JP5434079B2 - Ultrafine fiber, ion conductive composite polymer membrane, and method for producing the same - Google Patents

Ultrafine fiber, ion conductive composite polymer membrane, and method for producing the same Download PDF

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Description

本発明は、繊維直径1μm以下の極細繊維に関し、更に詳しくは、繊維直径1μm以下の単繊維の内部に該繊維直径以下の複数の繊維が包含された極細繊維に関する。また、極細繊維を用いた、固体高分子型燃料電池に好適なイオン伝導性高分子膜とその製造方法に関する。   The present invention relates to an ultrafine fiber having a fiber diameter of 1 μm or less, and more particularly to an ultrafine fiber in which a plurality of fibers having a fiber diameter of 1 μm or less are included in a single fiber having a fiber diameter of 1 μm or less. The present invention also relates to an ion conductive polymer membrane suitable for a solid polymer fuel cell using ultrafine fibers and a method for producing the same.

従来より、繊維の断面形状や極細糸による性能向上の開発が盛んに行われてきた。検討との一つとして、海島複合紡糸を利用した超極細糸が作製され、スエード調の人工皮革、高品位の衣料、ワイピングクロスのような生活、産業資材用途、ハードディスクの表面研磨用研磨布(特許文献1、2)に展開されてきた。しかし、海島複合紡糸では、現状、島成分の繊維直径2μmレベルが限界とされている。より細い繊維による性能向上の要求を十分に満たすことはできなかった。   Conventionally, development of a cross-sectional shape of a fiber and performance improvement by using an ultrafine yarn has been actively performed. As one of the investigations, ultra-fine yarn using sea-island composite spinning was produced, suede-like artificial leather, high-grade clothing, life like wiping cloth, industrial materials, polishing cloth for surface polishing of hard disks ( Patent Documents 1, 2) have been developed. However, in the sea-island composite spinning, at present, the limit of the fiber diameter of the island component is 2 μm. The demand for improved performance with thinner fibers could not be fully met.

より細い繊維の開発として、近年、ナノファイバーの開発が盛んである。ナノファイバーとはナノオーダーの直径を有する繊維であり、これまでのミクロンオーダーの直径を有する繊維と異なる特徴(ナノファイバー効果)を有する。ナノファイバー効果としては、比表面積の増大、体積の減少による反応性・選択性の著しい向上などとして具体化されるサイズ効果や、分子が規則正しく配列して、自己組織化して、統一された機能を発現する超分子配列効果や細胞が認識して結合する細胞生体材料認識効果やポリマー鎖レベルからのナノ階層構造により発現する階層構造効果などが挙げられる。   In recent years, nanofibers have been actively developed as thinner fibers. A nanofiber is a fiber having a nano-order diameter, and has characteristics (nanofiber effect) different from those of conventional fibers having a micron-order diameter. As the nanofiber effect, there is a size effect that is embodied as an increase in specific surface area, a significant increase in reactivity and selectivity due to a decrease in volume, etc., and a uniform function in which molecules are regularly arranged and self-organized. Examples thereof include a supramolecular arrangement effect that is expressed, a cell biomaterial recognition effect that cells recognize and bind, and a hierarchical structure effect that is expressed by a nano-hierarchical structure from the polymer chain level.

単繊維の内部に更に繊維直径の小さい繊維を含有する複合化された繊維の開発が進められている。例えば、2種の溶解性の異なるポリマーを用いて複合紡糸を利用した例は、これまでに多数報告されている。例えば、島成分が難溶解性ポリマー、海成分が易溶解性ポリマーからなり、島ドメインの直径が1〜150nmであるポリマーアロイ繊維(特許文献3)などが挙げられる。しかし、複合紡糸を利用したこれまでになされている多数のナノファイバーを含んだ繊維は海成分からなる繊維の繊維直径は数μm〜数10μmである。そのため、ナノファイバーの効果を発現させるためには、海成分ポリマーを溶剤にて溶解する必要性があり、不経済である。また、この手法では、2種以上の性質のナノファイバーを混在させることは、製法上、非常に困難であり、繊維の化学的、物理的性質は、島成分に用いた1種のポリマーのみに依存してしまうという問題点がある。   Development of a composite fiber containing a fiber having a smaller fiber diameter inside a single fiber is in progress. For example, many examples of using composite spinning using two polymers having different solubility have been reported so far. For example, a polymer alloy fiber (Patent Document 3) in which the island component is made of a hardly soluble polymer, the sea component is made of an easily soluble polymer, and the island domain has a diameter of 1 to 150 nm. However, the fiber including a large number of nanofibers used so far using composite spinning has a fiber diameter of several μm to several tens of μm. Therefore, in order to express the effect of nanofiber, it is necessary to dissolve the sea component polymer in a solvent, which is uneconomical. In this method, it is very difficult to mix two or more types of nanofibers because of the manufacturing method, and the chemical and physical properties of the fibers are limited to only one type of polymer used for the island component. There is a problem that it depends.

海成分からなる繊維の繊維直径をナノレベルにしたものの中にそれ以下の繊維直径のナノファイバーを存在させたものとしては荷電紡糸を利用したものがある。ポリビニルピロリドン(PVP)をコアに、ポリ乳酸(PLA)をシェルにしたもので繊維直径 数100nmのナノファイバー中にナノファイバー(500nm/250nm)(非特許文献1)、ゼラチンをコアに、ポリ乳酸(PLA)をシェルにしたもので繊維径数100nmの中にナノファイバー(230nm〜460nm/60〜100nm)(非特許文献2)がある。しかし、これらのコア-シェル形の繊維は、1つのマトリックス繊維中に1本のコア繊維が存在するものであり、紡糸作製中の変動により、コア繊維が途切れた場合、コア繊維の機能を発現することができなくなる。また、2重管を用いたノズルに高電圧を印加することで作製されており、ノズルコストが高くなるという問題点がある。   Among the fibers in which the fiber diameter of the sea component is made nano level, there are those using charged spinning as nano fibers having a fiber diameter smaller than that. Polyvinyl pyrrolidone (PVP) as a core and polylactic acid (PLA) as a shell, nanofiber (500 nm / 250 nm) in nanofiber with a fiber diameter of several hundred nm (Non-patent Document 1), gelatin as a core, polylactic acid There is a nanofiber (230 nm to 460 nm / 60 to 100 nm) (Non-patent Document 2) in a fiber diameter of several hundred nm using (PLA) as a shell. However, these core-shell type fibers have one core fiber in one matrix fiber, and when the core fiber is interrupted due to fluctuation during spinning production, the function of the core fiber is expressed. Can not do. Moreover, it is produced by applying a high voltage to a nozzle using a double tube, and there is a problem that the nozzle cost is increased.

上述のような、極細繊維に関する背景がある一方で、燃料電池の開発が近年盛んに行われている。
燃料電池は排出物が少なく、かつ高エネルギー効率で環境への負担の低い発電装置であるため、近年の地球環境保護への高まりの中で再び脚光を浴びている。従来の大規模発電施設に比べ、比較的小規模の分散型発電施設、自動車や船舶など移動体の発電装置として、将来的にも期待されている発電装置である。また、小型移動機器や携帯機器の電源としても注目されており、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの二次電池に替わり、携帯電話やパソコンなどへの搭載が期待されている。
While there is a background related to ultrafine fibers as described above, fuel cells have been actively developed in recent years.
A fuel cell is a power generation device with low emissions, high energy efficiency, and low environmental burden, and is therefore in the spotlight again in recent years due to the increase in global environmental protection. Compared to conventional large-scale power generation facilities, this is a power generation device expected in the future as a relatively small-scale distributed power generation facility, and as a power generation device for mobile objects such as automobiles and ships. It is also attracting attention as a power source for small mobile devices and portable devices, and is expected to be installed in mobile phones and personal computers in place of secondary batteries such as nickel metal hydride batteries and lithium ion batteries.

その中でも注目されている固体高分子型燃料電池は、一般に膜電極アッセンブリ(MEA)と呼ばれる基本単位から構成され、MEAではイオン伝導性高分子膜(PEM)が陰極と陽極に挟まれており、陽極で形成されるイオンを陰極へ輸送して電極に接続されている外部回路に電流を流す。PEMは適切なイオン伝導性を保有するのみならず、発電装置の運転条件下で要求される機械的、化学的強度を有していなければならない。
このようなPEM材料として超強酸基含有フッ素系高分子が知られているが、これらのPEM材料はフッ素系の高分子であるため非常に高価であると共にガラス転移温度が低いため、装置の操作温度が100℃前後の場合においては、水分保持が十分でないために高いイオン伝導性を活かしきれず、イオン伝導度が急激に低下し電池として作用できなくなるという問題があった。
Among them, a polymer electrolyte fuel cell that is attracting attention is generally composed of basic units called membrane electrode assemblies (MEA), and in MEA, an ion conductive polymer membrane (PEM) is sandwiched between a cathode and an anode, The ions formed at the anode are transported to the cathode and a current is passed through an external circuit connected to the electrode. PEMs must not only have adequate ionic conductivity, but must have the mechanical and chemical strengths required under the operating conditions of the power plant.
As such PEM materials, fluoropolymers containing super strong acid groups are known. However, since these PEM materials are fluoropolymers, they are very expensive and have a low glass transition temperature. When the temperature is around 100 ° C., the water retention is not sufficient, so that high ionic conductivity cannot be fully utilized, and the ionic conductivity is drastically lowered, which makes it impossible to function as a battery.

このような欠点を克服するため、非フッ素系芳香族環含有ポリマーにスルホン酸基を導入したPEMが種々検討されている。ポリマー骨格としては耐熱性や化学的安定性を考慮すると、芳香族ポリアリーレンエーテルケトン類や芳香族ポリアリーレンエーテルスルホン類などの芳香族ポリアリーレンエーテル化合物が注目されており、ポリアリーレンエーテルスルホンをスルホン化したもの(例えば、非特許文献3参照)、ポリエーテルエーテルケトンをスルホン化したもの(例えば、特許文献4)などが報告されている。
しかしながら、これらのポリマーにスルホン酸基を導入したものは、スルホン酸基の導入量増加に伴い膨潤時の寸法変化が大きくなり、燃料電池などの運転条件では膜の破壊が起こりやすくなる欠点がある。この欠点を改善するために高分子鎖間の架橋形成が可能な構成単位を導入して寸法変化を抑制する試みが報告されている(例えば特許文献5〜7)が、架橋だけでは必ずしも膨潤時の寸法変化を十分に抑制できるものではなかった。
また、イオン交換基非含有ポリマーをブレンドすることで性能を改善する試み(例えば、特許文献8、9)や、イオン伝導性高分子を多孔性不活性膜中に含浸させて複合膜を形成させる試み(例えば、特許文献10)が報告されている。しかしブレンドにより相溶するものは寸法安定性とプロトン伝導性を両立させるには至らず、相分離させたものは層間剥離などによる膜強度の低下が見られた。含浸による複合膜は、その製造法が簡便でないという問題があった。
また、イオン伝導性高分子の粒子などをマトリックスポリマー中に分散させる方法も考えられるが、分散させるイオン伝導性高分子の粒径が大きいと十分なイオン伝導のパスが形成されず、また、膜が脆くなる傾向がある。そのため、ナノレベルでイオン伝導性高分子を分散させる必要が有る。
In order to overcome such drawbacks, various PEMs in which sulfonic acid groups are introduced into non-fluorinated aromatic ring-containing polymers have been studied. In view of heat resistance and chemical stability, aromatic polyarylene ether compounds such as aromatic polyarylene ether ketones and aromatic polyarylene ether sulfones are attracting attention as polymer skeletons. (For example, refer nonpatent literature 3), what sulfonated polyether ether ketone (for example, patent document 4), etc. are reported.
However, those having sulfonic acid groups introduced into these polymers have the disadvantage that the dimensional change during swelling increases with an increase in the amount of sulfonic acid groups introduced, and membrane breakage is likely to occur under operating conditions such as fuel cells. . In order to remedy this drawback, attempts have been reported to introduce structural units capable of forming crosslinks between polymer chains to suppress dimensional changes (for example, Patent Documents 5 to 7). It was not possible to sufficiently suppress the dimensional change.
In addition, attempts to improve performance by blending non-ion exchange group-containing polymers (for example, Patent Documents 8 and 9) and impregnating an ion conductive polymer into a porous inert film to form a composite film An attempt (for example, Patent Document 10) has been reported. However, those that were compatible by blending did not achieve both dimensional stability and proton conductivity, and those that were phase separated showed a decrease in film strength due to delamination. The composite membrane by impregnation has a problem that its production method is not simple.
In addition, a method of dispersing ion conductive polymer particles or the like in the matrix polymer is also conceivable. However, if the particle size of the ion conductive polymer to be dispersed is large, a sufficient ion conduction path is not formed, and the membrane Tend to be brittle. Therefore, it is necessary to disperse the ion conductive polymer at the nano level.

