JP6748525B2 - Sulfonate-containing polyphenylene ether, proton conductive membrane - Google Patents

Sulfonate-containing polyphenylene ether, proton conductive membrane Download PDF

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Description

本発明は、スルホン基含有ポリフェニレンエーテル、プロトン伝導膜に関するものである。 The present invention relates to a sulfone group-containing polyphenylene ether and a proton conductive membrane.

固体高分子形燃料電池は、プロトン伝導膜の両面に電極を接合し、プロトン伝導膜−電極構造のアノード側に水素、カソード側に酸素又は空気を供給して、電極両端に生じる電位差より発電するものである。 In a polymer electrolyte fuel cell, electrodes are joined to both sides of a proton conducting membrane, hydrogen is supplied to the anode side of the proton conducting membrane-electrode structure and oxygen or air is supplied to the cathode side, and power is generated from the potential difference generated at both ends of the electrode. It is a thing.

このとき、プロトン伝導膜に用いられる固体高分子電解質としては、高プロトン伝導性、低ガス透過性であり、化学的・機械的な安定性も高いことが必要とされる。 At this time, the solid polymer electrolyte used for the proton conductive membrane is required to have high proton conductivity, low gas permeability, and high chemical and mechanical stability.

プロトン伝導膜としては、主にナフィオン(登録商標、米デュポン社製)を代表例とする、非常に高価なパーフルオロアルキルスルホン酸ポリマーが採用されてきた。パーフルオロスルホン酸系の膜は、高プロトン伝導性・高安定性を示すものの、高温・低湿領域でのプロトン伝導性が十分でなく、また製造コストが高いという問題点があった。 As the proton conductive membrane, a very expensive perfluoroalkyl sulfonic acid polymer, which is typified by Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont, USA), has been adopted. Although the perfluorosulfonic acid type membrane shows high proton conductivity and high stability, it has problems that the proton conductivity is not sufficient in a high temperature and low humidity region and the manufacturing cost is high.

このような欠点を克服するものとして、炭化水素系の高分子にスルホン基が導入されてなるプロトン伝導膜が着目されている。例えば、ポリアリール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1参照)、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1、2参照)等が例示される。 As a means for overcoming such a drawback, attention has been paid to a proton conductive membrane in which a sulfone group is introduced into a hydrocarbon-based polymer. For example, those obtained by sulfonation of polyaryl ether sulfone (for example, refer to Non-Patent Document 1), those obtained by sulfonation of polyether ether ketone (for example, refer to Patent Documents 1 and 2), and the like are exemplified.

さらなる例として、ポリフェニレンエーテルをスルホン化したもの(例えば、非特許文献2参照)も挙げられる。この例では、汎用エンプラとして用いられるポリフェニレンエーテルであるポリ(2,6−ジメチル−1,4フェニレンエーテル)を基材としており、かかるプロトン伝導膜は、変性が容易であること、経済性に優れることから、最も期待される材料の一つである。 Further examples include those obtained by sulfonation of polyphenylene ether (for example, see Non-Patent Document 2). In this example, poly(2,6-dimethyl-1,4 phenylene ether), which is a polyphenylene ether used as a general-purpose engineering plastic, is used as a base material, and such a proton conductive membrane is easy to modify and is excellent in economical efficiency. Therefore, it is one of the most promising materials.

特開平6−93114号公報JP-A-6-93114 特開2005−255850号公報JP, 2005-255850, A 特開2002−110174号公報JP 2002-110174 A 米国特許出願公開第2002/0091225号明細書(第1〜2頁)US Patent Application Publication No. 2002/0091225 (pages 1-2)

Journal of Membrance Science,Vol.83(1993)p.211−220Journal of Membrance Science, Vol. 83 (1993) p. 211-220 Journal of Applied Polymer Science,Vol.29(1984)p.4017−4027Journal of Applied Polymer Science, Vol. 29 (1984) p. 4017-4027

しかしながら、優れた経済性のため高分子膜への応用期待されているポリ(2,6−ジメチル−1,4−フェニレンエーテル)では、スルホン化により主鎖骨格の芳香環上に導入されたスルホン基の熱による脱離を抑制することが困難であった。スルホン基の脱離は、ポリフェニレンンエーテルの主鎖骨格が電子豊富であるために生じるものである。 However, in the case of poly(2,6-dimethyl-1,4-phenylene ether), which is expected to be applied to polymer membranes due to its excellent economic efficiency, the sulfone introduced onto the aromatic ring of the main chain skeleton by sulfonation is used. It was difficult to suppress the elimination of the base due to heat. The elimination of the sulfone group occurs because the main chain skeleton of polyphenylene ether is electron-rich.

この課題を解決するために、ルイス酸とスルトンとを用いて、ポリフェニレンエーテルの母骨格にアルキル基を介してスルホン基を導入する方法が報告されている(例えば、特許文献3参照)。しかし、この方法は、スルトンの反応性の低さから、高温、長時間の反応条件を必要とするため、必ずしも実用的な方法ではない。 In order to solve this problem, a method has been reported in which a Lewis acid and a sultone are used to introduce a sulfone group into the mother skeleton of polyphenylene ether via an alkyl group (see, for example, Patent Document 3). However, this method is not necessarily a practical method because it requires high temperature and long reaction conditions due to the low reactivity of sultone.

また、熱によるスルホン基の脱離が抑制されたポリマーとして、電子求引性の芳香環上にスルホン基を導入したモノマーを用いて重合することによって得られる、熱的に安定性の高いスルホン化ポリアリールエーテルスルホン系化合物が報告されている(例えば、特許文献4参照)。しかしながら、この方法は、モノマーの反応性の低さから、ポリマーを得るのに要する重合反応時間が長くなり、ポリマーの経済性に問題があった。 Further, as a polymer in which elimination of a sulfone group by heat is suppressed, a highly thermally stable sulfonation obtained by polymerizing using a monomer having a sulfone group introduced on an electron-withdrawing aromatic ring. A polyarylethersulfone compound has been reported (see, for example, Patent Document 4). However, in this method, the polymerization reaction time required to obtain the polymer becomes long due to the low reactivity of the monomer, and there is a problem in the economical efficiency of the polymer.

さらに、熱的安定性やプロトン導電性を向上させるために、高度に設計された非フッ素型芳香族高分子膜も報告があるものの、合成方法が複雑であるという問題がある。 Further, although there are reports of a non-fluorine type aromatic polymer membrane that is highly designed to improve thermal stability and proton conductivity, there is a problem that the synthesis method is complicated.

そこで、本発明は、熱安定性が良好であり、プロトン伝導性に優れ、耐熱水溶解性が高い、プロトン伝導膜の材料として好適な、スルホン基含有ポリフェニレンエーテルを提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a sulfone group-containing polyphenylene ether, which has good thermal stability, excellent proton conductivity, and high hot water solubility, and which is suitable as a material for a proton conductive membrane.

このような状況のもと、上記従来技術に伴う問題点を解消すべく鋭意検討した結果、ポリフェニレンエーテルの主鎖骨格に、二価の電子求引基及びアリール基を導入し、その後スルホン基を導入することによって、スルホン化されたポリフェニレンエーテルが、熱的に安定であり、プトロン伝導性に優れ、耐熱水溶解性が高く、熱処理後も電気化学的に安定なプロトン伝導膜となり得ることを見出すに至った。
本発明では、ポリフェニレンエーテルの主鎖骨格に二価の電子求引基を導入することで、母骨格の電子豊富さが低減され、かつ、母骨格周りが立体的に混み合うために、スルホン化が生じにくくなる。そして、母骨格周りより混み合っていない(空間的に反応が生じやすい)、側鎖の芳香族炭化水素基にスルホン化が優先的に生じる。上記事情のため、本発明では、熱による脱スルホン化を効果的に抑制することができる。
また、本発明は、簡単な合成法で効率的に製造でき、安価な、汎用エンプラを用いることが可能であるため、経済的にも優れていると言える。
Under these circumstances, as a result of intensive studies to solve the problems associated with the above-mentioned conventional techniques, a divalent electron-withdrawing group and an aryl group were introduced into the main chain skeleton of polyphenylene ether, and then a sulfo group was added. It has been found that the sulfonated polyphenylene ether can be a proton conductive membrane that is thermally stable, has excellent putron conductivity, has high solubility in hot water, and is electrochemically stable after heat treatment by introducing it. Came to.
In the present invention, by introducing a divalent electron-withdrawing group into the main chain skeleton of polyphenylene ether, the electron abundance of the mother skeleton is reduced, and the skeleton around the mother skeleton is sterically crowded. Is less likely to occur. Then, sulfonation preferentially occurs in the aromatic hydrocarbon group of the side chain, which is less crowded than the area around the mother skeleton (a reaction is apt to occur spatially). Due to the above circumstances, in the present invention, desulfonation due to heat can be effectively suppressed.
Further, the present invention is economically excellent because it can be efficiently produced by a simple synthesis method and inexpensive general-purpose engineering plastics can be used.

すなわち、本発明は以下の通りである。 That is, the present invention is as follows.

