものである。
If the stabilized fluoropolymer (C) is obtained through polymerization of the acid-derived group-containing perhalovinyl ether represented by the general formula (II) and tetrafluoroethylene, the production method thereof is particularly Although not limited, the polymerization is preferably emulsion polymerization.
The stabilized fluoropolymer (C) can be efficiently obtained by the above-described method for producing a stabilized fluoropolymer of the present invention. The stabilized fluoropolymer (C) is different in concept from the above-mentioned stabilized fluoropolymer (A) in that it is not necessarily limited to that obtained by the method for producing a stabilized fluoropolymer of the present invention.
As is clear from the general formula (II), the stabilized fluoropolymer (B) and the stabilized fluoropolymer (C) of the present invention have side chains such that n in the general formula (I) is 0. It is short.
As is apparent from the results of Fenton treatment 1 described later, the present inventors have found that a polymer having a short side chain is superior in chemical stability, and the stabilized fluoropolymer (B) of the present invention and the stable Fluoropolymer (C) was completed.

本発明の安定化フルオロポリマーは、JIS K 7210に従って270℃、荷重2.16kgの条件下で測定したメルトインデックスが0.1〜20g/10分であることが好ましい。ここでいうメルトインデックス〔MI〕は、メルトマスフローレイト〔MFR〕と表現することもある。
本発明の安定化フルオロポリマーにおいて、上記メルトインデックス〔MI〕が0.1(g/10分)未満であると、溶融成形が困難となる傾向にあり、20(g/10分)を超えると、高分子電解質膜を燃料電池に使用した際に耐久性が悪化しやすい。
上記MIのより好ましい下限は0.5(g/10分)、より好ましい上限は10(g/10分)である。
本明細書において、MIは、JIS K 7210に従って、270℃にて荷重2.16kgをかけたときに特定の形状・大きさであるオリフィスから押し出されるポリマーの重量を10分間あたりのグラム数で表したものである。
また、本発明の安定化フルオロポリマーは、安定化していないものに比べ、溶融成形する場合であっても発泡が生じにくくなる。
The stabilized fluoropolymer of the present invention preferably has a melt index of 0.1 to 20 g / 10 min measured under conditions of 270 ° C. and a load of 2.16 kg according to JIS K 7210. The melt index [MI] here may be expressed as melt mass flow rate [MFR].
In the stabilized fluoropolymer of the present invention, when the melt index [MI] is less than 0.1 (g / 10 minutes), melt molding tends to be difficult, and when it exceeds 20 (g / 10 minutes). When the polymer electrolyte membrane is used for a fuel cell, the durability tends to deteriorate.
A more preferable lower limit of the MI is 0.5 (g / 10 minutes), and a more preferable upper limit is 10 (g / 10 minutes).
In the present specification, MI represents the weight of a polymer extruded from an orifice having a specific shape and size when a load of 2.16 kg is applied at 270 ° C. according to JIS K 7210 in grams per 10 minutes. It is a thing.
In addition, the stabilized fluoropolymer of the present invention is less likely to foam even when melt-molded, compared to unstabilized ones.

本発明の高分子電解質膜は、上述した本発明の安定化フルオロポリマーの加水分解体を含むものである。
上記「安定化フルオロポリマーの加水分解体」は、安定化フルオロポリマーを加水分解して得られるフルオロポリマーである。
上記安定化フルオロポリマーの加水分解体としては、例えば、本発明の安定化フルオロポリマーが有する酸由来基−SOFをケン化して−SONa、−SOK等の塩型基に変換させ、次いで酸を作用させること等により−SOHに変換したスルホン酸型フルオロポリマーや、−COOCHをケン化して−COONa、−COOK等の塩型基に変換させ、次いで酸を作用させること等により−COOHに変換したカルボン酸型フルオロポリマー等が挙げられる。
本発明の高分子電解質膜は、上記安定化フルオロポリマーの加水分解体を含むものであるので、燃料電池、化学センサー等における電解質膜材料として用いた際、長期間使用しても劣化せず、燃料電池の排水がHFを含むこととなる事態を回避することができる。
本発明の高分子電解質膜は、上記安定化フルオロポリマーの加水分解体として、例えば上述の一般式(II)におけるm及び/又はAが異なる、TFEとの共重合割合が異なる等により相違するものを1種又は2種以上含むものであってもよい。
The polymer electrolyte membrane of the present invention contains the hydrolyzate of the above-described stabilized fluoropolymer of the present invention.
The “hydrolyzed product of the stabilized fluoropolymer” is a fluoropolymer obtained by hydrolyzing the stabilized fluoropolymer.
As the hydrolyzate of the above-mentioned stabilized fluoropolymer, for example, the acid-derived group —SO 2 F possessed by the stabilized fluoropolymer of the present invention is saponified and converted into a salt group such as —SO 3 Na or —SO 3 K. Sulfonic acid type fluoropolymer converted to —SO 3 H by reacting with acid, etc., or —COOCH 3 is saponified and converted to salt type groups such as —COONa, —COOK, etc., and then the acid is allowed to act Examples thereof include carboxylic acid type fluoropolymers converted into —COOH.
Since the polymer electrolyte membrane of the present invention contains a hydrolyzate of the above-mentioned stabilized fluoropolymer, when used as an electrolyte membrane material in fuel cells, chemical sensors, etc., it does not deteriorate even when used for a long period of time. It is possible to avoid a situation in which the drainage of water will contain HF.
The polymer electrolyte membrane of the present invention is different as the hydrolyzate of the above-mentioned stabilized fluoropolymer due to, for example, different m and / or A in the above general formula (II), different copolymerization ratio with TFE, etc. 1 type or 2 types or more may be included.

本発明の高分子電解質膜は、鉄(II)陽イオンの初期濃度が2ppm且つ過酸化水素の初期濃度が1質量%である過酸化水素水溶液aリットルに高分子電解質膜bグラムを膜液比〔b/a〕3.2にて浸漬して80℃にて2時間保持することよりなるフェントン処理により溶出したフッ化物イオン量が上記高分子電解質膜100質量部に対し、11×10−4質量部以下であるものが好ましい。
本発明の高分子電解質膜は、上記範囲内のフッ化物イオン量であれば、安定化フルオロポリマーの安定化の程度が充分に高いものである。
上記フェントン処理により溶出したフッ化物イオン量は、上記高分子電解質膜100質量部に対し、8.0×10−4質量部以下であるものがより好ましく、5.0×10−4質量部以下であるものが更に好ましい。上記フェントン処理により溶出したフッ化物イオン量は、上記範囲内であれば、上記高分子電解質膜100質量部に対し、例えば1.0×10−4質量部以上であっても工業上許容することができる。
本明細書において、上記フッ化物イオン量は、イオンクロマト法(日本国東ソー社製IC−2001、陰イオン分析用カラムとして、日本国東ソー社製TSKgel SuperIC−Anionを使用)にて、後述する「フェントン処理2」の方法にて測定したものである。
The polymer electrolyte membrane of the present invention has a ratio of b / w of polymer electrolyte membrane to a liter of aqueous hydrogen peroxide solution having an initial concentration of iron (II) cation of 2 ppm and an initial concentration of hydrogen peroxide of 1% by mass. [B / a] The amount of fluoride ions eluted by Fenton treatment consisting of immersion in 3.2 and holding at 80 ° C. for 2 hours is 11 × 10 −4 with respect to 100 parts by mass of the polymer electrolyte membrane. What is below a mass part is preferable.
The polymer electrolyte membrane of the present invention has a sufficiently high degree of stabilization of the stabilized fluoropolymer as long as the amount of fluoride ions is within the above range.
The amount of fluoride ions eluted by the Fenton treatment is more preferably 8.0 × 10 −4 parts by mass or less, and 5.0 × 10 −4 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the polymer electrolyte membrane. Is more preferred. If the amount of fluoride ions eluted by the Fenton treatment is within the above range, it is industrially acceptable even if it is, for example, 1.0 × 10 −4 parts by mass or more with respect to 100 parts by mass of the polymer electrolyte membrane. Can do.
In the present specification, the amount of fluoride ions is described later by an ion chromatography method (IC-2001 manufactured by Tosoh Corporation, Japan, and TSKgel SuperIC-Anion manufactured by Tosoh Corporation, Japan as an anion analysis column). It is measured by the method of “Fenton treatment 2”.

本発明の高分子電解質膜は、膜厚が5〜100μmであるものが好ましい。5μm未満であると、燃料電池に使用した場合、燃料電池運転過程において機械的強度が低下しやすく、膜が破壊しやすい。100μmを超えると、燃料電池に使用した場合、膜抵抗が大きく、充分な初期特性を発揮することができない。
本明細書において、上記「初期特性」とは、本発明の高分子電解質膜を用いて燃料電池運転を行い、電流密度−電圧曲線を測定し電圧の数値の大きさと広い電流密度での発電性能等をいう。
上記高分子電解質膜の膜厚のより好ましい下限は10μm、より好ましい上限は75μmである。
The polymer electrolyte membrane of the present invention preferably has a thickness of 5 to 100 μm. When it is less than 5 μm, when used in a fuel cell, the mechanical strength tends to decrease during the fuel cell operation process, and the membrane tends to break. When it exceeds 100 μm, when used in a fuel cell, the membrane resistance is large and sufficient initial characteristics cannot be exhibited.
In the present specification, the above-mentioned “initial characteristics” means that the fuel cell operation is performed using the polymer electrolyte membrane of the present invention, the current density-voltage curve is measured, and the power generation performance with a large voltage value and a wide current density. Etc.
The more preferable lower limit of the film thickness of the polymer electrolyte membrane is 10 μm, and the more preferable upper limit is 75 μm.

本発明の高分子電解質膜は、成形、及び、加水分解を行うことにより得ることができる。
上記成形は、(1)本発明の安定化フルオロポリマーを膜状(フィルム状)に成形するものであってもよいし、(2)上述のフッ素化処理を経ていないスルホン酸由来基含有フルオロポリマーを膜状(フィルム状)に成形するものであってもよい。上記(2)の成形を行う場合、成形した後に上記フッ素化処理を行うことができる。
上記成形は、例えば、Tダイによる成形法、インフレーション成形法、カレンダーによる成形法等の溶融成形法により行うことができる。
上記成形は、上記(1)の成形における安定化フルオロポリマー又は上記(2)の成形におけるスルホン酸由来基含有フルオロポリマーに、必要に応じて第三成分を混合しても構わない。
上記成形の条件は、行う成形法等に応じ適宜設定することができ、例えば、Tダイによる溶融成形法の場合、溶融樹脂温度は、100〜400℃が好ましく、更に好ましくは200〜300℃である。
The polymer electrolyte membrane of the present invention can be obtained by molding and hydrolysis.
The molding may be (1) the stabilized fluoropolymer of the present invention may be molded into a film (film), or (2) a sulfonic acid-derived group-containing fluoropolymer that has not undergone the fluorination treatment described above. May be formed into a film shape (film shape). When the molding (2) is performed, the fluorination treatment can be performed after the molding.
The molding can be performed by a melt molding method such as a molding method using a T die, an inflation molding method, or a calendar molding method.
In the molding, a third component may be mixed as necessary with the stabilized fluoropolymer in the molding of (1) or the sulfonic acid-derived group-containing fluoropolymer in the molding of (2).
The molding conditions can be appropriately set according to the molding method to be performed. For example, in the case of a melt molding method using a T-die, the molten resin temperature is preferably 100 to 400 ° C, more preferably 200 to 300 ° C. is there.

