JP7068137B2 - Proton conduction membrane and fuel cell - Google Patents

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Description

本開示は、プロトン伝導膜及び燃料電池に関する。 The present disclosure relates to proton conductive membranes and fuel cells.

燃料電池用の電解質材料として、プロトン伝導膜が知られている。 A proton conductive film 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プロトン伝導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 polyelectrolyte precursor film from the dispersion obtained in the first step, and
The third step of alkaline hydrolysis and acid treatment of the polyelectrolyte precursor film obtained in the second step to obtain a polyelectrolyte film, 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 proton conductive film 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プロトン伝導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、このプロトン伝導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 proton conductive membrane obtained by the technique of Patent Document 1 to exhibit proton conductivity. Therefore, the fuel cell provided with this proton conductive film needs to limit the operating temperature to less than the boiling point of water.

本開示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、プロトン伝導膜を提供することである。 The present disclosure is intended to improve the above circumstances, and an object thereof is to provide a proton conductive film exhibiting high proton conductivity even in an anhydrous environment.

上記の目的を達成する本開示は、以下のとおりである。 The disclosure that achieves the above objectives is as follows.

〈態様1〉
架橋ポリマー及び可塑剤を含み、
前記架橋ポリマーが、プロトン受容性基を、前記架橋ポリマーを構成する繰り返し単位の10mol%以上有し、
前記可塑剤が、pKa2.5以下のプロトン供与性化合物を含み、かつ
50℃以上120℃以下の温度範囲で粘弾性固体である、
プロトン伝導膜。
〈態様2〉
前記架橋ポリマー及び前記可塑剤の合計を100質量部としたときの前記可塑剤の含有量が、60質量部以上90質量部以下である、態様1に記載のプロトン伝導膜。
〈態様3〉
前記プロトン供与性化合物が、硫酸及びリン酸から選択される1種以上である、態様1又は2に記載のプロトン伝導膜。
〈態様4〉
前記プロトン受容性基が、含窒素複素環基である、態様1~3のいずれか一項に記載のプロトン伝導膜。
〈態様5〉
前記プロトン伝導膜のガラス転移点が30℃以下である、態様1~4のいずれか一項に記載のプロトン伝導膜。
〈態様6〉
前記架橋ポリマーが、プロトン受容性基を有するビニル系モノマーである第1モノマー、及び架橋性ビニルモノマーである第2モノマーの共重合体である、態様1~5のいずれか一項に記載のプロトン伝導膜。
〈態様7〉
前記プロトン伝導膜のプロトン伝導率が、50℃において7.4mS/cm以上である、態様1~6のいずれか一項に記載のプロトン伝導膜。
〈態様8〉
前記プロトン受容性基に対する前記プロトン供与性化合物のモル比が、1.0以上10.0以下である、請求項1~7のいずれか一項に記載のプロトン伝導膜。
〈態様9〉
態様1~8のいずれか一項に記載のプロトン伝導膜を有する、燃料電池。
〈態様10〉
架橋ポリマー及び可塑剤を含むプロトン伝導膜の製造方法であって、
前記架橋ポリマーが、プロトン受容性基を、前記架橋ポリマーを構成する繰り返し単位の10mol%以上有し、
前記可塑剤が、pKa2.5以下のプロトン供与性化合物を含み、
前記プロトン伝導膜は、50℃以上120℃以下の温度範囲で粘弾性固体であり、かつ
前記方法は、前記プロトン受容性基を有するビニル系モノマーである第1モノマーを重合させて、前駆体ポリマーを得て、そして前記前駆体ポリマーに架橋剤を添加して、前記前駆体ポリマーを架橋させることによって、前記架橋ポリマーを得ることを含む、
プロトン伝導膜の製造方法。
〈態様11〉
架橋ポリマー及び可塑剤を含むプロトン伝導膜の製造方法であって、
前記架橋ポリマーが、プロトン受容性基を、前記架橋ポリマーを構成する繰り返し単位の10mol%以上有し、
前記可塑剤が、pKa2.5以下のプロトン供与性化合物を含み、
前記プロトン伝導膜は、50℃以上120℃以下の温度範囲で粘弾性固体であり、かつ
前記方法は、前記プロトン受容性基を有するビニル系モノマーである第1モノマーと、架橋性ビニルモノマーである第2モノマーとを重合及び架橋させることによって、前記架橋ポリマーを得ることを含む、
プロトン伝導膜の製造方法。
<Aspect 1>
Contains crosslinked polymers and plasticizers
The crosslinked polymer has a proton-accepting group of 10 mol% or more of the repeating units constituting the crosslinked polymer.
The plasticizer contains a proton-donating compound having a pKa of 2.5 or less and is a viscoelastic solid in a temperature range of 50 ° C. or higher and 120 ° C. or lower.
Proton conduction membrane.
<Aspect 2>
The proton conduction membrane according to aspect 1, wherein the content of the plasticizer is 60 parts by mass or more and 90 parts by mass or less when the total of the crosslinked polymer and the plasticizer is 100 parts by mass.
<Aspect 3>
The proton conductive membrane according to aspect 1 or 2, wherein the proton-donating compound is one or more selected from sulfuric acid and phosphoric acid.
<Aspect 4>
The proton conduction membrane according to any one of aspects 1 to 3, wherein the proton-accepting group is a nitrogen-containing heterocyclic group.
<Aspect 5>
The proton conduction membrane according to any one of aspects 1 to 4, wherein the glass transition point of the proton conduction membrane is 30 ° C. or lower.
<Aspect 6>
The proton according to any one of aspects 1 to 5, wherein the crosslinked polymer is a copolymer of a first monomer which is a vinyl-based monomer having a proton-accepting group and a second monomer which is a crosslinked vinyl monomer. Conductive membrane.
<Aspect 7>
The proton conduction membrane according to any one of aspects 1 to 6, wherein the proton conductivity of the proton conduction membrane is 7.4 mS / cm or more at 50 ° C.
<Aspect 8>
The proton conduction membrane according to any one of claims 1 to 7, wherein the molar ratio of the proton-donating compound to the proton-accepting group is 1.0 or more and 10.0 or less.
<Aspect 9>
A fuel cell having the proton conductive film according to any one of aspects 1 to 8.
<Aspect 10>
A method for producing a proton conductive film containing a crosslinked polymer and a plasticizer.
The crosslinked polymer has a proton-accepting group of 10 mol% or more of the repeating units constituting the crosslinked polymer.
The plasticizer contains a proton donating compound having a pKa of 2.5 or less.
The proton conductive film is a viscoelastic solid in a temperature range of 50 ° C. or higher and 120 ° C. or lower, and the method is a precursor polymer obtained by polymerizing a first monomer which is a vinyl-based monomer having a proton-accepting group. And by adding a cross-linking agent to the precursor polymer to cross-link the precursor polymer, the present invention comprises obtaining the cross-linked polymer.
A method for manufacturing a proton conductive membrane.
<Aspect 11>
A method for producing a proton conductive film containing a crosslinked polymer and a plasticizer.
The crosslinked polymer has a proton-accepting group of 10 mol% or more of the repeating units constituting the crosslinked polymer.
The plasticizer contains a proton donating compound having a pKa of 2.5 or less.
The proton conductive film is a viscous elastic solid in a temperature range of 50 ° C. or higher and 120 ° C. or lower, and the method is a first monomer which is a vinyl-based monomer having a proton-accepting group and a crosslinkable vinyl monomer. The cross-linking polymer is obtained by polymerizing and cross-linking with the second monomer.
A method for manufacturing a proton conductive membrane.

本開示のプロトン伝導膜は、無水環境下でも高いプロトン伝導性を示すことができる。したがって、本開示のプロトン伝導膜は、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 proton conductive membrane of the present disclosure can exhibit high proton conductivity even in an anhydrous environment. Therefore, the proton conduction membrane of the present disclosure is particularly suitable for use as a proton conduction membrane in a fuel cell.

図1は、本開示のプロトン伝導膜が機能を発現する機構を説明するための概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the mechanism by which the proton conductive membrane of the present disclosure expresses its function. 図2は、実施例9の引張試験から得られた応力-歪み曲線を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a stress-strain curve obtained from the tensile test of Example 9. 図3は、参考例1のポリマーについて、プロトン受容性基に対するプロトン供与性化合物のモル比が変化したときのガラス転移点の変化傾向を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the change tendency of the glass transition point of the polymer of Reference Example 1 when the molar ratio of the proton-donating compound to the proton-accepting group changes. 図4は、参考例2のポリマーにおいて、プロトン受容性基に対するプロトン供与性化合物のモル比が変化したときのプロトン伝導率の変化傾向を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the change tendency of the proton conductivity when the molar ratio of the proton-donating compound to the proton-accepting group changes in the polymer of Reference Example 2.

本開示のプロトン伝導膜は、
架橋ポリマー及び可塑剤を含み、
前記架橋ポリマーが、プロトン受容性基を、架橋ポリマーを構成する繰り返し単位の10mol%以上有し、
前記可塑剤が、pKa2.5以下のプロトン供与性化合物を含み、かつ
50℃以上120℃以下の温度範囲で粘弾性固体である。
The proton conductive membrane of the present disclosure is
Contains crosslinked polymers and plasticizers
The crosslinked polymer has a proton-accepting group of 10 mol% or more of the repeating units constituting the crosslinked polymer.
The plasticizer contains a proton-donating compound having a pKa of 2.5 or less and is a viscoelastic solid in a temperature range of 50 ° C. or higher and 120 ° C. or lower.

本開示に関して、「粘弾性固体」は、粘性及び弾性を有する固体であって、流動性を示さず、かつ形状を維持する固体を意味している。具体的には、この「粘弾性固体」である物質は、応力を加えて小さな変形を生じさせたときに、変形に対する応力が、変形直後に最大になり、かつ時間の経過とともに低下するものの、最終的に0ではない一定値となり、またその状態で変形させていた応力を取り除くと、変形が小さくなり、場合によっては元の形に戻る性質を有している。 With respect to the present disclosure, "viscoelastic solid" means a solid that is viscous and elastic, does not exhibit fluidity, and maintains its shape. Specifically, in this "viscoelastic solid" substance, when stress is applied to cause a small deformation, the stress on the deformation becomes maximum immediately after the deformation and decreases with the passage of time. Finally, it becomes a constant value other than 0, and when the stress deformed in that state is removed, the deformation becomes small, and in some cases, it has the property of returning to the original shape.

本開示のプロトン伝導膜は、無水環境下でも高いプロトン伝導性を示すことができる。本開示のプロトン伝導膜の高いプロトン伝導性は、可塑剤としてのプロトン供与性化合物によって提供されるプロトンが、架橋ポリマーのプロトン受容性基上を移動することによって得られていると考えられる。 The proton conductive membrane of the present disclosure can exhibit high proton conductivity even in an anhydrous environment. It is believed that the high proton conductivity of the proton conductive membranes of the present disclosure is obtained by the transfer of protons provided by the proton donor compound as a plasticizer over the proton accepting groups of the crosslinked polymer.

また、本開示のプロトン伝導膜では、可塑剤としてのプロトン供与性化合物がプロトンを供与してアニオン化し、かつ架橋ポリマーのプロトン受容性基がプロトンを受容してカチオン化することによって、それらの間の静電気的相互作用によって可塑剤としてのプロトン供与性化合物が架橋ポリマー内にとどまり、それによって全体として粘弾性固体の状態を維持できていると考えられる。このような粘弾性固体は、プロトン伝導膜内での分子運動を促進し、それによってプロトン伝導性を促進していると考えられる。 Further, in the proton conductive film of the present disclosure, a proton donating compound as a plasticizer donates a proton to anionize it, and a proton accepting group of a crosslinked polymer receives a proton to cationize between them. It is considered that the proton donating compound as a plasticizer stays in the crosslinked polymer due to the electrostatic interaction of the above, thereby maintaining the state of the viscoelastic solid as a whole. It is considered that such a viscoelastic solid promotes molecular motion in the proton conductive membrane, thereby promoting proton conductivity.

一方で、本開示のプロトン伝導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。すなわち、架橋ポリマーは、その架橋構造によって、膜形状を維持していると考えられる。 On the other hand, it is considered that the proton conductive film of the present disclosure maintains the film shape because the crosslinked structure of the polymer contributes. That is, it is considered that the crosslinked polymer maintains the film shape due to its crosslinked structure.

プロトン伝導膜の膜形状の維持は、例えば、プロトン伝導膜を、電池の使用温度範囲(例えば、50℃以上120℃以下の範囲、特に40℃以上200℃以下の範囲、又は0℃以上150℃以下の範囲)において、無荷重状態で1時間にわたって静置したときに、プロトン伝導膜が実質的に変形及び収縮をしないこと、例えばプロトン伝導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%以下であることを意味する。 To maintain the membrane shape of the proton conductive film, for example, the proton conductive film is placed in the operating temperature range of the battery (for example, in the range of 50 ° C. or higher and 120 ° C. or lower, particularly in the range of 40 ° C. or higher and 200 ° C. or lower, or 0 ° C. or higher and 150 ° C. In the following range), the proton conductive membrane does not substantially deform and contract when left to stand for 1 hour under no load, for example, the rate of change in length in the plane direction and the thickness direction of the proton conductive film. For example, it means that it is 5% or less, 3% or less, or 1% or less.

図1に、本開示のプロトン伝導膜が機能を発現する機構を説明するための概略図を示した。 FIG. 1 shows a schematic diagram for explaining the mechanism by which the proton conductive membrane of the present disclosure expresses its function.

図1のプロトン伝導膜は、「プロトン受容性基」を有する「架橋ポリマー」及びプロトン供与性化合物である「可塑剤」から構成されている。「架橋ポリマー」は「架橋点」において架橋して、架橋構造を形成している。これにより、本開示のプロトン伝導膜は膜形状を維持することができる。図1における「可塑剤」は、プロトン供与性の2塩基酸として描かれている。 The proton conductive membrane of FIG. 1 is composed of a "crosslinked polymer" having a "proton-accepting group" and a "plasticizer" which is a proton-donating compound. The "crosslinked polymer" is crosslinked at the "crosslink point" to form a crosslinked structure. Thereby, the proton conductive film of the present disclosure can maintain the film shape. The "plasticizer" in FIG. 1 is depicted as a proton donating dibasic acid.

「可塑剤」のプロトン供与性基は、1個又は2個のプロトンを放出して、「1価アニオン」又は「2価アニオン」を形成する。一方、放出されたプロトンは、「架橋ポリマー」の「プロトン受容性基」に受容されて「カチオン」を形成する。この状態で、粘弾性固体である図1のプロトン伝導膜中において、可塑剤は、高い分子運動性を示すことができるので、プロトンは膜中を容易に移動することができ、これによって高いプロトン電動性を示す。 The proton donating group of the "plasticizer" releases one or two protons to form a "monovalent anion" or "divalent anion". On the other hand, the released protons are accepted by the "proton-accepting group" of the "crosslinked polymer" to form a "cation". In this state, in the proton conduction membrane of FIG. 1, which is a viscoelastic solid, the plasticizer can exhibit high molecular mobility, so that the protons can easily move in the membrane, whereby the high protons can be obtained. Shows electric power.

また、「可塑剤」がプロトンを放出した後の「1価アニオン」又は「2価アニオン」と、「架橋ポリマー」の「プロトン受容性基」がプロトンを受容した後の「カチオン」とが、「イオン性相互作用」を形成することにより、「可塑剤」は膜中に保持されて、膜の外部に漏出することが高度に抑制されており、膜は全体として粘弾性固体の状態を維持することができる。 Further, the "monovalent anion" or "divalent anion" after the "plastic agent" releases the proton and the "cation" after the "proton-accepting group" of the "crosslinked polymer" receives the proton are By forming an "ionic interaction", the "plastic agent" is retained in the membrane and highly suppressed from leaking out of the membrane, and the membrane remains in a viscoelastic solid state as a whole. can do.

以下、本開示のプロトン伝導膜について、好ましい実施形態を例として説明する。 Hereinafter, the proton conductive membrane of the present disclosure will be described with reference to a preferred embodiment as an example.

〈架橋ポリマー〉
本開示のプロトン伝導膜に含まれる架橋ポリマーは、プロトン受容性基を、架橋ポリマーを構成する繰り返し単位の10mol%以上有する。
<Crosslink polymer>
The crosslinked polymer contained in the proton conductive membrane of the present disclosure has a proton-accepting group of 10 mol% or more of the repeating units constituting the crosslinked polymer.

架橋ポリマーのプロトン受容性基は、含窒素複素環基であってよい。含窒素複素環基は、例えば、ピリジン環基、イミダゾール環基、ピラゾール環基、イミダゾリン環基、オキサゾール環基、ピリミジン環基、ピラジン環基、トリアゾール環基、テトラゾール環基等であってよい。これらの含窒素複素環基は、含窒素複素芳香環基であることが好ましく、特に好ましくは、ピリジン環基又はイミダゾール環基である。 The proton-accepting group of the crosslinked polymer may be a nitrogen-containing heterocyclic group. The nitrogen-containing heterocyclic group may be, for example, a pyridine ring group, an imidazole ring group, a pyrazole ring group, an imidazoline ring group, an oxazole ring group, a pyrimidine ring group, a pyrazine ring group, a triazole ring group, a tetrazole ring group or the like. These nitrogen-containing heterocyclic groups are preferably nitrogen-containing heteroaromatic ring groups, and particularly preferably pyridine ring groups or imidazole ring groups.