[1]一般式(1)および一般式(2)で示される構成成分を含むことを特徴とする、スルホン基含有ポリフェニレンエーテル。

Figure 0006748525
(式(1)中、R〜Rは、各々独立して、水素、ハロゲン、アルキル基、フッ素化アルキル基、アリル基、アリール基、シアノ基からなる群より選ばれる少なくとも一つであり;Xは、二価の電子求引基であり;Arは、スルホン基以外の基で置換されていてよいアリール基である。)
Figure 0006748525
(式(2)中、R〜Rは、各々独立して、水素、ハロゲン、アルキル基、フッ素化アルキル基、アリル基、アリール基、シアノ基からなる群より選ばれる少なくとも一つであり;Xは、二価の電子求引基であり;Arは、少なくとも一つのスルホン基で置換されているアリール基である。) [1] A sulfone group-containing polyphenylene ether containing the constituent components represented by the general formula (1) and the general formula (2).
Figure 0006748525
(In the formula (1), R 1 to R 3 are each independently at least one selected from the group consisting of hydrogen, halogen, an alkyl group, a fluorinated alkyl group, an allyl group, an aryl group, and a cyano group. X is a divalent electron-withdrawing group; Ar 1 is an aryl group which may be substituted with a group other than a sulfone group.)
Figure 0006748525
(In formula (2), R 4 to R 6 are each independently at least one selected from the group consisting of hydrogen, halogen, an alkyl group, a fluorinated alkyl group, an allyl group, an aryl group, and a cyano group. X is a divalent electron-withdrawing group; Ar 2 is an aryl group substituted with at least one sulfone group.)

[2]前記一般式(1)および前記一般式(2)で示される構成成分に対する、前記一般式(1)で示される構成成分の割合が30〜95モル%であり、前記一般式(2)で示される構成成分の割合が5〜70モル%である、[1]に記載のスルホン基含有ポリフェニレンエーテル。 [2] The ratio of the constituent component represented by the general formula (1) to the constituent components represented by the general formula (1) and the general formula (2) is 30 to 95 mol %, ) The sulfone group-containing polyphenylene ether according to [1], wherein the proportion of the constituent component represented by the formula (5) is 5 to 70 mol %.

[3][1]又は[2]に記載のスルホン基含有ポリフェニレンエーテルを含むことを特徴とする、プロトン伝導膜。 [3] A proton-conducting membrane comprising the sulfone group-containing polyphenylene ether according to [1] or [2].

本発明によれば、熱安定性が良好であり、熱安定性が良好であり、プロトン伝導性に優れ、耐熱水溶解性が高い、プロトン伝導膜の材料として好適な、スルホン基含有ポリフェニレンエーテルを提供することができる。 According to the present invention, a polysulfone group-containing polyphenylene ether having good thermal stability, good thermal stability, excellent proton conductivity, high hot water solubility, and suitable as a material for a proton conductive membrane is prepared. Can be provided.

本発明は、新規なスルホン化の導入手法により、スルホン基の脱離が抑制され、熱安定性に優れた、スルホン基含有ポリフェニレンエーテルを調製して、イオン伝導性に優れた、特に燃料電池用電解質膜として有用な、高分子材料を提供するものである。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention provides a sulfonation group-containing polyphenylene ether, which is suppressed in elimination of sulfone groups and is excellent in thermal stability, by a novel sulfonation introduction method, and is excellent in ion conductivity, particularly for fuel cells. A polymer material useful as an electrolyte membrane is provided.

以下、本発明を実施するための形態(以下、「本実施形態」ともいう。)について詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。 Hereinafter, modes for carrying out the present invention (hereinafter, also referred to as “the present embodiment”) will be described in detail. The present invention is not limited to the following embodiments, and can be variously modified and implemented within the scope of the gist.

(スルホン基含有ポリフェニレンエーテル)
本実施形態のスルホン基含有ポリフェニレンエーテルは、下記一般式(1)および下記一般式(2)で示される構成成分を含むことを特徴とする。

Figure 0006748525
(式(1)中、R〜Rは、各々独立して、水素、ハロゲン、アルキル基、フッ素化アルキル基、アリル基、アリール基、シアノ基からなる群より選ばれる少なくとも一つであり;Xは、二価の電子求引基であり;Arは、スルホン基以外の基で置換されていてよいアリール基である。)
Figure 0006748525
(式(2)中、R〜Rは、各々独立して、水素、ハロゲン、アルキル基、フッ素化アルキル基、アリル基、アリール基、シアノ基からなる群より選ばれる少なくとも一つであり;Xは、二価の電子求引基であり;Arは、少なくとも一つのスルホン基で置換されているアリール基である。) (Sulfonyl group-containing polyphenylene ether)
The sulfone group-containing polyphenylene ether of the present embodiment is characterized by containing constituent components represented by the following general formula (1) and general formula (2).
Figure 0006748525
(In the formula (1), R 1 to R 3 are each independently at least one selected from the group consisting of hydrogen, halogen, an alkyl group, a fluorinated alkyl group, an allyl group, an aryl group, and a cyano group. X is a divalent electron-withdrawing group; Ar 1 is an aryl group which may be substituted with a group other than a sulfone group.)
Figure 0006748525
(In formula (2), R 4 to R 6 are each independently at least one selected from the group consisting of hydrogen, halogen, an alkyl group, a fluorinated alkyl group, an allyl group, an aryl group, and a cyano group. X is a divalent electron-withdrawing group; Ar 2 is an aryl group substituted with at least one sulfone group.)

式(1)及び式(2)においては、下記の態様が好ましい。
〜Rにおけるアルキル基及びフッ化アルキル基の炭素数としては、1〜12個が好ましく、より好ましくは1〜4個である。
〜Rのアリル基としては、2−プロペニル基、2−メチル−2−プロペニル基、2−ヘキセルニル基が好ましい。
〜Rの(すなわち主鎖側の)アリール基としては、フェニル基やベンジル基が好ましい。
Xの二価の電子求引基としては、−C(O)−(カルボニル基(ケト基))、−S(O)−(スルホキシド)、−S(O)−(スルホン)、−P(O)−(ホスホニル基)が挙げられ、−C(O)−(カルボニル基(ケト基))が好ましい。
Arの(すなわち側鎖側の)アリール基としては、フェニル基、ナフチル基、アントラセニル基、ベンジル基が好ましい。
In formula (1) and formula (2), the following modes are preferable.
The number of carbon atoms of the alkyl group and the fluorinated alkyl group for R 1 to R 6 is preferably 1 to 12, and more preferably 1 to 4.
The allyl group of R 1 to R 6 is preferably a 2-propenyl group, a 2-methyl-2-propenyl group or a 2-hexenyl group.
The aryl group of R 1 to R 6 (that is, the main chain side) is preferably a phenyl group or a benzyl group.
Examples of the divalent electron-withdrawing group for X include -C(O)-(carbonyl group (keto group)), -S(O)-(sulfoxide), -S(O) 2- (sulfone), -P. (O) 2- (phosphonyl group) is mentioned, and -C(O)-(carbonyl group (keto group)) is preferable.
The aryl group of Ar 2 (that is, the side chain side) is preferably a phenyl group, a naphthyl group, an anthracenyl group, or a benzyl group.

本発明の様態では、Arは、スルホン基以外の基で置換され得るものである。また、Arの芳香環骨格の置換基のうち少なくとも一つは、スルホン基である。ここで、スルホン基の芳香環骨格における結合位置は、特に限定されない。また、スルホン基の結合位置の数は、一つに限定されることなく、二つや三つとしてもよい。 In an aspect of the invention, Ar 1 may be substituted with groups other than sulfone groups. At least one of the substituents on the aromatic ring skeleton of Ar 2 is a sulfone group. Here, the bonding position of the sulfone group in the aromatic ring skeleton is not particularly limited. Further, the number of bonding positions of the sulfone group is not limited to one, and may be two or three.

本発明の様態では、ポリフェニレンエーテルの主鎖以外の芳香環上に、選択的にスルホン基を導入することにより、スルホン基の脱離を抑制することができる。その結果、熱的に安定なスルホン基含有ポリフェニレンエーテルを提供することができる。 In the aspect of the present invention, elimination of the sulfone group can be suppressed by selectively introducing the sulfone group onto the aromatic ring other than the main chain of the polyphenylene ether. As a result, a thermally stable sulfone group-containing polyphenylene ether can be provided.

