JP5672795B2 - Polymer polymerization method - Google Patents

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本発明は、高分子電解質型燃料電池等に用いられる高分子電解質材料となるイオン性基を有するポリマーの重合方法に関するものである。   The present invention relates to a method for polymerizing a polymer having an ionic group to be a polymer electrolyte material used in a polymer electrolyte fuel cell or the like.

燃料電池は、水素、メタノールなどの燃料を電気化学的に酸化することによって、電気エネルギーを取り出す一種の発電装置であり、近年、クリーンなエネルギー供給源として注目されている。なかでも高分子電解質型燃料電池は、標準的な作動温度が100℃前後と低く、かつ、エネルギー密度が高いことから、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幅広い応用が期待されている。また、小型移動機器、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。   BACKGROUND ART A fuel cell is a kind of power generation device that extracts electrical energy by electrochemically oxidizing a fuel such as hydrogen or methanol, and has recently attracted attention as a clean energy supply source. In particular, the polymer electrolyte fuel cell has a low standard operating temperature of around 100 ° C. and a high energy density, so that it is a relatively small-scale distributed power generation facility, a mobile power generator such as an automobile or a ship. As a wide range of applications are expected. 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.

高分子電解質型燃料電池においては、水素ガスを燃料とする従来の高分子電解質型燃料電池(以下、PEFCと記載する)に加えて、メタノールを直接供給するダイレクトメタノール型燃料電池(以下、DMFCと記載する)も注目されている。DMFCは燃料が液体で改質器を用いないために、エネルギー密度が高くなり一充填あたりの携帯機器の使用時間が長時間になるという利点がある。   In polymer electrolyte fuel cells, in addition to conventional polymer electrolyte fuel cells that use hydrogen gas as fuel (hereinafter referred to as PEFC), direct methanol fuel cells that supply methanol directly (hereinafter referred to as DMFC) It is also attracting attention. Since DMFC is liquid and does not use a reformer, it has the advantage that the energy density is high and the usage time of the portable device per filling is long.

燃料電池は通常、発電を担う反応の起こるアノードとカソードの電極と、アノードとカソード間のプロトン伝導体となる高分子電解質膜とが、膜電極複合体(以降、MEAと略称することがある。)を構成し、このMEAがセパレータによって挟まれたセルをユニットとして構成されている。高分子電解質膜は高分子電解質材料を主として構成される。高分子電解質材料は電極触媒層のバインダー等にも用いられる。   In a fuel cell, an anode electrode and a cathode electrode in which a reaction responsible for power generation occurs, and a polymer electrolyte membrane serving as a proton conductor between the anode and the cathode are sometimes referred to as a membrane electrode assembly (hereinafter, abbreviated as MEA). ) And a cell in which this MEA is sandwiched between separators is configured as a unit. The polymer electrolyte membrane is mainly composed of a polymer electrolyte material. The polymer electrolyte material is also used as a binder for the electrode catalyst layer.

高分子電解質膜の要求特性としては、第一に高いプロトン伝導性が挙げられる。そのため高分子電解質材料にはイオン性基が導入される。また、高分子電解質膜は、燃料と酸素の直接反応を防止するバリアとしての機能を担うため、燃料の低透過性が要求される。特に、メタノールなどの有機溶媒を燃料とするDMFC用高分子電解質膜においては、メタノール透過はメタノールクロスオーバー(以降、MCOと略称することがある。)と呼ばれ、電池出力およびエネルギー効率の低下という問題を引き起こす。その他の要求特性としては、燃料電池運転中の強い酸化雰囲気に耐えるための化学的安定性、薄膜化や膨潤乾燥の繰り返しに耐えうる機械強度などを挙げることができる。   The required characteristics of the polymer electrolyte membrane include firstly high proton conductivity. Therefore, an ionic group is introduced into the polymer electrolyte material. In addition, since the polymer electrolyte membrane functions as a barrier that prevents direct reaction between the fuel and oxygen, low permeability of the fuel is required. In particular, in a polymer electrolyte membrane for DMFC that uses an organic solvent such as methanol as fuel, methanol permeation is called methanol crossover (hereinafter sometimes abbreviated as MCO), which means that battery output and energy efficiency are reduced. Cause problems. Other required characteristics include chemical stability to withstand a strong oxidizing atmosphere during fuel cell operation and mechanical strength to withstand repeated thinning and swelling and drying.

上記高分子電解質型燃料電池等に用いられる高分子電解質材料となるイオン性基を有するポリマーを重合する際、脱塩重縮合反応では反応の進行に伴い金属塩が析出する。この析出した金属塩が重合阻害となったり、長時間の重合反応によるイオン性基の熱分解を促進させる恐れがあった。また、高分子電解質材料が高いプロトン伝導性を得るためには、スルホン酸基などのイオン性基の末端がプロトン型である必要があり、アルカリ金属塩存在下ではイオン性基の金属塩を形成するが、このイオン性基の金属塩の末端は凝集が起こりやすいといった問題もあった。   When polymerizing a polymer having an ionic group, which becomes a polymer electrolyte material used in the polymer electrolyte fuel cell or the like, a metal salt is deposited as the reaction proceeds in the desalting polycondensation reaction. This precipitated metal salt may inhibit polymerization or promote thermal decomposition of ionic groups due to a long polymerization reaction. In addition, in order for the polymer electrolyte material to obtain high proton conductivity, the terminal of an ionic group such as a sulfonic acid group must be a proton type, and a metal salt of an ionic group is formed in the presence of an alkali metal salt. However, there is a problem that the terminal of the metal salt of the ionic group tends to aggregate.

このように、従来技術による高分子電解質材料の重合は困難であり、産業上有用な燃料電池用高分子電解質材料としては課題があった。   Thus, the polymerization of the polymer electrolyte material according to the prior art is difficult, and there is a problem as an industrially useful polymer electrolyte material for fuel cells.

この課題に対し、特許文献1では高分子電解質材料の重合時にクラウンエーテル類が存在する場合が示されている。しかし、このクラウンエーテルは共重合のモノマー構造に含まれて使用されているので、重合反応が進むとポリマー鎖に取り込まれ、同様にポリマー鎖に取り込まれたイオン性基の金属塩の捕捉剤としては機能しなくなり、長時間の重合によるイオン性基の熱分解を抑制する効果が生じない。また、かえってイオン性基の金属塩の末端が凝集するのを促進してしまうおそれもある。   For this problem, Patent Document 1 shows a case where crown ethers are present during polymerization of a polymer electrolyte material. However, since this crown ether is used by being included in the monomer structure of copolymerization, it is incorporated into the polymer chain as the polymerization reaction proceeds, and as a scavenger for the metal salt of the ionic group incorporated into the polymer chain as well. Does not function, and the effect of suppressing thermal decomposition of the ionic group due to long-time polymerization does not occur. On the contrary, there is a possibility that the terminal of the metal salt of the ionic group is promoted to aggregate.

また、特許文献2においては、重合時に反応促進剤としてクラウンエーテルを添加するとの記述がある。しかし、この場合の重合方法はラジカル重合であり、本発明の様な脱塩重縮合ではないため、析出した金属塩による重合阻害やイオン性基の熱分解、またイオン性基の金属塩末端の凝集を抑制するものではない。   Patent Document 2 describes that crown ether is added as a reaction accelerator during polymerization. However, since the polymerization method in this case is radical polymerization and not desalination polycondensation as in the present invention, polymerization inhibition by the precipitated metal salt, thermal decomposition of the ionic group, and the end of the metal salt of the ionic group It does not suppress aggregation.

特開平10−120914号公報JP-A-10-120914 特開2004−75855号公報JP 2004-75855 A

本発明はイオン性基の金属塩を含有するモノマーを脱塩重縮合する際に、析出した金属塩による重合阻害や長時間の重合反応によるイオン性基の熱分解およびイオン性基の金属塩末端の凝集を抑制するものである。   In the present invention, when a monomer containing a metal salt of an ionic group is subjected to desalting polycondensation, polymerization inhibition by the deposited metal salt, thermal decomposition of the ionic group due to a long-time polymerization reaction, and terminal of the metal salt of the ionic group It suppresses the aggregation of.


上記目的を達成するための本発明は、次のような手段を採用するものである。すなわち、イオン性基の金属塩を含有するモノマーを2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,3−ジオキソランおよび/またはジヒドロキシベンゾフェノンとアルカリ金属塩との存在下で脱塩重縮合する際に、クラウンエーテル類を添加する高分子重合方法であって(1)イオン性基の金属塩を含有するモノマーの金属塩のモル数以上のクラウンエーテル類を添加し、かつ、
(2)アルカリ金属が、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,3−ジオキソランおよび/またはジヒドロキシベンゾフェノンのヒドロキシ基のモル数にイオン性基の金属塩を含有するモノマーの金属塩のモル数を加えたモル数以上になるように、アルカリ金属塩を添加することを特徴とする高分子重合方法である。

In order to achieve the above object, the present invention employs the following means. That is, when a monomer containing a metal salt of an ionic group is subjected to desalting polycondensation in the presence of 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,3-dioxolane and / or dihydroxybenzophenone and an alkali metal salt. And (1) adding a crown ether having a mole number of metal salt of a monomer containing a metal salt of an ionic group, and
(2) A metal salt of a monomer in which the alkali metal contains a metal salt of an ionic group in the number of moles of the hydroxy group of 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,3-dioxolane and / or dihydroxybenzophenone In the polymer polymerization method, an alkali metal salt is added so that the number of moles is equal to or more than the number of moles added.

本発明によれば、イオン性基の金属塩を含有するモノマーを脱塩重縮合する際に、析出した金属塩による重合阻害や長時間の重合反応によるイオン性基の熱分解およびイオン性基の金属塩末端の凝集を抑制することが可能となる。   According to the present invention, when a salt containing a metal salt of an ionic group is subjected to desalting polycondensation, polymerization inhibition by the deposited metal salt and thermal decomposition of the ionic group due to a long polymerization reaction and It becomes possible to suppress aggregation of metal salt ends.

