JP7318259B2 - 複合化高分子電解質膜の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明の実施形態による複合化高分子電解質膜の製造方法は、支持基材上に多孔質材料が配置されて、支持基材から多孔質材料を剥離する工程が必須である。さらに、多孔質材料に張力を付与し、かつ複合化することによって、皺のない複合化高分子電解質膜を得ることができる。
図1は、本発明の第1の実施形態による複合化高分子電解質膜の製造方法の一例を示す図である。図1に示すように、まず、流延塗布用口金12から供給される高分子電解質溶液を基材11上に流延塗布することにより、基材11の表面に塗布膜10を形成する。一方、巻き出しロール20から、支持基材21と、支持基材21に積層された多孔質材料22とが巻き出される。支持基材21は、ニップロール23,24を通過した後に巻き取りロール26に搬送されて巻き取られる。一方、多孔質材料22は、ニップロール23,24において支持基材21から剥離されて、ガイドロール25を通過して、高分子電解質溶液の塗布膜10に複合化する。これにより、複合化高分子電解質膜30が製造される。
本発明の第1の実施形態において用いられる多孔質材料22は、プロトン伝導性を遮断したり妨害したりしない材料であれば特に限定されず、多孔質フィルム、不織布、抄紙などが使用できる。多孔質材料としては、耐熱性の観点や物理的強度の補強効果を鑑みて、脂肪族高分子、芳香族系高分子、または含フッ素高分子が好適に用いられる。ここで、脂肪族系高分子としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリビニルアルコール、およびエチレン-ビニルアルコール共重合体などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
本発明は、多孔質材料22に対する外部からの保護のために、支持基材21を用いる必要がある。ここで、支持基材21の材質は特に限定されないが、多孔質材料22を積層または剥離することが可能な、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリフェニレンスルフィド、ポリスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリベンズイミダゾール、ポリカーボネート、ポリアリレート、およびポリ塩化ビニルからなる群から選択される、1種または2種以上の樹脂から形成されるものを用いることが好ましい。
本発明に用いる高分子電解質の例としては、イオン性基含有ポリフェニレンオキシド、イオン性基含有ポリエーテルケトン、イオン性基含有ポリエーテルエーテルケトン、イオン性基含有ポリエーテルスルホン、イオン性基含有ポリエーテルエーテルスルホン、イオン性基含有ポリエーテルホスフィンオキシド、イオン性基含有ポリエーテルエーテルホスフィンオキシド、イオン性基含有ポリフェニレンスルフィド、イオン性基含有ポリアミド、イオン性基含有ポリイミド、イオン性基含有ポリエーテルイミド、イオン性基含有ポリイミダゾール、イオン性基含有ポリオキサゾール、イオン性基含有ポリフェニレンなどの、イオン性基を有する芳香族炭化水素系ポリマー、フルオロアルキルエーテル側鎖とフルオロアルキル主鎖とから構成されるイオン性基を有するパーフルオロ系イオン伝導性ポリマーが挙げられる。
本発明において、基材11の材質は特に限定されないが、高分子電解質溶液を流延塗布することが可能であり、安価であることから、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリフェニレンスルフィド、ポリスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリベンズイミダゾール、ポリカーボネート、ポリアリレート、およびポリ塩化ビニルからなる群より選択される1種または2種以上の樹脂から形成されるものを用いるのが好ましい。これらの中でも特に、透明性およびコストの観点から、ポリエチレンテレフタレートから形成されたものが好ましい。
〔拡布〕
本発明は、多孔質材料に張力を付与する工程において拡布する手段を有してもよい。ここで、拡布する手段とは、幅方向に対し張力を付与する手段である。拡布することによって複合化する前に多孔質材料22の皺の発生を抑制できる。図2は、第2の実施形態による拡布した場合の複合化高分子電解質膜の製造方法の一例を示す図である。図2に示すように、拡布用ロール27は、複合化する位置とガイドロール25との間に配置される。拡布する手段は従来公知の方法を使用できる。拡布する手段は、具体的に例えば、ピンチエキスパンダ、クラウンロール、マイクログルーブコンケーブロール、およびエキスパンダーロールなどが挙げられる。
〔第2の塗布工程〕
本発明による複合化高分子電解質膜の製造方法は、多孔質材料を高分子電解質溶液の流延塗布膜に複合化した後、かつ乾燥前に、さらに第2の塗布工程を含んでもよい。図3は、第3の実施形態による第2の塗布工程を有する複合化高分子電解質膜の製造方法の一例を示す図である。図3に示すように、第1の塗布工程により基材11上に高分子電解質溶液の塗布膜10を形成し、多孔質材料22を複合化した後、さらに流延塗布用口金13から供給された高分子電解質溶液を積層塗布することによって、塗布膜14を形成することによって、複合化高分子電解質膜31が製造される。
外観評価方法においては、まず、ロールからA4サイズにカットした複合化高分子電解質膜を検査台に載置する。その後、上方から白色蛍光灯で光を照射して、50cmの距離から目視観察した際の状態を以下の通り評価した。