上記加水分解は、上述のフッ素化処理を行った後であれば、成形前に行ってもよいし、成形後に行うものであってもよい。
上記加水分解は、本発明の安定化フルオロポリマーとNaOH水溶液やKOH水溶液等の強塩基とを接触させて、例えば−SOFを−SONa、−SOK等の金属塩に、また−COOCHを−COONa、−COOK等の金属塩に変換する等のケン化を行い、水洗後、更に、硝酸、硫酸、塩酸等の酸性液に作用させて(これにより、例えば−SONaを−SOHに、また−COONaを−COOHに変換する)、更に水洗することにより、上述の一般式(I)又は一般式(II)においてAで表した酸由来基、特に−SOXをスルホン酸基に変換することことができ、以上の方法によって、高分子電解質膜を得ることができる。
The hydrolysis may be performed before molding or may be performed after molding as long as the fluorination treatment is performed.
The above hydrolysis, by contacting the strong base, such as stabilized fluoropolymer and aqueous NaOH or KOH aqueous solution of the present invention, for example, the -SO 2 F -SO 3 Na, a metal salt such as -SO 3 K, also Saponification such as conversion of —COOCH 3 to a metal salt such as —COONa, —COOK, etc. is performed, and after washing with water, the mixture is further reacted with an acidic solution such as nitric acid, sulfuric acid, hydrochloric acid, etc. (for example, —SO 3 Na Are converted into —SO 3 H and —COONa into —COOH), and further washed with water, whereby the acid-derived group represented by A in the above general formula (I) or general formula (II), particularly —SO 2 X can be converted into a sulfonic acid group, and a polymer electrolyte membrane can be obtained by the above method.

上記(1)本発明の安定化フルオロポリマーを膜状(フィルム状)に成形する方法としては、また、膜キャスト液を支持体上にキャストして、支持体上に液状塗膜を形成し、そして、液状塗膜から液状媒体を除去する方法(キャスト法)も挙げることができる。
膜キャスト液は、上記フッ素化処理されたスルホン酸由来基含有フルオロポリマーをNaOH水溶液やKOH水溶液等の強塩基と接触させてケン化を行い水洗後、更に硝酸、硫酸、塩酸等の酸性液に作用させて、更に水洗して側鎖末端の酸由来基をスルホン酸基にする工程とこれによって得られたポリマーを水やアルコール、有機溶媒等を用いた適当な溶媒に必要に応じてオートクレーブ等を用いて80〜300℃で分散又は溶解して得られる。また上記ポリマーの分散又は溶液に際し、必要に応じて上記ポリマー以外の第三成分を混合しても構わない。
支持体上にキャストする方法としては、グラビアロールコータ、ナチュラルロールコータ、リバースロールコータ、ナイフコータ、ディップコータ、パイプドクターコータ等の公知の塗工方法を用いることができる。
キャストに用いる支持体は限定されないが、一般的なポリマーフィルム、金属箔、アルミナ、Si等の基板等が好適に使用できる。このような支持体は、膜/電極接合体(後述する)を形成する際には、所望により、高分子電解質膜から除去することができる。
(1) As a method for forming the stabilized fluoropolymer of the present invention into a film (film), the film casting solution is cast on a support, and a liquid coating film is formed on the support. And the method (cast method) which removes a liquid medium from a liquid coating film can also be mentioned.
The membrane casting solution is prepared by bringing the fluorinated sulfonic acid-derived group-containing fluoropolymer into contact with a strong base such as an aqueous NaOH solution or an aqueous KOH solution, saponifying it, washing it with water, and further adding it to an acidic solution such as nitric acid, sulfuric acid, hydrochloric acid, etc. The step of making it act and further washing with water to convert the acid-derived group at the end of the side chain into a sulfonic acid group and the polymer obtained thereby into an appropriate solvent using water, alcohol, organic solvent, etc., if necessary, autoclave, etc. Obtained by dispersing or dissolving at 80 to 300 ° C. In addition, when the polymer is dispersed or solution, a third component other than the polymer may be mixed as necessary.
As a method for casting on a support, known coating methods such as a gravure roll coater, a natural roll coater, a reverse roll coater, a knife coater, a dip coater, and a pipe doctor coater can be used.
Although the support body used for casting is not limited, a general polymer film, a metal foil, a substrate made of alumina, Si, or the like can be suitably used. Such a support can be removed from the polymer electrolyte membrane as desired when forming a membrane / electrode assembly (described later).

また、特公平5−75835号公報に記載のポリテトラフルオロエチレン[PTFE]膜を延伸処理した多孔質膜に膜キャスト液を含浸させてから液状媒体を除去することにより、補強体(該多孔質膜)を含んだ高分子電解質膜を製造することもできる。また、膜キャスト液にPTFE等からなるフィブリル化繊維を添加してキャストしてから液状媒体を除去することにより、特開昭53−149881号公報と特公昭63−61337号公報に示されるような、フィブリル化繊維で補強された高分子電解質膜を製造することもできる。 Further, a porous film obtained by stretching a polytetrafluoroethylene [PTFE] film described in Japanese Patent Publication No. 5-75835 is impregnated with a film casting solution, and then the liquid medium is removed, whereby a reinforcing body (the porous film) is obtained. It is also possible to produce a polymer electrolyte membrane including a membrane. Further, by adding a fibrillated fiber made of PTFE or the like to the membrane casting solution and casting it, and then removing the liquid medium, as shown in Japanese Patent Laid-Open No. 53-149881 and Japanese Patent Publication No. 63-61337. A polymer electrolyte membrane reinforced with fibrillated fibers can also be produced.

本発明の高分子電解質膜は、所望により、40〜300℃、好ましくは80〜220℃で加熱処理(アニーリング)に付して得たものであってもよい。更に、本来のイオン交換能を充分に発揮させるために、所望により、塩酸や硝酸等で酸処理を行ってもよい。また、横1軸テンターや逐次又は同時2軸テンターを使用することによって延伸配向を付与することもできる。 The polymer electrolyte membrane of the present invention may be obtained by subjecting to a heat treatment (annealing) at 40 to 300 ° C., preferably 80 to 220 ° C., if desired. Furthermore, acid treatment may be performed with hydrochloric acid, nitric acid or the like, if desired, in order to fully exhibit the original ion exchange capacity. Further, stretch orientation can be imparted by using a horizontal uniaxial tenter or a sequential or simultaneous biaxial tenter.

上記安定化フルオロポリマーの加水分解体は、後述する固体高分子電解質型燃料電池における膜/電極接合体を構成する膜及び/又は電極として使用することができる。
上記安定化フルオロポリマーの加水分解体は、固体高分子電解質型燃料電池を構成する膜/電極接合体において、膜を構成し電極を構成しないものであってよいし、膜を構成せず電極を構成するものであってよいし、膜及び電極を構成するものであってもよい。
The hydrolyzate of the stabilized fluoropolymer can be used as a membrane and / or an electrode constituting a membrane / electrode assembly in a solid polymer electrolyte fuel cell described later.
The hydrolyzate of the above-mentioned stabilized fluoropolymer may be a membrane / electrode assembly constituting a solid polymer electrolyte fuel cell, which constitutes a membrane and does not constitute an electrode, or does not constitute a membrane. It may constitute, or it may constitute a membrane and an electrode.

本発明の活性物質固定体は、上記安定化フルオロポリマーの加水分解体と活性物質とからなるものである。
上記活性物質固定体は、通常、上記安定化フルオロポリマーの加水分解体と活性物質とを液状媒体に分散した液状組成物を基材に塗装することにより得られたものであるが、上記安定化フルオロポリマーと活性物質とからなる液状組成物を基材に塗装した場合、通常、該塗装後に該安定化フルオロポリマーを加水分解して得ることができる。
上記活性物質としては、上記活性物質固定体において活性を有し得るものであれば特に限定されず、本発明の活性物質固定体の目的に応じて適宜選択されるが、例えば、触媒を好適に用いることができる場合がある。上記活性物質として触媒を用いた本発明の活性物質固定体は、燃料電池における膜/電極接合体を構成する電極として好適に用いることができる。
上記触媒としては、電極触媒が好ましく、白金を含有する金属であることがより好ましい。
上記触媒としては、電極触媒として通常使用されるものであれば特に限定されず、例えば、白金、ルテニウム等を含有する金属;通常1種類以上の金属からなる中心金属をもつ有機金属錯体であって、その中心金属の少なくとも1つが白金又はルテニウムである有機金属錯体等が挙げられる。
上記白金、ルテニウム等を含有する金属としては、ルテニウムを含有する金属、例えば、ルテニウム単体等であってもよいが、白金を含有する金属が好ましい。上記白金を含有する金属としては特に限定されず、例えば、白金の単体(白金黒);白金−ルテニウム合金等が挙げられる。
上記触媒は、通常、シリカ、アルミナ、カーボン等の担体上に担持させて用いる。
The active substance fixed body of the present invention comprises the hydrolyzate of the stabilized fluoropolymer and an active substance.
The active substance fixed body is usually obtained by coating a substrate with a liquid composition in which the hydrolyzate of the stabilized fluoropolymer and the active substance are dispersed in a liquid medium. When a liquid composition comprising a fluoropolymer and an active substance is coated on a substrate, it can usually be obtained by hydrolyzing the stabilized fluoropolymer after the coating.
The active substance is not particularly limited as long as it can have activity in the active substance immobilization body, and is appropriately selected according to the purpose of the active substance immobilization body of the present invention. May be used. The active substance fixed body of the present invention using a catalyst as the active substance can be suitably used as an electrode constituting a membrane / electrode assembly in a fuel cell.
As said catalyst, an electrode catalyst is preferable and it is more preferable that it is a metal containing platinum.
The catalyst is not particularly limited as long as it is usually used as an electrode catalyst. For example, a metal containing platinum, ruthenium or the like; an organometallic complex having a central metal usually composed of one or more metals. And organometallic complexes in which at least one of the central metals is platinum or ruthenium.
The metal containing platinum, ruthenium or the like may be a metal containing ruthenium, such as ruthenium alone, but a metal containing platinum is preferable. The metal containing platinum is not particularly limited, and examples thereof include platinum alone (platinum black); platinum-ruthenium alloy and the like.
The catalyst is usually used by being supported on a carrier such as silica, alumina, carbon or the like.

上記液状媒体としては、上記安定化フルオロポリマー加水分解体からなる粒子または溶液の良好な分散性が望まれる場合には、水の他にも、メタノール等のアルコール類;N−メチルピロリドン〔NMP〕等の含窒素溶剤;アセトン等のケトン類;酢酸エチル等のエステル類;ジグライム、テトラヒドロフラン〔THF〕等の極性エーテル類;ジエチレンカーボネート等の炭酸エステル類等の極性を有する有機溶剤が挙げられ、これらのなかから1種又は2種以上を混合して用いることができる。 As the liquid medium, in the case where good dispersibility of particles or solution comprising the stabilized fluoropolymer hydrolyzate is desired, in addition to water, alcohols such as methanol; N-methylpyrrolidone [NMP] Examples include nitrogen-containing solvents such as acetone; ketones such as acetone; esters such as ethyl acetate; polar ethers such as diglyme and tetrahydrofuran [THF]; and polar organic solvents such as carbonates such as diethylene carbonate. Among them, one kind or a mixture of two or more kinds can be used.

上記液状組成物は、少なくとも、上記安定化フルオロポリマー又はその加水分解体と、上記活性物質とからなるものであり、必要に応じてその他の成分を含有していてもよい。
上記その他の成分としては、例えば、キャスト製膜、含浸等により膜状に成形する目的においては、レベリング性を改善するためのアルコール類、造膜性を改善するためのポリオキシエチレン類等が挙げられる。
The liquid composition comprises at least the stabilized fluoropolymer or a hydrolyzate thereof and the active substance, and may contain other components as necessary.
Examples of the other components include, for the purpose of forming a film by casting, impregnation and the like, alcohols for improving leveling properties, polyoxyethylenes for improving film forming properties, and the like. It is done.

