JPH11510198A - 高分子電解質とその調製法 - Google Patents

高分子電解質とその調製法

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Abstract

(57)【要約】 本発明は、ポリアリーレンスルフィドを−10℃から+20℃の温度でクロロスルホン酸に完全に溶解し、ついで場合によっては発煙硫酸または無水酢酸を加えて+5℃から+20℃の範囲の反応温度で、せいぜい180分の反応時間の間撹拌した後、水性媒質中に沈殿させるポリアリーレンスルフィドのクロロスルホン化法に関する。ポリアリーレンスルフィドはポリパラフェニレンスルフィドが好ましい。本発明は、この方法で製造される、N−メチルピロリドン中に10から50重量%の量で溶解し、50,000g/mol以上の平均分子量Mwを有するクロロスルホン化ポリアリーレンスルフィドにも関する。最後に、本発明は、成形品、箔、繊維または2から200mS/cmの範囲のプロトン伝導率を有する隔膜を製造するためのクロロスルホン化ポリアリーレンスルフィドの使用にも関する。

Description

【発明の詳細な説明】 高分子電解質とその調製法 本発明は極性非プロトン性溶媒中に良好な溶解度を有するポリアリーレンスル フィド−スルホン酸類の化合物、その使用、および前記ポリアリーレンスルフィ ド−スルホン酸の調製法に関する。 ポリアリーレンスルフィド、とくにポリパラフェニレンスルフィドは、化学的 および熱的作用に対する著しい抵抗性を特徴とするポリマーとして知られている 。しかし、このポリマーを水性媒質中の用途に使用できるようにするためには親 水性を高めるのが適切である。スルホン化反応によってこの目的を達成する方法 がUS−A−4,110,265に記載されている。この方法では、ポリフェニ レンスルフィドを発煙硫酸と反応させてスルホン化生成物を得、これをカチオン 交換体物質として使用する。とは云ってもこの物質は完全に不溶性で、さらに不 融性の架橋ポリマーでもあると記載されており、したがってこの物質をさらに加 工するのは極めて困難である。US−A−4,199,321は、H2SO4、S O3および発煙硫酸を用いるスルホン化によるPPS繊維の可染性の改良法を述 べている。しかし、ここに記載されている繊維は、その表面だけしかスルホン化 されない。 本発明は、通常のポリアリーレンスルフィドから出発して、それから変性によ って極性非プロトン性溶媒に可溶で、かつ、たとえば容易にさらにフィルムに加 工できるポリマーを調製する可能性をもたらすという目的に基づくものであった 。別の目的は、通常のポリアリーレンスルフィドから出発する極性非プロトン性 溶媒に可溶なカチオン交換体の調製法を含む。 この目的はポリアリーレンスルフィド−スルホン酸によって達成され、その特 有の特徴は極性非プロトン性溶媒に可溶であるという点に認めることができる。 名を挙げることができる極性非プロトン性溶媒の例はN−メチルピロリドン( NMP)、ジメチルアセトアミド(DMAC)、ジメチルスルホキシド(DMS O)またはジメチルホルムアミド(DMF)である。 本発明に関連して適切なポリアリーレンスルフィドは一般に主鎖が下記形状 [−S−Ar−] の繰り返し単位から形成されるポリマーである。 式中Arは1,4−フェニレン、1,3−フェニレン、1,2−フェニレン、 ビフェニレン、ナフチレン、アントリレンまたは別の二価の芳香族基である。適 切なポリアリレンスルフィドの平均分子量Mwは好ましくは2000から200 ,000g/molの範囲にある。平均分子量Mwが50,000g/molを 上回り,芳香族単位がもっぱら1,4−フェニレンである(1H−NMR分光分 析法により検知できる)ポリパラフェニレンスルフィドが本発明に関連してとく に好ましく用いられる。さらに僅かな程度架橋しているが、それにもかかわらず 可融かつ可溶であるようなポリ[1,4−フェニレンスルフィド]が使用される 。