JP5649017B2 - 芳香族ポリエーテル系重合体の製造方法 - Google Patents
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Description
「ポリマー」(Polymer), 1987, vol. 28, 1009. 「ジャーナル オブ メンブレン サイエンス」(Journal of Membrane Science), 83 (1993) 211-220. 「マクロモル ケム フィズ」(Macromol. Chem. Phys.), 199, 1421-1426 (1998).
B1:b×cモル(ただし、b=0.3〜0.99、c=1.035〜1.2)
C1:(1−b)モル
B1:b×cモル(ただし、b=0.3〜0.99、c=1.035〜1.2)
C1:(1−b)モル
従来の芳香族ポリエーテル系重合体の製造方法を用いた場合、すなわち、前記(A1)、(B1)および(C1)を理論量どおり、それぞれ下記比率で重合せしめた場合には、十分な高分子量化が困難であるため、機械特性が不足して長期間使用した場合に膜が破損したり、耐熱水性が不足して高温高湿度下で膨潤したり、耐熱メタノール性が不足して燃料クロスオーバー抑制効果が不足し、実用的な高分子電解質材料として使用することは困難であった。
B1:bモル(ただし、b=0.01〜0.99)
C1:(1−b)モル
これに対し、本発明によって得られた芳香族ポリエーテル系重合体は、従来の方法と比較してc倍モル量の(B1)を使用することにより、芳香族ポリエーテル系重合体の十分な高分子量体が得られ、実用性に優れた高分子電解質材料を提供することができたものである。また、本発明によって得られる芳香族ポリエーテル系重合体の高分子量体からなる高分子電解質材料は、耐熱水性、耐熱メタノール性、燃料クロスオーバー抑制効果ならびに機械特性を完全に両立するという優れた特徴を有する。さらに、高分子量化が不十分であるために、これまで使用することができなかった高いスルホン酸基密度を有する芳香族ポリエーテル系重合体を使用しても、プロトン伝導性と耐熱水性、耐熱メタノール性を両立し、かつ、機械特性にも優れた高分子電解質材料を提供することに成功したものである。
前記式(B2)で表されるスルホン酸基含有芳香族ジハライドのより好適な具体例としては、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジクロロジフェニルフェニルホスフィンオキシド、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロジフェニルフェニルホスフィンオキシド、等を挙げることができる。なかでも耐熱メタノール性、燃料クロスオーバー抑制効果の点から3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロジフェニルケトンがより好ましく、重合活性の点から3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロジフェニルケトンが最も好ましい。
前記式(C2)で表される芳香族ジハライドのより好適な具体例としては、4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、4,4’−ジクロロジフェニルケトン、4,4’−ジフルオロジフェニルケトン、4,4’−ジクロロジフェニルフェニルホスフィンオキシド、4,4’−ジフルオロジフェニルフェニルホスフィンオキシド、等を挙げることができる。中でも4,4’−ジクロロジフェニルケトン、4,4’−ジフルオロジフェニルケトンが耐熱メタノール性、耐熱水性の点からより好ましく、重合活性の点から4,4’−ジフルオロジフェニルケトンが最も好ましい。これら芳香族ジハライド化合物は、単独で使用することができるが、複数の芳香族活性ジハライド化合物を併用することも可能である。
なかでも、最も好ましくは式(P6)または(P7)から選ばれ、前記Z1がフェニル基、前記Z2が直接結合である基を有するものがさらに好ましい。
スルホン酸基含有ジハライドの純度分析については特に限定されるものではないが、有機物についてはキャピラリー電気泳動(CE)あるいは液体クロマトグラフィー、無機物についてはイオンクロマトグラフ法(IC)等により純度を測定することが可能である。スルホン酸基含有芳香族ジハライドについては、吸湿性の高い化合物であることから水分率を確認する必要があり、水分率測定方法としてはカールフィッシャー法等が挙げられる。
