JP6043728B2 - フッ素化陰イオン交換ポリマーの液体組成物 - Google Patents
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Description
を含む第4級アンモニウム塩を含むフッ素化陰イオン交換ポリマーと、を含む液体組成物が開示されている。しかしながら、その実施例で開示されている組成物は、フッ素化陰イオン交換ポリマーを少量(2.7重量%)しか含有しない。
少なくとも1種類の非プロトン極性有機溶媒、組成物の全重量に対して25重量%未満のアルコールを含む液状媒体と、
フルオロカーボン主鎖と、式(I):−SO2NR1Q+X−(式中、Q+は、少なくとも1つの第4級窒素原子を含む基であり、R1は、HまたはC1〜C20アルキル基であるか、または、Q+における基と共に環を形成し、その環は炭素原子2〜10個、任意選択でヘテロ原子を4個まで含有し;X−は、有機アニオンおよび親油性無機アニオンからなる群から選択されるアニオンである)の末端基を有する主鎖に共有結合された側鎖と、を含む少なくとも1種類のフッ素化陰イオン交換ポリマー(P)であって、組成物の全重量に対して少なくとも5重量%のポリマーと
を含む液体組成物である。
式(I)の末端基を有する側鎖は、式−[O−(CF2CF(RF)O)m−(CF2)n]−の基によって主鎖に共有結合されている。
式中、Yは、C6〜C10アリール基、ヘテロアリール基またはCR7R8(R7は、H、ハロゲン原子またはC1〜C20アルキル基であるか、またはR2、R5、またはR8のうちの1つと共に環を形成し、R8は、H、ハロゲン原子またはC1〜C20アルキル基であるか、R3、R6、またはR7のうちの1つと共に環を形成し、R7またはR8によって形成される環それぞれが、炭素原子2〜10個、任意選択でヘテロ原子1〜4個を含有する)であり、そのヘテロアリール基は環原子5〜10個を含有し;R1は、HまたはC1〜C20アルキル基であるか、またはR2またはR5のうちの1つと共に環を形成し、その環が炭素原子2〜10個、ヘテロ原子1〜4個を含有し;R2は、C1〜C20アルキル基であるか、またはR1、R3、R5、R7またはR9のうちの1つと共に環を形成し、その環が炭素原子2〜10個、ヘテロ原子、例えば窒素原子1〜4個を含有し;R3は、C1〜C20アルキル基であるか、またはR2、R6、R8またはR10のうちの1つと共に環を形成し、その環が炭素原子2〜10個、ヘテロ原子1〜4個を含有し;R4はC1〜C20アルキル基であり;R5は、H、ハロゲン原子またはC1〜C20アルキル基であるか、またはR1、R2、R7またはR9のうちの1つと共に環を形成し、その環が炭素原子2〜10個、任意選択でヘテロ原子1〜4個を含有し;R6は、H、ハロゲン原子またはC1〜C20アルキル基であるか、またはR3、R8またはR10のうちの1つと共に環を形成し、その環が炭素原子2〜10個、任意選択でヘテロ原子1〜4個を含有し;R9がそれぞれ独立して、H、ハロゲン原子またはC1〜C20アルキル基であるか、またはR2またはR5のうちの1つと共に環を形成し、その環が炭素原子2〜10個、任意選択でヘテロ原子1〜4個を含有し;R10がそれぞれ独立して、H、ハロゲン原子またはC1〜C20アルキル基であるか、またはR3またはR6のうちの1つと共に環を形成し、その環が炭素原子2〜10個、任意選択でヘテロ原子1〜4個を含有し;zは0〜4の整数であり;かつ式(IV)の基における環構造は、C1〜C4アルキレン基によって架橋され得る。
によって表される。
α−(ジメチルアミノ)−β,β−ジアルキル−ω−アミノアルキル、例えばN,N,2,2−テトラメチル−1,3−プロパンジアミン;
N−(ω−アミノアルキル)イミダゾール;
2−アルキル−4−ω−アミノアルキル−N,N−ジメチルアミノベンジルおよび2,6−ジアルキル−4−アミノ−N,N−ジメチルアミノベンジル、例えば2,6−ジメチル−4−アミノ−N,N−ジメチルベンジルアミン;
