JPWO2016104379A1 - 含フッ素ポリマー粒子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
しかし、含フッ素ポリマー(X)の溶液または分散液から含フッ素ポリマー(X)を凝集する際に、微小な粒子が多量に生成した場合、ろ過による含フッ素ポリマー(X)の粒子の分離および未反応モノマーの回収が困難になる。
含フッ素ポリマーが、該含フッ素ポリマーの膨潤度が特定の範囲となるような特定の良溶媒に溶解または分散した含フッ素ポリマーの溶液または分散液を調製した後、含フッ素ポリマーの溶液または分散液と、該含フッ素ポリマーの膨潤度が特定の範囲となるような特定の貧溶媒とを、良溶媒と貧溶媒との混合溶媒による含フッ素ポリマーの膨潤度が特定の範囲となるような割合で混合して、含フッ素ポリマーを凝集させ、含フッ素ポリマー粒子を形成する方法(特許文献1)。
(1)のためには、含フッ素ポリマーにおける、テトラフルオロエチレンに由来する構成単位の割合を減らし、スルホン酸型官能基を有する構成単位を増やす傾向にある。
(2)のためには、含フッ素ポリマーにおける、テトラフルオロエチレンに由来する構成単位の割合を減らし、環構造およびフッ素原子を有する構成単位を新たに導入することが提案されている(特許文献2)。
[1]テトラフルオロエチレンに由来する構成単位(u1)並びにスルホン酸型官能基を有さず、環構造およびフッ素原子を有する構成単位(u2)のいずれか一方または両方と、スルホン酸型官能基を有する構成単位(u3)とを有し、構成単位(u1)の割合が、含フッ素ポリマー(A)中の全構成単位(100モル%)のうち、0〜82モル%である含フッ素ポリマー(A)の粒子を製造する方法であって、下記工程(i)および(ii)を有する、含フッ素ポリマー粒子の製造方法。
(i)前記含フッ素ポリマー(A)が溶媒(B)に溶解または分散した含フッ素ポリマー(A)の溶液または分散液を調製する工程であり、下記条件(i−1)および(i−2)を満足する。
(i−1)前記溶媒(B)が、前記含フッ素ポリマー(A)の溶解度が30%以上となる良溶媒(B2)を含む。
(i−2)前記含フッ素ポリマー(A)の溶液または分散液をステンレス鋼製200メッシュのフィルタに通しても該フィルタに残渣がない。
(ii)前記含フッ素ポリマー(A)の溶液または分散液と溶媒(C)とを混合して、前記含フッ素ポリマー(A)を凝集させ、含フッ素ポリマー(A)の粒子を形成する工程であり、下記条件(ii−1)〜(ii−3)を満足する。
(ii−1)前記溶媒(C)が、前記含フッ素ポリマー(A)の膨潤度が100%以下となる貧溶媒(C1)を含む。
(ii−2)前記溶媒(B)と前記溶媒(C)との混合溶媒(BC)による前記含フッ素ポリマー(A)の膨潤度が、70〜250%である。
(ii−3)前記溶媒(C)の質量(WC)と、前記溶媒(B)の質量(WB)との比(WC/WB)が、1〜5である。
[2]前記溶媒(BC)による前記含フッ素ポリマー(A)の膨潤度が、80〜250%である、[1]の含フッ素ポリマー粒子の製造方法。
[3]前記溶媒(BC)による前記含フッ素ポリマー(A)の膨潤度が、105〜250%である、[1]の含フッ素ポリマー粒子の製造方法。
[4]前記良溶媒(B2)が、ハイドロフルオロカーボンである、[1]〜[3]のいずれかの含フッ素ポリマー粒子の製造方法。
[5]前記良溶媒(B2)が、C6F13HおよびCF3CFHCFHCF2CF3のいずれか一方または両方である、[1]〜[4]のいずれかの含フッ素ポリマー粒子の製造方法。
[6]前記貧溶媒(C1)が、ハイドロフルオロエーテル、ハイドロフルオロカーボン、非フッ素系アルコール、ハイドロカーボンおよび含フッ素アルコールから選ばれる少なくとも1種以上である、[1]〜[5]のいずれかの含フッ素ポリマー粒子の製造方法。
[7]前記貧溶媒(C1)が、CF3CH2OCF2CF2H、CHF2CH2CF3、CF3CH2CF2CH3、メタノール、ヘキサン、CF3CF2CH2OH、CF3CH2OHおよびH(CF2)4CH2OHから選ばれる少なくとも1種以上である、[1]〜[6]のいずれかの含フッ素ポリマー粒子の製造方法。