したがって、例えば、架橋ポリマーは、ポリ(2-ビニルピリジン)、ポリ(4-ビニルピリジン)、ポリ(1-ビニルイミダゾール)、ポリ(2-メチル-1-ビニルイミダゾール)、ポリ(2-ビニルイミダゾール)、ポリ(4-ビニルイミダゾール)、ポリ(2-フェニル-1-ビニルイミダゾール)、ポリ(1-ビニルカルバゾール)、又はポリ((メタ)アクリル酸2-(1H-イミダゾール-1-イル)エチル)等であってよいが、これらに限定されない。 Thus, for example, the crosslinked polymers are poly (2-vinylpyridine), poly (4-vinylpyridine), poly (1-vinylimidazole), poly (2-methyl-1-vinylimidazole), poly (2-vinylimidazole). ), Poly (4-vinylimidazole), poly (2-phenyl-1-vinylimidazole), poly (1-vinylcarbazole), or poly ((meth) acrylate 2- (1H-imidazole-1-yl) ethyl) ) Etc., but is not limited to these.

架橋ポリマー中に含まれるプロトン受容性基が、架橋ポリマーの繰り返し単位の10mol%以上存在することは、十分に高いプロトン伝導率を確保し、かつイオン性相互作用によって可塑剤の漏出を抑制する観点から好ましい。 The presence of 10 mol% or more of the repeating unit of the crosslinked polymer in the crosslinked polymer ensures sufficiently high proton conductivity and suppresses leakage of the plasticizer by ionic interaction. Is preferable.

この割合は、15mol%以上、20mol%以上、30mol%以上、40mol%以上、50mol%以上、60mol%以上、70mol%以上、80mol%以上、90mol%以上、95mol%以上、96mol%以上、又は97mol%以上であってよい。また、この割合は、99.5mol%以下、99mol%以下、98mol%以下、95mol%以下、90mol%以下、80mol%以下、70mol%以下、60mol%以下、50mol%以下、40mol%以下、又は35mol%以下であってよい。 This ratio is 15 mol% or more, 20 mol% or more, 30 mol% or more, 40 mol% or more, 50 mol% or more, 60 mol% or more, 70 mol% or more, 80 mol% or more, 90 mol% or more, 95 mol% or more, 96 mol% or more, or 97 mol. It may be% or more. The ratio is 99.5 mol% or less, 99 mol% or less, 98 mol% or less, 95 mol% or less, 90 mol% or less, 80 mol% or less, 70 mol% or less, 60 mol% or less, 50 mol% or less, 40 mol% or less, or 35 mol. It may be less than or equal to%.

架橋ポリマー1g当たりのプロトン受容性基の量(モル数)は、例えば、0.1mmol/g-ポリマー以上、0.5mmol/g-ポリマー以上、1.0mmol/g-ポリマー以上、2.5mmol/g-ポリマー以上、又は5.0mmol/g-ポリマー以上であってよく、架橋ポリマーの合成を容易にし、かつ、得られるポリマーのハンドリング性を確保する観点から、例えば、50mmol/g-ポリマー以下、40mmol/g-ポリマー以下、30mmol/g-ポリマー以下、又は25mmol/g-ポリマー以下であってよい。 The amount (number of moles) of proton-accepting groups per 1 g of the crosslinked polymer is, for example, 0.1 mmol / g-polymer or more, 0.5 mmol / g-polymer or more, 1.0 mmol / g-polymer or more, 2.5 mmol /. It may be g-polymer or more, or 5.0 mmol / g-polymer or more, and from the viewpoint of facilitating the synthesis of the crosslinked polymer and ensuring the handleability of the obtained polymer, for example, 50 mmol / g-polymer or less. It may be 40 mmol / g-polymer or less, 30 mmol / g-polymer or less, or 25 mmol / g-polymer or less.

架橋ポリマーは、後述の可塑剤と組み合わさって、粘弾性固体であるプロトン伝導膜を形成し、それによって高い分子運動性を提供している。したがって、架橋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、架橋ポリマーの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可能性がある。 The crosslinked polymer, in combination with a plasticizer described below, forms a viscoelastic solid proton conductive film, thereby providing high molecular mobility. Therefore, the glass transition point Tg of the crosslinked polymer alone may be relatively high. However, if the glass transition point of the crosslinked polymer is excessively high, the molecular mobility may not be sufficiently improved even after being mixed with the plasticizer.

したがって、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℃以下であってよい。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、プロトン伝導膜の稼働温度(例えば50℃以上であって、150℃以下、好ましくは120℃以下の範囲)以下であることが好ましく、例えば、30℃以下、20℃以下、10℃以下、又は0℃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、得られるプロトン伝導膜の稼働時に、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、したがって、高いプロトン伝導性を得ることができる。 Therefore, the glass transition point of the crosslinked polymer may be 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 below the operating temperature of the proton conductive membrane (eg, 50 ° C. or higher, 150 ° C. or lower, preferably 120 ° C. or lower) or lower. The temperature is preferably 30 ° C. or lower, 20 ° C. or lower, 10 ° C. or lower, or 0 ° C. or lower. The cross-linked polymer having such a low glass transition point allows the cross-linked polymer to maintain high molecular mobility with the plasticizer during operation of the resulting proton conductive membrane, thus obtaining high proton conductivity. Can be done.

架橋ポリマーの繰り返し単位の構造は任意であってよい。例えば、架橋ポリマーの繰り返し単位は、ビニル系モノマー、エーテル系モノマー、エステル系モノマー、アミド系モノマー、シリコーン系モノマー等に由来するものであってもよい。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。架橋ポリマーの繰り返し単位は、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、ビニル系モノマーに由来するものであることが好ましい。 The structure of the repeating unit of the crosslinked polymer may be arbitrary. For example, the repeating unit of the crosslinked polymer may be derived from a vinyl-based monomer, an ether-based monomer, an ester-based monomer, an amide-based monomer, a silicone-based monomer, or the like. A method for producing each polymer and a method for forming a crosslinked structure are known. Of the above, the repeating unit of the crosslinked polymer is preferably derived from a vinyl-based monomer because the monomer is easily available and molecular modification is easy.

本開示における架橋ポリマーは好ましくは、プロトン受容性基を有するモノマーである第1モノマー、及び架橋性である第2モノマーの共重合体である。本開示における架橋ポリマーは、所望により、第1モノマー及び第2モノマーと合わせて、第3モノマーを更に有する共重合体であってもよい。以下では、これら第1、第2、及び第3ポリマーの例について挙げる。 The crosslinked polymer in the present disclosure is preferably a copolymer of a first monomer which is a monomer having a proton-accepting group and a second monomer which is crosslinked. The crosslinked polymer in the present disclosure may be a copolymer further having a third monomer in combination with the first monomer and the second monomer, if desired. In the following, examples of these first, second, and third polymers will be given.

(第1モノマー)
第1モノマーは、プロトン受容性基を有するモノマーであり、例えば1つ以上のプロトン受容性基と1つ以上の重合性基を有するモノマーであってよく、特に1つのプロトン受容性基と1つの重合性基を有するモノマーであってよい。また、モノマー分子中の少なくとも一部の水素がフッ素に置換されたものでもよい。本開示における好ましい第1モノマーはビニル系モノマーであり、それらを、プロトン受容性基の種類ごとに例示すると、例えば、以下のとおりである。
(1st monomer)
The first monomer is a monomer having a proton-accepting group, and may be, for example, a monomer having one or more proton-accepting groups and one or more polymerizable groups, particularly one proton-accepting group and one. It may be a monomer having a polymerizable group. Further, at least a part of hydrogen in the monomer molecule may be replaced with fluorine. The preferred first monomer in the present disclosure is a vinyl-based monomer, and examples thereof for each type of proton-accepting group are as follows.

ピリジン環を有するビニルモノマー:2-ビニルピリジン、4-ビニルピリジン等。 Vinyl monomer having a pyridine ring: 2-vinylpyridine, 4-vinylpyridine, etc.

イミダゾール環を有するビニルモノマー:1-ビニルイミダゾール、2-メチル-1-ビニルイミダゾール、2-ビニルイミダゾール、4-ビニルイミダゾール、2-フェニル-1-ビニルイミダゾール、1-ビニルカルバゾール、(メタ)アクリル酸2-(1H-イミダゾール-1-イル)エチル等。 Vinyl monomer with imidazole ring: 1-vinyl imidazole, 2-methyl-1-vinyl imidazole, 2-vinyl imidazole, 4-vinyl imidazole, 2-phenyl-1-vinyl imidazole, 1-vinyl carbazole, (meth) acrylic acid 2- (1H-imidazole-1-yl) ethyl and the like.

ピラゾール環を有するビニルモノマー:1-ビニルピラゾール、3-ビニルピラゾール等。 Vinyl monomer having a pyrazole ring: 1-vinylpyrazole, 3-vinylpyrazole, etc.

イミダゾリン環を有するビニルモノマー:1-ビニル-2-イミダゾリン、1-ビニル-2-メチルイミダゾリン、2-ビニル-2-イミダゾリン、(メタ)アクリル酸2-(1H-イミダゾリン-1-イル)エチル等。 Vinyl monomer having an imidazoline ring: 1-vinyl-2-imidazoline, 1-vinyl-2-methylimidazoline, 2-vinyl-2-imidazoline, 2- (1H-imidazolin-1-yl) ethyl (meth) acrylate, etc. ..

オキサゾール環を有するビニルモノマー:2-フェニル-5-ビニルオキサゾール等。 Vinyl monomer having an oxazole ring: 2-phenyl-5-vinyloxazole and the like.

ピリミジン環を有するビニルモノマー:5-ビニルピリミジン、2,4-ジクロロ-6-ビニルピリミジン等。 Vinyl monomer having a pyrimidine ring: 5-vinylpyrimidine, 2,4-dichloro-6-vinylpyrimidine and the like.

ピラジン環を有するビニルモノマー:2-ビニルピラジン、2,5-ジメチル-3-ビニルピラジン、2-メチル-5-ビニルピラジン等。 Vinyl monomer having a pyrazine ring: 2-vinylpyrazine, 2,5-dimethyl-3-vinylpyrazine, 2-methyl-5-vinylpyrazine and the like.

トリアゾール環を有するビニルモノマー:2,4-ジアミノ-6-ビニルトリアジン等。 Vinyl monomer having a triazole ring: 2,4-diamino-6-vinyltriazine and the like.

テトラゾール環を有するビニルモノマー:1-ビニル-1H-テトラゾール、2-ビニル-2H-テトラゾール、5-ビニル-1H-テトラゾール、1-メチル-5-ビニル-1H-テトラゾール等。 Vinyl monomer having a tetrazole ring: 1-vinyl-1H-tetrazole, 2-vinyl-2H-tetrazole, 5-vinyl-1H-tetrazole, 1-methyl-5-vinyl-1H-tetrazole and the like.

第1モノマーは特に好ましくは、4-ビニルピリジン又は1-ビニルイミダゾールである。 The first monomer is particularly preferably 4-vinylpyridine or 1-vinylimidazole.

なお、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。 In addition, in this specification, "(meth) acrylic acid" is a concept including both acrylic acid and methacrylic acid. "(Meta) acrylate", "(meth) acrylamide", etc. should be understood accordingly.

(第2モノマー)
第2モノマーは、架橋性モノマーであり、例えば2つ以上の重合性基を有するモノマーであってよく、特に2つの重合性基を有するモノマーであってよい。また、モノマー分子中の少なくとも一部の水素がフッ素に置換されたものでもよい。本開示における好ましい第2モノマーは、ビニル系モノマーであり、例えば、N,N’-メチレンビス(メタ)アクリルアミド、ジビニルベンゼン、(メタ)アクリル酸ビニル、(メタ)アクリル酸アリル、1,6-ヘキサジエン等であってよい。
(Second monomer)
The second monomer is a crosslinkable monomer, for example, a monomer having two or more polymerizable groups, and in particular, a monomer having two polymerizable groups. Further, at least a part of hydrogen in the monomer molecule may be replaced with fluorine. The preferred second monomer in the present disclosure is a vinyl-based monomer, for example, N, N'-methylenebis (meth) acrylamide, divinylbenzene, vinyl (meth) acrylate, allyl (meth) acrylate, 1,6-hexadiene. And so on.

(第3モノマー)
第3モノマーは、第1モノマー及び第2モノマー以外のモノマーであり、例えば、1つの重合性基を有し、かつプロトン受容性基を有さない非架橋性モノマーであってよい。また、モノマー分子中の少なくとも一部の水素がフッ素に置換されたものでもよい。本開示における好ましい第3モノマーは、ビニル系モノマーであり、例えば、(メタ)アクリル酸エステル、スチレン及びその誘導体、共役ジエン等であってよく、具体的には例えば、(メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸-2-(2-エトキシエトキシ)エチル、スチレン、α-メチルスチレン、ブタジエン、イソプレン等であってよい。
(Third monomer)
The third monomer is a monomer other than the first monomer and the second monomer, and may be, for example, a non-crosslinkable monomer having one polymerizable group and no proton accepting group. Further, at least a part of hydrogen in the monomer molecule may be replaced with fluorine. The preferred third monomer in the present disclosure is a vinyl-based monomer, and may be, for example, (meth) acrylic acid ester, styrene and its derivative, conjugated diene, or the like, and specifically, for example, methyl (meth) acrylate. It may be ethyl (meth) acrylate, -2- (2-ethoxyethoxy) ethyl (meth) acrylate, styrene, α-methylstyrene, butadiene, isoprene and the like.

(各モノマーの共重合割合)
本開示の架橋ポリマーにおける各モノマーの共重合割合は、任意である。
(Copolymerization ratio of each monomer)
The copolymerization ratio of each monomer in the crosslinked polymer of the present disclosure is arbitrary.

架橋ポリマーを構成するモノマーの合計を100質量部としたときの第1モノマーの割合は、例えば、5.0質量部以上、7.5質量部以上、10質量部以上、15質量部以上、20質量部以上、25質量部以上、30質量部以上、35質量部以上、40質量部以上、45質量部以上、50質量部以上、55質量部以上、60質量部以上、65質量部以上、70質量部以上、75質量部以上、80質量部以上、85質量部以上、90質量部以上、95質量部以上、97質量部以上、99質量部以上、又は100質量部であってよい。 When the total of the monomers constituting the crosslinked polymer is 100 parts by mass, the ratio of the first monomer is, for example, 5.0 parts by mass or more, 7.5 parts by mass or more, 10 parts by mass or more, 15 parts by mass or more, 20. 7 parts by mass or more, 25 parts by mass or more, 30 parts by mass or more, 35 parts by mass or more, 40 parts by mass or more, 45 parts by mass or more, 50 parts by mass or more, 55 parts by mass or more, 60 parts by mass or more, 65 parts by mass or more, 70 It may be 7 parts by mass or more, 75 parts by mass or more, 80 parts by mass or more, 85 parts by mass or more, 90 parts by mass or more, 95 parts by mass or more, 97 parts by mass or more, 99 parts by mass or more, or 100 parts by mass.

また、架橋の程度を適度に設定し、プロトン伝導膜として使用する際に、優れたプロトン伝導率及び膜形状維持性と良好なハンドリング性とを両立する観点から、第1モノマー及び第2モノマーの合計を100質量部としたときの第2モノマーの量は、例えば、0.1質量部以上、0.5質量部以上、1.0質量部以上、1.5質量部以上、2.0質量部以上、又は2.5質量部以上であってよく、例えば、5.0質量部以下、4.5質量部以下、4.0質量部以下、3.5質量部以下、3.0質量部以下、2.5質量部以下であってよい。なお、第2のモノマーの代わりに又は第2のモノマーに加えて、架橋剤等を適宜添加して、架橋を形成することができる。第2のモノマーの代わりに架橋剤を用いる場合の架橋剤の割合、及び第2のモノマーと架橋剤とを併用する場合のその合計の割合は、特に限定されず、上記で列挙した第2モノマーの量と同じであってよい。 Further, from the viewpoint of achieving both excellent proton conductivity, film shape retention and good handleability when the degree of cross-linking is appropriately set and used as a proton conductive film, the first monomer and the second monomer are used. When the total is 100 parts by mass, the amount of the second monomer is, for example, 0.1 part by mass or more, 0.5 part by mass or more, 1.0 part by mass or more, 1.5 parts by mass or more, and 2.0 parts by mass. It may be 5 parts or more or 2.5 parts by mass or more, for example, 5.0 parts by mass or less, 4.5 parts by mass or less, 4.0 parts by mass or less, 3.5 parts by mass or less, 3.0 parts by mass. Hereinafter, it may be 2.5 parts by mass or less. A cross-linking agent or the like can be appropriately added in place of the second monomer or in addition to the second monomer to form a cross-link. The ratio of the cross-linking agent when the cross-linking agent is used instead of the second monomer and the total ratio when the second monomer and the cross-linking agent are used in combination are not particularly limited, and the second monomer listed above is not particularly limited. May be the same as the amount of.

また、優れたプロトン伝導率及び膜形状維持性を確保する観点からは、第1モノマー、第2モノマー、及び第3モノマーの合計を100質量部としたときの第3モノマーの量は、例えば、50質量部以下、40質量部以下、30質量部以下、20質量部以下、15質量部以下、10質量部以下、5質量部以下、又は1質量部以下であってよい。なお、第3モノマーを使用しなくてもよい。 Further, from the viewpoint of ensuring excellent proton conductivity and film shape retention, the amount of the third monomer when the total of the first monomer, the second monomer, and the third monomer is 100 parts by mass is, for example, It may be 50 parts by mass or less, 40 parts by mass or less, 30 parts by mass or less, 20 parts by mass or less, 15 parts by mass or less, 10 parts by mass or less, 5 parts by mass or less, or 1 part by mass or less. It is not necessary to use the third monomer.

なお、本開示において、「質量部」と「質量%」とは、単なる表現上の違いであり、特記しない限り、同義と取り扱われる。例えば「合計を100質量部としたとき、成分Xの量がx質量部である」記載と、「合計を100質量%としたとき、成分Xの量がx質量%である」との記載とは、同義である。 In this disclosure, "parts by mass" and "% by mass" are merely differences in expression and are treated as synonymous unless otherwise specified. For example, "when the total is 100 parts by mass, the amount of component X is x parts by mass" and "when the total is 100% by mass, the amount of component X is x% by mass". Is synonymous with.

