JP6885780B2 - Solid polymer electrolyte membrane - Google Patents

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Description

本発明は、固体高分子電解質膜に関する。 The present invention relates to a solid polymer electrolyte membrane.

燃料電池用の電解質材料として、固体高分子電解質膜が知られている。 A solid polymer electrolyte membrane is known as an electrolyte material for a fuel cell.

例えば特許文献1には、
アルカリ加水分解及び酸処理によりプロトン伝導性を発揮する高分子電解質前駆体を含有するポリマー分散液にパーフルオロスルホン酸の金属塩及び/又はパーフルオロカルボン酸の金属塩を溶解させる第1工程と、
第1工程で得られた分散液から高分子電解質前駆体膜を製膜する第2工程と、
第2工程で得られた高分子電解質前駆体膜をアルカリ加水分解及び酸処理し高分子電解質膜とする第3工程と、
第3工程で得られた高分子電解質膜を加熱・乾燥し高分子電解質膜中に金属酸化物を析出する第4工程と
を含む方法によって製造された、パーフルオロスルホン酸及び/又はパーフルオロカルボン酸系樹脂から成る固体高分子電解質膜が開示されている。
For example, in Patent Document 1,
The first step of dissolving a metal salt of perfluorosulfonic acid and / or a metal salt of perfluorocarboxylic acid in a polymer dispersion containing a polymer electrolyte precursor that exhibits proton conductivity by alkaline hydrolysis and acid treatment.
The second step of forming a polymer electrolyte precursor film from the dispersion obtained in the first step, and
The third step of alkaline hydrolysis and acid treatment of the polymer electrolyte precursor membrane obtained in the second step to obtain a polymer electrolyte membrane, and
Perfluorosulfonic acid and / or perfluorocarboxylic acid produced by a method including the fourth step of heating and drying the polymer electrolyte membrane obtained in the third step and precipitating a metal oxide in the polymer electrolyte membrane. A solid polymer electrolyte membrane made of an acid-based resin is disclosed.

特開2010−114020号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2010-114020

特許文献1の技術によって得られた固体高分子電解質膜がプロトン伝導性を発揮するためには、水の存在が不可欠である。そのため、この固体高分子電解質膜を備えた燃料電池は、稼働温度を水の沸点未満に制限する必要があった。 The presence of water is indispensable for the solid polymer electrolyte membrane obtained by the technique of Patent Document 1 to exhibit proton conductivity. Therefore, in the fuel cell provided with this solid polymer electrolyte membrane, it is necessary to limit the operating temperature to less than the boiling point of water.

本発明は上記の事情を改善しようとするものであり、その目的は、無水環境下でも高いプロトン伝導性を示す、固体高分子電解質膜を提供することである。 The present invention is intended to improve the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a solid polymer electrolyte membrane that exhibits high proton conductivity even in an anhydrous environment.

上記の目的を達成する本発明は、以下のとおりである。 The present invention that achieves the above object is as follows.

[1]架橋ポリマー及び可塑剤を含み、
前記架橋ポリマー及び可塑剤のうちの少なくとも一方はプロトン放出性基を有する、
固体高分子電解質膜。
[2]前記プロトン放出性基が、スルホン酸基、スルホニルアミド基、スルホニルイミド基、及びリン酸基から選択される、[1]に記載の固体高分子電解質膜。
[3]前記架橋ポリマーが、前記プロトン放出性基以外の極性基を有する、[1]又は[2]に記載の固体高分子電解質膜。
[4]前記架橋ポリマーが、架橋構造を有するビニル系ポリマーである、[1]〜[3]のいずれか一項に記載の固体高分子電解質膜。
[5]前記架橋ポリマーがプロトン放出性基を有する、[1]〜[4]のいずれか一項に記載の固体高分子電解質膜。
[6]前記架橋ポリマーが、プロトン放出性基と、前記プロトン放出性基以外の極性基と、架橋構造とを有するビニル系ポリマーである、[1]〜[5]のいずれか一項に記載の固体高分子電解質膜。
[7]前記架橋ポリマーが、
前記プロトン放出性基以外の極性基を有するビニル系モノマーである第1モノマーと、
プロトン放出性基を有するビニル系モノマーである第2モノマーと、
架橋性ビニル系モノマーである第3モノマーと
の共重合体である、[6]に記載の固体高分子電解質膜。
[8]前記第1モノマーが、(メタ)アクリル酸エステル、プロトン放出性基以外の極性基によって置換されたスチレン、並びに、プロトン放出性基以外の極性基及びフッ素原子の双方を有するビニル系モノマーから選ばれる1種以上である、[7]に記載の固体高分子電解質膜。
[9]前記第2モノマーが、アリルスルホン酸、ポリ(4−スチレンスルホン酸)、及び下記式(2)で表される化合物から選ばれる1種以上である、[7]又は[8]に記載の固体高分子電解質膜。

Figure 0006885780
(式(2)中、Rは水素原子又はメチル基であり、RIIは炭素数1〜6のアルキレン基である。)
[10]前記可塑剤が、プロトン放出性基を有する可塑剤を含む、[1]〜[9]のいずれか一項に記載の固体高分子電解質膜。
[11]前記プロトン放出性基を有する可塑剤が、芳香族スルホン酸化合物、スルホン酸基含有ポリマー、及びフッ素原子含有スルホニルイミド化合物から選択される化合物を含む、[10]に記載の固体高分子電解質膜。
[12]前記可塑剤が、プロトン放出性基を有さない可塑剤を更に含む、[10]又は[11]に記載の固体高分子電解質膜。
[13]前記架橋ポリマー100質量部に対する前記可塑剤の使用割合が、10質量部以上1,000質量部以下である、[1]〜[12]のいずれか一項に記載の固体高分子電解質膜。
[14]前記固体高分子電解質膜のガラス転移点が0℃以下である、[1]〜[13]のいずれか一項に記載の固体高分子電解質膜。
[15]−40℃以上200℃未満の温度範囲において、前記固体高分子電解質膜が膜形状を維持し、且つ前記可塑剤がブリードアウトしない、[1]〜[14]のいずれか一項に記載の固体高分子電解質膜。
[16]前記固体高分子電解質膜のプロトン伝導率が、50℃において1×10−4S/cm以上である、[1]〜[15]のいずれか一項に記載の固体高分子電解質膜。
[17]プロトン伝導膜である、[1]〜[16]のいずれか一項に記載の固体高分子電解質膜。
[18][1]〜[17]のいずれか一項に記載の固体高分子電解質膜から成る、燃料電池用固体高分子電解質膜。 [1] Contains a crosslinked polymer and a plasticizer
At least one of the crosslinked polymer and plasticizer has a proton-releasing group.
Solid polymer electrolyte membrane.
[2] The solid polymer electrolyte membrane according to [1], wherein the proton-releasing group is selected from a sulfonic acid group, a sulfonylamide group, a sulfonylimide group, and a phosphoric acid group.
[3] The solid polymer electrolyte membrane according to [1] or [2], wherein the crosslinked polymer has a polar group other than the proton-releasing group.
[4] The solid polymer electrolyte membrane according to any one of [1] to [3], wherein the crosslinked polymer is a vinyl-based polymer having a crosslinked structure.
[5] The solid polymer electrolyte membrane according to any one of [1] to [4], wherein the crosslinked polymer has a proton-releasing group.
[6] The item according to any one of [1] to [5], wherein the crosslinked polymer is a vinyl polymer having a proton-releasing group, a polar group other than the proton-releasing group, and a crosslinked structure. Solid polymer electrolyte membrane.
[7] The crosslinked polymer is
The first monomer, which is a vinyl-based monomer having a polar group other than the proton-releasing group,
A second monomer, which is a vinyl-based monomer having a proton-releasing group,
The solid polymer electrolyte membrane according to [6], which is a copolymer with a third monomer which is a crosslinkable vinyl-based monomer.
[8] A vinyl-based monomer in which the first monomer has both a (meth) acrylic acid ester, styrene substituted with a polar group other than the proton-releasing group, and a polar group other than the proton-releasing group and a fluorine atom. The solid polymer electrolyte membrane according to [7], which is one or more selected from the above.
[9] In [7] or [8], the second monomer is one or more selected from allyl sulfonic acid, poly (4-styrene sulfonic acid), and a compound represented by the following formula (2). The solid polymeric electrolyte membrane of the description.
Figure 0006885780
(In the formula (2), R 4 is a hydrogen atom or a methyl group, and R II is an alkylene group having 1 to 6 carbon atoms.)
[10] The solid polymer electrolyte membrane according to any one of [1] to [9], wherein the plasticizer contains a plasticizer having a proton-releasing group.
[11] The solid polymer according to [10], wherein the plasticizer having a proton-releasing group contains a compound selected from an aromatic sulfonic acid compound, a sulfonic acid group-containing polymer, and a fluorine atom-containing sulfonylimide compound. Electrolyte membrane.
[12] The solid polymer electrolyte membrane according to [10] or [11], wherein the plasticizer further contains a plasticizer having no proton-releasing group.
[13] The solid polymer electrolyte according to any one of [1] to [12], wherein the ratio of the plasticizer used to 100 parts by mass of the crosslinked polymer is 10 parts by mass or more and 1,000 parts by mass or less. film.
[14] The solid polymer electrolyte membrane according to any one of [1] to [13], wherein the glass transition point of the solid polymer electrolyte membrane is 0 ° C. or lower.
[15] In any one of [1] to [14], the solid polymer electrolyte membrane maintains the film shape and the plasticizer does not bleed out in the temperature range of −40 ° C. or higher and lower than 200 ° C. The solid polymer electrolyte membrane of the description.
[16] The solid polymer electrolyte membrane according to any one of [1] to [15], wherein the proton conductivity of the solid polymer electrolyte membrane is 1 × 10 -4 S / cm or more at 50 ° C. ..
[17] The solid polymer electrolyte membrane according to any one of [1] to [16], which is a proton conductive membrane.
[18] A solid polymer electrolyte membrane for a fuel cell, comprising the solid polymer electrolyte membrane according to any one of [1] to [17].

本発明の固体高分子電解質膜は、高いプロトン伝導性と十分な膜強度とが両立されたものである。従って本発明の固体高分子電解質膜は、特に、燃料電池におけるプロトン伝導膜としての使用に好適である。 The solid polymer electrolyte membrane of the present invention has both high proton conductivity and sufficient membrane strength. Therefore, the solid polymer electrolyte membrane of the present invention is particularly suitable for use as a proton conduction membrane in a fuel cell.

図1は、実施例1で得られた固体高分子電解質膜の構造の模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram of the structure of the solid polymer electrolyte membrane obtained in Example 1. 図2は、実施例2で得られた固体高分子電解質膜の構造の模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram of the structure of the solid polymer electrolyte membrane obtained in Example 2. 図3は、実施例3で得られた固体高分子電解質膜の構造の模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram of the structure of the solid polymer electrolyte membrane obtained in Example 3. 図4は、実施例1で得られた試料のDSC曲線である。図4(a)は架橋PEEA−co−PAMPSのDSC曲線であり、図4(b)は固体高分子電解質膜のDSC曲線である。FIG. 4 is a DSC curve of the sample obtained in Example 1. FIG. 4A is a DSC curve of the crosslinked PEEA-co-PAMPS, and FIG. 4B is a DSC curve of the solid polymer electrolyte membrane. 図5は、比較例3で得られた固体高分子電解質膜のDSC曲線である。FIG. 5 is a DSC curve of the solid polymer electrolyte membrane obtained in Comparative Example 3.

本発明の固体高分子電解質膜は、
架橋ポリマー及び可塑剤を含み、
前記架橋ポリマー及び可塑剤のうちの少なくとも一方はプロトン放出性基を有する。
The solid polymer electrolyte membrane of the present invention
Contains crosslinked polymers and plasticizers
At least one of the crosslinked polymer and the plasticizer has a proton-releasing group.

本発明の固体高分子電解質膜の無水条件下におけるプロトン伝導性が高いことは、膜中にプロトン放出性基が存在するとともに、可塑剤によって架橋ポリマーが十分に高い分子運動性を示すことに由来すると考えられる。即ち、本発明の好ましい態様では、固体高分子電解質膜について測定されるガラス転移点は、当該固体高分子電解質膜の稼働温度よりも低く、架橋ポリマーは固体高分子電解質膜の稼働時にはいわゆる「ゴム状態」又は「擬流動状態」というべき状態であり、好ましくは液体状の可塑剤とともに、高い分子運動性を示す。従って、架橋ポリマー又は可塑剤のプロトン放出性基から放出されたプロトンは、プロトンの伝導に寄与する架橋ポリマーと可塑剤との混合物(以下、「プロトン伝導混合相」ともいう。)が高い分子運動性を示すことによって、無水条件下でも容易に移動することができる。そのため、本発明の固体高分子電解質膜は、無水下においても高いプロトン伝導性を示す。 The high proton conductivity of the solid polymer electrolyte membrane of the present invention under anhydrous conditions is derived from the presence of proton-releasing groups in the membrane and the fact that the crosslinked polymer exhibits sufficiently high molecular mobility due to the plasticizer. It is thought that. That is, in a preferred embodiment of the present invention, the glass transition point measured for the solid polymer electrolyte membrane is lower than the operating temperature of the solid polymer electrolyte membrane, and the crosslinked polymer is a so-called "rubber" during operation of the solid polymer electrolyte membrane. It is a state that should be called "state" or "pseudo-fluid state", and preferably exhibits high molecular motility together with a liquid plastic agent. Therefore, the protons released from the proton-releasing group of the crosslinked polymer or the plasticizer have a high molecular motion of a mixture of the crosslinked polymer and the plasticizer (hereinafter, also referred to as “proton conduction mixed phase”) that contributes to the conduction of protons. By exhibiting the properties, it can be easily moved even under anhydrous conditions. Therefore, the solid polymer electrolyte membrane of the present invention exhibits high proton conductivity even under anhydrous conditions.

一方で、膜中のプロトン伝導混合相が十分に高い分子運動性を示すにもかかわらず、本発明の固体高分子電解質膜が膜形状を維持するのは、ポリマーの架橋構造が寄与しているためであると考えられる。架橋ポリマーは自身の持つ架橋構造によって、高い分子運動性を示す状態でも形状が維持される。 On the other hand, although the proton conduction mixed phase in the membrane exhibits sufficiently high molecular motility, the crosslinked structure of the polymer contributes to the maintenance of the membrane shape of the solid polymer electrolyte membrane of the present invention. It is thought that this is because. Due to its own crosslinked structure, the crosslinked polymer maintains its shape even when it exhibits high molecular mobility.

固体高分子電解質膜が膜形状を維持するとは、固体高分子電解質膜を電池の使用温度範囲(例えば、−40℃以上200℃未満、典型的には0℃以上150℃以下)において、無荷重状態で1時間静置したときに、実質的に変形及び収縮をしないことをいう。ここで、固体高分子電解質膜の面方向及び厚さ方向の長さ変化率が、例えば5%以下、3%以下、又は1%以下のとき、その条件下で膜形状を維持すると判断してよい。 When the solid polymer electrolyte membrane maintains the membrane shape, the solid polymer electrolyte membrane is not loaded in the operating temperature range of the battery (for example, -40 ° C or higher and lower than 200 ° C, typically 0 ° C or higher and 150 ° C or lower). It means that when it is left to stand for 1 hour in a state, it does not substantially deform or contract. Here, when the length change rate in the surface direction and the thickness direction of the solid polymer electrolyte membrane is, for example, 5% or less, 3% or less, or 1% or less, it is determined that the film shape is maintained under that condition. Good.

可塑剤がブリードアウトしないとは、固体高分子電解質膜を、電池の使用温度範囲において無荷重状態で1時間静置したときに、可塑剤が膜の外部に漏出しないことをいう。 The fact that the plasticizer does not bleed out means that the plasticizer does not leak to the outside of the membrane when the solid polymer electrolyte membrane is allowed to stand for 1 hour under no load in the operating temperature range of the battery.

本明細書におけるガラス転移点Tgは、10℃/分の昇温速度で測定して得られたDSC曲線に基づいて、JIS K 7121に準拠して得られた値である。 The glass transition point Tg in the present specification is a value obtained in accordance with JIS K 7121 based on the DSC curve obtained by measuring at a heating rate of 10 ° C./min.

以下、本発明の固体高分子電解質膜について、好ましい実施形態(以下、「本実施形態」という。)を例として説明する。 Hereinafter, the solid polymer electrolyte membrane of the present invention will be described with reference to a preferred embodiment (hereinafter, referred to as “the present embodiment”) as an example.

本明細書において、「(メタ)アクリル酸」とは、アクリル酸及びメタクリル酸の双方を包含する概念である。「(メタ)アクリレート」、「(メタ)アクリルアミド」等についてもこれに準じて理解されるべきである。「(ポリ)オキシアルキレン」とは、オキシアルキレン単位が1個であるか、又は2個以上のオキシアルキレン単位が連鎖していることを示す。 As used herein, the term "(meth) acrylic acid" is a concept that includes both acrylic acid and methacrylic acid. “(Meta) acrylate”, “(meth) acrylamide” and the like should be understood accordingly. "(Poly) oxyalkylene" means one oxyalkylene unit or a chain of two or more oxyalkylene units.