(1) 試料をミルにより粉砕し、粒径を揃えるため、目50メッシュの網ふるいにかけ、ふるいを通過したものを測定試料とする。
(2) サンプル管(蓋付き)を精密天秤で秤量する。
(3) 前記(1)の試料 約0.1gをサンプル管に入れ、40℃で16時間、真空乾燥する。
(4) 試料入りのサンプル管を秤量し、試料の乾燥重量を求める。
(5) 塩化ナトリウムを30重量%メタノール水溶液に溶かし、飽和食塩溶液を調製する。
(6) 試料に前記(5)の飽和食塩溶液を25mL加え、24時間撹拌してイオン交換する。
(7) 生じた塩酸を0.02mol/L水酸化ナトリウム水溶液で滴定する。指示薬として市販の滴定用フェノールフタレイン溶液(0.1体積%)を2滴加え、薄い赤紫色になった点を終点とする。
(8) スルホン酸基密度は下記の式により求める。
〔水酸化ナトリウム水溶液の濃度(mmol/ml)×滴下量(ml)〕/試料の乾燥重量(g)
本発明によって得られる芳香族ポリエーテル系重合体には、本発明の目的を阻害しない範囲において、他の成分、例えば導電性若しくはイオン伝導性を有さない不活性なポリマーや有機あるいは無機の化合物、が含有されていても構わない。
膜状の試料を25℃の純水に24時間浸漬した後、25℃、相対湿度50〜80%の雰囲気中に取り出し、できるだけ素早く定電位交流インピーダンス法でプロトン伝導度を測定した。
ポリマーの重量平均分子量をゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)により測定した。紫外検出器と示差屈折計の一体型装置として東ソー製HLC−8022GPCを、またGPCカラムとして東ソー製TSK gel SuperHM−H(内径6.0mm、長さ15cm)2本を用い、N−メチル−2−ピロリドン溶媒(臭化リチウムを10mmol/L含有するN−メチル−2−ピロリドン溶媒)にて、40℃、流量0.2mL/minで測定し、標準ポリスチレン換算により重量平均分子量を求めた。
電解質膜の耐熱水性および耐熱メタノール性は60℃、30wt%メタノール水溶液中での寸法変化率を測定することにより評価した。電解質膜を長さ約5cm、幅約1cmの短冊状に切り取り、25℃の水中に24時間浸漬後、ノギスで長さ(L1)を測長した。該電解質膜を60℃の30wt%メタノール水溶液中に12時間浸漬後、再度ノギスで長さ(L2)を測長し、その寸法変化の大きさを目視で観察した。
ミツトヨ製グラナイトコンパレータスタンドBSG−20にセットしたミツトヨ製ID−C112型を用いて測定した。
スルホン酸基含有ジハライドの純度分析をキャピラリー電気泳動(CE)およびイオンクロマトグラフ法(IC)により測定し、純度を算出した。CE分析はUV検出器、キャピラリーとしてヒューズドシリカを使用し、泳動液ホウ酸(pH9)、印加電圧ポジティブの条件で測定を行い、純度は検出ピークの面積百分率(%)で算出した。また、IC分析はDIONEX製DX−500を用い、アニオンは溶離液KOHグラジエントで、カチオンは溶離液メタンスルホン酸で測定した。水分率測定は三菱化成工業微量水分測定装置CA−05型を用いてカールフィッシャー法により測定した。
下記式(G1)で表されるジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノンの合成
下記式(G2)で表されるポリマーの合成
かき混ぜ機、窒素導入管、Dean−Starkトラップを備えた1L三口フラスコに、炭酸カリウム34.55g(アルドリッチ社製試薬、250mmol)、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン70.08g(大阪ガスケミカル社製、純度98.5%、200mmol)、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン21.82g(アルドリッチ社試薬、純度99.9%、100mmol)、および前記合成例2で得たジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノン44.97g(106.5mmol、係数c=1.065)を入れ、窒素置換後、N−メチルピロリドン(NMP)300mL、トルエン150mL中、200℃で20時間重合を行った。多量の水で再沈殿することで精製を行い、上記式(G2)で示される芳香族ポリエーテル系重合体を得た。重量平均分子量は51万と大きかった。
