JP7183618B2 - Method for producing purified electrolyte polymer - Google Patents
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Description
本発明は精製された電解質ポリマーの製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for producing purified electrolyte polymers.
高分子電解質膜をイオン伝導体として用いる電気化学的装置の例として、水電解装置、電気化学式水素圧縮装置や固体高分子形燃料電池を挙げることができる。なかでも固体高分子形燃料電池は、比較的小規模の分散型発電施設、自動車や船舶など移動体の発電装置、小型移動機器、携帯機器の電源として幅広い応用が期待されている。 Examples of electrochemical devices using polymer electrolyte membranes as ion conductors include water electrolysis devices, electrochemical hydrogen compression devices, and polymer electrolyte fuel cells. Polymer electrolyte fuel cells, in particular, are expected to find wide-ranging applications as power sources for relatively small-scale distributed power generation facilities, power generators for mobile bodies such as automobiles and ships, small mobile devices, and portable devices.
これらに用いられる高分子電解質膜は、電解質ポリマーを製膜して得られる膜であり、カチオン交換膜として高いプロトン伝導率を有すると共に化学的、熱的、電気化学的及び力学的に十分安定なものでなくてはならない。これまで電解質ポリマーとしては、パーフルオロスルホン酸系ポリマーであるナフィオン(登録商標)(デュポン社製)が広く用いられてきた。一方、高価なナフィオンに代替し得る電解質ポリマーとして、炭化水素系電解質ポリマーの開発も近年活発化してきている。 Polymer electrolyte membranes used for these are membranes obtained by forming electrolyte polymers, and have high proton conductivity as cation exchange membranes and are chemically, thermally, electrochemically and mechanically sufficiently stable. must be something. Nafion (registered trademark) (manufactured by DuPont), which is a perfluorosulfonic acid-based polymer, has been widely used as an electrolyte polymer. On the other hand, the development of hydrocarbon-based electrolyte polymers has been active in recent years as an electrolyte polymer that can replace expensive Nafion.
パーフルオロ系電解質ポリマーを合成する過程においては、未反応モノマーや低分子量オリゴマー、過剰の重合開始剤や乳化剤等、加水分解処理で使用されたアルカリ金属などが不純物として生成する。また、炭化水素系電解質ポリマーを合成する過程においても、塩化ナトリウムや塩化カリウムといった水溶性無機塩や未反応モノマー、低分子量オリゴマーが不純物として生成する。これらの電解質ポリマー中の不純物は、電解質ポリマーを電解質膜等に加工する場合の成形性に悪影響を及ぼしたり、さらには電解質膜を燃料電池に使用した際に、発電中に膜内部に空孔が発生する要因となったりするため、極力排除する必要がある。そのため、限外濾過や、イオン交換樹脂による精製、再沈殿など、様々な方法を用いて電解質ポリマーからイオン性、非イオン性の不純物を除去する方法が提案されてきた。例えば、特許文献1にはパーフルオロ系電解質ポリマーを、限外濾過やイオン交換樹脂によって精製する方法が記載されている。また、特許文献2には、炭化水素系電解質ポリマーを水中にストランド状に押し出して精製する方法が記載されている。 In the process of synthesizing a perfluoro-based electrolyte polymer, impurities such as unreacted monomers, low-molecular-weight oligomers, excessive polymerization initiators, emulsifiers, alkali metals used in the hydrolysis treatment, and the like are generated. In addition, water-soluble inorganic salts such as sodium chloride and potassium chloride, unreacted monomers, and low-molecular-weight oligomers are produced as impurities in the process of synthesizing the hydrocarbon-based electrolyte polymer. These impurities in the electrolyte polymer adversely affect the moldability when the electrolyte polymer is processed into an electrolyte membrane or the like, and when the electrolyte membrane is used in a fuel cell, pores are formed inside the membrane during power generation. It is necessary to eliminate it as much as possible because it becomes a factor that occurs. Therefore, methods have been proposed for removing ionic and nonionic impurities from electrolyte polymers using various methods such as ultrafiltration, purification using ion exchange resins, and reprecipitation. For example, Patent Document 1 describes a method of purifying a perfluoro-based electrolyte polymer by ultrafiltration or ion exchange resin. Further, Patent Document 2 describes a method of extruding a hydrocarbon-based electrolyte polymer into water in the form of strands for purification.
しかしながら、従来の方法は、大量の電解質ポリマーをインラインで精製する際には、工程通過性に問題があった。例えば、特許文献1に記載の方法は、精製に長時間を要するものであった。また、特許文献2に記載の方法は、高弾性の電解質ポリマーが水中の攪拌翼に巻きつくなどして、工程が中断する可能性が高いものであった。 However, conventional methods have problems with processability when purifying large amounts of electrolytic polymers in-line. For example, the method described in Patent Document 1 requires a long time for purification. Further, in the method described in Patent Document 2, there is a high possibility that the highly elastic electrolyte polymer will wrap around the stirring blades in the water, and the process will be interrupted.
本発明は、かかる従来技術の背景に鑑み、電解質ポリマーの精製工程を含む、工程通過性に優れた電解質ポリマーの製造方法を提供せんとするものである。(なお、本明細書においては、重合時に生じた不純物が一定程度除去されて精製された電解質ポリマーを特に「精製電解質ポリマー」と表記する。) SUMMARY OF THE INVENTION In view of the background of such prior art, the present invention aims to provide a method for producing an electrolyte polymer having excellent processability, including a refinement step of the electrolyte polymer. (In this specification, an electrolytic polymer purified by removing a certain amount of impurities generated during polymerization is particularly referred to as "purified electrolytic polymer.")
本発明は、かかる課題を解決するために、次のような手段を採用するものである。すなわち、本発明は、電解質ポリマーの重合溶液を、重合溶液の溶媒よりも電解質ポリマーの溶解性が低く、かつ重合溶液の溶媒と混和可能な貧溶媒中にストランド状に押し出す押出工程と、押し出されたストランド状電解質ポリマーを機械的に切断してチョップドストランド状電解質ポリマーとする切断工程を、インラインで連続的に実施することを含む、精製電解質ポリマーの製造方法である。 The present invention employs the following means in order to solve such problems. That is, the present invention includes an extrusion step of extruding a polymerization solution of an electrolyte polymer into a poor solvent in which the solubility of the electrolyte polymer is lower than that of the solvent of the polymerization solution and which is miscible with the solvent of the polymerization solution in the form of strands; A method for producing a purified electrolyte polymer, comprising continuously in-line cutting a chopped strand-like electrolyte polymer to obtain a chopped strand-like electrolyte polymer.
本発明によれば、工程通過性に優れた精製電解質ポリマーの製造方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of the refined electrolyte polymer excellent in process passability can be provided.
[押出工程]
押出工程は、電解質ポリマーの重合溶液を、重合溶液の溶媒よりも当該電解質ポリマーの溶解性が低く、かつ重合溶液の溶媒と混和可能な貧溶媒中にストランド状に押し出す工程である。
[Extrusion process]
The extrusion step is a step of extruding the polymerization solution of the electrolyte polymer into strands into a poor solvent in which the electrolyte polymer is less soluble than the solvent of the polymerization solution and miscible with the solvent of the polymerization solution.
ここで、電解質ポリマーとはイオン性基を含有するポリマーを指し、電解質ポリマー溶液とは、電解質ポリマーを溶媒に溶解もしくは分散させた溶液を指す。代表的な電解質ポリマーとしては、イオン性基含有パーフルオロ系ポリマー(以下、「パーフルオロ系ポリマー」と称すことがある)とイオン性基含有炭化水素系ポリマー(以下、「炭化水素系ポリマー」と称すことがある)が挙げられ、本発明はこれらのいずれにも適用することができる。 Here, the electrolyte polymer refers to a polymer containing an ionic group, and the electrolyte polymer solution refers to a solution obtained by dissolving or dispersing the electrolyte polymer in a solvent. Typical electrolyte polymers include ionic group-containing perfluoro-based polymers (hereinafter sometimes referred to as "perfluoro-based polymers") and ionic group-containing hydrocarbon-based polymers (hereinafter referred to as "hydrocarbon-based polymers"). ), and the present invention can be applied to any of these.
パーフルオロ系ポリマーとは、ポリマー中のアルキル基および/またはアルキレン基の水素原子の大部分または全部がフッ素原子に置換されたポリマーを意味し、典型的にはポリマー中のアルキル基および/またはアルキレン基の水素原子の85%以上がフッ素原子で置換されたポリマーである。パーフルオロ系ポリマーの代表例としては、ナフィオン(登録商標)(デュポン社製)、フレミオン(登録商標)(旭硝子社製)およびアシプレックス(登録商標)(旭化成社製)などの市販品を挙げることができる。これらのパーフルオロ系ポリマーの構造は下記一般式(N1)で表すことができる。ただし、本発明で使用するパーフルオロ系ポリマーはこれらに限定されるものではない。 Perfluoro-based polymer means a polymer in which most or all of the hydrogen atoms of alkyl groups and/or alkylene groups in the polymer are substituted with fluorine atoms, typically alkyl groups and/or alkylene groups in the polymer. It is a polymer in which 85% or more of the hydrogen atoms in the groups are replaced with fluorine atoms. Representative examples of perfluoro-based polymers include commercially available products such as Nafion (registered trademark) (manufactured by DuPont), Flemion (registered trademark) (manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), and Aciplex (registered trademark) (manufactured by Asahi Kasei Corporation). can be done. The structure of these perfluoro-based polymers can be represented by the following general formula (N1). However, the perfluoro-based polymer used in the present invention is not limited to these.
(一般式(N1)中、n1、n2はそれぞれ独立に自然数を表す。k1およびk2はそれぞれ独立に0~5の整数を表す。)
また、炭化水素系ポリマーとは、ポリマー中のアルキル基および/またはアルキレン基の水素原子の大部分または全部が、ハロゲン基および/またはハロゲン化アルキル基に置換されずに残存するものを意味し、典型的にはポリマー中のアルキル基および/またはアルキレン基のハロゲン基および/またはハロゲン化アルキル基数に対する水素原子数の比が5以上であるポリマーである。
(In general formula (N1), n1 and n2 each independently represent a natural number. k1 and k2 each independently represent an integer of 0 to 5.)
Further, the hydrocarbon-based polymer means that most or all of the hydrogen atoms of the alkyl groups and/or alkylene groups in the polymer remain unsubstituted by halogen groups and/or halogenated alkyl groups, Typically, it is a polymer in which the ratio of the number of hydrogen atoms to the number of halogen groups and/or halogenated alkyl groups of alkyl groups and/or alkylene groups in the polymer is 5 or more.