本実施形態のスルホン基含有ポリフェニレンエーテルでは、下記の理由により、前述の一般式(1)および一般式(2)で示される構成成分に対する、一般式(1)で示される構成成分の割合が30〜95モル%であり、一般式(2)で示される構成成分の割合が5〜70モル%であることが好ましく、一般式(1)で示される構成成分の割合が60〜95モル%であり、一般式(2)で示される構成成分の割合が5〜40モル%であることがより好ましい。なお、一般式(1)および一般式(2)で示される構成成分に対する、一般式(2)で示される構成成分の割合を、スルホン化率とも称する。
スルホン化率が上記範囲であれば、スルホン基含有ポリフェニレンエーテルを固体高分子電解質膜として用いた際に、高いプロトン伝導性が得られ、また、高い膜強度を維持することができる。
そして、スルホン化率は、樹脂を固体高分子電解質膜として備えた燃料電池の発電効率を高める観点から、5モル%以上であることが好ましく、15モル%以上であることがさらに好ましく、25モル%以上であることが特に好ましく、また、固体高分子電解質膜の膨潤を低減させる観点から、70モル%以下であることが好ましく、60モル%以下であることがより好ましく、50モル%以下であることがさらに好ましく、40モル%以下であることが特に好ましく、35モル%以下であることがさらに特に好ましい。
なお、樹脂のスルホン化率は、特に断りのない限り、樹脂を室温(例えば、30℃)で24時間乾燥させた後における値を指す。
In the sulfone group-containing polyphenylene ether of the present embodiment, the ratio of the constituent component represented by the general formula (1) to the constituent components represented by the general formula (1) and the general formula (2) is 30 for the following reason. To 95 mol %, the proportion of the constituent component represented by the general formula (2) is preferably 5 to 70 mol %, and the proportion of the constituent component represented by the general formula (1) is 60 to 95 mol %. It is more preferable that the ratio of the constituent component represented by the general formula (2) is 5 to 40 mol %. The ratio of the constituent component represented by the general formula (2) to the constituent component represented by the general formulas (1) and (2) is also referred to as a sulfonation rate.
When the sulfonation rate is within the above range, high proton conductivity can be obtained and high membrane strength can be maintained when the sulfone group-containing polyphenylene ether is used as a solid polymer electrolyte membrane.
The sulfonation rate is preferably 5 mol% or more, more preferably 15 mol% or more, and further preferably 25 mol% from the viewpoint of enhancing the power generation efficiency of a fuel cell including a resin as a solid polymer electrolyte membrane. % Is particularly preferable, and from the viewpoint of reducing the swelling of the solid polymer electrolyte membrane, it is preferably 70 mol% or less, more preferably 60 mol% or less, and 50 mol% or less. It is more preferable that the content is 40 mol% or less, and particularly preferably 35 mol% or less.
In addition, the sulfonation rate of the resin refers to a value after the resin is dried at room temperature (for example, 30° C.) for 24 hours, unless otherwise specified.

本実施形態のスルホン基含有ポリフェニレンエーテルのイオン交換容量としては、所望のプロトン伝導性が発現できる限り特に制限されないが、スルホン化率の理由と同様の理由から、0.5〜3.5meq/g(ミリ当量/g)であることが好ましく、0.5〜2.5meq/g(ミリ当量/g)であることがより好ましく、1.5〜2.5meq/gであることがさらに好ましく、1.2〜2.5meq/gであることが特に好ましい。
なお、イオン交換容量は、常法により求めることができる。
The ion exchange capacity of the sulfone group-containing polyphenylene ether of the present embodiment is not particularly limited as long as desired proton conductivity can be expressed, but for the same reason as the reason of the sulfonation rate, 0.5 to 3.5 meq/g. (Milliequivalent/g) is preferable, 0.5 to 2.5 meq/g (milliequivalent/g) is more preferable, and 1.5 to 2.5 meq/g is further preferable. Particularly preferably, it is 1.2 to 2.5 meq/g.
The ion exchange capacity can be determined by a conventional method.

なお、樹脂のスルホン化量が多過ぎる場合、樹脂の耐水性が低下し、水中での溶解・分解が生じてしまうことがあり、プロトン伝導膜として好ましくない。 If the amount of sulfonation of the resin is too large, the water resistance of the resin may be lowered and dissolution/decomposition in water may occur, which is not preferable as a proton conductive membrane.

イオン交換容量は、スルホン化剤の量や反応溶液中における濃度、スルホン化剤による反応の反応時間や反応温度により、調整さすることができ、例えば、イオン交換容量を高める場合、スルホン化剤を多くし、かつスルホン化剤との反応時間を長くすればよい。 The ion exchange capacity can be adjusted by the amount of the sulfonating agent, the concentration in the reaction solution, the reaction time of the reaction with the sulfonating agent, and the reaction temperature. It may be increased and the reaction time with the sulfonating agent may be lengthened.

本実施形態のスルホン基含有ポリフェニレンエーテルの構造は、例えば、赤外線吸収スペクトルにより、677cm−1、1,140cm−1、3,400cm−1のスルホン基の吸収ピークの有無で、確認することができる。
また、上記構造は、例えば、H−NMRにより、確認することもできる。
Structure of the sulfonic group-containing polyphenylene ether in the present embodiment, for example, by an infrared absorption spectrum, 677cm -1, 1,140cm -1, in the presence or absence of the absorption peak of the sulfonic groups of 3,400 cm -1, it can be confirmed ..
The above structure can also be confirmed by, for example, 1 H-NMR.

(スルホン基含有ポリフェニレンエーテルの製造方法)
本実施形態のスルホン基含有ポリフェニレンエーテルの製造方法は、特に限定されないが、例えば、ベースとなるポリフェニレンエーテルに二価の電子求引基及びアリール基を導入して、変性ポリフェニレンエーテルを合成し、その後、変性ポリフェニレンエーテルにスルホン基を導入して、スルホン基含有ポリフェニレンエーテルを合成する方法が挙げられる。
(Method for producing sulfone group-containing polyphenylene ether)
The method for producing the sulfone group-containing polyphenylene ether of the present embodiment is not particularly limited, for example, by introducing a divalent electron withdrawing group and an aryl group to the base polyphenylene ether, to synthesize a modified polyphenylene ether, and then And a method of synthesizing a sulfone group-containing polyphenylene ether by introducing a sulfone group into the modified polyphenylene ether.

上記変性ポリフェニレンエーテルを合成する方法は、特に限定されないが、例えば、フリーデルクラフツアシル化反応を用いて、ポリフェニレンエーテルの芳香環骨格にアシル基、特に、芳香族炭化水素基を有するアシル基;スルホン基、特に、芳香族炭化水素基を有するスルホン基;スルフィニル基、特に、芳香族炭化水素基を有するスルフィニル基;ホスホニル基、特に、芳香族炭化水素基を有するホスホニル基;等を導入する方法等が挙げられる。
フリーデルクラフツアシル化反応では、より具体的には、塩化アルミニウム、塩化スズ等のルイス酸(金属ハロゲン化物)の存在下で、ポリフェニレンエーテルと酸ハロゲン化物等とを反応させる。
The method for synthesizing the modified polyphenylene ether is not particularly limited, but for example, an acyl group having an acyl group, particularly an aromatic hydrocarbon group, in the aromatic ring skeleton of the polyphenylene ether using a Friedel-Crafts acylation reaction; sulfone Group, in particular, a sulfone group having an aromatic hydrocarbon group; a sulfinyl group, in particular, a sulfinyl group having an aromatic hydrocarbon group; a phosphonyl group, in particular, a phosphonyl group having an aromatic hydrocarbon group; Is mentioned.
In the Friedel-Crafts acylation reaction, more specifically, polyphenylene ether is reacted with an acid halide or the like in the presence of a Lewis acid (metal halide) such as aluminum chloride or tin chloride.

反応溶媒としては、ジクロロメタン、クロロホルム、塩化メチレン等が使用される。
反応条件としては、Li, Q.; Liu, L.; Liang, S.; Li, Q.; Jin, B.; Bai, R.; Polym. Chem., 2014, 5, 2425−2432.に記載の条件を採用することができる。
As a reaction solvent, dichloromethane, chloroform, methylene chloride or the like is used.
The reaction conditions include Li, Q. Liu, L.; Liang, S.; Li, Q.; Jin, B.; Bai, R.; Polym. Chem. , 2014, 5, 2425-2432. The conditions described in can be adopted.

上記ベースとなるポリフェニレンエーテルとしては、特に限定されないが、ポリ(2,6−ジメチル−1,4−フェニレンエーテル)、ポリ(2,6−ジメチル−1,4−フェニレンエーテル)とポリ(2,3,6−トリメチル−1,4−フェニレンエーテル)とのブロック共重合体やこれらの混合物、2,6−ジメチルフェノールと2,3,6−トリメチルフェノールとのランダム共重合体が好ましい。 The base polyphenylene ether is not particularly limited, but poly(2,6-dimethyl-1,4-phenylene ether), poly(2,6-dimethyl-1,4-phenylene ether) and poly(2,2 A block copolymer with 3,6-trimethyl-1,4-phenylene ether), a mixture thereof, and a random copolymer of 2,6-dimethylphenol and 2,3,6-trimethylphenol are preferable.

上記酸ハロゲン化物としては、特に限定されないが、下記一般式(3)で示される化合物が挙げられる。

Figure 0006748525
(式(3)中、Yは、フッ素以外のハロゲンであり;R〜R11は、各々独立して、水素、ハロゲン、アルキル基、フッ素化アルキル基、アリル基、アリール基、シアノ基であり、ここで、R〜R11の少なくとも一つは、水素である。) The acid halide is not particularly limited, but examples thereof include compounds represented by the following general formula (3).
Figure 0006748525
(In the formula (3), Y is a halogen other than fluorine; R 7 to R 11 are each independently hydrogen, halogen, an alkyl group, a fluorinated alkyl group, an allyl group, an aryl group, or a cyano group. Where, at least one of R 7 to R 11 is hydrogen.)