クラウンエーテル非添加、添加した電解質高分子の構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the electrolyte polymer which does not add crown ether and was added. スルホン酸基中の硫黄原子同士の動径分布関数、配位数を示す図である。It is a figure which shows the radial distribution function and coordination number of the sulfur atoms in a sulfonic acid group. 実施例1で得られたポリマーの重量平均分子量およびスルホン酸基密度の重合時間による変化を示した図である。It is the figure which showed the change by the superposition | polymerization time of the weight average molecular weight of the polymer obtained in Example 1, and a sulfonic acid group density. 比較例1で得られたポリマーの重量平均分子量およびスルホン酸基密度の重合 時間による変化を示した図である。FIG. 4 is a graph showing changes in the weight average molecular weight and sulfonic acid group density of the polymer obtained in Comparative Example 1 with polymerization time. 実施例2で得られたポリマーの重量平均分子量およびスルホン酸基密度の重合時間による変化を示した図である。It is the figure which showed the change by the polymerization time of the weight average molecular weight of the polymer obtained in Example 2, and a sulfonic acid group density. 比較例2で得られたポリマーの重量平均分子量およびスルホン酸基密度の重合 時間による変化を示した図である。FIG. 6 is a graph showing changes in the weight average molecular weight and sulfonic acid group density of the polymer obtained in Comparative Example 2 with polymerization time. 比較例3で得られたポリマーの重量平均分子量およびスルホン酸基密度の重合 時間による変化を示した図である。FIG. 4 is a graph showing changes in the weight average molecular weight and sulfonic acid group density of the polymer obtained in Comparative Example 3 with polymerization time.

以下、本発明の好ましい実施形態を説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described.

本発明の重合方法はイオン性基の金属塩を含有するモノマーを脱塩重縮合する際に適用されるものである。ここで言うイオン性基とは、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。   The polymerization method of the present invention is applied when a salt containing a metal salt of an ionic group is subjected to desalting polycondensation. The ionic group mentioned here is not particularly limited as long as it is an atomic group having a negative charge, but is preferably one having 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.

本発明ではイオン性基と金属カチオンとでイオン性基の金属塩を構成している事が必須であり、前記塩を構成する形成する金属カチオンとしては、その価数等特に限定されるものではなく、使用することができる。好ましい金属カチオンの具体例を挙げるとすれば、Li、Na、K、Rh、Mg、Ca、Sr、Ti、Al、Fe、Pt、Rh、Ru、Ir、Pd等が挙げられる。中でも、安価で、溶解性に悪影響を与えず、容易にプロトン置換可能なNa、Kがより好ましく使用される。   In the present invention, it is essential that the ionic group and the metal cation constitute a metal salt of the ionic group, and the metal cation that forms the salt is not particularly limited in its valence, etc. Can be used. Specific examples of preferred metal cations include Li, Na, K, Rh, Mg, Ca, Sr, Ti, Al, Fe, Pt, Rh, Ru, Ir, and Pd. Among these, Na and K which are inexpensive and do not adversely affect the solubility and can be easily proton-substituted are more preferably used.

これらのイオン性基は前記高分子電解質膜中に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。   Two or more kinds of these ionic groups can be contained in the polymer electrolyte membrane, and may be preferable by combining 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.

高分子電解質膜中のスルホン酸基の量は、スルホン酸基密度(mmol/g)の値として示すことができる。本発明における高分子電解質膜のスルホン酸基密度は、プロトン伝導性、燃料クロスオーバーおよび機械強度の点から0.1〜5.0mmol/gであることが好ましく、さらに好ましくは、0.5〜3.0mmol/g、燃料クロスオーバーの点から最も好ましくは0.8〜2.0mmol/gである。スルホン酸基密度が、0.1mmol/gより低いと、プロトン伝導性が低いため十分な発電特性が得られないことがあり、5.0mmol/gより高いと燃料電池用電解質膜として使用する際に、十分な耐水性および含水時の機械的強度が得られないことがある。   The amount of sulfonic acid groups in the polymer electrolyte membrane can be expressed as a value of sulfonic acid group density (mmol / g). The sulfonic acid group density of the polymer electrolyte membrane in the present invention is preferably 0.1 to 5.0 mmol / g, more preferably 0.5 to 5.0 in terms of proton conductivity, fuel crossover and mechanical strength. 3.0 mmol / g, and most preferably 0.8 to 2.0 mmol / g from the point of fuel crossover. When the sulfonic acid group density is lower than 0.1 mmol / g, sufficient proton generation characteristics may not be obtained due to low proton conductivity. When the sulfonic acid group density is higher than 5.0 mmol / g, it may be used as an electrolyte membrane for a fuel cell. In addition, sufficient water resistance and mechanical strength when containing water may not be obtained.

ここで、スルホン酸基密度とは、乾燥した高分子電解質膜1グラムあたりに導入されたスルホン酸基のモル数であり、値が大きいほどスルホン酸基の量が多いことを示す。スルホン酸基密度は、元素分析、中和滴定により求めることが可能である。これらの中でも測定の容易さから、元素分析法を用い、S/C比から算出することが好ましいが、スルホン酸基以外の硫黄源を含む場合などは、中和滴定法によりイオン交換容量を求めることもできる。本発明の高分子電解質材料は、イオン性基を有するモノマーとそれ以外の成分からなる複合体である態様を含むが、その場合もスルホン酸基密度は複合体の全体量を基準として求めるものとする。   Here, the sulfonic acid group density is the number of moles of sulfonic acid groups introduced per gram of the dried polymer electrolyte membrane, and the larger the value, the greater the amount of sulfonic acid groups. The sulfonic acid group density can be determined by elemental analysis or neutralization titration. Among these, it is preferable to calculate from the S / C ratio using an elemental analysis method for ease of measurement. However, when a sulfur source other than a sulfonic acid group is included, the ion exchange capacity is obtained by a neutralization titration method. You can also The polyelectrolyte material of the present invention includes an embodiment that is a complex composed of a monomer having an ionic group and other components, and in this case as well, the sulfonic acid group density is obtained on the basis of the total amount of the complex. To do.

本発明に使用されるイオン性基を有するポリマー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。   The polymer having an ionic group used in the present invention may contain other components such as an inactive polymer or an organic or inorganic compound that does not have conductivity or ionic conductivity, as long as the object of the present invention is not impaired. It may be contained.

これらのイオン性基に結合した金属カチオンに対し、後に述べる環状金属捕捉剤が結合し、一種のイオン性基の保護基として働き、長時間の重合による熱分解を抑制していると推測している。また、イオン性基に結合した金属カチオンに対して強く相互作用する環状金属捕捉剤を添加することで、添加分子がイオン性基/金属カチオン/イオン性基の間に割り込んで、凝集を抑制するという仮説を立てた。   The metal cations bound to these ionic groups are bound by a cyclic metal scavenger described later, acting as a protective group for a kind of ionic groups, and presuming that thermal decomposition due to prolonged polymerization is suppressed. Yes. In addition, by adding a cyclic metal scavenger that interacts strongly with the metal cation bound to the ionic group, the added molecules are trapped between the ionic group / metal cation / ionic group to suppress aggregation. I made the hypothesis.

その根拠として、計算科学で計算した結果を以下に示す。   As a basis for this, the results calculated by computational science are shown below.

発明者らは、この凝集抑制の仮説を検証するために、環状金属捕捉剤のひとつであるクラウンエーテルを添加した高分子電解質膜の微細構造を分子シミュレーションによって調べた。分子シミュレーションは、近年の電子計算機の速度の飛躍的向上と方法論の発展により、液体、高分子、タンパク質等のモデルについて、実験では困難な、原子レベルでの詳細な構造や運動に関する信頼性のある知見を得ることに成功を納めつつある手法である。   In order to verify the hypothesis of the aggregation suppression, the inventors examined the microstructure of the polymer electrolyte membrane to which crown ether, which is one of the cyclic metal scavengers, was added by molecular simulation. Molecular simulations are reliable for detailed structures and motions at the atomic level, which are difficult to experiment with models of liquids, polymers, proteins, etc., due to dramatic improvements in speed and development of methodologies in recent years. It is a technique that is becoming successful in obtaining knowledge.

本発明者らはまず、B3LYP/6−31G(d,p)レベルの分子軌道計算を行って、Kとクラウンエーテル(18−Crown−6)の相互作用エネルギーを評価した。分子軌道法とはシュレディンガー方程式を数値的に解いて分子の電子状態を評価するものである。計算の結果、Kとクラウンエーテルの相互作用エネルギーは77kcal/molであり、水素結合(約5kcal/mol)と比較して非常に強いことがわかった。この結果はクラウンエーテルがKの捕捉剤として好適に用いることができることを意味する。 The inventors first performed molecular orbital calculations at the B3LYP / 6-31G (d, p) level to evaluate the interaction energy between K + and crown ether (18-Crown-6). The molecular orbital method is to evaluate the electronic state of a molecule by numerically solving the Schrodinger equation. As a result of the calculation, it was found that the interaction energy between K + and crown ether was 77 kcal / mol, which was very strong as compared with the hydrogen bond (about 5 kcal / mol). This result means that crown ether can be suitably used as a K + scavenger.

次に、本発明者らはクラウンエーテルを添加した電解質高分子の微細構造を分子動力学法を用いて調べた。分子動力学法とは分子集団系の運動方程式を構成分子のすべてに対して逐一解いて、それぞれの分子の軌跡を求める手法である。   Next, the present inventors investigated the fine structure of the electrolyte polymer to which crown ether was added using a molecular dynamics method. The molecular dynamics method is a method of finding the locus of each molecule by solving the equation of motion of the molecular collective system for every constituent molecule.

本計算においては、構造式( 1 )に示した高分子モデルを用いて1ナノ秒の分子動力学計算を行った。   In this calculation, a molecular dynamics calculation of 1 nanosecond was performed using the polymer model shown in the structural formula (1).