(共重合方法)
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。
(Copolymerization method)
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、3.0質量部以下、2.0質量部以下、1.0質量部以下、0.5質量部以下、又は0.1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, for example, 3.0 parts by mass or less, 2.0 parts by mass or less, 1.0 part by mass or less, 0.5 parts by mass or less, or 0.1 parts by mass or less. You may.

ラジカル重合は、無溶媒下で行われてよいし、任意的に適当な溶媒中で行われてよい。 The radical polymerization may be carried out in the absence of a solvent or optionally in a suitable solvent.

ラジカル重合は、例えば、40℃以上、50℃以上、60℃以上、又は70℃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、又は3時間以上、例えば、10時間以下、8時間以下、5時間以下、又は3時間以下の時間にわたって行うことができる。 The radical polymerization is carried out, for example, at a temperature of 40 ° C. or higher, 50 ° C. or higher, 60 ° C. or higher, or 70 ° 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 can be carried out for 1 hour or more, 2 hours or more, or 3 hours or more, for example, 10 hours or less, 8 hours or less, 5 hours or less, or 3 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, small molecule 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.

〈可塑剤〉
本開示のプロトン伝導膜に含まれる可塑剤は、pKa2.5以下、pKa2.3以下、pKa2.1以下、pKa2.0以下、pKa1.0以下、pKa0.0以下、pKa-1.0以下、又はpKa-2.0以下のプロトン供与性化合物を含む。したがって、この可塑剤は、酸性度が大きいプロトン供与性化合物、すなわちプロトンを放出する傾向が大きい化合物を含む。なお、プロトン供与性化合物が多塩基酸であるとき、このpKaはpKaを意味する。
<Plasticizer>
The plasticizer contained in the proton conductive film of the present disclosure is pKa2.5 or less, pKa2.3 or less, pKa2.1 or less, pKa2.0 or less, pKa1.0 or less, pKa0.0 or less, pKa-1.0 or less, Alternatively, it contains a proton donating compound having a pKa-2.0 or less. Therefore, this plasticizer comprises a proton donating compound having a high acidity, that is, a compound having a high tendency to release a proton. When the proton donating compound is a polybasic acid, this pKa means pKa 1 .

プロトン供与性化合物は、スルホン酸基及びリン酸基から選択される1種以上の基を有する化合物であってよい。なお、スルホン酸基のpKaは約-3.0であり、リン酸基のPKa(pKa)は約2.1である。 The proton donating compound may be a compound having one or more groups selected from a sulfonic acid group and a phosphoric acid group. The pKa of the sulfonic acid group is about −3.0, and the PKa (pKa 1 ) of the phosphoric acid group is about 2.1.

プロトン供与性化合物は、プロトン伝導膜の稼働温度において揮発蒸散又は分解しない程度の高い沸点又は分解温度を有することが好ましい。この観点から、プロトン供与性化合物の沸点又は分解温度は、例えば、120℃超、150℃以上、又は200℃以上であってよい。 The proton-donating compound preferably has a high boiling point or decomposition temperature that does not cause volatile evaporation or decomposition at the operating temperature of the proton conductive film. From this point of view, the boiling point or decomposition temperature of the proton donating compound may be, for example, more than 120 ° C., 150 ° C. or higher, or 200 ° C. or higher.

プロトン供与性化合物は、硫酸及びリン酸から選択される1種以上であってよく、硫酸又はリン酸であってよい。なお、硫酸の沸点は約290℃(分解)であり、リン酸の沸点は約213℃(分解)である。 The proton donating compound may be one or more selected from sulfuric acid and phosphoric acid, and may be sulfuric acid or phosphoric acid. The boiling point of sulfuric acid is about 290 ° C (decomposition), and the boiling point of phosphoric acid is about 213 ° C (decomposition).

可塑剤は、プロトン供与性化合物のみから構成されていてよく、プロトン供与性化合物とその他の可塑剤とから構成されていてもよい。その他の可塑剤は、プロトン供与性を有さない可塑剤であってよく、具体的には例えば、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よい。その他の可塑剤の使用割合は、可塑剤の全質量を100質量部としたときに、例えば、50質量部以下、30質量部以下、10質量部以下、5質量部以下、又は1質量部以下であってよく、その他の可塑剤を全く使用しなくてもよい。 The plasticizer may be composed of only the proton-donating compound, or may be composed of the proton-donating compound and other plasticizers. The other plasticizer may be a plasticizer having no proton donating property, and specifically, for example, polyalkylene glycol, polyvinyl ether, polyol ester and the like may be used. The ratio of other plasticizers used is, for example, 50 parts by mass or less, 30 parts by mass or less, 10 parts by mass or less, 5 parts by mass or less, or 1 part by mass or less when the total mass of the plasticizer is 100 parts by mass. And it is not necessary to use any other plasticizer.

なお、本明細書において、「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。 In addition, in this specification, an "alkylene group" is a concept including a methylene group, an alkylmethylene group, and a dialkylmethylene group.

(プロトン受容性基に対するプロトン供与性化合物のモル比)
プロトン受容性基に対するプロトン供与性化合物のモル比(プロトン供与性化合物/プロトン受容性基)は、特に限定されず、プロトン供与性化合物が可塑剤としての機能を確保する観点から、例えば1.0以上、1.1以上、1.3以上、1.4以上、1.5以上、1.6以上、1.7以上、1.8以上、1.9以上、2.0以上、2.1以上、2.2以上、2.3以上、2.4以上、2.5以上、2.6以上、2.7以上、2.8以上、2.9以上、3.0以上、3.1以上、3.4以上、3.5以上、3.6以上、3.7以上、3.8以上、3.9以上、4.0以上、4.1以上、4.2以上、又は4.3以上であってよい。また、このモル比の上限は、特に限定されず、膜強度を維持し、膜としての安定性を確保する観点から、例えば10.0以下、9.0以下、8.5以下、8.0以下、7.5以下、7.0以下、6.5以下、6.0以下、5.5以下、5.0以下、4.5以下、4.4以下、又は4.3以下であってよい。
(Mole ratio of proton donating compound to proton accepting group)
The molar ratio of the proton-donating compound to the proton-accepting group (proton-donating compound / proton-accepting group) is not particularly limited, and from the viewpoint of ensuring the function of the proton-donating compound as a plasticizer, for example, 1.0. 1.1 or more, 1.3 or more, 1.4 or more, 1.5 or more, 1.6 or more, 1.7 or more, 1.8 or more, 1.9 or more, 2.0 or more, 2.1 2.2 or more, 2.3 or more, 2.4 or more, 2.5 or more, 2.6 or more, 2.7 or more, 2.8 or more, 2.9 or more, 3.0 or more, 3.1 3.4 or more, 3.5 or more, 3.6 or more, 3.7 or more, 3.8 or more, 3.9 or more, 4.0 or more, 4.1 or more, 4.2 or more, or 4. It may be 3 or more. Further, the upper limit of this molar ratio is not particularly limited, and from the viewpoint of maintaining the film strength and ensuring the stability as a film, for example, 10.0 or less, 9.0 or less, 8.5 or less, 8.0 or less. Below, 7.5 or less, 7.0 or less, 6.5 or less, 6.0 or less, 5.5 or less, 5.0 or less, 4.5 or less, 4.4 or less, or 4.3 or less. good.

〈架橋ポリマーと可塑剤との割合〉
架橋ポリマーと可塑剤との使用割合は、得られるプロトン伝導膜の分子運動性を高め、十分に高いプロトン伝導性を得る観点から、架橋ポリマー及び可塑剤の合計100質量部に対する可塑剤の使用割合として、60質量部以上、65質量部以上、70質量部以上、75質量部以上、又は80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、架橋ポリマー及び可塑剤の合計100質量部に対する可塑剤の使用割合は、90質量部以下、85質量部以下、82質量部以下、80質量部以下、75質量部以下、70質量部以下、又は65質量部以下であってもよい。
<Ratio of crosslinked polymer and plasticizer>
The ratio of the crosslinked polymer to the plasticizer is the ratio of the crosslinked polymer and the plasticizer to 100 parts by mass in total from the viewpoint of enhancing the molecular motility of the obtained proton conductive film and obtaining sufficiently high proton conductivity. It may be 60 parts by mass or more, 65 parts by mass or more, 70 parts by mass or more, 75 parts by mass or more, or 80 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 the total 100 parts by mass of the crosslinked polymer and the plasticizer is 90 parts by mass or less, 85 parts by mass or less, and 82 parts by mass. It may be 10 parts or less, 80 parts by mass or less, 75 parts by mass or less, 70 parts by mass or less, or 65 parts by mass or less.

〈プロトン伝導膜のガラス転移点、プロトン伝導率、及び水含有率〉
(ガラス転移点)
本開示のプロトン伝導膜は、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。プロトン伝導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。
<Glass transition point of proton conductive film, proton conductivity, and water content>
(Glass transition point)
The proton conductive membrane of the present disclosure exhibits high molecular mobility as a whole of the membrane by containing a crosslinked polymer and a plasticizer. The high molecular motion of the proton conductive film can be evaluated by the low glass transition point Tg.

本開示のプロトン伝導膜は、導入されている可塑剤自身の分子運動性が高いことと並んで、膜としてのガラス転移点Tgが低いことにより、低温においても分子運動性を維持することができ、したがって高いプロトン伝導性を得ることができる。プロトン伝導膜のガラス転移点Tgは、プロトン伝導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。 The proton conductive film of the present disclosure can maintain the molecular motion even at a low temperature due to the high molecular motion of the introduced plasticizer itself and the low glass transition point Tg as the film. Therefore, high proton conductivity can be obtained. The glass transition point Tg of the proton conductive film is preferably not more than the lower limit of the operating temperature of the proton conduction film, for example, 0 ° C. or less, -20 ° C. or less, -40 ° C. or less, -60 ° C. or less, or -65. It may be below ° C.

なお、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.

(プロトン伝導率)
本開示のプロトン伝導膜は、高いプロトン伝導率を示す。本開示のプロトン伝導膜のプロトン伝導率は、50℃において7.4mS/cm以上であってよい。この値は、例えば、10mS/cm以上、15mS/cm以上、30mS/cm以上、50mS/cm以上、75mS/cm以上、100mS/cm以上、又は120mS/cm以上であってよい。また、本開示のプロトン伝導膜のプロトン伝導率は、120℃において、例えば、19mS/cm以上、20mS/cm以上、30mS/cm以上、50mS/cm以上、75mS/cm以上、100mS/cm以上、125mS/cm以上、150mS/cm以上、175mS/cm以上、200mS/cm以上、又は210mS/cm以上であってよい。
(Proton conductivity)
The proton conductive membrane of the present disclosure exhibits high proton conductivity. The proton conductivity of the proton conductive membrane of the present disclosure may be 7.4 mS / cm or more at 50 ° C. This value may be, for example, 10 mS / cm or more, 15 mS / cm or more, 30 mS / cm or more, 50 mS / cm or more, 75 mS / cm or more, 100 mS / cm or more, or 120 mS / cm or more. Further, the proton conductivity of the proton conductive film of the present disclosure is, for example, 19 mS / cm or more, 20 mS / cm or more, 30 mS / cm or more, 50 mS / cm or more, 75 mS / cm or more, 100 mS / cm or more at 120 ° C. It may be 125 mS / cm or more, 150 mS / cm or more, 175 mS / cm or more, 200 mS / cm or more, or 210 mS / cm or more.

(水含有率)
本開示のプロトン伝導膜は、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。したがって、プロトン伝導膜の水含有率は、膜の全質量を100質量部としたときに、例えば、1質量部以下、0.1質量部以下、0.01質量部以下、又は0.001質量部以下であってよい。
(Water content)
The proton conductive membrane of the present disclosure exhibits high proton conductivity even when the membrane does not contain water. Therefore, the water content of the proton conductive membrane is, for example, 1 part by mass or less, 0.1 part by mass or less, 0.01 part by mass or less, or 0.001 part by mass when the total mass of the membrane is 100 parts by mass. It may be less than or equal to a part.

〈プロトン伝導膜の製造方法〉
本開示はまた、上述した架橋ポリマー及び可塑剤を含むプロトン伝導膜を製造するための方法として、第1の製造方法、及び第2の製造方法を提供する。いずれの方法を用いても、本開示のプロトン伝導膜を製造することができる。以下では、それぞれの製造方法について説明する。なお、各製造方法において、上述した「プロトン伝導膜」と共通できる部分については、重複の説明を省略する。
<Manufacturing method of proton conductive film>
The present disclosure also provides a first production method and a second production method as a method for producing a proton conductive film containing the above-mentioned crosslinked polymer and plasticizer. Any method can be used to produce the proton conductive film of the present disclosure. Hereinafter, each manufacturing method will be described. In each manufacturing method, the description of duplication will be omitted for the parts that can be shared with the above-mentioned "proton conduction membrane".

(第1の製造方法)
本開示の第1の製造方法は、
架橋ポリマー及び可塑剤を含むプロトン伝導膜の製造方法であって、
架橋ポリマーが、プロトン受容性基を、架橋ポリマーを構成する繰り返し単位の10mol%以上有し、
可塑剤が、pKa2.5以下のプロトン供与性化合物を含み、
プロトン伝導膜は、50℃以上120℃以下の温度範囲で粘弾性固体であり、かつ
第1の製造方法は、プロトン受容性基を有するビニル系モノマーである第1モノマーを重合させて、前駆体ポリマーを得て、そして前駆体ポリマーに架橋剤を添加して、前駆体ポリマーを架橋させることによって、架橋ポリマーを得ることを含む。
(First manufacturing method)
The first manufacturing method of the present disclosure is
A method for producing a proton conductive film containing a crosslinked polymer and a plasticizer.
The crosslinked polymer has a proton-accepting group of 10 mol% or more of the repeating units constituting the crosslinked polymer.
The plasticizer contains a proton donating compound with a pKa of 2.5 or less.
The proton conductive film is a viscoelastic solid in a temperature range of 50 ° C. or higher and 120 ° C. or lower, and the first production method is to polymerize a first monomer, which is a vinyl-based monomer having a proton-accepting group, to form a precursor. It involves obtaining a crosslinked polymer by obtaining a polymer and then adding a crosslinking agent to the precursor polymer to crosslink the precursor polymer.

ここで、第1モノマーを重合させる方法は、特に限定されず、例えば、RAFT剤(可逆的不可開裂連鎖移動剤)を用いたラジカル重合であってよい。なお、ラジカル重合の条件、ラジカル重合開始剤、及び第1モノマーの詳細は、上述したとおりであり、ここでは説明を省略する。 Here, the method for polymerizing the first monomer is not particularly limited, and may be, for example, radical polymerization using a RAFT agent (reversible non-cleavable chain transfer agent). The details of the radical polymerization conditions, the radical polymerization initiator, and the first monomer are as described above, and the description thereof will be omitted here.

RAFT剤としては、例えばジチオエステル、ジチオカルバメート、トリチオカルボナート、及びキサンタート等のチオカルボニルチオ化合物が挙げられる。また、RAFT剤具体例としては、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、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、2-(ドデシルチオカルボノチオイルチオ)-2-メチルプロピオン酸、S,S’-ビス(α,α’-ジメチル-α’’-酢酸)トリチオカーボネート、2-シアノ-2-プロピルドデシルトリチオカーボネート、4-シアノ-4-(フェニルカルボノチオイルチオ)ペンタン酸、シアノメチルドデシルトリチオカーボネート、又は2-シアノ-2-プロピルベンゾジチオネート等が挙げられるが、これらに限定されない。 Examples of the RAFT agent include thiocarbonylthio compounds such as dithioester, dithiocarbamate, trithiocarbonate, and xantate. Specific examples of the RAFT agent include bis (n-octylmercapto-thiocarbonyl) disulfide, 4-cyano-4-[(dodecylsulfanylthiocarbonyl) sulfanyl] pentanoic acid, and 2- (dodecylthiocarbonothio oilthio)-. 2-Methylpropionic acid, S, S'-bis (α, α'-dimethyl-α''-acetic acid) trithiocarbonate, 2-cyano-2-propyldodecyltrithiocarbonate, 4-cyano-4- (phenyl) Carbonothio oil thio) Pentanoic acid, cyanomethyldodecyltrithiocarbonate, 2-cyano-2-propylbenzodithionate and the like, but are not limited thereto.

RAFT剤の使用量は、第1モノマー100モルに対して、例えば0.001モル以上、0.005モル以上、0.010モル以上、0.015モル以上、0.020モル以上、0.025モル以上、0.030モル以上、0.035モル以上、0.040モル以上、0.045モル以上、0.050モル以上、0.055モル以上、0.060モル以上、0.065モル以上、0.070モル以上、0.075モル以上、0.080モル以上、0.085モル以上、0.090モル以上、又は0.095モル以上であってよく、また0.50モル以下、0.40モル以下、0.30モル以下、0.20モル以下、0.10モル以下、又は0.095モル以下であってよい。 The amount of the RAFT agent used is, for example, 0.001 mol or more, 0.005 mol or more, 0.010 mol or more, 0.015 mol or more, 0.020 mol or more, 0.025 with respect to 100 mol of the first monomer. More than mol, 0.030 mol or more, 0.035 mol or more, 0.040 mol or more, 0.045 mol or more, 0.050 mol or more, 0.055 mol or more, 0.060 mol or more, 0.065 mol or more , 0.070 mol or more, 0.075 mol or more, 0.080 mol or more, 0.085 mol or more, 0.090 mol or more, or 0.095 mol or more, and 0.50 mol or less, 0 It may be .40 mol or less, 0.30 mol or less, 0.20 mol or less, 0.10 mol or less, or 0.095 mol or less.