パーフルオロ系ポリマーは、非常に高価であり、またガスクロスオーバーが大きいという課題があるため、電解質ポリマーとしては、機械強度、物理的耐久性、化学的安定性などの点から、炭化水素系電解質ポリマーが好ましく、特に主鎖に芳香環を有する芳香族炭化水素系電解質ポリマーがより好ましい。この場合、芳香環は炭化水素系芳香環だけでなく、ヘテロ環を含んでいても良い。また、芳香環ユニットと共に一部脂肪族系ユニットがポリマーを構成していてもかまわない。芳香族ユニットは、アルキル基、アルコキシ基、芳香族基等の炭化水素系基、ハロゲン基、ニトロ基、シアノ基、アミノ基、ハロゲン化アルキル基、カルボキシル基、ホスホン酸基、水酸基等、任意の置換基を有していても良い。 Perfluoro-based polymers are extremely expensive and have the problem of large gas crossover. A polymer is preferred, and an aromatic hydrocarbon-based electrolyte polymer having an aromatic ring in its main chain is particularly preferred. In this case, the aromatic ring may contain not only a hydrocarbon-based aromatic ring but also a heterocyclic ring. In addition, the aromatic ring unit and a part of the aliphatic unit may constitute the polymer. Aromatic units include hydrocarbon groups such as alkyl groups, alkoxy groups and aromatic groups, halogen groups, nitro groups, cyano groups, amino groups, halogenated alkyl groups, carboxyl groups, phosphonic acid groups, hydroxyl groups and the like. It may have a substituent.
芳香族炭化水素系ポリマーの具体例としては、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリアリーレンエーテル系ポリマー、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリパラフェニレン、ポリアリーレン系ポリマー、ポリアリーレンケトン、ポリエーテルケトン、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾール、ポリベンズイミダゾール、芳香族ポリアミド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリイミドスルホン等のポリマーが挙げられる。なお、ここでいうポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトン等は、その分子鎖にスルホン結合、エーテル結合、ケトン結合を有しているポリマーの総称であり、特定のポリマー構造を限定するものではない。 Specific examples of aromatic hydrocarbon polymers include polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene oxide, polyarylene ether polymer, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfide sulfone, polyparaphenylene, polyarylene polymer, polyarylene ketone, and polyether ketone. , polybenzoxazole, polybenzthiazole, polybenzimidazole, aromatic polyamide, polyimide, polyetherimide, and polyimidesulfone. Polysulfone, polyether sulfone, polyether ketone, etc., as used herein are generic names for polymers having sulfone bonds, ether bonds, and ketone bonds in their molecular chains, and do not limit specific polymer structures. .
これらの芳香族炭化水素系ポリマーのなかでも、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリアリーレンエーテル系ポリマー、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリアリーレンケトン、ポリエーテルケトン、ポリアリーレンホスフィンホキシド、ポリエーテルホスフィンホキシド等のポリマーは、剛直なポリマー構造のため、機械強度、物理的耐久性、加工性および耐加水分解性の面から好ましい一方、精製時に糸引き等が起こることにより、精製が困難となる。本発明の方法を適用することで、剛直なポリマー構造であっても、精製がし易くなるため好ましい。 Among these aromatic hydrocarbon polymers, polysulfone, polyether sulfone, polyphenylene oxide, polyarylene ether polymer, polyphenylene sulfide sulfone, polyarylene ketone, polyether ketone, polyarylenephosphine phosphine, polyetherphosphine phosphine Such polymers are preferable in terms of mechanical strength, physical durability, processability and hydrolysis resistance due to their rigid polymer structures, but they are difficult to purify due to the occurrence of stringiness and the like during purification. By applying the method of the present invention, even a rigid polymer structure can be easily purified, which is preferable.
電解質ポリマーのイオン性基は、負電荷を有する原子団が好ましく、プロトン交換能を有するものが好ましい。このような官能基としては、スルホン酸基、スルホンイミド基、硫酸基、ホスホン酸基、リン酸基、カルボン酸基が好ましく用いられる。中でも、高プロトン伝導度の点から少なくともスルホン酸基、スルホンイミド基または硫酸基を有することがより好ましく、原料コストの点から少なくともスルホン酸基を有することが最も好ましい。 The ionic group of the electrolyte polymer is preferably a negatively charged atomic group and preferably has proton exchange ability. As such a functional group, a sulfonic acid group, a sulfonimide group, a sulfuric acid group, a phosphonic acid group, a phosphoric acid group and a carboxylic acid group are preferably used. Among them, it is more preferable to have at least a sulfonic acid group, a sulfonimide group or a sulfuric acid group from the viewpoint of high proton conductivity, and it is most preferable to have at least a sulfonic acid group from the viewpoint of raw material cost.
ここで、本明細書においては、「イオン性基」は、塩を形成している場合を含むものとする。このような塩を形成するカチオンとしては、任意の金属カチオン、NR4 +(Rは任意の有機基)等を例として挙げることができる。好ましい金属カチオンの具体例としては、Li、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Pt、Rh、Ru、Ir、Pd等のカチオンが挙げられる。 Here, in the present specification, the term "ionic group" includes the case of forming a salt. Examples of cations that form such salts include arbitrary metal cations, NR 4 + (where R is an arbitrary organic group), and the like. Specific examples of preferred metal cations include cations such as Li, Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca, Pt, Rh, Ru, Ir, and Pd.
電解質ポリマーの分子量は、ポリスチレン換算重量平均分子量で、5万以上であることが好ましく、10万以上であることがより好ましい。平均分子量が5万以上であると、粘性が高くなり、精製時に糸引き等が起こりやすくなるため、本発明の製造方法を採用するメリットが大きくなる。 The molecular weight of the electrolyte polymer is preferably 50,000 or more, more preferably 100,000 or more, in terms of polystyrene equivalent weight average molecular weight. When the average molecular weight is 50,000 or more, the viscosity becomes high and stringiness or the like tends to occur during purification, so that the merit of adopting the production method of the present invention increases.
押出工程に供する重合溶液中の電解質ポリマーの溶媒は、電解質ポリマーを溶解もしくは分散可能なものである限り特に限定されない。パーフルオロ系ポリマーの場合、水、1-プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、エタノール、メタノール等の低級アルコール、ヘキサフルオロイソプロピルアルコール等の低級フルオロアルコールの中から少なくとも一種選ばれる溶媒が挙げられる。炭化水素系ポリマーの場合、クロロホルム等のアルキルハロゲン化物、o-ジクロロベンゼンや1-クロロナフタレン等の芳香族ハロゲン化物、N-メチル-2-ピロリドン等のN-アルキルピロリドン類、N-メチル-ε-カプロラクタム等のN-アルキルカプロラクタム類、1,3-ジメチル-2-イミダゾリジノン、N、N-ジメチルアセトアミド、N,N-ジメチルホルムアミド、ヘキサメチルリン酸トリアミド、ジメチルスルホキシド、ジメチルスルホン、テトラメチレンスルホン等の極性溶媒の中から少なくとも一種選ばれる溶媒が挙げられる。この中でも、溶解性や取扱い性、コストの面などから特にN-メチル-2-ピロリドンが好ましい。 The solvent for the electrolyte polymer in the polymerization solution to be subjected to the extrusion step is not particularly limited as long as it can dissolve or disperse the electrolyte polymer. In the case of perfluoro-based polymers, at least one solvent selected from water, lower alcohols such as 1-propyl alcohol, isopropyl alcohol, ethanol and methanol, and lower fluoroalcohols such as hexafluoroisopropyl alcohol can be used. In the case of hydrocarbon-based polymers, alkyl halides such as chloroform, aromatic halides such as o-dichlorobenzene and 1-chloronaphthalene, N-alkylpyrrolidones such as N-methyl-2-pyrrolidone, and N-methyl-ε -N-alkylcaprolactams such as caprolactam, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, N,N-dimethylacetamide, N,N-dimethylformamide, hexamethylphosphoric triamide, dimethylsulfoxide, dimethylsulfone, tetramethylene At least one solvent selected from polar solvents such as sulfone can be used. Among these, N-methyl-2-pyrrolidone is particularly preferred in terms of solubility, handleability and cost.
押出工程に供する重合溶液中の電解質ポリマーの濃度は、5重量%以上30重量%以下であることが好ましい。電解質ポリマーの濃度が5重量%より低いと、精製のための溶媒が大量に必要となり、プロセスコストが高価になる場合がある。30重量%を超えると、溶媒交換が円滑に行われなくなり、精製効率が悪化する場合がある。従って、重合反応の終了後、必要に応じて重合溶液中の電解質ポリマー濃度を調整することができる。 The concentration of the electrolyte polymer in the polymerization solution to be subjected to the extrusion step is preferably 5% by weight or more and 30% by weight or less. If the concentration of the electrolyte polymer is less than 5% by weight, a large amount of solvent is required for purification, which may result in high process costs. If it exceeds 30% by weight, solvent exchange may not be carried out smoothly, and purification efficiency may deteriorate. Therefore, after completion of the polymerization reaction, the electrolyte polymer concentration in the polymerization solution can be adjusted as required.
なお、「重合溶液」は電解質ポリマーの重合反応終了直後の溶液を主として意図した用語であるが、本明細書においては、重合反応後に濃度調整等を行うことによって溶液組成が変動した電解質ポリマー溶液であっても、実質的に未精製の溶液であれば「重合溶液」に含まれるものとする。 The term "polymerization solution" is intended mainly for the solution immediately after the completion of the polymerization reaction of the electrolyte polymer. However, any substantially unpurified solution is included in the "polymerization solution."
本発明においては、電解質ポリマーの重合溶液を、前記重合溶液の溶媒よりも前記電解質ポリマーの溶解性が低く、かつ前記重合溶液の溶媒と混和可能な貧溶媒中にストランド状(連続した棒状)に押し出す押出工程に供する。ストランド状に押し出すことで貧溶媒と電解質ポリマーとの接触面積が大きくなり、不純物の精製効率が向上する。 In the present invention, the polymerization solution of the electrolyte polymer is formed into strands (continuous rods) in a poor solvent in which the solubility of the electrolyte polymer is lower than that of the solvent of the polymerization solution and which is miscible with the solvent of the polymerization solution. Subject to extrusion process. By extruding in the form of strands, the contact area between the poor solvent and the electrolyte polymer is increased, and the purification efficiency of impurities is improved.
貧溶媒は、重合溶液の溶媒よりも電解質ポリマーの溶解性が低く、かつ前記重合溶液の溶媒と混和可能な液体である限り特に限定されないが、具体的には、アセトン、メチルエチルケトン、メチルプロピルケトン、メチルイソブチルケトン、ジアセトンアルコール、t-ブタノール、1-プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、エタノール、メタノール、エチレングリコール、2-メトキシエタノール、ヘキサフルオロイソプロピルアルコール、酢酸エチル、テトラヒドロフラン、アセトニトリル、トルエン、ジプロピルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル等の中から少なくとも一種選ばれる溶媒を主成分とするものであることが好ましい。特に、電解質ポリマーがパーフルオロ系ポリマーの場合にはジエチレングリコールジメチルエーテル、炭化水素系ポリマーの場合にはアセトンまたはイソプロピルアルコールを主成分とする溶媒が好ましい。なお、「主成分とする」とは、貧溶媒のうちもっとも重量割合が多いことであり、貧溶媒はこれらの液体を50wt%以上含むことがより好ましい。 The poor solvent is not particularly limited as long as the electrolyte polymer has lower solubility than the solvent of the polymerization solution and is miscible with the solvent of the polymerization solution. Specific examples include acetone, methyl ethyl ketone, methyl propyl ketone, methyl isobutyl ketone, diacetone alcohol, t-butanol, 1-propyl alcohol, isopropyl alcohol, ethanol, methanol, ethylene glycol, 2-methoxyethanol, hexafluoroisopropyl alcohol, ethyl acetate, tetrahydrofuran, acetonitrile, toluene, dipropyl ether, It is preferable that the main component is at least one solvent selected from diethylene glycol dimethyl ether and the like. In particular, when the electrolyte polymer is a perfluoro polymer, diethylene glycol dimethyl ether is preferred, and when the electrolyte polymer is a hydrocarbon polymer, a solvent containing acetone or isopropyl alcohol as a main component is preferred. In addition, "contained as a main component" means that the weight ratio of the poor solvent is the largest, and it is more preferable that the poor solvent contains 50 wt % or more of these liquids.