特開2001−1252号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2001-1252 特開2002−102332号公報JP 2002-102332 A 特開2004−169261号公報JP 2004-169261 A 特開平6−93114号公報JP-A-6-93114 特開2003−217342号公報JP 2003-217342 A 特開2003−217343号公報JP 2003-217343 A 特開2003−292609号公報JP 2003-292609 A 特開2003−502828号公報JP 2003-502828 A 特開2003−109624号公報JP 2003-109624 A 特開2005−209361号公報JP 2005-209361 A Journal of Applied Polymer Science ,Vol.102 ,39-45(2006)Journal of Applied Polymer Science, Vol.102, 39-45 (2006) Journal of Polymer Science:Part B PolymerPhysics ,Vol43 ,28 52-2861(2005)Journal of Polymer Science: Part B PolymerPhysics, Vol43, 28 52-2861 (2005) Journal of membranescience,(オランダ)1993年, 83巻,P.211-220Journal of membranescience, (Netherlands) 1993, 83, P.211-220

本発明は従来技術の課題を背景になされたものであり、ナノファイバー効果と、ポリマーアロイ効果を併せ持つ繊維を提供すること、及び化学的安定性に優れ、高いプロトン伝導性を示すイオン交換基含有ポリマーと、機械的・化学的安定性に優れるイオン交換基非含有ポリマーを用いることで、耐熱性、加工性、イオン伝導性に優れると共に、寸法安定性、機械的耐久性、化学的耐久性にも優れたイオン伝導性高分子膜を得ることを課題とする。   The present invention has been made against the background of the problems of the prior art, and provides a fiber having both a nanofiber effect and a polymer alloy effect, and has an ion exchange group having excellent chemical stability and high proton conductivity. By using a polymer and an ion exchange group-free polymer with excellent mechanical and chemical stability, it has excellent heat resistance, processability, and ion conductivity, as well as dimensional stability, mechanical durability, and chemical durability. Another object is to obtain an excellent ion conductive polymer membrane.

本発明者らは上記課題を解決するため、鋭意研究した結果、遂に本発明を完成するに至った。即ち本発明は下記の構成からなる。
(1)単繊維(マトリックス繊維)の直径1μm以下であって、該単繊維の内部に該繊維直径以下の複数の繊維(コア繊維)が包含されてなることを特徴とする極細繊維。
(2)前記単繊維がアロイ化されたポリマーからなり、マトリックス部とコア部を構成し、コア部が前記内部繊維を構成していることを特徴とする(1)記載の極細繊維。
(3)マトリックス部、コア部を構成する各ポリマーをブレンドした溶液を作製し、該溶液に電圧を印加し、アースまたは逆電圧を印加した捕集部に吐出することで作製されることを特徴とする(1)又は(2)記載の極細繊維。
(4)前記内部繊維が、イオン交換基を有するポリマーであることを特徴とする(1)〜(3)いずれかに記載の極細繊維。
(5)マトリックス部が、熱溶融性ポリマーであることを特徴とする(1)〜(4)いずれかに記載の極細繊維。
(6)イオン交換基を有するポリマーAからなる短軸直径1〜100nmのナノファイバーが、ポリマーAと非相溶である熱溶融性ポリマーB中に、含有率10〜70質量%の範囲で含有してなることを特徴とするイオン伝導性複合高分子膜。
(7)イオン伝導性と面積変化率(%)が下式(a)を、また吸水率(質量%)と面積変化率(%)が下式(b)を満たすことを特徴とする(6)に記載のイオン伝導性複合高分子膜。
面積変化率(%)/イオン伝導性(S/cm)≦200 (a)
面積変化率(%)/吸水率(質量%)≦0.5 (b)
(8)熱溶融性ポリマーBのガラス転移温度が300℃以下で溶融成形可能であることを特徴とする請求項6又は7記載のイオン伝導性複合高分子膜。
(9)イオン交換基を有するポリマーAが一般式(1)と共に一般式(2)で示される構成成分を含むポリアリーレンエーテル系化合物であることを特徴とする(6)〜(8)のいずれかに記載のイオン伝導性複合高分子膜。
但し、Arは2価の芳香族基、Yはスルホン基またはケトン基、RはH、スルホン酸基、ホスホン酸基またはそれらの塩を示す。
但し、Ar’は2価の芳香族基を示す。
(10)イオン交換基を有するポリマーAが一般式(3)と共に一般式(4)で示される構成成分を含むポリアリーレンエーテル系化合物であることを特徴とする(6)〜(8)のいずれかに記載のイオン伝導性複合高分子膜。
但し、XはHまたは1価のカチオン種を示す。
(11)イオン交換基を有するポリマーAと、イオン交換基を有するポリマーAと非相溶である熱溶融性ポリマーBを溶媒に溶解して混合溶液とし、該混合溶液を紡糸することにより単繊維内部に複数の短軸直径1〜100nmのイオン交換基を有するポリマーAのナノファイバーを含有した繊維の集合体を得、次いで該繊維中の熱溶融性ポリマーBを溶融させて該繊維集合体を膜化し、次いで該膜を酸性水溶液中で処理し、水洗することを特徴とするイオン伝導性複合高分子膜の製造方法。
(12)イオン交換基を有するポリマーAと、熱溶融性ポリマーBからなる繊維集合体が静電紡糸法により紡糸された極細繊維集合体であることを特徴とする請求項11に記載のイオン伝導性複合高分子膜の製造方法。
As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have finally completed the present invention. That is, the present invention has the following configuration.
(1) An ultrafine fiber having a single fiber (matrix fiber) diameter of 1 μm or less, and a plurality of fibers (core fibers) having a diameter equal to or less than the fiber diameter are included in the single fiber.
(2) The ultrafine fiber according to (1), wherein the single fiber is made of an alloyed polymer, constitutes a matrix part and a core part, and the core part constitutes the internal fiber.
(3) It is produced by preparing a solution in which each polymer constituting the matrix part and the core part is blended, applying a voltage to the solution, and discharging the solution to a collecting part to which ground or a reverse voltage is applied. The ultrafine fiber according to (1) or (2).
(4) The ultrafine fiber according to any one of (1) to (3), wherein the internal fiber is a polymer having an ion exchange group.
(5) The ultrafine fiber according to any one of (1) to (4), wherein the matrix portion is a heat-meltable polymer.
(6) A nanofiber having a short axis diameter of 1 to 100 nm made of polymer A having an ion exchange group is contained in the range of 10 to 70% by mass in heat-meltable polymer B that is incompatible with polymer A. An ion conductive composite polymer film characterized by comprising:
(7) Ionic conductivity and area change rate (%) satisfy the following formula (a), and water absorption rate (mass%) and area change rate (%) satisfy the following formula (b) (6 The ion conductive composite polymer membrane described in the above).
Area change rate (%) / ion conductivity (S / cm) ≦ 200 (a)
Area change rate (%) / water absorption rate (% by mass) ≦ 0.5 (b)
(8) The ion conductive composite polymer membrane according to claim 6 or 7, wherein the heat-meltable polymer B can be melt-molded at a glass transition temperature of 300 ° C or lower.
(9) Any of (6) to (8), wherein the polymer A having an ion exchange group is a polyarylene ether-based compound containing the structural component represented by the general formula (2) together with the general formula (1) The ion conductive composite polymer membrane according to claim 1.
Here, Ar represents a divalent aromatic group, Y represents a sulfone group or a ketone group, R represents H, a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, or a salt thereof.
However, Ar ′ represents a divalent aromatic group.
(10) Any of (6) to (8), wherein the polymer A having an ion exchange group is a polyarylene ether-based compound containing the structural component represented by the general formula (4) together with the general formula (3) The ion conductive composite polymer membrane according to claim 1.
X represents H or a monovalent cation species.
(11) A single fiber by dissolving a polymer A having an ion exchange group and a heat-meltable polymer B that is incompatible with the polymer A having an ion exchange group in a solvent, and spinning the mixed solution An assembly of fibers containing nanofibers of polymer A having a plurality of minor axis diameters of 1 to 100 nm inside is obtained, and then the hot-melt polymer B in the fibers is melted to obtain the fiber assembly. A method for producing an ion-conductive composite polymer membrane, characterized by forming a membrane, then treating the membrane in an acidic aqueous solution and washing with water.
(12) The ion conduction according to claim 11, wherein the fiber assembly comprising the polymer A having an ion exchange group and the heat-meltable polymer B is an ultrafine fiber assembly spun by an electrostatic spinning method. For producing a conductive composite polymer membrane.

本発明の極細繊維によると、溶剤による除去を必要とせず、ナノファイバー効果を得ることができ、2種以上のポリマーからなるナノファイバーであるため、一方のポリマーの不足部分をもう一方のポリマーで補完することや各ポリマーに機能を分化することが可能となり、ナノファイバー特有の効果とポリマーアロイ特有の効果を有する繊維が得られる。例えば、マトリックス部を熱溶融性のポリマーとすることにより、加熱によって繊維間の接着性を高め、高い強度のナノファイバー不織布が得られる。また、特殊なノズルを用いることなく、これまでにない、1本のナノファイバー内に複数のナノファイバーが更に存在するものを提供することもできる。また、本発明のイオン伝導性高分子膜は、化学的安定性に優れ高いプロトン伝導性を示すイオン交換基含有ポリマーAと、イオン交換基含有ポリマーAと非相溶である熱溶融性ポリマーBとからなり、かつ平均繊維直径1〜100nmのイオン交換基含有ポリマーA成分が熱溶融性ポリマーB中にナノレベルで分散されているため、イオン交換基を有するポリマーAのナノファイバー効果、すなわち、イオン交換基を有するポリマーAのナノファイバーの補強効果とイオン伝導効果、吸水効果が発現されて、イオン伝導性が高く、吸水性も高いにもかかわらず、寸法安定性、加工性、力学的強度に優れるという二律背反的特性を保有する。このため、燃料電池などの高分子電解質膜として好適な膜である。また、本発明のイオン伝導性複合高分子膜はメタノール透過性が低いという特徴もあり、ダイレクトメタノール型燃料電池用の高分子電解質膜としても有用である。   According to the ultrafine fiber of the present invention, the nanofiber effect can be obtained without the need for removal by a solvent, and since the nanofiber is composed of two or more polymers, the shortage of one polymer is replaced with the other polymer. It becomes possible to complement and to differentiate the function into each polymer, and a fiber having effects specific to nanofibers and effects specific to polymer alloys can be obtained. For example, when the matrix part is made of a heat-meltable polymer, the adhesion between fibers is increased by heating, and a high-strength nanofiber nonwoven fabric is obtained. Further, it is possible to provide an unprecedented one in which a plurality of nanofibers are further present in one nanofiber without using a special nozzle. In addition, the ion conductive polymer membrane of the present invention includes an ion exchange group-containing polymer A having excellent chemical stability and high proton conductivity, and a heat-meltable polymer B that is incompatible with the ion exchange group-containing polymer A. And the ion exchange group-containing polymer A component having an average fiber diameter of 1 to 100 nm is dispersed in the heat-meltable polymer B at the nano level, so that the nanofiber effect of the polymer A having ion exchange groups, Dimensional stability, workability, mechanical strength despite the high ionic conductivity and water absorption, because the reinforcing effect, ionic conduction effect and water absorption effect of the polymer A nanofibers with ion exchange groups are expressed. It possesses a contradictory characteristic that it excels. For this reason, it is a film | membrane suitable as polymer electrolyte membranes, such as a fuel cell. The ion conductive composite polymer membrane of the present invention is also characterized by low methanol permeability and is useful as a polymer electrolyte membrane for direct methanol fuel cells.