本明細書における「アルキレン基」とは、メチレン基、アルキルメチレン基、及びジアルキルメチレン基を包含する概念である。 As used herein, the term "alkylene group" is a concept that includes a methylene group, an alkylmethylene group, and a dialkylmethylene group.

<架橋ポリマー>
本実施形態における架橋ポリマーは、架橋構造を有するために、ガラス転移点よりも高い温度においても膜形状を維持することができる。
<Crosslinked polymer>
Since the crosslinked polymer in the present embodiment has a crosslinked structure, the film shape can be maintained even at a temperature higher than the glass transition point.

架橋ポリマーは、後述の可塑剤との混和性が良好なものであってもよい。架橋ポリマーと可塑剤との混和性が良好であることにより、両者の混合物である固体高分子電解質膜のガラス転移点Tgを十分に低くすることが可能となる。この場合、膜中のプロトン伝導混合相の分子運動性を十分に高くすることができるから、高いプロトン伝導性を示すこととなる。 The crosslinked polymer may have good miscibility with a plasticizer described later. Good miscibility between the crosslinked polymer and the plasticizer makes it possible to sufficiently lower the glass transition point Tg of the solid polymer electrolyte membrane, which is a mixture of the two. In this case, since the molecular motility of the proton conduction mixed phase in the membrane can be sufficiently increased, high proton conductivity is exhibited.

可塑剤との混和性を良好なものとするため、架橋ポリマーは、極性基を有するものであってもよい。この極性基は、プロトン放出性基以外の極性基であってよく、例えば、−NH、−OH、−COOH等の1級の基;−O−、−NH−、>C=O等の2級又は3級の基等であってもよい。 The crosslinked polymer may have a polar group in order to improve miscibility with the plasticizer. This polar group may be a polar group other than the proton-releasing group, for example, a primary group such as -NH 2 , -OH, -COOH; -O-, -NH-,> C = O, etc. It may be a second-class or third-class group.

本実施形態における架橋ポリマーは、後述の可塑剤と混合されることによって「擬流動状態」になって分子運動性が高くなるから、ポリマー単独のガラス転移点Tgは、比較的高くてもよい。しかしながら、ガラス転移点が過度に高いと、可塑剤と混合された後にも分子運動性が十分に向上しない懸念がある。この観点から、架橋ポリマーのガラス転移点は、400℃以下、350℃以下、300℃以下、又は250℃以下であった方がよい。架橋ポリマーは、ガラス転移点を2つ以上有していてもよい。架橋ポリマーが2つ以上のガラス転移点を有する場合、最も低いガラス転移点は、固体高分子電解質膜の稼働温度(例えば−40℃以上200℃以下の範囲)以下であることが好ましく、例えば、−40℃以下、−50℃以下、又は−60℃以下であってもよい。架橋ポリマーがこのような低いガラス転移点を有することにより、得られる固体高分子電解質膜の稼働時に、架橋ポリマーが可塑剤とともに高い分子運動性を維持することができ、従って、高いプロトン伝導性を得ることができる。 Since the crosslinked polymer in the present embodiment is mixed with a plasticizer described later to be in a “pseudo-fluid state” and has high molecular motility, the glass transition point Tg of the polymer alone may be relatively high. However, if the glass transition point is excessively high, there is a concern that the molecular mobility will not be sufficiently improved even after being mixed with the plasticizer. From this viewpoint, the glass transition point of the crosslinked polymer is preferably 400 ° C. or lower, 350 ° C. or lower, 300 ° C. or lower, or 250 ° C. or lower. The crosslinked polymer may have two or more glass transition points. When the crosslinked polymer has two or more glass transition points, the lowest glass transition point is preferably equal to or lower than the operating temperature of the solid polymer electrolyte membrane (for example, in the range of −40 ° C. or higher and 200 ° C. or lower), for example. It may be −40 ° C. or lower, −50 ° C. or lower, or −60 ° C. or lower. The low glass transition point of the crosslinked polymer allows the crosslinked polymer to maintain high molecular mobility with the plasticizer during operation of the resulting polymer electrolyte membrane, thus providing high proton conductivity. Obtainable.

架橋ポリマーの主鎖の構造は任意であってよい。例えば、架橋構造を有するビニル系ポリマー、架橋構造を有するエステル系ポリマー、架橋構造を有するアミド系ポリマー、架橋構造を有するシリコーン系ポリマー等であってもよい。各ポリマーの製造方法及び架橋構造の形成方法は公知である。架橋ポリマーは上記のうち、モノマーの入手性に優れ、分子修飾が容易なことから、架橋構造を有するビニル系ポリマーが好ましい。架橋ポリマーの水素原子のうちの一部又は全部は、フッ素原子に置換されていてもよい。特に、主鎖の水素原子のうちの一部又は全部がフッ素原子に置換されている架橋ポリマーは、耐久性の面から好ましく使用することができる。 The structure of the main chain of the crosslinked polymer may be arbitrary. For example, a vinyl-based polymer having a crosslinked structure, an ester-based polymer having a crosslinked structure, an amide-based polymer having a crosslinked structure, a silicone-based polymer having a crosslinked structure, or the like may be used. The method for producing each polymer and the method for forming a crosslinked structure are known. Of the above, the crosslinked polymer is preferably a vinyl polymer having a crosslinked structure because the monomer is easily available and molecular modification is easy. Some or all of the hydrogen atoms of the crosslinked polymer may be substituted with fluorine atoms. In particular, a crosslinked polymer in which some or all of the hydrogen atoms in the main chain are replaced with fluorine atoms can be preferably used from the viewpoint of durability.

後述の可塑剤がプロトン放出性基を有さない場合、本実施形態における架橋ポリマーはプロトン放出性基を有する。後述の可塑剤がプロトン放出性基を有する場合、本実施形態における架橋ポリマーは、プロトン放出性基を有していなくてもよいが、プロトン放出性基を有していてもよい。 When the plasticizer described below does not have a proton-releasing group, the crosslinked polymer in this embodiment has a proton-releasing group. When the plasticizer described below has a proton-releasing group, the crosslinked polymer in the present embodiment does not have to have a proton-releasing group, but may have a proton-releasing group.

プロトン放出性基を有する架橋ポリマーは、プロトン放出性基と、プロトン放出性基以外の極性基と、架橋構造とを有するビニル系ポリマーであってもよい。プロトン放出性基と架橋構造とを有するビニル系ポリマーは、例えば、
プロトン放出性基以外の極性基を有するビニル系モノマーである第1モノマー、プロトン放出性基を有するビニル系モノマーである第2モノマー、及び架橋性ビニル系モノマーである第3モノマーの共重合体であってよく;
第2モノマー及び第3モノマーの共重合体であってよく;又は、
第1モノマー及び第3モノマー、並びに任意的に第2モノマーの共重合体の、スルホン酸変性物、スルホン酸アミド変性物、若しくはリン酸変性物であってもよい。
The crosslinked polymer having a proton-releasing group may be a vinyl-based polymer having a proton-releasing group, a polar group other than the proton-releasing group, and a crosslinked structure. Vinyl-based polymers having a proton-releasing group and a crosslinked structure are, for example,
A copolymer of a first monomer, which is a vinyl-based monomer having a polar group other than a proton-releasing group, a second monomer, which is a vinyl-based monomer having a proton-releasing group, and a third monomer, which is a crosslinkable vinyl-based monomer. Well there;
It may be a copolymer of a second monomer and a third monomer; or
It may be a sulfonic acid-modified product, a sulfonic acid amide-modified product, or a phosphoric acid-modified product of the first monomer and the third monomer, and optionally the copolymer of the second monomer.

第1〜第3モノマーは、それぞれ単独で使用してもよく、2種以上の混合物として使用してもよい。 The first to third monomers may be used alone or as a mixture of two or more kinds.

プロトン放出性基を有さない架橋ポリマーは、プロトン放出性基を有さず、プロトン放出性基以外の極性基と架橋構造とを有するビニル系ポリマーであってもよい。プロトン放出性基を有さず、プロトン放出性基以外の極性基と架橋構造とを有するビニル系ポリマーは、例えば、第1モノマー及び第3モノマーの共重合体であってもよい。 The crosslinked polymer having no proton-releasing group may be a vinyl-based polymer having no proton-releasing group and having a polar group other than the proton-releasing group and a crosslinked structure. The vinyl-based polymer which does not have a proton-releasing group and has a polar group other than the proton-releasing group and a crosslinked structure may be, for example, a copolymer of a first monomer and a third monomer.

本発明における架橋ポリマーは、第3モノマーを用いずに非架橋のビニル系ポリマーを製造した後、適当な架橋剤によって架橋構造を後から形成したものであってもよい。 The crosslinked polymer in the present invention may be one obtained by producing a non-crosslinked vinyl polymer without using a third monomer and then forming a crosslinked structure later with an appropriate crosslinking agent.

[第1モノマー]
第1モノマーは、プロトン放出性基以外の極性基を有するビニル系モノマーである。第1モノマーは、架橋ポリマーに後述の可塑剤との高い混和性を付与する目的で架橋ポリマーの重合に使用されてよい。第1ポリマーは、可塑剤との間に非共有結合を形成し得る、プロトン放出性基以外の極性基、例えば、−NH、−OH、−COOH等の1級の基;−O−、−NH−、>C=O等の2級又は3級の基等を有するビニル系モノマーであってもよい。
[First monomer]
The first monomer is a vinyl-based monomer having a polar group other than the proton-releasing group. The first monomer may be used in the polymerization of the crosslinked polymer for the purpose of imparting high miscibility to the crosslinked polymer with a plasticizer described later. The first polymer is a polar group other than the proton-releasing group capable of forming a non-covalent bond with the plastic agent, for example, a primary group such as -NH 2 , -OH, -COOH; -O-, It may be a vinyl-based monomer having a secondary or tertiary group such as −NH−,> C = O.

第1モノマーは、例えば、(メタ)アクリル酸エステル、プロトン放出性基以外の極性基によって置換されたスチレン、プロトン放出性基以外の極性基及びフッ素原子の双方を有するモノマー等から選択されるモノマーであってもよい。 The first monomer is a monomer selected from, for example, (meth) acrylic acid ester, styrene substituted with a polar group other than the proton-releasing group, a monomer having both a polar group other than the proton-releasing group and a fluorine atom, and the like. It may be.

第1モノマーとしての(メタ)アクリル酸エステルは、例えば、下記式(1)で表される構造を有する化合物であってもよい。

Figure 0006885780
(式(1)中、Rは水素原子又はメチル基であり、Rは炭素数1〜6のアルキル基、又は途中が2価の極性基で中断された炭素数2〜12のアルキル基である。) The (meth) acrylic acid ester as the first monomer may be, for example, a compound having a structure represented by the following formula (1).
Figure 0006885780
(In the formula (1), R 1 is a hydrogen atom or a methyl group, R I is an alkyl group having 2 to 12 carbon atoms which is interrupted by an alkyl group, or in the middle is a divalent polar group of 1 to 6 carbon atoms Is.)

ただし、第1モノマーとしての(メタ)アクリル酸エステルは、後述の第2モノマー又は第3モノマーに該当する化合物は含まない。 However, the (meth) acrylic acid ester as the first monomer does not contain a compound corresponding to the second monomer or the third monomer described later.

のアルキル基の炭素数は、4以下又は3以下であってもよい。Rのアルキル基は、具体的には、例えば、メチル基、エチル基、n−プロピル基、i−プロピル基等であってもよい。 The carbon number of the alkyl group of R I can be four or less or 3 or less. Alkyl groups R I, specifically, for example, a methyl group, an ethyl group, n- propyl group, may be i- propyl group.

の途中が2価の極性基で中断されたアルキル基の炭素数は、4以上又は6以上であってよく、10以下、8以下、又は6以下であってもよい。途中が2価の極性基で中断されたアルキル基における2価の極性基は、たとえば、−O−、−S−、−NH−、−COO−、−CONH−等であってもよい。2価の極性基が炭素原子を含む場合、途中が2価の極性基で中断されたアルキル基の炭素数は、極性基の炭素原子を含まずにカウントされる。 The number of carbon atoms in the alkyl group middle of R I is interrupted by divalent polar group may be four or more, or 6 or more, 10 or less, 8 or less, or may be 6 or less. The divalent polar group in the alkyl group interrupted by the divalent polar group in the middle may be, for example, -O-, -S-, -NH-, -COO-, -CONH- or the like. When the divalent polar group contains a carbon atom, the number of carbon atoms of the alkyl group interrupted by the divalent polar group in the middle is counted without including the carbon atom of the polar group.

途中が2価の極性基で中断された炭素数2〜12のアルキル基は、例えば、下記式のそれぞれで示される基等であってもよい。

Figure 0006885780
(上式中、複数のRはそれぞれ独立に水素原子又は炭素数1〜4のアルキル基であり、複数のRはそれぞれ独立に水素原子又は炭素数1〜4のアルキル基であり、Rがすべて水素原子であることはなく、nはそれぞれ1〜4の整数である。) The alkyl group having 2 to 12 carbon atoms interrupted by a divalent polar group in the middle may be, for example, a group represented by each of the following formulas.
Figure 0006885780
(In the above formulas, a plurality of R 2 are each independently a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, a plurality of R 3 are each independently a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, R 3 is not all hydrogen atoms, and n is an integer of 1 to 4, respectively.)

途中が2価の極性基で中断された炭素数2〜12のアルキル基は、具体的には、例えば、2−(2−エトキシエトキシ)エチル基等であってもよい。 The alkyl group having 2 to 12 carbon atoms interrupted by a divalent polar group in the middle may be, for example, a 2- (2-ethoxyethoxy) ethyl group or the like.

第1モノマーである、(メタ)アクリル酸エステルは、具体的には例えば、アクリル酸−2−(2−エトキシエトキシ)エチル等であってもよい。 The (meth) acrylic acid ester, which is the first monomer, may be, for example, -2- (2-ethoxyethoxy) ethyl acrylate or the like.

プロトン放出性基以外の極性基によって置換されたスチレンは、例えば、ヒドロキシスチレン、アミノスチレン、ビニル安息香酸等であってもよい。 The styrene substituted with a polar group other than the proton-releasing group may be, for example, hydroxystyrene, aminostyrene, vinylbenzoic acid or the like.

プロトン放出性基以外の極性基及びフッ素原子の双方を有するモノマーは、例えば、4−ヒドロキシ−4−トリフルオロメチル−5−トリフルオロペンテン−1、2−トリフルオロメチルアクリル酸、トリフルオロ酢酸ビニル、(メタ)アクリル酸ペンタフルオロフェニル、(メタ)アクリル酸−2,2,3,3−テトラフルオロプロピル等であってもよい。 Monomers having both polar groups other than proton-releasing groups and fluorine atoms include, for example, 4-hydroxy-4-trifluoromethyl-5-trifluoropentene-1,2-trifluoromethylacrylic acid, and vinyl trifluoroacetate. , (Meta) acrylate pentafluorophenyl, (meth) acrylate-2,2,3,3-tetrafluoropropyl and the like.

[第2モノマー]
第2モノマーは、プロトン放出性基を有するビニル系モノマーである。プロトン放出性基は、上述したとおり、スルホン酸基、スルホニルアミド基、スルホニルイミド基、及びリン酸基から選択されてよく、スルホン酸基、スルホニルアミド基、又はリン酸基であることが好ましい。
[Second monomer]
The second monomer is a vinyl-based monomer having a proton-releasing group. As described above, the proton-releasing group may be selected from a sulfonic acid group, a sulfonylamide group, a sulfonylimide group, and a phosphoric acid group, and is preferably a sulfonic acid group, a sulfonylamide group, or a phosphoric acid group.

スルホン酸基を有する第2モノマーは、例えば、アリルスルホン酸、ポリ(4−スチレンスルホン酸)、下記式(2)で表される化合物等であってもよい。

Figure 0006885780
(式(2)中、Rは水素原子又はメチル基であり、RIIは炭素数1〜6のアルキレン基である。) The second monomer having a sulfonic acid group may be, for example, allyl sulfonic acid, poly (4-styrene sulfonic acid), a compound represented by the following formula (2), or the like.
Figure 0006885780
(In the formula (2), R 4 is a hydrogen atom or a methyl group, and R II is an alkylene group having 1 to 6 carbon atoms.)

上記式(2)におけるRIIは、例えば、メチレン基、1,2−エチレン基、2−メチル−1,2−プロピレン基等であってもよい。 The R II in the above formula (2) may be, for example, a methylene group, a 1,2-ethylene group, a 2-methyl-1,2-propylene group or the like.

上記式(2)で表される化合物は、具体的には、例えば、2−(メタ)アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸等であってもよい。 Specifically, the compound represented by the above formula (2) may be, for example, 2- (meth) acrylamide-2-methylpropanesulfonic acid.

スルホニルアミド基を有する第2モノマーは、例えば、下記式で表される4−ビニル−N−トリフルオロメチルスルホニルベンゼンスルホニルアミド等であってもよい。

Figure 0006885780
The second monomer having a sulfonylamide group may be, for example, 4-vinyl-N-trifluoromethylsulfonylbenzenesulfonylamide represented by the following formula.
Figure 0006885780

リン酸基を有する第2モノマーは、例えば、ビニルホスホン酸等であってもよい。 The second monomer having a phosphoric acid group may be, for example, vinylphosphonic acid or the like.