系の組成としては、構造式( 1 )に示した高分子を系に4分子配置し、高分子溶液の濃度が20wt%となるようにNMP分子を410分子配置した(クラウンエーテル非添加モデル)。さらに、高分子中のスルホン酸基と当モルになるようにクラウンエーテル(18−Crown−6)を24分子配置したモデルも別途作成した(クラウンエーテル添加モデル)。   As the composition of the system, four molecules of the polymer represented by the structural formula (1) are arranged in the system, and 410 molecules of NMP molecules are arranged so that the concentration of the polymer solution is 20 wt% (model without crown ether addition). . Furthermore, a model in which 24 molecules of crown ether (18-crown-6) were arranged so as to be equimolar with the sulfonic acid group in the polymer was also created separately (crown ether addition model).

計算条件としては、温度をNose−Hoover法[M.Tuckerman,B. J.Berne and G.J.Martyna,J.Chem.Phys.,97,1990 (1992).]を用いて2 5 ℃ に制御し、圧力を斜交系セルを用いるParrinello−Rahman法[M.Parrinello and A.Rahman,J.Appl.Phys.,52,7182(1981).]を用いて1atmに制御した。また、vdW相互作用および実空間の静電相互作用の計算はカットオフ半径rc=10オングストロームとし、逆空間の静電相互作用はα=0.21オングストローム−1、|n| max=50としてEwald法を用いて計算を行った。 As a calculation condition, the temperature is set to the Nose-Hoover method [M. Tuckerman, B.M. J. et al. Berne and G. J. et al. Martyna, J.M. Chem. Phys. 97, 1990 (1992). ], And the pressure is controlled to 25 ° C., and the pressure is changed to the Parrino-Rahman method using an oblique cell [M. Parrinello and A.M. Rahman, J .; Appl. Phys. , 52, 7182 (1981). ] To 1 atm. The calculation of the vdW interaction and the electrostatic interaction in the real space is made with a cutoff radius rc = 10 angstroms, and the electrostatic interaction in the reverse space is made with α = 0.21 angstrom −1 and | n | 2 max = 50. Calculations were made using the Ewald method.

分子動力学計算で用いるポテンシャルパラメータについては、ポリマーの結合長および結合角の平衡位置、二面角力場パラメータ、電荷、およびKのvdWパラメータを分子軌道計算によって最適化した。また、SO3−部分のvdWパラメータには文献[W.R.Cannon,B.M.Pettitt,J.A.McCammon,J.Phys.Chem.,98,6225(1994).]のパラメータを用いた。それ以外のパラメータについては、汎用パラメータAMBER[W.D.Cornell,P.Cieplak,C.I.Bayly,I.R.Gould,K.M.Merz Jr,D.M.Ferguson,D.C.Spellmeyer,T.Fox,J.W.Caldwell and P.A.Kollman,J.Am.Chem.Soc.,117,5179(1995).]、DREIDING [S.L.Mayo,B.D.Olafson,W.A.Goddard III,J.Phys.Chem.,94,8897(1990).]を用いた。 For the potential parameters used in the molecular dynamics calculation, the polymer bond length and bond angle equilibrium positions, dihedral force field parameters, charge, and K + vdW parameters were optimized by molecular orbital calculations. Further, the vdW parameters SO 3- portion literature [W. R. Cannon, B.D. M.M. Pettitt, J.A. A. McCammon, J.M. Phys. Chem. 98, 6225 (1994). ] Parameters were used. For other parameters, the general-purpose parameter AMBER [W. D. Cornell, P.A. Cieplak, C.I. I. Bayly, I.D. R. Gould, K.M. M.M. Merz Jr, D.M. M.M. Ferguson, D.M. C. Spellmeyer, T.M. Fox, J. et al. W. Caldwell and P.M. A. Kollman, J .; Am. Chem. Soc. 117, 5179 (1995). ], DREIDING [S. L. Mayo, B.M. D. Olafson, W.M. A. Goddard III, J. et al. Phys. Chem. 94, 8897 (1990). ] Was used.

分子動力学計算によって求めたクラウンエーテル非添加、添加モデルの構造を図1に示した。図1からクラウンエーテル非添加品はスルホン酸基がKを介して強く凝集しており、クラウンエーテル添加品は、クラウンエーテルがスルホン酸基/K/スルホン酸基の間に割り込んでいることがわかった。 The structure of the crown ether non-added / added model obtained by molecular dynamics calculation is shown in FIG. As shown in FIG. 1, the sulfonic acid group is strongly aggregated via K + in the product not added with crown ether, and the crown ether is inserted between the sulfonic acid group / K + / sulfonic acid group in the product added with crown ether. I understood.

スルホン酸基の凝集抑制効果を定量的に見積もるために、スルホン酸基中の硫黄原子同士の動径分布関数、配位数を計算した。ここで、動径分布関数g(r)とは、数式(1)に示したように、平均粒子数<nij(r)>に規格化定数を乗じたものである。ここで、平均粒子数<nij(r)>は、ある粒子iを中心に距離r±Δrの領域に存在する粒子の数の平均値である。また、配位数は平均原子数<n(r)>をある距離まで積算したものである。 In order to quantitatively estimate the aggregation suppression effect of the sulfonic acid group, the radial distribution function and coordination number between sulfur atoms in the sulfonic acid group were calculated. Here, the radial distribution function g (r) is obtained by multiplying the average number of particles <n ij (r)> by a normalization constant as shown in Equation (1). Here, the average number of particles <n ij (r)> is an average value of the number of particles existing in a region having a distance r ± Δr around a certain particle i. The coordination number is obtained by integrating the average number of atoms <n (r)> up to a certain distance.

計算結果を図2に示した。図2から、クラウンエーテル非添加品の配位数は動径分布関数の第1ピークの位置において0.8程度であることがわかった。これはスルホン酸基の第一配位圏には別のスルホン酸基が80%程度の高い確率で存在していることを示す。一方、クラウンエーテル添加品はスルホン酸基同士の配位数が0.2程度であり、クラウンエーテル非添加品よりもずっと小さな配位数であることがわかった。   The calculation results are shown in FIG. From FIG. 2, it was found that the coordination number of the product without added crown ether was about 0.8 at the position of the first peak of the radial distribution function. This indicates that another sulfonic acid group is present at a high probability of about 80% in the first coordination sphere of the sulfonic acid group. On the other hand, it was found that the crown ether-added product has a coordination number between sulfonic acid groups of about 0.2, which is much smaller than that of the crown ether-free product.

以上の分子シミュレーションによる結果は、イオン性基に結合した金属カチオンに対して強く相互作用する環状金属捕捉剤を添加することで、添加分子がイオン性基/金属カチオン/イオン性基の間に割り込んで、凝集を抑制するという仮説を示唆するものである。また、イオン性基の凝集を抑制する観点からは、スルホン酸基同士の配位数が第一配位圏において、0.4以下となるような凝集抑制剤を添加することが好ましい。   The results of the above molecular simulation show that by adding a cyclic metal scavenger that strongly interacts with the metal cation bound to the ionic group, the added molecule is interrupted between the ionic group / metal cation / ionic group. This suggests the hypothesis of suppressing aggregation. Moreover, from the viewpoint of suppressing aggregation of ionic groups, it is preferable to add an aggregation inhibitor such that the coordination number of sulfonic acid groups is 0.4 or less in the first coordination sphere.

このように、イオン性基の金属塩に例えばクラウンエーテルの様な環状金属捕捉剤が結合し、一種の保護基の様に作用して熱による分解を抑制していると考えられる。   Thus, it is considered that a cyclic metal scavenger such as crown ether binds to a metal salt of an ionic group and acts like a kind of protective group to suppress thermal decomposition.

また、他の効果として、重合時にイオン性基の金属塩を含有するモノマーの末端に環状金属捕捉剤が作用することによって、イオン性基同士の凝集が抑制されること、溶媒への溶解性が向上することでより均一な系での反応となることから、さらに高分子量のポリマーが得られるものと推測している。   In addition, as other effects, the cyclic metal scavenger acts on the terminal of the monomer containing the metal salt of the ionic group at the time of polymerization, thereby suppressing aggregation of ionic groups and solubility in a solvent. It is speculated that a higher molecular weight polymer can be obtained because the reaction can be carried out in a more uniform system by improving.

イオン性基の金属塩の凝集抑制効果は電解質膜に形成した後も維持され、本重合方法で得られたポリマーは組成が均一であり凝集物が見られないことから、高品位かつ高耐久な電解質膜が得られる。   The aggregation suppression effect of the metal salt of the ionic group is maintained even after it is formed on the electrolyte membrane, and the polymer obtained by this polymerization method has a uniform composition and no aggregates are found. An electrolyte membrane is obtained.

次に脱塩重縮合について説明する。イオン性基を有するモノマーを用いて重合する方法としては、繰り返し単位中にイオン性基を有したモノマーを用いれば良く、必要により適当な保護基を導入して重合後脱保護基を行えばよい。かかる方法は例えば ジャーナル オブ メンブレン サイエンス(Journal of Membrane Science), 197, 2002, p.231-242 に記載がある。本発明は上記の重合法の中でも脱塩重縮合に限定される方法であり、アルカリ金属塩の存在下で適用されるのが、最も効果的である。   Next, desalting polycondensation will be described. As a method of polymerizing using a monomer having an ionic group, a monomer having an ionic group in a repeating unit may be used, and if necessary, an appropriate protecting group may be introduced to perform a deprotecting group after polymerization. . Such a method is described, for example, in Journal of Membrane Science, 197, 2002, p.231-242. The present invention is a method limited to the desalting polycondensation among the above polymerization methods, and is most effective when applied in the presence of an alkali metal salt.

重合方法に関する好ましい重合条件を以下に示す。   Preferred polymerization conditions for the polymerization method are shown below.