アルキル基によって2位および/または6位で一置換および/または二置換された1−メチルピペラジン、例えば1,2,6−トリメチルピペラジン;
アルキル基によって2位および/または6位で一置換および/または二置換された1−(ω−アミノアルキル)ピペラジン;
「架橋アミノピペラジン」;
1−メチル−4(ω−アミノアルキル)−3,5−アルキル(モノ,ジ)ピペリジン;
1−メチル(またはH)−2,6アルキル(モノ,ジ,トリまたはテトラ)−4−アミノピペリジン;
「架橋アミノピペリジン」;
2および/または5位で任意選択でアルキル置換された1−メチル−3−アミノピロリジン、例えば3−アミノ−1−メチルピロリジン;
3および/または5位でアルキル置換された4−(ω−アミノアルキル)モルホリン、例えば4−(2−アミノエチル)2,6ジメチルモルホリン;
「アザ−アミノアダマンタン」;
から選択される。
Aquivion(登録商標)PFSA(Solvay Solexis SpA)前駆体(−SO2F形のペンダント基を有する,EW=781):70℃のオーブンで真空下にて12時間乾燥させた粉末(カール・フィッシャー法で測定された含水量<900ppm);
Novec(登録商標)7500,CH3OC7F15(3M):多孔度3の分子ふるい上で乾燥;
N,N,2,2−テトラメチル−1,3−プロパンジアミン(Sigma−Aldrich):KOHで乾燥;
アセトニトリル(Sigma−Aldrich):分子ふるい(多孔度3オングストローム)上で乾燥;
残りのすべての試薬(Sigma−Aldrichによって供給)は受け取った状態のまま使用した。
方法1:電位差滴定による酸滴定およびアルカリ滴定(ポリマーの酸性および塩基性力価)
100mlフラスコ内の計量されたポリマー(約0.3g)に、イソプロピルアルコール50mlおよび0.1N HCl水溶液8.0mlを添加する。混合物を室温で4時間攪拌し、次いで体積100mlに達するように蒸留水を添加する。その透明な溶液50mlを採取し、蒸留水20mlを添加し、電位差計を使用して、過剰な酸を0.1N NaOHで適定する。ポリマーの塩基性力価は、初期ポリマーの量に関連する、消費されたHClに相当する。
蒸留水25ml、メタノール25mlを含有するビーカーに計量されたポリマー(約0.3g)を入れる。0.1N AgNO3水溶液10ml、濃HNO3数滴を混合物に添加する。銀滴定用の電極を備えた電位差計を使用して、0.1N HClで過剰なAgを適定する。ポリマーの量に関連する、消費された銀は、ポリマーのヨウ化物力価に相当する。この方法を用いて、ポリマーの塩化物力価を決定することもできる。
CO2を含有しない0.6M NaCl溶液(120g)に計量されたポリマー(約0.3g)を入れる。室温で24時間後、溶液の一部を採取し、ポリマー中に元々存在し、かつ塩化物との陰イオン交換反応によって置換される水酸化物アニオンの量を定量化するために、0.1N HClで適定する。
実施例1a:アミド化反応
機械攪拌機、滴下漏斗、窒素用のガス入口およびガス出口を備えた、Novec(登録商標)7500を200g含有する丸底フラスコに、Aquivion(登録商標)PFSA前駆体10gを入れた。窒素の流れ(約2リットル/時)を反応中に適用した。ポリマー分散液を室温で約2時間攪拌した。次いで、外部冷却浴を使用してフラスコを−20℃で冷却し、攪拌しながら滴下漏斗を通してN,N,2,2−テトラメチル−1,3−プロパンジアミン14gをゆっくりと添加した(約30分で)。混合物を−20℃でさらに8時間攪拌した。ポリマーを濾過し、攪拌下にてNovec(登録商標)7500 100gで1時間洗浄し、次いで攪拌下にて5%KOH溶液100gで2回、1時間処理した。最後に、ポリマーを100gエタノールで2回洗浄し、70℃のオーブンで真空下にて4時間乾燥させた。乾燥ポリマー9.4gが得られた。
