JPS6043844B2 - ペルフルオルカルボン酸型陽イオン交換体の製造方法 - Google Patents

ペルフルオルカルボン酸型陽イオン交換体の製造方法

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JPS6043844B2
JPS6043844B2 JP11668077A JP11668077A JPS6043844B2 JP S6043844 B2 JPS6043844 B2 JP S6043844B2 JP 11668077 A JP11668077 A JP 11668077A JP 11668077 A JP11668077 A JP 11668077A JP S6043844 B2 JPS6043844 B2 JP S6043844B2
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fluorine
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fluorination
gas
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遥 篠原
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Japan Atomic Energy Research Institute
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明はペルフルオルカルボン酸型陽イオン交換体の製
造法に関する。
詳しくは、本発明はイオン交換基を有しない高分子重合
体から耐薬品性を有するペルフルオルカルボン酸型陽イ
オン交換体を製造する方法に関する。従来耐薬品性イオ
ン交換体またはイオン交換膜としては、水素原子を含ま
ないフッ素系モノマーの共重合や既成イオン交換体また
はイオン交換膜のフッ素化などが提案され一部に実施さ
れているが、これらはモノマーの合成が煩雑なために高
価であつたり、製品の形状や機械的強度の制約が大きい
など欠点を有する。
一般に含水素オレフィン系高分子重合体には十分な耐薬
品性、特に酸化剤に対する耐薬品性がない。
しかしその炭素−水素結合の水素原子および炭素−ハロ
ゲン結合の塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子をすべてフ
ッ素原子で置換した、即ち、ペルフルオ化したオレフィ
ン系高分子重合体が優れた耐薬品性を有することはよく
知られている。一方、耐薬品性を必要とするイオン交換
体やイオン交換膜を使用するに際しては、これを使用す
る設備や周辺配管等の材料も同様の耐薬品性を必要とす
ることは当然であるが、それらの材料は必ずしも高価な
金属ポリテトラフルオルエチレンなどを使用しなくても
、目的に適した高分子重合体の表層部をフッ素ガスを用
いてフッ素化してポリテトラフルオルエチレンに変えて
用いることにより、資源および経費の節減が可能であり
除々に実用化されようとしている。そこで高分子重合体
のフッ素化装置を利用してそのフッ素化工程と類似した
方法により、任意の形状の高分子重合体の表層部に耐薬
品性イオン交換体を形成する方法が発見されれば、複雑
な構造を有するイオン交換装置やイオン交換体を触媒と
する反応装置などを安価に製造することが可能となる。
本発明の目的はイオン交換基を有しない高分子1重合体
の表層部に簡単な工程をもちいて交換体を形成する方法
を提供することにある。
本発明者は含水素オレフィン系高分子重合体を酸素・フ
ッ素混合ガスと反応させると高分子主鎖の切断にともな
つて酸フッ化物が生成することを丁発見し、ついでフッ
素ガスのみを用いてフッ素化すると酸フッ化物の大部分
をペルフルオルカルボン酸に変えることができることを
利用し、さらに生成物を熱涙アルカリ液で処理すること
により耐薬品性を欠く小部分が溶解除去されるとともに
迅速なイオン交換活性を有するベルフルオルカルボン酸
を生ずることを発見した。
本発明者はこの発見に基き高分子重合体のフッ素化装置
を用いて同様な工程により高分子重合体表層部に耐薬品
性イオン交換体を形成する方法を発明するにいたつた。
本発明はイオン交換基を含まない含水素オレフィン系高
分子重合体を酸素・フッ素混合ガスと接触させてオキソ
フツ素化反応を行うことにより、その表層部の高分子主
鎖を切断することにより新生する分子鎖の末端部分に酸
フッ化物を形成したのち、これをフッ素ガスのみを用い
てフッ素化して残る水素原子、塩素原子、臭素原子、ヨ
ウ素原子をフッ素原子と置換することにより、ベルフル
オルカルボン酸フッ化物を形成し、さらにアルカリ処理
をすることによソー部の耐薬品性を欠く部分を溶解除去
しながら酸フッ化物を加水分解してベルフルオルカルボ