脱塩重縮合は、上記モノマー混合物を塩基性化合物の存在下で反応させることで重合体を得ることができる。重合は、0〜350℃の温度範囲で行うことができるが、50〜250℃の温度であることが好ましい。0℃より低い場合には、十分に反応が進まない傾向にあり、350℃より高い場合には、ポリマーの分解も起こり始める傾向がある。反応は、無溶媒下で行うこともできるが、溶媒中で行うことが好ましい。使用できる溶媒としては、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド、スルホラン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、ヘキサメチルホスホントリアミド等の非プロトン性極性溶媒などを挙げることができるが、これらに限定されることはなく、芳香族求核置換反応において安定な溶媒として使用できるものであればよい。これらの有機溶媒は、単独でも2種以上の混合物として使用されても良い。   In the desalting polycondensation, a polymer can be obtained by reacting the monomer mixture in the presence of a basic compound. The polymerization can be carried out in the temperature range of 0 to 350 ° C., but is preferably 50 to 250 ° C. When the temperature is lower than 0 ° C., the reaction does not proceed sufficiently, and when the temperature is higher than 350 ° C., the polymer tends to be decomposed. The reaction can be carried out in the absence of a solvent, but is preferably carried out in a solvent. Solvents that can be used include N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethyl sulfoxide, sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, hexamethylphosphontriamide and the like. However, it is not limited to these, and any solvent that can be used as a stable solvent in the aromatic nucleophilic substitution reaction may be used. These organic solvents may be used alone or as a mixture of two or more.

アルカリ金属塩としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム等があげられるが、芳香族ジオール類を活性なフェノキシド構造にしうるものであれば、これらに限定されず使用することができる。   Examples of the alkali metal salt include sodium hydroxide, potassium hydroxide, sodium carbonate, potassium carbonate, sodium hydrogen carbonate, potassium hydrogen carbonate and the like, and those that can convert an aromatic diol into an active phenoxide structure can be used. It can use without being limited to.

反応性の観点からイオン性基の金属塩を含有するモノマーをアルカリ金属塩存在下で重合する際に、それらが同一の金属で塩を形成しているか、すなわちイオン化傾向が同じであるか、あるいはアルカリ金属塩の方がイオン化傾向の高い金属を使用して塩を形成していることが好ましい。アルカリ金属塩の方にイオン化傾向の高い金属を用いた場合、モノマーのイオン性基の金属塩がアルカリ金属塩の金属に置き換わり、その分アルカリ金属塩が仕込量より減ることになり、重合が伸びにくい傾向にあった。   From the viewpoint of reactivity, when monomers containing a metal salt of an ionic group are polymerized in the presence of an alkali metal salt, they form a salt with the same metal, that is, the ionization tendency is the same, or The alkali metal salt is preferably formed using a metal having a higher ionization tendency. When a metal having a high ionization tendency is used for the alkali metal salt, the metal salt of the ionic group of the monomer is replaced with the metal of the alkali metal salt, and the alkali metal salt is reduced from the charged amount, and the polymerization is increased. It tended to be difficult.

具体的な例としては、スルホン酸基のナトリウム塩を有するモノマーを炭酸カリウム存在下で重合した場合、スルホン酸基の末端がカリウムに交換された分、炭酸カリウムが仕込量よりも減ることになる。また、置き換わって生成した炭酸ナトリウムは一般的に炭酸カリウムに比べ重合活性に劣ることが知られており、重合度が上がりにくいことがあった。   As a specific example, when a monomer having a sodium salt of a sulfonic acid group is polymerized in the presence of potassium carbonate, the amount of potassium carbonate is less than the charged amount because the terminal of the sulfonic acid group is replaced with potassium. . In addition, it is known that sodium carbonate produced by replacement is generally inferior in polymerization activity as compared with potassium carbonate, and the degree of polymerization may be difficult to increase.

その対策として、アルカリ金属塩をモノマーのイオン性基の金属塩のモル数分も増量して仕込むことが好ましく、そうすることで、重合活性が劣ることなく高分子量化することができる。   As a countermeasure, it is preferable to add the alkali metal salt in an amount corresponding to the number of moles of the metal salt of the ionic group of the monomer, and by doing so, the molecular weight can be increased without inferior polymerization activity.

脱離する無機塩、つまりモノマーの反応末端は、一価のアルカリ金属とハロゲンの組み合わせが好ましく用いられる。具体的にはLi、Na、K、RbとF、Cl、Br、I等である。安価であることや環状金属捕捉剤を考慮すると、Na、KとF、Clが特に好ましく用いられる。この脱離した無機塩は塩基性化合物または塩基性化合物の分解物と結合する場合もある。この塩基性化合物の分解物等も重合反応において阻害となる恐れがあり、同様に環状金属化合物により、阻害を抑制する効果もある。   A combination of monovalent alkali metal and halogen is preferably used as the inorganic salt to be eliminated, that is, the reaction terminal of the monomer. Specifically, Li, Na, K, Rb and F, Cl, Br, I and the like. In consideration of the low cost and the cyclic metal scavenger, Na, K, F, and Cl are particularly preferably used. The detached inorganic salt may bind to a basic compound or a decomposition product of the basic compound. The decomposition product of the basic compound may also be hindered in the polymerization reaction. Similarly, the cyclic metal compound has an effect of suppressing the hindrance.

また、重縮合においては、副生物として水が生成する場合がある。この際は、重合溶媒とは関係なく、トルエンなどを反応系に共存させて共沸物として水を系外に除去することもできる。水を系外に除去する方法としては、モレキュラーシーブなどの吸水剤を使用することもできる。   In polycondensation, water may be generated as a by-product. In this case, regardless of the polymerization solvent, water can be removed from the system as an azeotrope by coexisting toluene or the like in the reaction system. As a method for removing water out of the system, a water-absorbing agent such as molecular sieve can also be used.

反応水又は反応中に導入された水を除去するのに用いられる共沸剤は、一般に、重合を実質上妨害せず、水と共蒸留し且つ約25℃〜約250℃の間で沸騰する任意の不活性化合物である。普通の共沸剤には、ベンゼン、トルエン、キシレン、クロルベンゼン、塩化メチレン、ジクロルベンゼン、トリクロルベンゼンなどが含まれる。もちろん、その沸点が用いた双極性溶媒の沸点よりも低いような共沸剤を選定することが有益である。共沸剤が普通用いられるが、高い反応温度、例えば200℃以上の温度が用いられるとき、特に反応混合物に不活性ガスを連続的に散布させるときにはそれは常に必要ではない。一般には、反応は不活性雰囲気下に酸素が存在しない状態で実施するのが望ましい。   Azeotropic agents used to remove reaction water or water introduced during the reaction generally do not substantially interfere with polymerization, co-distill with water and boil between about 25 ° C and about 250 ° C. Any inert compound. Common azeotropic agents include benzene, toluene, xylene, chlorobenzene, methylene chloride, dichlorobenzene, trichlorobenzene and the like. Of course, it is beneficial to select an azeotropic agent whose boiling point is lower than that of the dipolar solvent used. An azeotropic agent is commonly used, but it is not always necessary when high reaction temperatures are used, such as temperatures above 200 ° C., especially when the inert gas is continuously sparged into the reaction mixture. In general, it is desirable to carry out the reaction in an inert atmosphere and in the absence of oxygen.

縮合反応を溶媒中で行う場合、得られるポリマー濃度として5〜50重量%となるようにモノマーを仕込むことが好ましい。5重量%よりも少ない場合は、重合度が上がりにくい傾向がある。一方、50重量%よりも多い場合には、反応系の粘性が高くなりすぎ、反応物の後処理が困難になる傾向がある。   When the condensation reaction is carried out in a solvent, it is preferable to charge the monomer so that the resulting polymer concentration is 5 to 50% by weight. When the amount is less than 5% by weight, the degree of polymerization tends to be difficult to increase. On the other hand, when the amount is more than 50% by weight, the viscosity of the reaction system becomes too high, and the post-treatment of the reaction product tends to be difficult.

重合反応終了後は、反応溶液より蒸発によって溶媒を除去し、必要に応じて残留物を洗浄することによって、所望のポリマーが得られる。また、反応溶液を、ポリマーの溶解度が低く、副生する無機塩の溶解度が高い溶媒中に加えることによって、無機塩を除去、ポリマーを固体として沈殿させ、沈殿物の濾取によりポリマーを得ることもできる。回収されたポリマーは場合により水やアルコール又は他の溶媒で洗浄され、乾燥される。所望の分子量が得られたならば、ハライドあるいはフェノキシド末端基は場合によっては安定な末端基を形成させるフェノキシドまたはハライド末端封止剤を導入することにより反応させることができる。   After completion of the polymerization reaction, the solvent is removed from the reaction solution by evaporation, and the residue is washed as necessary to obtain the desired polymer. In addition, by adding the reaction solution to a solvent having low polymer solubility and high by-product inorganic salt solubility, the inorganic salt is removed, the polymer is precipitated as a solid, and the polymer is obtained by filtering the precipitate. You can also. The recovered polymer is optionally washed with water, alcohol or other solvent and dried. Once the desired molecular weight is obtained, halide or phenoxide end groups can optionally be reacted by introducing a phenoxide or halide end-capping agent that forms a stable end group.

また、水を使用しないポリマー精製方法が提案されており、フィルター濾過や遠心分離で固液分離が行われている。例えば、遠心分離では析出した不純物を沈降させ、ポリマーを含む上澄液を分離することで精製される。しかし、溶媒に水中で沈殿して精製する場合よりも塩やモノマー、オリゴマーの含有が多く、ポリマー完全な分離は困難であるが、環状金属捕捉剤を添加することにより金属カチオンやイオン性基を有するモノマーやオリゴマーを有機溶媒に可溶化することができ、膜に成型した後に析出することなく、酸処理や水洗により除去することができる。   In addition, a polymer purification method that does not use water has been proposed, and solid-liquid separation is performed by filter filtration or centrifugation. For example, in the centrifugation, the precipitated impurities are settled, and the supernatant containing the polymer is separated to be purified. However, it contains more salts, monomers, and oligomers than when purified by precipitation in water in a solvent, and complete separation of the polymer is difficult. However, by adding a cyclic metal scavenger, metal cations and ionic groups can be removed. The monomer or oligomer it has can be solubilized in an organic solvent and can be removed by acid treatment or water washing without precipitation after being formed into a film.