とく という商品名で市場に知られるようになった。 本発明に関連するポリアリーレンスルフィド−スルホン酸は、繰り返し単位の 総量を基準にして0.1から100mol%、好ましくは2から40mol%程 度にスルホン化されている、すなわち芳香族単位がスルホン酸基(−SO3H) を有するポリマーを意味するものと理解すべきである。さらに、芳香族単位は繰 り返し単位の総量を基準にして0から40mol%、好ましくは5から25mo l%程度まで塩素化させることができ、また芳香族単位間のスルフィド架橋は同 様に繰り返し単位の総量を基準にして0から100mol%程度までスルホキシ ドに酸化させることができる。 次ぎの構造式は前記のポリアリーレンスルフィド−スルホン酸が含有すること ができる繰り返し単位の例を示す。 本発明によるポリアリーレンスルフィドースルホン酸はN−メチルピロリドン 中に5重量%を上回る量で溶解し、その溶解したポリアリーレンスルフィドース ルホン酸は2000から200,000g/mol、好ましくは20,000以 上100,000g/molまでの平均分子量を有する。 本発明によるポリアリーレンスルフィドースルホン酸の調製法はポリアリーレ ンスルフィドのクロロスルホン化と定義することができる。この方法では、ポリ アリーレンスルフィドをまず−10℃から+20℃の範囲の温度において5から 15重量%程度までクロロスルホン酸に完全に溶解し、ついで、適切ならば発煙 硫酸または無水酢酸を加えて、5℃から20℃の範囲の反応温度で溶液を撹拌し 、つぎに水性媒質中に生成物を沈殿させる。本発明による別の方法では、ポリア リーレンスルフィドをまず純粋なクロロスルホン酸ではなく直接クロロスルホン 酸と発煙硫酸との混合物に完全に溶解させる。 本発明に関連するクロロスルホン化という用語は、芳香族単位の実際のスルホ ン化以外に、スルホキシドを生成させる芳香族単位間のスルフィド架橋の酸化が 多少生じ、また同時に芳香族単位の塩素化もある程度起こる1ポット反応(on e−pot reaction)を意味すると理解すべきである。 発煙硫酸または無水酢酸の添加は、本発明によって可溶性ポリアリーレンスル フィドースルホン酸を得るための絶対に必要なことではないが、前記添加物によ ってクロロスルホン化反応を助長させる場合に、適切であれば、それに応じて反 応時間を短くすることができよう。さらに、一定溶解度において、概して高度の スルホン化が達成される。添加する発煙硫酸または無水酢酸(Ac2O)の量は クロロスルホン酸の重量を基準にして通常10から200重量%の発煙硫酸また は、同様にクロロスルホン酸の重量を基準にして5から30重量%の無水酢酸で ある。 別の加工工程では、クロロスルホン化物質を水中に懸濁させ、その懸濁液を煮 沸して、ポリアリーレンスルフィドースルホン酸クロリドをポリアリーレンスル フィドースルホン酸に転化させる。これも下記のスルホン化ポリアリーレンスル フィドと呼ばれ、スルホン酸基のほかに芳香族単位およびスルホキシド架橋に結 合された塩素原子を含有することができる。ポリアリーレンスルフィドースルホ ン酸から、流体、好ましくは極性非プロトン性溶媒ならびにこれら溶媒と水およ び脂肪族アルコールとの溶液中の溶液または分散液を調製することができる。 高度のスルホン化による水に可溶のポリマーは前記の方法によっても得られる 。 スルホン化ポリアリーレンスルフィド中のスルフィド架橋およびスルホキシド 架橋の酸化状態を、スルホキシド含量を100mol%に増大させるかまたはス ルフィド架橋およびスルホキシド架橋を最高100mol%の量でスルホン基( −SO2−)に転化させるように、適当な酸化剤、たとえばH22、O3、HNO3 やN24の作用によって変えることができる。こうして得られた物質も、前記 のように熱や薬品に対して極めて抵抗性があり、かつ極性非プロトン性溶媒に可 溶である。 