そして、第1モノマーを重合させて得られる前駆体ポリマーに架橋剤を添加して、前駆体ポリマーを架橋させることによって、架橋ポリマーを得ることができる。 Then, a cross-linked polymer can be obtained by adding a cross-linking agent to the precursor polymer obtained by polymerizing the first monomer and cross-linking the precursor polymer.

ここで、架橋剤としては、特に限定されず、例えば1,2-ジクロロエタン、1,2-ジブロモエタン、1,3-ジクロロプロパン、1,3-ジブロモプロパン、1,4-ジクロロブタン、1,4-ジブロモブタン、1,4-ジクロロ-2-ブテン、3,4-ジクロロ-1-ブテン等のジハロゲン化炭化水素が挙げられるが、これらに限定されない。 Here, the cross-linking agent is not particularly limited, and for example, 1,2-dichloroethane, 1,2-dibromoethane, 1,3-dichloropropane, 1,3-dibromopropane, 1,4-dichlorobutane, 1, Examples thereof include, but are not limited to, dihalogenated hydrocarbons such as 4-dibromobutane, 1,4-dichloro-2-butene, and 3,4-dichloro-1-butene.

前駆体ポリマーを架橋させる際に、適宜に溶媒を添加してよい。後処理を簡便にする観点から例えばメタノール又はエタノール等蒸発性の溶媒を添加することが好ましい。 When cross-linking the precursor polymer, a solvent may be added as appropriate. From the viewpoint of simplifying the post-treatment, it is preferable to add an evaporative solvent such as methanol or ethanol.

架橋の際の温度は、特に限定されず、室温でもよく、適宜加熱してもよい。また、架橋の時間は、特に限定されず、数分から数日間であってよい。また、蒸発性の溶媒を用いる場合、溶媒を蒸発させながら、架橋反応を進行させることもできる。 The temperature at the time of crosslinking is not particularly limited, and may be room temperature or may be appropriately heated. The cross-linking time is not particularly limited and may be from several minutes to several days. Further, when an evaporative solvent is used, the crosslinking reaction can be allowed to proceed while evaporating the solvent.

(第2の製造方法)
本開示の第2の製造方法は、
架橋ポリマー及び可塑剤を含むプロトン伝導膜の製造方法であって、
架橋ポリマーが、プロトン受容性基を、架橋ポリマーを構成する繰り返し単位の10mol%以上有し、
可塑剤が、pKa2.5以下のプロトン供与性化合物を含み、
プロトン伝導膜は、50℃以上120℃以下の温度範囲で粘弾性固体であり、かつ
第2の製造方法は、プロトン受容性基を有するビニル系モノマーである第1モノマーと、架橋性ビニルモノマーである第2モノマーとを重合及び架橋させることによって、架橋ポリマーを得ることを含む。
(Second manufacturing method)
The second manufacturing method of the present disclosure is
A method for producing a proton conductive film containing a crosslinked polymer and a plasticizer.
The crosslinked polymer has a proton-accepting group of 10 mol% or more of the repeating units constituting the crosslinked polymer.
The plasticizer contains a proton donating compound with a pKa of 2.5 or less.
The proton conductive film is a viscous elastic solid in a temperature range of 50 ° C. or higher and 120 ° C. or lower, and the second production method is a first monomer which is a vinyl-based monomer having a proton-accepting group and a crosslinkable vinyl monomer. It involves obtaining a crosslinked polymer by polymerizing and crosslinking with a second monomer.

ここで、第1モノマーと、第2モノマーとを重合及び架橋させる方法は、上述した「共重合方法」を適宜採用することができる。また、必要に応じて、上述した第3モノマーを用いてもよい。 Here, as a method for polymerizing and cross-linking the first monomer and the second monomer, the above-mentioned "copolymerization method" can be appropriately adopted. Further, if necessary, the above-mentioned third monomer may be used.

本開示のプロトン伝導膜は、例えば、上述した第1の製造方法又は第2の製造方法で得られる架橋ポリマーに、可塑剤を導入することによって製造できる。架橋ポリマーへの可塑剤の導入は、揮発性の溶媒中で行うことができる。 The proton conductive film of the present disclosure can be produced, for example, by introducing a plasticizer into the crosslinked polymer obtained by the first production method or the second production method described above. The introduction of the plasticizer into the crosslinked polymer can be done in a volatile solvent.

ここで使用される溶媒は、架橋ポリマー及び可塑剤との親和性が高く、かつ強酸に安定な極性溶媒から選択されてよく、具体的には例えば、アルコール、エーテル等であってよい。アルコールは例えば、メタノール、エタノール等であってよい。エーテルは例えば、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン等であってよい。溶媒の使用量は、架橋ポリマー及び可塑剤の合計100質量部に対して、例えば、500質量部以上、750質量部以上、1,000質量部以上、1,250質量部以上、又は1,500質量部以上であってよく、例えば、5,000質量部以下、4,500質量部以下、4,000質量部以下、3,500質量部以下、又は3,000質量部以下であってよい。 The solvent used here may be selected from a polar solvent having a high affinity with the crosslinked polymer and the plasticizer and stable to a strong acid, and specifically, for example, alcohol, ether or the like may be used. The alcohol may be, for example, methanol, ethanol or the like. The ether may be, for example, dimethyl ether, diethyl ether, tetrahydrofuran or the like. The amount of the solvent used is, for example, 500 parts by mass or more, 750 parts by mass or more, 1,000 parts by mass or more, 1,250 parts by mass or more, or 1,500 parts by mass with respect to a total of 100 parts by mass of the crosslinked polymer and the plasticizer. It may be 5 parts by mass or more, and may be, for example, 5,000 parts by mass or less, 4,500 parts by mass or less, 4,000 parts by mass or less, 3,500 parts by mass or less, or 3,000 parts by mass or less.

架橋ポリマーを、可塑剤を溶媒で溶かした溶液に浸漬させた後、溶媒を除去することにより、本開示のプロトン伝導膜が得られる。 The crosslinked polymer is immersed in a solution in which a plasticizer is dissolved in a solvent, and then the solvent is removed to obtain the proton conductive film of the present disclosure.

プロトン伝導膜を膜状に成形することは、架橋ポリマーに可塑剤を導入した後で溶媒を除去する前に、例えば、キャスト法、プレス法等の方法によって適宜行うことができる。 The proton conductive film can be appropriately formed into a film shape by, for example, a casting method, a pressing method, or the like, after the plasticizer is introduced into the crosslinked polymer and before the solvent is removed.

〈燃料電池〉
本開示の燃料電池は、本開示のプロトン伝導膜を有する。特に本開示の燃料電池は、燃料流路を有する燃料極側セパレータ、燃料極側触媒層、本開示のプロトン伝導膜、空気極側触媒層、及び空気流路を有する空気極側セパレータがこの順で積層された積層体を有する。また特に本開示の燃料電池は、燃料流路を有する燃料極側セパレータ、燃料極側ガス拡散層、燃料極側触媒層、本開示のプロトン伝導膜、空気極側触媒層、空気極側ガス拡散層、及び空気流路を有する空気極側セパレータがこの順で積層された積層体を有する。
<Fuel cell>
The fuel cell of the present disclosure has the proton conductive film of the present disclosure. In particular, in the fuel cell of the present disclosure, the fuel pole side separator having a fuel flow path, the fuel pole side catalyst layer, the proton conduction film of the present disclosure, the air pole side catalyst layer, and the air pole side separator having an air flow path are in this order. It has a laminated body laminated with. Further, in particular, the fuel cell of the present disclosure includes a fuel electrode side separator having a fuel flow path, a fuel electrode side gas diffusion layer, a fuel electrode side catalyst layer, a proton conduction film of the present disclosure, an air electrode side catalyst layer, and an air electrode side gas diffusion. It has a laminated body in which a layer and an air electrode side separator having an air flow path are laminated in this order.

以下、本開示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、本開示の用途を何ら限定するものではない。 Hereinafter, the present disclosure will be described in detail in the form of examples. The following examples do not limit the use of the present disclosure in any way.

《ポリマーの合成》
〈合成例1:架橋P4VPの合成〉
本合成例では、下記のようにして、プロトン受容性基としてのピリジル基を繰り返し単位に有する架橋ポリマーを合成した。
《Polymer synthesis》
<Synthesis Example 1: Synthesis of crosslinked P4VP>
In this synthesis example, a crosslinked polymer having a pyridyl group as a proton-accepting group as a repeating unit was synthesized as follows.

塩基性アルミナを充填したカラムに、未精製の4-ビニルピリジンを通して精製した。 A column packed with basic alumina was purified through unpurified 4-vinylpyridine.

プロトン受容性基を有する第1モノマーとしての精製後の4-ビニルピリジン(4VP)2.00g(19.0mmol)、架橋性の第2モノマーとしてのN,N’-メチレンビスアクリルアミド(MBAA)50.3mg(0.326mmol)、及びラジカル重合開始剤としてのアゾビスイソブチロニトリル(AIBN)2.0mg(0.012mmol)を、サンプル瓶内で混合して、原料液を得た。この原料液中の第1モノマー:第2モノマー:ラジカル重合開始剤の質量比はおよそ、1000:25:1であった。また、この原料液中の第1モノマー:第2モノマー:ラジカル重合開始剤のモル比はおよそ、1583:27:1であった。モノマーの仕込み比どおりで重合が進行すれば、得られる架橋ポリマーの繰り返し単位のうちの、プロトン受容性基としてのピリジル基を有する第1モノマーの割合は、約97.6質量%(≒1000/(1000+25))となるはずである。これらの値については、下記の表1にまとめている。 Purified 4-vinylpyridine (4VP) 2.00 g (19.0 mmol) as the first monomer having a proton-accepting group, N, N'-methylenebisacrylamide (MBAA) 50 as the crosslinkable second monomer .3 mg (0.326 mmol) and 2.0 mg (0.012 mmol) of azobisisobutyronitrile (AIBN) as a radical polymerization initiator were mixed in a sample bottle to obtain a raw material solution. The mass ratio of the first monomer: the second monomer: the radical polymerization initiator in this raw material liquid was about 1000: 25: 1. Moreover, the molar ratio of the first monomer: the second monomer: the radical polymerization initiator in this raw material liquid was about 1583: 27: 1. If the polymerization proceeds according to the mixing ratio of the monomers, the proportion of the first monomer having a pyridyl group as a proton-accepting group in the repeating units of the obtained crosslinked polymer is about 97.6% by mass (≈1000 /). (1000 + 25)) should be. These values are summarized in Table 1 below.

原料液に対して窒素ガスによるバブリングを45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3.5時間にわたって重合反応させた。反応終了後、サンプル瓶をオイルバスから取り出し、50℃のホットプレート上に2日間にわたって静置した。2日間経過後、サンプル瓶内の試料はガラス状になっていることが確認された。 After bubbling the raw material liquid with nitrogen gas for 45 minutes, the temperature was raised to 70 ° C. under normal pressure with an oil bath, and the polymerization reaction was carried out under stirring at 500 rpm for 3.5 hours. After completion of the reaction, the sample bottle was removed from the oil bath and allowed to stand on a hot plate at 50 ° C. for 2 days. After 2 days, it was confirmed that the sample in the sample bottle was glassy.

サンプル瓶内の試料にメタノール40mLを加え、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、低分子オリゴマー等を除去して精製した。次いで、50℃のホットプレート上に1日間にわたって静置した後、真空乾燥器中、50℃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(4-ビニルピリジン)(架橋P4VP)を得た。 40 mL of methanol was added to the sample in the sample bottle, and the sample was immersed for 1 hour. After 1 hour, the methanol was removed, the same amount of fresh methanol was added, and the immersion was performed again for 1 hour. This methanol immersion operation was repeated 3 times to remove unreacted monomers, small molecule oligomers and the like for purification. Then, after allowing to stand on a hot plate at 50 ° C. for 1 day, the cross-linked poly (4-vinylpyridine) (cross-linked P4VP) was dried in a vacuum dryer at 50 ° C. for 12 hours to completely remove methanol. ) Was obtained.

得られた架橋P4VPの構造を下記に示す。

Figure 0007068137000001
The structure of the obtained crosslinked P4VP is shown below.
Figure 0007068137000001

〈合成例2(比較合成例):非架橋P4VPの合成〉
本合成例では、下記のようにして、プロトン受容性基としてのピリジル基を繰り返し単位に有する非架橋ポリマーを合成した。
<Synthesis Example 2 (Comparative Synthesis Example): Synthesis of non-crosslinked P4VP>
In this synthesis example, a non-crosslinked polymer having a pyridyl group as a proton-accepting group as a repeating unit was synthesized as follows.

塩基性アルミナを充填したカラムに、未精製の4-ビニルピリジンを通して精製した。 A column packed with basic alumina was purified through unpurified 4-vinylpyridine.

プロトン受容性基を有する第1モノマーとしての4-ビニルピリジン(4VP)40mL(376mmol)、可逆的付加開裂連鎖移動剤(RAFT剤)としてのS,S’-ビス(α,α’-ジメチル-α’’-酢酸)トリチオカーボネート101mg(0.358mmol)、及びラジカル重合開始剤としてのアゾビスイソブチロニトリル(AIBN)29.4mg(0.179mmol)を、ナスフラスコ内で混合して原料液を得た。この原料液中の第1モノマー:RAFT剤:ラジカル重合開始剤のモル比はおよそ、2100:2:1であった。モノマーの仕込み比どおりで重合が進行すれば、得られる非架橋ポリマーの繰り返し単位のうちの、プロトン受容性基としてのピリジル基を有する第1モノマーの割合は、約100質量%となるはずである。 40 mL (376 mmol) of 4-vinylpyridine (4VP) as the first monomer having a proton-accepting radical, S, S'-bis (α, α'-dimethyl- as a reversible addition cleavage chain transfer agent (RAFT agent) 101 mg (0.358 mmol) of α''-acetic acid) trithiocarbonate and 29.4 mg (0.179 mmol) of azobisisobutyronitrile (AIBN) as a radical polymerization initiator are mixed in a eggplant flask to prepare a raw material. Obtained liquid. The molar ratio of the first monomer: RAFT agent: radical polymerization initiator in this raw material liquid was approximately 2100: 2: 1. If the polymerization proceeds according to the mixing ratio of the monomers, the proportion of the first monomer having a pyridyl group as a proton-accepting group in the repeating units of the obtained non-crosslinked polymer should be about 100% by mass. ..

原料液に対して窒素ガスによるバブリングを45分間にわたって行った後、オイルバスにより、常圧下、80℃に昇温し、500rpmの撹拌下に1.5時間にわたって重合反応させた。反応終了後、ナスフラスコを液体窒素に漬けて、重合を停止した。 After bubbling the raw material liquid with nitrogen gas for 45 minutes, the temperature was raised to 80 ° C. under normal pressure under normal pressure, and the polymerization reaction was carried out under stirring at 500 rpm for 1.5 hours. After completion of the reaction, the eggplant flask was immersed in liquid nitrogen to terminate the polymerization.

重合停止後のナスフラスコ中の試料を用いて、非架橋4VPの平均重合度を調べた。具体的には、ナスフラスコ内試料の一部をとり、重クロロホルムに溶解してH-NMRを測定して非架橋4VPの転化率を見積もり、平均重合度を決定した。その結果、非架橋4VPの転化率は38%であり、平均重合度は399であった。 Using the sample in the eggplant flask after the polymerization was stopped, the average degree of polymerization of the non-crosslinked 4VP was examined. Specifically, a part of the sample in the eggplant flask was dissolved in deuterated chloroform and 1 H-NMR was measured to estimate the conversion rate of the non-crosslinked 4VP, and the average degree of polymerization was determined. As a result, the conversion rate of the non-crosslinked 4VP was 38%, and the average degree of polymerization was 399.

重合停止後のナスフラスコ中の試料について再沈精製を行った。具体的には、下記のようにして再沈精製を行った。 The sample in the eggplant flask after the polymerization was stopped was reprecipitated and purified. Specifically, reprecipitation purification was performed as follows.

試料にクロロホルムを加えて、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のn-ヘキサン中に滴下して、固体状の非架橋ポリ(4-ビニルピリジン)(非架橋P4VP)を析出させた。得られた固体状ポリマーを吸引ろ過して分離後、真空乾燥によって十分に乾燥させた。乾燥後の非架橋P4VPを、再びクロロホルムに溶解させ、n-ヘキサン中に滴下して固体状の非架橋P4VPを析出させた。非架橋P4VPの析出操作を合計3回行い、未反応モノマー、低分子オリゴマー等を除去した。その後、真空乾燥によって十分に乾燥させることにより、精製された非架橋P4VPを得た。 Chloroform was added to the sample to prepare a polymer solution having a concentration of 8% by mass. This polymer solution was added dropwise into a large excess of n-hexane to precipitate solid non-crosslinked poly (4-vinylpyridine) (non-crosslinked P4VP). The obtained solid polymer was suction-filtered and separated, and then sufficiently dried by vacuum drying. The dried non-crosslinked P4VP was dissolved in chloroform again and dropped into n-hexane to precipitate a solid uncrosslinked P4VP. The precipitation operation of non-crosslinked P4VP was carried out a total of 3 times to remove unreacted monomers, small molecule oligomers and the like. Then, it was sufficiently dried by vacuum drying to obtain a purified non-crosslinked P4VP.