以下、本発明を詳細に記述する。
本発明の極細繊維は、単繊維直径1μm以下であって、該単繊維(以下、マトリックス繊維)の内部に該繊維直径以下の複数の繊維(以下、コア繊維)が含有されていることが好ましい。含有するコア繊維が1本の場合、紡糸製造中の吐出変動などにより、コア繊維が途切れた場合、コア繊維の機能を発現することができなくなる。外見上は判別がつきにくく、用途によっては大きな問題を発生させる。コア繊維に電気伝導性を付与させた場合は、断線の原因となる。また、コア部を溶剤によって除去することで中空糸を作製し、中空部をマイクロリアクタや分離用途に利用する場合、単繊維の直径が同じ場合、複数の極細中空を有することで比表面積が飛躍的に増大し、媒体との接触点(反応点)が増やすことができる。
すなわち、マトリックス繊維の繊維径が1μm以下であれば、複数本存在するコア繊維がマトリックス繊維内で接触する確率が飛躍的に向上し、コア繊維の繊維長が短くても、コア部を繊維軸方向の内部に至るまで効果的に溶出することが可能となる、或いは、電気導電性が高くなるという効果を発現する。
含有される繊維の繊維径は限られているものではなく、単繊維中に複数存在できればよい。複数有することが重要である。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The ultrafine fiber of the present invention preferably has a single fiber diameter of 1 μm or less, and a plurality of fibers (hereinafter referred to as core fibers) having a diameter equal to or less than the fiber diameter are contained inside the single fiber (hereinafter referred to as matrix fiber). . When the core fiber is contained, if the core fiber is interrupted due to fluctuations in discharge during the production of spinning, the function of the core fiber cannot be expressed. In terms of appearance, it is difficult to distinguish, and depending on the application, a big problem occurs. When electrical conductivity is imparted to the core fiber, it causes disconnection. In addition, when the core part is removed with a solvent to produce a hollow fiber and the hollow part is used for microreactors or separation applications, if the diameter of the single fiber is the same, the specific surface area is dramatically increased by having multiple ultrafine cavities. The contact point (reaction point) with the medium can be increased.
That is, if the fiber diameter of the matrix fiber is 1 μm or less, the probability that a plurality of core fibers are in contact with each other in the matrix fiber is greatly improved. It is possible to effectively elute to the inside of the direction, or the effect of increasing electrical conductivity is exhibited.
The fiber diameter of the contained fiber is not limited, and a plurality of fibers may be present in a single fiber. It is important to have multiple.

また、本発明における繊維の構造としては、コア部が必ずしも円形断面を有している必要は無く、例えば共連続体(コア相とマトリックス相の区別ができないものであり、ポリマー中の両成分の体積が同じ付近で観察されるモルフォロジー)からなるものも同様の効果を得ることができ、好ましい形態の一つである。また、コア部とマトリックス部を形成するポリマーの組成比(質量/質量)は、10/90〜70/30である。かかる範囲であれば、コア繊維の繊維径を小さくできる一方、コア繊維同士の接触する確率が高いからである。より好ましい組成比は20/80〜60/40、更に好ましくは30/70〜50/50である。   Further, as the fiber structure in the present invention, the core portion does not necessarily have a circular cross section. For example, a co-continuum (the core phase and the matrix phase cannot be distinguished from each other) Those having a volume observed in the vicinity of the same volume) can obtain the same effect, and are one of the preferred forms. The composition ratio (mass / mass) of the polymer forming the core portion and the matrix portion is 10/90 to 70/30. This is because within this range, the fiber diameter of the core fiber can be reduced, while the probability of the core fibers contacting each other is high. A more preferred composition ratio is 20/80 to 60/40, still more preferably 30/70 to 50/50.

本発明の極細繊維におけるコア部、マトリックス部に用いる高分子化合物としては特に限定されるものではないが、例えば、ポリアクリロニトリル、ポロエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンオキサイド、ポリエチレングリコール、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリ−m−フェニレンテレフタレート、ポリ−p−フェニレンイソフタレート、ポリメタクリル酸、ポリメタクリル酸メチル、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン−アクリレート共重合体、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニルアルコール、ポリアリレート、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、アラミド、ポリイミドベンザゾール、ポリベンゾイミダゾール、ポリグリコール酸、ポリ乳酸、ポリウレタン、セルロース化合物、ポリペプチド、ポリヌクレオシド、ポリヌクレオチド、タンパク質、酵素などを使用することができる。これらの以外の高分子化合物も使用可能である。コア部とマトリックス部に用いる高分子化合物の特性が異なることが好ましい。   The polymer compound used in the core part and the matrix part in the ultrafine fiber of the present invention is not particularly limited, for example, polyacrylonitrile, polyethylene, polypropylene, polyethylene oxide, polyethylene glycol, polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, Polyethylene naphthalate, poly-m-phenylene terephthalate, poly-p-phenylene isophthalate, polymethacrylic acid, polymethyl methacrylate, polyvinylidene fluoride, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride -Acrylate copolymer, polytetrafluoroethylene, polyvinyl alcohol, polyarylate, polyacetal, polycarbonate, polystyrene, polyphenyl Polysulfide, polyamide, polyimide, polyamideimide, aramid, polyimide benzazole, polybenzimidazole, polyglycolic acid, polylactic acid, polyurethane, cellulose compound, polypeptide, polynucleoside, polynucleotide, protein, enzyme, etc. it can. Polymer compounds other than these can also be used. It is preferable that the polymer compound used for the core portion and the matrix portion have different characteristics.

本発明の極細繊維におけるコア繊維は、イオン交換基を有するポリマーからなることも好ましい。本発明の極細繊維を、後述する燃料電池に応用することができるからである。 The core fiber in the ultrafine fiber of the present invention is also preferably made of a polymer having an ion exchange group. This is because the ultrafine fiber of the present invention can be applied to a fuel cell described later.

本発明の極細繊維におけるマトリックス部は、熱溶融性ポリマーからなることが好ましい。本発明の極細繊維を、後述する燃料電池に応用できる他、不織布としたときに、マトリックス部のみを融着させ、繊維間接着性に優れ、強度が高いナノファイバー不織布が得られる等、多くの応用が可能であるからである。 The matrix portion in the ultrafine fiber of the present invention is preferably made of a heat-meltable polymer. In addition to being able to apply the ultrafine fiber of the present invention to a fuel cell, which will be described later, when it is made into a nonwoven fabric, only the matrix part is fused, and a nanofiber nonwoven fabric with excellent inter-fiber adhesion and high strength can be obtained. This is because application is possible.

本発明における繊維構造を発現するためには、ポリマー特性が異なる事が必要である。ここで挙げるポリマー特性とは、例えば、粘度、表面エネルギー、粘弾性、SP値などが挙げられる。また、溶剤にポリマーを溶解した場合には、ポリマー溶液としての粘度、表面エネルギー、粘弾性なども挙げられる。   In order to express the fiber structure in the present invention, it is necessary that the polymer characteristics are different. Examples of the polymer characteristics mentioned here include viscosity, surface energy, viscoelasticity, SP value, and the like. Moreover, when a polymer is dissolved in a solvent, the viscosity, surface energy, viscoelasticity, etc. as a polymer solution are also mentioned.

用途の点から、各ポリマーの化学的、物理的、光学的、電気的特性が異なることも重要である。例えば、剛直なポリマーと熱可塑性ポリマーの組み合わせで本発明の形態を得、更に熱可塑性ポリマーをヒートプレスなどで溶融することで、剛直なナノファイバーが分散した高強度シートを得ることができる。イオンや電気に対して伝導性を有するポリマーと絶縁性の高いポリマーを組み合わせることにより電解質膜やナノレベルの配線を得ることも可能である。また、ある種の溶剤に対してコア部は易溶解なポリマー、マトリックス部は難溶解なポリマーの組み合わせで本発明の形態を得、コア部を溶剤にて溶解除去することにより、複数のナノレベルチャネルを有するナノファイバーを得ることが可能であり、例えば、マイクロリアクタや気体、液体の分離、吸着材料として利用することができる。   From the point of application, it is also important that the chemical, physical, optical and electrical properties of each polymer differ. For example, it is possible to obtain a high-strength sheet in which rigid nanofibers are dispersed by obtaining the form of the present invention by combining a rigid polymer and a thermoplastic polymer, and further melting the thermoplastic polymer with a heat press or the like. It is also possible to obtain an electrolyte membrane or nano-level wiring by combining a polymer having conductivity with respect to ions and electricity and a polymer having high insulating properties. In addition, a core portion is easily dissolved in a certain solvent and a matrix portion is a combination of a hardly soluble polymer to obtain the form of the present invention. Nanofibers having channels can be obtained, and can be used, for example, as microreactors, gas and liquid separation, and adsorption materials.

本発明の細繊維は、マトリックス部、コア部を構成する各ポリマーをブレンドした溶液を作製し、該溶液に電圧を印加し、アースまたは逆電圧を印加した捕集部に吐出することで作製されることが好ましい。すなわち、一般的に荷電紡糸といわれる方法で作製することが好ましい。   The fine fiber of the present invention is produced by preparing a solution in which each polymer constituting the matrix part and the core part is blended, applying a voltage to the solution, and discharging the solution to a collecting part to which ground or a reverse voltage is applied. It is preferable. That is, it is preferable to produce by a method generally called charged spinning.

荷電紡糸法とは、溶液紡糸の一種であり、一般的には、ポリマー溶液にプラスの高電圧を与え、アースやマイナスに帯電した表面にスプレーされる過程で繊維化を起こさせる手法である。荷電紡糸装置の一例を図1に示す。図において、荷電紡糸装置1には、繊維の原料となるポリマーを吐出する紡糸ノズル2と紡糸ノズル2に対向して、対向電極5とが配置されている。この対向電極5はアースされている。高電圧をかけ荷電したポリマー溶液は、紡糸ノズル2から対極電極5に向けて飛び出す。その際、繊維化される。ポリマーを有機溶媒に溶解した溶液を電極間で形成された静電場中に吐出し、溶液を対向電極に向けて曳糸し、形成される繊維状物質を捕集基板に累積することによって不織布を得ることができる。ここでいう不織布とは既に溶液の溶媒が留去され、不織布となっている状態のみならず、溶液の溶媒を含んでいる状態も示している。   The charged spinning method is a kind of solution spinning, and is generally a technique in which a positive high voltage is applied to a polymer solution and fiberization is caused in the process of being sprayed to a grounded or negatively charged surface. An example of the charge spinning apparatus is shown in FIG. In the figure, a charged spinning device 1 is provided with a spinning nozzle 2 that discharges a polymer that is a raw material of a fiber, and a counter electrode 5 that faces the spinning nozzle 2. The counter electrode 5 is grounded. The polymer solution charged with a high voltage jumps out from the spinning nozzle 2 toward the counter electrode 5. At that time, it is fiberized. A solution in which a polymer is dissolved in an organic solvent is discharged into an electrostatic field formed between electrodes, the solution is spun toward a counter electrode, and the fibrous material that is formed is accumulated on a collection substrate to form a nonwoven fabric. Can be obtained. The term “nonwoven fabric” as used herein refers not only to the state where the solvent of the solution has already been distilled off to form a nonwoven fabric, but also to the state containing the solvent of the solution.

荷電紡糸法では溶媒が揮発することにより繊維化する。溶剤揮発により相分離が誘発されるが、非常に溶媒揮発速度が大きいため、コアが微細な分離状態で固定され、延伸されることで更に細繊化されると推定される。
また、荷電紡糸を用いた場合、溶解度パラメータの離れた2種以上のポリマーを使用しても繊維化が可能である。
In the charged spinning method, fiber is formed by volatilization of the solvent. Although phase separation is induced by solvent volatilization, it is presumed that since the solvent volatilization rate is very large, the core is fixed in a finely separated state and further finer by stretching.
In addition, when charged spinning is used, fiber formation is possible even when two or more polymers having different solubility parameters are used.