上記基材としては特に限定されず、例えば、多孔性支持体、樹脂成形体、金属板等が挙げられ、燃料電池等に用いられる電解質膜、多孔性カーボン電極等が好ましい。
上記電解質膜としては、通常の意味でのフッ素樹脂からなるものであることが好ましく、本発明の安定化フルオロポリマーの加水分解体からなるものであってもよい。上記電解質膜は、活性物質固定体の性質を妨げない範囲であれば、通常の意味でのフッ素樹脂及び安定化フルオロポリマーの加水分解体以外の物質をも含むものであってよい。
The substrate is not particularly limited, and examples thereof include a porous support, a resin molded body, a metal plate, and the like, and an electrolyte membrane, a porous carbon electrode, and the like used for a fuel cell are preferable.
The electrolyte membrane is preferably made of a fluororesin in the usual sense, and may be made of a hydrolyzate of the stabilized fluoropolymer of the present invention. The electrolyte membrane may contain substances other than the fluororesin and hydrolyzate of the stabilized fluoropolymer in a normal sense as long as the properties of the active substance fixed body are not hindered.

上記「液状組成物を基材に塗装する」ことは、上記液状組成物を上記基材に塗布し、必要に応じて乾燥し、更に必要に応じて加水分解体に変換し、通常更に安定化フルオロポリマーの加水分解体の融点以上の温度で加熱することよりなる。
上記加熱の条件は安定化フルオロポリマーの加水分解体と活性物質とを基材上に固定することができるものであれば特に限定されないが、例えば、200〜350℃で数分間、例えば、2〜30分間加熱することが好ましい。
本発明の活性物質固定体としては、固体高分子型燃料電池として使用する場合、上記安定化フルオロポリマーの加水分解体、カーボン及び触媒(Pt等)からなる電極(「触媒層」ともいう。)が好ましい。
The above-mentioned “coating the liquid composition on the substrate” means that the liquid composition is applied to the substrate, dried as necessary, and further converted into a hydrolyzate as necessary, usually further stabilized. It consists of heating at a temperature above the melting point of the hydrolyzate of fluoropolymer.
The heating conditions are not particularly limited as long as the hydrolyzate of the stabilized fluoropolymer and the active substance can be fixed on the base material. For example, the heating conditions are 200 to 350 ° C. for several minutes, for example, 2 to 2 It is preferable to heat for 30 minutes.
The active substance fixed body of the present invention, when used as a solid polymer fuel cell, is an electrode (also referred to as “catalyst layer”) comprising the hydrolyzate of the above-mentioned stabilized fluoropolymer, carbon and catalyst (Pt or the like). Is preferred.

本発明の膜/電極接合体は、高分子電解質膜と電極とからなる膜/電極接合体であって、下記条件(1)及び(2)よりなる群から選ばれる少なくとも1つを満たすものである。
(1)上記高分子電解質膜は、上述の本発明の高分子電解質膜である
(2)上記電極は、上述の本発明の活性物質固定体である
本発明の膜/電極接合体は、例えば、固体高分子型燃料電池に用いることができる。
The membrane / electrode assembly of the present invention is a membrane / electrode assembly comprising a polymer electrolyte membrane and an electrode, and satisfies at least one selected from the group consisting of the following conditions (1) and (2). is there.
(1) The polymer electrolyte membrane is the polymer electrolyte membrane of the present invention described above (2) The electrode is the above-mentioned active substance fixed body of the present invention. The membrane / electrode assembly of the present invention is, for example, It can be used for a polymer electrolyte fuel cell.

本発明の高分子電解質膜を、固体高分子型燃料電池に用いる場合、本発明の高分子電解質膜をアノードとカソードの間に密着保持されてなる膜/電極接合体(membrane/electrode assembly)(以下、しばしば「MEA」と称する)として使用することができる。ここでアノードはアノード触媒層からなり、プロトン伝導性を有し、カソードはカソード触媒層からなり、プロトン伝導性を有する。また、アノード触媒層とカソード触媒層のそれぞれの外側表面にガス拡散層(後述する)を接合したものもMEAと呼ぶ。 When the polymer electrolyte membrane of the present invention is used in a solid polymer fuel cell, a membrane / electrode assembly (membrane / electrode assembly) in which the polymer electrolyte membrane of the present invention is held tightly between an anode and a cathode ( (Hereinafter often referred to as “MEA”). Here, the anode is composed of an anode catalyst layer and has proton conductivity, and the cathode is composed of a cathode catalyst layer and has proton conductivity. Further, a gas diffusion layer (described later) joined to the outer surface of each of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer is also referred to as MEA.

上記アノード触媒層は、燃料(例えば水素)を酸化して容易にプロトンを生ぜしめる触媒を包含し、カソード触媒層は、プロトン及び電子と酸化剤(例えば酸素や空気)を反応させて水を生成させる触媒を包含する。アノードとカソードのいずれについても、触媒としては白金もしくは白金とルテニウム等からなる合金が好適に用いられ、10〜1000オングストローム以下の触媒粒子であることが好ましい。また、このような触媒粒子は、ファーネスブラック、チャンネルブラック、アセチレンブラック、カーボンブラック、活性炭、黒鉛といった0.01〜10μm程度の大きさの導電性粒子に担持されていることが好ましい。触媒層投影面積に対する触媒粒子の担持量は、0.001mg/cm以上、10mg/cm以下であることが好ましい。
さらにアノード触媒層とカソード触媒層は、前記一般式(II)で表される酸由来基含有パーハロビニルエーテルと、テトラフルオロエチレンとの重合を経て得られるフルオロポリマーの加水分解体を含有することが好ましい。触媒層投影面積に対する上記パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーの加水分解体の担持量は、0.001mg/cm〜10mg/cm以下であることが好ましい。
The anode catalyst layer includes a catalyst that easily oxidizes fuel (for example, hydrogen) to easily generate protons, and the cathode catalyst layer generates water by reacting protons and electrons with an oxidant (for example, oxygen or air). Including the catalyst to be produced. For both the anode and the cathode, platinum or an alloy made of platinum and ruthenium is preferably used as the catalyst, and the catalyst particles are preferably 10 to 1000 angstroms or less. Such catalyst particles are preferably supported on conductive particles having a size of about 0.01 to 10 μm such as furnace black, channel black, acetylene black, carbon black, activated carbon, and graphite. The amount of catalyst particles supported relative to the projected area of the catalyst layer is preferably 0.001 mg / cm 2 or more and 10 mg / cm 2 or less.
Further, the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer may contain a hydrolyzate of a fluoropolymer obtained by polymerization of an acid-derived group-containing perhalovinyl ether represented by the general formula (II) and tetrafluoroethylene. preferable. The supported amount of the hydrolyzed perfluorocarbonsulfonic acid polymer relative to the projected area of the catalyst layer is preferably 0.001 mg / cm 2 to 10 mg / cm 2 or less.

MEAの作製方法としては、例えば、次のような方法が挙げられる。まず、安定化フルオロポリマーの加水分解体をアルコールと水の混合溶液に溶解したものに、触媒として市販の白金担持カーボン(例えば、日本国田中貴金属(株)社製TEC10E40E)を分散させてペースト状にする。これを2枚のPTFEシートのそれぞれの片面に一定量塗布して乾燥させて触媒層を形成する。次に、各PTFEシートの塗布面を向かい合わせにして、その間に本発明の高分子電解質膜を挟み込み、100〜200℃で熱プレスにより転写接合してから、PTFEシートを取り除くことにより、MEAを得ることができる。当業者にはMEAの作製方法は周知である。MEAの作製方法は、例えば、JOURNAL OF APPLIED ELECTROCHEMISTRY,22(1992)p.1−7に詳しく記載されている。
ガス拡散層としては、市販のカーボンクロスもしくはカーボンペーパーを用いることができる。前者の代表例としては、米国DE NORA NORTH AMERICA社製カーボンクロスE−tek,B−1が挙げられ、後者の代表例としては、CARBEL(登録商標、日本国ジャパンゴアテックス(株))、日本国東レ社製TGP−H、米国SPCTRACORP社製カーボンペーパー2050等が挙げられる。
また、電極触媒層とガス拡散層が一体化した構造体は「ガス拡散電極」と呼ばれる。ガス拡散電極を本発明の高分子電解質膜に接合してもMEAが得られる。市販のガス拡散電極の代表例としては、米国DE NORA NORTH AMERICA社製ガス拡散電極ELAT(登録商標)(ガス拡散層としてカーボンクロスを使用)が挙げられる。
As a method for manufacturing the MEA, for example, the following method can be given. First, a commercially available platinum-supported carbon (for example, TEC10E40E manufactured by Kunitaka Tanaka Metal Co., Ltd., Japan) is used as a catalyst in a hydrolyzate of a stabilized fluoropolymer dissolved in a mixed solution of alcohol and water to form a paste. To. A certain amount of this is applied to one side of each of the two PTFE sheets and dried to form a catalyst layer. Next, the coated surfaces of the PTFE sheets are faced to each other, the polymer electrolyte membrane of the present invention is sandwiched between them, transferred and bonded by hot pressing at 100 to 200 ° C., and then the PTFE sheet is removed to remove the MEA. Obtainable. A person skilled in the art knows how to make MEAs. The method for producing MEA is described in, for example, JOURNAL OF APPLIED ELECTROCHEMISTRY, 22 (1992) p. 1-7.
As the gas diffusion layer, commercially available carbon cloth or carbon paper can be used. Representative examples of the former include carbon cloth E-tek, B-1 manufactured by DE NORA NORTH AMERICA, USA. Representative examples of the latter include CARBEL (registered trademark, Japan Gore-Tex, Japan), Japan. Examples thereof include TGP-H manufactured by Kunito Toray and carbon paper 2050 manufactured by SPCTRACORP.
A structure in which the electrode catalyst layer and the gas diffusion layer are integrated is called a “gas diffusion electrode”. MEA can also be obtained by joining the gas diffusion electrode to the polymer electrolyte membrane of the present invention. A typical example of a commercially available gas diffusion electrode is a gas diffusion electrode ELAT (registered trademark) manufactured by DE NORA NORTH AMERICA (using carbon cloth as a gas diffusion layer).

本発明の固体高分子型燃料電池は、上記膜/電極接合体を有するものである。
上記固体高分子電解質型燃料電池は、上記膜/電極接合体を有するものであれば特に限定されず、通常、固体高分子電解質型燃料電池を構成する電極、ガス等の構成成分を含むものであってよい。
The polymer electrolyte fuel cell of the present invention has the above membrane / electrode assembly.
The solid polymer electrolyte fuel cell is not particularly limited as long as it has the membrane / electrode assembly, and usually contains components such as electrodes and gas constituting the solid polymer electrolyte fuel cell. It may be.

本発明の安定化フルオロポリマー及びその加水分解体は、上述したように化学的安定性に優れるので、使用条件が通常過酷な固体高分子電解質型燃料電池等の燃料電池の電解質膜及びその材料としても長期間好適に用いることができる。 Since the stabilized fluoropolymer of the present invention and the hydrolyzate thereof are excellent in chemical stability as described above, as an electrolyte membrane and a material thereof for a fuel cell such as a solid polymer electrolyte fuel cell whose use conditions are usually severe. Can also be suitably used for a long time.