得られた精製非架橋P4VPについて、以下の条件でゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)によって測定した分子量分布(Mw/Mn)は、1.3であった。
溶媒、溶出液:N,N-ジメチルホルムアミド(DMF)
ポリマー濃度:0.5質量%
溶出液流速:1mL/分
カラム:東ソー(株)製、「TSK-GELカラム4000HHR」を3本連結
For the obtained purified non-crosslinked P4VP, the molecular weight distribution (Mw / Mn) measured by gel permeation chromatography (GPC) under the following conditions was 1.3.
Solvent, eluent: N, N-dimethylformamide (DMF)
Polymer concentration: 0.5% by mass
Eluent flow rate: 1 mL / min Column: Tosoh Corporation, 3 "TSK-GEL column 4000HR" connected

得られた非架橋P4VPの構造を下記に示す。

Figure 0007068137000002
The structure of the obtained non-crosslinked P4VP is shown below.
Figure 0007068137000002

〈合成例3:架橋PVImの合成〉
本合成例では、下記のようにして、プロトン受容性基としてイミダゾリル基を繰り返し単位に有する架橋ポリマーを合成した。
<Synthesis Example 3: Synthesis of crosslinked PVIm>
In this synthesis example, a crosslinked polymer having an imidazolyl group as a repeating unit as a proton-accepting group was synthesized as follows.

塩基性アルミナを充填したカラムに、未精製の1-ビニルイミダゾールを通して精製した。 A column packed with basic alumina was purified by passing unpurified 1-vinylimidazole.

プロトン受容性基を有する第1モノマーとしての精製後の1-ビニルイミダゾール(VIm)2.01g(21.4mmol)、架橋性の第2モノマーとしてのN,N’-メチレンビスアクリルアミド(MBAA)50.1mg(0.325mmol)、及びラジカル重合開始剤としてのアゾビスイソブチロニトリル(AIBN)2.3mg(0.014mmol)を、サンプル瓶内で混合して、原料液を得た。この原料液中の第1モノマー:第2モノマー:ラジカル重合開始剤の質量比はおよそ、1000:25:1であった。また、この原料液中の第1モノマー:第2モノマー:ラジカル重合開始剤のモル比はおよそ、1528:23:1であった。モノマーの仕込み比どおりで重合が進行すれば、得られる架橋ポリマーの繰り返し単位のうちの、プロトン受容性基としてのイミダゾリル基を有する第1モノマーの割合は、約97.6質量%(≒1000/(1000+25))となるはずである。これらの値については、下記の表1にまとめている。 2.01 g (21.4 mmol) of 1-vinylimidazole (VIm) after purification as a first monomer having a proton-accepting group, N, N'-methylenebisacrylamide (MBAA) 50 as a crosslinkable second monomer .1 mg (0.325 mmol) and 2.3 mg (0.014 mmol) of azobisisobutyronitrile (AIBN) as a radical polymerization initiator were mixed in a sample bottle to obtain a raw material solution. The mass ratio of the first monomer: the second monomer: the radical polymerization initiator in this raw material liquid was about 1000: 25: 1. Moreover, the molar ratio of the first monomer: the second monomer: the radical polymerization initiator in this raw material liquid was about 1528: 23: 1. If the polymerization proceeds according to the mixing ratio of the monomers, the proportion of the first monomer having an imidazolyl group as a proton-accepting group in the repeating units of the obtained crosslinked polymer is about 97.6% by mass (≈1000 /). (1000 + 25)) should be. These values are summarized in Table 1 below.

原料液に対して窒素ガスによるバブリングを40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4時間にわたって重合反応させた。反応終了後、サンプル瓶をオイルバスから取り出し、50℃のホットプレート上に2日間にわたって静置した。2日間経過後、サンプル瓶内の試料はガラス状になっていることが確認された。 After bubbling the raw material liquid with nitrogen gas for 40 minutes, the temperature was raised to 80 ° C. under normal pressure with an oil bath, and the polymerization reaction was carried out for 4 hours under stirring at 500 rpm. After completion of the reaction, the sample bottle was removed from the oil bath and allowed to stand on a hot plate at 50 ° C. for 2 days. After 2 days, it was confirmed that the sample in the sample bottle was glassy.

サンプル瓶内の試料にメタノール40mLを加え、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、低分子オリゴマー等を除去して精製した。次いで、50℃のホットプレート上に1日間にわたって静置した後、真空乾燥器中、50℃において2日間にわたって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(1-ビニルイミダゾール)(架橋PVIm)を得た。 40 mL of methanol was added to the sample in the sample bottle, and the sample was immersed for 1 hour. After 1 hour, the methanol was removed, the same amount of fresh methanol was added, and the immersion was performed again for 1 hour. This methanol immersion operation was repeated 3 times to remove unreacted monomers, small molecule oligomers and the like for purification. The crosslinked poly (1-vinylimidazole) (crosslinked) was then allowed to stand on a hot plate at 50 ° C. for 1 day and then dried in a vacuum dryer at 50 ° C. for 2 days to completely remove methanol. PVIm) was obtained.

得られた架橋PVImの構造を下記に示す。

Figure 0007068137000003
The structure of the obtained crosslinked PVIm is shown below.
Figure 0007068137000003

〈合成例4:架橋P(4VP-co-S)の合成〉
本合成例では、下記のようにして、プロトン受容性基としてのピリジル基を繰り返し単位に有する架橋ポリマーを合成した。
<Synthesis Example 4: Synthesis of Crosslinked P (4VP-co-S)>
In this synthesis example, a crosslinked polymer having a pyridyl group as a proton-accepting group as a repeating unit was synthesized as follows.

塩基性アルミナを充填したカラムに、未精製の4-ビニルピリジンを通して精製した。同様にしてスチレンも精製した。 A column packed with basic alumina was purified through unpurified 4-vinylpyridine. Styrene was also purified in the same manner.

プロトン受容性基を有する第1モノマーとしての精製後の4-ビニルピリジン(4VP)0.663g(6.31mmol)、架橋性の第2モノマーとしてのN,N’-メチレンビスアクリルアミド(MBAA)25.3mg(0.164mmol)、プロトン受容性基を有さない非架橋性の第3モノマーとしてのスチレン(S)0.332g(3.19mmol)、ラジカル重合開始剤としてのアゾビスイソブチロニトリル(AIBN)1.1mg(0.0067mmol)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:ラジカル重合開始剤の質量比はおよそ、600:23:300:1であった。また、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:ラジカル重合開始剤のモル比はおよそ、942:24:476:1であった。モノマーの仕込み比どおりで重合が進行すれば、得られる架橋ポリマーの繰り返し単位のうちの、プロトン受容性基としてのピリジル基を有する第1モノマーの割合は、約65.0質量%(≒600/(600+23+300))となるはずである。これらの値については、下記の表1にまとめている。 Purified 4-vinylpyridine (4VP) 0.663 g (6.31 mmol) as the first monomer having a proton-accepting group, N, N'-methylenebisacrylamide (MBAA) 25 as the crosslinkable second monomer .3 mg (0.164 mmol), styrene (S) 0.332 g (3.19 mmol) as a non-crosslinkable third monomer having no proton-accepting group, azobisisobutyronitrile as a radical polymerization initiator 1.1 mg (0.0067 mmol) of (AIBN) was mixed in a sample bottle to obtain a raw material solution. The mass ratio of the first monomer: the second monomer: the third monomer: the radical polymerization initiator in this raw material solution was approximately 600: 23: 300: 1. Further, the molar ratio of the first monomer: the second monomer: the third monomer: the radical polymerization initiator in this raw material solution was approximately 942: 24: 476: 1. If the polymerization proceeds according to the mixing ratio of the monomers, the proportion of the first monomer having a pyridyl group as a proton-accepting group in the repeating units of the obtained crosslinked polymer is about 65.0% by mass (≈600 /). (600 + 23 + 300)). These values are summarized in Table 1 below.

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の撹拌下で7時間半にわたって重合反応させた。その後、サンプル瓶をオイルバスから取り出したところ、サンプル瓶内の試料はガラス状になっていることが確認された。 After bubbling the raw material solution with nitrogen gas for 30 minutes, the temperature was raised to 80 ° C. under normal pressure with an oil bath, and the polymerization reaction was carried out for 7 and a half hours under stirring at 500 rpm. After that, when the sample bottle was taken out from the oil bath, it was confirmed that the sample in the sample bottle was glassy.

上記試料の入ったサンプル瓶にクロロホルム40mLを加えて、2時間半にわたって浸漬した。2時間半後にクロロホルムを除去し、同量の新しいクロロホルムを加え、再度2時間半にわたって浸漬を行った。このクロロホルム浸漬操作を3回繰り返し、未反応モノマー、低分子オリゴマー等を除去して精製した。得られた試料はクロロホルムで膨潤していたので、このクロロホルムを除去するために50℃のホットプレート上で約12時間にわたって放置し、その後、真空乾燥器中、50℃において1週間にわたって乾燥させることで揮発性溶媒であるクロロホルムを完全に除去することにより、架橋ポリ(4-ビニルピリジン-co-スチレン)(架橋P(4VP-co-S))を得た。 40 mL of chloroform was added to the sample bottle containing the above sample, and the mixture was immersed for two and a half hours. Chloroform was removed after two and a half hours, the same amount of fresh chloroform was added, and immersion was performed again for two and a half hours. This chloroform dipping operation was repeated 3 times to remove unreacted monomers, small molecule oligomers and the like for purification. Since the obtained sample was swollen with chloroform, it was left on a hot plate at 50 ° C. for about 12 hours to remove this chloroform, and then dried in a vacuum dryer at 50 ° C. for 1 week. By completely removing chloroform, which is a volatile solvent, cross-linked poly (4-vinylpyridine-co-styrene) (cross-linked P (4VP-co-S)) was obtained.

得られた架橋P(4VP-co-S)の構造を下記に示す。

Figure 0007068137000004
The structure of the obtained crosslinked P (4VP-co-S) is shown below.
Figure 0007068137000004

〈合成例5:架橋P(4VP-co-S)の合成〉
本合成例では、下記のようにして、プロトン受容性基としてのピリジル基を繰り返し単位に有する架橋ポリマーを合成した。
<Synthesis Example 5: Synthesis of Crosslinked P (4VP-co-S)>
In this synthesis example, a crosslinked polymer having a pyridyl group as a proton-accepting group as a repeating unit was synthesized as follows.

この合成例では、原料溶液中の第1モノマー:第2モノマー:第3モノマー:ラジカル重合開始剤の質量比をおよそ、420:21:410:1にしたことを除いて合成例4と同様にして、架橋ポリ(4-ビニルピリジン-co-スチレン)(架橋P(4VP-co-S))を得た。モノマーの仕込み比どおりで重合が進行すれば、得られる架橋ポリマーの繰り返し単位のうちの、プロトン受容性基としてのピリジル基を有する第1モノマーの割合は、約49.4質量%(≒420/(420+21+410))となるはずである。これらの値については、下記の表1にまとめている。 This synthesis example is the same as that of Synthesis Example 4 except that the mass ratio of the first monomer: the second monomer: the third monomer: the radical polymerization initiator in the raw material solution is approximately 420: 21: 410: 1. A crosslinked polymer (4-vinylpyridine-co-styrene) (crosslinked P (4VP-co-S)) was obtained. If the polymerization proceeds according to the mixing ratio of the monomers, the proportion of the first monomer having a pyridyl group as a proton-accepting group in the repeating units of the obtained crosslinked polymer is about 49.4% by mass (≈420 / ≈ 420 /). (420 + 21 + 410)). These values are summarized in Table 1 below.

〈合成例6:架橋P(4VP-co-S)の合成〉
本合成例では、下記のようにして、プロトン受容性基としてのピリジル基を繰り返し単位に有する架橋ポリマーを合成した。
<Synthesis Example 6: Synthesis of Crosslinked P (4VP-co-S)>
In this synthesis example, a crosslinked polymer having a pyridyl group as a proton-accepting group as a repeating unit was synthesized as follows.

この合成例では、原料溶液中の第1モノマー:第2モノマー:第3モノマー:ラジカル重合開始剤の質量比をおよそ、340:25:680:1にしたことを除いて合成例4と同様にして、架橋ポリ(4-ビニルピリジン-co-スチレン)(架橋P(4VP-co-S))を得た。モノマーの仕込み比どおりで重合が進行すれば、得られる架橋ポリマーの繰り返し単位のうちの、プロトン受容性基としてのピリジル基を有する第1モノマーの割合は、約32.5質量%(≒340/(340+25+680))となるはずである。これらの値については、下記の表1にまとめている。 This synthesis example is the same as that of Synthesis Example 4 except that the mass ratio of the first monomer: the second monomer: the third monomer: the radical polymerization initiator in the raw material solution is approximately 340: 25: 680: 1. A crosslinked polymer (4-vinylpyridine-co-styrene) (crosslinked P (4VP-co-S)) was obtained. If the polymerization proceeds according to the mixing ratio of the monomers, the proportion of the first monomer having a pyridyl group as a proton-accepting group in the repeating units of the obtained crosslinked polymer is about 32.5% by mass (≈340 /%). (340 + 25 + 680)). These values are summarized in Table 1 below.

〈合成例7(比較合成例):架橋PSの合成〉
本合成例では、プロトン受容性基を繰り返し単位に実質的に有さない架橋ポリマーを合成した。
<Synthesis Example 7 (Comparative Synthesis Example): Synthesis of Crosslinked PS>
In this synthesis example, a crosslinked polymer having substantially no proton-accepting group as a repeating unit was synthesized.

塩基性アルミナを充填したカラムに、未精製のスチレンを通して精製した。 A column packed with basic alumina was purified by passing unrefined styrene through it.

架橋性の第2モノマーとしてのN,N’-メチレンビスアクリルアミド(MBAA)24.8mg(0.161mmol)、プロトン受容性基を有さない非架橋性の第3モノマーとしてのスチレン(S)1.01g(9.71mmol)、ラジカル重合開始剤としてのアゾビスイソブチロニトリル(AIBN)1.1mg(0.0067mmol)、溶媒としてのメタノール0.100g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2モノマー:第3モノマー:ラジカル重合開始剤の質量比はおよそ、23:920:1であった。また、この原料溶液中の第2モノマー:第3モノマー:ラジカル重合開始剤のモル比はおよそ、24:1449:1であった。モノマーの仕込み比どおりで重合が進行すれば、得られる架橋ポリマーの繰り返し単位のうちの、プロトン受容性基としての第1モノマーの割合は、0質量%(=0/(23+920))となるはずである。これらの値については、下記の表1にまとめている。 24.8 mg (0.161 mmol) of N, N'-methylenebisacrylamide (MBAA) as a crosslinkable second monomer, styrene (S) 1 as a non-crosslinkable third monomer having no proton accepting group. 1.01 g (9.71 mmol), 1.1 mg (0.0067 mmol) of azobisisobutyronitrile (AIBN) as a radical polymerization initiator, and 0.100 g of methanol as a solvent are mixed in a sample bottle to prepare a raw material solution. Got The mass ratio of the second monomer: the third monomer: the radical polymerization initiator in this raw material solution was approximately 23: 920: 1. In addition, the molar ratio of the second monomer: the third monomer: the radical polymerization initiator in this raw material solution was approximately 24: 1449: 1. If the polymerization proceeds according to the mixing ratio of the monomers, the proportion of the first monomer as a proton-accepting group in the repeating units of the obtained crosslinked polymer should be 0% by mass (= 0 / (23 + 920)). Is. These values are summarized in Table 1 below.

原料溶液に対して窒素ガスによるバブリングを30分間にわたって行った後、オイルバスにより、常圧下、80℃に昇温し、500rpmの撹拌下で7時間半にわたって反応させた。その後、サンプル瓶をオイルバスから取り出したところ、サンプル瓶内の試料はガラス状になっていることが確認された。 After bubbling the raw material solution with nitrogen gas for 30 minutes, the temperature was raised to 80 ° C. under normal pressure by an oil bath, and the reaction was carried out under stirring at 500 rpm for 7 and a half hours. After that, when the sample bottle was taken out from the oil bath, it was confirmed that the sample in the sample bottle was glassy.

上記試料の入ったサンプル瓶にテトラヒドロフラン(THF)40mLを加えて2時間半にわたって浸漬した。2時間半後にTHFを除去し、同量の新しいTHFを加え、再度2時間半にわたって浸漬を行った。このTHF浸漬操作を3回繰り返し、未反応モノマー、低分子オリゴマー等を除去して精製した。得られた試料はTHFで膨潤していたので、このTHFを除去するために50℃のホットプレート上で約12時間にわたって放置し、その後、真空乾燥器中、50℃において1週間にわたって乾燥させることで揮発性溶媒であるTHFを完全に除去することにより、架橋ポリスチレン(架橋PS)を得た。 40 mL of tetrahydrofuran (THF) was added to the sample bottle containing the above sample, and the mixture was immersed for two and a half hours. After two and a half hours, THF was removed, the same amount of fresh THF was added, and immersion was performed again for two and a half hours. This THF immersion operation was repeated 3 times to remove unreacted monomers, small molecule oligomers and the like for purification. Since the obtained sample was swollen with THF, it was left on a hot plate at 50 ° C. for about 12 hours to remove this THF, and then dried in a vacuum dryer at 50 ° C. for 1 week. Cross-linked polystyrene (cross-linked PS) was obtained by completely removing THF as a volatile solvent.

得られた架橋PSの構造を下記に示す。

Figure 0007068137000005
The structure of the obtained crosslinked PS is shown below.
Figure 0007068137000005

〈合成例8:後架橋P4VPの合成〉
本合成例では、下記のようにして、合成例2で得られたピリジル基を有する非架橋ポリマー(非架橋P4VP)に架橋剤を反応させることで、プロトン受容性基としてのピリジル基を繰り返し単位に有する後架橋ポリマーを合成した。
<Synthesis Example 8: Synthesis of post-crosslinked P4VP>
In this synthesis example, the pyridyl group as a proton-accepting group is repeatedly used as a repeating unit by reacting the non-crosslinking polymer (non-crosslinking P4VP) having a pyridyl group obtained in Synthesis Example 2 with a cross-linking agent as described below. The post-crosslinking polymer possessed by was synthesized.