貧溶媒としては、精製効率の向上を目的に、重合反応等によって生じた不純物が溶解する液体を用いてもよいが、精製効率をさらに向上させる目的で、電解質ポリマーの重合溶液に含まれる不純物を溶解可能な液体(以下、「精製助剤」という)が含まれるものを用いることが好ましい。このような精製助剤としては、貧溶媒の主成分である溶媒および重合溶液の溶媒と混和可能なものが好ましく、具体的には、水溶性無機塩の除去を目的とする水、未反応モノマーや低分子量オリゴマーの除去を目的とする電解質ポリマーの良溶媒、金属不純物の除去を目的とする硫酸、塩酸、酢酸、フルオロ硫酸、アミノ酸、クエン酸等の酸溶液を挙げることができる。さらに、貧溶媒が、水、電解質ポリマーの良溶媒、酸溶液のうち2種類以上を含むと、複数種の不純物を同時に除去できるため、より好ましい。 As the poor solvent, for the purpose of improving purification efficiency, a liquid in which impurities generated by a polymerization reaction or the like are dissolved may be used. It is preferable to use one containing a soluble liquid (hereinafter referred to as "refining aid"). Such a purification aid is preferably miscible with the solvent that is the main component of the poor solvent and the solvent of the polymerization solution. Specifically, water for the purpose of removing water-soluble inorganic salts, unreacted monomer and a good solvent for electrolytic polymers for the purpose of removing low-molecular-weight oligomers, and acid solutions such as sulfuric acid, hydrochloric acid, acetic acid, fluorosulfuric acid, amino acids, and citric acid for the purpose of removing metal impurities. Furthermore, it is more preferable that the poor solvent contains two or more kinds of water, a good solvent for the electrolyte polymer, and an acid solution, since a plurality of kinds of impurities can be removed simultaneously.
貧溶媒中における精製助剤の割合は、重合溶液に含まれる電解質ポリマーの種類や濃度、重合溶液中の不純物量、主成分の溶媒等によって調整すべきであるが、一般に、パーフルオロ系ポリマーの場合、貧溶媒の1重量%以上20重量%以下が好ましく、炭化水素系ポリマーの場合、貧溶媒の5重量%以上50重量%以下が好ましい。精製助剤が少なすぎると、電解質ポリマー内の不純物が貧溶媒に十分溶解しなくなり、精製効率が悪化する場合がある。精製助剤が多すぎると、精製助剤によって電解質ポリマーが酷く膨潤し、固液分離工程などの工程通過性が悪化する場合がある。 The ratio of the purification aid in the poor solvent should be adjusted according to the type and concentration of the electrolyte polymer contained in the polymerization solution, the amount of impurities in the polymerization solution, the solvent of the main component, etc. In this case, it is preferably 1% by weight or more and 20% by weight or less of the poor solvent, and in the case of a hydrocarbon-based polymer, it is preferably 5% by weight or more and 50% by weight or less of the poor solvent. If the amount of the purification aid is too small, the impurities in the electrolyte polymer will not be sufficiently dissolved in the poor solvent, and the purification efficiency may deteriorate. If the amount of the purification aid is too large, the electrolyte polymer may be severely swollen by the purification aid, and processability such as a solid-liquid separation step may be deteriorated.
使用する貧溶媒の総量は、精製する電解質ポリマー溶液の総量に対し、3倍以上、30倍以下が好ましい。貧溶媒の総量が3倍より少ないと、精製効率が悪化することがあり、30倍より大きいと、プロセスコストが高くなる懸念がある。 The total amount of the poor solvent to be used is preferably 3 times or more and 30 times or less with respect to the total amount of the electrolyte polymer solution to be purified. If the total amount of the poor solvent is less than 3 times, the purification efficiency may deteriorate, and if it is more than 30 times, there is a concern that the process cost will increase.
貧溶媒の温度は、特に限定されるものではないが、精製効率、貧溶媒組成の安定性、固液分離工程などの工程通過性等の観点から、10℃以上50℃以下が好ましく、20℃以上30℃以下がより好ましい。 The temperature of the poor solvent is not particularly limited, but is preferably 10° C. or higher and 50° C. or lower, and 20° C., from the viewpoint of purification efficiency, stability of the poor solvent composition, processability such as solid-liquid separation step, and the like. More preferably, the temperature is 30°C or less.
[切断工程]
次に、押出工程によって貧溶媒中に押し出されたストランド状の電解質ポリマーを、チョップドストランド状(非連続の棒状)に機械的に切断する切断工程に供する。押出工程後の電解質ポリマーは、貧溶媒に接触して膨潤しているため、切断工程を経ることにより後述する分離工程の工程通過性が向上する。
[Cutting process]
Next, the strand-shaped electrolyte polymer extruded into the poor solvent in the extrusion process is subjected to a cutting process of mechanically cutting into chopped strands (discontinuous rods). Since the electrolytic polymer after the extrusion step is swollen in contact with the poor solvent, passing through the separation step described below is improved by passing through the cutting step.
機械的方法に切断する方法については、インラインで切断可能であれば特に限定されないが、インラインハイシアミキサー、破砕ポンプ等が好ましく用いられる。また、スタティックミキサー、インラインホモミクサー、ホモミックラインフロー等のインラインミキサーを用いてせん断を加えることもできる。また、ギヤポンプ、ベーンポンプ等の回転ポンプを用い、貧溶媒とストランド状の電解質ポリマーが回転歯とケーシングの間隙を通過する際に、電解質ポリマーを切断する方法を採用することもできる。 The mechanical cutting method is not particularly limited as long as it can be cut in-line, but an in-line high-shear mixer, crushing pump, or the like is preferably used. Alternatively, shear can be applied using an in-line mixer such as a static mixer, an in-line homomixer, or a homomic line flow. Alternatively, a rotary pump such as a gear pump or vane pump may be used to cut the electrolyte polymer when the poor solvent and strand-like electrolyte polymer pass through the gap between the rotating teeth and the casing.
切断時のストランド状電解質ポリマーの破断応力は、8000N/m2以上とすることが好ましく、10000N/m2以上とすることがより好ましい。破断応力が8000N/m2より小さいと、電解質ポリマーが極度に柔らかい状態となるため、後述する固液分離工程の工程通過性が悪化することがある。また、切断時のストランド状電解質ポリマーの破断応力は、60000N/m2以下であることが好ましく、40000N/m2以下であることがより好ましい。破断応力が60000N/m2より大きいということはすなわち、電解質ポリマーが貧溶媒により膨潤していないことであり、この場合、精製効率が悪化する場合がある。 The breaking stress of the strand electrolyte polymer when cut is preferably 8000 N/m 2 or more, more preferably 10000 N/m 2 or more. If the breaking stress is less than 8000 N/m 2 , the electrolyte polymer will be in an extremely soft state, which may deteriorate the process passability of the solid-liquid separation process described later. Moreover, the breaking stress of the strand electrolyte polymer when cut is preferably 60000 N/m 2 or less, more preferably 40000 N/m 2 or less. A breaking stress of more than 60,000 N/m 2 means that the electrolyte polymer is not swollen by the poor solvent, and in this case, purification efficiency may deteriorate.
押出工程で貧溶媒と接触した電解質ポリマーは、溶媒交換に時間を要するため、押出工程直後は極めて柔らかい場合がある。そのため、押出工程の開始、すなわち押し出された電解質ポリマーが貧溶媒と接触した瞬間から、切断工程においてチョップドストランド状に切断されるまでを2秒以上とすることにより、溶媒交換が進み、電解質ポリマーが適度に硬くなって切断し易くなる場合がある。この観点から、押出工程の開始から切断までの時間は5秒以上とすることがより好ましい。 Since the electrolyte polymer that has come into contact with the poor solvent during the extrusion process takes time to exchange the solvent, it may be extremely soft immediately after the extrusion process. Therefore, the time from the start of the extrusion process, i.e., the moment the extruded electrolyte polymer comes into contact with the poor solvent, to the time when the electrolyte polymer is cut into chopped strands in the cutting process is set to 2 seconds or longer, whereby the solvent exchange progresses and the electrolyte polymer is cut. It may become moderately hard and easy to cut. From this point of view, it is more preferable that the time from the start of the extrusion process to cutting is 5 seconds or longer.
上記の切断工程によって切断されたチョップドストランド状電解質ポリマーは、長さ5mm以上100mm以下であることが好ましい。チョップドストランド状電解質ポリマーの長さが100mmより大きいと、後述する溶媒交換工程において、攪拌翼にからまったり、反応釜から抜き出す際に詰まったりして、工程通過性が悪化することがある。また、チョップドストランド状電解質ポリマーの長さが5mmより小さいと、電解質ポリマーが粥状となり、後述する固液分離工程の工程通過性が悪化することがある。 The chopped strand electrolyte polymer cut by the above cutting step preferably has a length of 5 mm or more and 100 mm or less. If the length of the chopped strand electrolyte polymer is more than 100 mm, it may become entangled with the stirring blades in the solvent exchange process described later, or may clog when being extracted from the reactor, resulting in poor processability. If the length of the chopped strand-like electrolyte polymer is less than 5 mm, the electrolyte polymer becomes porridge-like, which may deteriorate the process passability of the solid-liquid separation process described later.
また、電解質ポリマー吐出口の孔径により、チョップドストランド状電解質ポリマーのストランド径を決めることができる。ストランド径が大きくなりすぎると、内部まで十分に貧溶媒および精製助剤が浸透せず不純物が十分に抽出できなくなるので、ストランド径は好ましくは10mm以下、さらに好ましくは5mm以下である。 In addition, the strand diameter of the chopped strand electrolyte polymer can be determined by the hole diameter of the electrolyte polymer outlet. If the strand diameter is too large, the poor solvent and the purification aid cannot sufficiently penetrate into the interior and impurities cannot be sufficiently extracted. Therefore, the strand diameter is preferably 10 mm or less, more preferably 5 mm or less.
電解質ポリマーの精製効率と、後段の工程通過性を総合的に考慮すると、チョップドストランド状電解質ポリマーのアスペクト比は5以上60以下であることが好ましい。 Taking overall consideration of the refining efficiency of the electrolyte polymer and the ability to pass subsequent processes, the aspect ratio of the chopped strand-like electrolyte polymer is preferably 5 or more and 60 or less.