[8]前記貧溶媒(C1)が、ハイドロフルオロエーテル、ハイドロフルオロカーボン、非フッ素系アルコール、ハイドロカーボンおよび含フッ素アルコールから選ばれる少なくとも2種以上である、[1]〜[7]のいずれかの含フッ素ポリマー粒子の製造方法。
[9]前記溶媒(BC)による前記含フッ素ポリマー(A)の膨潤度を、2種以上の貧溶媒(C1)の混合割合によって調整する、[1]〜[8]のいずれかの含フッ素ポリマー粒子の製造方法。
[10]前記溶媒(BC)による前記含フッ素ポリマー(A)の膨潤度を、前記工程(ii)において含フッ素ポリマー(A)の溶液または分散液と混合する直前の前記溶媒(C)の温度によって調整する、[1]〜[9]のいずれかの含フッ素ポリマー粒子の製造方法。
[11]前記工程(ii)において含フッ素ポリマー(A)の溶液または分散液と混合する直前の前記溶媒(C)の温度が、−15〜30℃の範囲内である、[1]〜[10]のいずれかの含フッ素ポリマー粒子の製造方法。
[12]前記含フッ素ポリマー(A)中の全構成単位(100モル%)のうち、前記構成単位(u1)の割合が、35〜82モル%であり、前記構成単位(u2)の割合が0モル%以上30モル%未満であり、前記構成単位(u3)の割合が18〜35モル%である、[1]〜[11]のいずれかの含フッ素ポリマー粒子の製造方法。
[13]前記溶媒(BC)による前記含フッ素ポリマー(A)の膨潤度が、70〜200%である、[12]の含フッ素ポリマー粒子の製造方法。
[14]前記含フッ素ポリマー(A)中の全構成単位(100モル%)のうち、前記構成単位(u1)の割合が、0〜60モル%であり、前記構成単位(u2)の割合が20〜85モル%であり、前記構成単位(u3)の割合が10〜35モル%である、[1]〜[11]のいずれかの含フッ素ポリマー粒子の製造方法。
[15]前記溶媒(BC)による前記含フッ素ポリマー(A)の膨潤度が、105〜250%である、[14]の含フッ素ポリマー粒子の製造方法。
[16]前記工程(i)および工程(ii)に続き、含フッ素ポリマー(A)を分離、回収する、[1]〜[15]のいずれかに記載の含フッ素ポリマー粒子の製造方法。
[17]含フッ素ポリマー(A)のスルホン酸型官能基をイオン交換基に変換したポリマーのイオン交換容量が0.9〜2.5ミリ当量/g乾燥樹脂である、[1]〜[16]のいずれかに記載の含フッ素ポリマー粒子の製造方法。
これは、本発明の製造方法では、含フッ素ポリマー(A)の凝集前の溶解性を、条件(i−1)および(i−2)を満足するようにコントロールし、かつ含フッ素ポリマー(A)の凝集後の膨潤度を、条件(ii−1)〜(ii−3)を満足するようにコントロールしているためである。
また、式(m1)で表されるモノマーを、モノマー(m1)と記す。他の式で表されるモノマーもこれに準じて記す。
「含フッ素ポリマー」とは、炭素原子に結合する水素原子の一部または全部がフッ素原子に置換されたポリマーを意味する。
「構成単位」とは、モノマーが重合することによって形成された該モノマーに由来する単位を意味する。構成単位は、モノマーの重合反応によって直接形成された単位であってもよく、ポリマーを処理することによって該単位の一部が別の構造に変換された単位であってもよい。
「スルホン酸型官能基」とは、スルホン酸基(−SO3 −H+)、その塩(−SO3 −M+(ただし、M+は、一価の金属イオン、または1以上の水素原子が炭化水素基と置換されていてもよいアンモニウムイオンである。))、または、加水分解されてスルホン酸基またはその塩となる基(−SO2F、−SO2Cl、−SO2Br等)を意味する。
「ハイドロカーボン」とは、水素原子および炭素原子だけからなる化合物を意味する。
「ハイドロフルオロカーボン(HFC)」とは、ハイドロカーボンの水素原子の一部がフッ素原子に置換された化合物を意味する。
「ハイドロフルオロエーテル(HFE)」とは、ハイドロフルオロカーボンの炭素原子間にエーテル結合性の酸素原子を有する化合物を意味する。