より具体的には、上述した合成例2で得られた非架橋P4VP1.01gをメタノール溶媒9.94gに溶解させた。この溶液中に架橋剤として1,4-ジブロモブタンを0.0101g加え、よく混合した後にポリメチルペンテン製シャーレ(内径8.5cm)に注ぎ、50℃で約2日間静置させることで揮発性溶媒(メタノール)を蒸発させ、架橋反応を進行させた。その後、真空乾燥器を用いて50℃で約1日間乾燥させることで揮発性溶媒を完全に除去し、後架橋されたポリ(4-ビニルピリジン)(後架橋P4VP)の膜を得た。 More specifically, 1.01 g of the non-crosslinked P4VP obtained in Synthesis Example 2 described above was dissolved in 9.94 g of a methanol solvent. Add 0.0101 g of 1,4-dibromobutane as a cross-linking agent to this solution, mix well, pour into a polymethylpentene chalet (inner diameter 8.5 cm), and let stand at 50 ° C. for about 2 days to make it volatile. The solvent (methanol) was evaporated to allow the crosslinking reaction to proceed. Then, the volatile solvent was completely removed by drying at 50 ° C. for about 1 day using a vacuum dryer to obtain a post-crosslinked poly (4-vinylpyridine) (post-crosslinked P4VP) film.

なお、得られた後架橋P4VPの膜は、メタノール等の良溶媒中で溶解せず、膨潤したことから、この膜は架橋されていることがわかった。 The obtained post-crosslinked P4VP membrane did not dissolve in a good solvent such as methanol and swelled, indicating that this membrane was crosslinked.

後架橋P4VPの構造を下記に示す。

Figure 0007068137000006
The structure of the post-crosslinked P4VP is shown below.
Figure 0007068137000006

〈実施例1〉
本実施例では、架橋ポリマーとして合成例1で得られた架橋P4VPを用い、かつ可塑剤として濃硫酸(pKa:-3.0)(98%)を用いて、プロトン伝導膜を調製し、そのプロトン伝導率を調べた。
<Example 1>
In this example, the crosslinked P4VP obtained in Synthesis Example 1 is used as the crosslinked polymer, and concentrated sulfuric acid (pKa: -3.0) (98%) is used as the plasticizer to prepare a proton conduction film. The proton conductivity was examined.

(1)プロトン伝導膜の調製
容量10mLのテフロン(登録商標)製ビーカーに、濃硫酸(98%)269mg及びメタノール5.01gを入れて混合し、硫酸のメタノール溶液を得た。この溶液に架橋P4VP57.9mgを浸漬させて50℃にて2日間にわたって静置して、架橋P4VP中に硫酸を導入するとともに、メタノールを除去した。このようにして得られた膜を、真空乾燥器中で50℃にて2日間にわたって乾燥してメタノールを完全に除去することにより、プロトン伝導膜を調製した。
(1) Preparation of Proton Conductive Membrane 269 mg of concentrated sulfuric acid (98%) and 5.01 g of methanol were added to a beaker made of Teflon (registered trademark) having a capacity of 10 mL and mixed to obtain a methanol solution of sulfuric acid. 57.9 mg of crosslinked P4VP was immersed in this solution and allowed to stand at 50 ° C. for 2 days to introduce sulfuric acid into the crosslinked P4VP and remove methanol. The membrane thus obtained was dried in a vacuum dryer at 50 ° C. for 2 days to completely remove methanol to prepare a proton conduction membrane.

得られたプロトン伝導膜の質量が313.0mgであったことから、この膜が、18質量%(57.9mg)の架橋P4VP、及び82質量%(255.1mg)の硫酸を含むことが確認された。また、得られたプロトン伝導膜は、粘弾性固体であった。 Since the mass of the obtained proton conduction membrane was 313.0 mg, it was confirmed that this membrane contained 18% by mass (57.9 mg) of crosslinked P4VP and 82% by mass (255.1 mg) of sulfuric acid. Was done. The obtained proton conduction film was a viscoelastic solid.

得られたプロトン伝導膜では、架橋ポリマーは、プロトン受容性基としてのピリジル基を有する架橋P4VPであり、可塑剤は、プロトン供与性化合物である硫酸(pKa:-3.0)である。硫酸のほとんどは、プロトンが遊離して硫酸イオン(アニオン)になっており、また架橋P4VP中のピリジル基のほとんどは、硫酸からのプロトンを受容してピリジニウムイオン(カチオン)を生成していると考えられる。 In the obtained proton conductive film, the crosslinked polymer is crosslinked P4VP having a pyridyl group as a proton accepting group, and the plasticizer is sulfuric acid (pKa: -3.0) which is a proton donating compound. Most of the sulfuric acid is freed with protons to form sulfate ions (anions), and most of the pyridyl groups in the crosslinked P4VP receive protons from sulfuric acid to generate pyridinium ions (cations). Conceivable.

(2)プロトン伝導膜の評価
(i)ガラス転移点測定
得られたプロトン伝導膜について、JIS K 7121に準拠し、昇温速度10℃/分の条件にて、-90℃~40℃の温度範囲で示差走査熱量測定(DSC)を行った。その結果、プロトン伝導膜として単一のガラス転移点Tg-79℃を示した。
(2) Evaluation of proton conductive film (i) Measurement of glass transition point The obtained proton conductive film has a temperature of -90 ° C to 40 ° C under the condition of a heating rate of 10 ° C / min in accordance with JIS K 7121. Differential scanning calorimetry (DSC) was performed in the range. As a result, a single glass transition point Tg-79 ° C. was shown as a proton conductive film.

(ii)無荷重静置試験
上記で得られたプロトン伝導膜を、温度を変えながら無荷重状態で1時間にわたって静置し、以下の基準で評価した。
-40℃以上150℃以下の温度範囲で漏出物及び揮発物の双方が見られなかった場合:A
100℃以上の温度で漏出物又は揮発物が確認された場合:B
-40℃以上の領域で漏出物又は揮発物が確認された場合:C
(Ii) No-load static test The proton conductive film obtained above was allowed to stand for 1 hour under no load while changing the temperature, and evaluated according to the following criteria.
When neither leaks nor volatiles are found in the temperature range of -40 ° C or higher and 150 ° C or lower: A
If leaks or volatiles are found at a temperature of 100 ° C or higher: B
If leaks or volatiles are found in the region above -40 ° C: C

実施例1のプロトン伝導膜についての無荷重漏出試験では、-40℃以上150℃以下の温度範囲で漏出物は見られずに評価結果は「A」であり、電池の使用温度範囲において可塑剤が漏出しないことが確認された。これは、架橋ポリマー中のピリジル基が、硫酸から遊離したプロトンを受容してピリジニウムイオンとなり、このピリジニウムイオン(カチオン)と、プロトンを放出した硫酸イオン(アニオン)との間で、イオン性相互作用を生じていることによると考えられる。 In the no-load leakage test for the proton conductive membrane of Example 1, no leak was observed in the temperature range of -40 ° C or higher and 150 ° C or lower, and the evaluation result was “A”, and the plasticizer was used in the operating temperature range of the battery. Was confirmed not to leak. This is because the pyridyl group in the crosslinked polymer receives the proton liberated from sulfuric acid to become a pyridinium ion, and an ionic interaction between this pyridinium ion (cation) and the sulfate ion (anion) that released the proton. It is considered that this is due to the occurrence of.

(iii)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、得られたプロトン伝導膜の交流インピーダンス測定を行った。
(Iii) AC impedance measurement Using a platinum net with a thickness of 0.1 mm as an electrode, the AC impedance of the obtained proton conduction film 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、プロトン伝導膜(厚さ0.13cm、幅0.42cm)を挟み込んだ。電極間に挟み込んだプロトン伝導膜を自然対流式の定温恒温乾燥器中に入れて、温度50℃、相対湿度12%RHの条件下で1時間にわたって乾燥させた。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 proton conductive film (thickness 0.13 cm, width 0.42 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 proton conductive film 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 12% 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まで変化させて、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、1.4×10Ωであった。 After waiting for the temperature inside the dryer to stabilize, the voltage is changed from 106 Hz to 1 Hz using Potential / Galvanostat 4-400 (Prinston Applied Research) with FRA (Frequency Response Analysis) option. Then, the AC impedance was measured under the non-humidified condition. When the resistance value in the frequency domain where the absolute value of the resistance value was almost constant was read, it was 1.4 × 10 2 Ω.

更に、下記数式(1)によってこのプロトン伝導膜のプロトン伝導率を求めたところ、87mS/cmであり、このプロトン伝導膜が高いプロトン伝導率を示すことを確認した。
プロトン伝導率=電極間距離/(膜の厚さ×膜の幅×抵抗値) (1)
Further, when the proton conductivity of this proton conductive film was determined by the following mathematical formula (1), it was 87 mS / cm, and it was confirmed that this proton conductive film showed high proton conductivity.
Proton conductivity = distance between electrodes / (thickness of membrane x width of membrane x resistance value) (1)

次いで、測定条件を温度80℃、相対湿度3.5%RHに変更して、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1.0×10Ωであり、プロトン伝導率は120mS/cmであり、プロトン伝送率は高い値を示した。 Next, when the measurement conditions were changed to a temperature of 80 ° C. and a relative humidity of 3.5% RH, and AC impedance measurement was performed, the resistance value in the frequency region where the absolute value of the resistance value was almost constant was 1.0 × 10. It was 2 Ω, the proton conductivity was 120 mS / cm, and the proton transmission rate was high.

更に、測定時の温度及び相対湿度を変更して交流インピーダンス測定を行い、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、及びプロトン伝導率を求めた。その結果、温度95℃、相対湿度2.5%RHでは、抵抗値は8.7×10Ω、プロトン伝導率は140mS/cmであり;温度110℃、相対湿度2.0%RHでは、抵抗値は8.3×10Ω、プロトン伝導率は150mS/cmであり;温度120℃、相対湿度1.8%RHでは、抵抗値は7.8×10Ω、プロトン伝導率は160mS/cmであり、いずれの測定条件においても、プロトン伝導率は高い値を示した。 Further, the AC impedance was measured by changing the temperature and relative humidity at the time of measurement, and the resistance value and the proton conductivity in the frequency region where the absolute value of the resistance value was almost constant were obtained. As a result, at a temperature of 95 ° C. and a relative humidity of 2.5% RH, the resistance value is 8.7 × 10 1 Ω and the proton conductivity is 140 mS / cm; at a temperature of 110 ° C. and a relative humidity of 2.0% RH, the resistance value is 140 mS / cm. The resistance is 8.3 x 10 1 Ω and the proton conductivity is 150 mS / cm; at a temperature of 120 ° C and a relative humidity of 1.8% RH, the resistance is 7.8 x 10 1 Ω and the proton conductivity is 160 mS. It was / cm, and the proton conductivity showed a high value under all the measurement conditions.

本実施例のプロトン伝導膜は、交流インピーダンスの測定中、漏出物は見られず、流動せずに膜形状を維持しており、また粘弾性固体であった。 During the measurement of the AC impedance, the proton conductive film of this example showed no leaks, did not flow, maintained the film shape, and was a viscoelastic solid.

〈実施例2及び3、並びに比較例1〉
架橋ポリマー及び可塑剤の使用量を下記の表2に示すように変更した他は実施例1と同様にして、プロトン伝導膜を調製し、評価した。評価結果は下記の表2に示す。
<Examples 2 and 3 and Comparative Example 1>
A proton conductive film was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the amounts of the crosslinked polymer and the plasticizer used were changed as shown in Table 2 below. The evaluation results are shown in Table 2 below.

〈実施例4〉
本実施例では、架橋ポリマーとして合成例1で得られた架橋P4VPを用い、かつ可塑剤としてリン酸(pKa:2.1)(85%)を用いて、プロトン伝導膜を調製し、評価した。
<Example 4>
In this example, a proton conduction film was prepared and evaluated using the crosslinked P4VP obtained in Synthesis Example 1 as the crosslinked polymer and phosphoric acid (pKa: 2.1) (85%) as the plasticizer. ..

(1)プロトン伝導膜の調製
容量10mLのテフロン(登録商標)製ビーカーに、リン酸(85%)112mg及びメタノール5.01gを入れて混合し、リン酸のメタノール溶液を得た。この溶液に架橋P4VP23.6mgを浸漬させて50℃にて2日間にわたって静置して、架橋P4VP中にリン酸を導入するとともに、メタノールを除去した。このようにして得た膜を、真空乾燥器中で50℃にて2日間にわたって乾燥してメタノールを完全に除去することにより、プロトン伝導膜を調製した。
(1) Preparation of Proton Conduction Film In a beaker made of Teflon (registered trademark) having a capacity of 10 mL, 112 mg of phosphoric acid (85%) and 5.01 g of methanol were put and mixed to obtain a methanol solution of phosphoric acid. 23.6 mg of crosslinked P4VP was immersed in this solution and allowed to stand at 50 ° C. for 2 days to introduce phosphoric acid into the crosslinked P4VP and remove methanol. The membrane thus obtained was dried in a vacuum dryer at 50 ° C. for 2 days to completely remove methanol to prepare a proton conduction membrane.

得られたプロトン伝導膜の質量が119.0mgであったことから、この膜が、20質量%(23.6mg)の架橋P4VP、及び80質量%(95.4mg)のリン酸を含むことが確認された。また、得られたプロトン伝導膜は、粘弾性固体であった。 Since the mass of the obtained proton conduction membrane was 119.0 mg, this membrane may contain 20% by weight (23.6 mg) of crosslinked P4VP and 80% by weight (95.4 mg) of phosphoric acid. confirmed. The obtained proton conduction film was a viscoelastic solid.

得られたプロトン伝導膜では、架橋ポリマーは、プロトン受容性基としてのピリジル基を有する架橋P4VPであり、可塑剤は、プロトン供与性化合物であるリン酸(pKa:2.1)であった。リン酸の一部は、プロトンが遊離してリン酸イオン(アニオン)になっており、また架橋P4VP中のピリジル基は、リン酸からのプロトンを受容してピリジニウムイオン(カチオン)を生成していると考えられる。 In the obtained proton conductive film, the crosslinked polymer was a crosslinked P4VP having a pyridyl group as a proton accepting group, and the plasticizer was phosphoric acid (pKa: 2.1) which is a proton donating compound. A part of phosphoric acid is freed with protons to become phosphate ions (cations), and the pyridyl group in the crosslinked P4VP accepts protons from phosphoric acid to generate pyridinium ions (cations). It is thought that there is.

(2)プロトン伝導膜の評価
得られたプロトン伝導膜について、実施例1と同様に評価した。評価結果は下記の表2に示す。
(2) Evaluation of Proton Conduction Membrane The obtained proton conduction membrane was evaluated in the same manner as in Example 1. The evaluation results are shown in Table 2 below.

〈比較例2〉
比較例2では、架橋ポリマーとして合成例1で得られた架橋P4VPを用い、かつ可塑剤としてイソプロピルマロン酸(IPMA)(pKa:2.9)を用いて、プロトン伝導膜を調製し、評価した。
<Comparative Example 2>
In Comparative Example 2, a proton conductive film was prepared and evaluated using the crosslinked P4VP obtained in Synthesis Example 1 as the crosslinked polymer and isopropylmalonic acid (IPMA) (pKa: 2.9) as the plasticizer. ..

(1)プロトン伝導膜の調製
容量10mLのテフロン(登録商標)製ビーカーに、IPMA49mg及びメタノール5.01gを入れて混合し、IPMAのメタノール溶液を得た。この溶液に架橋P4VP37.4mgを浸漬させて50℃にて2日間にわたって静置して、架橋P4VP中にIPMAを導入するとともに、メタノールを除去した。このようにして得た膜を、真空乾燥器中で50℃にて2日間乾燥してメタノールを完全に除去することにより、プロトン伝導膜を調製した。
(1) Preparation of Proton Conductive Membrane 49 mg of IPMA and 5.01 g of methanol were placed in a beaker made of Teflon (registered trademark) having a capacity of 10 mL and mixed to obtain a methanol solution of IPMA. 37.4 mg of crosslinked P4VP was immersed in this solution and allowed to stand at 50 ° C. for 2 days to introduce IPMA into the crosslinked P4VP and remove methanol. The membrane thus obtained was dried in a vacuum dryer at 50 ° C. for 2 days to completely remove methanol to prepare a proton conduction membrane.

得られたプロトン伝導膜の質量が186.0mgであったことから、この膜が、20質量%(37.4mg)の架橋P4VP、及び80質量%(148.6mg)のIPMAを含むことが確認された。また、得られたプロトン伝導膜は、粘弾性固体であった。 Since the mass of the obtained proton conduction membrane was 186.0 mg, it was confirmed that this membrane contained 20% by mass (37.4 mg) of crosslinked P4VP and 80% by mass (148.6 mg) of IPMA. Was done. The obtained proton conduction film was a viscoelastic solid.

得られたプロトン伝導膜では、架橋ポリマーは、プロトン受容性基としてのピリジル基を有する架橋P4VPであり、可塑剤は、プロトン供与性化合物であるIPMA(pKa:2.9)である。IPMA中のカルボキシル基の一部は、プロトンが遊離してカルボキシラートイオン(アニオン)になっており、また架橋P4VP中のピリジル基は、IPMAからのプロトンを受容してピリジニウムイオン(カチオン)を生成していると考えられる。 In the obtained proton conductive membrane, the crosslinked polymer is a crosslinked P4VP having a pyridyl group as a proton accepting group, and the plasticizer is IPMA (pKa: 2.9) which is a proton donating compound. Some of the carboxyl groups in IPMA are freed to form carboxylate ions (anions), and the pyridyl groups in the crosslinked P4VP receive protons from IPMA to generate pyridinium ions (cations). it seems to do.

(2)プロトン伝導膜の評価
得られたプロトン伝導膜について、実施例1と同様に評価した。
(2) Evaluation of Proton Conduction Membrane The obtained proton conduction membrane was evaluated in the same manner as in Example 1.