本発明で結晶性モノマーを用いた場合においては、製膜性を向上させるために保護基を導入してもよい。この保護基は加工性の観点から製膜段階まで脱保護させずに導入しておく必要があることから、保護基が安定に存在できる条件を考慮して、重合および精製を行う必要がある。芳香環に置換した保護基は酸性下では脱保護反応が進行してしまうため、系を中性あるいはアルカリ性に保つ必要がある。   In the case where a crystalline monomer is used in the present invention, a protecting group may be introduced in order to improve the film forming property. Since this protecting group needs to be introduced without deprotecting from the viewpoint of processability, it is necessary to carry out polymerization and purification in consideration of the conditions under which the protecting group can exist stably. Since the protecting group substituted on the aromatic ring undergoes a deprotection reaction under acidic conditions, it is necessary to keep the system neutral or alkaline.

前記脱保護反応は、不均一又は均一条件下に水及び酸の存在下において行うことが可能であるが、機械強度や耐溶剤性の観点からは、膜等に成型した後で酸処理する方法がより好ましい。具体的には、成型された膜を塩酸水溶液中に浸漬することにより脱保護することが可能であり、酸の濃度や水溶液の温度については適宜選択することができる。   The deprotection reaction can be performed in the presence of water and acid under non-uniform or uniform conditions, but from the viewpoint of mechanical strength and solvent resistance, a method of acid treatment after molding into a film or the like Is more preferable. Specifically, it is possible to deprotect the molded membrane by immersing it in an aqueous hydrochloric acid solution, and the acid concentration and the aqueous solution temperature can be appropriately selected.

ポリマーに対して必要な酸性水溶液の重量比は、好ましくは1〜100倍であるけれども更に大量の水を使用することもできる。酸触媒は好ましくは存在する水の0.1〜50重量%の濃度において使用する。好適な酸触媒としては塩酸、硝酸、フルオロスルホン酸、硫酸などのような強鉱酸、及びp−トルエンスルホン酸、トリフルオロメタンルスホン酸などのような強有機酸が挙げられる。ポリマーの膜厚等に応じて、酸触媒及び過剰水の量、反応圧力などは適宜選択できる。   The weight ratio of the acidic aqueous solution required for the polymer is preferably 1 to 100 times, but a larger amount of water can be used. The acid catalyst is preferably used at a concentration of 0.1 to 50% by weight of water present. Suitable acid catalysts include strong mineral acids such as hydrochloric acid, nitric acid, fluorosulfonic acid, sulfuric acid, and strong organic acids such as p-toluenesulfonic acid, trifluoromethane sulfonic acid, and the like. Depending on the film thickness of the polymer and the like, the amount of acid catalyst and excess water, reaction pressure, and the like can be appropriately selected.

例えば、膜厚50μmの膜であれば、6N塩酸水溶液に例示されるような酸性水溶液中に浸漬し、95℃で1〜48時間加熱することにより、容易にほぼ全量を脱保護することが可能である。また、25℃の1N塩酸水溶液に24時間浸漬しても、大部分の保護基を脱保護することは可能である。ただし、脱保護の条件としてはこれらに限定される物ではなく、酸性ガスや有機酸等で脱保護したり、熱処理によって脱保護しても構わない。   For example, if it is a film with a thickness of 50 μm, it can be easily deprotected by immersing it in an acidic aqueous solution as exemplified by a 6N hydrochloric acid aqueous solution and heating at 95 ° C. for 1 to 48 hours. It is. Further, even when immersed in a 1N aqueous hydrochloric acid solution at 25 ° C. for 24 hours, most of the protecting groups can be deprotected. However, the deprotection conditions are not limited to these, and the deprotection may be performed with an acid gas, an organic acid, or the like, or may be deprotected by heat treatment.

このようにして得られる本発明の高分子電解質材料として用いるポリマーの分子量は、ポリスチレン換算重量平均分子量で、0.1万〜500万、好ましくは1万〜50万である。0.1万未満では、成型した膜にクラックが発生するなど機械強度が不十分な場合がある。一方、500万を超えると、溶解性が不充分となり、また溶液粘度が高く、加工性が不良になるなどの問題がある場合がある。なお、本発明で得られる高分子電解質材料は、溶剤不溶性であるため分子量の測定が困難な場合がある。   The molecular weight of the polymer used as the polymer electrolyte material of the present invention thus obtained is 10000 to 5 million, preferably 10,000 to 500,000 in terms of polystyrene-converted weight average molecular weight. If it is less than 10,000, the mechanical strength may be insufficient, such as cracking in the molded film. On the other hand, if it exceeds 5 million, there may be problems such as insufficient solubility, high solution viscosity, and poor processability. In addition, since the polymer electrolyte material obtained by the present invention is insoluble in a solvent, it may be difficult to measure the molecular weight.

本発明の高分子電解質材料として用いるポリマー中のスルホン酸基はブロック共重合で導入しても、ランダム共重合で導入しても構わない。用いるポリマーの化学構造や結晶性の高さによって適宜選択することができる。燃料遮断性や低含水率が必要である場合にはランダム共重合がより好ましく、プロトン伝導性や高含水率が必要である場合にはブロック共重合がより好ましく用いられる。   The sulfonic acid group in the polymer used as the polymer electrolyte material of the present invention may be introduced by block copolymerization or random copolymerization. It can be appropriately selected depending on the chemical structure of the polymer used and the high crystallinity. Random copolymerization is more preferable when fuel barrier properties and low water content are required, and block copolymerization is more preferably used when proton conductivity and high water content are required.

環状金属捕捉剤について説明する。   The cyclic metal scavenger will be described.

環状金属捕捉剤とは、環状金属捕捉剤は環状構造を取り金属カチオンとキレート錯体を形成するものや金属カチオンを包摂する様な構造であれば特に限定しない。例えばポルフィリン、フタロシアニン、コロール、クロリン、シクロデキストリン、クラウンエーテル類、クラウンエーテルのOがSやNHなどに置き換わったチアクラウンエーテル類、アザクラウンエーテル類などが好ましく用いられる。コストの観点からクラウンエーテル類が好適であり、中でも12−Crown−4(1,4,7,10-Tetraoxacyclododecane)、15−Crown−5(1,4,7,10,13-Pentaoxacyclopentadecane)、18−Crown−6(1,4,7,10,13,16- Hexaoxacyclooctadecane)が好適に用いられる。   The cyclic metal scavenger is not particularly limited as long as the cyclic metal scavenger has a cyclic structure and forms a chelate complex with a metal cation or a structure that includes a metal cation. For example, porphyrin, phthalocyanine, corrole, chlorin, cyclodextrin, crown ethers, thiacrown ethers in which O of crown ether is replaced with S, NH, etc., azacrown ethers, etc. are preferably used. From the viewpoint of cost, crown ethers are preferable, and among them, 12-Crown-4 (1,4,7,10-Tetraoxacyclododecane), 15-Crown-5 (1,4,7,10,13-Pentaoxacyclopentadecane), 18 -Crown-6 (1,4,7,10,13,16-Hexaoxacyclooctadecane) is preferably used.

これらの添加剤の量は適宜実験的に決定され、特に限定はしない。1種類単独で用いてもよく、2種類以上を混合して用いてもよい。   The amount of these additives is appropriately determined experimentally and is not particularly limited. One type may be used alone, or two or more types may be mixed and used.

環状金属捕捉剤は、上記のとおり、重合反応終了後に取り除かれ、また、イオン性基に作用しやすいことが望まれるので、高分子電解質材料に取り込まれたり、環状金属捕捉剤自身が高分子量化してしまうような重合性基や反応性基を有さない。また、自身が高分子量でないことや、立体障害基を有さないことが好ましい。これらは適宜実験的に決定される。   As described above, the cyclic metal scavenger is removed after the completion of the polymerization reaction, and it is desired that the cyclic metal scavenger easily acts on the ionic group. Have no polymerizable or reactive groups. Moreover, it is preferable that self is not high molecular weight or does not have a steric hindrance group. These are appropriately determined experimentally.

環状金属捕捉剤を重合のどの段階で添加するかについて、モノマーの段階で添加する場合、イオン性基を有するモノマーユニットに対し環状金属捕捉剤が作用しやすく、また除去する酸処理工程までずっと環状金属捕捉剤が作用するので、イオン性基の金属塩同士の凝集を抑制する効果が大きく、環状金属捕捉剤の添加量が少なくて済むので好ましい。   As to which stage of polymerization the cyclic metal scavenger is added, when it is added at the monomer stage, the cyclic metal scavenger tends to act on the monomer unit having an ionic group, and it is cyclic until the acid treatment step to remove it. Since the metal scavenger acts, the effect of suppressing the aggregation of metal salts of ionic groups is great, and the addition amount of the cyclic metal scavenger is small, which is preferable.

本発明の重合方法によって得られる高分子ポリマーは、種々の用途に適用可能である。例えば、体外循環カラム、人工皮膚などの医療用途、ろ過用用途、イオン交換樹脂用途、各種構造材用途、電気化学用途に適用可能である。また、人工筋肉としても好適である。中でも種々の電気化学用途により好ましく利用できる。電気化学用途としては、例えば、燃料電池、レドックスフロー電池、水電解装置、クロロアルカリ電解装置等が挙げられるが、中でも燃料電池が最も好ましく、電解質膜および触媒層のバインダーに好適である。   The polymer obtained by the polymerization method of the present invention can be applied to various uses. For example, it can be applied to medical applications such as extracorporeal circulation columns and artificial skin, applications for filtration, ion exchange resin applications, various structural materials, and electrochemical applications. It is also suitable as an artificial muscle. Among these, it can be preferably used for various electrochemical applications. Examples of the electrochemical application include a fuel cell, a redox flow battery, a water electrolysis device, a chloroalkali electrolysis device, and the like. Among these, a fuel cell is most preferable, and is suitable as a binder for an electrolyte membrane and a catalyst layer.