ン酸とする耐薬品性イオン交換体の製造方法てある。
即ち本発明の方法は高分子重合体の酸素・フッ素混合ガ
スを用いるオキソフツ素化反応による酸フッ化物の形成
、後フッ素化、およびアルカリ処理の3工程から成るこ
とを特徴とするベルフルオルカルボン酸型陽イオン交換
体の製造方法である。本発明に供する含水素オレフィン
系高分子重合一体は特に限定されず、粉状、粒状、膜状
、管状、繊維状等その形状および大きさはなんら制限な
く、それを構成する高分子鎖が直鎖2次元構造であつて
も、橋かけ3次元構造であつてもよく、必要条件として
酸フッ化物を形成するために必要な.オレフィン系炭素
一水素結合の水素原子を含んでいればよい。
含水素オレフィン系高分子重合体の酸素・フッ素混合ガ
スによるオキソフツ素化反応は、既によく知られている
フッ素ガスによるフッ素化反応の!場合と同様に、高分
子重合体の表面から内部へ向つて層状に反応が進行し、
上記高分子重合体が結晶質部分と非結晶質部分とから構
成されている場合には、先ず主として非結晶質部分の反
応が層状に進行する。
従つて、酸素・フッ素混合ガスの組ク成比、反応圧力、
温度、反応時間を適当に選ぶことにより反応層の厚さを
調節することができる。そのためには本発明を実施する
高分子重合体と同一種類の高分子重合体の厚さ0.05
WL〜0.17WL程度の膜状試料を用意し、これにつ
いて予備試験を行い、オキソフツ素化、フッ素化および
アルカリ処理の各段階ごとにその結果を赤外吸収スペク
トルの測定により判定することが望ましい。即ち酸フッ
化物、ベルフルオルカルボン酸およびそのアルカリ金属
塩のC=0伸縮振動による吸収帯を利用することができ
、それぞれ1650〜1900cm−1の間に観測され
る。含水素オレフィン系高分子重合体の酸素・フツノ素
混合ガスによるオキソフツ素化反応における反応性は、
フッ素ガスによるフッ素化反応における反応性から類推
することができる。
即ち、フッ素ガスと室温でも激しく反応するポリエチレ
ンのような炭化水素高分子重合体は、酸素・フッ素混合
.ガスとも同様に激しく反応する。一方、フッ素ガスと
室温ではきわめて徐々に反応するポリフッ化ビニリデン
のようなフッ素化オレフィン高分子重合体は、酸素・フ
ッ素混合ガスとも同様にきわめて徐々に反応する。本発
明を実施するに際してオキソフツ素化およびフッ素化に
使用する反応装置は、一般に高分子重合体のフッ素ガス
によるフッ素化に用いられるものと同程度のものでよい
詳しくは、材料はニッケルまたはモネル合金、気密度は
通常のヘリウム洩漏検出器の感度10−5PacI1S
−1(10−10atmccsec−リのものて漏れが
検出されない程度のものであることが望ましい。また、
反応容器の開閉に際しては、空気中の水分が容器内に侵
入することを防ぐために、乾燥したアルゴン、窒素など
の不活性ガスを流出させながら開閉することが望ましい
。本発明の第1工程である酸素・フッ素混合ガスによる
オキソフツ素化反応を実施するに際しては、フッ素ガス
によるフッ素化反応を実施する場合によく知られている
ように、反応に供する高分子重合体の形状や性質に応じ
て、反応ガスをアルゴンや不活性ガスと混合して反応ガ
スの分圧を調節したり、反応時の高分子重合体表面の温
度を調節することにより、反応速度を調節して、反応熱
の蓄積による高分子重合体の不必要な劣化を防止しなけ
ればならない。
酸素・フッ素混合ガスにおける両ガスの組成比に制限は
ないが、これも反応速度に著しい影響を及ぼすから、あ
らかじめ試験片を用いて最適条件を定めておく必要があ
る。一般的にいえば、酸素/フッ素の比率が容積比で1
/100以下ではオキソフツ素化反応の割合は低く、む
しろフッ素化反応が顕著であり、1/1程度ではオキソ
フツ素化反応が著しい。オキソフツ素化反応によつて生
成した酸フッ化物は空気中の水分と反応してカルボン酸
に変化し易いから、第1工程終了後には反応容器内の酸
素・フッ素混合ガスを不活性ガスで置換した後十分に真
空脱気し、反応容器を開けることなく第2工程である後
フッ素化を実施することが望ましい。本発明における第
2工程である後フッ素化は、ベルフルオルオレフィンの
形成が認められるまで行う必要があるが、フッ素化の程
度が過ぎるとついには酸フッ化物もフッ素化されて失わ
れてしまう。
この後フッ素化の程度は製品の耐薬品性の程度と密接な
関係にあるから、使用目的に応じて調節する必要がある
。後フッ素化に供するフッ素ガスとしては、一般に高分
子重合体をフッ素化して耐薬品性を付与する際に必要と
されると同等の純度のものでよく、酸素含量が0.1容
量%以下であ5ればよい。本発明における第3工程であ
るアルカリ処理を実施するに際しては、水酸化ナトリウ
ムまたは水酸化カリウムの熱溶液にフッ素化した高分子
重合体を接触させることにより行う。
アルカリ溶液の濃度および温度に制限はないが、濃度?