また、酸ハロゲン化物としては、上記一般式(3)において、カルボニル基と結合している側鎖芳香族炭化水素基を、フェニル基に代えて、ナフチル基、アントラセニル基等の多環式芳香族炭化水素基とした、化合物も挙げられる。
さらに、上記一般式(3)において、カルボニル基と結合している基を、フェニル基に代えて、カルボニル基と側鎖芳香族炭化水素基との間にアルキル基を挟む形式で両者を連結することを可能にするアリール基(例えば、ベンジル基等)とした、化合物も挙げられる。
Further, as the acid halide, in the general formula (3), a side chain aromatic hydrocarbon group bonded to a carbonyl group is replaced with a phenyl group, and a polycyclic aromatic group such as a naphthyl group or anthracenyl group is used. A compound having a hydrocarbon group is also included.
Further, in the above general formula (3), the group bonded to the carbonyl group is replaced with a phenyl group, and the two are linked in such a manner that an alkyl group is sandwiched between the carbonyl group and the side chain aromatic hydrocarbon group. A compound having an aryl group (for example, a benzyl group or the like) that enables the above is also included.

また、酸ハロゲン化物としては、上記一般式(3)において、[−C(O)−]部分に代えて[−S(O)−]部分とした化合物(ハロゲン化スルホニルともいう。);上記一般式(3)において、[−C(O)−]部分に代えて[−S(O)−]部分とした化合物(ハロゲン化スルフィニルともいう);上記一般式(3)において、[−C(O)−]部分に代えて[−P(O)−]部分とした化合物(ハロゲン化ホスホニルともいう);も挙げられる。 Further, as the acid halide, a compound (also referred to as a sulfonyl halide) in which, in the general formula (3), a [-S(O) 2- ] moiety is used instead of the [-C(O)-] moiety; In the general formula (3), a compound (also referred to as a halogenated sulfinyl) having a [-S(O)-] moiety in place of the [-C(O)-] moiety; A compound (also referred to as halogenated phosphonyl) having a [-P(O)-] moiety in place of the C(O)-] moiety;

フリーデルクラフツアシル化反応によるアシル化は、100モル%であることが特に好ましいが、90〜100モル%であればより好ましく、85〜100モル%であれば好ましい。
なお、アシル化は、H−NMRにより、確認することができる。
The acylation by the Friedel-Crafts acylation reaction is particularly preferably 100 mol %, more preferably 90 to 100 mol %, further preferably 85 to 100 mol %.
The acylation can be confirmed by 1 H-NMR.

ポリフェニレンエーテルの極限粘度としては、スルホン基を導入したときの溶媒からの単離性、および耐熱性を高める観点から、0.25dL/g以上であることが好ましく、0.30dL/g以上であることがさらに好ましく、また、スルホン基導入時の溶液粘度が高くなり過ぎることを防ぎ、撹拌・送液等のハンドリング性を高める観点から、1.45dL/g以下であることが好ましく、0.70dL/g以下であることがさらに好ましい。
なお、極限粘度は、下記のようにして求められる。すなわち、変性ポリフェニレンエーテル0.5gをクロロホルムに溶解し、100mL以上(濃度0.5g/dL以下)となる異なる濃度の2種以上の溶液を得る。そして、30℃においてウベローデ型の粘度計を用いて、異なる濃度の溶液毎の比粘度を測定し、比粘度と濃度との関係から、濃度が0であるときの粘度を導出し、この粘度を極限粘度とする。
The intrinsic viscosity of the polyphenylene ether is preferably 0.25 dL/g or more, and more preferably 0.30 dL/g or more, from the viewpoint of enhancing the isolation from the solvent when the sulfone group is introduced and the heat resistance. It is more preferably 1.45 dL/g or less, and 0.70 dL or less from the viewpoint of preventing the solution viscosity at the time of introducing the sulfone group from becoming too high and enhancing the handling property such as stirring and liquid feeding. /G or less is more preferable.
The intrinsic viscosity is calculated as follows. That is, 0.5 g of modified polyphenylene ether is dissolved in chloroform to obtain two or more kinds of solutions having different concentrations of 100 mL or more (concentration of 0.5 g/dL or less). Then, at 30° C., using a Ubbelohde viscometer, the specific viscosities of the solutions having different concentrations were measured, the viscosity at the concentration of 0 was derived from the relationship between the specific viscosities and the concentrations, and this viscosity was calculated. It has an intrinsic viscosity.

上記変性ポリフェニレンエーテルに全体的に又は部分的にスルホン基を導入する方法としては、変性ポリフェニレンエーテルを、無溶媒で又は溶媒存在下で、発煙硫酸、硫酸、クロルスルホン酸等のスルホン化剤と反応させる方法が挙げられる。 As a method of introducing a sulfone group into the modified polyphenylene ether wholly or partially, a modified polyphenylene ether is reacted with a sulfonating agent such as fuming sulfuric acid, sulfuric acid, and chlorosulfonic acid in the absence of a solvent or in the presence of a solvent. There is a method of doing.

上記スルホン化剤によりスルホン基を導入する方法以外に、スルホン化金属塩、スルホエステル基、スルホニルクロリド基等を導入し、その後、イオン交換、脱エステル化、加水分解等を行うことで、スルホン基を導入する方法を採用してもよい。 In addition to the method of introducing a sulfone group by the sulfonating agent, a sulfonate metal salt, a sulfoester group, a sulfonyl chloride group, etc. are introduced, and then ion exchange, deesterification, hydrolysis, etc. are performed to obtain a sulfone group. May be adopted.

溶剤としては、ジクロロエタン、テトラクロロエタン、クロロホルム、塩化メチレン等のハロゲン化炭化水素等を使用してよい。
反応温度は、特に制限はないが、通常、−20〜180℃、好ましくは0〜100℃である。
反応時間は、通常、0.5〜48時間、好ましくは1〜10時間である。
As the solvent, halogenated hydrocarbons such as dichloroethane, tetrachloroethane, chloroform and methylene chloride may be used.
The reaction temperature is not particularly limited, but is usually −20 to 180° C., preferably 0 to 100° C.
The reaction time is generally 0.5 to 48 hours, preferably 1 to 10 hours.

また、スルホン基を導入する方法として、例えば、非特許文献2に記載の方法を用いることができる。すなわち、ポリ(2,6−ジメチル−1,4−フェニレンエーテル)をクロロホルムに溶解し、この溶液にクロロスルホン酸を滴下して、室温で反応させることによって、スルホン基含有ポリフェニレンエーテルを得ることができる。スルホン基含有ポリフェニレンエーテルは、スルホン化反応の進行と共に、クロロホルム不溶となり、不定形の固体として析出し、ろ過により回収され得る。 Further, as a method of introducing a sulfone group, for example, the method described in Non-Patent Document 2 can be used. That is, poly(2,6-dimethyl-1,4-phenylene ether) is dissolved in chloroform, chlorosulfonic acid is added dropwise to this solution, and the mixture is reacted at room temperature to obtain a sulfone group-containing polyphenylene ether. it can. The sulfo group-containing polyphenylene ether becomes insoluble in chloroform as the sulfonation reaction progresses, precipitates as an amorphous solid, and can be recovered by filtration.

本実施形態のスルホン基含有ポリフェニレンエーテルでは、電子豊富なポリフェニレンエーテルの主鎖の芳香環骨格に対してよりも、芳香環骨格に電子求引基を介して結合した側鎖の芳香環骨格に対してスルホン基が導入される。このため、高温条件下(例えば、170℃)であっても熱によるスルホン基の脱離が生じにくいという効果が得られる。そして、上記効果により、高温条件下においた後における本実施形態のスルホン基含有ポリフェニレンエーテルのイオン交換容量は、高温条件下においた後における従来のスルホン基含有ポリフェニレンエーテルのイオン交換容量と比較して、大きくなる。 In the sulfone group-containing polyphenylene ether of the present embodiment, the side-chain aromatic ring skeleton bonded to the aromatic ring skeleton through the electron-withdrawing group is more preferable than the aromatic ring skeleton of the main chain of the electron-rich polyphenylene ether. A sulfone group is introduced. Therefore, even under high temperature conditions (for example, 170° C.), it is possible to obtain the effect that it is difficult for the sulfonic group to be removed by heat. And, by the above effect, the ion exchange capacity of the sulfone group-containing polyphenylene ether of the present embodiment after being placed under high temperature conditions is compared with the ion exchange capacity of the conventional sulfone group-containing polyphenylene ether after being placed under high temperature conditions. ,growing.