さらに、本発明によって得られる高分子電解質成型体を使用した高分子電解質型燃料電池の用途としては、特に限定されないが、移動体の電力供給源が好ましいものである。特に、携帯電話、パソコン、PDA、テレビ、ラジオ、ミュージックプレーヤー、ゲーム機、ヘッドセット、DVDプレーヤーなどの携帯機器、産業用などの人型、動物型の各種ロボット、コードレス掃除機等の家電、玩具類、電動自転車、自動二輪、自動車、バス、トラックなどの車両や船舶、鉄道などの移動体の電力供給源、据え置き型の発電機など従来の一次電池、二次電池の代替、もしくはこれらとのハイブリット電源として好ましく用いられる。   Furthermore, the application of the polymer electrolyte fuel cell using the polymer electrolyte molded body obtained by the present invention is not particularly limited, but a power supply source of a mobile body is preferable. In particular, mobile devices such as mobile phones, personal computers, PDAs, televisions, radios, music players, game machines, headsets, DVD players, human-type and animal-type robots for industrial use, home appliances such as cordless vacuum cleaners, and toys , Electric bicycles, motorcycles, automobiles, buses, trucks and other vehicles and ships, power supplies for mobiles such as railways, stationary primary generators such as stationary generators, or alternatives to these It is preferably used as a hybrid power source.

以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、これらの例は本発明をよりよく理解するためのものであり、本発明はこれらに限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, these examples are for understanding this invention better, and this invention is not limited to these.

[測定方法]
(1)重量平均分子量
ポリマーの重量平均分子量を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、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。
(2)スルホン酸基密度
作製した電解質膜を0.1g計り取り真空乾燥機にて80℃12時間以上減圧乾燥後、重量を測定した。電解質膜を30%の塩化カリウム溶液に2時間浸漬し純水で洗浄後、再び真空乾燥機にて80℃で12時間以上乾燥した。電解質膜を入れたサンプル瓶に10wt%の硫酸(秤量)を入れ60℃で2時間浸漬した。10wt%硫酸溶液を純水で10倍に薄めた液をサンプルとし、大塚電子製キャピラリー電気泳動装置でカリウム量を測定した。測定した濃度から、下記式に従いスルホン酸基密度を算出した。
[Measuring method]
(1) Weight average molecular weight The weight average molecular weight of the polymer was measured by GPC. Tosoh's HLC-8022GPC is used as an integrated device of an ultraviolet detector and a differential refractometer, and Tosoh's TSK gel SuperHM-H (inner diameter 6.0 mm, length 15 cm) is used as the GPC column. N-methyl-2 -Measured with a pyrrolidone solvent (N-methyl-2-pyrrolidone solvent containing 10 mmol / L of lithium bromide) at a flow rate of 0.2 mL / min, and the weight average molecular weight was determined in terms of standard polystyrene.
(2) Sulfonic acid group density 0.1 g of the prepared electrolyte membrane was weighed and dried under reduced pressure at 80 ° C. for 12 hours or more in a vacuum dryer, and then the weight was measured. The electrolyte membrane was immersed in a 30% potassium chloride solution for 2 hours, washed with pure water, and then dried again at 80 ° C. for 12 hours or more in a vacuum dryer. 10 wt% sulfuric acid (weighed) was placed in a sample bottle containing the electrolyte membrane and immersed at 60 ° C. for 2 hours. A solution obtained by diluting a 10 wt% sulfuric acid solution 10 times with pure water was used as a sample, and the amount of potassium was measured with a capillary electrophoresis apparatus manufactured by Otsuka Electronics. From the measured concentration, the sulfonic acid group density was calculated according to the following formula.

酸処理液中カリウム重量(g)=10wt%硫酸重量(g)×酸処理液中カリウム濃度(ppm)/106
スルホン酸基密度(mmol/g)={酸処理液中カリウム重量(g)×1000}/{39×電解質膜重量(g)}
合成例1:イオン性基の金属塩を含有するモノマー(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
4,4’−ジフルオロベンゾフェノン109.1g(アルドリッチ試薬)を発煙硫酸(50%SO)150mL(和光純薬試薬)中、100℃で10h反応させた。その後、多量の水中に少しずつ投入し、NaOHで中和した後、食塩200gを加え合成物を沈殿させた。得られた沈殿を濾別し、エタノール水溶液で再結晶し、上記一般式(G2)で示されるジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノンを得た。純度は99.3%であった。
Potassium weight in acid treatment solution (g) = 10wt% sulfuric acid weight (g) x potassium concentration in acid treatment solution (ppm) / 10 6
Sulfonic acid group density (mmol / g) = {Potassium weight in acid treatment solution (g) x 1000} / {39 x Electrolyte membrane weight (g)}
Synthesis Example 1: Synthesis of a monomer (disodium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorobenzophenone) containing a metal salt of an ionic group Fuming 109.1 g of 4,4′-difluorobenzophenone (Aldrich reagent) The reaction was carried out at 100 ° C. for 10 hours in 150 mL of sulfuric acid (50% SO 3 ) (Wako Pure Chemical Reagent). Thereafter, the mixture was poured little by little into a large amount of water, neutralized with NaOH, and 200 g of sodium chloride was added to precipitate the composite. The resulting precipitate was filtered off and recrystallized with an aqueous ethanol solution to obtain disodium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorobenzophenone represented by the above general formula (G2). The purity was 99.3%.

合成例2:加水分解性可溶性付与基を含むモノマー(2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,3−ジオキソラン)(K−DHBP)の合成
攪拌器、温度計及び留出管を備えた 500mlフラスコに、4,4′−ジヒドロキシベンゾフェノン49.5g、エチレングリコール134g、オルトギ酸トリメチル96.9g及びp−トルエンスルホン酸1水和物0.50gを仕込み溶解する。その後78〜82℃で2時間保温攪拌した。更に、内温を120℃まで徐々に昇温、ギ酸メチル、メタノール、オルトギ酸トリメチルの留出が完全に止まるまで加熱した。この反応液を室温まで冷却後、反応液を酢酸エチルで希釈し、有機層を5%炭酸カリウム水溶液100mlで洗浄し分液後、溶媒を留去した。残留物にジクロロメタン80mlを加え結晶を析出させ、濾過し、乾燥して2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,3−ジオキソラン52.0gを得た。
Synthesis Example 2: Synthesis of monomer (2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,3-dioxolane) (K-DHBP) containing a hydrolyzable solubility-imparting group, equipped with a stirrer, a thermometer, and a distillation tube In a 500 ml flask, 49.5 g of 4,4'-dihydroxybenzophenone, 134 g of ethylene glycol, 96.9 g of trimethyl orthoformate and 0.50 g of p-toluenesulfonic acid monohydrate are charged and dissolved. Thereafter, the mixture was stirred while maintaining at 78 to 82 ° C. for 2 hours. Further, the internal temperature was gradually raised to 120 ° C. and heated until the distillation of methyl formate, methanol, and trimethyl orthoformate completely stopped. After cooling this reaction liquid to room temperature, the reaction liquid was diluted with ethyl acetate, the organic layer was washed with 100 ml of 5% aqueous potassium carbonate solution and separated, and then the solvent was distilled off. Crystals were precipitated by adding 80 ml of dichloromethane to the residue, filtered and dried to obtain 52.0 g of 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,3-dioxolane.

[実施例1]
撹拌機、窒素導入管、滴下漏斗をDean−Starkトラップを備えた4000mL反応容器に、炭酸カリウム138g(アルドリッチ試薬、1mol)、合成例2で得られたK−DHBP103.3g(0.4mol)、ジヒドロキシベンゾフェノン21.4g(和光純薬試薬、0.1mol)、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン43.6g(アルドリッチ試薬、0.2mol)、および合成例1で得られたイオン性基の金属塩を含有するモノマーであるジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノン126.7g(0.3mol)、環状金属捕捉剤として18−Crown−6 158.4g(和光純薬、0.6mol)を入れ、窒素置換後、N−メチルピロリドン(NMP)1250mL、トルエン550mLを加え、環流しながら160℃で脱水後、昇温してトルエン除去し、205℃で7時間重合し、重合原液Aを得た。
[Example 1]
In a 4000 mL reaction vessel equipped with a Dean-Stark trap, a stirrer, a nitrogen introduction tube, and a dropping funnel were added 138 g of potassium carbonate (Aldrich reagent, 1 mol), 103.3 g (0.4 mol) of K-DHBP obtained in Synthesis Example 2, Dihydroxybenzophenone 21.4 g (Wako Pure Chemicals Reagent, 0.1 mol), 4,4′-difluorobenzophenone 43.6 g (Aldrich Reagent, 0.2 mol), and the metal salt of the ionic group obtained in Synthesis Example 1 126.7 g (0.3 mol) of disodium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorobenzophenone which is a monomer to be contained, and 158.4 g of 18-Crown-6 as a cyclic metal scavenger (Wako Pure Chemical Industries, Ltd. 6 mol), and after substitution with nitrogen, 1250 mL of N-methylpyrrolidone (NMP), toluene 5 0mL and the mixture was dehydrated at 160 ° C. under reflux, heated and then toluene is removed, and 7 hours polymerization at 205 ° C., to obtain a polymer stock solution A.

重合原液Aを久保田製作所製インバーター・コンパクト高速冷却遠心機 型番6930 にアングルローターRA−800をセットし、25℃、30分間、遠心力20000Gで固液分離を行った。ケーキと上澄み液(塗液)がきれいに分離できたので、上澄み液を回収した。上澄み液のみを5μmのポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製フィルターで加圧濾過して、セパラブルフラスコに移した。次に、撹拌しながら80℃で減圧蒸留し、上澄み液の粘度が10Pa・sになるまでNMPを除去し、塗液Aを得た。   The polymerization stock solution A was set in an inverter / compact high-speed cooling centrifuge model 6930 manufactured by Kubota Seisakusho, an angle rotor RA-800, and solid-liquid separation was performed at 25 ° C. for 30 minutes with a centrifugal force of 20000 G. Since the cake and the supernatant liquid (coating liquid) could be separated cleanly, the supernatant liquid was recovered. Only the supernatant was pressure filtered through a 5 μm polytetrafluoroethylene (PTFE) filter and transferred to a separable flask. Next, it distilled under reduced pressure at 80 degreeC, stirring, NMP was removed until the viscosity of the supernatant liquid became 10 Pa.s, and the coating liquid A was obtained.