上述したキャスト製膜を行うことにより得られた膜、多孔性支持体上に形成された膜、活性物質固定体、高分子電解質膜又は固体高分子電解質型燃料電池は、何れも、安定化フルオロポリマーの加水分解体を用いてなるものである。上述の液状組成物は、安定化フルオロポリマーの加水分解体からなるものが好ましい。 Any of the membranes obtained by performing the cast membrane described above, the membrane formed on the porous support, the active substance immobilization body, the polymer electrolyte membrane, or the solid polymer electrolyte fuel cell are all stabilized fluorocarbons. A polymer hydrolyzate is used. The liquid composition described above is preferably composed of a hydrolyzate of a stabilized fluoropolymer.

本発明の高分子電解質膜は、上記固体高分子電解質型燃料電池の膜材としての用途のほかにも、例えば、リチウム電池用膜、食塩電解用膜、水電解用膜、ハロゲン化水素酸電解用膜、酸素濃縮器用膜、湿度センサー用膜、ガスセンサー用膜、分離膜等の電解質膜又はイオン交換膜の膜材として用いることができる。 The polymer electrolyte membrane of the present invention is used, for example, as a membrane material for the solid polymer electrolyte fuel cell, for example, a lithium battery membrane, a salt electrolysis membrane, a water electrolysis membrane, a hydrohalic acid electrolysis It can be used as a membrane material for electrolyte membranes or ion exchange membranes such as membranes for use, membranes for oxygen concentrators, membranes for humidity sensors, membranes for gas sensors, and separation membranes.

本発明の安定化フルオロポリマー製造方法は、スルホン酸由来基含有フルオロポリマーの不安定基を充分にフッ素化することができる。
本発明の安定化フルオロポリマーは、上述したように化学的安定性に優れるので、その加水分解体は、使用条件が通常過酷な固体高分子電解質型燃料電池等の燃料電池の電解質膜等の膜材又は電極に好適に用いることができ、排水中のフッ素イオンが少ない高耐久性の燃料電池膜又は電極を得ることができる。
The method for producing a stabilized fluoropolymer of the present invention can sufficiently fluorinate unstable groups of a sulfonic acid-derived group-containing fluoropolymer.
Since the stabilized fluoropolymer of the present invention is excellent in chemical stability as described above, the hydrolyzate thereof is a membrane such as an electrolyte membrane of a fuel cell such as a solid polymer electrolyte fuel cell in which use conditions are usually severe. A highly durable fuel cell membrane or electrode that can be suitably used for a material or an electrode and has a small amount of fluorine ions in waste water can be obtained.

以下に実施例を挙げて本発明を更に詳しく説明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited only to these examples.

測定方法
1.水分含有量測定方法
水分気化装置(商品名:ADP−351、京都電子工業社製)を用い、乾燥窒素をキャリアガスにして、サンプルを加熱して気化させた水分をカールフィッシャー式水分計に捕集し、電量滴定して水分量を測定した。
サンプル量は1g、測定温度は150℃とした。
Measuring method 1. Moisture content measurement method Using a moisture vaporizer (trade name: ADP-351, manufactured by Kyoto Electronics Industry Co., Ltd.), dry nitrogen was used as a carrier gas, and the moisture vaporized by heating the sample was captured by a Karl Fischer moisture meter. Collected and coulometrically titrated to determine moisture content.
The sample amount was 1 g, and the measurement temperature was 150 ° C.

2.IRによる官能基定量
ポリマーサンプルを270℃、10MPaにおいて20分間ヒートプレスして厚さ150〜200μmの膜を作成し、FT−IR分光器を用いてスペクトル測定した。
2. Functional group quantification by IR A polymer sample was heat-pressed at 270 ° C. and 10 MPa for 20 minutes to form a film having a thickness of 150 to 200 μm, and the spectrum was measured using an FT-IR spectrometer.

3.フェントン試薬による安定性試験
(1)フェントン処理1
ポリマーサンプルを270℃、10MPaにおいて20分間ヒートプレスした後、ポリマー側鎖の末端基をスルホン酸基に変換し安定性試験用膜とした。
テトラフルオロエチレン/パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)共重合体製のボトルに、FeSO・7HO 1mgを30質量%過酸化水素水溶液20mlに溶解させて入れ、安定性試験用膜3gを浸漬し、85℃で20時間保持した。その後、室温まで冷却して安定性試験用膜を取り出し、フッ素イオンメーター(ORION社製Expandable ion Analyzer EA940)を用いて液相のフッ素イオン濃度を測定した。
(2)フェントン処理2
鉄(II)陽イオンの初期濃度が2ppm且つ過酸化水素の初期濃度が1質量%である過酸化水素水溶液aリットルに高分子電解質膜bグラムを膜液比〔b/a〕3.2にて浸漬して80℃にて2時間保持した後、試料ポリマー(上記高分子電解質膜)を取り除き、液量を測定したあと、適宜イオンクロマト用蒸留水で希釈し、イオンクロマト法でフッ化物イオンF量を測定した。測定装置は日本国東ソー社製のIC−2001、陰イオン分析用カラムとして、日本国東ソー社製のTSKgel SuperIC−Anionを使用した。
溶出したフッ化物イオン量は、試料ポリマー質量100質量部当りの溶出したフッ化物イオンの質量で表した。
3. Stability test with Fenton reagent (1) Fenton treatment 1
The polymer sample was heat-pressed at 270 ° C. and 10 MPa for 20 minutes, and then the terminal group of the polymer side chain was converted to a sulfonic acid group to obtain a stability test membrane.
In a bottle made of a tetrafluoroethylene / perfluoro (alkyl vinyl ether) copolymer, 1 mg of FeSO 4 · 7H 2 O is dissolved in 20 ml of a 30% by mass hydrogen peroxide aqueous solution, and 3 g of a stability test film is immersed therein. Hold at 85 ° C. for 20 hours. Then, it cooled to room temperature, the film | membrane for stability tests was taken out, and the fluorine ion concentration of the liquid phase was measured using the fluorine ion meter (Expandable Analyzer Analyzer EA940 by ORION).
(2) Fenton treatment 2
The polymer electrolyte membrane b gram is set to a membrane liquid ratio [b / a] of 3.2 to a liter of aqueous hydrogen peroxide solution having an initial concentration of iron (II) cation of 2 ppm and an initial concentration of hydrogen peroxide of 1% by mass. After immersion and holding at 80 ° C. for 2 hours, the sample polymer (the polymer electrolyte membrane) is removed, and after measuring the liquid volume, it is diluted appropriately with distilled water for ion chromatography, and fluoride ions are obtained by ion chromatography. The F - amount was measured. The measuring apparatus used was IC-2001 manufactured by Tosoh Corporation of Japan, and TSKgel SuperIC-Anion manufactured by Tosoh Corporation of Japan as the anion analysis column.
The amount of eluted fluoride ions was expressed as the mass of eluted fluoride ions per 100 parts by mass of the sample polymer mass.

4.イオン交換当量重量Ewの測定方法
0.1gに切り出した高分子電解質膜を飽和NaCl水溶液30mlに25℃の温度下に浸漬し、攪拌しながら30分間放置した後、フェノールフタレインを指示薬として、pHメータ(日本国東興化学研究所社製:TPX−90)の値が6.95〜7.05の範囲の値を示す点を当量点として、0.01N水酸化ナトリウム水溶液を用いて中和滴定した。中和後得られたNa型電解質膜を純粋ですすいだ後、真空乾燥して秤量した。中和に要した水酸化ナトリウムの当量をM(mmol)、Na型電解質膜の重量をW(mg)とし、下記式によりイオン交換当量重量Ew(g/eq)を求めた。
Ew=(W/M)−22
4). Measurement Method of Ion Exchange Equivalent Weight Ew A polymer electrolyte membrane cut into 0.1 g was immersed in 30 ml of saturated NaCl aqueous solution at a temperature of 25 ° C. and allowed to stand for 30 minutes with stirring. Neutralization titration using 0.01N aqueous sodium hydroxide solution, with the point of the meter (made by Toko Chemical Laboratories, Japan: TPX-90) showing the value in the range of 6.95 to 7.05 as the equivalence point did. The Na-type electrolyte membrane obtained after neutralization was rinsed pure, then vacuum dried and weighed. The equivalent amount of sodium hydroxide required for neutralization was M (mmol), the weight of the Na-type electrolyte membrane was W (mg), and the ion exchange equivalent weight Ew (g / eq) was determined by the following formula.
Ew = (W / M) −22

5.19F固体核磁気共鳴測定方法
19F固体NMR測定は下記条件で行った。なお試料はNMR試験管内で膨潤溶剤に浸漬させながらNMR測定される。
・装置:ドイツ国Bruker Biospin社製 DSX400
・MAS回転数:4.8kHz
・観測周波数:376.5MHz
・化学シフト基準:CFCOOH(−77ppm)
・膨潤溶剤:N−メチルアセトアミド
・測定温度:473K
算出方法を以下に示す。主鎖末端−CF基(図1中a)は−79.7ppmに検出される。この積分強度をAとする。一方、側鎖のエーテルに隣接する−CF−(図2中b)の信号が−76.4ppmに観測される。この積分強度をBとする。該主鎖を構成する炭素原子10万個当りに存在する主鎖末端CF基の個数(X)は、このAとB及び前記4.記載のイオン交換当量重量Ewの測定方法により求めた試料のEwより下記式(III)を用いて計算することができる。
X=100000/[{(B/A)×3/2}×{2×(Ew−178−50×m)/100}+2] (III)
ここで、mは、一般式(II)に記載のmの値に従う。
5. 19 F solid state nuclear magnetic resonance measurement method
19 F solid state NMR measurement was performed under the following conditions. The sample is subjected to NMR measurement while being immersed in a swelling solvent in an NMR test tube.
・ Device: DSX400 manufactured by Bruker Biospin, Germany
-MAS rotation speed: 4.8 kHz
・ Observation frequency: 376.5 MHz
And chemical shift standard: CF 3 COOH (-77ppm)
Swelling solvent: N-methylacetamide Measurement temperature: 473K
The calculation method is shown below. The main chain terminal —CF 3 group (a in FIG. 1) is detected at −79.7 ppm. Let this integrated intensity be A. On the other hand, a signal of —CF 2 — (b in FIG. 2) adjacent to the side chain ether is observed at −76.4 ppm. Let this integrated intensity be B. The number (X) of main chain terminal CF 3 groups present per 100,000 carbon atoms constituting the main chain is represented by A and B and 4. It can calculate using the following formula (III) from Ew of the sample calculated | required by the measuring method of the ion exchange equivalent weight Ew of description.
X = 100000 / [{(B / A) × 3/2} × {2 × (Ew−178−50 × m) / 100} +2] (III)
Here, m follows the value of m described in the general formula (II).