本実施形態のスルホン基含有ポリフェニレンエーテルは、一般式(1)および一般式(2)で示される構成成分以外に、他の構成成分を含んでいてよく、一般式(1)および一般式(2)で示される構成成分及び当該他の構成成分100モル%に対する、他の構成成分の割合は、0モル%であることが特に好ましいが、0〜10モル%であればより好ましく、0〜20モル%であれば好ましい。 The sulfone group-containing polyphenylene ether of the present embodiment may contain other constituent components in addition to the constituent components represented by the general formula (1) and the general formula (2). The ratio of the other constituent component relative to the constituent component shown in (1) and 100 mol% of the other constituent component is particularly preferably 0 mol%, more preferably 0 to 10 mol%, and more preferably 0 to 20 mol%. It is preferable if it is mol %.

一般式(1)および一般式(2)で示される構成成分以外の他の構成成分としては、例えば、膜強度や分子量調整を行うために添加された架橋剤由来のユニットが挙げられる。架橋剤としては、フリーデルクラフツ反応を二カ所で進行させることが可能なテレフタル酸ジクロリド、塩化オキサリル等が挙げられる。 Examples of the constituent components other than the constituent components represented by the general formulas (1) and (2) include a unit derived from a cross-linking agent added for adjusting the film strength and the molecular weight. Examples of the cross-linking agent include terephthalic acid dichloride and oxalyl chloride, which are capable of promoting the Friedel-Crafts reaction at two places.

(プロトン伝導膜)
本実施形態のプロトン伝導膜は、本実施形態のスルホン基含有ポリフェニレンエーテルを含むことを特徴とする。
本実施形態のプロトン伝導膜における本実施形態のスルホン基含有ポリフェニレンエーテルの含有量は、100質量%であること(すなわち、本実施形態のプロトン伝導膜は本実施形態のスルホン基含有ポリフェニレンエーテルからなること)が特に好ましいが、95〜100質量%であればより好ましく、90〜100質量%であれば好ましい。
(Proton conductive membrane)
The proton conductive membrane of the present embodiment is characterized by containing the sulfone group-containing polyphenylene ether of the present embodiment.
The content of the sulfone group-containing polyphenylene ether of this embodiment in the proton conductive membrane of this embodiment is 100% by mass (that is, the proton conductive membrane of this embodiment is made of the sulfone group-containing polyphenylene ether of this embodiment). Is particularly preferable, but is more preferably 95 to 100% by mass, and is preferably 90 to 100% by mass.

本実施形態のプロトン伝導膜は、単独の固体高分子電解質膜として、固体高分子型燃料電池、レドックスフロー電池等に好適に使用することができる。 The proton conductive membrane of the present embodiment can be suitably used as a solid polymer electrolyte membrane alone in a polymer electrolyte fuel cell, a redox flow battery, or the like.

本実施形態のプロトン伝導膜は、例えば、上記スルホン基含有ポリフェニレンエーテルを、メタノール、エタノール、プロパノール、ジメチルスルホキシド等の溶剤(有機溶媒)に完全に溶解した後、この溶液を基材上にキャスティングすることによって、フィルム状に成形するキャスティング法等により成膜し、得られた膜を乾燥することによって、製造することができる。
キャスティング法としては、具体的には、スプレー法、スピンコート法、ドクタースプレー法等が挙げられる。
The proton conductive membrane of the present embodiment is obtained by completely dissolving the sulfone group-containing polyphenylene ether in a solvent (organic solvent) such as methanol, ethanol, propanol or dimethyl sulfoxide, and then casting this solution on the substrate. Thus, it can be manufactured by forming a film by a casting method or the like for forming a film and drying the obtained film.
Specific examples of the casting method include a spray method, a spin coating method, a doctor spray method and the like.

キャスティング法で使用される基材としては、ガラス板やプラスチックフィルム等が挙げられる。プラスチックフィルムとして、好ましくは、ポリエチレンテレフタレートフィルム、ポリテトラフルオロエチレンフィルム、ポリイミドフィルムである。 Examples of the substrate used in the casting method include a glass plate and a plastic film. The plastic film is preferably a polyethylene terephthalate film, a polytetrafluoroethylene film or a polyimide film.

上記スルホン基含有ポリフェニレンエーテルを溶解させる溶剤としては、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、iso−プロピルアルコール、sec−ブチアルコール、tert−ブチルアルコール等のアルコール類;エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等のアルキレングリコールモノアルキルエーテル類;テトラヒドロフラン、1,3−ジオキサン等のエーテル類;N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、N−メチル−2−ピロリドン、アセトニトリル等の非プロトン系極性溶剤;等が挙げられる。これらは、1種単独で用いても、2種以上を混合して用いてもよい。 Examples of the solvent for dissolving the sulfone group-containing polyphenylene ether include alcohols such as methanol, ethanol, propanol, iso-propyl alcohol, sec-butyl alcohol, tert-butyl alcohol; ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether. , Alkylene glycol monoalkyl ethers such as propylene glycol monoethyl ether; ethers such as tetrahydrofuran and 1,3-dioxane; N,N-dimethylformamide, N,N-dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, N-methyl-2- Aprotic polar solvents such as pyrrolidone and acetonitrile; and the like. These may be used alone or in combination of two or more.

キャスティングを行う場合に用いる溶液中におけるスルホン基含有ポリフェニレンエーテルの固形分濃度は、当該ポリマーの分子量にもよるが、5〜40質量%、好ましくは7〜30質量%である。
ポリマー濃度が上記範囲の下限より低いと、厚膜化し難く、また、上記範囲の上限を超えると、溶液粘度が高すぎてフィルム化し難く、均一な塗膜が得られないことがある。
The solid concentration of the sulfone group-containing polyphenylene ether in the solution used for casting is 5 to 40% by mass, preferably 7 to 30% by mass, depending on the molecular weight of the polymer.
If the polymer concentration is lower than the lower limit of the above range, it is difficult to form a thick film, and if it exceeds the upper limit of the above range, the solution viscosity is too high to form a film, and a uniform coating film may not be obtained.

上記キャスティング後による製膜後の乾燥は、50〜170℃の温度で、0.1〜12時間保持する条件で、行ってよい。 The drying after the film formation by the casting may be performed under the condition of maintaining the temperature at 50 to 170° C. for 0.1 to 12 hours.

以下、実施例を挙げて本発明の実施の形態を説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the embodiments of the present invention will be described with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.

実施例及び比較例のスルホン基含有ポリフェニレンエーテルの原材料として、特に断りのない場合、ポリ(2,6−ジメチル−1,4−フェニレンエーテル)(S201A、旭化成ケミカルズ株式会社製)(極限粘度:0.47dL/g)を用いた。 Unless otherwise specified, as a raw material for the sulfone group-containing polyphenylene ethers of Examples and Comparative Examples, poly(2,6-dimethyl-1,4-phenylene ether) (S201A, manufactured by Asahi Kasei Chemicals Corporation) (intrinsic viscosity: 0 0.47 dL/g) was used.

実施例及び比較例における各種物性の測定方法及び評価方法を以下に示す。 The methods for measuring and evaluating various physical properties in Examples and Comparative Examples are shown below.

(1)スルホン化率
実施例及び比較例のスルホン基含有ポリフェニレンエーテルを、H−NMR装置(ECA−500、JEOL株式会社製)を用いて、周波数:500MHz、緩和時間:5sec、積算回数:512回、室温の条件下で、NMR測定した。合成したスルホン基含有ポリフェニレンエーテルの具体的なスルホン化率(%)の求め方は、下記実施例に記載の通りとした。結果を表1に示す。
(1) Sulfonation rate Using a 1 H-NMR apparatus (ECA-500, manufactured by JEOL Co., Ltd.), the sulfone group-containing polyphenylene ethers of Examples and Comparative Examples were subjected to frequency: 500 MHz, relaxation time: 5 sec, number of integration: The NMR measurement was performed 512 times at room temperature. The specific method for obtaining the sulfonation rate (%) of the synthesized phenyl group-containing polyphenylene ether was as described in the following examples. The results are shown in Table 1.

(2)熱安定性
実施例及び比較例のスルホン基含有ポリフェニレンエーテルを、TGAを用いて、窒素下、昇温速度10℃/分の条件で測定した。測定では、最初に140℃までに水の蒸発による質量損失が見られ、140〜270℃でスルホン基の脱離による質量損失が見られ、270℃以上で芳香環の分解による質量損失が見られた。TGAプロファイルから、各ポリマーのスルホン基の脱離が開始する温度(スルホン基脱離開始温度)(℃)を調べた。結果を表1に示す。
(2) Thermal Stability The sulfone group-containing polyphenylene ethers of Examples and Comparative Examples were measured using TGA under nitrogen at a temperature rising rate of 10° C./min. In the measurement, mass loss due to water evaporation was first observed up to 140°C, mass loss due to elimination of sulfone group was observed at 140 to 270°C, and mass loss due to aromatic ring decomposition was observed at 270°C or higher. It was From the TGA profile, the temperature at which the removal of the sulfone group of each polymer started (sulfone group desorption initiation temperature) (°C) was examined. The results are shown in Table 1.