[溶媒交換工程]
切断工程の後に、チョップドストランド状電解質ポリマーを貧溶媒中で保持したまま、チョップドストランド状電解質ポリマーに含まれる重合溶液の溶媒と貧溶媒との溶媒交換を促進するための溶媒交換工程を設けることが好ましい。溶媒交換工程は、貧溶媒とチョップドストランド状電解質ポリマーを攪拌等により混合する工程とすることができる。あるいは、長大な配管内をチョップドストランド状電解質ポリマーと貧溶媒の混合物を循環送液する工程としてもよい。溶媒交換工程の時間はチョップドストランド状電解質ポリマーのサイズ等により適宜選択可能だが、20分以上200分以下であることが好ましい。
[Solvent exchange step]
After the cutting step, a solvent exchange step may be provided for promoting solvent exchange between the solvent of the polymerization solution contained in the chopped strand electrolyte polymer and the poor solvent while the chopped strand electrolyte polymer is held in the poor solvent. preferable. The solvent exchange step can be a step of mixing the poor solvent and the chopped strand electrolyte polymer by stirring or the like. Alternatively, a step of circulating a mixture of the chopped strand electrolyte polymer and the poor solvent through a long pipe may be employed. The time for the solvent exchange step can be appropriately selected depending on the size of the chopped strand electrolyte polymer and the like, but is preferably 20 minutes or more and 200 minutes or less.
[固液分離工程]
切断工程後、任意に溶媒交換工程を経た後に、チョップドストランド状電解質ポリマーと貧溶媒とを固液分離するための固液分離工程を設けることが好ましい。チョップドストランド状電解質ポリマーの分離方法としては、公知の固液分離法、例えば、チョップドストランド状電解質ポリマーを自然沈降させた後、上澄みとなった貧溶媒を抜き出すデカンテーション法、円筒型やデカンター型等の遠心分離機を用いた遠心分離法、ヌッチェ等を使用する減圧ろ過、フィルタープレスを使用する加圧ろ過等を使用することができる。本発明においては、生産性と固液分離効率の観点から、遠心分離法を使用することが好ましい。
[Solid-liquid separation step]
After the cutting step and optionally after the solvent exchange step, it is preferable to provide a solid-liquid separation step for solid-liquid separation of the chopped strand electrolyte polymer and the poor solvent. As a method for separating the chopped strand electrolyte polymer, a known solid-liquid separation method, for example, a decantation method in which the chopped strand electrolyte polymer is naturally precipitated and then the supernatant of the poor solvent is extracted, a cylinder type, a decanter type, or the like. A centrifugal separation method using a centrifuge, vacuum filtration using a Nutsche or the like, pressure filtration using a filter press, or the like can be used. In the present invention, it is preferable to use a centrifugal separation method from the viewpoint of productivity and solid-liquid separation efficiency.
[洗浄工程〕
固液分離工程で分離したチョップドストランド状電解質ポリマーに貧溶媒を再度加えることによってチョップドストランド状電解質ポリマー中の不純物をさらに除去する洗浄工程を実施しても良い。洗浄工程で加える貧溶媒としては、上述の押出工程において記載した貧溶媒と同様の溶媒を用いることができる。
[Washing process]
A washing step may be performed to further remove impurities in the chopped strand electrolyte polymer by adding a poor solvent again to the chopped strand electrolyte polymer separated in the solid-liquid separation step. As the poor solvent added in the washing step, the same poor solvent as the poor solvent described in the extrusion step can be used.
なお、前述の固液分離工程と洗浄工程は繰り返して複数回行ってもよい。 The solid-liquid separation step and the washing step described above may be repeated multiple times.
[乾燥工程]
固液分離工程の後、チョップドストランド状電解質ポリマーに含まれる貧溶媒を除去するための乾燥工程を実施しても良い。乾燥方法としては、公知の乾燥法を用いることができる。具体的には、熱風乾燥、真空乾燥、赤外線乾燥、過熱水蒸気乾燥、マイクロ波乾燥等を挙げることができる。
[Drying process]
After the solid-liquid separation step, a drying step may be performed to remove the poor solvent contained in the chopped strand electrolyte polymer. As a drying method, a known drying method can be used. Specific examples include hot air drying, vacuum drying, infrared drying, superheated steam drying, and microwave drying.
本発明の製造方法によって得られた精製電解質ポリマー中の不純物の量は、精製が完了した電解質ポリマーを熱水中で静置後、上澄み液の導電率を測定することで見積もることができる。上澄み液の導電率が50μS/cm-1以下であることが好ましく、30μS/cm-1以下であることがより好ましい。上澄み液の導電率が50μS/cm-1以下の場合、電解質ポリマー中の水溶性無機塩や、イオン性の残存モノマー、低分子量成分などの不純物が低減され、当該不純物により、電解質ポリマーを膜に加工する場合の成形性が悪くなることが少なくなる。また、例えば燃料電池とした際、不純物が発電時の生成水により抽出、除去され、膜内部に空孔を生成する要因となることが少なくなる。なお、本明細書において、上澄み液の伝導度測定は、実施例に記載の方法で行うものとする。 The amount of impurities in the purified electrolyte polymer obtained by the production method of the present invention can be estimated by standing the purified electrolyte polymer in hot water and then measuring the conductivity of the supernatant. The conductivity of the supernatant is preferably 50 μS/cm −1 or less, more preferably 30 μS/cm −1 or less. When the conductivity of the supernatant is 50 μS/cm −1 or less, impurities such as water-soluble inorganic salts, ionic residual monomers, and low-molecular-weight components in the electrolyte polymer are reduced. The deterioration of moldability during processing is reduced. In addition, for example, when used as a fuel cell, impurities are less likely to be extracted and removed by the water generated during power generation, causing voids to form inside the membrane. In addition, in this specification, the conductivity measurement of the supernatant liquid shall be performed by the method as described in an Example.
[高分子電解質膜]
このように製造したチョップドストランド状の精製電解質ポリマーを、当該精製電解質ポリマーが溶解可能である有機溶媒に再度溶解することで高分子電解質組成物、すなわち製膜用の精製電解質ポリマー溶液とすることができる。
[Polymer electrolyte membrane]
The chopped strand-shaped purified electrolyte polymer thus produced can be dissolved again in an organic solvent in which the purified electrolyte polymer can be dissolved to obtain a polymer electrolyte composition, that is, a purified electrolyte polymer solution for film formation. can.
また、当該高分子電解質組成物を膜状に成形することで、高分子電解質膜を得ることができる。膜状に成形する方法としては、特に限定されるものではないが、好適には高分子電解質組成物をポリエチレンテレフタレートフィルム、ポリイミドフィルム、ガラス基板等の支持体上に流延塗布した後、加熱等の方法により有機溶媒を除去する方法が例示される。 A polymer electrolyte membrane can be obtained by forming the polymer electrolyte composition into a membrane. The method for forming the film is not particularly limited, but preferably the polymer electrolyte composition is cast on a support such as a polyethylene terephthalate film, a polyimide film, or a glass substrate, and then heated. A method of removing the organic solvent by the method of is exemplified.
高分子電解質組成物を支持体上に流延する方法としては、公知の方法を用いることができるが、一定の濃度の溶液を一定の厚みになるように流延することが好ましい。例えば、ドクターブレード、アプリケーター、バーコーターなど、一定のギャップの空隙に溶液を押しこんで流延厚みを一定にする方法や、スリットダイなどを用いて、高分子電解質組成物を一定速度で供給して流延する方法、グラビアロールを用いて一定量の高分子電解質組成物を支持体上に転写する方法が挙げられる。 As a method for casting the polymer electrolyte composition on the support, a known method can be used, but it is preferable to cast a solution having a constant concentration so as to have a constant thickness. For example, a doctor blade, an applicator, a bar coater, etc., can be used to force the solution into spaces with a certain gap to make the casting thickness constant, or a slit die can be used to supply the polymer electrolyte composition at a constant rate. and a method of transferring a certain amount of the polymer electrolyte composition onto a support using a gravure roll.
また、膜状に成形する際には、機械的強度、熱安定性、加工性などの向上を目的に、高分子電解質組成物を、微多孔膜、織布、不織布、メッシュ等と複合化することも可能である。 In addition, when forming into a film, the polymer electrolyte composition is compounded with a microporous membrane, woven fabric, non-woven fabric, mesh, etc. for the purpose of improving mechanical strength, thermal stability, processability, etc. is also possible.
以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、各物性の測定条件は次の通りである。 EXAMPLES The present invention will be described in more detail below with reference to Examples, but the present invention is not limited to these. The measurement conditions for each physical property are as follows.
(1)数平均分子量、重量平均分子量
高分子電解質(A)の数平均分子量、重量平均分子量はGPC法により測定した。紫外検出器と示差屈折計の一体型装置として東ソー製HLC-8022GPCを、またGPCカラムとして東ソー製TSK gel SuperHM-H(内径6.0mm、長さ15cm)2本を用い、N-メチル-2-ピロリドン溶媒(臭化リチウムを10mmol/L含有するN-メチル-2-ピロリドン溶媒)にて、サンプル濃度0.1wt%、流量0.2mL/min、温度40℃で測定し、標準ポリスチレン換算により数平均分子量、重量平均分子量を求めた。
(1) Number Average Molecular Weight and Weight Average Molecular Weight The number average molecular weight and weight average molecular weight of the polymer electrolyte (A) were measured by the GPC method. Tosoh HLC-8022GPC as an integrated device of an ultraviolet detector and a differential refractometer, and two Tosoh TSK gel SuperHM-H (inner diameter 6.0 mm, length 15 cm) as GPC columns, N-methyl-2 -Pyrrolidone solvent (N-methyl-2-pyrrolidone solvent containing 10 mmol/L of lithium bromide) was measured at a sample concentration of 0.1 wt%, a flow rate of 0.2 mL/min, and a temperature of 40°C, and converted to standard polystyrene. A number average molecular weight and a weight average molecular weight were obtained.
(2)収率
精製前の電解質ポリマー溶液(重合溶液)約2gを分取し、重量をW1とした。分取した電解質ポリマー溶液を250℃で1時間減圧乾燥し、乾燥後の重量をW2とした。実際に精製に供した電解質ポリマー溶液(重合溶液)の重量をW3、精製によって得られた精製電解質ポリマーの重量をW4として、下記の式により収率を求めた。
(2) Yield About 2 g of the electrolyte polymer solution (polymerization solution) before purification was taken, and the weight was taken as W1. The separated electrolyte polymer solution was dried under reduced pressure at 250° C. for 1 hour, and the weight after drying was defined as W2. The weight of the electrolyte polymer solution (polymerization solution) actually subjected to purification was W3, and the weight of the purified electrolyte polymer obtained by purification was W4, and the yield was determined by the following formula.