6.燃料電池評価
高分子電解質膜の燃料電池評価を以下のように行った。まず、以下のように電極触媒層を作製する。Pt担持カーボン(日本国田中貴金属(株)社製TEC10E40E、Pt36.4wt%)1.00gに対し、5質量%フルオロポリマーを溶媒組成(質量比):エタノール/水=50/50)の溶液とし、更に11質量%に濃縮したポリマー溶液を3.31g添加、さらに3.24gのエタノールを添加した後、ホモジナイザーでよく混合して電極インクを得た。この電極インクをスクリーン印刷法にてPTFEシート上に塗布した。塗布量は、Pt担持量及びポリマー担持量共に0.15mg/cmになる塗布量と、Pt担持量及びポリマー担持量共に0.30mg/cmになる塗布量の2種類とした。塗布後、室温下で1時間、空気中120℃にて1時間、乾燥を行うことにより厚み10μm程度の電極触媒層を得た。これらの電極触媒層のうち、Pt担持量及びポリマー担持量が共に0.15mg/cmのものをアノード触媒層とし、Pt担持量及びポリマー担持量が共に0.30mg/cmのものをカソード触媒層とした。
このようにして得たアノード触媒層とカソード触媒層を向い合わせて、その間に高分子電解質膜を挟み込み、160℃、面圧0.1MPaでホットプレスすることにより、アノード触媒層とカソード触媒層を高分子電解質膜に転写、接合してMEAを作製した。
6). Fuel cell evaluation The fuel cell evaluation of the polymer electrolyte membrane was performed as follows. First, an electrode catalyst layer is prepared as follows. With respect to 1.00 g of Pt-supported carbon (TEC10E40E, Pt 36.4 wt%, manufactured by Nippon Kuninaka Naka Kikinzoku Co., Ltd.), a 5 mass% fluoropolymer was used as a solvent composition (mass ratio: ethanol / water = 50/50). Further, 3.31 g of a polymer solution concentrated to 11% by mass was added, and further 3.24 g of ethanol was added, and then mixed well with a homogenizer to obtain an electrode ink. This electrode ink was applied on a PTFE sheet by a screen printing method. There were two types of coating amounts: a coating amount in which both the Pt loading amount and the polymer loading amount were 0.15 mg / cm 2, and a coating amount in which both the Pt loading amount and the polymer loading amount were 0.30 mg / cm 2 . After coating, the electrode catalyst layer having a thickness of about 10 μm was obtained by drying at room temperature for 1 hour and in air at 120 ° C. for 1 hour. Of these electrode catalyst layers, those having both Pt loading and polymer loading of 0.15 mg / cm 2 are anode catalyst layers, and those having both Pt loading and polymer loading of 0.30 mg / cm 2 are cathodes. A catalyst layer was obtained.
The anode catalyst layer and the cathode catalyst layer thus obtained are faced to each other, a polymer electrolyte membrane is sandwiched between them, and hot pressing is performed at 160 ° C. and a surface pressure of 0.1 MPa. An MEA was produced by transferring and joining to a polymer electrolyte membrane.

このMEAの両側(アノード触媒層とカソード触媒層の外表面)にガス拡散層としてカーボンクロス(米国DE NORA NORTH AMERICA社製ELAT(登録商標)B−1)をセットして評価用セルに組み込んだ。この評価用セルを評価装置(日本国(株)東陽テクニカ社製燃料電池評価システム890CL)にセットして80℃に昇温した後、アノード側に水素ガスを150cc/min、カソード側に空気ガスを400cc/minで流した。ガス加湿には水バブリング方式を用い、水素ガスは80℃、空気ガスは50℃で加湿してセルへ供給した状態にて、電流密度−電圧曲線を測定して初期特性を調べた。 A carbon cloth (ELAT (registered trademark) B-1 manufactured by DE NORA NORTH AMERICA, USA) was set as a gas diffusion layer on both sides of the MEA (the outer surfaces of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer) and incorporated in the evaluation cell. . This evaluation cell was set in an evaluation device (Fuel Cell Evaluation System 890CL manufactured by Toyo Technica Co., Ltd., Japan) and heated to 80 ° C., then hydrogen gas at 150 cc / min on the anode side and air gas on the cathode side At 400 cc / min. A water bubbling system was used for gas humidification, and the initial characteristics were examined by measuring a current density-voltage curve in a state where the gas was humidified at 80 ° C. and the air gas was humidified at 50 ° C. and supplied to the cell.

初期特性を調べた後、耐久性試験をセル温度100℃で行った。いずれの場合もアノード、カソード共にガス加湿温度は60℃とした。セル温度が100℃の場合、アノード側に水素ガスを74cc/min、カソード側に空気ガスを102cc/minで流し、アノード側を0.30MPa(絶対圧力)、カソード側を0.15MPa(絶対圧力)で加圧した状態で、電流密度0.3A/cmで発電した。このとき膜や電極中のポリマーが劣化するとアノード側及びカソード側の排水中のフッ素イオン濃度が増加するので、排水中のフッ素イオン濃度をベンチトップ型pHイオンメーターモデル920Aplusのモデル9609BNionplusフッ素複合電極(日本国メディトリアル社製)を用いて経時的に測定した。
耐久性試験において、高分子電解質膜にピンホールが生じると、水素ガスがカソード側へ大量にリークするというクロスリークと呼ばれる現象が起きる。このクロスリーク量を調べるため、カソード側排気ガス中の水素濃度をマイクロGC(オランダ国Varian社製CP4900)にて測定し、この測定値が初期の10倍以上になった時点で試験終了とした。
7.メルトインデックス〔MI〕の測定方法
MIの測定は、フルオロポリマーを、JIS K 7210に従って270℃、荷重2.16kgの条件下で、日本国東洋精機社製MELT INDEXER TYPE C−5059Dを用いて測定した。押し出されたポリマーの重量を10分間あたりのグラム数で表した。
After examining the initial characteristics, a durability test was performed at a cell temperature of 100 ° C. In either case, the gas humidification temperature was 60 ° C. for both the anode and the cathode. When the cell temperature is 100 ° C., hydrogen gas is flowed at 74 cc / min on the anode side and air gas is flowed at 102 cc / min on the cathode side, 0.30 MPa (absolute pressure) on the anode side, and 0.15 MPa (absolute pressure) on the cathode side. ) Was pressed at a current density of 0.3 A / cm 2 . At this time, if the polymer in the membrane or the electrode deteriorates, the fluorine ion concentration in the drainage on the anode side and the cathode side increases. Therefore, the fluorine ion concentration in the drainage is changed to the model 9609BNionplus fluorine composite electrode of the bench top type pH ion meter model 920Aplus ( (Manufactured by Japan Medical Company)).
In the durability test, when a pinhole is generated in the polymer electrolyte membrane, a phenomenon called cross leak occurs in which a large amount of hydrogen gas leaks to the cathode side. In order to investigate the amount of cross leak, the hydrogen concentration in the cathode side exhaust gas was measured with a micro GC (CP4900 manufactured by Varian, the Netherlands), and the test was terminated when the measured value was 10 times or more of the initial value. .
7). Melt Index [MI] Measurement Method MI was measured using a MELT INDEXER TYPE C-5059D manufactured by Toyo Seiki Co., Ltd. under conditions of 270 ° C. and a load of 2.16 kg according to JIS K 7210. . The weight of the extruded polymer was expressed in grams per 10 minutes.

実施例1
(1)ポリマー合成
容積3000mlのステンレス製攪拌式オートクレーブに、C15COONHの10%水溶液300gと純水1170gを仕込み、充分に真空、窒素置換を行った。オートクレーブを充分に真空にした後、テトラフルオロエチレン〔TFE〕ガスをゲージ圧力で0.2MPaまで導入し、50℃まで昇温した。その後、CF=CFOCFCFSOFを100g注入し、TFEガスを導入してゲージ圧力で0.7MPaまで昇圧した。引き続き0.5gの過硫酸アンモニウム[APS]を60gの純水に溶解した水溶液を注入して重合を開始した。
重合により消費されたTFEを補給するため、連続的にTFEを供給してオートクレーブの圧力を0.7MPaに保つようにした。さらに供給したTFEに対して、質量比で0.53倍に相当する量のCF=CFOCFCFSOFを連続的に供給して重合を継続した。
供給したTFEが522gになった時点で、オートクレーブの圧力を開放し、重合を停止した。その後室温まで冷却し、SOFを含む過フッ化ポリマーを約33質量%含有する、やや白濁した水性分散体2450gを得た。
上記水性分散体を、硝酸で凝析させ、水洗し、90℃で24時間乾燥し、更に120℃で12時間乾燥して含フッ素ポリマーA800gを得た。
次に、得られた含フッ素ポリマーAの1gを、150℃に熱した管状炉に直ちに入れて水分を揮発させ、乾燥窒素をキャリアガスとしてカールフィッシャー水分測定装置に導入して水分量を測定したところ、質量で200ppmであった。
また、300℃における高温NMR測定の結果、含フッ素ポリマーA中のCF=CFOCFCFSOF単位の含有率は19モル%であった。
上記含フッ素ポリマーAを、270℃、10MPaにおいて20分間ヒートプレスして、170μmの厚みを有する透明な膜を得た。
IR測定の結果、スルホン酸に由来するピークは観測されなかった。また、カルボキシル基に由来するピーク〔x〕と、−CF−に由来するピーク〔y〕との強度比〔x/y〕は0.23であった。
Example 1
(1) Polymer synthesis
A stainless steel stirring autoclave with a capacity of 3000 ml was charged with 300 g of a 10% aqueous solution of C 7 F 15 COONH 4 and 1170 g of pure water, and sufficiently subjected to vacuum and nitrogen substitution. After the autoclave was fully evacuated, tetrafluoroethylene [TFE] gas was introduced to a gauge pressure of 0.2 MPa, and the temperature was raised to 50 ° C. Thereafter, 100 g of CF 2 = CFOCF 2 CF 2 SO 2 F was injected, and TFE gas was introduced to increase the pressure to 0.7 MPa with a gauge pressure. Subsequently, an aqueous solution in which 0.5 g of ammonium persulfate [APS] was dissolved in 60 g of pure water was injected to initiate polymerization.
In order to replenish TFE consumed by the polymerization, TFE was continuously supplied to keep the pressure of the autoclave at 0.7 MPa. Furthermore, the amount of CF 2 = CFOCF 2 CF 2 SO 2 F corresponding to 0.53 times the mass ratio was continuously supplied to the supplied TFE to continue the polymerization.
When the supplied TFE reached 522 g, the pressure in the autoclave was released and the polymerization was stopped. Thereafter, the mixture was cooled to room temperature to obtain 2450 g of a slightly cloudy aqueous dispersion containing about 33% by mass of a perfluorinated polymer containing SO 2 F.
The aqueous dispersion was coagulated with nitric acid, washed with water, dried at 90 ° C. for 24 hours, and further dried at 120 ° C. for 12 hours to obtain fluorinated polymer A 800 g.
Next, 1 g of the obtained fluorinated polymer A was immediately put into a tube furnace heated to 150 ° C. to evaporate the moisture, and dry nitrogen was introduced as a carrier gas into a Karl Fischer moisture measuring device to measure the amount of moisture. However, the mass was 200 ppm.
As a result of high-temperature NMR measurement at 300 ° C., the content of CF 2 ═CFOCF 2 CF 2 SO 2 F units in the fluoropolymer A was 19 mol%.
The fluoropolymer A was heat pressed at 270 ° C. and 10 MPa for 20 minutes to obtain a transparent film having a thickness of 170 μm.
As a result of IR measurement, no peak derived from sulfonic acid was observed. In addition, the intensity ratio [x / y] between the peak [x] derived from the carboxyl group and the peak [y] derived from —CF 2 — was 0.23.