比較例2では、無荷重静置試験において、温度が100℃以上となると、プロトン伝導膜の周囲にIPMAの臭気が漂い始めた。このことから、少なくとも100℃以上の温度領域では、可塑剤が蒸発することが分かった。そのため、交流インピーダンスの測定は、50℃、80℃、及び95℃にて行い、110℃及び120℃における測定は行わなかった。評価結果を下記の表2に示す。 In Comparative Example 2, in the no-load static test, when the temperature became 100 ° C. or higher, the odor of IPMA began to drift around the proton conductive membrane. From this, it was found that the plasticizer evaporates in the temperature range of at least 100 ° C. or higher. Therefore, the AC impedance was measured at 50 ° C., 80 ° C., and 95 ° C., and not at 110 ° C. and 120 ° C. The evaluation results are shown in Table 2 below.

〈比較例3〉
比較例3では、合成例1で得られた架橋P4VPの代わりに合成例2で得られた非架橋P4VPを用い、かつ可塑剤として硫酸(pKa:-3.0)(98%)を用いて、プロトン伝導膜の調製を試みた。
<Comparative Example 3>
In Comparative Example 3, the non-crosslinked P4VP obtained in Synthesis Example 2 was used instead of the crosslinked P4VP obtained in Synthesis Example 1, and sulfuric acid (pKa: -3.0) (98%) was used as a plasticizer. , I tried to prepare a proton conductive film.

容量10mLのテフロン(登録商標)製ビーカーに、P4VPP4VP32.8mg、硫酸(98%)133mg、及びメタノール4.16gを入れて混合し、混合溶液を調製した。この溶液を、50℃のホットプレート上に2日間にわたって静置して、メタノールを除去した。その後、メタノール除去後の残存物を、真空乾燥器中で50℃にて2日間にわたって乾燥してメタノールを完全に除去することにより、比較例3の試料を得た。 A mixed solution was prepared by adding 32.8 mg of P4VPP4VP, 133 mg of sulfuric acid (98%), and 4.16 g of methanol to a beaker made of Teflon (registered trademark) having a capacity of 10 mL and mixing them. The solution was allowed to stand on a hot plate at 50 ° C. for 2 days to remove methanol. Then, the residue after removing the methanol was dried in a vacuum dryer at 50 ° C. for 2 days to completely remove the methanol, thereby obtaining a sample of Comparative Example 3.

得られた試料は、流動性があり、膜形状を有していなかった。これは、ポリマーが非架橋のため、膜形状を維持することができなかったことによると考えられる。 The obtained sample was fluid and did not have a film shape. It is considered that this is because the polymer could not maintain the film shape because it was not crosslinked.

そのため、この比較例で得られた試料については、評価を行うことができなかった。 Therefore, the sample obtained in this comparative example could not be evaluated.

〈実施例5〉
本実施例では、架橋ポリマーとして合成例3で得られた架橋PVImを用い、かつ可塑剤として硫酸(pKa:-3.0)(98%)を用いて、プロトン伝導膜を調製し、評価した。
<Example 5>
In this example, a proton conduction membrane was prepared and evaluated using the crosslinked PVIm obtained in Synthesis Example 3 as the crosslinked polymer and sulfuric acid (pKa: -3.0) (98%) as the plasticizer. ..

(1)プロトン伝導膜の調製
容量10mLのテフロン(登録商標)製ビーカーに、硫酸(98%)166mg及びメタノール5.10gを入れて混合し、硫酸のメタノール溶液を得た。この溶液に固体状の架橋PVIm39.8mgを浸漬させて50℃にて2日間にわたって静置して、架橋PVIm中に硫酸を導入するとともに、メタノールを除去した。このようにして得た膜を、真空乾燥器中で50℃にて2日間にわたって乾燥してメタノールを完全に除去することにより、プロトン伝導膜を調製した。
(1) Preparation of Proton Conductive Membrane 166 mg of sulfuric acid (98%) and 5.10 g of methanol were put into a beaker made of Teflon (registered trademark) having a capacity of 10 mL and mixed to obtain a methanol solution of sulfuric acid. 39.8 mg of solid crosslinked PVIm was immersed in this solution and allowed to stand at 50 ° C. for 2 days to introduce sulfuric acid into the crosslinked PVIm and remove methanol. The membrane thus obtained was dried in a vacuum dryer at 50 ° C. for 2 days to completely remove methanol to prepare a proton conduction membrane.

得られたプロトン伝導膜の質量が203.0mgであったことから、この膜が、20質量%(39.8mg)の架橋PVIm、及び80質量%(163.2mg)の硫酸を含むことが確認された。また、得られたプロトン伝導膜は、粘弾性固体であった。 Since the mass of the obtained proton conduction membrane was 203.0 mg, it was confirmed that this membrane contained 20% by mass (39.8 mg) of crosslinked PVIm and 80% by mass (163.2 mg) of sulfuric acid. Was done. The obtained proton conduction film was a viscoelastic solid.

得られたプロトン伝導膜では、架橋ポリマーは、プロトン受容性基としてのイミダゾール基を有する架橋PVImであり、可塑剤は、プロトン供与性化合物である硫酸(pKa:-3.0)である。硫酸は、プロトンが遊離して硫酸イオン(アニオン)になっており、また架橋P4VP中のピリジル基は、硫酸からのプロトンを受容してイミダゾリウムイオン(カチオン)を生成していると考えられる。 In the obtained proton conductive film, the crosslinked polymer is a crosslinked PVIm having an imidazole group as a proton accepting group, and the plasticizer is sulfuric acid (pKa: -3.0) which is a proton donating compound. It is considered that sulfuric acid is liberated into sulfate ions (anions), and the pyridyl group in the crosslinked P4VP receives protons from sulfuric acid to generate imidazolium ions (cations).

(2)プロトン伝導膜の評価
得られたプロトン伝導膜について、実施例1と同様に評価した。評価結果は下記の表2に示す。
(2) Evaluation of Proton Conduction Membrane The obtained proton conduction membrane was evaluated in the same manner as in Example 1. The evaluation results are shown in Table 2 below.

〈実施例6〉
実施例6では、架橋ポリマーとして合成例4で得られた架橋P(4VP-co-S)を用い、かつ可塑剤として濃硫酸(pKa:-3.0)(98%)を用いて、プロトン伝導膜を調製し、評価した。
<Example 6>
In Example 6, the crosslinked P (4VP-co-S) obtained in Synthesis Example 4 was used as the crosslinked polymer, and concentrated sulfuric acid (pKa: -3.0) (98%) was used as the plasticizer, and protons were used. Conductive membranes were prepared and evaluated.

(1)プロトン伝導膜の調製
容量10mLのテフロン(登録商標)製ビーカーに濃硫酸(98%)194mgとメタノール4.27gを添加し、その溶液に上記の架橋P(4VP-co-S)の48.6mgを浸漬させた。その後、50℃のホットプレート上に約2日間にわたって静置して、架橋P(4VP-co-S)に硫酸を導入するとともに、メタノールを除去した。その後、真空乾燥器中、50℃において約2日間にわたって乾燥させることでメタノールを完全に除去して、プロトン伝導膜を得た。
(1) Preparation of Proton Conductive Membrane To a beaker made of Teflon (registered trademark) having a capacity of 10 mL, 194 mg of concentrated sulfuric acid (98%) and 4.27 g of methanol were added, and the above-mentioned crosslinked P (4VP-co-S) was added to the solution. 48.6 mg was immersed. Then, it was allowed to stand on a hot plate at 50 ° C. for about 2 days to introduce sulfuric acid into the crosslinked P (4VP-co-S) and remove methanol. Then, the methanol was completely removed by drying in a vacuum dryer at 50 ° C. for about 2 days to obtain a proton conductive film.

得られたプロトン伝導膜の質量は237mgであったことから、この膜が、20質量%の架橋P(4VP-co-S)、及び80質量%の硫酸を含むことが分かった。また、得られたプロトン伝導膜は粘弾性固体であった。 Since the mass of the obtained proton conduction membrane was 237 mg, it was found that this membrane contained 20% by mass of crosslinked P (4VP-co-S) and 80% by mass of sulfuric acid. The obtained proton conductive film was a viscoelastic solid.

得られたプロトン伝導膜では、架橋ポリマーは、プロトン受容性基としてのピリジル基を有する架橋P(4VP-co-S)であり、可塑剤は、プロトン供与性化合物である硫酸(pKa:-3.0)である。硫酸は、プロトンが遊離して硫酸イオン(アニオン)になっており、また架橋P(4VP-co-S)中のピリジル基は、硫酸からのプロトンを受容してイミダゾリウムイオン(カチオン)を生成していると考えられる。 In the obtained proton conductive film, the crosslinked polymer is crosslinked P (4VP-co-S) having a pyridyl group as a proton accepting group, and the plasticizer is sulfuric acid (pKa: -3) which is a proton donating compound. .0). In sulfuric acid, protons are liberated to form sulfate ions (anions), and the pyridyl group in the crosslinked P (4VP-co-S) accepts protons from sulfuric acid to generate imidazolium ions (cations). it seems to do.

(2)プロトン伝導膜の評価
得られたプロトン伝導膜について、実施例1と同様に評価した。なお、プロトン伝導率は、110℃及び120℃で評価した。評価結果は下記の表2に示す。
(2) Evaluation of Proton Conduction Membrane The obtained proton conduction membrane was evaluated in the same manner as in Example 1. The proton conductivity was evaluated at 110 ° C. and 120 ° C. The evaluation results are shown in Table 2 below.

〈実施例7〉
本実施例では、架橋ポリマーとして合成例5で得られた架橋P(4VP-co-S)を用い、かつ可塑剤として硫酸(pKa:-3.0)(98%)を用いて、プロトン伝導膜を調製し、評価した。
<Example 7>
In this example, the crosslinked P (4VP-co-S) obtained in Synthesis Example 5 is used as the crosslinked polymer, and sulfuric acid (pKa: -3.0) (98%) is used as the plasticizer to conduct proton conduction. Membranes were prepared and evaluated.

(1)プロトン伝導膜の調製
濃硫酸(98%)195mgとメタノール4.21gと合成例5で得られた架橋P(4VP-co-S)の固体48.7mgを使用した以外は実施例6と同様にして、プロトン伝導膜を調製した。
(1) Preparation of Proton Conduction Membrane Example 6 except that 195 mg of concentrated sulfuric acid (98%), 4.21 g of methanol and 48.7 mg of the solid crosslinked P (4VP-co-S) obtained in Synthesis Example 5 were used. A proton conductive film was prepared in the same manner as above.

得られたプロトン伝導膜の質量は241mgであったことから、この膜が、20質量%の架橋P(4VP-co-S)、及び80質量%の硫酸を含むことが分かった。また、得られたプロトン伝導膜は粘弾性固体であった。 Since the mass of the obtained proton conduction membrane was 241 mg, it was found that this membrane contained 20% by mass of crosslinked P (4VP-co-S) and 80% by mass of sulfuric acid. The obtained proton conductive film was a viscoelastic solid.

(2)プロトン伝導膜の評価
得られたプロトン伝導膜について、実施例1と同様に評価した。なお、プロトン伝導率は、110℃及び120℃で評価した。評価結果は下記の表2に示す。
(2) Evaluation of Proton Conduction Membrane The obtained proton conduction membrane was evaluated in the same manner as in Example 1. The proton conductivity was evaluated at 110 ° C. and 120 ° C. The evaluation results are shown in Table 2 below.

〈実施例8〉
本実施例では、架橋ポリマーとして合成例6で得られた架橋P(4VP-co-S)を用い、かつ可塑剤として硫酸(pKa:-3.0)(98%)を用いて、プロトン伝導膜を調製し、評価した。
<Example 8>
In this example, the crosslinked P (4VP-co-S) obtained in Synthesis Example 6 is used as the crosslinked polymer, and sulfuric acid (pKa: -3.0) (98%) is used as the plasticizer to conduct proton conduction. Membranes were prepared and evaluated.

(1)プロトン伝導膜の調製
濃硫酸(98%)121mgとメタノール4.07gと合成例6で得られた架橋P(4VP-co-S)の固体30.0mgを使用した以外は実施例6と同様にして、プロトン伝導膜を調製した。
(1) Preparation of Proton Conduction Membrane Example 6 except that 121 mg of concentrated sulfuric acid (98%), 4.07 g of methanol and 30.0 mg of the solid crosslinked P (4VP-co-S) obtained in Synthesis Example 6 were used. A proton conductive film was prepared in the same manner as above.

得られたプロトン伝導膜の質量は147mgであったことから、この膜が、20質量%の架橋P(4VP-co-S)、及び80質量%の硫酸を含むことが分かった。また、得られたプロトン伝導膜は粘弾性固体であった。 Since the mass of the obtained proton conduction membrane was 147 mg, it was found that this membrane contained 20% by mass of crosslinked P (4VP-co-S) and 80% by mass of sulfuric acid. The obtained proton conductive film was a viscoelastic solid.

(2)プロトン伝導膜の評価
得られたプロトン伝導膜について、実施例1と同様に評価した。なお、プロトン伝導率は、110℃及び120℃で評価した。評価結果は下記の表2に示す。
(2) Evaluation of Proton Conduction Membrane The obtained proton conduction membrane was evaluated in the same manner as in Example 1. The proton conductivity was evaluated at 110 ° C. and 120 ° C. The evaluation results are shown in Table 2 below.

〈比較例4〉
比較例4では、架橋ポリマーとして合成例7(比較合成例)で得られた含窒素複素環を繰り返し単位に実質的に有さない架橋PSを用い、かつ可塑剤として濃硫酸(pKa:-3.0)(98%)を用いて、プロトン伝導膜の調製を試みた。
<Comparative Example 4>
In Comparative Example 4, crosslinked PS obtained in Synthesis Example 7 (Comparative Synthesis Example) having substantially no nitrogen-containing heterocycle as a repeating unit was used as the crosslinked polymer, and concentrated sulfuric acid (pKa: -3) was used as the plasticizer. .0) (98%) was used to attempt to prepare a proton conductive film.

(2)プロトン伝導膜の調製
容量10mLのテフロン(登録商標)製ビーカーに濃硫酸(98%)164mgとTHF4.77gを添加し、その溶液に合成例7(比較合成例)で得られた架橋PSの固体41.3mgを浸漬させた。その後、50℃のホットプレート上に約2日間にわたって静置して、架橋PSに硫酸を導入することを試みるとともに、THFを除去した。THFは蒸発したが硫酸は架橋PSにほとんど吸収されておらず、硫酸と架橋PSとは分離しており、プロトン伝導膜を得られなかった。
(2) Preparation of Proton Conductive Membrane To a beaker made of Teflon (registered trademark) having a capacity of 10 mL, 164 mg of concentrated sulfuric acid (98%) and 4.77 g of THF were added, and the crosslink obtained in Synthesis Example 7 (Comparative Synthesis Example) was added to the solution. 41.3 mg of PS solid was immersed. Then, it was allowed to stand on a hot plate at 50 ° C. for about 2 days to try to introduce sulfuric acid into the crosslinked PS and remove THF. Although THF was evaporated, sulfuric acid was hardly absorbed by the crosslinked PS, and the sulfuric acid and the crosslinked PS were separated, so that a proton conduction film could not be obtained.

架橋PSに硫酸が吸収されなかったのは、架橋PSが繰り返し単位にプロトン受容性基を実質的に持たず、硫酸に対する親和性を有さないためであると考えられる。 It is considered that the reason why sulfuric acid was not absorbed by the cross-linked PS is that the cross-linked PS has substantially no proton-accepting group in the repeating unit and has no affinity for sulfuric acid.

〈実施例9〉
実施例9では架橋ポリマーとして合成例8で得られた後架橋P4VPを用い、かつ可塑剤として濃硫酸(pKa:-3.0)(98%)を用いて、プロトン伝導膜を調製し、評価した。
<Example 9>
In Example 9, the post-crosslinked P4VP obtained in Synthesis Example 8 was used as the crosslinked polymer, and concentrated sulfuric acid (pKa: -3.0) (98%) was used as the plasticizer to prepare and evaluate a proton conduction membrane. bottom.

(1)プロトン伝導膜の調製
濃硫酸(98%)554mgをメタノール5.78gに溶解した溶液をテフロン(登録商標)製容器(内径4cm)に注ぎ、その溶液中に上記の後架橋P4VP136mgを浸漬させ、50℃で約2日間静置させることで揮発性溶媒(メタノール)を蒸発させた。その後、真空乾燥器を用いて50℃で約1日間乾燥させることで揮発性溶媒を完全に除去し、後架橋P4VPをHSOで膨潤させた試料670mgを得た。HSOの重量濃度は80質量%であった。
(1) Preparation of Proton Conduction Film A solution of 554 mg of concentrated sulfuric acid (98%) in 5.78 g of methanol is poured into a Teflon (registered trademark) container (inner diameter 4 cm), and 136 mg of the above-mentioned post-crosslinked P4VP is immersed in the solution. The volatile solvent (methanol) was evaporated by allowing the mixture to stand at 50 ° C. for about 2 days. Then, the volatile solvent was completely removed by drying at 50 ° C. for about 1 day using a vacuum dryer to obtain 670 mg of a sample in which the post-crosslinked P4VP was swollen with H 2 SO 4 . The weight concentration of H 2 SO 4 was 80% by mass.

得られたこのプロトン伝導膜の膜厚は、0.35mmであった。また、このプロトン伝導膜は粘弾性固体であった。 The film thickness of the obtained proton conductive film was 0.35 mm. Moreover, this proton conduction film was a viscoelastic solid.

(2)プロトン伝導膜の評価
得られたプロトン伝導膜について、実施例1と同様にしてプロトン伝導率を評価した。プロトン伝導率の評価結果は下記の表2に示す。
(2) Evaluation of Proton Conductive Film The obtained proton conductive membrane was evaluated for proton conductivity in the same manner as in Example 1. The evaluation results of the proton conductivity are shown in Table 2 below.