収率(%)=W1/W2/W3×W4×100
(3)上澄み液の導電率測定
検体となる電解質ポリマー1g、導電率0.1μS/cm-1以下の純水100gをポリプロピレン製容器に入れ、温度90℃±5℃の恒温槽内で8時間静置した。上澄み液を分取し、導電率計(Eutech Instruments社製CyberScan CON400)を用いて上澄み液の導電率を測定した。
Yield (%) = W1/W2/W3 x W4 x 100
(3) Conductivity measurement of supernatant liquid 1 g of electrolyte polymer to be tested and 100 g of pure water with conductivity of 0.1 μS / cm −1 or less are placed in a polypropylene container and placed in a constant temperature bath at a temperature of 90 ° C. ± 5 ° C. for 8 hours. left undisturbed. The supernatant was separated, and the conductivity of the supernatant was measured using a conductivity meter (CyberScan CON400, manufactured by Eutech Instruments).
(4)イオン交換容量
高分子電解質膜のイオン交換容量は、中和滴定法により下記のように測定した。測定は3回行って、その平均値を取った。
(i)プロトン置換し、純水で十分に洗浄した膜状試料の表面の水分を拭き取った後、100℃にて12時間以上真空乾燥し、乾燥重量を求めた。
(ii)膜状試料に5wt%硫酸ナトリウム水溶液を50mL加え、12時間静置してイオン交換した。
(iii)0.01mol/L水酸化ナトリウム水溶液を用いて、生じた硫酸を滴定した。指示薬として市販の滴定用フェノールフタレイン溶液0.1w/v%を加え、薄い赤紫色になった点を終点とした。
(iv)イオン交換容量は下記の式により求めた。
(4) Ion Exchange Capacity The ion exchange capacity of the polymer electrolyte membrane was measured by the neutralization titration method as follows. The measurement was performed 3 times and the average value was taken.
(i) After wiping off moisture on the surface of the film-like sample which had undergone proton substitution and was sufficiently washed with pure water, it was vacuum-dried at 100° C. for 12 hours or longer to determine the dry weight.
(ii) 50 mL of a 5 wt % sodium sulfate aqueous solution was added to the film sample, and the sample was allowed to stand for 12 hours for ion exchange.
(iii) A 0.01 mol/L sodium hydroxide aqueous solution was used to titrate the resulting sulfuric acid. As an indicator, 0.1 w/v % of a commercially available phenolphthalein solution for titration was added, and the end point was defined as a light reddish purple color.
(iv) The ion exchange capacity was determined by the following formula.
イオン交換容量(meq/g)=〔水酸化ナトリウム水溶液の濃度(mmol/ml)×滴下量(ml)〕/膜状試料の乾燥重量(g)
(5)膜厚
高分子電解質膜の膜厚は、ミツトヨ製グラナイトコンパレータスタンドBSG-20にセットしたミツトヨ製ID-C112型を用いて測定した。
Ion exchange capacity (meq/g) = [concentration of sodium hydroxide aqueous solution (mmol/ml) x drop amount (ml)]/dry weight of membrane sample (g)
(5) Film thickness The film thickness of the polymer electrolyte membrane was measured using Mitutoyo ID-C112 type set in Mitutoyo granite comparator stand BSG-20.
(6)水素透過度測定
検体となる高分子電解質膜を境にして、片方には、水素ガスを供給し、もう片方を真空排気することで、圧力差を与え、水素ガスを透過させた。水素ガスが定常状態になった後に真空排気を止め、そのときより時間tの間に電解質膜を透過した水素ガスを計量管に貯えた。貯えたガスを熱伝導型検出器により定量し、水素ガスに関する透過度Pを下式より求めた。
(6) Measurement of Hydrogen Permeability Hydrogen gas was supplied to one side of the polymer electrolyte membrane to be tested, and the other side was evacuated to create a pressure difference to permeate the hydrogen gas. After the hydrogen gas reached a steady state, the evacuation was stopped, and the hydrogen gas that permeated the electrolyte membrane during the time t was stored in the metering tube. The stored gas was quantified with a thermal conductivity detector, and the permeability P for hydrogen gas was obtained from the following equation.
Q=P×(ph-pl)/A×t
ここで、Qは水素ガス透過量(cm3)、Pは水素ガス透過度、phは水素ガスの高圧側圧力、plは水素ガスの低圧側圧力=0、Aは電解質膜における水素ガスの透過面積(cm2)、tは透過ガスを貯蔵する時間(透過時間)(s)を表す。
Q=P×(p h −p l )/A×t
Here, Q is the hydrogen gas permeation amount (cm 3 ), P is the hydrogen gas permeability, ph is the hydrogen gas high pressure side, pl is the hydrogen gas low pressure side pressure = 0, and A is the hydrogen gas in the electrolyte membrane. permeation area (cm 2 ), t represents the time (permeation time) (s) for storing the permeation gas.
測定条件は以下のとおり。 The measurement conditions are as follows.
装置:GTRテック(株)製差圧式ガス透過率測定システム
測定温度:80℃
湿度:90%
試験ガス:乾燥水素と水蒸気の混合ガス
水素ガス分圧:44cmHg
ガス透過面積:15.2cm2
測定n数:2
[合成例1] ブロックコポリマーb1の合成
(下記一般式(G1)で表される2,2-ビス(4-ヒドロキシフェニル)-1,3-ジオキソラン(K-DHBP)の合成)
Apparatus: Differential pressure type gas permeability measurement system manufactured by GTR Tech Co., Ltd. Measurement temperature: 80°C
Humidity: 90%
Test gas: mixed gas of dry hydrogen and water vapor Hydrogen gas partial pressure: 44 cmHg
Gas permeation area: 15.2cm2
Measurement n number: 2
[Synthesis Example 1] Synthesis of block copolymer b1 (Synthesis of 2,2-bis(4-hydroxyphenyl)-1,3-dioxolane (K-DHBP) represented by the following general formula (G1))
攪拌器、温度計及び留出管を備えた5000mLフラスコに、4,4′-ジヒドロキシベンゾフェノン495g、エチレングリコール1340g、オルトギ酸トリメチル969g及びp-トルエンスルホン酸1水和物5gを仕込み溶解した。その後78~82℃で2時間保温攪拌した。更に、内温を120℃まで徐々に昇温、ギ酸メチル、メタノール、オルトギ酸トリメチルの留出が完全に止まるまで加熱した。この反応液を室温まで冷却後、反応液を酢酸エチルで希釈し、有機層を5%炭酸カリウム水溶液1000mLで洗浄し分液後、溶媒を留去した。残留物にジクロロメタン800mLを加え結晶を析出させ、濾過し、乾燥して2,2-ビス(4-ヒドロキシフェニル)-1,3-ジオキソラン520gを得た。 495 g of 4,4'-dihydroxybenzophenone, 1340 g of ethylene glycol, 969 g of trimethyl orthoformate and 5 g of p-toluenesulfonic acid monohydrate were placed in a 5000 mL flask equipped with a stirrer, thermometer and distillation tube and dissolved. After that, the mixture was heated and stirred at 78 to 82°C for 2 hours. Further, the internal temperature was gradually raised to 120° C., and the mixture was heated until distillation of methyl formate, methanol and trimethyl orthoformate stopped completely. After cooling the reaction solution to room temperature, the reaction solution was diluted with ethyl acetate, and the organic layer was washed with 1000 mL of a 5% potassium carbonate aqueous solution to separate the layers, and the solvent was distilled off. 800 mL of dichloromethane was added to the residue to precipitate crystals, which were filtered and dried to obtain 520 g of 2,2-bis(4-hydroxyphenyl)-1,3-dioxolane.
(下記一般式(G2)で表されるジソジウム 3,3’-ジスルホネート-4,4’-ジフルオロベンゾフェノンの合成) (Synthesis of disodium 3,3'-disulfonate-4,4'-difluorobenzophenone represented by the following general formula (G2))
4,4’-ジフルオロベンゾフェノン1091g(アルドリッチ試薬)を発煙硫酸(50%SO3)1500mL(和光純薬試薬)中、100℃で10h反応させた。その後、多量の水中に少しずつ投入し、NaOHで中和した後、食塩2000gを加え合成物を沈殿させた。得られた沈殿を濾別し、イソプロピルアルコール水溶液で再結晶し、上記一般式(G2)で示されるジソジウム 3,3’-ジスルホネート-4,4’-ジフルオロベンゾフェノンを得た。 1091 g of 4,4'-difluorobenzophenone (Aldrich Reagent) was reacted in 1500 mL of fuming sulfuric acid (50% SO3) (Wako Pure Chemical Reagent) at 100°C for 10 hours. After that, it was gradually poured into a large amount of water, neutralized with NaOH, and then 2000 g of salt was added to precipitate the compound. The resulting precipitate was filtered off and recrystallized with an isopropyl alcohol aqueous solution to obtain disodium 3,3'-disulfonate-4,4'-difluorobenzophenone represented by the general formula (G2).
(下記一般式(G3)で表されるイオン性基を含有しないオリゴマーa1’の合成)
かき混ぜ機、窒素導入管、Dean-Starkトラップを備えた10000mL三口フラスコに、炭酸カリウム165.9g(アルドリッチ試薬)、K-DHBP258.0gおよび4,4’-ジフルオロベンゾフェノン203.0g(アルドリッチ試薬)を入れ、窒素置換後、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)3000mL、トルエン1000mL中にて160℃で脱水後、昇温してトルエン除去、180℃で1時間重合を行った。多量のメタノールで再沈殿することで精製を行い、イオン性基を含有しないオリゴマーa1(末端ヒドロキシル基)を得た。数平均分子量は10000であった。
(Synthesis of oligomer a1' containing no ionic group represented by the following general formula (G3))
165.9 g of potassium carbonate (Aldrich's reagent), 258.0 g of K-DHBP and 203.0 g of 4,4'-difluorobenzophenone (Aldrich's reagent) were placed in a 10000 mL three-necked flask equipped with a stirrer, nitrogen inlet tube, and Dean-Stark trap. After dehydration at 160° C. in 3000 mL of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) and 1000 mL of toluene, the temperature was raised to remove toluene, followed by polymerization at 180° C. for 1 hour. Purification was performed by reprecipitation with a large amount of methanol to obtain oligomer a1 (terminal hydroxyl group) containing no ionic group. The number average molecular weight was 10,000.
かき混ぜ機、窒素導入管、Dean-Starkトラップを備えた5000mL三口フラスコに、炭酸カリウム11.0g(アルドリッチ試薬)、イオン性基を含有しない前記オリゴマーa1(末端ヒドロキシル基)を200.0g入れ、窒素置換後、NMP1000mL、シクロヘキサン300mL中にて100℃で脱水後、昇温してシクロヘキサン除去し、ヘキサフルオロベンゼン22.0g(和光純薬試薬)を入れ、105℃で1時間反応を行った。多量のイソプロピルアルコールで再沈殿することで精製を行い、下記式(G3)で示されるイオン性基を含有しないオリゴマーa1’(末端フルオロ基)を得た。数平均分子量は11000であり、イオン性基を含有しないオリゴマーa1’の数平均分子量は、リンカー部位(分子量630)を差し引いた値10400と求められた。 A 5000 mL three-necked flask equipped with a stirrer, a nitrogen introduction tube, and a Dean-Stark trap is charged with 11.0 g of potassium carbonate (Aldrich reagent) and 200.0 g of the oligomer a1 (terminal hydroxyl group) containing no ionic group, and nitrogen is added. After substitution, dehydration was carried out at 100° C. in 1000 mL of NMP and 300 mL of cyclohexane, and the temperature was raised to remove cyclohexane. Purification was performed by reprecipitation with a large amount of isopropyl alcohol to obtain an ionic group-free oligomer a1' (terminal fluoro group) represented by the following formula (G3). The number average molecular weight was 11,000, and the number average molecular weight of oligomer a1' containing no ionic group was found to be 10,400, a value obtained by subtracting the linker site (molecular weight 630).