[第3モノマー]
第3モノマーは、架橋性ビニル系モノマーである。第3モノマーは、架橋ポリマー中の架橋構造を形成するために使用される。
[Third monomer]
The third monomer is a crosslinkable vinyl-based monomer. The third monomer is used to form a crosslinked structure in the crosslinked polymer.

第3モノマーは、例えば、重合性二重結合を2個以上有する化合物であってもよい。 The third monomer may be, for example, a compound having two or more polymerizable double bonds.

重合性二重結合を2個有する第3モノマーは、例えば、ジビニルベンゼン、(ポリ)オキシアルキレングリコールジ(メタ)アクリレート、(ポリ)オキシアルキレン変性ビスフェノールAジ(メタ)アクリレート、下記式(3)で表される化合物等であってもよい:

Figure 0006885780
(式(3)中、Rは水素原子又はメチル基であり、RIIIは炭素数1〜6のアルキレン基である。) The third monomer having two polymerizable double bonds is, for example, divinylbenzene, (poly) oxyalkylene glycol di (meth) acrylate, (poly) oxyalkylene modified bisphenol A di (meth) acrylate, the following formula (3). It may be a compound represented by:
Figure 0006885780
(In formula (3), R 5 is a hydrogen atom or a methyl group, and R III is an alkylene group having 1 to 6 carbon atoms.)

上記式(3)で表される化合物は、具体的には、例えば、メチレンビスアクリルアミド、N,N’−エチレンビスアクリルアミド等であってもよい。 Specifically, the compound represented by the above formula (3) may be, for example, methylenebisacrylamide, N, N'-ethylenebisacrylamide, or the like.

重合性二重結合を3個以上有する第3モノマーは、例えば、ジペンタエリスリトールヘキサ(メタ)アクリレート等であってもよい。
[各モノマーの使用割合]
The third monomer having three or more polymerizable double bonds may be, for example, dipentaerythritol hexa (meth) acrylate or the like.
[Ratio of each monomer used]

各モノマーの使用割合は任意である。 The proportion of each monomer used is arbitrary.

第1モノマー及び第2モノマーのモル数の合計に対する第2モノマーのモル数の割合は、例えば、100モル%以下、80モル%以下、60モル%以下、40%以下、30モル%以下、20モル%以下、10モル%以下、又は5モル%以下であってもよい。 The ratio of the number of moles of the second monomer to the total number of moles of the first monomer and the second monomer is, for example, 100 mol% or less, 80 mol% or less, 60 mol% or less, 40% or less, 30 mol% or less, 20. It may be 1 mol% or less, 10 mol% or less, or 5 mol% or less.

可塑剤がプロトン放出性基を有する場合、及び架橋ポリマーの重合後にスルホン酸変性、スルホン酸アミド変性、又はリン酸変性が予定されている場合には、第2モノマーを使用する必要はないが、第2モノマーを使用してもよい。 If the plasticizer has a proton-releasing group, and if sulfonic acid modification, sulfonic acid amide modification, or phosphoric acid modification is planned after the polymerization of the crosslinked polymer, it is not necessary to use the second monomer, although it is not necessary to use the second monomer. A second monomer may be used.

可塑剤がプロトン放出性基を有する場合、及び架橋ポリマーの重合後にスルホン酸変性、スルホン酸アミド変性、又はリン酸変性が予定されている場合、第1モノマー及び第2モノマーのモル数の合計に対する第2モノマーのモル数の割合は、0モル%であってもよい。 If the plasticizer has a proton-releasing group, and if sulfonic acid modification, sulfonic acid amide modification, or phosphoric acid modification is planned after the polymerization of the crosslinked polymer, it is relative to the total number of moles of the first monomer and the second monomer. The ratio of the number of moles of the second monomer may be 0 mol%.

一方、可塑剤がプロトン放出性基を有さず、且つ架橋ポリマーの重合後にスルホン酸変性、スルホン酸アミド変性、又はリン酸変性が予定されていない場合には、得られる膜のプロトン伝導性を十分に高くするとの観点から、第1モノマー及び第2モノマーのモル数の合計に対する第2モノマーのモル数の割合は、例えば、5モル%以上、10モル%以上、15モル%以上、20モル%以上、25モル%以上、又は50モル%以上であってよく、100モル%であってもよい。 On the other hand, when the plasticizer does not have a proton-releasing group and sulfonic acid modification, sulfonic acid amide modification, or phosphoric acid modification is not planned after the polymerization of the crosslinked polymer, the proton conductivity of the obtained film is determined. From the viewpoint of sufficiently high, the ratio of the number of moles of the second monomer to the total number of moles of the first monomer and the second monomer is, for example, 5 mol% or more, 10 mol% or more, 15 mol% or more, 20 mol. % Or more, 25 mol% or more, or 50 mol% or more, and may be 100 mol%.

第3モノマーの使用割合は、架橋ポリマーの架橋密度を十分に高くして、膜形状を維持できるようにするとの観点から、第1モノマー及び第2モノマーのモル数の合計を100モル%としたときの第3モノマーのモル数の割合として、例えば、0.5モル%以上、1.0モル%以上、1.5モル%以上、又は2.0モル%以上であってもよい。一方で、架橋ポリマーの架橋密度を適度に維持してポリマーの分子運動を確保し、このことによって得られる膜のプロトン伝導性を十分に高いものとする観点から、第1モノマー及び第2モノマーのモル数の合計を100モル%としたときの第3モノマーのモル数の割合は、例えば、10モル%以下、8.0モル%以下、5.0モル%以下、3.0モル%以下、又は2.0モル%以下であってもよい。 As for the ratio of the third monomer used, the total number of moles of the first monomer and the second monomer was set to 100 mol% from the viewpoint of sufficiently increasing the crosslink density of the crosslinked polymer so that the film shape could be maintained. As the ratio of the number of moles of the third monomer, for example, it may be 0.5 mol% or more, 1.0 mol% or more, 1.5 mol% or more, or 2.0 mol% or more. On the other hand, from the viewpoint of maintaining the cross-linking density of the cross-linked polymer appropriately to secure the molecular motion of the polymer and sufficiently increasing the proton conductivity of the film obtained by this, the first monomer and the second monomer The ratio of the number of moles of the third monomer when the total number of moles is 100 mol% is, for example, 10 mol% or less, 8.0 mol% or less, 5.0 mol% or less, 3.0 mol% or less, Alternatively, it may be 2.0 mol% or less.

[架橋ポリマーの重合]
第1〜第3モノマーの共重合体は、公知の重合方法、例えばラジカル重合法、カチオン重合法、アニオン重合法等によって得ることができ、ラジカル重合法によることが好ましい。
[Polymerization of crosslinked polymer]
The copolymer of the first to third monomers can be obtained by a known polymerization method, for example, a radical polymerization method, a cationic polymerization method, an anion polymerization method, or the like, and a radical polymerization method is preferable.

ラジカル重合は、所定のモノマー混合物をラジカル重合開始剤と接触させることによって行われてよい。ラジカル重合は、後述の可塑剤の存在下に行われてもよい。 The radical polymerization may be carried out by contacting a predetermined monomer mixture with a radical polymerization initiator. Radical polymerization may be carried out in the presence of a plasticizer described below.

ラジカル重合開始剤は、例えば、アゾ化合物、過酸化水素、有機過酸化物等から選択されてよい。アゾ化合物は、例えば、アゾビスイソブチロニトリル、1,1’−アゾビス(シクロヘキサン−1−カルボニトリル)、2,2’−アゾビス(4−メトキシ−2,4−ジメチルバレロニトリル)等から選択されてよい。有機過酸化物は、例えば、ベンゾイルパーオキシド、ジイソブチルパーオキシド等から選択されてよい。 The radical polymerization initiator may be selected from, for example, an azo compound, hydrogen peroxide, an organic peroxide and the like. The azo compound is selected from, for example, azobisisobutyronitrile, 1,1'-azobis (cyclohexane-1-carbonitrile), 2,2'-azobis (4-methoxy-2,4-dimethylvaleronitrile) and the like. May be done. The organic peroxide may be selected from, for example, benzoyl peroxide, diisobutyl peroxide and the like.

ラジカル重合開始剤の使用割合は、モノマーの合計100質量部に対して、例えば、0.001質量部以上、0.003質量部以上、0.005質量部以上、0.01質量部以上、又は0.05質量部以上であってよく、例えば、1質量部以下、0.5質量部以下、0.1質量部以下、又は0.05質量部以下であってもよい。 The ratio of the radical polymerization initiator used is, for example, 0.001 part by mass or more, 0.003 part by mass or more, 0.005 part by mass or more, 0.01 part by mass or more, or more than 100 parts by mass of the total amount of the monomer. It may be 0.05 parts by mass or more, and may be, for example, 1 part by mass or less, 0.5 parts by mass or less, 0.1 parts by mass or less, or 0.05 parts by mass or less.

ラジカル重合は、任意的に適当な溶媒中で行われてよい。溶媒は、水及び有機溶媒から選択して使用されてよい。ラジカル重合の溶媒として、2種以上の溶媒の混合溶媒を用いてもよい。 Radical polymerization may optionally be carried out in a suitable solvent. The solvent may be selected from water and organic solvents. As the solvent for radical polymerization, a mixed solvent of two or more kinds of solvents may be used.

有機溶媒は、極性の有機溶媒であってもよく、例えば、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン等のエーテル;アセトン等のケトン;N,N−ジメチルホルムアミド等のアミド化合物;アセトニトリル等のニトリル化合物等であってもよい。また、ラジカル重合の溶媒の一部又は全部として、後述の可塑剤を使用してよい。 The organic solvent may be a polar organic solvent, for example, an ether such as diethyl ether or tetrahydrofuran; a ketone such as acetone; an amide compound such as N, N-dimethylformamide; a nitrile compound such as acetonitrile. Good. Further, a plasticizer described later may be used as a part or all of the solvent for radical polymerization.

溶媒の使用割合は任意である。しかしながら、モノマーの合計100質量部に対して、例えば、10質量以上1,000質量部以下の範囲を、溶媒の使用割合として例示することができる。 The ratio of the solvent used is arbitrary. However, for example, a range of 10 parts by mass or more and 1,000 parts by mass or less can be exemplified as the ratio of the solvent used with respect to 100 parts by mass of the total amount of the monomers.

ラジカル重合は、例えば、50℃以上、60℃以上、70℃以上、又は80℃以上、例えば、200℃以下、150℃以下、120℃以下、又は100℃以下の温度において、例えば、30分以上、1時間以上、2時間以上、3時間以上、又は4時間以上、例えば、20時間以下、18時間以下、15時間以下、12時間以下、又は10時間以下の時間、行われてよい。 Radical polymerization is carried out, for example, at a temperature of 50 ° C. or higher, 60 ° C. or higher, 70 ° C. or higher, or 80 ° C. or higher, for example, 200 ° C. or lower, 150 ° C. or lower, 120 ° C. or lower, or 100 ° C. or lower, for example, 30 minutes or longer. It may be carried out for 1 hour or more, 2 hours or more, 3 hours or more, or 4 hours or more, for example, 20 hours or less, 18 hours or less, 15 hours or less, 12 hours or less, or 10 hours or less.

重合後、未反応モノマー、低分子オリゴマー、ラジカル開始剤残滓等を除去するため、得られた重合体の精製を、適宜の方法によって行ってよい。精製方法は、例えば、溶媒置換、再沈殿等の方法であってもよい。 After the polymerization, in order to remove unreacted monomers, low molecular weight oligomers, radical initiator residues and the like, the obtained polymer may be purified by an appropriate method. The purification method may be, for example, a method such as solvent substitution or reprecipitation.

[RAFT重合]
第1〜第3モノマーの重合は、RAFT重合(Reversible Addition-Fragmentation chain Transfer重合、可逆的付加開裂連鎖移動重合)によって行われてもよい。
[RAFT polymerization]
The polymerization of the first to third monomers may be carried out by RAFT polymerization (Reversible Addition-Fragmentation chain Transfer polymerization, reversible addition cleavage chain transfer polymerization).

RAFT重合は、上記に説明したラジカル重合系に、適当なRAFT剤を添加することにより、行われてよい。 RAFT polymerization may be carried out by adding an appropriate RAFT agent to the radical polymerization system described above.

RAFT剤は、チオカルボニルチオ化合物であってよく、例えば、ビス(チオカルボニル)ジスルフィド化合物、ジチオエステル化合物、トリチオカルボネート化合物、ジチオカルバマート化合物、キサンタート化合物等から選択して使用されてよい。 The RAFT agent may be a thiocarbonylthio compound, and may be selected from, for example, a bis (thiocarbonyl) disulfide compound, a dithioester compound, a trithiocarbonate compound, a dithiocarbamate compound, a xantate compound and the like.

ビス(チオカルボニル)ジスルフィド化合物は、例えば、テトラエチルチウラムジスルフィド、テトラメチルチウラムジスルフィド、ビス(n−オクチルメルカプト−チオカルボニル)ジスルフィド、ビス(n−ドデシルメルカプト−チオカルボニル)ジスルフィド、ビス(ベンジルメルカプト−チオカルボニル)ジスルフィド、ビス(n−ブチルメルカプト−チオカルボニル)ジスルフィド、ビス(t−ブチルメルカプト−チオカルボニル)ジスルフィド、ビス(n−ヘプチルメルカプト−チオカルボニル)ジスルフィド、ビス(n−ヘキシルメルカプト−チオカルボニル)ジスルフィド、ビス(n−ペンチルメルカプト−チオカルボニル)ジスルフィド、ビス(n−ノニルメルカプト−チオカルボニル)ジスルフィド、ビス(n−デシルメルカプト−チオカルボニル)ジスルフィド、ビス(t−ドデシルメルカプト−チオカルボニル)ジスルフィド、ビス(n−テトラデシルメルカプト−チオカルボニル)ジスルフィド、ビス(n−ヘキサデシルメルカプト−チオカルボニル)ジスルフィド、ビス(n−オクタデシルメルカプト−チオカルボニル)ジスルフィド等であってもよい。 Bis (thiocarbonyl) disulfide compounds include, for example, tetraethylthiuram disulfide, tetramethylthiuram disulfide, bis (n-octyl mercapto-thiocarbonyl) disulfide, bis (n-dodecyl mercapto-thiocarbonyl) disulfide, bis (benzyl mercapto-thio). Carbonyl) disulfide, bis (n-butyl mercapto-thiocarbonyl) disulfide, bis (t-butyl mercapto-thiocarbonyl) disulfide, bis (n-heptyl mercapto-thiocarbonyl) disulfide, bis (n-hexyl mercapto-thiocarbonyl) Disulfide, bis (n-pentyl mercapto-thiocarbonyl) disulfide, bis (n-nonyl mercapto-thiocarbonyl) disulfide, bis (n-decyl mercapto-thiocarbonyl) disulfide, bis (t-dodecyl mercapto-thiocarbonyl) disulfide, It may be bis (n-tetradecyl mercapto-thiocarbonyl) disulfide, bis (n-hexadecyl mercapto-thiocarbonyl) disulfide, bis (n-octadecyl mercapto-thiocarbonyl) disulfide and the like.

ジチオエステル化合物は、例えば、2−フェニル−2−プロピルベンゾチオエート、4−シアノ−4−(フェニルチオカルボニルチオ)ペンタン酸、2−シアノ−2−プロピルベンゾジチオエート等であってもよい。 The dithioester compound may be, for example, 2-phenyl-2-propylbenzothioate, 4-cyano-4- (phenylthiocarbonylthio) pentanoic acid, 2-cyano-2-propylbenzodithioate or the like.

トリチオカルボネート化合物は、例えば、S−(2−シアノ−2−プロピル)−S−ドデシルトリチオカーボネート、4−シアノ−4−[(ドデシルスルファニル−チオカルボニル)スルファニル]ペンタン酸、シアノメチルドデシルトリチオ−カルボナート、2−(ドデシルチオカルボノチオールチオ)−2−メチルプロピオン酸、S−1−ドデシル−S’−(α,α’−ジメチル−α”−酢酸)トリチオカーボネート等であってもよい。 Trithiocarbonate compounds include, for example, S- (2-cyano-2-propyl) -S-dodecyl trithiocarbonate, 4-cyano-4-[(dodecylsulfanyl-thiocarbonyl) sulfanyl] pentanoic acid, cyanomethyldodecyl. Trithio-carbonate, 2- (dodecylthiocarbonothiolthio) -2-methylpropionic acid, S-1-dodecyl-S'-(α, α'-dimethyl-α "-acetic acid) trithiocarbonate, etc. You may.

ジチオカルバマート化合物は、例えば、シアノメチルメチル(フェニル)カルバモジチオエート、シアノメチルジフェニルカルバモ−ジチオエート等であってもよい。 The dithiocarbamate compound may be, for example, cyanomethylmethyl (phenyl) carbamodithioate, cyanomethyldiphenylcarbamo-dithioate or the like.