(3)引張試験
得られた膜状の試料を打抜き刃型で打ち抜き、4mm幅のドッグボーン型試験片を調製した。測定装置は島津製作所製のAGS-X、50Nロードセル、50Nクリップ式つかみ具を用い、つかみ具間距離5.9mm、初期歪み速度0.33/s(引張速度1.9mm/s)にて引張試験を行った。引張試験の結果である応力-歪み曲線を図2に示す。
(3) Tensile test The obtained film-shaped sample was punched out with a punching blade type to prepare a dogbone type test piece having a width of 4 mm. The measuring device is AGS-X, 50N load cell, 50N clip type gripper manufactured by Shimadzu Corporation, and the distance between the grippers is 5.9 mm, and the initial strain rate is 0.33 / s (tensile speed 1.9 mm / s). A test was conducted. The stress-strain curve as a result of the tensile test is shown in FIG.

実施例9において、得られたヤング率、最大応力、破断伸び、応力-歪み曲線の内面積値(材料の丈夫さの指標)の結果はそれぞれ、0.10MPa、0.054MPa、60%、0.021MJ/mであった。 In Example 9, the results of the obtained Young's modulus, maximum stress, elongation at break, and internal area value (index of material toughness) of the stress-strain curve are 0.10 MPa, 0.054 MPa, 60%, and 0, respectively. It was .021 MJ / m3.

なお、ヤング率は応力-歪み曲線の初期勾配(歪み10%以内)、最大応力は応力の最大値、破断伸びは破断が生じたときの伸びより求めた。 The Young's modulus was obtained from the initial gradient of the stress-strain curve (strain within 10%), the maximum stress was obtained from the maximum value of stress, and the fracture elongation was determined from the elongation at the time of fracture.

上記で得られた実施例9のプロトン伝導膜の引張試験の結果から、実施例9のプロトン伝導膜は、柔軟な固体膜であることが分かった。 From the results of the tensile test of the proton conductive film of Example 9 obtained above, it was found that the proton conductive film of Example 9 was a flexible solid film.

Figure 0007068137000007
Figure 0007068137000007

Figure 0007068137000008
Figure 0007068137000008

表1及び2で示されているように、実施例1~9のプロトン伝導膜、すなわちプロトン受容性基を実質的な割合で有する架橋ポリマー及びプロトン供与性の適切な可塑剤を有し、かつ粘弾性固体であるプロトン伝導膜は、-40℃~150℃の温度範囲で漏出物及び揮発物がなく、また良好なプロトン伝導性を有していた。 As shown in Tables 1 and 2, having the proton conductive membranes of Examples 1-9, i.e., a crosslinked polymer having a substantial proportion of proton-accepting groups and a suitable proton-donating plasticizer, and The proton conductive film, which is a viscoelastic solid, had no leaks and volatile substances in the temperature range of −40 ° C. to 150 ° C., and had good proton conductivity.

これに対して、比較例1のプロトン伝導膜、すなわちプロトン受容性基を実質的な割合で有する架橋ポリマー及びプロトン供与性の適切な可塑剤を有し、可塑剤含有率が低いことによって粘弾性固体ではなくガラス状固体であるプロトン伝導膜は、プロトン伝導性が低かった。 On the other hand, it has the proton conductive film of Comparative Example 1, that is, a crosslinked polymer having a substantially proportion of proton-accepting groups and an appropriate plasticizer having a proton-donating property, and has a low plasticizer content, so that it has viscoelasticity. The proton conductive film, which is a glassy solid rather than a solid, had low proton conductivity.

また、比較例2のプロトン伝導膜、すなわちプロトン受容性基を実質的な割合で有する架橋ポリマー及びプロトン供与性の可塑剤を有し、可塑剤のpKaが大きすぎるプロトン伝導膜は、プロトン伝導性が低かった。 Further, the proton conductive film of Comparative Example 2, that is, the proton conductive film having a crosslinked polymer having a proton-accepting group in a substantial ratio and a proton-donating plasticizer and having a plasticizer pKa too large, is proton-conducting. Was low.

また、比較例3では、プロトン受容性基を実質的な割合で有するポリマー及びプロトン供与性の可塑剤を用いてプロトン伝導膜を形成することを試みたが、このポリマーが非架橋ポリマーであることによって、材料が流動性を示し、膜形状とすることができなかった。 Further, in Comparative Example 3, an attempt was made to form a proton conductive film using a polymer having a proton-accepting group in a substantial ratio and a proton-donating plasticizer, but this polymer is a non-crosslinked polymer. The material showed fluidity and could not be formed into a film shape.

また、比較例4では、架橋ポリマー及びプロトン供与性の可塑剤を用いてプロトン伝導膜を形成することを試みたが、この架橋ポリマーがプロトン受容性基を実質的に有さないことによって、プロトン供与性の可塑剤がポリマーに吸収されず、したがってプロトン伝導膜を得られなかった。 Further, in Comparative Example 4, an attempt was made to form a proton conductive film using a crosslinked polymer and a proton-donating plasticizer, but the crosslinked polymer had substantially no proton-accepting group, and thus protons. The donor plasticizer was not absorbed by the polymer and therefore a proton conductive film could not be obtained.

なお、プロトン受容性基を有する第1モノマーの割合を変えた実施例6~8(合成例4~6)では、第1モノマーの割合が65.0mol%から32.5mol%へと低下したことで、膜中の遊離プロトン濃度が上昇したと思われ、それによりプロトン伝導性が200mS/cm程度まで上昇したと考えられる。 In Examples 6 to 8 (Synthesis Examples 4 to 6) in which the ratio of the first monomer having a proton-accepting group was changed, the ratio of the first monomer decreased from 65.0 mol% to 32.5 mol%. Therefore, it is considered that the concentration of free protons in the membrane increased, and as a result, the proton conductivity increased to about 200 mS / cm.

〈参考例1〉
参考例1では、プロトン受容性基(ピリジル基)に対するプロトン供与性化合物(硫酸)のモル比が変化したときのガラス転移点(Tg)の変化傾向を調べた。
<Reference example 1>
In Reference Example 1, the tendency of the glass transition point (Tg) to change when the molar ratio of the proton-donating compound (sulfuric acid) to the proton-accepting group (pyridyl group) was changed was investigated.

参考例1のプロトン受容性基(ピリジル基)を有するポリマーとして、上述した合成例2の非架橋ポリマー(非架橋P4VP)を用いた。 As the polymer having a proton-accepting group (pyridyl group) of Reference Example 1, the non-crosslinked polymer (non-crosslinked P4VP) of Synthesis Example 2 described above was used.

上記の非架橋P4VPと、濃硫酸(pKa:-3.0)(98%)とを、異なるモル比で混合させて、それぞれのガラス転移点を測定した。結果は、表3及び図3に示す。 The above non-crosslinked P4VP and concentrated sulfuric acid (pKa: −3.0) (98%) were mixed at different molar ratios, and the respective glass transition points were measured. The results are shown in Table 3 and FIG.

Figure 0007068137000009
Figure 0007068137000009

表3及び図3に示されているように、ピリジル基に対する硫酸のモル比が0.12~0.71であるとき、非架橋P4VPと硫酸との混合物のTgは、非架橋P4VPそのもののTgよりも上がっていく傾向が得られた。これは、硫酸のほとんどが非架橋P4VPのピリジル基とセグメント運動の生じにくい酸-塩基複合体を形成していたためと考えられる。 As shown in Table 3 and FIG. 3, when the molar ratio of sulfuric acid to the pyridyl group is 0.12 to 0.71, the Tg of the mixture of uncrosslinked P4VP and sulfuric acid is the Tg of the uncrosslinked P4VP itself. There was a tendency to go up. It is considered that this is because most of the sulfuric acid formed an acid-base complex with the pyridyl group of the non-crosslinked P4VP in which segment motion was less likely to occur.

これに対して、ピリジル基に対する硫酸のモル比が1を超え始めるとき、例えばピリジル基に対する硫酸のモル比が1.1であるときから、非架橋P4VPと硫酸との混合物のTgが大きく低下する傾向が得られた。これは、ピリジル基に対する硫酸のモル比が1を超えたところで、硫酸が可塑剤として機能し、ポリマー鎖のセグメント運動を活発に生じやすくしたためと考えられる。 On the other hand, when the molar ratio of sulfuric acid to the pyridyl group begins to exceed 1, for example, when the molar ratio of sulfuric acid to the pyridyl group is 1.1, the Tg of the mixture of uncrosslinked P4VP and sulfuric acid is significantly reduced. A tendency was obtained. It is considered that this is because sulfuric acid functions as a plasticizer when the molar ratio of sulfuric acid to the pyridyl group exceeds 1, and the segment movement of the polymer chain is likely to be actively generated.

なお、上記で得られた結果は、硫酸に含まれるプロトンのモル数によるものではなく、硫酸そのもののモル数によるものである。上記結果は、全てのプロトン供与性化合物について、適用可能と考えられる。 The result obtained above is not due to the number of moles of protons contained in sulfuric acid, but to the number of moles of sulfuric acid itself. The above results are considered applicable to all proton donating compounds.

〈参考例2〉
参考例2では、120℃において、プロトン受容性基(ピリジル基)に対するプロトン供与性化合物(硫酸)のモル比が変化したときのプロトン伝導膜のプロトン伝導率の変化傾向を調べた。
<Reference example 2>
In Reference Example 2, the change tendency of the proton conductivity of the proton conductive membrane when the molar ratio of the proton donating compound (sulfuric acid) to the proton accepting group (pyridyl group) changed at 120 ° C. was investigated.

参考例2では、上述した合成例1で得られた架橋P4VPを用い、かつ可塑剤としての濃硫酸(pKa:-3.0)(98%)を用いて、硫酸の含有量を変化させたこと以外は、実施例9と同じようにして、プロトン伝導膜を調製して、120℃におけるプロトン伝導率を調べた。結果は図4に示す。 In Reference Example 2, the crosslinked P4VP obtained in Synthesis Example 1 described above was used, and concentrated sulfuric acid (pKa: -3.0) (98%) as a plasticizer was used to change the sulfuric acid content. Except for this, a proton conductive film was prepared in the same manner as in Example 9, and the proton conductivity at 120 ° C. was examined. The results are shown in FIG.

図4に示されているように、ピリジル基に対する硫酸のモル比が1.1(硫酸含有量50質量%)未満では、高い抵抗があったため、インピーダンス測定によりプロトン伝導率を見積もることができなかった(点線で示す)。 As shown in FIG. 4, when the molar ratio of sulfuric acid to the pyridyl group is less than 1.1 (sulfuric acid content 50% by mass), the resistance is high and the proton conductivity cannot be estimated by impedance measurement. (Indicated by the dotted line).

一方で、ピリジル基に対する硫酸のモル比が1.3(硫酸含有量55質量%)から1.6(硫酸含有量60質量%)まで、モル比の値が大きくなるにつれ、プロトン伝導率は、2~3桁も上昇したことが分かった。これは、酸-塩基複合体形成に利用されない過剰量の硫酸に由来する遊離プロトンの濃度が増加するために急激なプロトン伝導率の増加が見られたと考えられる。 On the other hand, as the molar ratio of sulfuric acid to the pyridyl group increases from 1.3 (sulfuric acid content 55% by mass) to 1.6 (sulfuric acid content 60% by mass), the proton conductivity increases. It turned out that it increased by two to three digits. It is considered that this is because a rapid increase in proton conductivity was observed due to an increase in the concentration of free protons derived from an excess amount of sulfuric acid that is not used for acid-base complex formation.

上述した参考例1及び2の結果から、側鎖にプロトン受容性基を有する架橋されたポリマーにプロトン供与性化合物を浸み込ませた場合、プロトン受容性基のモル数よりも多量のプロトン供与性化合物が含有すると、ガラス転移点は急激に低くなり、無加湿下におけるプロトン伝導率は急激に大きくなることがわかった。 From the results of Reference Examples 1 and 2 described above, when a proton-donating compound is impregnated into a crosslinked polymer having a proton-accepting group in the side chain, a larger amount of protons is donated than the number of moles of the proton-accepting group. It was found that when a sex compound was contained, the glass transition point was sharply lowered and the proton conductivity under no humidification was sharply increased.

Claims (10)

架橋ポリマー及び可塑剤を含み、
前記架橋ポリマーが、プロトン受容性基を、前記架橋ポリマーを構成する繰り返し単位の10mol%以上有し、
前記可塑剤が、pKa2.5以下のプロトン供与性化合物を含み
50℃以上120℃以下の温度範囲で粘弾性固体であり、かつ
ガラス転移点が30℃以下である、
プロトン伝導膜。
Contains crosslinked polymers and plasticizers
The crosslinked polymer has a proton-accepting group of 10 mol% or more of the repeating units constituting the crosslinked polymer.
The plasticizer contains a proton donating compound having a pKa of 2.5 or less.
It is a viscoelastic solid in the temperature range of 50 ° C or higher and 120 ° C or lower , and
The glass transition point is 30 ° C or lower,
Proton conduction membrane.
前記架橋ポリマー及び前記可塑剤の合計を100質量部としたときの前記可塑剤の含有量が、60質量部以上90質量部以下である、請求項1に記載のプロトン伝導膜。 The proton conduction film according to claim 1, wherein the content of the plasticizer is 60 parts by mass or more and 90 parts by mass or less when the total of the crosslinked polymer and the plasticizer is 100 parts by mass. 前記プロトン供与性化合物が、硫酸及びリン酸から選択される1種以上である、請求項1又は2に記載のプロトン伝導膜。 The proton conductive membrane according to claim 1 or 2, wherein the proton-donating compound is at least one selected from sulfuric acid and phosphoric acid. 前記プロトン受容性基が、含窒素複素環基である、請求項1~3のいずれか一項に記載のプロトン伝導膜。 The proton conduction membrane according to any one of claims 1 to 3, wherein the proton-accepting group is a nitrogen-containing heterocyclic group. 前記架橋ポリマーが、プロトン受容性基を有するビニル系モノマーである第1モノマー、及び架橋性ビニルモノマーである第2モノマーの共重合体である、請求項1~のいずれか一項に記載のプロトン伝導膜。 The invention according to any one of claims 1 to 4 , wherein the crosslinked polymer is a copolymer of a first monomer which is a vinyl-based monomer having a proton-accepting group and a second monomer which is a crosslinked vinyl monomer. Monomer conduction film. 前記プロトン伝導膜のプロトン伝導率が、50℃において7.4mS/cm以上である、請求項1~のいずれか一項に記載のプロトン伝導膜。 The proton conductive membrane according to any one of claims 1 to 5 , wherein the proton conductivity of the proton conductive membrane is 7.4 mS / cm or more at 50 ° C. 前記プロトン受容性基に対する前記プロトン供与性化合物のモル比が、1.0以上10.0以下である、請求項1~のいずれか一項に記載のプロトン伝導膜。 The proton conduction membrane according to any one of claims 1 to 6 , wherein the molar ratio of the proton-donating compound to the proton-accepting group is 1.0 or more and 10.0 or less. 請求項1~のいずれか一項に記載のプロトン伝導膜を有する、燃料電池。 A fuel cell having the proton conductive film according to any one of claims 1 to 7 . 架橋ポリマー及び可塑剤を含むプロトン伝導膜の製造方法であって、
前記架橋ポリマーが、プロトン受容性基を、前記架橋ポリマーを構成する繰り返し単位の10mol%以上有し、
前記可塑剤が、pKa2.5以下のプロトン供与性化合物を含み、
前記プロトン伝導膜は、50℃以上120℃以下の温度範囲で粘弾性固体であり、かつ
前記方法は、前記プロトン受容性基を有するビニル系モノマーである第1モノマーを重合させて、前駆体ポリマーを得て、そして前記前駆体ポリマーに架橋剤を添加して、前記前駆体ポリマーを架橋させることによって、前記架橋ポリマーを得ることを含む、
プロトン伝導膜の製造方法。
A method for producing a proton conductive film containing a crosslinked polymer and a plasticizer.
The crosslinked polymer has a proton-accepting group of 10 mol% or more of the repeating units constituting the crosslinked polymer.
The plasticizer contains a proton donating compound having a pKa of 2.5 or less.
The proton conductive film is a viscoelastic solid in a temperature range of 50 ° C. or higher and 120 ° C. or lower, and the method is a precursor polymer obtained by polymerizing a first monomer which is a vinyl-based monomer having a proton-accepting group. And by adding a cross-linking agent to the precursor polymer to cross-link the precursor polymer, the present invention comprises obtaining the cross-linked polymer.
A method for manufacturing a proton conductive membrane.
架橋ポリマー及び可塑剤を含むプロトン伝導膜の製造方法であって、
前記架橋ポリマーが、プロトン受容性基を、前記架橋ポリマーを構成する繰り返し単位の10mol%以上有し、
前記可塑剤が、pKa2.5以下のプロトン供与性化合物を含み、
前記プロトン伝導膜は、50℃以上120℃以下の温度範囲で粘弾性固体であり、かつ
前記方法は、前記プロトン受容性基を有するビニル系モノマーである第1モノマーと、架橋性ビニルモノマーである第2モノマーとを重合及び架橋させることによって、前記架橋ポリマーを得ることを含む、
プロトン伝導膜の製造方法。
A method for producing a proton conductive film containing a crosslinked polymer and a plasticizer.
The crosslinked polymer has a proton-accepting group of 10 mol% or more of the repeating units constituting the crosslinked polymer.
The plasticizer contains a proton donating compound having a pKa of 2.5 or less.
The proton conductive film is a viscous elastic solid in a temperature range of 50 ° C. or higher and 120 ° C. or lower, and the method is a first monomer which is a vinyl-based monomer having a proton-accepting group and a crosslinkable vinyl monomer. The cross-linking polymer is obtained by polymerizing and cross-linking with the second monomer.
A method for manufacturing a proton conductive membrane.
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