(下記一般式(G4)で表されるイオン性基を含有するオリゴマーa2の合成)
かき混ぜ機、窒素導入管、Dean-Starkトラップを備えた10000mL三口フラスコに、炭酸カリウム276.0g(アルドリッチ試薬)、K-DHBP129.0gおよび4,4’-ビフェノール93.0g(BP、アルドリッチ試薬)、ジソジウム 3,3’-ジスルホネート-4,4’-ジフルオロベンゾフェノン393.0g、および18-クラウン-6、179.0g(和光純薬試薬)を入れ、窒素置換後、NMP3000mL、トルエン1000mL中にて170℃で脱水後、昇温してトルエン除去、180℃で1時間重合を行った。多量のイソプロピルアルコールで再沈殿することで精製を行い、下記式(G4)で示されるイオン性基を含有するオリゴマーa2(末端ヒドロキシル基)を得た。数平均分子量は16000であった。
(Synthesis of oligomer a2 containing an ionic group represented by the following general formula (G4))
276.0 g of potassium carbonate (Aldrich's reagent), 129.0 g of K-DHBP and 93.0 g of 4,4'-biphenol (BP, Aldrich's reagent) were added to a 10000 mL three-necked flask equipped with a stirrer, nitrogen inlet tube, and Dean-Stark trap. , disodium 3,3'-disulfonate-4,4'-difluorobenzophenone 393.0 g and 18-crown-6, 179.0 g (Wako Pure Chemical Reagent). After dehydration at 170° C., the temperature was raised to remove toluene, and polymerization was carried out at 180° C. for 1 hour. Purification was performed by reprecipitation with a large amount of isopropyl alcohol to obtain an oligomer a2 (terminal hydroxyl group) containing an ionic group represented by the following formula (G4). The number average molecular weight was 16,000.
(式(G4)において、Mは、NaまたはKを表す。)
(イオン性基を含有するセグメント(A1)としてオリゴマーa2、イオン性基を含有しないセグメント(A2)としてオリゴマーa1、リンカー部位としてヘキサフルオロベンゼンを含有するブロックポリマーb1の合成)
かき混ぜ機、窒素導入管、Dean-Starkトラップを備えた5000mL三口フラスコに、炭酸カリウム16.8g(アルドリッチ試薬)、イオン性基を含有するオリゴマーa2(末端ヒドロキシル基)480gを入れ、窒素置換後、NMP3000mL、シクロヘキサン900mL中にて100℃で脱水後、昇温してシクロヘキサンを除去した。イオン性基を含有しないオリゴマーa1’(末端フルオロ基)330gを入れ、105℃で24時間反応を行ったのち、NMP1470mLで希釈することで、ブロックポリマーb1溶液を得た。ブロックポリマーb1の重量平均分子量は36万であった。
(In formula (G4), M represents Na or K.)
(Synthesis of oligomer a2 as segment (A1) containing ionic group, oligomer a1 as segment (A2) not containing ionic group, block polymer b1 containing hexafluorobenzene as linker site)
16.8 g of potassium carbonate (Aldrich's reagent) and 480 g of oligomer a2 containing an ionic group (terminal hydroxyl group) were placed in a 5000 mL three-necked flask equipped with a stirrer, a nitrogen inlet tube, and a Dean-Stark trap. After dehydration at 100° C. in 3000 mL of NMP and 900 mL of cyclohexane, the temperature was raised to remove cyclohexane. 330 g of oligomer a1′ (terminal fluoro group) containing no ionic group was added, reacted at 105° C. for 24 hours, and then diluted with 1470 mL of NMP to obtain block polymer b1 solution. The weight average molecular weight of block polymer b1 was 360,000.
[合成例2]ブロックコポリマーb2の合成
(下記式(G5)で表されるイオン性基を含有しないオリゴマーa3の合成)
2,6-ジクロロベンゾニトリル49.97g(DCBN、アルドリッチ試薬)、4,4’-ビフェノール54.99g(アルドリッチ試薬)、炭酸カリウム46.94g(アルドリッチ試薬)、N-メチル-2-ピロリドン750mL、トルエン150mLを、窒素導入管、撹拌翼、ディーンスタークトラップ、温度計を取り付けた1000mL枝付きフラスコに入れ、オイルバス中で撹拌しつつ窒素気流下で加熱した。トルエンとの共沸による脱水を140℃で行った後、トルエンをすべて留去した。その後、200℃に昇温し、15時間加熱した。窒素導入管、撹拌翼、冷却還流管、温度計を取り付けた別の1000mL枝付きフラスコに、NMP200mLとデカフルオロビフェニル4.85g(和光純薬試薬)を入れ、窒素気流下、攪拌しながら、オイルバス中で110℃に加熱した。そこに、DCBNとBPの反応溶液を、滴下漏斗を用いて2時間かけて撹拌しながら投入し、投入完了後、さらに2時間撹拌した。反応溶液を室温まで冷却した後、3000mLの純水に注ぎオリゴマーを固化させた。水洗したオリゴマーを濾別して減圧乾燥させた後、3000mLのアセトンで2回洗浄し、過剰のデカフルオロビフェニルを除去した。再びオリゴマーを濾別して減圧乾燥することで、イオン性基を含有しないオリゴマーa3を得た。数平均分子量は13880であった。
[Synthesis Example 2] Synthesis of block copolymer b2 (Synthesis of oligomer a3 containing no ionic group represented by the following formula (G5))
49.97 g of 2,6-dichlorobenzonitrile (DCBN, Aldrich's reagent), 54.99 g of 4,4'-biphenol (Aldrich's reagent), 46.94 g of potassium carbonate (Aldrich's reagent), 750 mL of N-methyl-2-pyrrolidone, 150 mL of toluene was placed in a 1000 mL side-arm flask equipped with a nitrogen inlet tube, a stirring blade, a Dean-Stark trap, and a thermometer, and heated in an oil bath under nitrogen while stirring. After azeotropic dehydration with toluene was carried out at 140° C., all toluene was distilled off. After that, the temperature was raised to 200° C. and heated for 15 hours. 200 mL of NMP and 4.85 g of decafluorobiphenyl (Wako Pure Chemical Reagent) were added to another 1000 mL branched flask equipped with a nitrogen inlet tube, a stirring blade, a cooling reflux tube, and a thermometer. Heated to 110° C. in a bath. A reaction solution of DCBN and BP was added thereto over 2 hours with stirring using a dropping funnel, and after the addition was completed, the mixture was further stirred for 2 hours. After the reaction solution was cooled to room temperature, it was poured into 3000 mL of pure water to solidify the oligomer. After the water-washed oligomer was separated by filtration and dried under reduced pressure, it was washed twice with 3000 mL of acetone to remove excess decafluorobiphenyl. The oligomer was again filtered off and dried under reduced pressure to obtain an oligomer a3 containing no ionic group. The number average molecular weight was 13,880.
(下記式(G6)で表されるイオン性基を含有するオリゴマーa4の合成)
4,4’-ジクロロジフェニルスルホン-3,3’-ジスルホン酸ナトリウム250.0g(SDCDPS、アルドリッチ試薬)、BP97.04g(アルドリッチ試薬)、炭酸ナトリウム66.23g(アルドリッチ試薬)、NMP650mL、トルエン150mLを、窒素導入管、撹拌翼、ディーンスタークトラップ、温度計を取り付けた2000mL枝付きフラスコに入れ、オイルバス中で撹拌しつつ窒素気流下で加熱した。トルエンとの共沸による脱水を140℃で行った後、トルエンをすべて留去した。その後、200℃に昇温し、16時間加熱した。続いて、NMP500mLを投入し、撹拌しながら室温まで冷却した。得られた溶液をガラスフィルターで吸引濾過し、黄色の透明な溶液を得た。得られた溶液を3Lのアセトンに滴下してオリゴマーを固化させた。オリゴマーはさらにアセトンで3回洗浄した後、濾別して減圧乾燥することで、イオン性基を含有するオリゴマーa4を得た。数平均分子量は25560であった。
(Synthesis of oligomer a4 containing an ionic group represented by the following formula (G6))
250.0 g of sodium 4,4'-dichlorodiphenylsulfone-3,3'-disulfonate (SDCDPS, Aldrich's reagent), 97.04 g of BP (Aldrich's reagent), 66.23 g of sodium carbonate (Aldrich's reagent), 650 mL of NMP, and 150 mL of toluene , a nitrogen inlet tube, a stirring blade, a Dean-Stark trap, and a 2000 mL branched flask equipped with a thermometer, and heated under a nitrogen stream while stirring in an oil bath. After azeotropic dehydration with toluene was carried out at 140° C., all toluene was distilled off. After that, the temperature was raised to 200° C. and heated for 16 hours. Subsequently, 500 mL of NMP was added, and the mixture was cooled to room temperature while stirring. The obtained solution was suction-filtered through a glass filter to obtain a yellow transparent solution. The resulting solution was added dropwise to 3 L of acetone to solidify the oligomer. The oligomer was further washed with acetone three times, filtered and dried under reduced pressure to obtain oligomer a4 containing an ionic group. The number average molecular weight was 25,560.
(イオン性基を含有するセグメントとしてオリゴマーa4、イオン性基を含有しないセグメントとしてオリゴマーa3、リンカー部位としてデカフルオロビフェニルを含有するブロックポリマーb2の合成)
上記のイオン性基を含有するオリゴマーa4を225.0g、イオン性基を含有しないオリゴマーa3を123.0g、炭酸ナトリウム1.4g(アルドリッチ試薬)、NMP2000mLを、窒素導入管、撹拌翼、ディーンスタークトラップ、温度計を取り付けた5000mL枝付きフラスコに入れ、窒素気流下50℃のオイルバス中で撹拌し溶解させ、次いで110℃まで加熱し、10時間反応を行い、ブロックコポリマーb2溶液を得た。ブロックポリマーb2の重量平均分子量は33万であった。
(Synthesis of oligomer a4 as segment containing ionic group, oligomer a3 as segment containing no ionic group, block polymer b2 containing decafluorobiphenyl as linker site)
225.0 g of the above oligomer a4 containing an ionic group, 123.0 g of the oligomer a3 not containing an ionic group, 1.4 g of sodium carbonate (Aldrich reagent), NMP 2000 mL, a nitrogen introduction tube, a stirring blade, Dean Stark The mixture was placed in a 5000 mL branched flask equipped with a trap and a thermometer, stirred in an oil bath at 50°C under a nitrogen stream to dissolve, then heated to 110°C and reacted for 10 hours to obtain a block copolymer b2 solution. The weight average molecular weight of block polymer b2 was 330,000.