溶媒を含んだ不織布の場合、荷電紡糸後に、溶剤除去を行う。溶剤を除去する方法としては、例えば、貧溶媒中に浸漬させ、溶剤を抽出する方法や熱処理により残存溶剤を蒸発させる方法などが挙げられる。   In the case of a nonwoven fabric containing a solvent, the solvent is removed after the charged spinning. Examples of the method for removing the solvent include a method of immersing in a poor solvent and extracting the solvent, a method of evaporating the residual solvent by heat treatment, and the like.

溶液槽3としては、材質は使用する有機溶剤に対し耐性のあるものあれば特に限定されない。また、溶液槽3中の溶液は、機械的に押し出される方式やポンプなどにより吸い出される方式などによって、電場内に吐出することができる。   The material of the solution tank 3 is not particularly limited as long as it is resistant to the organic solvent used. Further, the solution in the solution tank 3 can be discharged into the electric field by a mechanical push-out system, a pump-out system, or the like.

紡糸ノズル2としては、内径0.1〜3mm程度のものが望ましい。ノズル材質としては、金属製であっても、非金属製であっても良い。ノズルが金属製であればノズルを一方の電極として使用することができ、ノズル2が非金属製である場合には、ノズルの内部に電極を設置することにより、押し出した溶解液に電界を作用させることができる。生産効率を考慮し、ノズルを複数本使用することも可能である。また、一般的には、ノズル形状としては、円形断面のものを使用するが、ポリマー種や使用用途に応じて、異型断面のノズル形状を用いることも可能である。   The spinning nozzle 2 preferably has an inner diameter of about 0.1 to 3 mm. The nozzle material may be made of metal or non-metal. If the nozzle is made of metal, the nozzle can be used as one electrode. If the nozzle 2 is made of non-metal, an electric field is applied to the extruded solution by installing an electrode inside the nozzle. Can be made. In consideration of production efficiency, it is possible to use a plurality of nozzles. In general, a nozzle having a circular cross section is used, but a nozzle having an irregular cross section can be used depending on the type of polymer and intended use.

対向電極5としては、図1に示すロール状の電極や平板状、ベルト状の金属製電極など用途に応じて、種々の形状の電極を使用することができる。   As the counter electrode 5, various shapes of electrodes can be used depending on the application, such as a roll-shaped electrode, a flat plate-shaped, or a belt-shaped metal electrode shown in FIG. 1.

また、これまでの説明は、電極が繊維を捕集する基板を兼ねる場合であるが、電極間に捕集する基板となる物を設置することで、そこにポリマー繊維を捕集してもよい。この場合、例えばベルト状の基板を電極間に設置することで、連続的な生産も可能となる。   Moreover, although the description so far is a case where an electrode also serves as a substrate that collects fibers, a polymer fiber may be collected there by installing an object to be a substrate that collects between the electrodes. . In this case, for example, continuous production is possible by installing a belt-like substrate between the electrodes.

また、一対の電極で形成されているのが一般的ではあるが、さらに異なる電極を導入することも可能である。一対の電極で紡糸を行い、さらに導入した電位の異なる電極によって、電場状態を制御し、紡糸状態を制御することも可能である。   Moreover, although it is common to form with a pair of electrodes, it is also possible to introduce a different electrode. It is also possible to perform spinning with a pair of electrodes, and to control the spinning state by controlling the electric field state with electrodes having different potentials introduced.

電圧印加装置4は特に限定されるものではないが、直流高電圧発生装置を使用できるほか、ヴァン・デ・グラフ起電機を用いることもできる。また、印加電圧は特に限定するものではないが、一般に3〜100kV、好ましくは5〜70kV、一層好ましくは5〜50kVである。なお、印加電圧の極性はプラスとマイナスのいずれであっても良い。   Although the voltage application apparatus 4 is not specifically limited, A direct current high voltage generator can be used and a Van de Graf electromotive machine can also be used. The applied voltage is not particularly limited, but is generally 3 to 100 kV, preferably 5 to 70 kV, and more preferably 5 to 50 kV. Note that the polarity of the applied voltage may be either positive or negative.

電極間の距離は、荷電量、ノズル寸法、紡糸液流量、紡糸液濃度等に依存するが、5〜50kVのときには5〜20cmの距離が適切であった。   The distance between the electrodes depends on the charge amount, the nozzle size, the spinning solution flow rate, the spinning solution concentration, and the like, but a distance of 5 to 20 cm was appropriate at 5 to 50 kV.

ポリマーの溶媒には、例えば、アセトン、クロロホルム、エタノール、イソプロパノール、メタノール、トルエン、テトラヒドロフラン、水、ベンゼン、ベンジルアルコール、1,4−ジオキサン、プロパノール、四塩化炭素、シクロヘキサン、シクロヘキサノン、塩化メチレン、フェノール、ピリジン、トリクロロエタン、酢酸などの揮発性の高い溶媒や、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、N,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)、1−メチル−2−ピロリドン(NMP)、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、アセトニトリル、N−メチルモルホリン−N−オキシド、ブチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、ジエチルカーボネート、ジエチルエーテル、1,2−ジメトキシエタン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、1,3−ジオキソラン、エチルメチルカーボネート、メチルホルマート、3−メチルオキサゾリジン−2−オン、メチルプロピオネート、2−メチルテトラヒドロフラン、スルホランなどの揮発性が相対的に低い溶媒が挙げられる。または、上記溶剤を2種以上混合させて用いることも可能である。   Examples of the solvent for the polymer include acetone, chloroform, ethanol, isopropanol, methanol, toluene, tetrahydrofuran, water, benzene, benzyl alcohol, 1,4-dioxane, propanol, carbon tetrachloride, cyclohexane, cyclohexanone, methylene chloride, phenol, Highly volatile solvents such as pyridine, trichloroethane, acetic acid, N, N-dimethylformamide (DMF), dimethyl sulfoxide (DMSO), N, N-dimethylacetamide (DMAc), 1-methyl-2-pyrrolidone (NMP) , Ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, acetonitrile, N-methylmorpholine-N-oxide, butylene carbonate, γ-butyrolactone, diethyl carbonate, diethyl Ether, 1,2-dimethoxyethane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, 1,3-dioxolane, ethyl methyl carbonate, methyl formate, 3-methyl oxazolidine-2-one, methyl propionate, 2 -A solvent having relatively low volatility such as methyltetrahydrofuran and sulfolane. Alternatively, it is possible to use a mixture of two or more of the above solvents.

紡糸をする雰囲気として、一般的には空気中で行うが、二酸化炭素などの空気よりも放電開始電圧の高い気体中で荷電紡糸を行うことで、低電圧での紡糸が可能となり、コロナ放電などの異常放電を防ぐこともできる。また、水がポリマーの貧溶媒である場合、紡糸ノズル近傍でのポリマー析出が起こる場合がある。そのため、空気中の水分を低下させるために、乾燥ユニットを通過させた空気中で行うことが好ましい。   The spinning atmosphere is generally performed in the air, but by performing charge spinning in a gas having a higher discharge starting voltage than air such as carbon dioxide, spinning at a low voltage is possible, such as corona discharge. It is also possible to prevent abnormal discharge. Further, when water is a poor solvent for the polymer, polymer precipitation may occur near the spinning nozzle. Therefore, in order to reduce the moisture in the air, it is preferable to carry out in the air that has passed through the drying unit.

次に捕集基板に累積される不織布を得る段階について説明する。本発明においては、該溶液を捕集基板に向けて曳糸する間に、条件に応じて溶媒が蒸発して繊維状物質が形成される。通常の室温であれば捕集基板上に捕集されるまでの間に溶媒は完全に蒸発するが、もし溶媒蒸発が不十分な場合は減圧条件下で曳糸しても良い。この捕集基板上に捕集された時点で遅くとも本発明の繊維が形成されている。また、曳糸する温度は溶媒の蒸発挙動や紡糸液の粘度に依存するが、通常は、0〜50℃である。そして多孔質繊維がさらに捕集基板に累積されて不織布が製造される。   Next, the step of obtaining the nonwoven fabric accumulated on the collection substrate will be described. In the present invention, while spinning the solution toward the collection substrate, the solvent evaporates depending on conditions to form a fibrous material. At normal room temperature, the solvent completely evaporates until it is collected on the collection substrate. However, if the solvent evaporation is insufficient, the solvent may be drawn under reduced pressure. The fibers of the present invention are formed at the latest when collected on the collection substrate. Further, the temperature at which the spinning is performed depends on the evaporation behavior of the solvent and the viscosity of the spinning solution, but is usually 0 to 50 ° C. And a porous fiber is further accumulated on a collection board, and a nonwoven fabric is manufactured.

本発明の極細繊維を不織布とする場合の目付量は使用用途に応じて決められるものであり、特に限定されるものではないが、エアフィルタ用途では0.05〜50g/m2であるのが好ましい。ここでいう目付量はJIS−L1085に準じたものである。0.05g/m2以下であると、フィルタ捕集効率が低く好ましくなく、50g/m2以上であると、フィルタ通気抵抗が高くなりすぎるので好ましくない。   The basis weight when the ultrafine fiber of the present invention is a non-woven fabric is determined according to the intended use and is not particularly limited. However, it is preferably 0.05 to 50 g / m2 for the air filter. . The basis weight here is in accordance with JIS-L1085. If it is 0.05 g / m 2 or less, the filter collection efficiency is unfavorably low, and if it is 50 g / m 2 or more, the filter ventilation resistance becomes too high, which is not preferable.

本発明の極細繊維を不織布とする場合の厚みは使用用途に応じて決められるものであり、特に限定されるものではないが、1〜100μmであるのが好ましい。ここでいう厚みはマイクロメータで測定したものである。   The thickness when the ultrafine fiber of the present invention is a non-woven fabric is determined according to the intended use and is not particularly limited, but is preferably 1 to 100 μm. The thickness here is measured with a micrometer.

本発明の極細繊維を不織布とする場合、必要であれば、各種用途に適合するように、後処理を実施することができる。例えば、緻密化または厚み精度を整えるためのカレンダー処理、親水処理、撥水処理、界面活性剤付着処理、純水洗浄処理などを実施することができる。   When the ultrafine fiber of the present invention is a non-woven fabric, if necessary, post-treatment can be performed so as to suit various applications. For example, a calendar process, a hydrophilic process, a water repellent process, a surfactant adhesion process, a pure water washing process, etc. for densification or adjusting the thickness accuracy can be performed.

本発明の極細繊維を不織布として得る場合、単独で用いても良いが、取扱性や用途に応じて、他の部材と組み合わせて使用しても良い。例えば、捕集基板として支持基材となりうる布帛(不織布、織物、編物)やフィルム、ドラム、ネット、平板、ベルト形状を有する、金属やカーボンなどからなる導電性材料、有機高分子などからなる非導電性材料を使用することができる。その上に不織布を形成することで、支持基材と該不織布を組み合わせた部材を作成することも出来る。   When the ultrafine fiber of the present invention is obtained as a non-woven fabric, it may be used alone, but may be used in combination with other members depending on handleability and use. For example, a cloth (nonwoven fabric, woven fabric, knitted fabric) that can serve as a support substrate as a collection substrate, a film, a drum, a net, a flat plate, a belt, a conductive material made of metal or carbon, a non-polymer made of an organic polymer, etc. Conductive materials can be used. By forming a non-woven fabric thereon, a member in which the support base material and the non-woven fabric are combined can be created.

次に、本発明のイオン伝導性複合高分子膜について説明する。本発明のイオン伝導性複合高分子膜は、イオン交換基を有するポリマーAのナノファイバーとイオン交換基を有しない熱溶融性ポリマーBから構成されている。ナノファイバーを形成するポリマーAと熱溶融性ポリマーBは同一溶媒に溶解することが好ましい。   Next, the ion conductive composite polymer membrane of the present invention will be described. The ion conductive composite polymer membrane of the present invention is composed of a polymer A nanofiber having an ion exchange group and a heat-meltable polymer B having no ion exchange group. The polymer A and the heat-meltable polymer B that form the nanofiber are preferably dissolved in the same solvent.