(3)イオン交換容量
実施例及び比較例のスルホン基含有ポリフェニレンエーテルを用いて作製した膜0.02gを、25℃の飽和NaCl水溶液30mLに浸漬し、攪拌しながら30分間放置した。次いで、その飽和NaCl水溶液中のプロトンを、フェノールフタレインを指示薬として用いながら、0.01N水酸化ナトリウム水溶液で中和滴定した。中和後に、イオン交換基の対イオンがナトリウムイオンとなっているスルホン基含有ポリフェニレンエーテルを、ろ過により得た。得られたポリマーを、純水ですすぎ、さらに、160℃で真空乾燥した後の絶乾重量を秤量した。
中和に要した水酸化ナトリウムの物質量をM(mmol)、イオン交換基の対イオンがナトリウムイオンとなっているスルホン基含有ポリフェニレンエーテルの質量をW(mg)として、式:EW=(W/M)−22により、当量質量EW(g/当量)を求めた。さらに、得られたEW値の逆数をとって1000倍することによって、イオン交換容量meq/g(ミリ当量/g)を算出した。
(3) Ion exchange capacity 0.02 g of the membrane prepared using the sulfone group-containing polyphenylene ethers of Examples and Comparative Examples was immersed in 30 mL of saturated NaCl aqueous solution at 25° C. and left for 30 minutes while stirring. Next, the proton in the saturated NaCl aqueous solution was neutralized and titrated with 0.01N sodium hydroxide aqueous solution using phenolphthalein as an indicator. After neutralization, a sulfone group-containing polyphenylene ether in which the counter ion of the ion exchange group was a sodium ion was obtained by filtration. The obtained polymer was rinsed with pure water, dried at 160° C. under vacuum, and then weighed for absolute dry weight.
Assuming that the amount of sodium hydroxide required for neutralization is M (mmol) and the mass of the sulfone group-containing polyphenylene ether whose counter ion of the ion exchange group is sodium ion is W (mg), the formula: EW=(W /M)-22, the equivalent mass EW (g/equivalent) was determined. Further, the reciprocal of the obtained EW value was taken and multiplied by 1000 to calculate the ion exchange capacity meq/g (milliequivalent/g).

(4)耐熱水性評価
実施例及び比較例のスルホン基含有ポリフェニレンエーテル10mgを、90℃の熱水4mLに浸漬し、60分間放置した。ポリマーの熱水への溶解性を目視にて後述の基準により評価した;溶解していた場合「×」、溶解していなかった場合「○」。
(4) Evaluation of hot water resistance 10 mg of the polyphenylene ether containing a sulfone group of the examples and comparative examples was immersed in 4 mL of hot water at 90° C. and left for 60 minutes. The solubility of the polymer in hot water was visually evaluated according to the criteria described below; “X” when the polymer was dissolved, and “◯” when it was not dissolved.

以下、各実施例及び各比較例について詳述する。 Hereinafter, each example and each comparative example will be described in detail.

<実施例1>
アルゴン置換した5Lの4つ口フラスコに、ポリ(2,6−ジメチル−1,4−フェニレンエーテル)(90g)、ジクロロメタン(2250mL)を加え、撹拌した。上記で作製したポリフェニレンエーテル溶液に、塩化アルミニウム(109g)と塩化ベンゾイル(104g)のジクロロメタン溶液(750mL)を、45分かけて室温下で滴下した。滴下終了後、反応溶液をマントルヒーターを用いて昇温し、40℃で6時間反応させ、その後、反応溶液を室温まで放冷した。反応溶液を、少量サンプリング後、メタノール(18L)に加えて、ポリマーを析出させ、粗生成物をろ過により回収した。さらに、回収した粗成生物をクロロホルム(1.4L)に溶解させ、溶液をメタノール(10L)中に加えて、沈殿精製を行った。沈殿物を減圧濾過して、変性ポリフェニレンエーテル(アシル化ポリフェニレンエーテル)を生成物として回収した。
<Example 1>
Poly(2,6-dimethyl-1,4-phenylene ether) (90 g) and dichloromethane (2250 mL) were added to a 5 L four-necked flask that had been purged with argon, and the mixture was stirred. To the polyphenylene ether solution prepared above, a dichloromethane solution (750 mL) of aluminum chloride (109 g) and benzoyl chloride (104 g) was added dropwise at room temperature over 45 minutes. After completion of dropping, the reaction solution was heated using a mantle heater and reacted at 40° C. for 6 hours, and then the reaction solution was allowed to cool to room temperature. After sampling a small amount of the reaction solution, it was added to methanol (18 L) to precipitate a polymer, and a crude product was collected by filtration. Further, the recovered crude product was dissolved in chloroform (1.4 L), and the solution was added into methanol (10 L) to carry out precipitation purification. The precipitate was filtered under reduced pressure to recover the modified polyphenylene ether (acylated polyphenylene ether) as a product.

変性ポリフェニレンエーテルの構造同定は、H−NMRにより行った。
H−NMR(THF−d) δ 7.84(s,2.0H),7.48(m,3.0H),6.24(s,1.0H),1.86(m,6.4H)
原料の(2,6−ジメチル−1,4−フェニレンエーテル)のシグナルは観測されなかった。
この結果から、下記一般式(4)で示される構成成分からなるポリマーが生成されていることが判明した。

Figure 0006748525
The structure of the modified polyphenylene ether was identified by 1 H-NMR.
1 H-NMR (THF-d 8 ) δ 7.84 (s, 2.0H), 7.48 (m, 3.0H), 6.24 (s, 1.0H), 1.86 (m, 6.4H)
The signal of the raw material (2,6-dimethyl-1,4-phenylene ether) was not observed.
From this result, it was found that a polymer composed of the constituent components represented by the following general formula (4) was produced.
Figure 0006748525

アルゴン置換した3Lの4つ口フラスコに、発煙硫酸(1.3kg)を加え、メカニカルスターラーを用いて撹拌翼で撹拌を行った。上記アシル化ポリフェニレンエーテル(130g)を反応容器中にゆっくり添加した。室温で10時間撹拌後、反応液を氷水(8L)中へゆっくり投じて、反応を停止させた。析出した固体を減圧濾過で回収し、イオン交換水(5L)中で洗浄した。この洗浄操作での洗浄分離水のpHが5以上になるまで、同様の洗浄操作を9回繰り返した。洗浄後の固体を50℃で60時間減圧乾燥した。 Fuming sulfuric acid (1.3 kg) was added to a 3 L four-necked flask in which argon was replaced, and the mixture was stirred with a stirring blade using a mechanical stirrer. The above acylated polyphenylene ether (130 g) was slowly added into the reaction vessel. After stirring at room temperature for 10 hours, the reaction solution was slowly poured into ice water (8 L) to stop the reaction. The precipitated solid was collected by vacuum filtration and washed in ion-exchanged water (5 L). The same washing operation was repeated 9 times until the pH of the water separated by washing in this washing operation became 5 or more. The washed solid was dried under reduced pressure at 50° C. for 60 hours.

得られたポリマーの構造同定は、H−NMRにより行った。
H−NMR(THF−d) δ 8.17−7.45(m,3.5H),6.24(s,1.0H),1.86(s,5.7H)
この結果から、下記一般式(4)および一般式(5)で示される構成成分からなるポリマーが生成されていることがわかった。

Figure 0006748525
Figure 0006748525
(式(5)中、nは、整数である。) The structure of the obtained polymer was identified by 1 H-NMR.
1 H-NMR (THF-d 8 ) δ 8.17-7.45 (m, 3.5H), 6.24 (s, 1.0H), 1.86 (s, 5.7H).
From this result, it was found that a polymer composed of the constituent components represented by the following general formulas (4) and (5) was produced.
Figure 0006748525
Figure 0006748525
(In the formula (5), n is an integer.)

H−NMRの結果において、アシル化ポリフェニレンエーテルの主鎖芳香環由来のシグナル(δ 6.24ppm)を基準として、未反応のアシル化ポリフェニレンエーテルユニットの芳香環に由来するシグナルの面積のスルホン化前後での減少分を、スルホン化されたアシル化ポリフェニレンエーテルユニットの芳香環の位置の分として計算することによって、スルホン化率(%)を求めた。
実施例1のスルホン基含有ポリフェニレンエーテルのスルホン化率は31.5%であった。
また、実施例1のスルホン基含有ポリフェニレンエーテルのスルホン基脱離開始温度は、185℃であった。
In the result of 1 H-NMR, sulfonation of the area of the signal derived from the aromatic ring of the unreacted acylated polyphenylene ether unit with reference to the signal derived from the main chain aromatic ring of the acylated polyphenylene ether (δ 6.24 ppm) The sulfonation rate (%) was obtained by calculating the decrease before and after the change as the amount of the position of the aromatic ring of the sulfonated acylated polyphenylene ether unit.
The sulfonation ratio of the sulfone group-containing polyphenylene ether of Example 1 was 31.5%.
The sulfone group elimination initiation temperature of the sulfone group-containing polyphenylene ether of Example 1 was 185°C.