キサンタート化合物は、例えば、キサントゲン酸エステル等であってもよい。 The xanthate compound may be, for example, a xanthate ester or the like.

RAFT剤の使用割合は、モノマーの合計を100モル%としたときのRAFT剤のモル数の割合として、例えば、0.005モル%以上、0.01モル%以上、又は0.05モル%以上であってよく、例えば、0.5モル%以下、0.3モル%以下、0.2モル%以下、又は0.1モル%以下であってもよい。 The ratio of the RAFT agent used is, for example, 0.005 mol% or more, 0.01 mol% or more, or 0.05 mol% or more as the ratio of the number of moles of the RAFT agent when the total amount of the monomers is 100 mol%. It may be, for example, 0.5 mol% or less, 0.3 mol% or less, 0.2 mol% or less, or 0.1 mol% or less.

[架橋剤による架橋]
本実施形態における架橋ポリマーは、上記において第3モノマーを用いずに非架橋のビニル系ポリマーを製造した後、適当な架橋剤によって架橋構造を後から形成したものであってもよい。この場合の架橋剤は、例えば、硫黄、過酸化水素、有機過酸化物等であってもよい。
[Crossing with a cross-linking agent]
The crosslinked polymer in the present embodiment may be one obtained by producing a non-crosslinked vinyl polymer without using the third monomer and then forming a crosslinked structure later with an appropriate crosslinking agent. The cross-linking agent in this case may be, for example, sulfur, hydrogen peroxide, an organic peroxide or the like.

[共重合体の変性]
第1及び第3モノマーの共重合体に、スルホン酸変性、スルホン酸アミド変性、又はリン酸変性を行うことにより、この共重合体にプロトン放出性基を導入することができる。第1〜第3モノマーの共重合体及び第2及び第3モノマーの共重合体は、プロトン放出性基を既に有しているが、この共重合体に対しても、スルホン酸変性、スルホン酸アミド変性、又はリン酸変性を行ってよい。
[Modification of copolymer]
Proton-releasing groups can be introduced into the copolymers of the first and third monomers by subjecting them to sulfonic acid modification, sulfonic acid amide modification, or phosphoric acid modification. The copolymers of the first to third monomers and the copolymers of the second and third monomers already have a proton-releasing group, but this copolymer is also sulfonic acid-modified and sulfonic acid. Amide modification or phosphoric acid modification may be performed.

(スルホン酸変性)
共重合体のスルホン酸変性は、例えば、共重合体と、クロロスルホン酸、無水硫酸、硫酸、発煙硫酸、ポリアルキルベンゼンスルホン酸等から選択される少なくとも1種のスルホン化剤と、任意的に触媒とを、有機溶剤中又は無溶媒下で、例えば、5〜200℃で反応させる方法により、行われてよい。
(Sulfonic acid denaturation)
The sulfonic acid modification of the copolymer is optionally catalyzed by, for example, the copolymer and at least one sulfonate selected from chlorosulfonic acid, anhydrous sulfuric acid, sulfuric acid, fuming sulfuric acid, polyalkylbenzene sulfonic acid and the like. And may be reacted in an organic solvent or in the absence of a solvent, for example, at 5 to 200 ° C.

(スルホン酸アミド変性)
共重合体のスルホン酸アミド変性は、例えば、共重合体のスルホン酸変性物を、一旦スルホニルハライド体に変換した後、1級又は2級アミン化合物と反応させることにより、行われてよい。
(Sulfonic acid amide denaturation)
The sulfonic acid amide modification of the copolymer may be carried out, for example, by converting the sulfonic acid-modified product of the copolymer into a sulfonyl halide compound and then reacting it with a primary or secondary amine compound.

(リン酸変性)
共重合体のリン酸変性は、例えば、共重合体と、H3PO3、H3PO等、及びこれらのエステル又は塩等から選択される少なくとも1種のリン化合物と、任意的に触媒とを、有機溶剤中又は無溶媒下で、例えば、5〜200℃で反応させる方法により、行われてよい。
(Phosphate denaturation)
Phosphoric acid modification of the copolymer is optionally catalyzed with, for example, the copolymer and at least one phosphorus compound selected from H 3 PO 3 , H 3 PO 2, etc., and esters or salts thereof. And may be reacted in an organic solvent or in the absence of a solvent, for example, at 5 to 200 ° C.

上記のようにして、スルホン酸変性、スルホン酸アミド変性、又はリン酸変性の反応を行った後、反応溶液から有機溶媒を留去することにより、所望の変性架橋ポリマーを得ることができる。 A desired modified crosslinked polymer can be obtained by distilling off an organic solvent from the reaction solution after performing a sulfonic acid modification, a sulfonic acid amide modification, or a phosphoric acid modification reaction as described above.

<可塑剤>
本実施形態における可塑剤は、架橋ポリマーに柔軟性を付与して固体高分子電解質膜のガラス転移点Tgを下げ、固体高分子電解質膜中の架橋ポリマーの分子運動性を高める機能を有する成分である。可塑剤は、高分子量体であっても低分子量体であってもよい。しかしながら、本実施形態の電解質膜が電池用途に適用されることを想定していることから、可塑剤は、電池の使用温度範囲(例えば、−40℃以上200℃未満、典型的には0℃以上150℃以下)において不揮発性であることが好ましい。可塑剤が電池の使用温度範囲において不揮発性であるとは、可塑剤の沸点が、例えば、200℃以上、210℃以上、220℃以上、230℃以上、240℃以上、又は250℃以上と、十分に高いことをいう。また、可塑剤は、電池の使用温度範囲において分解しないことが望まれる。
<Plasticizer>
The plasticizer in the present embodiment is a component having a function of imparting flexibility to the crosslinked polymer, lowering the glass transition point Tg of the solid polymer electrolyte membrane, and enhancing the molecular motility of the crosslinked polymer in the solid polymer electrolyte membrane. is there. The plasticizer may be a high molecular weight substance or a low molecular weight substance. However, since it is assumed that the electrolyte membrane of the present embodiment is applied to battery applications, the plasticizer is used in the operating temperature range of the battery (for example, −40 ° C. or higher and lower than 200 ° C., typically 0 ° C. It is preferably non-volatile at (150 ° C. or lower). The fact that the plasticizer is non-volatile in the operating temperature range of the battery means that the boiling point of the plasticizer is, for example, 200 ° C. or higher, 210 ° C. or higher, 220 ° C. or higher, 230 ° C. or higher, 240 ° C. or higher, or 250 ° C. or higher. It means that it is high enough. Further, it is desired that the plasticizer does not decompose in the operating temperature range of the battery.

可塑剤は、固体高分子電解質膜中の架橋ポリマーの分子運動性を高める機能を発揮するために、電池の使用温度範囲において液体状であることが望まれる。可塑剤が電池の使用温度範囲において電池の使用温度範囲において液体状であるとは、可塑剤の融点が、例えば、0℃以下、−2℃以下、−4℃以下、又は−6℃以下であることをいう。 The plasticizer is desired to be in a liquid state in the operating temperature range of the battery in order to exert a function of enhancing the molecular mobility of the crosslinked polymer in the solid polymer electrolyte membrane. When the plasticizer is liquid in the operating temperature range of the battery in the operating temperature range of the battery, the melting point of the plasticizer is, for example, 0 ° C. or lower, -2 ° C. or lower, -4 ° C. or lower, or -6 ° C. or lower. Say something.

可塑剤は、固体高分子電解質膜中で架橋ポリマーと相互作用するための極性基を有していてよい。極性基を有する可塑剤は、固体高分子電解質膜中で架橋ポリマーの極性基と相互作用して(例えば非共有結合を形成して)、固体高分子電解質膜からのブリードアウトが抑制される効果を有すると考えられる。可塑剤の極性基は、プロトン放出性基以外の極性基であってよく、例えば、水酸基、チオール基、エーテル基、チオエーテル基、エステル基、チオエステル基、アミノ基、アミド基、イミド基等であってもよい。 The plasticizer may have polar groups to interact with the crosslinked polymer in the solid polymer electrolyte membrane. A plastic agent having a polar group has the effect of suppressing bleed-out from the solid polymer electrolyte membrane by interacting with the polar group of the crosslinked polymer (for example, forming a non-covalent bond) in the solid polymer electrolyte membrane. Is considered to have. The polar group of the plasticizer may be a polar group other than the proton-releasing group, for example, a hydroxyl group, a thiol group, an ether group, a thioether group, an ester group, a thioester group, an amino group, an amide group, an imide group and the like. You may.

前述の架橋ポリマーがプロトン放出性基を有さない場合、本実施形態における可塑剤は、プロトン放出性基を有する可塑剤を含む。前述の架橋ポリマーがプロトン放出性基を有する場合、本実施形態における可塑剤は、プロトン放出性基を有していなくてもよいが、プロトン放出性基を有していてもよい。 When the crosslinked polymer described above does not have a proton-releasing group, the plasticizer in this embodiment includes a plasticizer having a proton-releasing group. When the crosslinked polymer described above has a proton-releasing group, the plasticizer in the present embodiment does not have to have a proton-releasing group, but may have a proton-releasing group.

可塑剤が有するプロトン放出性基は、スルホン酸基、スルホニルアミド基、スルホニルイミド基、及びリン酸基から選択されてよく、スルホン酸基又はスルホニルイミド基であることが好ましい。 The proton-releasing group contained in the plasticizer may be selected from a sulfonic acid group, a sulfonylamide group, a sulfonylimide group, and a phosphoric acid group, and is preferably a sulfonic acid group or a sulfonylimide group.

スルホン酸基を有する可塑剤は、例えば、p−トルエンスルホン酸、1,2−エタンジスルホン酸、1,3,6−ナフタレントリスルホン酸等の芳香族スルホン酸化合物;ビニルアルコール−酢酸ビニル共重合体のスルホン酸変性物、ポリ(スチレンスルホン酸)等のスルホン酸基含有ポリマー等であってもよい。架橋ポリマーと可塑剤との混合物から成るプロトン伝導混合相の分子運動性を高く維持するとの観点から、可塑剤が高分子化合物である場合の重量平均分子量は、20万以下、15万以下、12万以下、10万以下、又は8万以下である方がよい。 The plasticizer having a sulfonic acid group is, for example, an aromatic sulfonic acid compound such as p-toluenesulfonic acid, 1,2-ethanedisulfonic acid, 1,3,6-naphthalentrisulfonic acid; vinyl alcohol-vinyl acetate co-weight. It may be a sulfonic acid modified product of coalescence, a sulfonic acid group-containing polymer such as poly (styrene sulfonic acid), or the like. From the viewpoint of maintaining high molecular mobility of the proton conduction mixed phase composed of a mixture of the crosslinked polymer and the plasticizer, the weight average molecular weight when the plasticizer is a polymer compound is 200,000 or less, 150,000 or less, 12 It is better that it is 10,000 or less, 100,000 or less, or 80,000 or less.

スルホニルイミド基を有する可塑剤は、例えば、フッ素原子含有スルホニルイミド化合物等であってよく、具体的には例えばビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド等であってもよい。 The plasticizer having a sulfonylimide group may be, for example, a fluorine atom-containing sulfonylimide compound or the like, and specifically, for example, bis (trifluoromethanesulfonyl) imide or the like.

プロトン放出性基を有さない可塑剤としては、電池の稼働温度において液体状であるものが好ましく、例えば、ポリアルキレングリコール、ポリビニルエーテル、ポリオールエステル等であってもよい。これらのうち、プロトン放出性基を有さない可塑剤としては、ポリアルキレングリコールが好ましく、具体的には例えば、テトラエチレングリコール等を使用してよい。 The plasticizer having no proton-releasing group is preferably a plasticizer that is in a liquid state at the operating temperature of the battery, and may be, for example, polyalkylene glycol, polyvinyl ether, polyol ester, or the like. Of these, as the plasticizer having no proton-releasing group, polyalkylene glycol is preferable, and specifically, for example, tetraethylene glycol or the like may be used.

可塑剤は、1種単独で使用してもよく、2種以上を混合して使用してもよい。可塑剤が2種以上の混合物であるとき、混合物としての可塑剤の全体が電池の使用温度範囲において液体状であり、混合物中の可塑剤それぞれが、電池の使用温度範囲)において不揮発性であり、且つ分解しないことが好ましい。 The plasticizer may be used alone or in combination of two or more. When the plasticizer is a mixture of two or more, the entire plasticizer as a mixture is liquid in the operating temperature range of the battery, and each of the plasticizers in the mixture is non-volatile in the operating temperature range of the battery). , And it is preferable not to decompose.

可塑剤が2種以上の混合物であるとき、混合物中の可塑剤のいずれもが、架橋ポリマーと相互作用するための極性基を有していることが好ましい。固体高分子電解質膜からの可塑剤のブリードアウトを抑制するため、混合物を構成する可塑剤のうちの極性基を有する可塑剤の割合は、混合物の全質量に対して、例えば、30質量%以上、40質量%以上、50質量%以上、60質量%以上、又は70質量%以上であってもよい。 When the plasticizer is a mixture of two or more, it is preferable that each of the plasticizers in the mixture has a polar group for interacting with the crosslinked polymer. In order to suppress the bleed-out of the plasticizer from the solid polymer electrolyte membrane, the proportion of the plasticizer having a polar group among the plasticizers constituting the mixture is, for example, 30% by mass or more with respect to the total mass of the mixture. , 40% by mass or more, 50% by mass or more, 60% by mass or more, or 70% by mass or more.

プロトン放出性基を有する化合物は、固体状であることが多く、これを1種単独で使用すると、架橋ポリマーの分子運動性を高める機能が十分に発揮されないことがある。また、可塑剤自体の分子運動性も不足する懸念がある。このような場合、プロトン放出性基を有する化合物と、プロトン放出性基を有さない化合物とを混合したものを可塑剤として使用してもよい。プロトン放出性基を有する化合物と、プロトン放出性基を有さない化合物との混合比は任意である。両者の割合は、プロトン放出性基を有する化合物及びプロトン放出性基を有さない化合物の合計に対するプロトン放出性基を有する化合物の質量割合として、例えば、10質量%以上、20質量%以上、30質量%以上、又は40質量%以上であってよく、例えば、90質量%以下、80質量%以下、70質量%以下、又は60質量%以下であってもよい。 A compound having a proton-releasing group is often in a solid state, and when it is used alone, the function of enhancing the molecular motility of the crosslinked polymer may not be sufficiently exhibited. In addition, there is a concern that the molecular mobility of the plasticizer itself will be insufficient. In such a case, a mixture of a compound having a proton-releasing group and a compound having no proton-releasing group may be used as a plasticizer. The mixing ratio of the compound having a proton-releasing group and the compound having no proton-releasing group is arbitrary. The ratio of both is, for example, 10% by mass or more, 20% by mass or more, and 30 as the mass ratio of the compound having a proton-releasing group to the total of the compound having a proton-releasing group and the compound having no proton-releasing group. It may be 90% by mass or more, or 40% by mass or more, and may be, for example, 90% by mass or less, 80% by mass or less, 70% by mass or less, or 60% by mass or less.

<架橋ポリマーと可塑剤との使用割合>
架橋ポリマーと可塑剤との使用割合は、プロトン伝導混合相の分子運動性を高め、十分に高いプロトン伝導性を得るとの観点から、架橋ポリマー100質量部に対する可塑剤の使用割合として、例えば、10質量部以上、50質量部以上、100質量部以上、150質量部以上、200質量部以上、250質量部以上、300質量部以上、350質量部以上、又は400質量部以上であってもよい。一方で、膜強度を維持し、膜としての安定性を確保する観点から、架橋ポリマー100質量部に対する可塑剤の使用割合は、例えば、1,000質量部以下、900質量部以下、800質量部以下、700質量部以下、600質量部以下、又は500質量部以下であってもよい。
<Ratio of cross-linked polymer and plasticizer used>
The ratio of the crosslinked polymer to the plasticizer is, for example, the ratio of the plasticizer used to 100 parts by mass of the crosslinked polymer from the viewpoint of enhancing the molecular motility of the proton conduction mixed phase and obtaining sufficiently high proton conductivity. It may be 10 parts by mass or more, 50 parts by mass or more, 100 parts by mass or more, 150 parts by mass or more, 200 parts by mass or more, 250 parts by mass or more, 300 parts by mass or more, 350 parts by mass or more, or 400 parts by mass or more. .. On the other hand, from the viewpoint of maintaining the film strength and ensuring the stability as a film, the ratio of the plasticizer used to 100 parts by mass of the crosslinked polymer is, for example, 1,000 parts by mass or less, 900 parts by mass or less, and 800 parts by mass. Hereinafter, it may be 700 parts by mass or less, 600 parts by mass or less, or 500 parts by mass or less.

上記の可塑剤の使用割合は、可塑剤が複数種類の混合物である場合には当該複数種の可塑剤合計の使用割合である。 When the plasticizer is a mixture of a plurality of types, the usage ratio of the above-mentioned plasticizer is the total usage ratio of the plurality of types of plasticizer.