本発明のイオン伝導性複合高分子膜におけるイオン伝導性ポリマーのイオン交換基は、負電荷を有する原子団であれば特に限定されるものではないが、プロトン交換能を有するものが好ましい。このような官能基としては、スルホン酸基、スルホンイミド基、硫酸基、ホスホン酸基、リン酸基、カルボン酸基が好ましく用いられる。ここで、スルホン酸基とは−SO(OH)、スルホンイミド基とは−SONHSOR(ただし、Rは有機基を意味する。)、硫酸基とは−OSO(OH)、ホスホン酸基とは−PO(OH)、リン酸基とは−OPO(OH)、カルボン酸基とは−CO(OH)、およびこれらの塩のことを意味する。これらのイオン交換基は前記高分子固体電解質中に2種類以上含むことができ、組み合わせることにより好ましくなる場合がある。組み合わせはポリマーの構造などにより適宜決められる。中でも、高プロトン伝導度の点から少なくともスルホン酸基、スルホンイミド基、硫酸基を有することがより好ましく、耐加水分解性の点から少なくともスルホン酸基を有することが最も好ましい。イオン交換基の例として、スルホン酸基、ホスホン酸基、スルホンイミド基などのプロトン酸基を挙げることができる。中でもスルホン酸基が好ましい。The ion exchange group of the ion conductive polymer in the ion conductive composite polymer membrane of the present invention is not particularly limited as long as it is an atomic group having a negative charge, but preferably has proton exchange ability. As such a functional group, a sulfonic acid group, a sulfonimide group, a sulfuric acid group, a phosphonic acid group, a phosphoric acid group, and a carboxylic acid group are preferably used. Here, the sulfonic acid group is —SO 2 (OH), the sulfonimide group is —SO 2 NHSO 2 R (where R means an organic group), and the sulfuric acid group is —OSO 2 (OH), A phosphonic acid group means —PO (OH) 2 , a phosphoric acid group means —OPO (OH) 2 , a carboxylic acid group means —CO (OH), and salts thereof. Two or more kinds of these ion exchange groups can be contained in the polymer solid electrolyte, and it may be preferable to combine them. The combination is appropriately determined depending on the structure of the polymer. Among them, it is more preferable to have at least a sulfonic acid group, a sulfonimide group, and a sulfuric acid group from the viewpoint of high proton conductivity, and most preferable to have at least a sulfonic acid group from the viewpoint of hydrolysis resistance. Examples of ion exchange groups include proton acid groups such as sulfonic acid groups, phosphonic acid groups, and sulfonimide groups. Of these, sulfonic acid groups are preferred.

本発明のイオン伝導性複合高分子膜におけるイオン交換基を有するポリマーAとしては、十分な機械強度と高イオン交換基密度のポリマーを容易に合成できる点から、ポリマー骨格としては芳香族ポリマーが好ましく、具体的には、ポリフェニレンオキシド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリイミダゾール、ポリオキサゾール、ポリフェニレン、ポリスチレン及びこれらの骨格成分が共重合された構造のものを挙げることができる。   As the polymer A having an ion exchange group in the ion conductive composite polymer membrane of the present invention, an aromatic polymer is preferable as the polymer skeleton from the viewpoint that a polymer having sufficient mechanical strength and high ion exchange group density can be easily synthesized. Specifically, polyphenylene oxide, polyether ketone, polyether ether ketone, polyether sulfone, polyether ether sulfone, polyphenylene sulfide, polyimide, polyether imide, polyimidazole, polyoxazole, polyphenylene, polystyrene and their skeleton components Can be mentioned as a copolymerized structure.

これらのポリマーの中で、イオン交換基を有するポリマーAが一般式(1)と共に一般式(2)で示される構成成分を含むポリアリーレンエーテル系化合物であることが好ましい。
但し、Arは2価の芳香族基、Yはスルホン基またはケトン基、RはH、スルホン酸基
、ホスホン酸基またはそれらの塩を示す。
但し、Ar’は2価の芳香族基を示す。
さらに、イオン交換基を有するポリマーAが一般式(3)と共に一般式(4)で示される構成成分を含むポリアリーレンエーテル系化合物であることが好ましい。
Among these polymers, it is preferable that the polymer A having an ion exchange group is a polyarylene ether-based compound including the structural component represented by the general formula (2) together with the general formula (1).
Here, Ar represents a divalent aromatic group, Y represents a sulfone group or a ketone group, R represents H, a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, or a salt thereof.
However, Ar ′ represents a divalent aromatic group.
Furthermore, it is preferable that the polymer A having an ion exchange group is a polyarylene ether-based compound containing a constituent represented by the general formula (4) together with the general formula (3).

但し、XはHまたは1価のカチオン種を示す。
X represents H or a monovalent cation species.

これらのポリマーの分子量(Mw)については、常温で固体であれば特に限定されないが、膜強度および溶剤への溶解性の観点から1000以上、1×107
以下が好ましい。
The molecular weight (Mw) of these polymers is not particularly limited as long as it is solid at room temperature, but is 1000 or more and 1 × 10 7 from the viewpoint of film strength and solubility in a solvent.
The following is preferred.

本発明のイオン伝導性複合高分子膜に使用されるイオン交換基を有するポリマーAのイオン交換容量(IEC)は、1.0〜4.0meq/gであり、好ましくは1.0〜3.0meq/gである。1.0meq/g未満であるとプロトン伝導性が低くなる傾向があり、4.0meq/gを超えると吸水率が大きくなり膜の機械的強度が弱くなる傾向にある。   The ion exchange capacity (IEC) of the polymer A having an ion exchange group used in the ion conductive composite polymer membrane of the present invention is 1.0 to 4.0 meq / g, preferably 1.0 to 3. 0 meq / g. If it is less than 1.0 meq / g, the proton conductivity tends to be low, and if it exceeds 4.0 meq / g, the water absorption rate tends to be high and the mechanical strength of the membrane tends to be weak.

本発明のイオン伝導性高分子膜で使用される熱溶融性ポリマーBとしては、イオン交換基を有するポリマーAと非相溶であるがポリマーAと同一溶媒に溶解可能で、かつ溶融可能であり、ガラス転移温度が300℃以下であれば、芳香族ポリマーであっても非芳香族ポリマーであっても特に限定されないが、具体例としては、ポリアリーレンエーテル、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリスルホン、ポリパラフェニレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリフェニレンスルホキシド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリフェニレンスルホン、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズイミダゾール、ポリベンズチアゾール、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリアミド、ポリエステル、ポリエーテル、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン、ポリビニルフルオライド、ポリビニリデンフルオライド、ポリクロロトリフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、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、ポリテトラフルオロエチレンなどが挙げられ、ポリマーBは単独でも2種以上の混合でも共重合体でもよい。さらに、イオン交換基を有するポリマーAと同一溶媒に溶解可能であることが好ましい。
これらのポリマーのガラス転移温度が300℃よりも高いと溶融成形時にイオン交換基を有するポリマーAのスルホン酸基が脱離する可能性がある。
The heat-meltable polymer B used in the ion conductive polymer membrane of the present invention is incompatible with the polymer A having an ion exchange group, but can be dissolved in the same solvent as the polymer A and can be melted. As long as the glass transition temperature is 300 ° C. or lower, it is not particularly limited whether it is an aromatic polymer or a non-aromatic polymer. Specific examples include polyarylene ether, polyether sulfone, polyether ether sulfone, Polyether ketone, polyether ether ketone, polyether ketone ketone, polysulfone, polyparaphenylene, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfoxide, polyphenylene sulfide sulfone, polyphenylene sulfone, polybenzoxazole, polybenzimidazole, polybenzthiazole, polyi , Polyetherimide, polyamideimide, polyamide, polyester, polyether, polystyrene, polyethylene, polypropylene, polymethylpentene, polyvinyl fluoride, polyvinylidene fluoride, polychlorotrifluoroethylene, tetrafluoroethylene-ethylene copolymer, Examples thereof include a tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, a tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, and polytetrafluoroethylene. The polymer B may be a single type, a mixture of two or more types, or a copolymer. Furthermore, it is preferable that it is soluble in the same solvent as the polymer A having an ion exchange group.
If the glass transition temperature of these polymers is higher than 300 ° C., the sulfonic acid group of polymer A having an ion exchange group may be eliminated during melt molding.

本発明のイオン伝導性複合高分子膜は、短軸直径1〜100nmの繊維状でイオン交換基を有するイオン交換基を有するポリマーA、すなわち本発明でいうナノファイバーと、イオン交換基を有するポリマーAと非相溶であり、熱溶融性ポリマーBからなる複合膜である。
ナノファイバー短軸直径が1〜100nmの範囲をはずれると、上記のナノファイバー効果が発現されにくくなる。
ナノファイバーの長さは、イオン交換基を有するポリマーAのナノファイバーの補強効果とイオン伝導効果、吸水効果が発現される限り特に限定されないが、ナノファイバーのアスペクト比(繊維長さ/繊維直径)が2以上であることが、ナノファイバー同士が膜中で接触する確率が高くなるため、好ましい。
The ion conductive composite polymer membrane of the present invention is a polymer A having a short axis diameter of 1 to 100 nm and having an ion exchange group having an ion exchange group, that is, a nanofiber and a polymer having an ion exchange group in the present invention. A composite film that is incompatible with A and is made of the heat-meltable polymer B.
When the nanofiber minor axis diameter is out of the range of 1 to 100 nm, the nanofiber effect is hardly expressed.
The length of the nanofiber is not particularly limited as long as the reinforcing effect, ion conduction effect, and water absorption effect of the polymer A nanofiber of the ion exchange group are exhibited, but the aspect ratio of the nanofiber (fiber length / fiber diameter) Is preferably 2 or more because the probability that the nanofibers come into contact with each other in the film is increased.

短軸直径1〜100nmの繊維状のイオン交換基を有するポリマーAであるナノファイバーを膜中にナノレベルで含有分散させる方法としては、例えば、イオン交換基を有するポリマーAと熱溶融性ポリマーBを双方が溶解する溶媒に溶解させて紡糸することによって繊維とし、該繊維単繊維内部に複数の短軸直径1〜100nmのイオン交換基を有するポリマーAのナノファイバーを含有したシート状の繊維集合体を得て、次いで該繊維集合体を加熱して繊維中の熱溶融性ポリマーBを溶融させて膜化する方法が好適である。 熱溶融性ポリマーBをマトリックスとし、該マトリックス中に短軸直径1〜100nmのイオン交換基を有するポリマーAのナノファイバーを含有する繊維を紡糸する方法としては、乾式紡糸法、湿式紡糸法、静電紡糸法など、特に限定されないが、繊維の内部に該繊維直径以下の複数のポリマーAのナノファイバーを形成させやすいという点で、静電紡糸法により紡糸することが最も好ましい。また、単繊維の平均繊維直径は、1μm以下の極細繊維であることが好ましい。
静電紡糸の場合、例えば、イオン交換基を有するポリマーAと熱溶融性のポリマーBとの混合溶液をノズルを配した容器内に充填し、ノズル部に3〜100kV程度の範囲の高電圧を印加し、該混合溶液をノズルからアース又はノズル部とは逆の電圧を印加した捕集部に向けて吐出させる方法を採用することができる。
ポリマーAのナノファイバーの膜中での分散状態は、膜の断面のTEM観察写真などによって、ナノファイバーを観察することによって確認することができる。本発明でいうナノレベルの分散とは、膜の断面のTEM観察写真で、イオン交換基を有するポリマーAの短軸直径1〜100nmの断面が明瞭に確認できる状態をいう。
Examples of a method for containing and dispersing nanofibers, which are polymers A having a fibrous ion exchange group having a short axis diameter of 1 to 100 nm, at a nano level in a membrane include, for example, polymer A having ion exchange groups and heat-meltable polymer B Is formed into a fiber by spinning in a solvent in which both are dissolved, and a sheet-like fiber assembly containing a plurality of nanofibers of polymer A having a plurality of ion-exchange groups having a minor axis diameter of 1 to 100 nm inside the single fiber A method is preferred in which a body is obtained, and then the fiber aggregate is heated to melt the heat-meltable polymer B in the fiber to form a film. As a method of spinning a fiber containing polymer A nanofibers having an ion exchange group having a minor axis diameter of 1 to 100 nm in the matrix using the heat-meltable polymer B, dry spinning, wet spinning, static Although not particularly limited, such as an electrospinning method, spinning by an electrostatic spinning method is most preferable in that a plurality of polymer A nanofibers having a diameter equal to or smaller than the fiber diameter can be easily formed inside the fiber. Moreover, it is preferable that the average fiber diameter of a single fiber is an ultrafine fiber of 1 micrometer or less.
In the case of electrostatic spinning, for example, a mixed solution of polymer A having an ion exchange group and heat-meltable polymer B is filled in a container provided with a nozzle, and a high voltage in the range of about 3 to 100 kV is applied to the nozzle portion. It is possible to employ a method of applying and discharging the mixed solution from a nozzle toward a ground or a collecting part to which a voltage opposite to the nozzle part is applied.
The dispersion state of the polymer A nanofibers in the film can be confirmed by observing the nanofibers with a TEM observation photograph of the cross section of the film. The nano-level dispersion as used in the present invention refers to a state in which a cross section having a short axis diameter of 1 to 100 nm of the polymer A having an ion exchange group can be clearly confirmed in a TEM observation photograph of the cross section of the film.