得られたスルホン基含有ポリフェニレンエーテルをメタノールに溶解し、ステンレス製トレイにポリテトラフルオロエチレンシートを敷き、溶液をポリテトラフルオロエチレンシート上にキャスティング法により塗布し、塗布したものを室温で24時間風乾した。こうして、厚さ約4μmのフィルム状のプロトン伝導膜を得た。
実施例1のプロトン伝導膜のイオン交換量は、1.26meq/gであった。
The obtained sulfone group-containing polyphenylene ether is dissolved in methanol, a polytetrafluoroethylene sheet is spread on a stainless steel tray, the solution is applied on the polytetrafluoroethylene sheet by the casting method, and the applied product is air dried at room temperature for 24 hours. did. Thus, a film-shaped proton conductive membrane having a thickness of about 4 μm was obtained.
The ion exchange amount of the proton conductive membrane of Example 1 was 1.26 meq/g.

得られたスルホン基含有ポリフェニレンエーテルについては熱水に対して溶解する様子は見られなかった。 The obtained sulfone group-containing polyphenylene ether did not appear to dissolve in hot water.

<実施例2、3、4、5>
発煙硫酸との上記アシル化ポリフェニレンエーテルとの反応時間を表1に示すように変更したこと以外は、実施例1と同様にして、スルホン基含有ポリフェニレンエーテルを調整した。
得られたポリマーの評価結果を表1に示す。
<Examples 2, 3, 4, 5>
A sulfo group-containing polyphenylene ether was prepared in the same manner as in Example 1 except that the reaction time of fuming sulfuric acid with the above-mentioned acylated polyphenylene ether was changed as shown in Table 1.
The evaluation results of the obtained polymer are shown in Table 1.

<実施例6>
実施例1と同様の方法で、スルホン基含有アシル化ポリフェニレンエーテル(スルホン化率31.5%)を得た後、これを、窒素雰囲気下、オーブンにて170℃で、30分間、熱処理した。
熱処理後のポリマーの評価結果を表1に示す。
<Example 6>
After obtaining a sulfone group-containing acylated polyphenylene ether (sulfonation rate: 31.5%) by the same method as in Example 1, this was heat-treated in an oven at 170° C. for 30 minutes in a nitrogen atmosphere.
The evaluation results of the polymer after heat treatment are shown in Table 1.

<実施例7>
塩化ベンゾイルの代わりに、フェニルアセチルクロリドを使用したこと以外は、実施例1と同様にして、スルホン基含有ポリフェニレンエーテルを調整した。
<Example 7>
A sulfone group-containing polyphenylene ether was prepared in the same manner as in Example 1 except that phenylacetyl chloride was used instead of benzoyl chloride.

得られたポリマーの構造同定は、H−NMRにより行った。
H−NMR(THF−d) δ 7.15−7.45(m,3.4H),6.24(s,1.0H),3.93(s,2.0H),1.86(s,5.9H)
この結果から、下記一般式(6)および一般式(7)で示される構成成分からなるポリマーが生成されていることがわかった。

Figure 0006748525
Figure 0006748525
(式(7)中、nは、整数である。) The structure of the obtained polymer was identified by 1 H-NMR.
1 H-NMR (THF-d 8 ) δ 7.15-7.45 (m, 3.4H), 6.24 (s, 1.0H), 3.93 (s, 2.0H), 1. 86 (s, 5.9H)
From this result, it was found that a polymer composed of the constituent components represented by the following general formulas (6) and (7) was produced.

Figure 0006748525
Figure 0006748525
(In the formula (7), n is an integer.)

H−NMRの結果において、アシル化ポリフェニレンエーテルの主鎖芳香環由来のシグナル(δ 6.24ppm)を基準として、未反応のアシル化ポリフェニレンエーテルユニットの側鎖フェニル基に由来するシグナル(δ 7.15−7.45ppm)の面積のスルホン化前後での減少分を、スルホン化されたアシル化ポリフェニレンエーテルユニット分として計算することによって、スルホン化率(%)を求めた。
また、スルホン基脱離開始温度、及びイオン交換量についても、実施例1と同様に求めた。
得られたポリマーの評価結果を表1に示す。
In the 1 H-NMR result, a signal derived from the side chain phenyl group of the unreacted acylated polyphenylene ether unit (δ 7 based on the signal derived from the main chain aromatic ring of the acylated polyphenylene ether (δ 6.24 ppm)). The sulfonation rate (%) was calculated by calculating the decrease in the area of 0.15 to 7.45 ppm) before and after the sulfonation as the sulfonated acylated polyphenylene ether unit.
Also, the sulfone group desorption start temperature and the amount of ion exchange were determined in the same manner as in Example 1.
The evaluation results of the obtained polymer are shown in Table 1.

<実施例8>
塩化ベンゾイルの代わりに、ベンゼンスルホニルクロリドを使用したこと以外は、実施例1と同様にして、スルホン基含有ポリフェニレンエーテルを調整した。
<Example 8>
A sulfone group-containing polyphenylene ether was prepared in the same manner as in Example 1 except that benzenesulfonyl chloride was used instead of benzoyl chloride.

得られたポリマーの構造同定は、H−NMRにより行った。
H−NMR(THF−d) δ 7.45−8.20(m,3.4H),6.26(s,1.0H),1.86(s,5.9H)
この結果から、下記一般式(8)および一般式(9)で示される構成成分からなるポリマーが生成されていることがわかった。

Figure 0006748525
Figure 0006748525
(式(9)中、nは、整数である。) The structure of the obtained polymer was identified by 1 H-NMR.
1 H-NMR (THF-d 8 ) δ 7.45-8.20 (m, 3.4H), 6.26 (s, 1.0H), 1.86 (s, 5.9H).
From this result, it was found that a polymer composed of the constituent components represented by the following general formulas (8) and (9) was produced.
Figure 0006748525
Figure 0006748525
(In the formula (9), n is an integer.)

H−NMRの結果において、スルホニル化ポリフェニレンエーテルの主鎖芳香環由来のシグナル(δ 6.26ppm)を基準として、未反応のスルホニル化ポリフェニレンエーテルユニットの側鎖フェニル基に由来するシグナル(δ 7.45−8.20ppm)の面積のスルホン化前後での減少分を、スルホン化されたアシル化ポリフェニレンエーテルユニット分として計算することによって、スルホン化率(%)を求めた。
また、スルホン基脱離開始温度、及びイオン交換量についても、実施例1と同様に求めた。
得られたポリマーの評価結果を表1に示す。
In the 1 H-NMR result, a signal derived from the side chain phenyl group of the unreacted sulfonylated polyphenylene ether unit (δ 7 based on the signal derived from the main chain aromatic ring of the sulfonylated polyphenylene ether (δ 6.26 ppm)). The sulfonation rate (%) was calculated by calculating the decrease in the area of (.45-8.20 ppm) before and after the sulfonation as the sulfonated acylated polyphenylene ether unit.
Also, the sulfone group desorption start temperature and the amount of ion exchange were determined in the same manner as in Example 1.
The evaluation results of the obtained polymer are shown in Table 1.

<比較例1>
ポリ(2,6−ジメチル−1,4−フェニレンエーテル)のスルホン化を、非特許文献2(特に、p.4023)を参考に行った。
アルゴン置換した500mLの三つ口フラスコに、クロロホルム450gを入れ、メカニカルスターラーで撹拌した。クロロスルホン酸9.0gを、室温で30分かけて滴下した後、ポリ(2,6−ジメチル−1,4−フェニレンエーテル)30gを添加し、室温で30分撹拌した。クロロスルホン酸14gを滴下ロートにとり、20分かけて滴下した後、室温で30分撹拌した。析出した固体から上澄み液を取り除いた。残渣の固体にクロロホルムを加えて洗浄し、上澄み液を取り除いた。得られた残渣を減圧濾過で回収し、イオン交換水(5L)中で洗浄した。この洗浄操作での洗浄分離水のpHが5以上になるまで同様の洗浄操作を5回繰り返した。洗浄後の固体を室温で24時間減圧乾燥した。
<Comparative Example 1>
Sulfonation of poly(2,6-dimethyl-1,4-phenylene ether) was carried out with reference to Non-Patent Document 2 (particularly p.4023).
Chloroform (450 g) was placed in a 500 mL three-necked flask whose atmosphere was replaced with argon, and the mixture was stirred with a mechanical stirrer. Chlorosulfonic acid (9.0 g) was added dropwise at room temperature over 30 minutes, 30 g of poly(2,6-dimethyl-1,4-phenylene ether) was added, and the mixture was stirred at room temperature for 30 minutes. 14 g of chlorosulfonic acid was placed in a dropping funnel, added dropwise over 20 minutes, and then stirred at room temperature for 30 minutes. The supernatant was removed from the precipitated solid. Chloroform was added to the residual solid to wash it, and the supernatant was removed. The obtained residue was collected by vacuum filtration and washed in ion-exchanged water (5 L). The same washing operation was repeated 5 times until the pH of the separated water for washing in this washing operation became 5 or more. The washed solid was dried under reduced pressure at room temperature for 24 hours.