「含フッ素アルコール」とは、炭素原子に結合する水素原子の一部または全部がフッ素原子に置換されたアルコールを意味する。
(I)工程(i)および(ii)における含フッ素ポリマー(A)と同一の含フッ素ポリマーを乾燥し、熱プレスして、厚さ100μmのフィルムを得る。該フィルムから、20mm×20mmのサンプルを切り出し、サンプルの質量(W1)を測定する。
(II)工程(i)および(ii)における貧溶媒(B1)、良溶媒(B2)、貧溶媒(C1)または良溶媒(C2)と同一の溶媒(以下、模擬溶媒と記す。)の50gに、前記サンプルを25℃、かつ密閉環境下で16時間浸漬させる。
(III)目開きが113μmのポリプロピレン製フィルタを用いてろ過し、フィルター上のサンプルを除き、ろ液を80℃で6時間乾燥し、120℃で16時間真空乾燥し、サンプルの質量(W2)を測定する。
(IV)下式(1)から溶解度を求める。
溶解度(%)=W2/W1×100 ・・・(1)
(I)工程(i)および(ii)における含フッ素ポリマー(A)と同一の含フッ素ポリマーを乾燥し、熱プレスして、厚さ100μmのフィルムを得る。該フィルムから、20mm×20mmのサンプルを切り出し、サンプルの乾燥質量(WA1)を測定する。
(II)工程(i)および(ii)における貧溶媒(B1)、良溶媒(B2)、貧溶媒(C1)、良溶媒(C2)または混合溶媒(BC)と同一の溶媒または混合溶媒(以下、これらを模擬溶媒と記す。)の50gに、前記サンプルを、工程(ii)において含フッ素ポリマー(A)の溶液または分散液と混合する直前の溶媒(C)の温度で、かつ密閉環境下で16時間浸漬させる。
(III)サンプルを模擬溶媒から取り出し、すばやく模擬溶媒を拭き取った後、サンプルの膨潤質量(WA2)を測定する。
(IV)下式(2)から膨潤度を求める。
膨潤度(%)=(WA2−WA1)/WA1×100 ・・・(2)
「貧溶媒(B1)、良溶媒(B2)、貧溶媒(C1)、溶媒(B)または混合溶媒(BC)と同一の模擬溶媒」とは、溶媒の種類、その組成比が同じであることを意味する。
本発明の含フッ素ポリマー粒子の製造方法は、下記工程を有する。
(i)含フッ素ポリマー(A)が溶媒(B)に溶解または分散した含フッ素ポリマー(A)の溶液または分散液を調製する工程。
(ii)含フッ素ポリマー(A)の溶液または分散液と溶媒(C)とを混合して、含フッ素ポリマー(A)を凝集させ、含フッ素ポリマー(A)の粒子を形成する工程。
(iii)必要に応じて、含フッ素ポリマー(A)の粒子をろ過、遠心分離、デカンテーションなどの手段により分離、回収する工程。
工程(i)においては、下記条件(i−1)および(i−2)を満足する必要がある。
(i−1)溶媒(B)が、含フッ素ポリマー(A)の溶解度が30%以上となる良溶媒(B2)を含む。
(i−2)含フッ素ポリマー(A)の溶液または分散液をステンレス鋼(SUS)製200メッシュのフィルタに通しても該フィルタに残渣がない。
良溶媒(B2)による含フッ素ポリマー(A)の溶解度が30%以上となるということは、含フッ素ポリマー(A)が良溶媒(B2)によって膨潤することなく良溶媒(B2)に溶解する、すなわち良溶媒(B2)による含フッ素ポリマー(A)の膨潤度を求めることができない、ということを意味する。本発明の製造方法は、良溶媒(B2)による含フッ素ポリマー(A)の膨潤度を求めることができないために、特許文献1に記載された製造方法を適用できない含フッ素ポリマー(A)を対象とする方法である。
良溶媒(B2)としては、含フッ素ポリマー(A)の溶解性がよい点から、6個以上のフッ素原子を有するHFCが好ましい。6個以上のフッ素原子を有するHFCとしては、C4F9C2H5、C6F13CH2CH3、C8F17C2H5、C6F13H、HC6F12H、HC4F8H、C6F14、C7F16、CF3CFHCFHCF2CF3、(CF3)2CFCFHCFHCF3等が挙げられ、入手の容易さ、コスト、沸点、分離回収の点から、C6F13HおよびCF3CFHCFHCF2CF3のいずれか一方または両方が好ましい。良溶媒(B2)は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