本発明による方法によって調製したスルホン化ポリアリーレンスルフィドとそ の酸化生成物は、その溶解度の結果として、さらにコーティング、成形品、フィ ルムや繊維に加工するのに極めて適している。しかし、とくに2から200mS /cm、好ましくは5から50mS/cmの範囲のプロトン伝導率により際立つ て優れている膜をこれらのものからつくることができる。このような膜は、電解 コンデンサーや電気化学セル、とくに燃料電池やセルに好適に用いられる。ここ でいう電解コンデンサーは、とくに専門家がスーパーコンデンサー(super capacitor)と呼ぶ構造物であり、この構造物は電極と電解質との間に 電気絶縁層を有しない電解コンデンサーである。 下記実施例は専門家に本発明をさらに詳しく説明するためのものであるが、そ れから導き出される具体的に記した実施態様に限定するためのものではない。実 て得ることができるPPS類について行った。このものは平均分子量Mwが90 ,000g/molの非分枝ポリ[1,4−フェニレンスルフィド]である。 実施例1 表1に示した温度で撹拌しながら12gのPPSを220mlのクロロスルホ ン酸に溶解する。30分後溶液を表1に示す反応温度に加熱して、同様に示した 反応時間の間撹拌する。2kgの氷と600mlの30%濃度の硫酸との混合物 中に注入して仕上げ(working up)を行う。ついで沈殿物を15時間 水中で煮沸した後濾過して乾燥する。生成物の性状を表1に示す。 比較例1 実施例1の場合と同様に12gのPPSを220mlのクロロスルホン酸に溶 解する。溶解温度、溶解時間、反応温度および反応時間は表1で知ることができ る。実施例1の場合と同様に行った反応生成物の仕上げ後、表1に示す性状を有 する高分子物質を得ることができた。 比較例2 実施例1の場合と同様に15gのPPSを300mlのクロロスルホン酸に溶 解する。溶解温度、溶解時間、反応温度および反応時間は表1から知ることがで きる。実施例1の場合と同様に仕上げた後、表1から性状を知ることができる生 成物が得られた。 実施例2 比較例2の場合と同様に15gのPPSを300mlのクロロスルホン酸に溶 解する。溶解条件および反応条件を表1に示す。実施例1の場合と同様に反応生 成物を仕上げた後、性状を表1に示す淡黄色のポリマーが得られた。NMP溶液 中でのこのポリマーの固有粘度は1.5dl/gである。 1)SF: フェニレンスルフィド繰返し単位100個当りさらに導入した 硫黄原子数(元素分析による) 2)Cl: フェニレンスルフィド繰返し単位100個当り導入した 塩素原子数(元素分析による) 3)SNMP: N−メチルピロリドン中の溶解度(重量%) 4) 発煙硫酸またはAc2O添加後の追加反応時間 実施例3 10gのPPSを300mlのクロロスルホン酸に溶解する。溶解条件および 反応条件を表2に示す。反応生成物の仕上げ後、表2に性状を示す褐色のポリマ ーガ得られた。 実施例4 実施例2によって得たポリマーを加熱しながら40重量%程度までN−メチル ピロリドンに溶解する。20℃においてさえも液体でありかつ透明である溶液を ドクターブレードで厚さ100μmのフィルムに広げ、そのフィルムを熱風循環 オーブン内で100℃の温度において乾燥した。このように形成された透明でた わみやすいフィルムについて次ぎのような測定を行った。 a) ISO 527による引張応力/伸び試験 破断点伸び=4% b) DIN 53455に従うヤング率による弾性率の測定=6GPa c) 高角度X線散乱法(CuK α−放射、Ni−露光、20=3°ないし58 °)による結晶構造−X線に対して無定形 実施例5 表2に示す温度において撹拌しながら15gのPPSを300mlのクロロス ルホン酸に溶解する。15分後、溶液を表2に示す反応温度に加熱して同様に示 す反応時間の間撹拌する。