(2)フッ素化
容積1000mlのオートクレーブ(ハステロイ製)に水分含有量200ppmの上記含フッ素ポリマーA 200gを入れ、真空脱気しながら120℃に昇温した。真空、窒素置換を3回繰り返した後、窒素をゲージ圧0MPaまで導入した。引き続き、フッ素ガスを窒素ガスで20容積%に希釈し得られたガス状フッ素化剤をゲージ圧が0.1MPaになるまで導入して、30分保持した。
次に、オートクレーブ内のフッ素を排気し、真空引きした後、フッ素ガスを窒素ガスで20容積%に希釈し得られたガス状フッ素化剤をゲージ圧が0.1MPaになるまで導入して、3時間保持した。
その後、室温まで冷却し、オートクレーブ内のフッ素を排気し、真空、窒素置換を3回繰り返した後、オートクレーブを開放し、安定化フルオロポリマーBを得た。
上記安定化フルオロポリマーBを、270℃、10MPaにおいて20分間ヒートプレスして、170μmの厚みを有する透明な膜を得た。
IR測定の結果、スルホン酸に由来するピークは観測されなかった。また、カルボキシル基に由来するピーク〔x〕と、−CF−に由来するピーク〔y〕との強度比〔x/y〕は0.03であった。
得られた安定化フルオロポリマーをメルトインデックス計〔MI計〕で、270℃、5kgの荷重をかけて押し出しストランドを得た。得られたストランドを再度MI計で押し出す操作を2回繰り返した後のストランドは、殆ど着色していなかった。
(2) 200 g of the above-mentioned fluorinated polymer A having a water content of 200 ppm was placed in an autoclave (manufactured by Hastelloy) having a fluorination volume of 1000 ml, and the temperature was raised to 120 ° C. while vacuum degassing. After repeating vacuum and nitrogen replacement three times, nitrogen was introduced to a gauge pressure of 0 MPa. Subsequently, a gaseous fluorinating agent obtained by diluting fluorine gas with nitrogen gas to 20% by volume was introduced until the gauge pressure became 0.1 MPa, and held for 30 minutes.
Next, after exhausting the fluorine in the autoclave and evacuating, a gaseous fluorinating agent obtained by diluting the fluorine gas with nitrogen gas to 20% by volume was introduced until the gauge pressure became 0.1 MPa, Hold for 3 hours.
Then, it cooled to room temperature, the fluorine in an autoclave was exhausted, and after repeating vacuum and nitrogen substitution 3 times, the autoclave was open | released and the stabilized fluoropolymer B was obtained.
The stabilized fluoropolymer B was heat-pressed at 270 ° C. and 10 MPa for 20 minutes to obtain a transparent film having a thickness of 170 μm.
As a result of IR measurement, no peak derived from sulfonic acid was observed. Further, the intensity ratio [x / y] between the peak [x] derived from the carboxyl group and the peak [y] derived from —CF 2 — was 0.03.
The obtained stabilized fluoropolymer was extruded with a melt index meter (MI meter) at a load of 270 ° C. and 5 kg to obtain an extruded strand. The strand after the operation of extruding the obtained strand again with the MI meter was repeated twice was hardly colored.

比較例1
実施例1で得られた含フッ素ポリマーAを、空気中で2日間放置し、水分量を測定したところ、700ppmであった。
このポリマーを実施例1と同様にフッ素化して含フッ素ポリマーCを得た。含フッ素ポリマーCを得たオートクレーブの上部は緑色に変色しており、腐食が進んでいることがわかった。
得られた含フッ素ポリマーCを、270℃、10MPaにおいて20分間ヒートプレスして、160μmの厚みを有する透明な膜を得た。
IR測定の結果、スルホン酸に由来するピーク〔z〕と、−CF−に由来するピーク〔y〕との強度比〔z/y〕は、0.03であった。また、カルボキシル基に由来するピーク〔x〕と、−CF−に由来するピーク〔y〕との強度比〔x/y〕は、0.14であった。
得られた含フッ素ポリマーCをMI計で270℃、5kgの荷重をかけて押し出しストランドを得た。得られたストランドを再度MI計で押し出す操作を2回繰り返した後のストランドは、濃い茶色に着色していた。
以上の結果から、含水量が500ppm以下の含フッ素ポリマーAをフッ素化した実施例1は、含水量が700ppmの比較例1に比べて、末端を安定化することができた。また、含フッ素ポリマーの着色が抑制されていることがわかった。
Comparative Example 1
The fluorine-containing polymer A obtained in Example 1 was left in the air for 2 days, and the water content was measured and found to be 700 ppm.
This polymer was fluorinated in the same manner as in Example 1 to obtain fluorinated polymer C. The upper part of the autoclave from which the fluoropolymer C was obtained was discolored in green, indicating that the corrosion was progressing.
The obtained fluoropolymer C was heat-pressed at 270 ° C. and 10 MPa for 20 minutes to obtain a transparent film having a thickness of 160 μm.
As a result of IR measurement, the intensity ratio [z / y] between the peak [z] derived from sulfonic acid and the peak [y] derived from —CF 2 — was 0.03. Further, the intensity ratio [x / y] between the peak [x] derived from the carboxyl group and the peak [y] derived from —CF 2 — was 0.14.
The obtained fluoropolymer C was extruded with an MI meter at a load of 270 ° C. and 5 kg to obtain an extruded strand. The strand after the operation of extruding the obtained strand again with the MI meter was repeated twice was colored dark brown.
From the above results, Example 1 in which the fluorinated polymer A having a water content of 500 ppm or less was fluorinated was able to stabilize the terminal as compared with Comparative Example 1 having a water content of 700 ppm. Moreover, it turned out that coloring of a fluorine-containing polymer is suppressed.

実施例2
実施例1(2)で得られた膜を、20%水酸化ナトリウム水溶液中、90℃で24時間処理した後水洗した。引き続き、6規定硫酸中、60℃で24時間処理した。その後洗浄液が中性になるまで水洗して、スルホン酸型の膜を得た。
この膜を110℃で充分に乾燥した後3gを採取し、フェントン処理1による安定性試験を行った結果、フッ素イオン濃度は5ppmであった。
Example 2
The membrane obtained in Example 1 (2) was treated in a 20% aqueous sodium hydroxide solution at 90 ° C. for 24 hours and then washed with water. Subsequently, it was treated in 6N sulfuric acid at 60 ° C. for 24 hours. Thereafter, the membrane was washed with water until the washing solution became neutral to obtain a sulfonic acid type membrane.
This film was sufficiently dried at 110 ° C., and 3 g was collected and subjected to a stability test by Fenton treatment 1. As a result, the fluorine ion concentration was 5 ppm.

比較例2
スルホン酸由来基含有フルオロポリマーとしてCF=CFOCFCF(CF)OCFCFSOFを重合してなるポリマー膜(商品名:ナフィオン117、デュポン社製)を用い、実施例2と同様にフェントン処理1による安定性試験を行ったところ、フッ素イオン濃度は20ppmであった。
上記安定性試験の結果から、CF=CFOCFCFSOFとTFEを共重合して得られ、さらにその末端を安定化したポリマーは、CF=CFOCFCF(CF)OCFCFSOFを用いたポリマーに対して安定性に優れることがわかった。
Comparative Example 2
Using a polymer film (trade name: Nafion 117, manufactured by DuPont) obtained by polymerizing CF 2 = CFOCF 2 CF (CF 3 ) OCF 2 CF 2 SO 2 F as a sulfonic acid-derived group-containing fluoropolymer, Example 2 Similarly, when the stability test by Fenton treatment 1 was performed, the fluorine ion concentration was 20 ppm.
From the results of the above stability test, a polymer obtained by copolymerizing CF 2 = CFOCF 2 CF 2 SO 2 F and TFE and further stabilizing the terminal is CF 2 = CFOCF 2 CF (CF 3 ) OCF 2 It was found that the polymer using CF 2 SO 2 F is excellent in stability.

実施例3
(1)ポリマー合成
容積3000mlのステンレス製攪拌式オートクレーブを、充分に真空、窒素置換した後、オートクレーブを充分に真空にしてから、パーフルオロヘキサンを1530gとCF=CFOCFCFSOFを990g仕込み、25℃に温調した。ここにテトラフルオロエチレン〔TFE〕ガスをゲージ圧力で0.30MPaまで導入し、引き続き重合開始剤(CCOO)の10質量%パーフルオロヘキサン溶液13.14gを圧入して重合反応を開始した。
重合により消費されたTFEを補給するため、連続的にTFEを供給してオートクレーブの圧力を0.30MPaに保つようにした。CF=CFOCFCFSOFを断続的に計47g供給して重合を継続した。
供給したTFEが73gになった時点で、オートクレーブの圧力を開放し、重合を停止した。
重合反応終了後、クロロホルムを1500ml投入し、10分間攪拌させた。次に、遠心分離器を用いて固液分離し、その固形分にクロロホルムを1500ml投入し、10分間攪拌させた。この操作を3回行い、ポリマーを洗浄した。次に、この洗浄ポリマーを120℃真空下で残留クロロホルムを除去し、128gの含フッ素ポリマーDを得た。
Example 3
(1) A stainless steel stirred autoclave with a polymer synthesis volume of 3000 ml was sufficiently vacuumed and replaced with nitrogen, and then the autoclave was fully evacuated. Then, 1530 g of perfluorohexane and CF 2 = CFOCF 2 CF 2 SO 2 F were added. 990 g was charged and the temperature was adjusted to 25 ° C. Tetrafluoroethylene [TFE] gas was introduced here to a gauge pressure of 0.30 MPa, and then 13.14 g of a 10 mass% perfluorohexane solution of a polymerization initiator (C 3 F 7 COO) 2 was injected to carry out the polymerization reaction. Started.
In order to replenish the TFE consumed by the polymerization, TFE was continuously supplied to keep the pressure of the autoclave at 0.30 MPa. CF 2 = CFOCF a 2 CF 2 SO 2 F was intermittently meter 47g supply was continued polymerization.
When the supplied TFE reached 73 g, the pressure in the autoclave was released and the polymerization was stopped.
After completion of the polymerization reaction, 1500 ml of chloroform was added and stirred for 10 minutes. Next, solid-liquid separation was performed using a centrifuge, and 1500 ml of chloroform was added to the solid content and stirred for 10 minutes. This operation was performed three times to wash the polymer. Next, residual chloroform was removed from the washed polymer under vacuum at 120 ° C. to obtain 128 g of fluorinated polymer D.

次に、得られた含フッ素ポリマーDの1gを、150℃に熱した管状炉に直ちに入れて水分を揮発させ、乾燥窒素をキャリアガスとしてカールフィッシャー水分測定装置に導入して水分量を測定したところ、質量で50ppmであった。
また、300℃における高温NMR測定の結果、含フッ素ポリマーD中のCF=CFOCFCFSOF単位の含有率は18モル%であった。
上記含フッ素ポリマーDを、270℃、10MPaにおいて20分間ヒートプレスして、160μmの厚みを有する透明な膜を得た。
IR測定の結果、スルホン酸に由来するピークは観測されなかった。また、カルボキシル基に由来するピーク〔x〕と、−CF−に由来するピーク〔y〕との強度比〔x/y〕は0.08であった。
Next, 1 g of the obtained fluoropolymer D was immediately put into a tube furnace heated to 150 ° C. to volatilize water, and dry nitrogen was introduced as a carrier gas into a Karl Fischer moisture measuring device to measure the amount of moisture. However, the mass was 50 ppm.
As a result of high-temperature NMR measurement at 300 ° C., the content of CF 2 ═CFOCF 2 CF 2 SO 2 F units in the fluoropolymer D was 18 mol%.
The fluoropolymer D was heat pressed at 270 ° C. and 10 MPa for 20 minutes to obtain a transparent film having a thickness of 160 μm.
As a result of IR measurement, no peak derived from sulfonic acid was observed. Further, the intensity ratio [x / y] between the peak [x] derived from the carboxyl group and the peak [y] derived from —CF 2 — was 0.08.

(2)フッ素化
含フッ素ポリマーD100gを実施例1と同様に処理し、安定化フルオロポリマーEを得た。
実施例1と同様にヒートプレスを実施して薄膜を作成し、IR測定した結果、スルホン酸に由来するピーク及びカルボキシル基に由来するピークは観測されなかった。
(2) A fluorinated fluoropolymer D (100 g) was treated in the same manner as in Example 1 to obtain a stabilized fluoropolymer E.
As a result of performing heat press in the same manner as in Example 1 to prepare a thin film and performing IR measurement, a peak derived from a sulfonic acid and a peak derived from a carboxyl group were not observed.