高いプロトン伝導性と十分な膜強度との両立を図るためには、本実施形態の固体高分子電解質膜の全質量に対する液体成分(即ちプロトン放出性基を有さない可塑剤)の割合は、概ね、50質量%以上80質量%以下の範囲に調節されてよい。 In order to achieve both high proton conductivity and sufficient membrane strength, the ratio of the liquid component (that is, the plastic agent having no proton-releasing group) to the total mass of the solid polymer electrolyte membrane of the present embodiment is set. Generally, it may be adjusted in the range of 50% by mass or more and 80% by mass or less.

<固体高分子電解質膜>
本実施形態の固体高分子電解質膜は、架橋ポリマーと可塑剤とを含むことにより、膜の全体として高い分子運動性を示す。固体高分子電解質膜の高い分子運動性は、ガラス転移点Tgが低いことによって評価することができる。
<Solid polymer electrolyte membrane>
The solid polymer electrolyte membrane of the present embodiment exhibits high molecular mobility as a whole by containing the crosslinked polymer and the plasticizer. The high molecular motility of the solid polymer electrolyte membrane can be evaluated by the low glass transition point Tg.

本実施形態の固体高分子電解質膜は、膜としてのガラス転移点Tgが低いことにより、低温においても固体高分子電解質膜中のプロトン伝導混合相が高い分子運動性を維持することができ、従って、高いプロトン伝導性を得ることができる。固体高分子電解質膜のガラス転移点Tgは、固体高分子電解質膜の稼働温度の下限値以下であることが好ましく、例えば、0℃以下、−20℃以下、−40℃以下、−60℃以下、又は−65℃以下であってもよい。 Since the solid polymer electrolyte membrane of the present embodiment has a low glass transition point Tg as a membrane, the proton conduction mixed phase in the solid polymer electrolyte membrane can maintain high molecular motility even at a low temperature. , High proton conductivity can be obtained. The glass transition point Tg of the solid polymer electrolyte membrane is preferably not more than the lower limit of the operating temperature of the solid polymer electrolyte membrane, for example, 0 ° C. or less, -20 ° C. or less, -40 ° C. or less, -60 ° C. or less. , Or may be −65 ° C. or lower.

本実施形態の固体高分子電解質膜は、ガラス転移点Tgが十分に低いことにより、電池の使用温度範囲(例えば、−40℃以上200℃未満、特に0℃以上150℃以下)において、プロトン伝導混合相が高い分子運動性を示し、且つ可塑剤が液体状であるにもかかわらず、可塑剤がブリードアウトせず、且つ膜形状を維持することができる。 The solid polymer electrolyte membrane of the present embodiment has a sufficiently low glass transition point Tg, so that it conducts protons in the operating temperature range of the battery (for example, −40 ° C. or higher and lower than 200 ° C., particularly 0 ° C. or higher and 150 ° C. or lower). Although the mixed phase exhibits high molecular mobility and the plasticizer is in a liquid state, the plasticizer does not bleed out and the film shape can be maintained.

この現象について本発明者らは、架橋ポリマーと可塑剤との間に非共有結合が形成されているためであると推察している。即ち、可塑剤は液体状ではあるけれども、架橋構造を有することにより膜形状を維持し得る架橋ポリマーに、非共有結合によって繋ぎ止められているため、可塑剤のブリードアウトが抑制されるものと考えられる。 The present inventors speculate that this phenomenon is due to the formation of a non-covalent bond between the crosslinked polymer and the plasticizer. That is, it is considered that the bleed-out of the plasticizer is suppressed because the plasticizer is liquid but is bonded to the crosslinked polymer which can maintain the film shape by having a crosslinked structure by a non-covalent bond. Be done.

架橋ポリマーと可塑剤との間の非共有結合は、例えば、水素結合、イオン−イオン相互作用、双極子−イオン相互作用等であってもよい。 The non-covalent bond between the crosslinked polymer and the plasticizer may be, for example, a hydrogen bond, an ion-ion interaction, a dipole-ion interaction, or the like.

上記のような非共有結合は、架橋ポリマー及び可塑剤中の極性基濃度を適宜に調節することにより、実現することができる。 The non-covalent bond as described above can be realized by appropriately adjusting the concentration of polar groups in the crosslinked polymer and the plasticizer.

本実施形態の固体高分子電解質膜は、高いプロトン伝導率を示す。本実施形態の固体高分子電解質膜のプロトン伝導率は、具体的には、50℃において、例えば、1×10−4S/cm以上、2×10−4S/cm以上、3×10−4S/cm以上、4×10−4S/cm以上、5×10−4S/cm以上、10×10−4S/cm以上、又は12×10−4S/cm以上とすることができ、80℃において、例えば、2×10−4S/cm以上、3×10−4S/cm以上、4×10−4S/cm以上、5×10−4S/cm以上、8×10−4S/cm以上、10×10−4S/cm以上、12×10−4S/cm以上、又は15×10−4S/cm以上とすることができ、95℃において、例えば、3×10−4S/cm以上、4×10−4S/cm以上、5×10−4S/cm以上、10×10−4S/cm以上、12×10−4S/cm以上、15×10−4S/cm以上、又は18×10−4S/cm以上、とすることができる。 The solid polymer electrolyte membrane of this embodiment exhibits high proton conductivity. Specifically, the proton conductivity of the solid polymer electrolyte membrane of the present embodiment is, for example, 1 × 10 -4 S / cm or more, 2 × 10 -4 S / cm or more, 3 × 10 − at 50 ° C. 4 S / cm or more, 4 × 10 -4 S / cm or more, 5 × 10 -4 S / cm or more, 10 × 10 -4 S / cm or more, or 12 × 10 -4 S / cm or more. Yes, at 80 ° C, for example, 2 × 10 -4 S / cm or more, 3 × 10 -4 S / cm or more, 4 × 10 -4 S / cm or more, 5 × 10 -4 S / cm or more, 8 × It can be 10 -4 S / cm or more, 10 × 10 -4 S / cm or more, 12 × 10 -4 S / cm or more, or 15 × 10 -4 S / cm or more, and at 95 ° C., for example. 3 × 10 -4 S / cm or more, 4 × 10 -4 S / cm or more, 5 × 10 -4 S / cm or more, 10 × 10 -4 S / cm or more, 12 × 10 -4 S / cm or more, It can be 15 × 10 -4 S / cm or more, or 18 × 10 -4 S / cm or more.

本実施形態の固体高分子電解質膜は、膜中に水を含有しない場合でも、高いプロトン伝導率を示す。従って、固体高分子電解質膜の水含有量は、膜の全質量に対する質量割合として、例えば、1%以下、0.1%以下0.01%、又は0.001%以下であってもよい。 The solid polymer electrolyte membrane of the present embodiment exhibits high proton conductivity even when the membrane does not contain water. Therefore, the water content of the solid polymer electrolyte membrane may be, for example, 1% or less, 0.1% or less, 0.01%, or 0.001% or less as the mass ratio to the total mass of the membrane.

<固体高分子電解質膜の製造>
本実施形態の固体高分子電解質膜において、架橋ポリマーと可塑剤とは混合状態にある。
<Manufacturing of solid polymer electrolyte membrane>
In the solid polymer electrolyte membrane of the present embodiment, the crosslinked polymer and the plasticizer are in a mixed state.

本実施形態の固体高分子電解質膜は、例えば、架橋ポリマーと可塑剤とを混合することによって製造されてよい。架橋ポリマーと可塑剤との混合は、揮発性の高い適当な溶媒中で行われてよい。ここで使用される溶媒は、架橋ポリマーの重合溶媒として上記に例示したものの中から選択して使用してよい。架橋ポリマーと可塑剤とを混合した後、溶媒を除去することにより、本実施形態の固体高分子電解質膜が得られる。 The solid polymer electrolyte membrane of the present embodiment may be produced, for example, by mixing a crosslinked polymer and a plasticizer. Mixing of the crosslinked polymer with the plasticizer may be carried out in a suitable solvent with high volatility. The solvent used here may be selected from those exemplified above as the polymerization solvent of the crosslinked polymer. The solid polymer electrolyte membrane of the present embodiment is obtained by removing the solvent after mixing the crosslinked polymer and the plasticizer.

本実施形態の固体高分子電解質膜は、或いは、架橋ポリマーの重合を可塑剤の存在下で行った後に重合溶媒を除去することによって製造されてもよい。この場合には、例えば溶媒置換、再沈殿等の適宜の方法により、未反応モノマー、低分子オリゴマー、ラジカル開始剤残滓等を除去する工程を経ることが好ましい。 The solid polymer electrolyte membrane of the present embodiment may be produced by polymerizing the crosslinked polymer in the presence of a plasticizer and then removing the polymerization solvent. In this case, it is preferable to go through a step of removing unreacted monomer, low molecular weight oligomer, radical initiator residue and the like by an appropriate method such as solvent substitution and reprecipitation.

固体高分子電解質膜を膜状に成形するには、例えば、キャスト法、プレス法等の適宜に方法によってよい。 In order to form the solid polymer electrolyte membrane into a film shape, for example, a casting method, a pressing method, or the like may be used as appropriate.

<固体高分子電解質膜の用途>
本実施形態の固体高分子電解質膜は、電池の固体高分子電解質膜として好適である。本実施形態の固体高分子電解質膜は、無水条件下においてもプロトン伝導性が高いため、燃料電池の無水系プロトン伝導膜として特に好適に使用することができる。
<Use of solid polymer electrolyte membrane>
The solid polymer electrolyte membrane of the present embodiment is suitable as a solid polymer electrolyte membrane of a battery. Since the solid polymer electrolyte membrane of the present embodiment has high proton conductivity even under anhydrous conditions, it can be particularly preferably used as an anhydrous proton conductive membrane of a fuel cell.

以下、本発明について実施例の形式で詳細に説明する。以下の実施例は、本発明の用途を何ら限定するものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail in the form of examples. The following examples do not limit the use of the present invention in any way.

<実施例1>
本実施例では、プロトン放出性基を有する架橋ポリマーと、可塑剤とを含む固体高分子電解質膜を調製し、そのプロトン伝導率を調べた。
<Example 1>
In this example, a solid polymer electrolyte membrane containing a crosslinked polymer having a proton-releasing group and a plasticizer was prepared, and its proton conductivity was examined.

(1)架橋ポリマーの合成
塩基性アルミナを充填したカラムに、未精製のアクリル酸−2−(2−エトキシエトキシ)エチルを通して精製した。
(1) Synthesis of crosslinked polymer A column packed with basic alumina was purified by passing unpurified -2- (2-ethoxyethoxy) ethyl acrylate.

第1モノマーとして上記の精製後のアクリル酸−2−(2−エトキシエトキシ)エチル(EEA)685mg(3.64mmol)、第2モノマーとして2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸(AMPS)322mg(1.55mmol)、第3モノマーとしてN,N’−メチレンビスアクリルアミド(MBAA)15.9mg(0.103mmol)、RAFT剤としてS−1―ドデシル−S’−(α,α’−ジメチル−α”−酢酸)トリチオカーボネート1mg(0.003mmol)、ラジカル重合開始剤としてアゾビスイソブチロニトリル(AIBN)0.1mg(0.0006mmol)、並びに溶媒として蒸留水249mg(13.8mmol)及びN,N−ジメチルホルムアミド(DMF)2.84mg(3.89mmol)を、サンプル瓶内で混合して原料溶液を得た。この原料溶液中の第1モノマー:第2モノマー:第3モノマー:RAFT剤のモル比は、およそ1,400:600:40:1であった。 As the first monomer, the above-mentioned purified -2- (2-ethoxyethoxy) ethyl (EEA) 685 mg (3.64 mmol), and as the second monomer, 2-acrylamide-2-methylpropanesulfonic acid (AMPS) 322 mg ( 1.55 mmol), 15.9 mg (0.103 mmol) of N, N'-methylenebisacrylamide (MBAA) as the third monomer, S-1-dodecyl-S'-(α, α'-dimethyl-α) as the RAFT agent. "-Acetic acid) Trithiocarbonate 1 mg (0.003 mmol), azobisisobutyronitrile (AIBN) 0.1 mg (0.0006 mmol) as a radical polymerization initiator, and distilled water 249 mg (13.8 mmol) and N as a solvent. , N-dimethylformamide (DMF) 2.84 mg (3.89 mmol) was mixed in a sample bottle to obtain a raw material solution. The first monomer: second monomer: third monomer: RAFT agent in this raw material solution. The molar ratio of was approximately 1,400: 600: 40: 1.

原料溶液に対して窒素ガスによるバブリングを15分間行った後、オイルバスにより、常圧下、80℃に昇温し、500rpmの撹拌下に7時間重合を行った。7時間後、サンプル瓶をオイルバスから取り出して、重合を停止した。このとき、サンプル瓶内の溶液は流動せず、ゲル化していることが確認された。 After bubbling the raw material solution with nitrogen gas for 15 minutes, the temperature was raised to 80 ° C. under normal pressure by an oil bath, and polymerization was carried out under stirring at 500 rpm for 7 hours. After 7 hours, the sample bottle was removed from the oil bath and polymerization was stopped. At this time, it was confirmed that the solution in the sample bottle did not flow and was gelled.

サンプル内の試料をテフロン(登録商標)製ビーカーに移し、メタノール20mLを加えて1時間浸漬した。1時間後メタノールを除去し、同量の新しいメタノールを加え、再度1時間の浸漬を行った。このメタノール浸漬操作を3回繰り返し、未反応モノマー、低分子オリゴマー、溶媒等を除去して精製した。次いで、50℃のホットプレート上に12時間静置した後、真空乾燥機中、室温において12時間乾燥してメタノールを完全に除去することにより、架橋ポリアクリル酸−2−(2−エトキシエトキシ)エチル−co−ポリ(2―アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸)(架橋PEEA−co−PAMPS)を得た。 The sample in the sample was transferred to a Teflon (registered trademark) beaker, 20 mL of methanol was added, and the mixture was immersed for 1 hour. After 1 hour, methanol was removed, the same amount of fresh methanol was added, and immersion was performed again for 1 hour. This methanol immersion operation was repeated 3 times to remove unreacted monomers, low molecular weight oligomers, solvents and the like for purification. Then, after allowing to stand on a hot plate at 50 ° C. for 12 hours, the crosslinked polyacrylic acid-2- (2-ethoxyethoxy) was dried in a vacuum dryer at room temperature for 12 hours to completely remove methanol. Ethyl-co-poly (2-acrylamide-2-methylpropanesulfonic acid) (crosslinked PEEA-co-PCMPS) was obtained.

得られた架橋PEEA−co−PAMPSの構造を下記の化学式に示した。

Figure 0006885780
The structure of the obtained crosslinked PEEA-co-PAMPS is shown in the following chemical formula.
Figure 0006885780

得られた架橋PEEA−co−PAMPSについて、JIS K 7121に準拠し、昇温速度10℃/分の条件にて、−90℃〜30℃の温度範囲で測定したガラス転移点Tは、−50℃であった。このときに得られたDSC曲線を図4(a)に示す。 The resulting crosslinked PEEA-co-PAMPS, conforming to JIS K 7121, at a heating rate 10 ° C. / min conditions, the glass transition point The T g was measured in the temperature range of -90 ° C. to 30 ° C., - It was 50 ° C. The DSC curve obtained at this time is shown in FIG. 4 (a).

(2)固体高分子電解質膜の調製
上記で得られた架橋PEEA−co−PAMPS48.9mgを1.14cm×0.21cmの短冊状(厚さ0.096cm)に切り取り、容量10mLのテフロン(登録商標)製ビーカーに入れ、メタノール9mL及び可塑剤としてテトラエチレングリコール(TEG、融点:約−6℃)115mgを添加し、50℃のホットプレート上に2日間静置して、架橋PEEA−co−PAMPSにTEGを導入するとともに、メタノールを完全に除去して、膜試料を得た。この膜試料の表面には若干量のTEGが残っていたので、これを拭き取ることにより、厚さ0.16cmの固体高分子電解質膜試料を得た。
(2) Preparation of solid polymer electrolyte membrane 48.9 mg of the crosslinked PEEA-co-MeOH obtained above was cut into strips (thickness 0.096 cm) of 1.14 cm × 0.21 cm, and Teflon (registered) having a capacity of 10 mL. In a beaker made of (trademark), 9 mL of methanol and 115 mg of tetraethylene glycol (TEG, melting point: about -6 ° C) as a plasticizer were added, and the mixture was allowed to stand on a hot plate at 50 ° C for 2 days to crosslink PEEA-co-. A membrane sample was obtained by introducing TEG into PAMPS and completely removing methanol. Since a small amount of TEG remained on the surface of this membrane sample, it was wiped off to obtain a solid polymer electrolyte membrane sample having a thickness of 0.16 cm.

TEG拭き取り後の固体高分子電解質膜試料の質量は141.4mgであったことから、この膜試料中のTEG含量は、65質量%であることが分かった。 Since the mass of the solid polymer electrolyte membrane sample after wiping the TEG was 141.4 mg, it was found that the TEG content in this membrane sample was 65% by mass.