本発明において紡糸に用いる溶媒は、イオン交換基を有するポリマーAと熱溶融性ポリマーBとの双方が溶解する溶媒であれば特に限定されないが、溶解性や取り扱い性、コストの面などからN−メチル−2−ピロリドン、N、N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、テトラメチルウレア、ジメチルイミダゾリジノン、ジメチルスルホキシド、ヘキサメチルホスホンアミドなどの有機極性溶媒が望ましく、また、これらの混合物であってもよい。溶解温度には特に限定はなく、室温下であっても、加熱下であってもよい。   The solvent used for spinning in the present invention is not particularly limited as long as it is a solvent in which both the polymer A having an ion exchange group and the hot-melt polymer B are soluble. However, N- from the viewpoint of solubility, handleability, cost, and the like. Organic polar solvents such as methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, tetramethylurea, dimethylimidazolidinone, dimethyl sulfoxide, hexamethylphosphonamide are desirable, and mixtures thereof are also preferred. May be. There is no particular limitation on the dissolution temperature, and it may be at room temperature or under heating.

イオン交換基を有するポリマーA/熱溶融製ポリマーBの組成比(質量/質量)は、10/90〜70/30である。イオン交換基を有するポリマーAの割合が少なすぎるとプロトン伝導性が悪くなる傾向にあり、多すぎるとブレンドの効果が期待できなくなる。より好ましい組成比は20/80〜65/35、更に好ましくは30/70〜40/60である。   The composition ratio (mass / mass) of the polymer A having ion exchange groups / the polymer B made by heat melting is 10/90 to 70/30. If the ratio of the polymer A having an ion exchange group is too small, proton conductivity tends to deteriorate, and if it is too large, the effect of blending cannot be expected. A more preferred composition ratio is 20/80 to 65/35, still more preferably 30/70 to 40/60.

本発明のイオン伝導性高分子膜は、イオン伝導性と面積変化率(%)が下記式(1)を、また吸水率と面積変化率(%)が下記式(2)を満たすことが好ましい。
面積変化率(%)/イオン伝導性(S/cm)≦200 (1)
面積変化率(%)/吸水率(質量%)≦0.5 (2)
さらには、面積変化率(%)/イオン伝導性(S/cm)≦100、及び
面積変化率(%)/吸水率(質量%)≦0.3を満足することが好ましい。
すなわち、本発明のイオン伝導性高分子膜は、イオン交換基を有するポリマーAのイオン伝導性及び吸水性が高いにもかかわらず、膜の寸法安定性が従来になく優れる特性が認められることが特徴である。
In the ion conductive polymer membrane of the present invention, the ion conductivity and the area change rate (%) preferably satisfy the following formula (1), and the water absorption rate and the area change rate (%) satisfy the following formula (2). .
Area change rate (%) / ion conductivity (S / cm) ≦ 200 (1)
Area change rate (%) / water absorption rate (% by mass) ≦ 0.5 (2)
Furthermore, it is preferable that the area change rate (%) / ion conductivity (S / cm) ≦ 100 and the area change rate (%) / water absorption rate (mass%) ≦ 0.3 are satisfied.
That is, the ion-conducting polymer membrane of the present invention has a characteristic that the dimensional stability of the membrane is superior to that of the prior art, despite the high ion conductivity and water absorption of the polymer A having an ion exchange group. It is a feature.

本発明のイオン伝導性複合高分子膜は、以下の主要工程を経て製造することができる。
すなわち、イオン交換基を有するポリマーAと熱溶融性ポリマーBとの混合溶媒溶液を静電紡糸法などにより紡糸し、熱溶融性ポリマーBをマトリックスとする単繊維の内部に該繊維直径以下の複数のポリマーAの繊維(ナノファイバー)が含有されている繊維の集合体(シート)を得る工程、得られた該繊維集合体(シート)の熱溶融性ポリマーB成分を溶融させて膜化する工程、すなわち、該繊維集合体(シート)をホットプレスする工程、もしくは該繊維集合体(シート)をTダイを取り付けた押し出し機などを用い溶融押し出しにより製膜する工程、得られた膜を酸性水溶液中で処理する工程、さらに、処理された膜を純水にて水洗する工程を経て製造することができる。該製造方法によれば、イオン交換基を有するポリマーAと熱溶融性ポリマーBとの混合溶液は、均一に溶解した状態で安定に吐出され、その後、繊維状に成形中又は成形後に溶媒が除去されていくに従って相分離が進行して、繊維中にイオン交換基を有するポリマーAからなる極細繊維が存在することとなり、複雑な工程を必要とせず、安定にイオン交換基を有するポリマーAからなる極細繊維が得られる。そして、得られた繊維中の熱溶融性ポリマーBを溶融させて膜化することにより、ナノファイバーとマトリックス(熱溶融性ポリマーB)との間に空隙が殆ど見られない極細繊維を含有する複合高分子膜が得られる。また、得られた膜を酸性水溶液中で処理し、さらに、処理された膜を純水にて水洗することにより、イオン交換基を有するポリマーAの酸性基がプロトン化された高分子電解質膜を得ることが出来る。
The ion conductive composite polymer membrane of the present invention can be produced through the following main steps.
That is, a mixed solvent solution of a polymer A having an ion exchange group and a heat-meltable polymer B is spun by an electrostatic spinning method or the like, and a plurality of fibers having a diameter equal to or smaller than the fiber diameter is contained inside a single fiber having the heat-meltable polymer B as a matrix A process for obtaining a fiber aggregate (sheet) containing fibers (nanofibers) of polymer A, and a process for melting the heat-meltable polymer B component of the obtained fiber aggregate (sheet) to form a film That is, a step of hot pressing the fiber assembly (sheet), or a step of forming the fiber assembly (sheet) by melt extrusion using an extruder equipped with a T die, etc. It can be manufactured through a process in which the film is treated and a process in which the treated film is washed with pure water. According to the production method, the mixed solution of the polymer A having an ion exchange group and the hot-melt polymer B is stably discharged in a uniformly dissolved state, and then the solvent is removed during or after forming into a fiber shape. As the process proceeds, phase separation proceeds, and there are ultrafine fibers made of polymer A having ion-exchange groups in the fiber, and it is made of polymer A having ion-exchange groups stably without requiring a complicated process. Extra fine fibers are obtained. And the composite containing the ultrafine fiber in which a space | gap is hardly seen between a nanofiber and a matrix (heat-meltable polymer B) by melting the heat-meltable polymer B in the obtained fiber into a film. A polymer membrane is obtained. In addition, the obtained membrane is treated in an acidic aqueous solution, and the treated membrane is washed with pure water to obtain a polymer electrolyte membrane in which the acidic group of the polymer A having an ion exchange group is protonated. Can be obtained.

本発明のイオン伝導性複合膜は目的に応じて任意の膜厚にすることができるが、イオン伝導性の面からはできるだけ薄いことが望ましい。具体的には5〜250μmであることが好ましく、5〜100μmであることがさらに好ましい。イオン伝導性複合膜の厚みが5μmより薄いとイオン伝導性膜の取り扱いが困難となり燃料電池を作成した場合に短絡等が起こる傾向にあり、250μmよりも厚いとイオン伝導性複合膜の電気抵抗値が高くなり燃料電池の発電性能が低下する傾向にある。   The ion conductive composite membrane of the present invention can have any film thickness depending on the purpose, but is desirably as thin as possible from the viewpoint of ion conductivity. Specifically, the thickness is preferably 5 to 250 μm, and more preferably 5 to 100 μm. If the thickness of the ion conductive composite membrane is less than 5 μm, it is difficult to handle the ion conductive membrane and a short circuit or the like tends to occur when a fuel cell is formed. However, the power generation performance of the fuel cell tends to decrease.

以下に実施例によって本発明を具体的に説明するが、本発明はもとより下記の実施例によって制限を受けるものではなく、前後記の主旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。   The present invention will be specifically described below with reference to examples. However, the present invention is not limited by the following examples, but should be implemented with appropriate modifications within a range that can meet the gist of the preceding and following descriptions. Of course, these are also possible and all fall within the technical scope of the present invention.

各種測定は以下の通りに実施した。
1.還元粘度
80℃で一晩減圧乾燥させたポリマー粉末を0.5g/dlの濃度でN−メチルピロリドン(NMP)に溶解し、25℃の恒温槽中でウベローデ粘度計を用いて粘度測定を行い、還元粘度ηsp/c=〔(t−t)/t〕/cを評価した。〔t:溶媒のみの滴下時間(s)、t:試料溶液の滴下時間(s)、c:試料溶液の濃度(g/dl)〕
Various measurements were performed as follows.
1. Reduced viscosity The polymer powder dried under reduced pressure at 80 ° C. overnight was dissolved in N-methylpyrrolidone (NMP) at a concentration of 0.5 g / dl, and the viscosity was measured using an Ubbelohde viscometer in a constant temperature bath at 25 ° C. The reduced viscosity ηsp / c = [(t−t 0 ) / t 0 ] / c was evaluated. [T 0 : dropping time of solvent only (s), t: dropping time of sample solution (s), c: concentration of sample solution (g / dl)]

2.極細単繊維の平均繊維直径
繊維集合体に白金−パラジウム合金を蒸着し、走査型電子顕微鏡(SEM 日立製 S−800)にて撮影を行い、5000倍または10000倍のSEM画像に映し出された多数の繊維からランダムに20本の繊維を選び、繊維直径を測定した。測定した20本の繊維直径の平均値を算出し、極細単繊維の平均繊維直径とした。
2. Average fiber diameter of ultrafine single fiber A platinum-palladium alloy was vapor-deposited on a fiber assembly, photographed with a scanning electron microscope (SEM manufactured by SEM Hitachi, S-800), and a large number of SEM images displayed at 5000 or 10,000 times. Twenty fibers were randomly selected from the fibers and the fiber diameter was measured. The average value of the measured 20 fiber diameters was calculated and used as the average fiber diameter of the ultrafine fibers.

3. ナノファイバーのTEM観察
試料をエポキシ樹脂に包埋し、ミクロトームで超薄切片を作製する。作製した切片を四酸化ルテニウム(RuO)蒸気中で30分間染色し、カーボン蒸着を施して、TEM観察用サンプリングを作製し、TEM観察した。TEM観察における加速電圧は200kVで行い、観察倍率は、50000倍と100000倍で実施した。
3. TEM observation of nanofiber A sample is embedded in an epoxy resin, and an ultrathin section is prepared with a microtome. The prepared section was dyed in ruthenium tetroxide (RuO 4 ) vapor for 30 minutes, subjected to carbon deposition, and a TEM observation sampling was prepared and observed by TEM. The acceleration voltage in TEM observation was 200 kV, and the observation magnification was 50000 times and 100000 times.