機械攪拌機、滴下漏斗、凝縮器、窒素用のガス入口およびガス出口を備えた丸底フラスコに、実施例1aのポリマー5.07gおよび無水アセトニトリル50gを入れた。反応中に窒素の流れ(約2リットル/時)を適用した。外部浴を用いてフラスコを50℃で加熱し、ポリマー分散液を約1時間攪拌した。次いで、漏斗を通じてヨウ化メチル15gを添加し、混合物を50℃で12時間攪拌した。室温で冷却した後、ポリマーを濾過し、アセトニトリル50mlで30分間洗浄し、次いでメタノール60mlで3回、30分間洗浄した。70℃で真空下にてポリマーを4時間乾燥させた。乾燥ポリマー4.93gが得られる。
メチルトシラート(7.5g)をアルキル化剤として使用して、実施例1bを繰り返し、ポリマー4.7gが得られた。
実施例2a:陰イオン交換反応によるポリマーの製造
評価下にて、アニオンX−のナトリウム塩3重量%を含有する水性アルコール溶液200ml(水/エタノール1:1)に、構造(VII)(X−=I−)を有する実施例1bのポリマー2gを浸漬し、24時間攪拌した。表1に、試験されたアニオンを示す。次いで、濾過によってポリマーを回収し、蒸留水で洗浄し、濾過し、水が完全に除去されるまで、80℃のオーブン内で真空下にて乾燥させた。
DMA5gを含有するバイアルに、実施例2aで得られた各ポリマー0.25gを入れ、80℃で4時間攪拌した。バイアルを3000rpmで15分間遠心した。
実施例3a:N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)およびイソプロパノール
DMF5gおよびイソプロパノール5gを含有するバイアルに、実施例1bのポリマー(構造(VII),X−=I−)0.25gを入れ、70℃で6時間攪拌した。バイアルを3000rpmで15分間遠心した。遠心後に固体ポリマー(底に残った)上に透明な液相が存在したことから、このポリマーは溶媒混合物に可溶性ではないことが分かった。液相をペトリ皿に移し、窒素下にて90℃で溶媒を蒸発させた。溶媒を完全に蒸発させた後、ペトリ皿の底にポリマーは見られず、溶解が全く起こらなかった、またはごくわずかな溶解しか起こらなかったことが確認された。
DMF5gおよびトリフルオロエタノール5gを含有する液体を使用して、比較例1aを繰り返した。ポリマーの溶解は確認されなかった。
DMA中に実施例1bのポリマー(構造(VII),X−=I−)10重量%を含む液体組成物を調製した。液相はゲル状の沈殿物を含まず、透明であった。液体組成物を三等分にし、ある量のイソプロパノールを液体組成物それぞれに添加し、組成物の全重量に対してイソプロパノールをそれぞれ15重量%、20重量%および25重量%含有する新たな組成物が得られた。イソプロパノールを含む組成物の濁度が増加し、ポリマーの溶解性の低下が示されたが、固体ポリマーの分離は、イソプロパノール25重量%まで確認されなかった。
実施例2bの手順に従って、異なるアニオンX−を有するポリマー(P)の膜を作製した。アニオンは、可溶性ポリマーを提供するアニオンの中から、したがって:I−、NO3 −、CF3COO−、p−(CH3)C6H4SO3 −から選択された。
実施例5a:ポリマー(VII)の液体組成物および低温での流延による膜の製造
DMA3gを含有するバイアルに、実施例1bのポリマー(X−=I−)310.5mgを入れた。混合物を80℃で2時間攪拌した。このようにして得られた、わずかに乳白光色の溶液を3000rpmで15分間遠心した。バイアルの底にある少量のゲル状透明固体と共に、透明な液相が得られた。次いで、直径5.5cmのペトリ皿に、透明な液相を注いだ。次いで、皿をオーブンに入れ、窒素流れ下にて80℃で12時間、溶媒を蒸発させた。
実施例5aの実験手順に従って、ポリマー(VII)の液体組成物を調製した。窒素流れ下にて流延を行った。膜の乾燥を80℃にて1時間行った。続いて200℃(速度2℃/分)で処理した。