〜10N1温度90〜100℃の範囲で処理することが
能率的である。処理時間はあらかじめ試験片をもちいて
酸フッ化物が酸アルカリ金属塩に変換する程度を赤外線
吸収スペクトル変化から追跡するとともに、試験片の重
量変化を追跡し、重量がほぼ一定となり十分量の酸アル
カリ金属塩が生成したところで処理を止めればよい。こ
のアルカリ処理によつてベルフルオルカルボン酸アルカ
リ金属塩となつた部分は、それ以降はイオン交換基とし
て迅速な陽イオン交換機能を発揮する。つぎに実施例に
ついてさらに詳しく本発明の内容を示すが、オレフィン
系高分子重合体のフッ素化反応についてよく知られてい
るように、さらにオキソフツ素化反応についても同様に
、これらの反応は特定の高分子重合体に固有な反応では
なく、ただその反応性の程度が各高分子重合体について
異るだけであるから。
比較的穏やかに反応する高分子重合体について記述する
本実施例の内容は、本発明の内容に何等制限を加えるも
のではない。実施例 乳化重合型ポリフッ化ビニリデンのインフレーシヨンフ
イルムの厚さ約50PTrLの試片を容量0.3eのモ
ネル製反応容器中にニッケル網に保持して吊下げた。
反応容器内を90℃で10時間、10−2〜10−(3
Pa(10−4〜10−5T0rr)に真空脱気した後
、フッ素(4)部、酸素5部、アルゴン酸45部からな
る混合ガスを全圧1.0×1CfPa(1atn)にな
るまて導入し、90℃で4時間反応させた。ついで酸素
●フッ素混合ガスをアルゴンガスで置換し、反応容器内
を90℃で10時間、10−2〜10−3Pa(10−
4〜10−5T0rr)に真空脱気した後、フッ素ガス
を1.0x10′Pa(1atn)になるまで導入し、
90゜Cで3時間反応させた。
反応容器内のフッ素化ガスをアルゴンガスで置換し、容
器内を90゜Cで■時間、10−2〜10−3Pa(1
0−4〜10−5T0rr)に真空脱気した後フッ素化
膜を反応容器から取り出した。ついでニッケル容器中で
?一水酸化ナトリウム溶液中に90〜100℃で5日間
フッ素化膜を浸漬することによソー定重量となり、無色
のベルフルオルカルボン酸型陽イオン交換体を得た。
このイオン交換体は表層部分の厚さ約3μmにイオン交
換活性を有し、1N一塩酸溶液および0.1N一水酸化
セシウム溶液にそれぞれ20℃て繰返し1分間浸漬した
ときの重量差から求めた可逆的イオン交換量は1c!l
あたり3刈0−7m01であつた。またこの・イオン交
換体は通常のカルボン酸型陽イオン交換体とは異り、中
性の塩化ナトリウム溶液からナトリウムイオンを捕促す
ることができ、しかも通常のカルボン酸型陽イオン交換
体と同様に、1N一酢酸溶液により酸型に再生すること
ができた。本実施例において各工程の目安となる赤外線
吸収スペクトルの吸収帯としては、オキソフツ素化反応
による酸フッ化物を1860C77!−1に、フッ素化
によるベルフルオル酸フッ化物を1883crfL−1
に、アルカリ処理により生じたベルフルオルカルボン酸
ナトリウム塩を1682crI1−1に、それぞれ観測
されるC=0伸縮振動による吸収を利用した。本発明に
より得られたイオン交換体は従来のカルボン酸型陽イオ
ン交換体とは異なり、カルボキシル基に隣接する炭素原
子がベルフルオル化されているために、耐薬品性に優れ
ているばかりではなく、カルボキシル基の酸性度が強め
られており、従来の型のカルボン酸型陽イオン交換体で
は不可能であつた、中性塩化ナトリウム溶液中のナトリ
ウムイオンを捕促することができ、しかも1N一酢酸溶
液を用いて再生てきる利点を具えており、その用途が広
い。
本発明は高分子重合体の表層部に耐薬品性イオン交換体
を形成する方法に関するものであるが、高分子重合体の
表層部のみならずその全体を陽イオン交換体とすること
を妨げるものではない。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 オレフィン系高分子重合体または含水素ハロゲン化
    オレフィン系高分子重合体の全体またはその表層部分を
    酸素・フッ素混合ガスを用いてオキソフツ素化したのち
    、これを更にフッ素ガスのみを用いてフッ素化してペル
    フルオルカルボン酸フッ化物を形成し、ついで熱濃アル
    カリ溶液で処理して該高分子重合体の全体またはその表
    層部分にイオン交換活性を付与することを特徴とするペ
    ルフルオルカルボン酸型陽イオン交換体の製造方法。
JP11668077A 1977-09-30 1977-09-30 ペルフルオルカルボン酸型陽イオン交換体の製造方法 Expired JPS6043844B2 (ja)

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JPH04258583A (ja) * 1991-02-07 1992-09-14 Mitsubishi Electric Corp 流量制御弁
JPH04258582A (ja) * 1991-02-07 1992-09-14 Mitsubishi Electric Corp 流量制御弁
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JP6417116B2 (ja) * 2013-05-31 2018-10-31 旭化成株式会社 高分子電解質組成物、及び、それを用いた、高分子電解質膜、電極触媒層、膜電極接合体、及び固体高分子型燃料電池

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