HFEとしては、CF3CH2OCF2CF2H、C4F9OCH3、C4F9OC2H5、CF3CF2CF2OCH3、(CF3)2CFOCH3等が挙げられる。
5個以下のフッ素原子を有するHFCとしては、CHF2CH2CF3、CF3CH2CF2CH3、F3C−C(F)=CH2等が挙げられる。
非フッ素系アルコールとしては、メタノール、エタノール、1−プロパノール、イソプロパノ−ル、n−ブタノール、2−ブタノール、t−ブタノール等が挙げられる。
ハイドロカーボンとしては、シクロペンタン、ヘキサン、シクロヘキサン、ヘプタン等が挙げられる。
含フッ素アルコールとしては、CF3CF2CH2OH、CF3CH2OH、H(CF2)4CH2OH等が挙げられる。
他の貧溶媒(B1)としては、アセトン、アセトニトリル、1,2−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン等が挙げられる。
含フッ素ポリマー(A)の溶液または分散液をSUS製200メッシュのフィルタに通しても該フィルタに残渣がないということは、含フッ素ポリマー(A)が溶媒(B)に完全に溶解している、または溶け残りがあっても含フッ素ポリマー(A)が微小に分散し、溶液に近い状態にある、ということを意味し、乾燥後のメッシュ重量増が、全ポリマーの0.1質量%未満を意味する。本発明の製造方法は、溶媒(B)への溶解性が高いために、特許文献1に記載された製造方法を適用できない含フッ素ポリマー(A)を対象とする方法である。
含フッ素ポリマー(A)の溶液または分散液の調製方法としては、たとえば、下記の方法が挙げられる。
良溶媒(B2)を用いた溶液重合法により含フッ素ポリマー(A)を含む液を得た後、該液を貧溶媒(B1)および良溶媒(B2)のいずれか一方または両方を用いて、条件(ii−2)を満足する範囲内において希釈する方法。
該方法においては、溶媒(B)は、溶液重合法に用いた良溶媒(B2)と、希釈に用いた貧溶媒(B1)および良溶媒(B2)のいずれか一方または両方と未反応モノマーとの混合物となる。
工程(ii)では、下記条件(ii−1)〜(ii−3)を満足する必要がある。
(ii−1)溶媒(C)が、含フッ素ポリマー(A)の膨潤度が100%以下となる貧溶媒(C1)を含む。
(ii−2)溶媒(B)と溶媒(C)との混合溶媒(BC)による含フッ素ポリマー(A)の膨潤度が、70〜250%である。
(ii−3)溶媒(C)の質量(WC)と、溶媒(B)の質量(WB)との比(WC/WB)が、1〜5である。
貧溶媒(C1)は、含フッ素ポリマー(A)の膨潤度が、100%以下が好ましく、0〜95%を有するのがより好ましい。溶媒(C)が貧溶媒(C1)を含まない場合、条件(ii−2)を満足することが困難となる。
貧溶媒(C1)としては、HFE、5個以下のフッ素原子を有するHFC、非フッ素系アルコール、ハイドロカーボンおよび含フッ素アルコールから選ばれる少なくとも1種以上が好ましい。
5個以下のフッ素原子を有するHFCとしては、CHF2CH2CF3、CF3CH2CF2CH3、F3C−C(F)=CH2等が挙げられる。
非フッ素系アルコールとしては、メタノール、エタノール、1−プロパノール、イソプロパノ−ル、n−ブタノール、2−ブタノール、t−ブタノールが挙げられる。
ハイドロカーボンとしては、シクロペンタン、ヘキサン、シクロヘキサン、ヘプタン等が挙げられる。
含フッ素アルコールとしては、CF3CF2CH2OH、CF3CH2OH、H(CF2)4CH2OH等が挙げられる。
他の貧溶媒(C1)としては、アセトン、アセトニトリル、1,2−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン等が挙げられる。
良溶媒(C2)としては、6個以上のフッ素原子を有するHFCが挙げられる。6個以上のフッ素原子を有するHFCとしては、C4F9C2H5、C6F13CH2CH3、C8F17C2H5、C6F13H、HC6F12H、HC4F8H、C6F14、C7F16、CF3CFHCFHCF2CF3、(CF3)2CFCFHCFHCF3等が挙げられ、入手の容易さの点から、C6F13HおよびCF3CFHCFHCF2CF3のいずれか一方または両方が好ましい。良溶媒(C2)は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