DMA5gを含有するバイアルに、実施例1dで製造されたポリマー(X−=トシラート)502.3mgを入れた。混合物を80℃で2時間攪拌した。このようにして得られた溶液を3000rpmで15分間遠心した。バイアルの底にある少量のゲル状透明固体と共に、透明な液相が得られた。次いで、直径7cmのペトリ皿に、透明な液相を注いだ。窒素流れ下にて80℃にて1時間、膜の乾燥を行った。続いて200℃(速度2℃/分)で処理した。
実施例6a:水酸化物アニオンとのヨウ化物の交換
水性アルコール溶液(水/メタノール1:1)中の5重量%KOH200mlに実施例5aの膜を浸漬し、24時間静置した。溶液が中性になるまで、CO2を含有しない蒸留水で膜を洗浄し、窒素流れ下にて80℃で24時間乾燥させた。残留ヨウ化物は検出されなかった(方法2)。
実施例5cの膜を使用して、実施例6aと同じ手順を繰り返した。
Claims (13)
- 少なくとも1種類の非プロトン極性有機溶媒と、組成物の全重量に対して25重量%未満のアルコールと、を含む液状媒体と、
フルオロカーボン主鎖と、式(I):−SO2NR1Q+X−(式中、Q+は、少なくとも1つの第4級窒素原子を含む基であり、R1は、HまたはC1〜C20アルキル基であるか、または、Q+における基と共に環を形成し、前記環は炭素原子2〜10個を含有し;X−は、RA1SO3 −(式中、RA1は、C1〜C20直鎖状または分岐状、フッ素化されているかまたはフッ素化されておらず、アルキルまたは置換もしくは非置換アリール基である)およびRA2COO−(式中、RA2は、C1〜C20直鎖状または分岐状、フッ素化されているかまたはフッ素化されておらず、アルキルまたは置換もしくは非置換アリール基である)からなる群から選択される有機アニオンおよびI−及びNO3 −からなる群から選択される親油性無機アニオンからなる群から選択されるアニオンである)の末端基を有する、前記主鎖に共有結合された側鎖と、を含む少なくとも1種類のフッ素化陰イオン交換ポリマー(P)であって、組成物の全重量に対して少なくとも5重量%のポリマーと
を含む液体組成物。 - 前記非プロトン極性有機溶媒が、脂肪族および脂環式アミドおよび脂肪族スルホキシドからなる群から選択される、請求項1に記載の液体組成物。
- 式(I)の前記基が以下の構造:
を有する、請求項1〜4のいずれか一項に記載の液体組成物。 - R1=Hであり、R2=R3=CH3であり、R5=R6=R9=R10=Hであり、z=1であり、かつY=CR 7 R 8 であり、R 7 =R 8 =CH3である、請求項5に記載の液体組成物。
- 触媒粒子をさらに含む、請求項1〜6のいずれか一項に記載の液体組成物。
- 少なくとも1種類の非プロトン極性有機溶媒と、前記組成物の全重量に対して25重量%未満のアルコールと、を含む液体媒体中に、フルオロカーボン主鎖と、式(I):−SO2NR1Q+X−(式中、R1、Q+およびX−は、請求項1で定義されるとおりである)の末端基を有する前記主鎖に共有結合された側鎖と、を含む少なくとも1種類のフッ素化陰イオン交換ポリマー(P)を溶解することを含む、請求項1〜7のいずれか一項に記載の液体組成物を調製する方法。
- 請求項1〜7のいずれか一項に規定される液体組成物を使用して、物品を製造する方法。
- 請求項1〜7のいずれか一項に規定される液体組成物を支持体上に塗布する工程を含む、請求項9に記載の方法。
- 前記液体組成物で多孔質支持体を含浸することを含む、請求項9または10に記載の方法。
- X−は、NO3 −およびRA1SO3 −(RA1は、置換もしくは非置換アリール基の群から選択される)からなる群から選択されるアニオンである方法であって、少なくとも120℃の温度で前記物品を熱処理する工程をさらに含む、請求項9〜11のいずれか一項に記載の方法。
- 請求項7に記載の液体組成物を流延またはコーティングすることを含む、電気触媒層を製造する方法。
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