○:表面に皺、色ムラ等が視認できない。
△:表面に5個以下の皺、色ムラ等が視認できる。
×:表面全体に無数の皺、色ムラ等が視認できる。
〔ポリベンゾイミダゾールからなる多孔質材料の製造〕
窒素雰囲気下、重合溶媒にポリリン酸(PAA)を用い、3,3’-ジアミノベンジジン(DAB)22.7g(106mmol)、4,4’-オキシビス安息香酸(OBBA)27.3g(106mmol)を秤取り、3質量%溶液となるようにポリリン酸(PPA)を加えて、撹拌しながら徐々に温度を上げ、140℃で12時間撹拌し、重縮合を行った。反応後、室温まで冷却し、イオン交換水に注いで凝固させた後、水酸化ナトリウム水溶液によって中和した。濾過し、イオン交換水で洗浄した後、80℃の温度で一晩減圧乾燥し、目的のポリベンゾイミダゾールを得た。重量平均分子量は42万、Tgは427℃であった。得られたポリベンゾイミダゾールを、8重量%の濃度になるようにジメチルスルホキシド(DMSO)に溶解させ、エレクトロスピニングユニット(カトーテック社製)を使用して、電圧を20kV、シリンジポンプ吐出速度を0.12mL/時、シリンジとターゲットとの距離を100mmとした条件で紡糸し、不織布状の多孔質材料22を製造した。得られた多孔質材料22を80℃の温度で1時間減圧乾燥させた後、支持基材21としての厚みが125μmのカプトン(商標登録)フィルム上に積層させ、窒素雰囲気中において400度の温度で10分加熱した。これによって、繊維径が150nm、厚みが7μmのポリベンゾイミダゾール繊維からなる多孔質材料22が得られた。
かき混ぜ機、窒素導入管、Dean-Starkトラップを備えた500mLの三口フラスコに、炭酸カリウムを0.56g(アルドリッチ試薬、4mmol)、イオン性基を含有するオリゴマーa2(末端OM基)を16g(1mmol)投入する。続いて窒素置換後、100mLのN-メチルピロリドン(NMP)および30mLのシクロヘキサン中において100℃の温度で脱水後、昇温させてシクロヘキサンを除去し、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11g(1mmol)投入して、105℃の温度で24時間反応を行った。多量のイソプロピルアルコールによって再沈殿させることで精製を行い、ブロックコポリマーb1を得た。重量平均分子量は約28万であった。
図1に示す製造方法に従って、ガイドロール25の回転軸にパーマヒストルクコントローラー(小倉クラッチ社製、PHT1.2D)を取り付け、ガイドロール25のブレーキ調整を行った。次に、あらかじめ420mm幅にスリットした多孔質材料22とカプトンフィルムの積層フィルムを巻き出し、ニップロール23を通過した後にカプトンフィルムから多孔質材料22を剥離した。ガイドロール25を通過させた後の多孔質材料22をバネばかりによって引張して張力を測定したところ、1.0N/mであった。
ロール状の基材フィルム(東レ社製、“ルミラー”(登録商標)T60、厚み:125μm)に上述した高分子電解質溶液をスリットダイコーターによって流延塗布した。この際、塗布幅は450mmであった。この塗布膜10に多孔質材料22を複合化し、150℃の温度の熱風乾燥炉において溶媒を除去した。さらにこの上層に高分子電解質溶液を積層塗布して、合計の厚みが10μmの実施例1による複合化高分子電解質膜30を製造した。
実施例2においては、多孔質材料の張力を3.0N/mに変更する以外は、実施例1と同様にして複合化高分子電解質膜を作製した。
実施例3においては、図2に示す製造プロセスに従って、ガイドロール25と複合化する位置との間に、ピンチエキスパンダ(東洋機械社製、PEX-11A)を設置し、多孔質材料22を拡布した以外は実施例1と同様にして複合化高分子電解質膜30を製造した。
上述した実施例1~3と比較するための比較例1においては、あらかじめカプトンフィルムと多孔質材料22とを剥離させ、巻き取ったロール状の多孔質材料22を図1に示す製造プロセスに従って、高分子電解質溶液と複合化させて複合化高分子電解質膜を製造した。
11 基材
12,13 流延塗布用口金
20 巻き出しロール
21 支持基材
22 多孔質材料
23,24 ニップロール
25 ガイドロール
26 巻き取りロール
27 拡布用ロール
30,31 複合化高分子電解質膜
Claims (4)
- 多孔質材料と高分子電解質溶液の塗布膜とを連続して複合化する複合化高分子電解質膜の製造方法であって、
前記高分子電解質溶液を基材上に流延塗布して塗布膜を形成する第1の塗布工程と、
支持基材上に積層された多孔質材料を前記支持基材から剥離する工程と、
前記支持基材から剥離された多孔質材料に張力を付与する工程と、
前記張力が付与された多孔質材料と前記塗布膜とを複合化する工程と、を有する
複合化高分子電解質膜の製造方法。 - 前記多孔質材料に張力を付与する工程における張力が、0.5N/m以上9.0N/m以下である
請求項1に記載の複合化高分子電解質膜の製造方法。 - 前記張力を付与する工程において、前記多孔質材料を幅方向に拡布する
請求項1または2に記載の複合化高分子電解質膜の製造方法。 - 前記多孔質材料と前記高分子電解質溶液の塗布膜とを複合化した後、高分子電解質溶液をさらに積層塗布する第2の塗布工程を有する
請求項1~3のいずれか1項に記載の複合化高分子電解質膜の製造方法。
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