実施例4
安定化フルオロポリマーEの薄膜を、実施例2と同様に処理して、スルホン酸型の膜を得た。
この膜を110℃で充分に乾燥した後3gを採取し、上記フェントン処理1を行った結果、フッ素イオン濃度は5ppmであった。
Example 4
The thin film of stabilized fluoropolymer E was treated in the same manner as in Example 2 to obtain a sulfonic acid type film.
After the membrane was sufficiently dried at 110 ° C., 3 g was collected and subjected to the Fenton treatment 1. As a result, the fluorine ion concentration was 5 ppm.

実施例5
(1)ポリマー合成
容積6Lのステンレス製攪拌式オートクレーブに、C15COONHの10%水溶液150gと純水2840gを仕込み、充分に真空、窒素置換を行った。オートクレーブを充分に真空にした後、テトラフルオロエチレン〔TFE〕ガスをゲージ圧力で0.2MPaまで導入し、50℃まで昇温した。その後、CF=CFOCFCFSOFを180g注入し、TFEガスを導入してゲージ圧力で0.7MPaまで昇圧した。引き続き1.5gの過硫酸アンモニウム[APS]を20gの純水に溶解した水溶液を注入して重合を開始した。
重合により消費されたTFEを補給するため、連続的にTFEを供給してオートクレーブの圧力を0.7MPaに保つようにした。さらに供給したTFEに対して、質量比で0.70倍に相当する量のCF=CFOCFCFSOFを連続的に供給して重合を継続した。
供給したTFEが920gになった時点で、オートクレーブの圧力を開放し、重合を停止した。その後室温まで冷却し、SOFを含む過フッ化ポリマーを約32質量%含有する、やや白濁した水性分散体4650gを得た。
上記水性分散体を、硝酸で凝析させ、水洗し、90℃で24時間乾燥し、更に120℃で12時間乾燥して含フッ素ポリマーF1500gを得た。
Example 5
(1) A stainless steel stirring autoclave having a polymer synthesis volume of 6 L was charged with 150 g of a 10% aqueous solution of C 7 F 15 COONH 4 and 2840 g of pure water, and sufficiently subjected to vacuum and nitrogen substitution. After the autoclave was fully evacuated, tetrafluoroethylene [TFE] gas was introduced to a gauge pressure of 0.2 MPa, and the temperature was raised to 50 ° C. Thereafter, 180 g of CF 2 = CFOCF 2 CF 2 SO 2 F was injected, TFE gas was introduced, and the pressure was increased to 0.7 MPa with a gauge pressure. Subsequently, an aqueous solution in which 1.5 g of ammonium persulfate [APS] was dissolved in 20 g of pure water was injected to initiate polymerization.
In order to replenish TFE consumed by the polymerization, TFE was continuously supplied to keep the pressure of the autoclave at 0.7 MPa. Against further supplied to the TFE, the polymerization was continued by continuously supplying the amount of CF 2 = CFOCF 2 CF 2 SO 2 F , which corresponds to 0.70 times by mass ratio.
When the supplied TFE reached 920 g, the pressure in the autoclave was released and the polymerization was stopped. Thereafter, the mixture was cooled to room temperature to obtain 4650 g of a slightly cloudy aqueous dispersion containing about 32% by mass of a perfluorinated polymer containing SO 2 F.
The aqueous dispersion was coagulated with nitric acid, washed with water, dried at 90 ° C. for 24 hours, and further dried at 120 ° C. for 12 hours to obtain 1500 g of a fluoropolymer F.

次に、得られた含フッ素ポリマーFの1gを、150℃に熱した管状炉に直ちに入れて水分を揮発させ、乾燥窒素をキャリアガスとしてカールフィッシャー水分測定装置に導入して水分量を測定したところ、質量で150ppmであった。
また、300℃における高温NMR測定の結果、含フッ素ポリマーF中のCF=CFOCFCFSOF単位の含有率は18.6モル%であった。
上記フルオロポリマーFを、270℃、10MPaにおいて20分間ヒートプレスして、170μmの厚みを有する透明な膜を得た。IR測定の結果、スルホン酸に由来するピーク〔z〕と、−CF−に由来するピーク〔y〕との強度比〔z/y〕は、0.05であった。また、カルボキシル基に由来するピーク〔x〕と、−CF−に由来するピーク〔y〕との強度比〔x/y〕は、0.20であった。
Next, 1 g of the obtained fluoropolymer F was immediately put into a tubular furnace heated to 150 ° C. to volatilize water, and dry nitrogen was introduced as a carrier gas into a Karl Fischer moisture measuring device to measure the amount of water. However, the mass was 150 ppm.
As a result of high-temperature NMR measurement at 300 ° C., the content of CF 2 ═CFOCF 2 CF 2 SO 2 F units in the fluoropolymer F was 18.6 mol%.
The fluoropolymer F was heat-pressed at 270 ° C. and 10 MPa for 20 minutes to obtain a transparent film having a thickness of 170 μm. As a result of IR measurement, the intensity ratio [z / y] between the peak [z] derived from sulfonic acid and the peak [y] derived from —CF 2 — was 0.05. Further, the intensity ratio [x / y] between the peak [x] derived from the carboxyl group and the peak [y] derived from —CF 2 — was 0.20.

(2)フッ素化
引き続き、容積3Lのハステロイ製オートクレーブに上記含フッ素ポリマーF700gを入れ、真空脱気しながら120℃に昇温した。真空、窒素置換を3回繰り返した後、窒素をゲージ圧−0.5MPaまで導入した。引き続き、フッ素ガスを窒素ガスで20容積%に希釈し得られたガス状フッ素化剤をゲージ圧が0MPaになるまで導入して、30分保持した。
次に、オートクレーブ内のフッ素を排気し、真空引きした後、フッ素ガスを窒素ガスで20容積%に希釈し得られたガス状フッ素化剤をゲージ圧が0MPaになるまで導入して、3時間保持した。
その後、室温まで冷却し、オートクレーブ内のフッ素を排気し、真空、窒素置換を3回繰り返した後、オートクレーブを開放し、安定化フルオロポリマーGを得た。
上記安定化フルオロポリマーGを、270℃、10MPaにおいて20分間ヒートプレスして、170μmの厚みを有する透明な膜を得た。
IR測定の結果、スルホン酸に由来するピーク、及びカルボキシル基に由来するピークはともに観測されなかった。
(2) Fluorination Subsequently, 700 g of the above-mentioned fluoropolymer F was put into a 3 L Hastelloy autoclave and heated to 120 ° C. while vacuum degassing. After repeating vacuum and nitrogen substitution three times, nitrogen was introduced to a gauge pressure of -0.5 MPa. Subsequently, a gaseous fluorinating agent obtained by diluting the fluorine gas with nitrogen gas to 20% by volume was introduced until the gauge pressure reached 0 MPa and held for 30 minutes.
Next, after the fluorine in the autoclave is evacuated and evacuated, a gaseous fluorinating agent obtained by diluting the fluorine gas to 20% by volume with nitrogen gas is introduced until the gauge pressure becomes 0 MPa, and 3 hours Retained.
Then, it cooled to room temperature, the fluorine in an autoclave was exhausted, and after repeating vacuum and nitrogen substitution 3 times, the autoclave was open | released and the stabilized fluoropolymer G was obtained.
The stabilized fluoropolymer G was heat-pressed at 270 ° C. and 10 MPa for 20 minutes to obtain a transparent film having a thickness of 170 μm.
As a result of IR measurement, neither a peak derived from sulfonic acid nor a peak derived from a carboxyl group was observed.

この安定化ポリマーGのMIは、3.5(g/10分)であった。そして安定化フルオロポリマーGをTダイによる280℃の押し出し溶融成形により50μm厚の薄膜を得た。この薄膜を実施例2と同様に処理して、スルホン酸型の膜を得た。このスルホン酸型の膜を前述のイオン交換当量重量Ewの測定方法に従ってEwを測定した結果、720(g/eq)であった。また、19F固体核磁気共鳴測定方法に従って測定した結果、B/A=302.1、X=20.4(前記一般式(II)でm=2)であった。
更に、このスルホン酸型の膜の上記フェントン処理2を行った結果、フッ化物イオンは膜100質量部に対し3.1×10−4質量部であった。
次に、この電解質膜を用いて前述の方法に従い膜/電極接合体(MEA)を作製した。このとき電極に使用したフルオロポリマーも電解質膜と同じ安定化フルオロポリマーGをスルホン酸型に処理したポリマーを用いた。
このMEAを評価用セルに組み込み、セル温度80℃における初期特性を前述の方法に従い測定したところ、電圧(V)と電流密度(A/cm)の関係において、0.5A/cmで0.77V、1.0A/cmで0.68V、1.5A/cmで0.55Vと非常に高いセル性能が得られた。
また、100℃での耐久性試験においては、550時間の運転ができ、高い耐久性が得られた。50時間経過後の排水中のフッ素イオン濃度は、カソード側で0.16ppm、アノード側で0.23ppmであった。また、400時間後の排水中のフッ素イオン濃度は、カソード側で0.22ppm、アノード側で0.48ppmであった。
The MI of this stabilizing polymer G was 3.5 (g / 10 minutes). The stabilized fluoropolymer G was extruded and melt molded at 280 ° C. with a T die to obtain a thin film having a thickness of 50 μm. This thin film was treated in the same manner as in Example 2 to obtain a sulfonic acid type membrane. The Ew of this sulfonic acid type membrane was measured according to the above-described method for measuring the ion exchange equivalent weight Ew. As a result, it was 720 (g / eq). Moreover, as a result of measuring according to the 19 F solid nuclear magnetic resonance measuring method, it was B / A = 302.1, X = 20.4 (m = 2 in the said general formula (II)).
Furthermore, as a result of performing the Fenton treatment 2 on this sulfonic acid type membrane, the fluoride ion was 3.1 × 10 −4 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the membrane.
Next, using this electrolyte membrane, a membrane / electrode assembly (MEA) was produced according to the method described above. At this time, the fluoropolymer used for the electrode was a polymer obtained by treating the same stabilized fluoropolymer G as the electrolyte membrane into a sulfonic acid type.
When this MEA was incorporated into an evaluation cell and the initial characteristics at a cell temperature of 80 ° C. were measured according to the method described above, the relationship between voltage (V) and current density (A / cm 2 ) was 0 at 0.5 A / cm 2 . A very high cell performance of 0.68 V at .77 V, 1.0 A / cm 2 and 0.55 V at 1.5 A / cm 2 was obtained.
Further, in the durability test at 100 ° C., the operation for 550 hours was possible, and high durability was obtained. The concentration of fluorine ions in the waste water after 50 hours was 0.16 ppm on the cathode side and 0.23 ppm on the anode side. The fluorine ion concentration in the waste water after 400 hours was 0.22 ppm on the cathode side and 0.48 ppm on the anode side.