次に、基材として125μmのPETフィルム(東レ製“ルミラー(登録商標)”)を用い、塗液Aをスリットダイで流延塗工し、150℃で15分間乾燥した。   Next, a 125 μm PET film (“Lumirror (registered trademark)” manufactured by Toray Industries, Inc.) was used as a substrate, and the coating liquid A was cast by a slit die and dried at 150 ° C. for 15 minutes.

次に、乾燥膜をPETから剥離し、25℃の純水10分間浸漬し残存塩、残存モノマー、残存炭酸カリウム、残存NMP、残存18−Crown−6等を洗浄した後、60℃の10重量%の硫酸に30分間浸漬し、加水分解性可溶性付与基の加水分解とスルホン酸基の金属塩のプロトン交換を実施した。   Next, the dried film is peeled off from PET and immersed in pure water at 25 ° C. for 10 minutes to wash residual salt, residual monomer, residual potassium carbonate, residual NMP, residual 18-crown-6, etc., and then 10 weight at 60 ° C. It was immersed in 30% sulfuric acid for 30 minutes, and hydrolysis of the hydrolyzable solubilizing group and proton exchange of the metal salt of the sulfonic acid group were performed.

次に、この膜を洗浄液が中性になるまで純水で洗浄し、60℃で30分間乾燥し膜厚15μmの電解質膜Aを得た。   Next, this membrane was washed with pure water until the washing solution became neutral, and dried at 60 ° C. for 30 minutes to obtain an electrolyte membrane A having a thickness of 15 μm.

図3に示すように、最終的に得られた電解質膜Aの重量平均分子量は18.4万、スルホン酸基密度は2.2mmol/gであった。また、重合経過時間0時間目、0.5時間目、1.5時間目、2.5時間目、3.5時間目、7.0時間目の重合液を反応釜からサンプリングし、上記と同様に電解質膜に加工してスルホン酸基密度と重量平均分子量を測定し、図3にプロットした。   As shown in FIG. 3, the finally obtained electrolyte membrane A had a weight average molecular weight of 184,000 and a sulfonic acid group density of 2.2 mmol / g. In addition, the polymerization liquid at the polymerization elapsed time 0 hour, 0.5 hour, 1.5 hour, 2.5 hour, 3.5 hour, 7.0 hour was sampled from the reaction kettle, Similarly, it processed into the electrolyte membrane, the sulfonic acid group density and the weight average molecular weight were measured, and it plotted in FIG.

環状金属捕捉剤として18−Crown−6を添加して重合した場合、重合時間が3時間辺りから分子量とスルホン酸基密度に大きな変化はなく、長時間の重合におけるスルホン酸基の熱分解が起こっていない事が分かる。   When polymerization is carried out by adding 18-Crown-6 as a cyclic metal scavenger, the molecular weight and sulfonic acid group density are not significantly changed from about 3 hours of polymerization time, and thermal decomposition of the sulfonic acid group occurs for a long time of polymerization. I understand that it is not.

[比較例1]
18−Crown−6を加えず、NMP量を1950gに増量した以外は実施例1と同様の仕込みで、環流しながら160℃で脱水後、昇温してトルエン除去し、205℃で7時間重合し、重合原液Bを得た。さらに実施例1と同様に製膜/酸処理を実施し電解質膜Bを得た。図4に示すように、最終的に得られた電解質膜Bの重量平均分子量は7.9万、スルホン酸基密度は1.1mmol/gであった。
[Comparative Example 1]
The same preparation as in Example 1 except that 18-crown-6 was not added and the amount of NMP was increased to 1950 g. Dehydration was carried out at 160 ° C. while refluxing, and the toluene was removed by heating, followed by polymerization at 205 ° C. for 7 hours. Then, a polymerization stock solution B was obtained. Further, the membrane formation / acid treatment was performed in the same manner as in Example 1 to obtain an electrolyte membrane B. As shown in FIG. 4, the finally obtained electrolyte membrane B had a weight average molecular weight of 79,000 and a sulfonic acid group density of 1.1 mmol / g.

また、重合経過時間0時間目、1.0時間目、1.5時間目、2.0時間目、2.5時間目、3.0時間目、3.5時間目、4.0時間目、4.5時間目、5.5時間目、6.5時間目、7.5時間目の重合液を反応釜からサンプリングし、電解質膜に加工してスルホン酸基密度と重量平均分子量を測定し、図4にプロットした。   Also, polymerization elapsed time 0 hour, 1.0 hour, 1.5 hour, 2.0 hour, 2.5 hour, 3.0 hour, 3.0 hour, 3.5 hour, 4.0 hour , 4.5 hours, 5.5 hours, 6.5 hours and 7.5 hours of the polymerization solution was sampled from the reaction kettle and processed into an electrolyte membrane to measure the sulfonic acid group density and weight average molecular weight. And plotted in FIG.

実施例1と比較して、重合時間3時間辺りから分子量およびスルホン酸基密度が大幅に低下しており、長時間の重合時間によりスルホン酸基を含むユニットの分解が起こったものと考えられる。   Compared to Example 1, the molecular weight and the sulfonic acid group density were significantly reduced from about 3 hours of polymerization time, and it is considered that the unit containing the sulfonic acid group was decomposed by the long polymerization time.

[実施例2]
撹拌機、窒素導入管、滴下漏斗をDean−Starkトラップを備えた4000mL反応容器に、イオン性基の金属塩を含有するモノマーのモル数も加味し炭酸カリウムを138.2g(アルドリッチ試薬、1.0mol)加えた。さらに、合成例2で得られたK−DHBP103.3g(0.4mol)、ジヒドロキシベンゾフェノン21.4g(和光純薬試薬、0.1mol)、合成例1で得られたイオン性基の金属塩を含有するモノマーであるジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノン211.2g(0.5mol)、環状金属捕捉剤として18−Crown−6 264g(和光純薬、1.0mol)を入れ、窒素置換後、N−メチルピロリドン(NMP)1540mL、トルエン550mLを加え、環流しながら160℃で脱水後、昇温してトルエン除去し、205℃で7時間重合し、重合原液Cを得た。
[Example 2]
Stirrer, nitrogen inlet tube and dropping funnel are added to a 4000 mL reaction vessel equipped with a Dean-Stark trap and 138.2 g of potassium carbonate (Aldrich reagent, 1. 0 mol) was added. Furthermore, 103.3 g (0.4 mol) of K-DHBP obtained in Synthesis Example 2, 21.4 g of dihydroxybenzophenone (Wako Pure Chemical Reagent, 0.1 mol), and a metal salt of the ionic group obtained in Synthesis Example 1 Disodium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorobenzophenone 21.2 g (0.5 mol) as a monomer to be contained, and 264 g of 18-Crown-6 as a cyclic metal scavenger (Wako Pure Chemical, 1.0 mol) After nitrogen substitution, 1540 mL of N-methylpyrrolidone (NMP) and 550 mL of toluene were added, dehydrated at 160 ° C. while refluxing, heated to remove toluene, and polymerized at 205 ° C. for 7 hours. Obtained.

重合原液Cを久保田製作所製インバーター・コンパクト高速冷却遠心機 型番6930 にアングルローターRA−800をセットし、25℃、30分間、遠心力20000Gで固液分離を行った。ケーキと上澄み液(塗液)がきれいに分離できたので、上澄み液を回収した。上澄み液のみを5μmのポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製フィルターで加圧濾過して、セパラブルフラスコに移した。次に、撹拌しながら80℃で減圧蒸留し、上澄み液の粘度が10Pa・sになるまでNMPを除去し、塗液Cを得た。   The polymerization stock solution C was set in an inverter compact high-speed cooling centrifuge model 6930 manufactured by Kubota Seisakusho, an angle rotor RA-800, and solid-liquid separation was performed at 25 ° C. for 30 minutes with a centrifugal force of 20000 G. Since the cake and the supernatant liquid (coating liquid) could be separated cleanly, the supernatant liquid was recovered. Only the supernatant was pressure filtered through a 5 μm polytetrafluoroethylene (PTFE) filter and transferred to a separable flask. Next, it distilled under reduced pressure at 80 degreeC, stirring, NMP was removed until the viscosity of the supernatant liquid became 10 Pa.s, and the coating liquid C was obtained.

次に、基材として125μmのPETフィルム(東レ製“ルミラー(登録商標)”)を用い、塗液Cをスリットダイで流延塗工し、150℃で15分間乾燥した。   Next, a 125 μm PET film (“Lumirror (registered trademark)” manufactured by Toray Industries, Inc.) was used as a substrate, and the coating liquid C was cast by a slit die and dried at 150 ° C. for 15 minutes.

次に、乾燥膜をPETから剥離し、25℃の純水10分間浸漬し残存塩、残存モノマー、残存炭酸カリウム、残存NMP、残存18−Crown−6等を洗浄した後、60℃の10重量%の硫酸に30分間浸漬し、加水分解性可溶性付与基の加水分解とスルホン酸基の金属塩のプロトン交換を実施した。   Next, the dried film is peeled off from PET and immersed in pure water at 25 ° C. for 10 minutes to wash residual salt, residual monomer, residual potassium carbonate, residual NMP, residual 18-crown-6, etc., and then 10 weight at 60 ° C. It was immersed in 30% sulfuric acid for 30 minutes, and hydrolysis of the hydrolyzable solubilizing group and proton exchange of the metal salt of sulfonic acid group were performed.

次に、この膜を洗浄液が中性になるまで純水で洗浄し、60℃で30分間乾燥し膜厚15μmの電解質膜Cを得た。   Next, this membrane was washed with pure water until the washing solution became neutral, and dried at 60 ° C. for 30 minutes to obtain an electrolyte membrane C having a thickness of 15 μm.