[合成例3] イオン性基含有パーフルオロ系ポリマーb3の合成
(下記式(G7)で表されるイオン性基含有パーフルオロ系ポリマーb3の合成)
容積6000mlのステンレス製攪拌式オートクレーブに、CF3(CF2)6CO2NH4の20質量%水溶液150gと純水2850gを仕込み、充分に真空、窒素置換を行った。オートクレーブを充分に真空にした後、テトラフルオロエチレン(以下TFEと略すこともある)ガスをゲージ圧力で0.2MPaまで導入し、50℃まで昇温した。その後、CF2=CFOCF2CF2SO2Fを180g注入し、TFEガスを導入してゲージ圧力で0.7MPaまで昇圧した。引き続き5%過硫酸アンモニウム水溶液30gを注入して重合を開始した。
[Synthesis Example 3] Synthesis of ionic group-containing perfluoro polymer b3 (Synthesis of ionic group-containing perfluoro polymer b3 represented by the following formula (G7))
150 g of a 20% by weight aqueous solution of CF3(CF2)6CO2NH4 and 2850 g of pure water were charged into a 6000 ml stainless steel stirring autoclave, and the autoclave was sufficiently vacuumed and replaced with nitrogen. After the autoclave was sufficiently evacuated, tetrafluoroethylene (hereinafter sometimes abbreviated as TFE) gas was introduced to a gauge pressure of 0.2 MPa, and the temperature was raised to 50°C. Thereafter, 180 g of CF 2 =CFOCF 2 CF 2 SO 2 F was injected, and TFE gas was introduced to increase the gauge pressure to 0.7 MPa. Subsequently, 30 g of a 5% ammonium persulfate aqueous solution was injected to initiate polymerization.
重合により消費されたTFEを補給するため、連続的にTFEガスを供給してオートクレーブの圧力を0.7MPaに保つようにした。さらに供給したTFEに対して、質量比で0.65倍に相当する量のCF2=CFOCF2CF2SO2Fを連続的に供給して重合を継続した。 In order to replenish the TFE consumed by the polymerization, TFE gas was continuously supplied to keep the pressure of the autoclave at 0.7 MPa. Further, an amount of CF 2 =CFOCF 2 CF 2 SO 2 F corresponding to 0.65 times the mass ratio of TFE supplied was continuously supplied to continue the polymerization.
供給したTFEが780gになった時点で、オートクレーブの圧力を開放し、重合を停止した。その後室温まで冷却し、SO2Fを含むイオン性基含有パーフルオロ系ポリマーを約28質量%含有する、やや白濁したイオン性基含有パーフルオロ系ポリマー水性分散体4450gを得た。 When the supplied TFE reached 780 g, the pressure in the autoclave was released to stop the polymerization. After cooling to room temperature, 4450 g of a slightly cloudy ionic group-containing perfluoro polymer aqueous dispersion containing about 28% by mass of the ionic group-containing perfluoro polymer containing SO 2 F was obtained.
得られたイオン性基含有パーフルオロ系ポリマー水性分散体4200gに対し、48重量%KOHを780gと純水2820gを加え、80℃で20時間反応させることにより、イオン性基含有パーフルオロ系ポリマーb3の水性分散体9480gを得た。 780 g of 48% by weight KOH and 2820 g of pure water were added to 4200 g of the obtained ionic group-containing perfluoro polymer aqueous dispersion, and the mixture was reacted at 80° C. for 20 hours to obtain an ionic group-containing perfluoro polymer b3. 9480 g of an aqueous dispersion of
[実施例1]
イソプロピルアルコール6000g、NMP2000g、水2000gの混合溶媒を貧溶媒として用い、合成例1で得られたブロックポリマーb1溶液1000gを精製した。
[Example 1]
Using a mixed solvent of 6000 g of isopropyl alcohol, 2000 g of NMP and 2000 g of water as a poor solvent, 1000 g of the block polymer b1 solution obtained in Synthesis Example 1 was purified.
図2に示した押出部に貧溶媒を1000g/minの流量で流し、孔径3mmの電解質ポリマー吐出口から、合成例1で得られたブロックポリマーb1溶液を100g/minの流量でストランド状に吐出した(押出工程)。吐出後5秒かけて貧溶媒が通過する長さの配管を設けたのち、切断部を設けた。切断部にはプライミクス社製ホモミックラインフローLF-100を用い、3000rpmでストランド状電解質ポリマーを切断し、長さ20mm、直径3mmのチョップドストランド状電解質ポリマーを得た(切断工程)。チョップドストランド状電解質ポリマーと貧溶媒を、50Lの反応釜で1時間攪拌により混合したのち(溶媒交換工程)、反応釜から抜き出し、小型バスケット式遠心分離により固液分離した(固液分離工程)。その後、イソプロピルアルコール8000g、水2000gの混合溶媒で洗浄した(洗浄工程)。当該固液分離工程と洗浄工程を3回繰り返して行った後、100℃、1.0×10-3MPaにて48時間真空乾燥することで(乾燥工程)、精製電解質ポリマーを得た。 A poor solvent is passed through the extruding part shown in FIG. (extrusion process). After providing a pipe having a length through which the poor solvent can pass 5 seconds after the discharge, a cutting portion was provided. A homomic line flow LF-100 manufactured by Primix Co., Ltd. was used for the cutting section, and the strand electrolyte polymer was cut at 3000 rpm to obtain a chopped strand electrolyte polymer having a length of 20 mm and a diameter of 3 mm (cutting step). The chopped strand electrolyte polymer and the poor solvent were mixed by stirring in a 50 L reaction vessel for 1 hour (solvent exchange step), extracted from the reaction vessel, and subjected to solid-liquid separation by small basket type centrifugation (solid-liquid separation step). Then, it was washed with a mixed solvent of 8000 g of isopropyl alcohol and 2000 g of water (washing step). After repeating the solid-liquid separation step and washing step three times, vacuum drying was performed at 100° C. and 1.0×10 −3 MPa for 48 hours (drying step) to obtain a purified electrolyte polymer.
工程通過性は良好で、収率は85%となった。得られた精製電解質ポリマーについて、上澄み液の導電率は22μS/cm-1であった。 The processability was good, and the yield was 85%. For the resulting purified electrolyte polymer, the conductivity of the supernatant was 22 μS/cm −1 .
得られた精製電解質ポリマー20gをN-メチル-1-ピロリドン80gに溶解し、ガラス繊維フィルターを用いて加圧ろ過後、アプリケーターを用いてポリエチレンテレフタレートフィルム上に流延塗布し、150℃にて1時間乾燥し、電解質膜を得た。50℃で10重量%硫酸水溶液に24時間浸漬してプロトン置換した後に、大過剰量の純水に24時間浸漬して充分洗浄し、膜厚10μmの高分子電解質膜を得た。得られた高分子電解質膜の水素透過度は、1.8×10-10kmol/s/m2/kPaであった。 20 g of the resulting purified electrolyte polymer was dissolved in 80 g of N-methyl-1-pyrrolidone, filtered under pressure using a glass fiber filter, cast on a polyethylene terephthalate film using an applicator, and coated at 150° C. for 1 hour. After drying for an hour, an electrolyte membrane was obtained. After being immersed in a 10% by weight sulfuric acid aqueous solution at 50° C. for 24 hours for proton substitution, it was thoroughly washed by being immersed in a large excess amount of pure water for 24 hours to obtain a polymer electrolyte membrane with a thickness of 10 μm. The hydrogen permeability of the obtained polymer electrolyte membrane was 1.8×10 −10 kmol/s/m 2 /kPa.
[実施例2]
電解質ポリマー吐出口径を1mmとした以外は実施例1と同様にして、長さ20mm、直径1mmのチョップドストランド状電解質ポリマーを得た。工程通過性は良好で、収率は80%となった。得られた電解質ポリマーについて、上澄み液の導電率は18μS/cm-1であった。
[Example 2]
A chopped strand-like electrolyte polymer having a length of 20 mm and a diameter of 1 mm was obtained in the same manner as in Example 1, except that the diameter of the electrolyte polymer discharge port was changed to 1 mm. The processability was good, and the yield was 80%. For the electrolyte polymer obtained, the conductivity of the supernatant was 18 μS/cm −1 .
実施例1と同様に、膜状に加工し、膜厚10μmの高分子電解質膜を得た。得られた高分子電解質膜の水素透過度は、1.6×10-10kmol/s/m2/kPaであった。 In the same manner as in Example 1, it was processed into a membrane to obtain a polymer electrolyte membrane with a thickness of 10 μm. The hydrogen permeability of the obtained polymer electrolyte membrane was 1.6×10 −10 kmol/s/m 2 /kPa.
[実施例3]
電解質ポリマー吐出口径を10mmとした以外は実施例1と同様にして、長さ20mm、直径10mmのチョップドストランド状電解質ポリマーを得た。工程通過性は良好で、収率は86%となった。得られた電解質ポリマーについて、上澄み液の導電率は36μS/cm-1であった。
[Example 3]
A chopped strand-like electrolyte polymer having a length of 20 mm and a diameter of 10 mm was obtained in the same manner as in Example 1, except that the diameter of the electrolyte polymer discharge port was changed to 10 mm. The processability was good, and the yield was 86%. For the electrolyte polymer obtained, the conductivity of the supernatant was 36 μS/cm −1 .
実施例1と同様に、膜状に加工し、膜厚10μmの高分子電解質膜を得た。得られた高分子電解質膜の水素透過度は、1.9×10-10kmol/s/m2/kPaであった。 In the same manner as in Example 1, it was processed into a membrane to obtain a polymer electrolyte membrane with a thickness of 10 μm. The hydrogen permeability of the obtained polymer electrolyte membrane was 1.9×10 −10 kmol/s/m 2 /kPa.
[実施例4]
切断部のプライミクス社製ホモミックラインフローの回転数を8000rpmとした以外は実施例1と同様にして、長さ5mm、直径3mmのチョップドストランド状電解質ポリマーを得た。固液分離工程で濾布に詰まりが発生したため、収率は72%となった。得られた精製電解質ポリマーについて、上澄み液の導電率は16μS/cm-1であった。
[Example 4]
A chopped strand-like electrolyte polymer having a length of 5 mm and a diameter of 3 mm was obtained in the same manner as in Example 1, except that the rotation speed of the homomic line flow manufactured by Primix Co., Ltd. was changed to 8000 rpm. The yield was 72% because clogging occurred in the filter cloth during the solid-liquid separation step. The conductivity of the supernatant was 16 μS/cm −1 for the resulting purified electrolyte polymer.