比較例3
含フッ素ポリマーFに対し、フッ素化未処理である以外は全く同様に作製したポリマーを、実施例5と同様にTダイによる280℃の押し出し溶融成形により50μm厚の薄膜を得た。この含フッ素ポリマーFのMIは、3.5(g/10分)であった。この薄膜を実施例2と同様に処理して、スルホン酸型の膜を得た。
このスルホン酸型の膜を前述のイオン交換当量重量Ewの測定方法に従ってEwを測定した結果、720(g/eq)であった。また、19F固体核磁気共鳴測定方法に従って測定した結果、B/A=∞、X=0(前記一般式(II)でm=2)であった。更に、このスルホン酸型の膜の上記フェントン処理2を行った結果、フッ化物イオンは膜100質量部に対し13.3×10−4質量部であった。
次に、この電解質膜を用いて前述の方法に従い膜/電極接合体(MEA)を作製した。このとき電極に使用したフルオロポリマーも電解質膜と同じフッ素化未処理である含フッ素ポリマーFをスルホン酸型に処理したポリマーを用いた。
このMEAを評価用セルに組み込み、セル温度80℃における初期特性を前述の方法に従い測定したところ、電圧(V)と電流密度(A/cm)の関係において、0.5A/cmで0.72V、1.0A/cmで0.44V、1.5A/cmでは運転不能であった。
また、100℃での耐久性試験においては、85時間の運転でクロスリークにより運転が終了した。50時間経過後の排水中のフッ素イオン濃度は、カソード側で2.8ppm、アノード側で6.1ppmであった。
Comparative Example 3
A polymer produced in exactly the same manner as the fluorinated polymer F except that it was untreated with fluorination was subjected to extrusion melt molding at 280 ° C. with a T die in the same manner as in Example 5 to obtain a thin film having a thickness of 50 μm. The MI of this fluoropolymer F was 3.5 (g / 10 min). This thin film was treated in the same manner as in Example 2 to obtain a sulfonic acid type membrane.
The Ew of this sulfonic acid type membrane was measured according to the above-described method for measuring the ion exchange equivalent weight Ew. As a result, it was 720 (g / eq). Moreover, as a result of measuring according to the 19 F solid state nuclear magnetic resonance measuring method, it was B / A = ∞ and X = 0 (m = 2 in the general formula (II)). Furthermore, as a result of performing the Fenton treatment 2 on the sulfonic acid type membrane, the fluoride ion was 13.3 × 10 −4 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the membrane.
Next, using this electrolyte membrane, a membrane / electrode assembly (MEA) was produced according to the method described above. At this time, the fluoropolymer used for the electrode was a polymer obtained by treating the fluorinated polymer F, which is the same as the electrolyte membrane and not treated with fluorination, into a sulfonic acid type.
When this MEA was incorporated into an evaluation cell and the initial characteristics at a cell temperature of 80 ° C. were measured according to the method described above, the relationship between voltage (V) and current density (A / cm 2 ) was 0 at 0.5 A / cm 2 . .72V, with 1.0A / cm 2 0.44V, was inoperable at 1.5A / cm 2.
Further, in the durability test at 100 ° C., the operation was terminated by a cross leak after 85 hours of operation. After 50 hours, the fluorine ion concentration in the wastewater was 2.8 ppm on the cathode side and 6.1 ppm on the anode side.

比較例4
比較例1で得られたフッ素化した含フッ素ポリマーCを、実施例5と同様にTダイによる280℃の押し出し溶融成形により50μm厚の薄膜を得た。この含フッ素ポリマーCのMIは3.2(g/10分)であった。この薄膜を実施例2と同様に処理して、スルホン酸型の膜を得た。このスルホン酸型の膜を前述のイオン交換当量重量Ewの測定方法に従ってEwを測定した結果、720(g/eq)であった。また、19F固体核磁気共鳴測定方法に従って測定した結果、B/A=921、X=6.7(前記一般式(II)でm=2)であった。更に、このスルホン酸型の膜の上記フェントン処理2を行った結果、フッ化物イオンは膜100質量部に対し12.8×10−4質量部であった。
次に、この電解質膜を用いて前述の方法に従い、膜/電極接合体(MEA)を作製した。このとき電極に使用したフルオロポリマーも電解質膜と同じ含フッ素ポリマーCをスルホン酸型に処理したポリマーを用いた。
このMEAを評価用セルに組み込み、セル温度80℃における初期特性を前述の方法に従い測定したところ、電圧(V)と電流密度(A/cm)の関係において、0.5A/cmで0.75V、1.0A/cmで0.52V、1.5A/cmで0.18Vであった。
また、100℃での耐久性試験においては、120時間の運転でクロスリークにより運転が終了した。50時間経過後の排水中のフッ素イオン濃度は、カソード側で1.18ppm、アノード側で2.5ppmであった。
Comparative Example 4
The fluorinated fluoropolymer C obtained in Comparative Example 1 was extruded and melt molded at 280 ° C. with a T die in the same manner as in Example 5 to obtain a thin film having a thickness of 50 μm. The MI of this fluoropolymer C was 3.2 (g / 10 min). This thin film was treated in the same manner as in Example 2 to obtain a sulfonic acid type membrane. The Ew of this sulfonic acid type membrane was measured according to the above-described method for measuring the ion exchange equivalent weight Ew. As a result, it was 720 (g / eq). Moreover, as a result of measuring according to the 19 F solid nuclear magnetic resonance measuring method, they were B / A = 921 and X = 6.7 (m = 2 in the general formula (II)). Furthermore, as a result of performing the Fenton treatment 2 on this sulfonic acid type membrane, the fluoride ion was 12.8 × 10 −4 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the membrane.
Next, using this electrolyte membrane, a membrane / electrode assembly (MEA) was produced according to the method described above. At this time, the fluoropolymer used for the electrode was also a polymer obtained by treating the same fluoropolymer C as the electrolyte membrane into a sulfonic acid type.
When this MEA was incorporated into an evaluation cell and the initial characteristics at a cell temperature of 80 ° C. were measured according to the method described above, the relationship between voltage (V) and current density (A / cm 2 ) was 0 at 0.5 A / cm 2 . It was 0.52 V at .75 V, 1.0 A / cm 2 and 0.18 V at 1.5 A / cm 2 .
Further, in the durability test at 100 ° C., the operation was terminated due to a cross leak after 120 hours of operation. The fluorine ion concentration in the waste water after 50 hours was 1.18 ppm on the cathode side and 2.5 ppm on the anode side.

本発明の安定化フルオロポリマー製造方法は、燃料電池電解質膜等の苛酷条件下において使用される膜材に適した原料の製造に供することができる。
本発明の安定化フルオロポリマーは、上述したように化学的安定性に優れるので、その加水分解体は、使用条件が通常過酷な固体高分子電解質型燃料電池等の燃料電池の膜材又は電極に好適に用いることができ、排水中のフッ素イオンが少ない高耐久性の燃料電池膜又は電極を得ることができる。
The method for producing a stabilized fluoropolymer of the present invention can be used for producing a raw material suitable for a membrane material used under severe conditions such as a fuel cell electrolyte membrane.
Since the stabilized fluoropolymer of the present invention is excellent in chemical stability as described above, the hydrolyzate is used as a membrane material or an electrode of a fuel cell such as a solid polymer electrolyte fuel cell whose use conditions are usually severe. A highly durable fuel cell membrane or electrode that can be suitably used and has a small amount of fluorine ions in the waste water can be obtained.

実施例5にて得られた安定化フルオロポリマーGを19F固体核磁気共鳴測定して得られたNMRチャート(縦軸を図2の13倍に拡大したもの)である。It is a NMR chart obtained by measuring 19 F solid state nuclear magnetic resonance of the stabilized fluoropolymer G obtained in Example 5 (the vertical axis is enlarged 13 times that of FIG. 2). 実施例5にて得られた安定化フルオロポリマーGを19F固体核磁気共鳴測定して得られたNMRチャートである。6 is an NMR chart obtained by 19 F solid state nuclear magnetic resonance measurement of the stabilized fluoropolymer G obtained in Example 5.

Claims (5)

安定化フルオロポリマーの加水分解体と、活性物質とからなることを特徴とする活性物質固定体であって、
前記活性物質固定体は、前記安定化フルオロポリマーの加水分解体と前記活性物質とを液状媒体に分散した液状組成物を基材に塗装することにより得られたものであるか、又は、前記安定化フルオロポリマーと前記活性物質とからなる液状組成物を基材に塗装した後、前記安定化フルオロポリマーを加水分解することにより得られたものであり、
前記安定化フルオロポリマーは、下記一般式(II)
CF=CF−O−(CFY−A (II)
(式中、Yは、F、Cl、Br又はIを表す。mは、1〜5の整数を表す。mが2〜5の整数であるとき、m個のYは、同一であってもよいし異なっていてもよい。Aは、−SOX又は−COZを表す。Xは、F、Cl、Br、I又は−NRを表す。Zは、−NR又は−ORを表す。R、R、R及びRは、同一又は異なって、H、アルカリ金属元素、アルキル基若しくはスルホニル含有基を表す。Rは、炭素数1〜4のアルキル基を表す。)で表される酸由来基含有パーハロビニルエーテルと、テトラフルオロエチレンとの重合を経て得られる安定化フルオロポリマーであって、
前記安定化フルオロポリマーは、フッ素化処理を行ったものであり、
前記安定化フルオロポリマーは、IR測定において、カルボキシル基に由来するピーク〔x〕と、−CF−に由来するピーク〔y〕との強度比〔x/y〕が0.05以下であり、
前記基材は、多孔性支持体、樹脂成形体、又は、金属板であり、
前記活性物質は、触媒であり、前記触媒は、白金を含有する金属である
ことを特徴とする活性物質固定体。
An active substance fixed body comprising a hydrolyzate of a stabilized fluoropolymer and an active substance,
The active substance fixed body is obtained by coating a substrate with a liquid composition in which the hydrolyzate of the stabilized fluoropolymer and the active substance are dispersed in a liquid medium, or the stable substance Obtained by hydrolyzing the stabilized fluoropolymer after coating a liquid composition comprising a stabilized fluoropolymer and the active substance on a substrate,
The stabilized fluoropolymer has the following general formula (II)
CF 2 = CF-O- (CFY 2) m -A (II)
(In the formula, Y 2 represents F, Cl, Br or I. m represents an integer of 1 to 5. When m is an integer of 2 to 5, m Y 2 s were the same. A represents —SO 2 X or —COZ, X represents F, Cl, Br, I, or —NR 5 R 6 , Z represents —NR 7 R 8 or .R 5 representing a -OR 9, R 6, R 7 and R 8 are the same or different, .R 9 representing H, an alkali metal element, an alkyl group or a sulfonyl-containing group, having 1 to 4 carbon atoms A stabilized fluoropolymer obtained by polymerization of tetrafluoroethylene with an acid-derived group-containing perhalovinyl ether represented by the following formula:
The stabilized fluoropolymer has been fluorinated.
In the IR measurement, the stabilized fluoropolymer has an intensity ratio [x / y] of a peak [x] derived from a carboxyl group and a peak [y] derived from —CF 2 — of 0.05 or less,
The substrate is a porous support, a resin molded body, or a metal plate,
The active substance fixed body, wherein the active substance is a catalyst, and the catalyst is a metal containing platinum.
酸由来基含有パーハロビニルエーテルと、テトラフルオロエチレンとの重合は、乳化重合である請求項1記載の活性物質固定体。 The active substance fixed body according to claim 1, wherein the polymerization of the acid-derived group-containing perhalovinyl ether and tetrafluoroethylene is emulsion polymerization. 安定化フルオロポリマーは、JIS K 7210に従って270℃、荷重2.16kgの条件下で測定したメルトインデックスが0.1〜20g/10分である請求項1又は2記載の活性物質固定体。 The active substance immobilization body according to claim 1 or 2, wherein the stabilized fluoropolymer has a melt index of 0.1 to 20 g / 10 min measured under conditions of 270 ° C and a load of 2.16 kg in accordance with JIS K 7210. 高分子電解質膜と電極とからなる膜/電極接合体であって、
前記電極は、請求項1、2又は3記載の活性物質固定体である
ことを特徴とする膜/電極接合体。
A membrane / electrode assembly comprising a polymer electrolyte membrane and an electrode,
4. The membrane / electrode assembly according to claim 1, wherein the electrode is the active substance immobilization body according to claim 1.
請求項4記載の膜/電極接合体を有する
ことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
A solid polymer fuel cell comprising the membrane / electrode assembly according to claim 4.
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