得られた固体高分子電解質膜試料の構造の模式図を図1に示した。図1において、架橋PEEA−co−PAMPSが架橋ポリマーであり、TEGが可塑剤であり、架橋PEEA−co−PAMPS中のスルホン酸基がプロトン放出性基である。架橋PEEA−co−PAMPS中のスルホン酸基及びアミド基は、それぞれ、TEGの水酸基及びエーテル基と非共有結合を形成していると考えられる。架橋PEEA−co−PAMPS中のスルホン酸基の一部は、プロトンが遊離して、スルホネートイオンになっている。 A schematic diagram of the structure of the obtained solid polymer electrolyte membrane sample is shown in FIG. In FIG. 1, the crosslinked PEEA-co-PAMPS is a crosslinked polymer, TEG is a plasticizer, and the sulfonic acid groups in the crosslinked PEEA-co-PAMPS are proton-releasing groups. It is considered that the sulfonic acid group and the amide group in the crosslinked PEEA-co-PAMPS form a non-covalent bond with the hydroxyl group and the ether group of TEG, respectively. Some of the sulfonic acid groups in the crosslinked PEEA-co-PAMPS are freed with protons to become sulfonate ions.

得られた固体高分子電解質膜試料について、JIS K 7121に準拠し、昇温速度10℃/分の条件にて、−90℃〜30℃の温度範囲で測定したガラス転移点Tは、−79℃であり、明らかに固体高分子電解質膜の稼働温度よりも低かった。このときに得られたDSC曲線を図4(b)に示す。図4(b)のDSC曲線には、固体高分子電解質膜試料に含まれる架橋PEEA−co−PAMPSのT(−50℃、図4(a))、及びTEGの融点(約−6℃)に由来する吸熱は見られず、固体高分子電解質膜としての単一のTgが見られた。 The obtained solid polymer electrolyte membrane sample, conforming to JIS K 7121, at a heating rate 10 ° C. / min conditions, the glass transition point The T g was measured in the temperature range of -90 ° C. to 30 ° C., - It was 79 ° C., which was clearly lower than the operating temperature of the solid polymer electrolyte membrane. The DSC curve obtained at this time is shown in FIG. 4 (b). The DSC curve of FIG. 4 (b) shows the T g (-50 ° C., FIG. 4 (a)) of the crosslinked PEEA-co-PAMPS contained in the solid polymer electrolyte membrane sample, and the melting point of TEG (about -6 ° C.). ) Was not observed, and a single Tg as a solid polymer electrolyte membrane was observed.

上記で得られたTgによると、この固体高分子電解質膜は、次項の交流インピーダンス測定の測定温度(50℃、80℃、及び95℃)においては擬流動状態のはずであるが、ポリマーが架橋されているために流動せず、膜形状を維持していた。 According to the Tg obtained above, this solid polymer electrolyte membrane should be in a quasi-fluid state at the measurement temperature (50 ° C, 80 ° C, and 95 ° C) of the AC impedance measurement in the next section, but the polymer is crosslinked. Because it was made, it did not flow and maintained the film shape.

上記で得られた固体高分子電解質膜試料を、温度を変えながら無荷重状態で1時間静置したところ、−40℃以上200℃までの範囲で漏出物は見られず、電池の使用温度範囲において可塑剤がブリードアウトしないことが確認された。 When the solid polymer electrolyte membrane sample obtained above was allowed to stand for 1 hour under no load while changing the temperature, no leaks were observed in the range of -40 ° C to 200 ° C, and the operating temperature range of the battery was observed. It was confirmed that the plasticizer did not bleed out.

(3)交流インピーダンス測定
厚さ0.1mmの白金網を電極として用い、得られた固体高分子電解質膜試料の交流インピーダンス測定を行った。
(3) AC Impedance Measurement Using a platinum net with a thickness of 0.1 mm as an electrode, the AC impedance of the obtained solid polymer electrolyte membrane sample was measured.

電極間距離を0.70cmとして対向配置した一対の電極間に、固体高分子電解質膜試料(厚さ0.16cm)を挟み込んだ。電極間に挟み込んだ固体高分子電解質膜試料を自然対流式定温恒温乾燥器中に入れて、温度50℃、相対湿度5RH%の条件下で1時間乾燥させた。なお、相対湿度の測定にはプロフェッショナル温湿度計 testo635−2(テストー製)を用いた。 A solid polymer electrolyte membrane sample (thickness 0.16 cm) was sandwiched between a pair of electrodes arranged so as to face each other with a distance between the electrodes of 0.70 cm. The solid polymer electrolyte membrane sample sandwiched between the electrodes was placed in a natural convection constant temperature constant temperature dryer and dried under the conditions of a temperature of 50 ° C. and a relative humidity of 5 RH% for 1 hour. A professional thermo-hygrometer testo635-2 (manufactured by Testo) was used to measure the relative humidity.

乾燥器内温度が安定するまで待った後、FRA(周波数特性分析)オプション付きのポテンショ/ガルバノスタット VERSASTAT 4−400(Prinston Applied Research製)を用いて、電圧80mV、周波数を10Hzから1Hz単位で変化させて、無加湿条件下で交流インピーダンス測定を行った。抵抗値の絶対値がほぼ一定となる周波数領域における抵抗値を読み取ったところ、4.2×10Ωであった。更に、下記数式(1)によってこの固体高分子電解質膜試料のプロトン伝導率を求めたところ、2.3×10−4S/cmであった。
プロトン伝導率=電極間距離/(膜の厚さ×膜の幅×抵抗値) (1)
After drying vessel temperature is waited to stabilize, with the FRA (frequency response analyzer) with options potentiometer / galvanostat VERSASTAT 4-400 (Prinston Applied Ltd. Research), voltage 80 mV, at 1Hz units from 10 6 Hz frequency The AC impedance was measured under non-humidified conditions. When the absolute value of the resistance value is almost read a resistance value in a constant and becomes the frequency domain, was 4.2 × 10 4 Ω. Further, when the proton conductivity of this solid polymer electrolyte membrane sample was determined by the following mathematical formula (1), it was 2.3 × 10 -4 S / cm.
Proton conductivity = distance between electrodes / (membrane thickness x membrane width x resistance value) (1)

次いで、測定条件を温度80℃、相対湿度1.5RH%として交流インピーダンス測定を行ったところ、抵抗値の絶対値がほぼ一定となる周波数領域における抵抗値は3.0×10Ωであり、プロトン伝導率は3.2×10−4S/cmであった。更に、測定条件を温度95℃、相対湿度0.9RH%として交流インピーダンス測定を行ったところ、抵抗値の絶対値がほぼ一定となる周波数領域における抵抗値は2.0×10Ωであり、プロトン伝導率は4.8×10−4S/cmであった。 Then, the measurement conditions Temperature 80 ° C., was subjected to the AC impedance measured as relative humidity 1.5RH%, the resistance value in the frequency domain where the absolute value is substantially constant resistance value is 3.0 × 10 4 Ω, The proton conductivity was 3.2 × 10 -4 S / cm. Moreover, the measurement conditions Temperature 95 ° C., was subjected to the AC impedance measured as relative humidity 0.9RH%, the resistance value in the frequency domain where the absolute value is substantially constant resistance value was 2.0 × 10 4 Ω, The proton conductivity was 4.8 × 10 -4 S / cm.

上記のとおり、温度の上昇に伴ってプロトン伝導率が大きくなった。これは、温度の上昇に伴って擬流動状態のプロトン伝導混合相の分子運動性が上がり、その結果プロトン伝導性が向上したことによると考えられる。 As described above, the proton conductivity increased as the temperature increased. It is considered that this is because the molecular motility of the quasi-fluid state proton conduction mixed phase increases as the temperature rises, and as a result, the proton conductivity improves.

本実施例における固体高分子電解質膜試料は、交流インピーダンスの測定中、溶出物は見られず、流動せずに膜形状を維持していた。 In the solid polymer electrolyte membrane sample in this example, no eluate was observed during the measurement of the AC impedance, and the membrane shape was maintained without flowing.

<比較例1>
本比較例では、プロトン放出性基を有する非架橋ポリマーと、可塑剤とを含む膜の調製を試みた。
<Comparative example 1>
In this comparative example, an attempt was made to prepare a membrane containing a non-crosslinked polymer having a proton-releasing group and a plasticizer.

(1)非架橋ポリマーの合成
第1モノマーとして実施例1と同様の手法で精製したアクリル酸−2−(2−エトキシエトキシ)エチル(PEEA)10.2g(54.0mmol)、第2モノマーとして2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸(PAMPS)4.34g(21.1mmol)、RAFT剤としてS−1―ドデシル−S’−(α,α’−ジメチル−α”−酢酸)トリチオカーボネート17.2mg(0.047mmol)、ラジカル重合開始剤としてアゾビスイソブチロニトリル(AIBN)1.5mg(0.009mmol)、及び溶媒としてN,N−ジメチルホルムアミド(DMF)5.66g(77.5mmol)を、コック付き丸底フラスコ内で混合して原料溶液を得た。この原料溶液中の第1モノマー:第2モノマー:RAFT剤のモル比は、およそ1,150:450:1である。
(1) Synthesis of non-crosslinked polymer 10.2 g (54.0 mmol) of -2- (2-ethoxyethoxy) ethyl (PEEA) acrylate purified as the first monomer by the same method as in Example 1, as the second monomer. 4-34 g (21.1 mmol) of 2-acrylamide-2-methylpropanesulfonic acid (PAMPS), S-1-dodecyl-S'-(α, α'-dimethyl-α "-acetic acid) trithiocarbonate as a RAFT agent 17.2 mg (0.047 mmol), 1.5 mg (0.009 mmol) of azobisisobutyronitrile (AIBN) as a radical polymerization initiator, and 5.66 g (77.) N, N-dimethylformamide (DMF) as a solvent. 5 mmol) was mixed in a round bottom flask with a cock to obtain a raw material solution. The molar ratio of the first monomer: second monomer: RAFT agent in this raw material solution is approximately 1,150: 450: 1. ..

原料溶液に対して窒素ガスによるバブリングを30分間行った後、オイルバスにより、常圧下、80℃に昇温し、500rpmの撹拌下に45分間重合を行った。45分後、丸底フラスコを液体窒素中に漬けて、重合を停止した。 After bubbling the raw material solution with nitrogen gas for 30 minutes, the temperature was raised to 80 ° C. under normal pressure in an oil bath, and polymerization was carried out under stirring at 500 rpm for 45 minutes. After 45 minutes, the round bottom flask was immersed in liquid nitrogen to terminate the polymerization.

重合後の溶液に、テトラヒドロフラン(THF):メタノール=1:1(体積比)の混合溶媒を添加して、濃度8質量%のポリマー溶液を調製した。このポリマー溶液を、大過剰量のヘキサン中に滴下して、ポリマーを析出させた。デカンテーションにより分離したポリマーを、真空乾燥器によって十分に乾燥させた。 A mixed solvent of tetrahydrofuran (THF): methanol = 1: 1 (volume ratio) was added to the solution after the polymerization to prepare a polymer solution having a concentration of 8% by mass. This polymer solution was added dropwise to a large excess of hexane to precipitate the polymer. The polymer separated by decantation was thoroughly dried in a vacuum dryer.

乾燥後のポリマーを、THF:メタノール=1:1(体積比)の混合溶媒に再溶解させ、得られた溶液をメタノール中に滴下してポリマーを析出させる操作を合計2回行って、未反応モノマー、低分子オリゴマー等を除去することにより、未架橋PEEA−co−PAMPSを得た。 The dried polymer was redissolved in a mixed solvent of THF: methanol = 1: 1 (volume ratio), and the obtained solution was added dropwise to methanol to precipitate the polymer. Uncrosslinked PEEA-co-PAMPS was obtained by removing the monomer, low molecular weight oligomer and the like.

この未架橋PEEA−co−PAMPSを試料とし、溶媒としてジメチルスルホキシドdを用いてH−NMR分析を行ったところ、非架橋PEEA−co−PAMPS中のPAMPSの共重合割合が35mol%であることが分かった。 The uncrosslinked PEEA-co-PAMPS as a sample, was subjected to 1 H-NMR analysis using dimethylsulfoxide d 6 as the solvent, the copolymerization ratio of PAMPS in uncrosslinked PEEA-co-PAMPS is 35 mol% It turned out.

得られた非架橋PEEA−co−PAMPSの構造を下記の化学式に示した。

Figure 0006885780
The structure of the obtained non-crosslinked PEEA-co-PAMPS is shown in the following chemical formula.
Figure 0006885780

(2)固体高分子電解質膜の調製
上記で得られた非架橋PEEA−co−PAMPS106.3mgと、TEG242.5mgとを、メタノール1.0g中で混合して溶液とした。得られた溶液をPFA(テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体)製の容器中に移し、50℃のホットプレート上に2日間静置して、メタノールを完全に除去することにより、TEG含量が69質量%の液体状混合物を得た。
(2) Preparation of Solid Polymer Electrolyte Membrane 106.3 mg of the non-crosslinked PEEA-co-PAMPS obtained above and 242.5 mg of TEG were mixed in 1.0 g of methanol to prepare a solution. The obtained solution was transferred to a container made of PFA (tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer) and allowed to stand on a hot plate at 50 ° C. for 2 days to completely remove methanol, thereby causing TEG. A liquid mixture having a content of 69% by mass was obtained.

得られた試料は、流動物(液体状態)であったため、ガラス転移点Tgの測定を行わなかった。また、交流インピーダンス測定の測定温度(50℃、80℃、及び95℃)においても液体状態であり、架橋もされていないために流動して、膜形状を維持することができなかった。従って、本比較例で得られた試料については、膜としての交流インピーダンス測定はできなかった。 Since the obtained sample was a fluid (liquid state), the glass transition point Tg was not measured. In addition, the film was in a liquid state even at the measurement temperatures (50 ° C., 80 ° C., and 95 ° C.) of the AC impedance measurement, and because it was not crosslinked, it flowed and the film shape could not be maintained. Therefore, the AC impedance of the sample obtained in this comparative example could not be measured as a film.

<比較例2>
本比較例においては、実施例1で得られた架橋PEEA−co−PAMPS(T:−50℃)の膜にTEGを導入せずに、交流インピーダンス測定を行った。電極としては、厚さ0.1mmの白金網を用いた。
<Comparative example 2>
In this comparative example, obtained in Example 1 crosslinked PEEA-co-PAMPS: without introducing TEG into film (T g -50 ℃), was AC impedance measurement. As the electrode, a platinum net having a thickness of 0.1 mm was used.

電極間距離を0.70cmとして対向配置した一対の電極間に、架橋PEEA−co−PAMPSの膜(幅0.30cm、厚さ0.16cm)を挟み込んだ。電極間に挟み込んだ膜試料を自然対流式定温恒温乾燥器中に入れて、温度95℃、相対湿度1.0RH%の条件で安定させた。その後、電圧80mV、周波数を10Hzから1Hz単位で変化させて、無加湿条件下で交流インピーダンス測定を行った。しかし、抵抗値が極めて大きかったため、測定値を得ることはできなかった。従って、本比較例における膜試料のプロトン伝導率は、極めて低いものであることが分かった。 A crosslinked PEEA-co-PAMPS film (width 0.30 cm, thickness 0.16 cm) was sandwiched between a pair of electrodes arranged so as to face each other with a distance between the electrodes of 0.70 cm. The membrane sample sandwiched between the electrodes was placed in a natural convection constant temperature constant temperature dryer and stabilized at a temperature of 95 ° C. and a relative humidity of 1.0 RH%. Thereafter, the voltage 80 mV, and varied 1Hz units from 10 6 Hz frequency, was AC impedance measurement in non-humidified conditions. However, the measured value could not be obtained because the resistance value was extremely large. Therefore, it was found that the proton conductivity of the membrane sample in this comparative example was extremely low.

本比較例の膜試料には可塑剤が含まれていないことにより、プロトン伝導混合相の分子運動性が低く、従ってプロトンの移動が容易には生じずに、プロトンをほとんど伝導しなかったためと考えられる。 It is considered that the membrane sample of this comparative example did not contain a plasticizer, so that the molecular motility of the proton conduction mixed phase was low, and therefore the proton movement did not easily occur and the proton was hardly conducted. Be done.

<比較例3>
本比較例では、プロトン放出性基を有さない架橋ポリマーと、プロトン放出性基を有さない可塑剤とを含む膜を調製し、そのプロトン伝導率を調べた。
<Comparative example 3>
In this comparative example, a membrane containing a crosslinked polymer having no proton-releasing group and a plasticizer having no proton-releasing group was prepared, and the proton conductivity thereof was examined.

(1)架橋ポリマーの合成
第1モノマーとして実施例1と同様の手法で精製したアクリル酸−2−(2−エトキシエトキシ)エチル(EEA)1.01g(5.37mmol)、第3モノマーとしてN,N’−メチレンビスアクリルアミド(MBAA)16.4mg(0.106mmol)、RAFT剤としてS−1―ドデシル−S’−(α,α’−ジメチル−α”−酢酸)トリチオカーボネート1mg(0.003mmol)、ラジカル重合開始剤としてアゾビスイソブチロニトリル(AIBN)0.1mg(0.0006mmol)、及び溶媒としてN,N−ジメチルホルムアミド(DMF)258mg(3.53mmol)を、サンプル瓶内で混合して原料溶液を得た。この原料溶液中の第1モノマー:第3モノマー:RAFT剤のモル比は、およそ2,000:40:1である。
(1) Synthesis of crosslinked polymer 1.01 g (5.37 mmol) of -2- (2-ethoxyethoxy) ethyl (EEA) acrylate purified as the first monomer by the same method as in Example 1, and N as the third monomer. , N'-methylenebisacrylamide (MBAA) 16.4 mg (0.106 mmol), S-1-dodecyl-S'-(α, α'-dimethyl-α "-acetic acid) as RAFT agent 1 mg (0) .003 mmol), 0.1 mg (0.0006 mmol) of azobisisobutyronitrile (AIBN) as the radical polymerization initiator, and 258 mg (3.53 mmol) of N, N-dimethylformamide (DMF) as the solvent in the sample bottle. To obtain a raw material solution, the molar ratio of the first monomer: third monomer: RAFT agent in this raw material solution is approximately 2,000: 40: 1.