下記式(G3)で表されるポリマーの合成
9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン70.08g(大阪ガスケミカル社製、純度98.5%、200mmol)を4,4’−ジヒドロキシテトラフェルメタン70.49g(サンケミカル社製、純度100%、200mmol)、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノン44.97g(106.5mmol、係数c=1.065)を43.71g(103.5mmol、係数c=1.035)に変えた以外は実施例1に記載の方法で、上記式(G3)で示される芳香族ポリエーテル系重合体を得た。得られたポリマーの重量平均分子量は32万と大きかった。
4,4’−ジフルオロベンゾフェノン21.82g(100mmol)を30.55g(140mmol)、および前記合成例2で得たジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノン44.97g(106.5mmol、係数c=1.065)を26.98g(63mmol、係数c=1.05)に変えた以外は実施例1に記載の方法で芳香族ポリエーテル系重合体を得た。得られたポリマーの重量平均分子量は43万と大きかった。
4,4’−ジフルオロベンゾフェノン21.82g(100mmol)を13.09g(60mmol)、および前記合成例2で得たジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノン44.97g(106.5mmol、係数c=1.065)を62.96g(149.1mmol、係数c=1.065)に変えた以外は、実施例1に記載の方法で芳香族ポリエーテル系重合体を得た。得られたポリマーの重量平均分子量は24万と大きかった。
市販のナフィオン(登録商標)117膜(デュポン社製)を用い、イオン伝導度、MCOおよび耐熱メタノール性を評価した。ナフィオン(登録商標)117膜は100℃の5%過酸化水素水中にて30分、続いて100℃の5wt%希硫酸中にて30分浸漬した後、100℃の脱イオン水でよく洗浄した。
ジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノン44.97g(106.5mmol、係数c=1.065)を42.29g(100mmol、係数c=1.00)に変えた以外は、実施例1に記載の方法で芳香族ポリエーテル系重合体の合成を行った。得られたポリマーの重量平均分子量は11万と小さかった。
ジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノン44.97g(106.5mmol、係数c=1.065)を42.29g(121mmol、係数c=1.21)に変えた以外は、実施例1に記載の方法で芳香族ポリエーテル系重合体の合成を行った。得られたポリマーの重量平均分子量は5万と小さく、ポリマーの回収ができなかった。
Claims (6)
- 少なくともビスフェノール(A1)、スルホン酸基含有芳香族ジハライド(B1)、スルホン酸基を含有しない芳香族ジハライド(C1)から得られる、重量平均分子量が、10万以上、100万以下の、高分子電解質材料として使用される芳香族ポリエーテル系重合体の製造方法において、前記(A1)、(B1)および(C1)をそれぞれ下記比率で重合せしめることを特徴とする芳香族ポリエーテル系重合体の製造方法。
A1:1モル
B1:b×cモル(ただし、b=0.3〜0.99、c=1.035〜1.2)
C1:(1−b)モル - 該スルホン酸基含有芳香族ジハライド(B1)が下記一般式(B2)、該スルホン酸基を含有しない芳香族ジハライド(C1)が下記一般式(C2)で表されることを特徴する請求項1〜3のいずれかに記載の芳香族ポリエーテル系重合体の製造方法。
- 該一般式(B2)中のY1および一般式(C2)中のY2が、−CO−であることを特徴する請求項4に記載の芳香族ポリエーテル系重合体の製造方法。
- 該芳香族ポリエーテル系重合体が、燃料電池用の高分子電解質材料として使用されるものであることを特徴する請求項1〜5のいずれかに記載の芳香族ポリエーテル系重合体の製造方法。
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