実施例1と同様に、膜状に加工し、膜厚10μmの高分子電解質膜を得た。得られた高分子電解質膜の水素透過度は、1.6×10-10kmol/s/m2/kPaであった。 In the same manner as in Example 1, it was processed into a membrane to obtain a polymer electrolyte membrane with a thickness of 10 μm. The hydrogen permeability of the obtained polymer electrolyte membrane was 1.6×10 −10 kmol/s/m 2 /kPa.
[実施例5]
切断部にニクニ社製湿式破砕機サンカッタC125Hを用いた以外は実施例1と同様にして、長さ30mm、直径3mmのチョップドストランド状電解質ポリマーを得た。工程通過性は良好で、収率は86%となった。得られた精製電解質ポリマーについて、上澄み液の導電率は20μS/cm-1であった。
[Example 5]
A chopped strand-like electrolyte polymer having a length of 30 mm and a diameter of 3 mm was obtained in the same manner as in Example 1, except that a Nikuni wet crusher Sancutta C125H was used for the cutting portion. The processability was good, and the yield was 86%. For the resulting purified electrolyte polymer, the conductivity of the supernatant was 20 μS/cm −1 .
実施例1と同様に、膜状に加工し、膜厚10μmの高分子電解質膜を得た。得られた高分子電解質膜の水素透過度は、1.7×10-10kmol/s/m2/kPaであった。 In the same manner as in Example 1, it was processed into a membrane to obtain a polymer electrolyte membrane with a thickness of 10 μm. The hydrogen permeability of the obtained polymer electrolyte membrane was 1.7×10 −10 kmol/s/m 2 /kPa.
[実施例6]
押出部と切断部の間に、3秒かけて貧溶媒が通過する長さの配管を設けた以外は実施例1と同様にして、長さ20mm、直径3mmのチョップドストランド状電解質ポリマーを得た。工程通過性は良好で、収率は84%となった。得られた精製電解質ポリマーについて、上澄み液の導電率は24μS/cm-1であった。
[Example 6]
A chopped strand electrolyte polymer having a length of 20 mm and a diameter of 3 mm was obtained in the same manner as in Example 1, except that a pipe having a length through which the poor solvent passed over 3 seconds was provided between the extruded portion and the cut portion. . The processability was good, and the yield was 84%. For the resulting purified electrolyte polymer, the conductivity of the supernatant was 24 μS/cm −1 .
実施例1と同様に、膜状に加工し、膜厚10μmの高分子電解質膜を得た。得られた高分子電解質膜の水素透過度は、1.8×10-10kmol/s/m2/kPaであった。 In the same manner as in Example 1, it was processed into a membrane to obtain a polymer electrolyte membrane with a thickness of 10 μm. The hydrogen permeability of the obtained polymer electrolyte membrane was 1.8×10 −10 kmol/s/m 2 /kPa.
[実施例7]
イソプロピルアルコール8000g、水2000gの混合溶媒を貧溶媒として用いた以外は実施例1と同様にして、長さ20mm、直径3mmのチョップドストランド状電解質ポリマーを得た。工程通過性は良好で、収率は82%となった。得られた精製電解質ポリマーについて、上澄み液の導電率は49μS/cm-1であった。
[Example 7]
A chopped strand electrolyte polymer having a length of 20 mm and a diameter of 3 mm was obtained in the same manner as in Example 1 except that a mixed solvent of 8000 g of isopropyl alcohol and 2000 g of water was used as a poor solvent. The processability was good, and the yield was 82%. The conductivity of the supernatant was 49 μS/cm −1 for the resulting purified electrolyte polymer.
実施例1と同様に、膜状に加工し、膜厚10μmの高分子電解質膜を得た。得られた高分子電解質膜の水素透過度は、2.1×10-10kmol/s/m2/kPaであった。 In the same manner as in Example 1, it was processed into a membrane to obtain a polymer electrolyte membrane with a thickness of 10 μm. The hydrogen permeability of the obtained polymer electrolyte membrane was 2.1×10 −10 kmol/s/m 2 /kPa.
[実施例8]
イソプロピルアルコール7000g、NMP1000g、水2000gの混合溶媒を貧溶媒として用い、合成例2で合成したブロックコポリマーb2を精製した以外は実施例1と同様にして、長さ20mm、直径3mmのチョップドストランド状電解質ポリマーを得た。工程通過性は良好で、収率は81%となった。得られた精製電解質ポリマーについて、上澄み液の導電率は29μS/cm-1であった。
[Example 8]
A chopped strand electrolyte having a length of 20 mm and a diameter of 3 mm was prepared in the same manner as in Example 1, except that a mixed solvent of 7000 g of isopropyl alcohol, 1000 g of NMP, and 2000 g of water was used as a poor solvent, and the block copolymer b2 synthesized in Synthesis Example 2 was purified. A polymer was obtained. The processability was good, and the yield was 81%. For the purified electrolyte polymer obtained, the conductivity of the supernatant was 29 μS/cm −1 .
実施例1と同様に、膜状に加工し、膜厚10μmの高分子電解質膜を得た。得られた高分子電解質膜の水素透過度は、2.8×10-10kmol/s/m2/kPaであった。 In the same manner as in Example 1, it was processed into a membrane to obtain a polymer electrolyte membrane with a thickness of 10 μm. The hydrogen permeability of the obtained polymer electrolyte membrane was 2.8×10 −10 kmol/s/m 2 /kPa.
[実施例9]
切断部にニクニ社製湿式破砕機サンカッタC125Hを用いた以外は実施例8と同様にして、長さ30mm、直径3mmのチョップドストランド状電解質ポリマーを得た。工程通過性は良好で、収率は82%となった。得られた精製電解質ポリマーについて、上澄み液の導電率は27μS/cm-1であった。
[Example 9]
A chopped strand-like electrolyte polymer having a length of 30 mm and a diameter of 3 mm was obtained in the same manner as in Example 8, except that a wet crusher Sancutta C125H manufactured by Nikuni Co., Ltd. was used for the cutting portion. The processability was good, and the yield was 82%. For the resulting purified electrolyte polymer, the conductivity of the supernatant was 27 μS/cm −1 .
実施例1と同様に、膜状に加工し、膜厚10μmの高分子電解質膜を得た。得られた高分子電解質膜の水素透過度は、2.9×10-10kmol/s/m2/kPaであった。 In the same manner as in Example 1, it was processed into a membrane to obtain a polymer electrolyte membrane with a thickness of 10 μm. The hydrogen permeability of the obtained polymer electrolyte membrane was 2.9×10 −10 kmol/s/m 2 /kPa.
[実施例10]
ジエチレングリコールジメチルエーテル9500g、水500gの混合溶媒を貧溶媒として用い、合成例3で合成したイオン性基含有パーフルオロ系ポリマーb3水系分散体1000gを精製した以外は実施例1と同様にして、長さ20mm、直径3mmのチョップドストランド状電解質ポリマーを得た。工程通過性は良好で、収率は76%となった。得られた精製電解質ポリマーについて、上澄み液の導電率は24μS/cm-1であった。
[Example 10]
In the same manner as in Example 1, except that a mixed solvent of 9500 g of diethylene glycol dimethyl ether and 500 g of water was used as a poor solvent, and 1000 g of the ionic group-containing perfluoro polymer b3 aqueous dispersion synthesized in Synthesis Example 3 was purified. , a chopped strand-like electrolyte polymer with a diameter of 3 mm was obtained. The processability was good, and the yield was 76%. For the resulting purified electrolyte polymer, the conductivity of the supernatant was 24 μS/cm −1 .
得られた精製電解質ポリマー20g、水40g、イソプロピルアルコール40gをステンレス製攪拌式オートクレーブに仕込み、分散させた。ガラス繊維フィルターを用いて加圧ろ過後、アプリケーターを用いてガラス基板上に流延塗布し、150℃にて1時間乾燥し、電解質膜を得た。50℃で10重量%硫酸水溶液に24時間浸漬してプロトン置換、脱保護反応した後に、大過剰量の純水に24時間浸漬して充分洗浄し、膜厚15μmの高分子電解質膜を得た。得られた高分子電解質膜の水素透過度は、1.4×10-9kmol/s/m2/kPaであった。 20 g of the resulting purified electrolyte polymer, 40 g of water, and 40 g of isopropyl alcohol were placed in a stainless steel stirring autoclave and dispersed. After pressure filtration using a glass fiber filter, the mixture was applied by casting onto a glass substrate using an applicator and dried at 150° C. for 1 hour to obtain an electrolyte membrane. After being immersed in a 10% by weight sulfuric acid aqueous solution at 50° C. for 24 hours for proton substitution and deprotection reaction, it was thoroughly washed by being immersed in a large excess amount of pure water for 24 hours to obtain a polymer electrolyte membrane with a thickness of 15 μm. . The hydrogen permeability of the obtained polymer electrolyte membrane was 1.4×10 −9 kmol/s/m 2 /kPa.
[実施例11]
切断部にニクニ社製湿式破砕機サンカッタC125Hを用いた以外は実施例10と同様にして、長さ30mm、直径3mmのチョップドストランド状電解質ポリマーを得た。工程通過性は良好で、収率は78%となった。得られた精製電解質ポリマーについて、上澄み液の導電率は25μS/cm-1であった。
[Example 11]
A chopped strand electrolyte polymer having a length of 30 mm and a diameter of 3 mm was obtained in the same manner as in Example 10, except that a Nikuni wet crusher Sancutta C125H was used for the cutting part. The processability was good, and the yield was 78%. For the resulting purified electrolyte polymer, the conductivity of the supernatant was 25 μS/cm −1 .
実施例10と同様に、膜状に加工し、膜厚15μmの高分子電解質膜を得た。得られた高分子電解質膜の水素透過度は、1.6×10-9kmol/s/m2/kPaであった。 In the same manner as in Example 10, it was processed into a membrane to obtain a polymer electrolyte membrane with a thickness of 15 μm. The hydrogen permeability of the obtained polymer electrolyte membrane was 1.6×10 −9 kmol/s/m 2 /kPa.
[実施例12]
押出部と切断部の間に、0.5秒かけて貧溶媒が通過する長さの配管を設けた以外は実施例1と同様にして、長さ20mm、直径3mmのチョップドストランド状電解質ポリマーを得た。ホモミックラインフローに詰まりが発生し、収率は53%であった。得られた精製電解質ポリマーについて、上澄み液の導電率は27μS/cm-1であった。
[Example 12]
A chopped strand-like electrolyte polymer having a length of 20 mm and a diameter of 3 mm was prepared in the same manner as in Example 1, except that a pipe having a length through which the poor solvent passed over 0.5 seconds was provided between the extrusion part and the cutting part. Obtained. Clogging occurred in the homomic line flow and the yield was 53%. For the resulting purified electrolyte polymer, the conductivity of the supernatant was 27 μS/cm −1 .
実施例1と同様に、膜状に加工し、膜厚10μmの高分子電解質膜を得た。得られた高分子電解質膜の水素透過度は、1.8×10-10kmol/s/m2/kであった。 In the same manner as in Example 1, it was processed into a membrane to obtain a polymer electrolyte membrane with a thickness of 10 μm. The hydrogen permeability of the obtained polymer electrolyte membrane was 1.8×10 −10 kmol/s/m 2 /k.
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