表2に示すように発煙硫酸を加えてさらに反応を行わ せた後、実施例1に示したように反応生成物を仕上げて淡黄色の生成物を得る。 この生成物の性状を表2に示す。 実施例5で得た生成物の溶液の酸/塩基滴定の結果、イオン交換容量が0.9 3mmol/gであることがわかった。ゲル浸透クロマトグラフィーにより平均 分子量を測定した結果は70,000g/molであった。 イオン交換容量(IEC)は、生成物150mgをDMSO100mlに溶解 し、その溶液をNaOH溶液(H2O/DMSO(DMSO50容量%)中0. 025N)で滴定して求める。当量点はフェノールフタレインの色の変化または 伝導度測定により求める。 交流伝導率は、厚さが60ないし100μmで、0.5%濃度の硫酸を介して 市販の伝導度計と接触させた膜について測定する。前処理として膜を一日間水中 に置いた。交流伝導率は20℃、周波数1000Hzにおいて測定した。 実施例6 実施例5の場合と同様に15gのPPSを300mlのクロロスルホン酸に溶 解した。その他の条件は表2に示し、また実施例1の場合と同様に仕上げを行っ て淡黄色の生成物を得、その性状を表2に示す。実施例6で得た生成物の溶液の 酸/塩基滴定の結果イオン交換容量は3.2mmol/gであった。このポリマ ーはX線に対して無定形である。 実施例7 実施例5の場合と同様に表2に示す温度で撹拌しながら5gのPPSを100 mlのクロロスルホン酸に溶解する。その他の反応条件は表2から知ることがで きる。実施例1の場合と同様に仕上げた後、淡黄色の生成物を得、その性状を表 2に示す。実施例5および6の場合と同様にイオン交換容量を測定した結果、2 .98mmol/gという値が得られた。このポリマーはX線に対して無定形で ある。 【表2】 1)IEC: イオン交換体容量(mmol/g) 2)Cl: フェニレンスルフィド繰返し単位100個当り導入した 塩素原子数(元素分析による) 3)SNMP: N−メチルピロリドン中の溶解度(重量%) 発煙硫酸またはAc2O添加後の追加反応時間 実施例5に記載した測定法 すべての実施例について反応生成物のESCA分光分析を行った。このことか ら、前記物質すべてについてスルフィド架橋は20%から80%程度にスルホキ シドに酸化されていると判断することができる。 実施例8 実施例6で得た反応生成物中のスルフィド架橋対スルホキシド架橋のモル比は ESCA分光分析法によれば73:27である。この反応生成物を30%H22 と氷酢酸との混合物(混合容量比1:1)200ml中に懸濁させ、懸濁液を3 0分間煮沸して濾過し、生成物を乾燥する。その後、スルフィド架橋対スルホキ シド架橋のモル比は15:85となる。反応生成物は20重量%を上回る程度ま でNMPに可溶である。 実施例9 実施例6で得た反応生成物を、1m3当たりO320gのオゾン流中で15分間 ガス処理する。その後スルフィド架橋および22mol%のスルホキシド架橋を ESCAによって検知することができない。ESCAによれば残りはスルホン架 橋である。反応生成物は10重量%を上回る程度までNMPに可溶である。 前記諸実施例における反応の化学的収率は90%を上回った。
【手続補正書】特許法第184条の8第1項 【提出日】1997年8月3日 【補正内容】 請求の範囲 1.5℃の溶解温度において、N−メチルピロリドン中に5重量%を上回る量 で溶解するポリアリーレンスルフィドースルホン酸。 2.主鎖が下記形状 [−S−Ar−] (式中、Arは1,4−フェニレン、1,3−フェニレン、1,2−フェニレン 、ビフェニレン、ナフチレン、アントリレンまたは別の二価の芳香族単位)の繰 り返し単位から主として形成されるポリアリーレンスルフィドから得られる請求 項1記載のポリアリーレンスルフィドースルホン酸。 3.Arが1,4−フェニレンである請求項2記載のポリアリーレンスルフィ ドースルホン酸。 4.