原料溶液に対して窒素ガスによるバブリングを20分間行った後、オイルバスにより、常圧下、80℃に昇温し、500rpmの撹拌下に7時間重合を行った。7時間後、サンプル瓶をオイルバスから取り出して、重合を停止した。このとき、サンプル瓶内の溶液は流動せず、ゲル化していることが確認された。 After bubbling the raw material solution with nitrogen gas for 20 minutes, the temperature was raised to 80 ° C. under normal pressure by an oil bath, and polymerization was carried out under stirring at 500 rpm for 7 hours. After 7 hours, the sample bottle was removed from the oil bath and polymerization was stopped. At this time, it was confirmed that the solution in the sample bottle did not flow and was gelled.

サンプル内の試料をテフロン(登録商標)製容器に移し、大過剰量のメタノールを加えて1時間浸漬した。1時間後メタノールを除去し、大過剰量の新しいメタノールを加え、再度1時間の浸漬を行った。このメタノール浸漬操作を3回繰り返し、未反応モノマー、低分子オリゴマー、溶媒等を除去して精製した。次いで、50℃のホットプレート上に12時間静置した後、真空乾燥器中、室温において12時間乾燥してメタノールを完全に除去することにより、架橋ポリアクリル酸−2−(2−エトキシエトキシ)エチル(架橋PEEA)を得た。 The sample in the sample was transferred to a Teflon (registered trademark) container, a large excess amount of methanol was added, and the sample was immersed for 1 hour. After 1 hour, methanol was removed, a large excess of fresh methanol was added, and immersion was performed again for 1 hour. This methanol immersion operation was repeated 3 times to remove unreacted monomers, low molecular weight oligomers, solvents and the like for purification. The crosslinked polyacrylic acid-2- (2-ethoxyethoxy) was then allowed to stand on a hot plate at 50 ° C. for 12 hours and then dried in a vacuum dryer at room temperature for 12 hours to completely remove methanol. Ethyl (crosslinked PEEA) was obtained.

得られた架橋PEEAの構造を下記の化学式に示した。

Figure 0006885780
The structure of the obtained crosslinked PEEA is shown in the following chemical formula.
Figure 0006885780

(2)膜試料の調製
上記で得られた架橋PEEA75.0mgを0.82cm×0.44cmの短冊状(厚さ0.073cm)に切り取り、容量10mLのテフロン(登録商標)製ビーカーに入れ、メタノール9mL及び可塑剤としてTEG175.8mgを添加し、50℃のホットプレート上に2日間静置して、架橋PEEAにTEGを導入するとともに、メタノールを完全に除去して、膜試料を得た。この膜試料の表面には若干量のTEGが残っていたので、これを拭き取ることにより、厚さ0.085cmの膜試料を得た。
(2) Preparation of Membrane Samples 75.0 mg of crosslinked MeOH obtained above was cut into strips (thickness 0.073 cm) of 0.82 cm × 0.44 cm and placed in a Teflon (registered trademark) beaker with a capacity of 10 mL. 9 mL of methanol and 175.8 mg of TEG as a plasticizer were added, and the mixture was allowed to stand on a hot plate at 50 ° C. for 2 days to introduce TEG into the crosslinked PEEA, and the methanol was completely removed to obtain a membrane sample. Since a small amount of TEG remained on the surface of this film sample, a film sample having a thickness of 0.085 cm was obtained by wiping it off.

TEG拭き取り後の膜試料の質量は104.7mgであったことから、この膜試料中のTEG含量は、28質量%であることが分かった。 Since the mass of the membrane sample after wiping the TEG was 104.7 mg, it was found that the TEG content in this membrane sample was 28% by mass.

得られた固体高分子電解質膜試料について、JIS K 7121に準拠し、昇温速度10℃/分の条件にて、−90℃〜30℃の温度範囲でガラス転移点Tを測定したところ、−83℃、−57℃、及び−12℃に、3つのTgが見られた。このことから、本比較例における固体高分子電解質膜試料は、各成分の混合が不十分であり、均一なプロトン伝導混合相を形成していないことが示唆された。このときに得られたDSC曲線を図5に示す。 The obtained polymer electrolyte membrane sample where, conforming to JIS K 7121, at a heating rate 10 ° C. / min conditions, the glass transition point was measured T g at a temperature range of -90 ° C. to 30 ° C., Three Tg were found at −83 ° C., −57 ° C., and -12 ° C. From this, it was suggested that the solid polymer electrolyte membrane sample in this comparative example was insufficiently mixed with each component and did not form a uniform proton conduction mixed phase. The DSC curve obtained at this time is shown in FIG.

(3)交流インピーダンス測定
厚さ0.1mmの白金網を電極として用い、得られた導膜試料の交流インピーダンス測定を行った。
(3) AC impedance measurement Using a platinum net with a thickness of 0.1 mm as an electrode, the AC impedance of the obtained film guide sample was measured.

電極間距離を0.70cmとして対向配置した一対の電極間に、得られた膜試料(幅0.48cm、厚さ0.085cm)を挟み込んだ。電極間に挟み込んだ膜試料を自然対流式定温恒温乾燥器中に入れて、温度50℃、相対湿度5RH%の条件下で1時間乾燥させた。 The obtained membrane sample (width 0.48 cm, thickness 0.085 cm) was sandwiched between a pair of electrodes arranged so as to face each other with a distance between the electrodes of 0.70 cm. The membrane sample sandwiched between the electrodes was placed in a natural convection constant temperature and constant temperature dryer, and dried under the conditions of a temperature of 50 ° C. and a relative humidity of 5 RH% for 1 hour.

乾燥器内温度を80℃に昇温し、庫内温度が安定するまで待った後、電圧80mV、周波数を10Hzから1Hz単位で変化させて、相対湿度2.0RH%の無加湿条件下で交流インピーダンス測定を行った。しかし、抵抗値が極めて大きかったため、測定値を得ることはできなかった。従って、本比較例における膜試料のプロトン伝導率は、極めて低いものであることが分かった。 The dryer temperature was raised to 80 ° C., after which the internal temperature is waited to stabilize, voltage 80 mV, and varied 1Hz units from 10 6 Hz frequency, with no humidity under a relative humidity of 2.0RH% AC impedance measurement was performed. However, the measured value could not be obtained because the resistance value was extremely large. Therefore, it was found that the proton conductivity of the membrane sample in this comparative example was extremely low.

本比較例の膜試料における架橋ポリマーは擬流動状態であるが、架橋ポリマーにも可塑剤にもプロトン放出性基が含まれないことにより、ほとんどプロトン伝導性を示さなかったものと考えられる。 Although the crosslinked polymer in the membrane sample of this comparative example was in a quasi-fluid state, it is considered that neither the crosslinked polymer nor the plasticizer contained a proton-releasing group, so that the crosslinked polymer showed almost no proton conductivity.

本比較例における膜試料は、交流インピーダンスの測定後に溶出物が見られた。この溶出物はTEGと考えられる。本比較例における膜試料は、架橋PEEAのエーテル基と、TEGの水酸基との間に、有効な非共有結合がほとんど生じていなかったため、膜試料からTEGが溶出したものと考えられる。 In the membrane sample in this comparative example, elution was observed after the measurement of AC impedance. This eluate is considered TEG. In the membrane sample in this comparative example, it is probable that TEG was eluted from the membrane sample because almost no effective non-covalent bond was formed between the ether group of the crosslinked PEEA and the hydroxyl group of TEG.

<実施例2>
本実施例では、プロトン放出性基を有さない架橋ポリマーと、プロトン放出性基を有する可塑剤とを含む固体高分子電解質膜を調製し、そのプロトン伝導率を調べた。
<Example 2>
In this example, a solid polymer electrolyte membrane containing a crosslinked polymer having no proton-releasing group and a plasticizer having a proton-releasing group was prepared, and its proton conductivity was examined.

(1)架橋ポリマーの合成
塩基性アルミナを充填したカラムに、未精製のアクリル酸−4−ヒドロキシブチルを通して精製した。
(1) Synthesis of crosslinked polymer A column packed with basic alumina was purified by passing unpurified -4-hydroxybutyl acrylate.

第1モノマーとして上記の精製後のアクリル酸−4−ヒドロキシブチル(HBA)1.5g(10.4mmol)、第3モノマーとしてN,N’−メチレンビスアクリルアミド(MBAA)32.1mg(0.208mmol)、RAFT剤としてS−1―ドデシル−S’−(α,α’−ジメチル−α”−酢酸)トリチオカーボネート2.3mg(0.0063mmol)、ラジカル重合開始剤としてアゾビスイソブチロニトリル(AIBN)0.1mg(0.0006mmol)、及び溶媒としてN,N−ジメチルホルムアミド(DMF)758mg(10.4mmol)を、サンプル瓶内で混合して原料溶液を得た。この原料溶液中の第1モノマー:第3モノマー:RAFT剤のモル比は、およそ2,000:40:1である。 As the first monomer, 1.5 g (10.4 mmol) of the purified 4-hydroxybutyl acrylate (HBA) described above, and as the third monomer, 32.1 mg (0.208 mmol) of N, N'-methylenebisacrylamide (MBAA). ), S-1-dodecyl-S'-(α, α'-dimethyl-α "-acetic acid) trithiocarbonate 2.3 mg (0.0063 mmol) as RAFT agent, azobisisobutyronitrile as radical polymerization initiator 0.1 mg (0.0006 mmol) of (AIBN) and 758 mg (10.4 mmol) of N, N-dimethylformamide (DMF) as a solvent were mixed in a sample bottle to obtain a raw material solution. The molar ratio of the first monomer: third monomer: RAFT agent is approximately 2,000: 40: 1.

原料溶液に対して窒素ガスによるバブリングを20分間行った後、オイルバスにより、常圧下、80℃に昇温し、500rpmの撹拌下に7時間重合を行った。7時間後、サンプル瓶をオイルバスから取り出して、重合を停止した。このとき、サンプル瓶内の溶液は流動せず、ゲル化していることが確認された。 After bubbling the raw material solution with nitrogen gas for 20 minutes, the temperature was raised to 80 ° C. under normal pressure by an oil bath, and polymerization was carried out under stirring at 500 rpm for 7 hours. After 7 hours, the sample bottle was removed from the oil bath and polymerization was stopped. At this time, it was confirmed that the solution in the sample bottle did not flow and was gelled.

サンプル内の試料をテフロン(登録商標)製容器に移し、メタノール20mLを加えて1時間浸漬した。1時間後メタノールを除去し、同量の新しいメタノールを加え、再度1時間の浸漬を行った。このメタノール浸漬操作を3回繰り返し、未反応モノマー、低分子オリゴマー、溶媒等を除去して精製した。次いで、50℃のホットプレート上に12時間静置した後、真空乾燥器中、室温において12時間乾燥してメタノールを完全に除去することにより、架橋ポリアクリル酸−4−ヒドロキシブチル(架橋PHBA)を得た。 The sample in the sample was transferred to a Teflon (registered trademark) container, 20 mL of methanol was added, and the mixture was immersed for 1 hour. After 1 hour, methanol was removed, the same amount of fresh methanol was added, and immersion was performed again for 1 hour. This methanol immersion operation was repeated 3 times to remove unreacted monomers, low molecular weight oligomers, solvents and the like for purification. Then, after allowing to stand on a hot plate at 50 ° C. for 12 hours, the mixture was dried in a vacuum dryer at room temperature for 12 hours to completely remove methanol to completely remove the methanol, thereby performing cross-linked polyacrylic acid-4-hydroxybutyl (cross-linked PHBA). Got

得られた架橋PHBAの構造を下記の化学式に示した。

Figure 0006885780
The structure of the obtained crosslinked PHBA is shown in the following chemical formula.
Figure 0006885780

(2)固体高分子電解質膜の調製
上記で得られた架橋PHBA19.1mgを0.8cm×0.1cmの短冊状(厚さ0.10cm)に切り取り、容量10mLのテフロン(登録商標)製ビーカーに入れ、メタノール9mL及び可塑剤42.5mgを添加した。可塑剤としては、質量比58:42で予め混合されたTEG、及び下記式で表されるビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(HTFSI)の混合物を使用した。

Figure 0006885780
(2) Preparation of Solid Polymer Electrolyte Membrane 19.1 mg of crosslinked methanol obtained above is cut into strips (thickness 0.10 cm) of 0.8 cm × 0.1 cm, and a beaker made of Teflon (registered trademark) having a capacity of 10 mL. And 9 mL of methanol and 42.5 mg of plasticizer were added. As the plasticizer, a mixture of TEG premixed at a mass ratio of 58:42 and bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (HTFSI) represented by the following formula was used.
Figure 0006885780

メタノール及び可塑剤を添加した後のビーカーを、50℃のホットプレート上に2日間静置して、架橋PHBAにTEG及びHTFSIを導入するとともに、メタノールを完全に除去して、膜試料を得た。この膜試料の表面には若干量の可塑剤が残っていたので、これを拭き取ることにより、厚さ0.14cmの固体高分子電解質膜試料を得た。 The beaker after adding methanol and a plasticizer was allowed to stand on a hot plate at 50 ° C. for 2 days to introduce TEG and HTFSI into the crosslinked PHBA, and the methanol was completely removed to obtain a membrane sample. .. Since a small amount of plasticizer remained on the surface of this membrane sample, it was wiped off to obtain a solid polymer electrolyte membrane sample having a thickness of 0.14 cm.

TEG拭き取り後の固体高分子電解質膜試料の質量は52.0mgであったことから、この膜試料中の架橋PHBA、HTFSI、及びTEGの割合は、質量比として、37:37:26であることが分かった。 Since the mass of the solid polymer electrolyte membrane sample after wiping the TEG was 52.0 mg, the ratio of the crosslinked PHBA, HTFSI, and TEG in this membrane sample should be 37:37:26 as a mass ratio. I understood.

得られた固体高分子電解質膜試料の構造の模式図を図2に示した。図2において、架橋PHBAが架橋ポリマーであり、TEG及びHTFSIが可塑剤であり、HTFSI中のスルホニルイミド基がプロトン放出性基である。HTFSIのスルホニルイミド基、並びにTEGの水酸基及びエーテル基は、それぞれ、架橋PHBA中の水酸基と非共有結合を形成していると考えられる。HTFSI中のスルホニルイミド基の一部は、プロトンが遊離してスルホニルイミダイドイオンになっている。 A schematic diagram of the structure of the obtained solid polymer electrolyte membrane sample is shown in FIG. In FIG. 2, the cross-linked PHBA is a cross-linked polymer, TEG and HTFSI are plasticizers, and the sulfonylimide group in HTFSI is a proton-releasing group. It is considered that the sulfonylimide group of HTFSI and the hydroxyl group and ether group of TEG each form a non-covalent bond with the hydroxyl group in the crosslinked PHBA. Some of the sulfonylimide groups in HTFSI are liberated into sulfonylimide ions.

架橋PHBA部位のTgは約−40℃である。TEGの融点は約−6℃であり、TEGとHTFSIとの混合物は、室温で液状である。 The Tg of the crosslinked PHBA site is about −40 ° C. The melting point of TEG is about −6 ° C., and the mixture of TEG and HTFSI is liquid at room temperature.

本実施例で得られた固体高分子電解質膜試料について、JIS K 7121に準拠し、昇温速度10℃/分の条件にて、−90℃〜30℃の温度範囲でガラス転移点Tを測定したところ、−67℃に固体高分子電解質膜としての単一のTgが見られた。 The obtained solid polymer electrolyte membrane sample in the present embodiment, conforms to JIS K 7121, at a heating rate 10 ° C. / min condition, the glass transition temperature T g in a temperature range of -90 ° C. to 30 ° C. As a result of measurement, a single Tg as a solid polymer electrolyte membrane was found at −67 ° C.

上記で得られたTgは、明らかに固体高分子電解質膜の稼働温度よりも低い。このTgによると、本実施例の固体高分子電解質膜は、次項の交流インピーダンス測定の測定温度(50℃、80℃、及び95℃)においては擬流動状態のはずであるが、架橋されているために流動せず、膜形状を維持していた。 The Tg obtained above is clearly lower than the operating temperature of the solid polymer electrolyte membrane. According to this Tg, the solid polymer electrolyte membrane of this example should be in a quasi-fluid state at the measurement temperature (50 ° C, 80 ° C, and 95 ° C) of the AC impedance measurement in the next section, but is crosslinked. Therefore, it did not flow and maintained the film shape.