4.イオン交換容量
80℃で一晩減圧乾燥させたポリマーを50mg秤量し、0.01M-NaOH水溶液
60ml中で1時間攪拌した。その後、溶液を50ml取り出し、自動滴定装置(HIRANUMA TITSTATION TS-980)を用いて0.02M−HCl水溶液で滴定した。イオン交換容量(IEC)は下式より計算した。
IEC=(ブランク平均滴下量(ml)−サンプル滴下量(ml)) ×1.2×0.02/サンプル質量(g)
4). Ion exchange capacity 50 mg of the polymer dried under reduced pressure at 80 ° C. overnight was weighed and stirred in 60 ml of 0.01 M NaOH aqueous solution for 1 hour. Thereafter, 50 ml of the solution was taken out and titrated with an aqueous 0.02M HCl solution using an automatic titrator (HIRANUMA TITSTATION TS-980). The ion exchange capacity (IEC) was calculated from the following equation.
IEC = (blank average dripping amount (ml) −sample dripping amount (ml)) × 1.2 × 0.02 / sample mass (g)

5.イオン伝導性
測定用プローブ(PTFE製)上で幅1cmの短冊状膜サンプルの表面に白金線(直径:0.2mm)を押しあて、80℃、相対湿度95%の恒温恒湿槽中にサンプルを保持し、白金線間の10kHzにおける交流インピーダンスをSOLARTRON社1250FREQUENCY
RESPONSE ANALYSERにより測定した。極間距離を1cmから4cmまで1cm間隔で変化させて測定し、極間距離と抵抗測定値をプロットした直線の勾配Dr[Ω/cm]から下式により
膜と白金線間の接触抵抗をキャンセルして算出した。
σ[S/cm]=1/(膜幅[cm]×膜厚[cm]×Dr[Ω/cm])
5. Ion conductivity A platinum wire (diameter: 0.2 mm) is pressed against the surface of a strip-shaped membrane sample having a width of 1 cm on a probe for measurement (made of PTFE), and the sample is placed in a constant temperature and humidity chamber at 80 ° C. and a relative humidity of 95%. The AC impedance at 10 kHz between the platinum wires is 1250FREQUENCY by SOLARTRON
Measured with RESPONSE ANALYSER. Measured by changing the distance between the electrodes from 1 cm to 4 cm at intervals of 1 cm, and canceling the contact resistance between the film and the platinum wire from the linear slope Dr [Ω / cm] plotting the distance between the electrodes and the measured resistance value And calculated.
σ [S / cm] = 1 / (film width [cm] × film thickness [cm] × Dr [Ω / cm])

6.飽和吸水率
5cm四方のサンプルを80℃で一晩真空乾燥させた後、乾燥質量を測定した。乾燥サンプルを80℃の水中に1日以上保持して飽和吸水後質量(測定開始後質量変化が無くなった時点での質量)を求めて下式よりサンプルの吸水率[%]を算出した。
飽和吸水率[%]=〔(飽和吸水後質量/乾燥質量)−1〕×100
6). Saturated water absorption 5 cm square sample was vacuum dried overnight at 80 ° C., and then dry mass was measured. The dried sample was kept in water at 80 ° C. for 1 day or longer, and the mass after saturated water absorption (the mass when the mass change disappeared after the start of measurement) was determined to calculate the water absorption [%] of the sample from the following formula.
Saturated water absorption [%] = [(mass after saturated water absorption / dry mass) -1] × 100

7.面積変化率
5cm四方のサンプルを80℃で一晩真空乾燥させた後、乾燥後面積を測定した。乾燥サンプルを80℃の水中に1日以上保持して飽和吸水後面積(測定開始後面積変化が無くなった時点での面積)を求めて下式よりサンプルの面積変化率[%]を算出した。
面積変化率[%]=〔(飽和吸水後面積/乾燥後面積)−1〕×100
7). Area change rate A sample of 5 cm square was vacuum-dried at 80 ° C. overnight, and then the area after drying was measured. The dry sample was kept in water at 80 ° C. for 1 day or longer, and the area after saturated water absorption (the area when the area change disappeared after the start of measurement) was determined, and the area change rate [%] of the sample was calculated from the following formula.
Area change rate [%] = [(area after saturated water absorption / area after drying) -1] × 100

合成例1:3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン(略号:S−DCDPS)97.857g(0.1992mol)、2,6−ジクロロベンゾニトリル(略号:DCBN)18.457g(0.1073mol)、4,4’−ビフェノール(略号:BP)57.072g(0.3065mol)、炭酸カリウム
46.596g(0.3371g)、N−メチル−2−ピロリドン(略号:NMP)453.135gを1000ml四つ口フラスコに計り取り、窒素を流した。攪拌しながら加熱を行い、反応溶液の温度が190〜200℃になるようにして15時間反応させた。その後、室温まで冷却し、反応溶液を水中に注いでストランド状に沈殿させた。得られたポリマーは、室温の水で2回、沸騰水中で2回洗浄した後、100℃で乾燥してポリマーを得た。
Synthesis Example 1: Sodium 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenylsulfone (abbreviation: S-DCDPS) 97.857 g (0.1992 mol), 2,6-dichlorobenzonitrile (abbreviation: DCBN) 18 .457 g (0.1073 mol), 4,4′-biphenol (abbreviation: BP) 57.072 g (0.3065 mol), potassium carbonate 46.596 g (0.3371 g), N-methyl-2-pyrrolidone (abbreviation: NMP) ) 453.135 g was weighed into a 1000 ml four-necked flask and flushed with nitrogen. Heating was performed while stirring, and the reaction solution was allowed to react for 15 hours so that the temperature of the reaction solution was 190 to 200 ° C. Then, it cooled to room temperature and poured the reaction solution into water, and precipitated in strand form. The obtained polymer was washed twice with water at room temperature and twice in boiling water, and then dried at 100 ° C. to obtain a polymer.

(実施例1)
合成例1にて重合したイオン導電性ポリマーおよびポリフッ化ビニリデン(アルドリッチ社製 Mw:275,000)をN,N−ジメチルアセトアミド(ナカライテスク社製 特級)に重量比30/70の割合で溶解した。ポリマー濃度は20wt%とした。このブレンド溶液を内径0.9mmのノズルを配した容器内に充填し、ノズル部に高電圧電源を介して電圧を印加した。溶液はノズル先端より吐出され、溶剤を蒸発させながら飛び、アースした捕集部に繊維集合体を作製した。印加した電圧は17kV、ノズル先端から捕集部までの距離は10.5cmであった。繊維集合体の平均繊維径は260nmであった。TEM観察から繊維状の島成分が複数存在することが確認できた。TEM観察結果を図2に示す。
Example 1
The ion conductive polymer polymerized in Synthesis Example 1 and polyvinylidene fluoride (Aldrich Mw: 275,000) were dissolved in N, N-dimethylacetamide (special grade by Nacalai Tesque) at a ratio of 30/70 by weight. . The polymer concentration was 20 wt%. This blend solution was filled in a container provided with a nozzle having an inner diameter of 0.9 mm, and a voltage was applied to the nozzle portion via a high voltage power source. The solution was ejected from the tip of the nozzle, flew while evaporating the solvent, and a fiber assembly was produced in the grounded collection part. The applied voltage was 17 kV, and the distance from the nozzle tip to the collecting part was 10.5 cm. The average fiber diameter of the fiber assembly was 260 nm. It was confirmed from the TEM observation that there were a plurality of fibrous island components. The TEM observation result is shown in FIG.

(実施例2)
合成例1にて重合したイオン導電性ポリマーおよびポリフッ化ビニリデンをN,N−ジメチルアセトアミドに重量比40/60の割合で溶解した以外は実施例1と同様に行った。印加した電圧は18kV、ノズル先端から捕集部までの距離は10.5cmであった。繊維集合体の平均繊維径は210nmであった。TEM観察から繊維状の島成分が複数存在することが確認できた。TEM観察結果を図3に示す。
(Example 2)
The same procedure as in Example 1 was conducted except that the ion conductive polymer and polyvinylidene fluoride polymerized in Synthesis Example 1 were dissolved in N, N-dimethylacetamide at a weight ratio of 40/60. The applied voltage was 18 kV, and the distance from the nozzle tip to the collecting part was 10.5 cm. The average fiber diameter of the fiber assembly was 210 nm. It was confirmed from the TEM observation that there were a plurality of fibrous island components. The TEM observation results are shown in FIG.

(実施例3)
合成例1にて重合したイオン導電性ポリマーおよびポリフッ化ビニリデンをN,N−ジメチルアセトアミドに重量比50/50の割合で溶解した以外は実施例1と同様に行った。印加した電圧は20kV、ノズル先端から捕集部までの距離は10.5cmであった。繊維集合体の平均繊維径は260nmであった。TEM観察から繊維状の島成分が複数存在することが確認できた。TEM観察結果を図4に示す。
(Example 3)
The same procedure as in Example 1 was conducted except that the ion conductive polymer and polyvinylidene fluoride polymerized in Synthesis Example 1 were dissolved in N, N-dimethylacetamide at a weight ratio of 50/50. The applied voltage was 20 kV, and the distance from the nozzle tip to the collecting part was 10.5 cm. The average fiber diameter of the fiber assembly was 260 nm. It was confirmed from the TEM observation that there were a plurality of fibrous island components. The TEM observation result is shown in FIG.

(実施例4)
合成例1にて重合したイオン導電性ポリマーおよびポリフッ化ビニリデンをN,N−ジメチルアセトアミドに重量比70/30の割合で溶解した以外は実施例1と同様に行った。印加した電圧は25kV、ノズル先端から捕集部までの距離は10.5cmであった。繊維集合体の平均繊維径は140nmであった。TEM観察から繊維状の島成分が複数存在することが確認できた。TEM観察結果を図に示す。
実施例1〜4で得られたウェブを、加熱してポリフッ化ビニリデンを溶融させることにより、繊維間の接着性に優れたナノファイバー不織布が得られた。
Example 4
The same procedure as in Example 1 was conducted except that the ion conductive polymer and polyvinylidene fluoride polymerized in Synthesis Example 1 were dissolved in N, N-dimethylacetamide at a weight ratio of 70/30. The applied voltage was 25 kV, and the distance from the nozzle tip to the collecting part was 10.5 cm. The average fiber diameter of the fiber assembly was 140 nm. It was confirmed from the TEM observation that there were a plurality of fibrous island components. The TEM observation results are shown in the figure.
By heating the webs obtained in Examples 1 to 4 to melt polyvinylidene fluoride, a nanofiber nonwoven fabric having excellent adhesion between fibers was obtained.

(合成例2:イオン伝導性芳香族ポリマーA1の合成)
3,3’−ジスルホ−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン2ナトリウム塩(略号:S−DCDPS)15.0g〔0.03026mol〕、2,6−ジクロロベンゾニトリル(略号:DCBN)2.81g〔0.01629mol〕、4,4’−ビフェノール8.6747g〔0.04655mol〕、炭酸カリウム7.0775gを200ml四つ口フラスコに秤量し、窒素を流した。89.1mlのNMPを加えて、150℃で1時間攪拌した後、反応温度を195−200℃に昇温して系の粘性が十分上がるのを目安に反応を続けた(約6時間)。その後、放冷して水中にストランド状に沈殿させた。得られたポリマーは水中で洗浄した後、乾燥した。ポリマーの還元粘度は1.93(dl/g)、IECは2.3(meq/g)であった。
(Synthesis Example 2: Synthesis of ion-conductive aromatic polymer A1)
3,3′-disulfo-4,4′-dichlorodiphenylsulfone disodium salt (abbreviation: S-DCDPS) 15.0 g [0.03026 mol], 2,6-dichlorobenzonitrile (abbreviation: DCBN) 2.81 g [0.01629 mol], 8.6747 g [0.04655 mol] of 4,4′-biphenol and 7.0775 g of potassium carbonate were weighed in a 200 ml four-necked flask and flushed with nitrogen. After adding 89.1 ml of NMP and stirring at 150 ° C. for 1 hour, the reaction was continued by raising the reaction temperature to 195-200 ° C. and sufficiently increasing the viscosity of the system (about 6 hours). Thereafter, the mixture was allowed to cool and precipitated into strands in water. The obtained polymer was washed in water and then dried. The reduced viscosity of the polymer was 1.93 (dl / g), and the IEC was 2.3 (meq / g).