その平均分子量Mwが2000から200,000g/molの範囲、好 ましくは20,000g/mol以上の範囲にある請求項1ないし3のいずれか 1つの項記載のポリアリーレンスルフィドースルホン酸。 5.繰り返し単位に総量を基準にして0.1から100mol%、好ましくは 2から40mol%の量のスルホン酸基またはスルホン酸クロリド基を有し、か つ繰り返し単位の総量を基準にして0から40mol%、好ましくは5から25 mol%の量の塩素原子を有する請求項1ないし4のいずれか1つの項記載のポ リアリーレンスルフィドースルホン酸。 6.該芳香族単位間の該スルフィド架橋が、繰り返し単位の総量を基準にして 0から100mol%、好ましくは20から80mol%程度までスルホキシド またはスルホンに酸化されている請求項1ないし5のいずれか1つの項記載のポ リアリーレンスルフィドースルホン酸。 7.請求項1ないし6のいずれか1つの項記載のポリアリーレンスルフィドー スルホン酸の流体中の溶液または分散液。 8.請求項1ないし7のいずれか1つの項記載のボリアリーレンスルフィドー スルホン酸の調製法において、該ポリアリーレンスルフィドをクロロスルホン酸 中またはクロロスルホン酸と発煙硫酸もしくは無水酢酸との混合物中に完全に溶 解し、ついで適切ならば発煙硫酸または無水酢酸を添加し、さらに水性媒質中に 該生成物を沈殿させることを含む方法。 9.該ポリアリーレンスルフィドとしてポリ[1,4−フェニレンスルフィド ]を使用する請求項8記載の方法。 10.クロロスルホン酸中またはクロロスルホン酸と発煙硫酸もしくは無水酢 酸との混合物中の該溶液の調製を−10℃から+20℃の範囲の温度で行い、該 引き続く次の反応を+5℃から+20℃の範囲の温度で行う請求項8または9記 載の方法。 11.クロロスルホン酸の重量を基準にして、5から15重量%の量の該ポリ アリーレンスルフィドをクロロスルホン酸に溶解し、かつ適切ならば10から2 00重量%の量の発煙硫酸を添加する請求項8ないし10のいずれか1つの項記 載の方法。 12.クロロスルホン酸の重量を基準にして1から30重量%の量の無水酢酸 を使用する請求項8ないし10のいずれか1つの項記載の方法。 13.コーティング、成形品、フィルム、膜または繊維を製造するための請求 項1ないし7のいずれか1つの項記載のポリアリーレンスルフィドースルホン酸 の使用。 14.濾過、とくにミクロ(micro)濾過、ナノ(nano)濾過および 限外濾過用の膜を製造するための請求項1ないし6のいずれか1つの項記載のポ リアリーレンスルフィドースルホン酸の使用。 15.プロトン、とくに2から200mS/cmの範囲のプロトン伝導率を有 するプロトンを導通させる膜を製造するための請求項1ないし6のいずれか1つ の項記載のポリアリーレンスルフィドースルホン酸の使用。 16.コンデンサーおよび電気化学セル用、とくに燃料電池およびセル用の膜 を製造するための請求項1ないし6のいずれか1つの項記載のポリアリーレンス ルフィドースルホン酸の使用。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI D01F 6/76 D01F 6/76 D H01B 1/12 H01B 1/12 Z H01M 8/02 H01M 8/02 P (81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE, DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,IT,L U,MC,NL,PT,SE),BR,CA,CN,J P,KR,SG,US (72)発明者 シュネラー,アルノルト ドイツ連邦共和国デー−64409 メッセル, ベルリナー・シュトラーセ 37 (72)発明者 ヴィッテラー,ヘルムート ドイツ連邦共和国デー−65929 フランク フルト・アム・マイン,ヨハネスアレー 12