上記で得られた固体高分子電解質膜試料を、温度を変えながら無荷重状態で1時間静置したところ、−40℃以上200℃までの範囲で漏出物は見られず、電池の使用温度範囲において可塑剤がブリードアウトしないことが確認された。 When the solid polymer electrolyte membrane sample obtained above was allowed to stand for 1 hour under no load while changing the temperature, no leaks were observed in the range of -40 ° C to 200 ° C, and the operating temperature range of the battery was observed. It was confirmed that the plasticizer did not bleed out.

(3)交流インピーダンス測定
実施例1と略同様の手順により、得られた固体高分子電解質膜試料(幅0.17cm、厚さ0.14cm)の交流インピーダンス測定を行った。
(3) AC Impedance Measurement The AC impedance of the obtained solid polymer electrolyte membrane sample (width 0.17 cm, thickness 0.14 cm) was measured by substantially the same procedure as in Example 1.

測定温度を、50℃(相対湿度10.5RH%)、80℃(相対湿度2.9RH%)、及び95℃(相対湿度1.4RH%)の3水準として、それぞれ、抵抗値の絶対値がほぼ一定となる周波数領域における抵抗値、及び上記数式(1)によってプロトン伝導率を求めた。結果は表1に示した。 The measurement temperature is set to 3 levels of 50 ° C (relative humidity 10.5 RH%), 80 ° C (relative humidity 2.9 RH%), and 95 ° C (relative humidity 1.4 RH%), and the absolute value of the resistance value is The resistance value in a frequency region that is almost constant and the proton conductivity were determined by the above equation (1). The results are shown in Table 1.

表1に示したとおり、温度の上昇に伴ってプロトン伝導率が大きくなった。これは、温度の上昇に伴って擬流動状態のプロトン伝導混合相の分子運動性が上がり、その結果プロトン伝導性が向上したことによると考えられる。 As shown in Table 1, the proton conductivity increased as the temperature increased. It is considered that this is because the molecular motility of the quasi-fluid state proton conduction mixed phase increases as the temperature rises, and as a result, the proton conductivity improves.

本実施例における固体高分子電解質膜試料は、交流インピーダンスの測定中、溶出物は見られず、流動せずに膜形状を維持していた。 In the solid polymer electrolyte membrane sample in this example, no eluate was observed during the measurement of the AC impedance, and the membrane shape was maintained without flowing.

<実施例3>
本実施例では、プロトン放出性基を有する架橋ポリマーと、プロトン放出性基を有する可塑剤とを含む固体高分子電解質膜を調製し、そのプロトン伝導率を調べた。
<Example 3>
In this example, a solid polymer electrolyte membrane containing a crosslinked polymer having a proton-releasing group and a plasticizer having a proton-releasing group was prepared, and its proton conductivity was examined.

(1)架橋ポリマーの合成
第2モノマーとして2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸(AMPS)605mg(2.92mmol)、第3モノマーとしてN,N’−メチレンビスアクリルアミド(MBAA)11.2mg(0.0726mmol)、及びラジカル重合開始剤としてアゾビスイソブチロニトリル(AIBN)3.0mg(0.018mmol)、並びに、可塑剤として、ポリ(4−スチレンスルホン酸)(PSS、Sigma−Aldrich製、重量平均分子量75,000)の18質量%水溶液1.68g及びTEG2.21を、サンプル瓶内で混合して原料溶液を得た。
(1) Synthesis of crosslinked polymer As the second monomer, 2-acrylamide-2-methylpropanesulfonic acid (AMPS) 605 mg (2.92 mmol), and as the third monomer, N, N'-methylenebisacrylamide (MBAA) 11.2 mg ( 0.0726 mmol), 3.0 mg (0.018 mmol) of azobisisobutyronitrile (AIBN) as a radical polymerization initiator, and poly (4-styrene sulfonic acid) (PSS, manufactured by Sigma-Aldrich) as a plasticizer. , 1.68 g of an 18 mass% aqueous solution having a weight average molecular weight of 75,000) and 2.21 g of TEG were mixed in a sample bottle to obtain a raw material solution.

原料溶液に対して窒素ガスによるバブリングを10分間行った後、オイルバスにより、常圧下、70℃に昇温し、500rpmの撹拌下に1時間重合を行った。7時間後、サンプル瓶をオイルバスから取り出して、重合を停止した。このとき、サンプル瓶内の溶液は流動せず、ゲル化していることが確認された。得られたゲルをサンプル瓶から取り出し、真空乾燥器中、40℃において2日間真空乾燥して水分を除去することにより、固体高分子電解質膜(架橋ポリ(2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸)(架橋PAMPS)、PSS、及びTEGの混合物(質量比2:1:7))を得た。 After bubbling the raw material solution with nitrogen gas for 10 minutes, the temperature was raised to 70 ° C. under normal pressure by an oil bath, and polymerization was carried out under stirring at 500 rpm for 1 hour. After 7 hours, the sample bottle was removed from the oil bath and polymerization was stopped. At this time, it was confirmed that the solution in the sample bottle did not flow and was gelled. The obtained gel is taken out from the sample bottle and dried in a vacuum dryer at 40 ° C. for 2 days to remove water, thereby removing a solid polymer electrolyte membrane (crosslinked poly (2-acrylamide-2-methylpropanesulfonic acid). ) (Cross-linked acrylamide), PSS, and TEG mixture (mass ratio 2: 1: 7)).

架橋PAMPSの構造を下記の化学式に示した。

Figure 0006885780
The structure of the crosslinked PAMPS is shown in the chemical formula below.
Figure 0006885780

得られた固体高分子電解質膜の構造の模式図を図3に示した。図3において、架橋PAMPSが架橋ポリマーであり、PSS及びTEGが可塑剤であり、架橋PAMPS中のスルホン酸基及びPSS中のスルホン酸基のそれぞれがプロトン放出性基である。PSSのスルホン酸基、並びにTEGの水酸基及びエーテル基は、架橋PAMPS中のスルホン酸基及びアミド基との間に非共有結合を形成していると考えられる。固体高分子電解質膜中のスルホン酸基の一部からはプロトンが遊離して、スルホネートイオンになっていると考えられる。 A schematic diagram of the structure of the obtained solid polymer electrolyte membrane is shown in FIG. In FIG. 3, the cross-linked PAMPS is a cross-linked polymer, PSS and TEG are plasticizers, and each of the sulfonic acid group in the cross-linked PAMPS and the sulfonic acid group in the PSS is a proton-releasing group. It is considered that the sulfonic acid group of PSS and the hydroxyl group and ether group of TEG form a non-covalent bond with the sulfonic acid group and the amide group in the crosslinked PAMPS. It is considered that protons are liberated from some of the sulfonic acid groups in the solid polymer electrolyte membrane to form sulfonate ions.

得られた固体高分子電解質膜について、JIS K 7121に準拠し、昇温速度10℃/分の条件にて、−90℃〜30℃の温度範囲で測定したガラス転移点Tは、−75℃であった。このTgは、明らかに固体高分子電解質膜の稼働温度よりも低い。このTgによると、この固体高分子電解質膜は、交流インピーダンス測定の測定温度(50℃、80℃、及び95℃)においては擬流動状態のはずであるが、ポリマーが架橋されているために流動せず、膜形状を維持していた。 The obtained solid polymer electrolyte membrane, conforming to JIS K 7121, at a heating rate 10 ° C. / min conditions, the glass transition point The T g was measured in the temperature range of -90 ° C. to 30 ° C., -75 It was ° C. This Tg is clearly lower than the operating temperature of the solid polymer electrolyte membrane. According to this Tg, this solid polymer electrolyte membrane should be in a pseudo-fluid state at the measurement temperatures of AC impedance measurement (50 ° C, 80 ° C, and 95 ° C), but it flows because the polymer is crosslinked. The film shape was maintained without doing so.

上記で得られた固体高分子電解質膜試料を、温度を変えながら無荷重状態で1時間静置したところ、−40℃以上200℃までの範囲で漏出物は見られず、電池の使用温度範囲において可塑剤がブリードアウトしないことが確認された。 When the solid polymer electrolyte membrane sample obtained above was allowed to stand for 1 hour under no load while changing the temperature, no leaks were observed in the range of -40 ° C to 200 ° C, and the operating temperature range of the battery was observed. It was confirmed that the plasticizer did not bleed out.

(3)交流インピーダンス測定
得られた固体高分子電解質膜を、幅0.47cm、厚さ0.051cmの短冊状に切り出したものを試料とし、実施例1と略同様の手順によって交流インピーダンス測定を行った。
(3) AC Impedance Measurement Using the obtained solid polymer electrolyte membrane cut into strips with a width of 0.47 cm and a thickness of 0.051 cm as a sample, AC impedance measurement was performed by substantially the same procedure as in Example 1. went.

測定温度を、50℃(相対湿度5.9RH%)、80℃(相対湿度1.3RH%)、及び95℃(相対湿度0.8RH%)の3水準として、それぞれ、抵抗値の絶対値がほぼ一定となる周波数領域における抵抗値、及び上記数式(1)によってプロトン伝導率を求めた。結果は表1に示した。 The measurement temperature is set to 3 levels of 50 ° C (relative humidity 5.9 RH%), 80 ° C (relative humidity 1.3 RH%), and 95 ° C (relative humidity 0.8 RH%), and the absolute value of the resistance value is The resistance value in a frequency region that is almost constant and the proton conductivity were determined by the above equation (1). The results are shown in Table 1.

表1に示したとおり、温度の上昇に伴ってプロトン伝導率が大きくなった。これは、温度の上昇に伴って擬流動状態のプロトン伝導混合相の分子運動性が上がり、その結果として、プロトン伝導性が向上したことによると考えられる。 As shown in Table 1, the proton conductivity increased as the temperature increased. It is considered that this is because the molecular motility of the quasi-fluid state proton conduction mixed phase increases as the temperature rises, and as a result, the proton conductivity improves.

本実施例における固体高分子電解質膜試料は、交流インピーダンスの測定中、溶出物は見られず、流動せずに膜形状を維持していた。 In the solid polymer electrolyte membrane sample in this example, no eluate was observed during the measurement of the AC impedance, and the membrane shape was maintained without flowing.

Figure 0006885780
Figure 0006885780

表1におけるモノマー及び可塑剤の略称は、それぞれ、以下の意味である。
[第1モノマー]
EEA:アクリル酸−2−(2−エトキシエトキシ)エチル
HBA:アクリル酸−4−ヒドロキシブチル
[第2モノマー]
AMPS:2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸
[第3モノマー]
MBAA:N,N’−メチレンビスアクリルアミド
[可塑剤]
HITFSI:ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド
PSS:ポリ(4−スチレンスルホン酸)、Sigma−Aldrich製、重量平均分子量75,000、18質量%水溶液として供給
TEG:テトラエチレングリコール
The abbreviations for monomers and plasticizers in Table 1 have the following meanings, respectively.
[First monomer]
EEA: -2- (2-ethoxyethoxy) ethyl acrylate HBA: -4-hydroxybutyl acrylate [second monomer]
AMPS: 2-acrylamide-2-methylpropansulfonic acid [third monomer]
MBAA: N, N'-methylenebisacrylamide [Plasticizer]
HITFSI: Bis (trifluoromethanesulfonyl) imide PSS: Poly (4-styrene sulfonic acid), manufactured by Sigma-Aldrich, weight average molecular weight 75,000, supplied as 18% by mass aqueous solution TEG: tetraethylene glycol

Claims (13)

架橋ポリマー及び可塑剤を含み、
前記架橋ポリマーが、
前記プロトン放出性基以外の極性基を有するビニル系モノマーである第1モノマーと、
プロトン放出性基を有するビニル系モノマーである第2モノマーと、
架橋性ビニル系モノマーである第3モノマーと
の共重合体である、
固体高分子電解質膜。
Contains crosslinked polymers and plasticizers
The crosslinked polymer
The first monomer, which is a vinyl-based monomer having a polar group other than the proton-releasing group,
A second monomer, which is a vinyl-based monomer having a proton-releasing group,
With a third monomer, which is a crosslinkable vinyl-based monomer
Is a copolymer of
Solid polymer electrolyte membrane.
前記可塑剤がプロトン放出性基を有する可塑剤を含む、請求項1に記載の固体高分子電解質膜。The solid polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein the plasticizer contains a plasticizer having a proton-releasing group. 前記可塑剤が、プロトン放出性基を有さない可塑剤を更に含む、請求項1又は2に記載の固体高分子電解質膜。The solid polymer electrolyte membrane according to claim 1 or 2, wherein the plasticizer further contains a plasticizer having no proton-releasing group. 前記プロトン放出性基が、スルホン酸基、スルホニルアミド基、スルホニルイミド基、及びリン酸基から選択される、請求項1〜3のいずれか一項に記載の固体高分子電解質膜。 The solid polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 3, wherein the proton-releasing group is selected from a sulfonic acid group, a sulfonylamide group, a sulfonylimide group, and a phosphoric acid group. 前記第1モノマーが、(メタ)アクリル酸エステル、プロトン放出性基以外の極性基によって置換されたスチレン、並びに、プロトン放出性基以外の極性基及びフッ素原子の双方を有するビニル系モノマーから選ばれる1種以上である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の固体高分子電解質膜。 The first monomer is selected from (meth) acrylic acid ester, styrene substituted with a polar group other than the proton-releasing group, and a vinyl-based monomer having both a polar group other than the proton-releasing group and a fluorine atom. The solid polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 4, which is one or more. 前記第2モノマーが、アリルスルホン酸、ポリ(4−スチレンスルホン酸)、及び下記式(2)で表される化合物から選ばれる1種以上である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の固体高分子電解質膜。
Figure 0006885780
(式(2)中、Rは水素原子又はメチル基であり、RIIは炭素数1〜6のアルキレン基である。)
The second monomer is one or more selected from allyl sulfonic acid, poly (4-styrene sulfonic acid), and a compound represented by the following formula (2), according to any one of claims 1 to 5. The solid polymeric electrolyte membrane of the description.
Figure 0006885780
(In the formula (2), R 4 is a hydrogen atom or a methyl group, and R II is an alkylene group having 1 to 6 carbon atoms.)
前記プロトン放出性基を有する可塑剤が、芳香族スルホン酸化合物、スルホン酸基含有ポリマー、及びフッ素原子含有スルホニルイミド化合物から選択される化合物を含む、請求項2〜6のいずれか一項に記載の固体高分子電解質膜。 The invention according to any one of claims 2 to 6 , wherein the plasticizer having a proton-releasing group includes a compound selected from an aromatic sulfonic acid compound, a sulfonic acid group-containing polymer, and a fluorine atom-containing sulfonylimide compound. Solid polymer electrolyte membrane. 前記架橋ポリマー100質量部に対する前記可塑剤の使用割合が、10質量部以上1,000質量部以下である、請求項1〜のいずれか一項に記載の固体高分子電解質膜。 The solid polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 7 , wherein the ratio of the plasticizer used to 100 parts by mass of the crosslinked polymer is 10 parts by mass or more and 1,000 parts by mass or less. 前記固体高分子電解質膜のガラス転移温度が0℃以下である、請求項1〜のいずれか一項に記載の固体高分子電解質膜。 The solid polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 8 , wherein the glass transition temperature of the solid polymer electrolyte membrane is 0 ° C. or lower. −40℃以上200℃未満の温度範囲において、前記固体高分子電解質膜が膜形状を維持し、且つ前記可塑剤がブリードアウトしない、請求項1〜のいずれか一項に記載の固体高分子電解質膜。 The solid polymer according to any one of claims 1 to 9 , wherein the solid polymer electrolyte membrane maintains the film shape and the plasticizer does not bleed out in a temperature range of −40 ° C. or higher and lower than 200 ° C. Electrolyte membrane. 前記固体高分子電解質膜のプロトン伝導率が、50℃において1×10−4S/cm以上である、請求項1〜10のいずれか一項に記載の固体高分子電解質膜。 The solid polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 10 , wherein the proton conductivity of the solid polymer electrolyte membrane is 1 × 10 -4 S / cm or more at 50 ° C. プロトン伝導膜である、請求項1〜11のいずれか一項に記載の固体高分子電解質膜。 The solid polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 11 , which is a proton conductive membrane. 請求項1〜12のいずれか一項に記載の固体高分子電解質膜から成る、燃料電池用固体高分子電解質膜。 A solid polymer electrolyte membrane for a fuel cell, comprising the solid polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 12.
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US6030718A (en) * 1997-11-20 2000-02-29 Avista Corporation Proton exchange membrane fuel cell power system
JP2004363013A (en) * 2003-06-06 2004-12-24 Toray Ind Inc Polymer solid electrolyte and solid polymer fuel cell using it
JP2005132880A (en) * 2003-10-28 2005-05-26 Jsr Corp Polyelectrolyte and proton conductive membrane
KR100647287B1 (en) * 2004-08-31 2006-11-23 삼성에스디아이 주식회사 Polymer electrolyte membrane and fuel cell employing the same
KR100723389B1 (en) * 2005-12-21 2007-05-30 삼성에스디아이 주식회사 Polymer electrolyte membrane and fuel cell employing the same
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