図5に示すように、最終的に得られた電解質膜Cの重量平均分子量は24.2万、スルホン酸基密度は3.0mmol/gであった。また、重合経過時間0時間目、0.5時間目、1.5時間目、2.5時間目、3.5時間目、7.0時間目の重合液を反応釜からサンプリングし、上記と同様に電解質膜に加工してスルホン酸基密度と重量平均分子量を測定し、図5にプロットした。   As shown in FIG. 5, the finally obtained electrolyte membrane C had a weight average molecular weight of 242,000 and a sulfonic acid group density of 3.0 mmol / g. In addition, the polymerization liquid at the polymerization elapsed time 0 hour, 0.5 hour, 1.5 hour, 2.5 hour, 3.5 hour, 7.0 hour was sampled from the reaction kettle, Similarly, it processed into the electrolyte membrane, the sulfonic acid group density and the weight average molecular weight were measured, and it plotted in FIG.

環状金属捕捉剤として18−Crown−6を添加して重合した場合、重合時間が2時間辺りから分子量とスルホン酸基密度に大きな変化はなく、長時間の重合におけるスルホン酸基の熱分解が起こっていない事が分かる。   When polymerization is carried out by adding 18-Crown-6 as a cyclic metal scavenger, the molecular weight and sulfonic acid group density are not significantly changed from the polymerization time around 2 hours, and thermal decomposition of the sulfonic acid group occurs for a long time of polymerization. I understand that it is not.

[比較例2]
18−Crown−6を加えず、NMP量を2800gに増量した以外は実施例2と同様の仕込みで、環流しながら160℃で脱水後、昇温してトルエン除去し、205℃で7時間重合し、重合原液Dを得た。さらに実施例2と同様に製膜/酸処理を実施し電解質膜Dを得た。図6に示すように、最終的に得られた電解質膜Dの重量平均分子量は4.3万、スルホン酸基密度は0.42mmol/gであった。
[Comparative Example 2]
18-Crown-6 was not added and the amount of NMP was increased to 2800 g. The same preparation as in Example 2 was carried out, dehydrated at 160 ° C. while refluxing, heated to remove toluene, and polymerized at 205 ° C. for 7 hours. As a result, a polymerization stock solution D was obtained. Further, the membrane formation / acid treatment was performed in the same manner as in Example 2 to obtain an electrolyte membrane D. As shown in FIG. 6, the finally obtained electrolyte membrane D had a weight average molecular weight of 43,000 and a sulfonic acid group density of 0.42 mmol / g.

また、重合経過時間0時間目、0.5時間目、1.5時間目、2.5時間目、3.5時間目、4.5時間目、5.5時間目、7.0時間目の重合液を反応釜からサンプリングし、電解質膜に加工してスルホン酸基密度と重量平均分子量を測定し、図6にプロットした。   In addition, polymerization elapsed time 0 hour, 0.5 hour, 1.5 hour, 2.5 hour, 3.5 hour, 3.5 hour, 4.5 hour, 5.5 hour, 7.0 hour The polymerization solution was sampled from the reaction kettle, processed into an electrolyte membrane, the sulfonic acid group density and the weight average molecular weight were measured, and plotted in FIG.

実施例2と比較し、昇温開始前から分子量が伸びず昇温後も分子量およびスルホン酸基密度が低下していることがわかる。環状金属捕捉剤を添加していないために重合経過時間毎にサンプリングした液はモノマーおよびオリゴマーと思われる析出が見られ、重合反応が進行していない可能性がある。   Compared to Example 2, it can be seen that the molecular weight did not increase before the start of temperature increase, and the molecular weight and sulfonic acid group density decreased after the temperature increase. Since no cyclic metal scavenger is added, the liquid sampled at every elapsed polymerization time shows precipitation that seems to be monomers and oligomers, and the polymerization reaction may not proceed.

また、実施例1、比較例1、実施例2、比較例2の結果から、スルホン酸基密度が高いほど、本発明が効果的であることがわかる。   Moreover, from the results of Example 1, Comparative Example 1, Example 2, and Comparative Example 2, it can be seen that the higher the sulfonic acid group density, the more effective the present invention.

[比較例3]
炭酸カリウムの量をジオールモノマーの反応等量である69.1g(アルドリッチ試薬、0.5mol)にした以外は実施例2と同様の仕込みで、環流しながら160℃で脱水後、昇温してトルエン除去し、205℃で7時間重合し、重合原液Eを得た。さらに実施例2と同様に製膜/酸処理を実施し電解質膜Eを得た。図7に示すように、最終的に得られた電解質膜Eの重量平均分子量は6.3万、スルホン酸基密度は1.52mmol/gであった。
[Comparative Example 3]
The charge was the same as in Example 2 except that the amount of potassium carbonate was 69.1 g (Aldrich reagent, 0.5 mol) which was the reaction equivalent of the diol monomer, and after dehydrating at 160 ° C. while refluxing, the temperature was raised. Toluene was removed and polymerization was carried out at 205 ° C. for 7 hours to obtain a polymerization stock solution E. Further, the membrane formation / acid treatment was performed in the same manner as in Example 2 to obtain an electrolyte membrane E. As shown in FIG. 7, the finally obtained electrolyte membrane E had a weight average molecular weight of 63,000 and a sulfonic acid group density of 1.52 mmol / g.

また、重合経過時間0時間目、1.0時間目、1.5時間目、2.0時間目、2.5時間目、3.0時間目、3.5時間目、4.0時間目、4.5時間目、5.5時間目、6.5時間目、7.5時間目の重合液を反応釜からサンプリングし、電解質膜に加工してスルホン酸基密度と重量平均分子量を測定し、図7にプロットした。   Also, polymerization elapsed time 0 hour, 1.0 hour, 1.5 hour, 2.0 hour, 2.5 hour, 3.0 hour, 3.0 hour, 3.5 hour, 4.0 hour , 4.5 hours, 5.5 hours, 6.5 hours and 7.5 hours of the polymerization solution was sampled from the reaction kettle and processed into an electrolyte membrane to measure the sulfonic acid group density and weight average molecular weight. And plotted in FIG.

実施例2と比較し、昇温開始前から分子量が伸びず昇温後も分子量が伸びていないことがわかる。炭酸カリウムの量がジオールモノマーの反応等量である比較例3は、イオン性基の金属塩を含有するモノマーであるジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノンの末端ナトリウムがカリウムと置き換わる事を考慮していなかったため、交換して生成した炭酸ナトリウムが重合活性に劣り、高分子量化できなかったと考えられる。   Compared with Example 2, it can be seen that the molecular weight does not increase before the start of temperature increase, and the molecular weight does not increase after the temperature increase. In Comparative Example 3 in which the amount of potassium carbonate is the reaction equivalent of the diol monomer, the terminal sodium of disodium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorobenzophenone, which is a monomer containing a metal salt of an ionic group, Since the replacement with potassium was not considered, it is considered that the sodium carbonate produced by the exchange was inferior in polymerization activity and could not be made high in molecular weight.

本発明の膜電極複合体は、水素やメタノールを燃料とする燃料電池に好適である。本発明の燃料電池の用途としては、特に限定されないが、電動自転車、自動二輪、自動車、バス、トラックなどの車両や船舶、鉄道などの移動体、携帯電話、パソコン、PDA、ビデオカメラ、デジタルカメラなどの携帯機器、コードレス掃除機等の家電、玩具類、ロボットの電力供給源、据え置き型の発電機など従来の一次電池、二次電池の代替、もしくはこれらや太陽電池とのハイブリッド電源、もしくは充電用として好ましく用いられる。   The membrane electrode assembly of the present invention is suitable for a fuel cell using hydrogen or methanol as fuel. The use of the fuel cell of the present invention is not particularly limited, but is such as electric bicycles, motorcycles, vehicles such as automobiles, buses, trucks, mobiles such as ships, railways, mobile phones, personal computers, PDAs, video cameras, digital cameras. Mobile devices such as cordless vacuum cleaners, toys, robot power supply sources, stationary primary generators such as stationary generators, alternatives to secondary batteries, or hybrid power sources with these or solar cells, or charging It is preferably used for use.

Claims (2)

イオン性基の金属塩を含有するモノマーを2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,3−ジオキソランおよび/またはジヒドロキシベンゾフェノンとアルカリ金属塩との存在下で脱塩重縮合する際に、クラウンエーテル類を添加する高分子重合方法であって
(1)イオン性基の金属塩を含有するモノマーの金属塩のモル数以上のクラウンエーテル類を添加し、かつ、
(2)アルカリ金属が、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,3−ジオキソランおよび/またはジヒドロキシベンゾフェノンのヒドロキシ基のモル数にイオン性基の金属塩を含有するモノマーの金属塩のモル数を加えたモル数以上になるように、アルカリ金属塩を添加する
ことを特徴とする高分子重合方法。
When a monomer containing a metal salt of an ionic group is subjected to desalting polycondensation in the presence of 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,3-dioxolane and / or dihydroxybenzophenone and an alkali metal salt, (1) adding a crown ether having a molar number of metal salt or more of a monomer containing a metal salt of an ionic group;
(2) A metal salt of a monomer in which the alkali metal contains a metal salt of an ionic group in the number of moles of the hydroxy group of 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,3-dioxolane and / or dihydroxybenzophenone A polymer polymerization method comprising adding an alkali metal salt so that the number of moles is equal to or more than the number of moles added.
アルカリ金属塩の金属のイオン化傾向と、イオン性基の金属塩を含有するモノマーの金属のイオン化傾向が同じか、アルカリ金属塩の金属のイオン化傾向がイオン性基の金属塩を含有するモノマーの金属のイオン化傾向より高い請求項1記載の高分子重合方法。   The metal ionization tendency of the alkali metal salt and the metal ionization tendency of the monomer containing the ionic group metal salt are the same, or the metal ionization tendency of the alkali metal salt metal containing the ionic group metal salt The polymer polymerization method according to claim 1, which has a higher ionization tendency.
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