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.極性非プロトン性溶媒に可溶なポリアリーレンスルフィドースルホン酸。 2.該主鎖が下記形状 [-S-Ar-] (式中、Arは1,4−フェニレン、1,3−フェニレン、1,2−フェニレン 、ビフェニレン、ナフチレン、アントリレンまたは別の二価の芳香族単位)の繰 り返し単位から主として形成される請求項1記載のポリアリーレンスルフィドー スルホン酸。 3.Arが1,4−フェニレンである請求項2記載のポリアリーレンスルフィ ドースルホン酸。 4.その平均分子量Mwが2000から200,000g/molの範囲、好 ましくは20,000g/mol以上の範囲にある請求項1ないし3のいずれか 1つの項記載のポリアリーレンスルフィドースルホン酸。 5.繰り返し単位の総量を基準にして0.1から100mol%、好ましくは 2から40mol%の量のスルホン酸基またはスルホン酸クロリド基を有し、か つ繰り返し単位の総量を基準にして0から40mol%、好ましくは5から25 mol%の量の塩素原子を有する請求項1ないし4のいずれか1つの項記載のポ リアリーレンスルフィドースルホン酸。 6.該芳香族単位間の該スルフィド橋が、繰り返し単位の総量を基準にして0 から100mol%、好ましくは20から80mol%程度までスルホキシドま たはスルホンに酸化されている請求項1ないし5のいずれか1つの項記載のポリ アリーレンスルフィドースルホン酸。 7.N−メチルピロリドン中に5重量%を上回る量で溶解する請求項1ないし 6のいずれか1つの項記載のポリアリーレンスルフィドースルホン酸。 8.請求項1ないし7のいずれか1つの項記載のポリアリーレンスルフィドー スルホン酸の流体中の溶液または分散液。 9.請求項1ないし8のいずれか1つの項記載のポリアリーレンスルフィドー スルホン酸の調製法において、該ポリーレンスルフィドをクロロスルホン酸中ま たはクロロスルホン酸と発煙硫酸もしくは無水酢酸との混合物中に完全に溶解し 、ついで、適切ならば発煙硫酸または無水酢酸を添加し、さらに水性媒質中に該 生成物を沈殿させることを含む方法。 10.該ポリアリーレンスルフィドとしてポリ[1,4−フェニレンスルフィ ド]を使用する請求項9記載の方法。 11.クロロスルホン酸中またはクロロスルホン酸と発煙硫酸もしくは無水酢 酸との混合物中の該溶液の調製を−10℃から+20℃の範囲の温度で行い、該 引き続く次の反応を+5℃から+20℃の範囲の温度で行う請求項9または10 記載の方法。 12.クロロスルホン酸の重量を基準にして、5から15重量%の量の該ポリ アリーレンスルフィドをクロロスルホン酸に溶解し、かつ適切ならば10から2 00重量%の量の発煙硫酸を添加する請求項9ないし11のいずれか1つの項記 載の方法。 13.クロロスルホン酸の重量を基準にして1から30重量%の量の無水酢酸 を使用する請求項9ないし11のいずれか1つの項記載の方法。 14.コーティング、成形品、フィルム、膜または繊維を製造するための請求 項1ないし8のいずれか1つの項記載のポリアリーレンスルフィドースルホン酸 の使用。 15.瀘過、とくにミクロ(micro)濾過、ナノ(nano)濾過および 限外濾過用の膜を製造するための請求項1ないし7のいずれか1つの項記載のポ リアリーレンスルフィドースルホン酸の使用。 16.プロトン、とくに2から200mS/cmの範囲のプロトン伝導率を有 するプロトンを導通させる膜を製造するための請求項1ないし7のいずれか1つ の項記載のポリアリーレンスルフィドースルホン酸の使用。 17.コンデンサーおよび電気化学セル、とくに燃料電池およびセルにおける 請求項13ないし15のいずれか1つの項記載のポリアリーレンスルフィドース ルホン酸の使用。
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