得られたポリマーの構造同定は、H−NMRにより行った。
H−NMR(DMSO−d:CDCl=1:2(v/v)) δ 6.45(s,2.0H),6.16(0.21H),2.51(s,0.88H),2.06(s,6.0H),1.99(s,0.88H)
この結果から、下記一般式(10)および一般式(11)で示される構成成分からなるポリマーが生成されていることがわかった。

Figure 0006748525
Figure 0006748525
The structure of the obtained polymer was identified by 1 H-NMR.
1 H-NMR (DMSO-d 6 : CDCl 3 = 1:2 (v/v)) δ 6.45 (s, 2.0H), 6.16 (0.21H), 2.51 (s, 0). .88H), 2.06 (s, 6.0H), 1.99 (s, 0.88H)
From this result, it was found that a polymer composed of the constituent components represented by the following general formulas (10) and (11) was produced.
Figure 0006748525
Figure 0006748525

H−NMRの結果において、δ 6.2ppm付近のピークをスルホン化された2、6−ジメチルフェニレンオキシドユニットの3位又は5位のプロトン(P)、δ 6.5ppm付近のピークを未置換の2、6−ジメチルフェニレンオキシドユニットの3位及び5位のプロトン(Q)と同定し、そのピークの面積比(積分値の比)からスルホン化率=ピーク面積(P)/(ピーク(P)の面積+ピーク(Q)の面積/2)×100(%)を求めた。
比較例1のスルホン基含有ポリフェニレンエーテルのスルホン化率は17.4%であった。
In the result of 1 H-NMR, the peak around δ 6.2 ppm was replaced with the proton (P) at the 3- or 5-position of the sulfonated 2,6-dimethylphenylene oxide unit, and the peak around δ 6.5 ppm was not substituted. Identified as protons (Q) at the 3- and 5-positions of the 2,6-dimethylphenylene oxide unit of No. 2, and the sulfonation rate=peak area (P)/(peak (P ) Area + area of peak (Q)/2) x 100 (%).
The sulfonation rate of the sulfone group-containing polyphenylene ether of Comparative Example 1 was 17.4%.

実施例1の場合と同様に、比較例1のスルホン基含有ポリフェニレンエーテルのイオン交換量を測定したところ、1.2meq/gであった。 When the ion exchange amount of the sulfonic group-containing polyphenylene ether of Comparative Example 1 was measured in the same manner as in Example 1, it was 1.2 meq/g.

<比較例2>
比較例1と同様の方法で、スルホン基含有ポリフェニレンエーテル(スルホン化率17.4%)を得た後に、これを、窒素雰囲気下、オーブンにて170℃で、30分間、熱処理した。
熱処理後のポリマーの評価結果を表1に示す。
<Comparative example 2>
In the same manner as in Comparative Example 1, after obtaining a sulfone group-containing polyphenylene ether (sulfonation ratio: 17.4%), this was heat-treated in an oven at 170° C. for 30 minutes in a nitrogen atmosphere.
The evaluation results of the polymer after heat treatment are shown in Table 1.

<比較例3>
アルゴン置換した500mLの三つ口フラスコに、クロロホルム450gを入れ、メカニカルスターラーで撹拌した。クロロスルホン酸9.0gを、室温で30分かけて滴下した後、ポリ(2,6−ジメチル−1,4−フェニレンエーテル)30gを添加し、室温で30分撹拌した。クロロスルホン酸20gを滴下ロートにとり、20分かけて滴下した後、室温で120分撹拌した。析出した固体から上澄み液を取り除いた。残渣の固体にクロロホルムを加えて洗浄し、上澄み液を取り除いた。得られた残渣を減圧濾過で回収し、イオン交換水(5L)中で洗浄した。この洗浄操作での洗浄分離水のpHが5以上になるまで同様の洗浄操作を5回繰り返した。洗浄後の固体を室温で24時間減圧乾燥した。
<Comparative example 3>
Chloroform (450 g) was placed in a 500 mL three-necked flask whose atmosphere was replaced with argon, and the mixture was stirred with a mechanical stirrer. Chlorosulfonic acid (9.0 g) was added dropwise at room temperature over 30 minutes, 30 g of poly(2,6-dimethyl-1,4-phenylene ether) was added, and the mixture was stirred at room temperature for 30 minutes. 20 g of chlorosulfonic acid was placed in a dropping funnel, added dropwise over 20 minutes, and then stirred at room temperature for 120 minutes. The supernatant was removed from the precipitated solid. Chloroform was added to the residual solid to wash it, and the supernatant was removed. The obtained residue was collected by vacuum filtration and washed in ion-exchanged water (5 L). The same washing operation was repeated 5 times until the pH of the separated water for washing in this washing operation became 5 or more. The washed solid was dried under reduced pressure at room temperature for 24 hours.

比較例3のスルホン基含有ポリフェニレンエーテルのスルホン化率は38%であった。 The sulfonation rate of the sulfone group-containing polyphenylene ether of Comparative Example 3 was 38%.

実施例1の場合と同様に、比較例3のスルホン基含有ポリフェニレンエーテルのイオン交換量を測定したところ、2.4meq/gであった。 Similarly to the case of Example 1, the ion exchange amount of the sulfone group-containing polyphenylene ether of Comparative Example 3 was measured and found to be 2.4 meq/g.

特に、比較例3のスルホン基含有ポリフェニレンエーテルは熱水に対して溶解する様子が見られた。 In particular, the sulfone group-containing polyphenylene ether of Comparative Example 3 was found to dissolve in hot water.

Figure 0006748525
Figure 0006748525

表1に示したように、実施例1〜8において、安価な汎用エンプラであるポリフェニレンエーテルを母骨格に有するスルホン基含有ポリフェニレンエーテルのスルホン基脱離開始温度を、成膜条件に十分耐えられる程度に高めることができた。また、実施例1〜8において、スルホン化率を高めつつも、熱水への溶解性を低下させることができた。 As shown in Table 1, in Examples 1 to 8, the sulfone group desorption initiation temperature of the sulfone group-containing polyphenylene ether having polyphenylene ether, which is an inexpensive general-purpose engineering plastic in the mother skeleton, is sufficient to withstand film forming conditions. I was able to raise it. Further, in Examples 1 to 8, the solubility in hot water could be reduced while increasing the sulfonation rate.

本発明のスルホン基含有ポリフェニレンエーテルは、固体高分子電解質膜として、固体高分子型燃料電池、レドックスフロー電池等に好適に使用することができるプロトン伝導膜として、産業上の利用可能性を有する。
INDUSTRIAL APPLICABILITY The sulfone group-containing polyphenylene ether of the present invention has industrial applicability as a solid polymer electrolyte membrane and a proton conductive membrane that can be suitably used in solid polymer fuel cells, redox flow batteries and the like.

Claims (3)

一般式(1)および一般式(2)で示される構成成分を含むことを特徴とする、スルホン基含有ポリフェニレンエーテル。
Figure 0006748525
(式(1)中、R〜Rは、各々独立して、水素、ハロゲン、アルキル基、フッ素化アルキル基、アリル基、アリール基、シアノ基からなる群より選ばれる少なくとも一つであり;Xは、二価の電子求引基であり;Arは、スルホン基以外の基で置換されていてよいアリール基である。)
Figure 0006748525
(式(2)中、R〜Rは、各々独立して、水素、ハロゲン、アルキル基、フッ素化アルキル基、アリル基、アリール基、シアノ基からなる群より選ばれる少なくとも一つであり;Xは、二価の電子求引基であり;Arは、少なくとも一つのスルホン基で置換されているアリール基である。)
A sulfone group-containing polyphenylene ether comprising the constituent components represented by the general formulas (1) and (2).
Figure 0006748525
(In the formula (1), R 1 to R 3 are each independently at least one selected from the group consisting of hydrogen, halogen, an alkyl group, a fluorinated alkyl group, an allyl group, an aryl group, and a cyano group. X is a divalent electron-withdrawing group; Ar 1 is an aryl group which may be substituted with a group other than a sulfone group.)
Figure 0006748525
(In formula (2), R 4 to R 6 are each independently at least one selected from the group consisting of hydrogen, halogen, an alkyl group, a fluorinated alkyl group, an allyl group, an aryl group, and a cyano group. X is a divalent electron-withdrawing group; Ar 2 is an aryl group substituted with at least one sulfone group.)
前記一般式(1)および前記一般式(2)で示される構成成分に対する、前記一般式(1)で示される構成成分の割合が30〜95モル%であり、前記一般式(2)で示される構成成分の割合が5〜70モル%である、請求項1に記載のスルホン基含有ポリフェニレンエーテル。 The ratio of the constituent component represented by the general formula (1) to the constituent components represented by the general formula (1) and the general formula (2) is 30 to 95 mol %, and the proportion represented by the general formula (2) is represented. The sulfo group-containing polyphenylene ether according to claim 1, wherein the ratio of the constituent components is 5 to 70 mol %. 請求項1又は2に記載のスルホン基含有ポリフェニレンエーテルを含むことを特徴とする、プロトン伝導膜。
A proton conducting membrane comprising the sulfonic group-containing polyphenylene ether according to claim 1 or 2.
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