(実施例5)
合成例2にて得たイオン伝導性芳香族ポリマーA1およびポリフッ化ビニリデン(PVDF:アルドリッチ社製 Mw=275,000)をN,N−ジメチルアセトアミド(ナカライテスク社製 特級)に質量比30/70の割合で溶解した。ポリマー濃度は20wt%とした。このブレンド溶液を内径0.9mmのノズルを配した容器内に充填し、ノズル部に高電圧電源を介して電圧を印加した。溶液はノズル先端より吐出され、溶剤を蒸発させながら飛び、アースした捕集部に繊維集合体を作製した。印加した電圧は17kV、ノズル先端から捕集部までの距離は10.5cmであった。極細繊維集合体の極細繊維の平均繊維径は260nmであった。極細繊維のTEM観察から短軸直径が100nm以下の繊維状の島成分(ナノファイバー)が複数存在することが確認できた。
次いで得られた極細繊維集合体を230℃×8MPa×5min真空の条件でホットプレスすることにより膜状に成形した。その後、得られた膜を2N HSO水溶液で12時間処理を行い、さらに純水で処理することで複合膜を得た。得られた複合膜1のIEC、イオン伝導性、吸水率、面積変化率などの特性を表1にまとめた。なお、複合膜断面のTEM観察写真から、複合膜中に短軸直径が100nm以下の多数のナノファイバーが分散しているのが確認できた。複合膜断面のTEM観察写真の例を図6、図7に示した。
(Example 5)
The ion conductive aromatic polymer A1 obtained in Synthesis Example 2 and polyvinylidene fluoride (PVDF: Aldrich Mw = 275,000) are added to N, N-dimethylacetamide (special grade by Nacalai Tesque) at a mass ratio of 30/70. It melt | dissolved in the ratio. The polymer concentration was 20 wt%. This blend solution was filled in a container provided with a nozzle having an inner diameter of 0.9 mm, and a voltage was applied to the nozzle portion via a high voltage power source. The solution was ejected from the tip of the nozzle, flew while evaporating the solvent, and a fiber assembly was produced in the grounded collection part. The applied voltage was 17 kV, and the distance from the nozzle tip to the collecting part was 10.5 cm. The average fiber diameter of the ultrafine fibers of the ultrafine fiber assembly was 260 nm. From the TEM observation of the ultrafine fibers, it was confirmed that there were a plurality of fibrous island components (nanofibers) having a minor axis diameter of 100 nm or less.
Next, the obtained ultrafine fiber assembly was formed into a film shape by hot pressing under vacuum conditions of 230 ° C. × 8 MPa × 5 min. Then, the obtained film was treated with a 2N H 2 SO 4 aqueous solution for 12 hours, and further treated with pure water to obtain a composite film. Table 1 summarizes the characteristics of the obtained composite membrane 1 such as IEC, ion conductivity, water absorption, and area change rate. From the TEM observation photograph of the composite membrane cross section, it was confirmed that a large number of nanofibers having a short axis diameter of 100 nm or less were dispersed in the composite membrane. Examples of TEM observation photographs of the composite membrane cross section are shown in FIGS.

(実施例6)
イオン伝導性ポリマーA1およびポリフッ化ビニリデンをN,N−ジメチルアセトアミドに質量比40/60の割合で溶解した以外は実施例5と同様に行った。印加した電圧は18kV、ノズル先端から捕集部までの距離は10.5cmであった。得られた極細繊維集合体の極細繊維の平均繊維径は210nmであった。極細繊維のTEM観察から繊維状の島成分(ナノファイバー)が複数存在することが確認できた(TEM観察結果を図3に示す)。得られた極細繊維集合体を実施例5と同様の方法で膜に成形し、評価を行った。その結果を表1にまとめた。また、実施例5と同様にして、複合膜断面のTEM観察写真から、複合膜中に短軸直径が100nm以下の多数のナノファイバーが分散しているのが確認できた。
(Example 6)
The same procedure as in Example 5 was performed except that the ion conductive polymer A1 and polyvinylidene fluoride were dissolved in N, N-dimethylacetamide at a mass ratio of 40/60. The applied voltage was 18 kV, and the distance from the nozzle tip to the collecting part was 10.5 cm. The average fiber diameter of the ultrafine fibers of the obtained ultrafine fiber assembly was 210 nm. From the TEM observation of the ultrafine fibers, it was confirmed that there were a plurality of fibrous island components (nanofibers) (TEM observation results are shown in FIG. 3). The obtained ultrafine fiber aggregate was molded into a membrane by the same method as in Example 5 and evaluated. The results are summarized in Table 1. Further, in the same manner as in Example 5, it was confirmed from the TEM observation photograph of the cross section of the composite film that a large number of nanofibers having a short axis diameter of 100 nm or less were dispersed in the composite film.

(実施例7)
イオン伝導性ポリマーA1および公知のポリエーテルイミド(PEI)であるウルテム1000をN,N−ジメチルアセトアミドに質量比40/60の割合で溶解した以外は実施例5と同様に行った。印加した電圧は18kV、ノズル先端から捕集部までの距離は10.5cmであった。得られた極細繊維集合体の極細繊維の平均繊維径は270nmであった。極細繊維のTEM観察から繊維状の島成分(ナノファイバー)が複数存在することが確認できた。得られた極細繊維集合体を290℃×8MPa×5min真空の条件でホットプレスすることにより膜状に成形した。実施例5と同様の方法で評価を行った。その結果を表1にまとめた。また、実施例5と同様にして、複合膜断面のTEM観察写真から、複合膜中に短軸直径が100nm以下の多数のナノファイバーが分散しているのが確認できた。
(Example 7)
The same procedure as in Example 5 was performed except that Ultem 1000, which is an ion conductive polymer A1 and a known polyetherimide (PEI), was dissolved in N, N-dimethylacetamide at a mass ratio of 40/60. The applied voltage was 18 kV, and the distance from the nozzle tip to the collecting part was 10.5 cm. The average fiber diameter of the ultrafine fibers of the obtained ultrafine fiber assembly was 270 nm. It was confirmed from the TEM observation of the ultrafine fibers that there were a plurality of fibrous island components (nanofibers). The obtained ultrafine fiber assembly was formed into a film by hot pressing under vacuum conditions of 290 ° C. × 8 MPa × 5 min. Evaluation was performed in the same manner as in Example 5. The results are summarized in Table 1. Further, in the same manner as in Example 5, it was confirmed from the TEM observation photograph of the cross section of the composite film that a large number of nanofibers having a short axis diameter of 100 nm or less were dispersed in the composite film.

(比較例1)
イオン伝導性芳香族ポリマーA1をNMPに溶解させ、10質量%溶液とし、この溶液をガラスプレート上にキャストし、100℃で6時間乾燥させることで芳香族ポリマーAの単独膜を得た。この膜について実施例5と同様の評価を行った。
(比較例2)
ナフィオン(Nafion)(登録商標;デュポン社)112を用いた単独膜において実施例5と同様の評価を実施し、その特性を表1にまとめた。
(Comparative Example 1)
The ion conductive aromatic polymer A1 was dissolved in NMP to make a 10% by mass solution, this solution was cast on a glass plate and dried at 100 ° C. for 6 hours to obtain a single membrane of the aromatic polymer A. Evaluation similar to Example 5 was performed about this film | membrane.
(Comparative Example 2)
The same evaluation as in Example 5 was performed on a single membrane using Nafion (registered trademark; DuPont) 112, and the characteristics are summarized in Table 1.

以上の結果から、本発明のイオン伝導性複合高分子膜は、イオン伝導性が高く、吸水性が高いにもかかわらず、吸水に対する寸法安定性が優れていることがわかる。 From the above results, it can be seen that the ion conductive composite polymer membrane of the present invention is excellent in dimensional stability against water absorption despite high ion conductivity and high water absorption.

本発明の極細繊維によれば、特殊なノズルを用いることなく、これまでにない、1本のナノファイバー内に複数のナノファイバーが更に存在するものを提供することが可能となる。溶剤による除去を必要とせず、ナノファイバー効果を得ることができ、2種以上のポリマーからなるナノファイバーであるため、一方のポリマーの不足部分をもう一方のポリマーで補完することや各ポリマーに機能を分化することが可能となり、また、本発明のイオン伝導性複合高分子膜は、イオン伝導性だけでなく加工性、寸法安定性に優れた燃料電池などの高分子電解質膜として際立った性能を示す材料であり、また、メタノール透過性が低いという特徴もあり、ダイレクトメタノール型燃料電池用の高分子電解質膜としても有用であり、産業界に寄与すること大である。   According to the ultrafine fiber of the present invention, it is possible to provide an unprecedented one having a plurality of nanofibers in one nanofiber without using a special nozzle. The nanofiber effect can be obtained without the need for solvent removal, and since the nanofiber consists of two or more polymers, the shortage of one polymer can be supplemented with the other polymer and each polymer can function. In addition, the ion conductive composite polymer membrane of the present invention has outstanding performance as a polymer electrolyte membrane such as a fuel cell excellent in processability and dimensional stability as well as ion conductivity. In addition, it is also useful as a polymer electrolyte membrane for a direct methanol fuel cell, and has a feature of low methanol permeability, contributing greatly to the industry.

本発明における製造装置の模式図の一例。An example of the schematic diagram of the manufacturing apparatus in this invention. 実施例1記載の極細繊維TEM写真。4 is an ultrafine fiber TEM photograph described in Example 1. 実施例2記載の極細繊維TEM写真。4 is an ultrafine fiber TEM photograph described in Example 2. 実施例3記載の極細繊維TEM写真。4 is an ultrafine fiber TEM photograph described in Example 3. 実施例4記載の極細繊維TEM写真。4 is an ultrafine fiber TEM photograph described in Example 4. 実施例5で得られたイオン伝導性高分子膜の断面のTEM観察写真。4 is a TEM observation photograph of a cross section of the ion conductive polymer film obtained in Example 5. FIG. 実施例5で得られたイオン伝導性高分子膜の断面のTEM観察写真(拡大)。TEM observation photograph (enlarged) of a cross section of the ion conductive polymer film obtained in Example 5.

符号の説明Explanation of symbols

1 荷電紡糸装置
2 紡糸ノズル
3 溶液槽
4 高電圧電源
5 対向電極(捕集基板)
6 ナノファイバー
7 熱溶融性ポリマーB
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Charge spinning apparatus 2 Spinning nozzle 3 Solution tank 4 High voltage power supply 5 Counter electrode (collection board)
6 Nanofiber 7 Hot melt polymer B

Claims (3)

単繊維(マトリックス繊維)の直径1μm以下であって、該単繊維がアロイ化されたポリマーからなり、マトリックス部とコア部を構成し、該単繊維の内部に該繊維直径以下の複数の繊維(コア繊維)が包含されてなり、該マトリックス部、該コア部を構成する各ポリマーをブレンドした溶液を作製し、該溶液に電圧を印加し、アースまたは逆電圧を印加した捕集部に吐出することで作製されることを特徴とする極細繊維。 A single fiber (matrix fiber) having a diameter of 1 μm or less, made of a polymer in which the single fiber is alloyed, constitutes a matrix part and a core part , and a plurality of fibers having a diameter equal to or less than the fiber diameter inside the single fiber ( Core fiber) is included, and a solution is prepared by blending the matrix portion and each polymer constituting the core portion, a voltage is applied to the solution, and the solution is discharged to a collecting portion to which ground or a reverse voltage is applied. Ultrafine fiber characterized by being manufactured by 前記内部繊維が、イオン交換基を有するポリマーであることを特徴とする請求項1に記載の極細繊維。 The ultrafine fiber according to claim 1, wherein the internal fiber is a polymer having an ion exchange group. マトリックス部が、熱溶融性ポリマーであることを特徴とする請求項1〜2いずれかに記載の極細繊維。 The ultrafine fiber according to claim 1 , wherein the matrix portion is a heat-meltable polymer.
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