混合溶媒(BC)による含フッ素ポリマー(A)の膨潤度が70%未満では、含フッ素ポリマー(A)の溶液または分散液と溶媒(C)とを混合した際に、溶解性が極めて高い成分、すなわち粘着性が高い成分までもが析出し、含フッ素ポリマー(A)の粒子同士が固着して一つの大きな塊が生成しやすくなる。
混合溶媒(BC)による含フッ素ポリマー(A)の膨潤度が250%を超えると、含フッ素ポリマー(A)の溶液または分散液と溶媒(C)とを混合した際に、溶解性が比較的高い成分、すなわち含フッ素ポリマー(A)を凝集させやすい成分が析出しにくく、含フッ素ポリマー(A)の凝集が困難となり、微小な粒子が多量に生成する。
含フッ素ポリマー(A)が後述する含フッ素ポリマー(A1)の場合、溶媒(BC)による含フッ素ポリマー(A1)の膨潤度は、上述した理由から、70〜200%が特に好ましい。
含フッ素ポリマー(A)が後述する含フッ素ポリマー(A2)の場合、溶媒(BC)による含フッ素ポリマー(A2)の膨潤度は、上述した理由から、105〜250%が特に好ましい。
・2種以上の貧溶媒(C1)を用い、これらの混合割合によって溶媒(C)を調整する方法。
・貧溶媒(C1)と良溶媒(C2)を、各々1種以上混合し、混合割合によって溶媒(C)を調整する方法。
・含フッ素ポリマー(A)の溶液または分散液と混合する直前の溶媒(C)の温度によって溶媒(C)を調整する方法。
溶媒(C)の使用量(WC)と、溶媒(B)の使用量(WB)との質量比(WC/WB)が1未満では、凝集用溶媒の量が少なすぎて、工程(ii)にて含フッ素ポリマー(A)が凝集しにくくなる。WC/WBが5を超えると、含フッ素ポリマー(A)が短時間で急速に凝集するため、微小な粒子が生成しやすくなる。また、5を超えると、使用する溶媒(C)が多量となり、含フッ素ポリマー(A)に対する使用溶媒量としては、非効率的となり、工業的に難しくなる。
WC/WBは、1〜3が好ましく、1〜2がより好ましい。たとえば、含フッ素ポリマー(A)の膨潤度が小さくなるように溶媒(C)を調製することで溶媒(C)の使用量を少なくして、WC/WBを1に近づけることができる。
各溶媒による含フッ素ポリマー(A)の膨潤度は、各溶媒と含フッ素ポリマー(A)とのなじみやすさの目安となる。良溶媒中では、含フッ素ポリマー(A)は良溶媒によって膨潤または溶解した状態で安定して存在する。該状態に貧溶媒が加わると、含フッ素ポリマー(A)となじんでいた良溶媒が減少し、膨潤状態にあった含フッ素ポリマー(A)は収縮しつつ寄り集まって凝集し、または、溶解状態にあった含フッ素ポリマー(A)は析出しつつ寄り集まって凝集する。
本発明においては、含フッ素ポリマー(A)の凝集前後の膨潤度をコントロールすることによって、微小な粒子や大きな塊が少ない、ろ過等の固液分離に適した含フッ素ポリマー(A)の粒子を形成可能としている。
工程(ii)において、含フッ素ポリマー(A)の溶液または分散液と混合する直前の溶媒(C)の温度を−15〜30℃の範囲内とすることが好ましい。溶媒(C)の温度が−15℃以上であれば、工程(ii)において溶媒(C)を冷却するためのエネルギを節約できる。溶媒(C)の温度が30℃以下であれば、含フッ素ポリマー(A)が凝集しやすく、微小な粒子がさらに生成しにくい。
含フッ素ポリマー(A)の溶液または分散液と混合する直前の溶媒(C)の温度は、−10〜25℃が好ましく、−5〜25℃がより好ましい。
含フッ素ポリマー(A)の粒子を含む液をろ過し、含フッ素ポリマー(A)の粒子を分離、回収する。また、必要に応じて、ろ液から未反応モノマーを回収する。ろ過方法としては、加圧ろ過、減圧ろ過、常圧ろ過、遠心ろ過などの公知のろ過方法を用いればよい。
回収された含フッ素ポリマー(A)の粒子は、必要に応じて、貧溶媒(C1)を用いて洗浄される。
回収された含フッ素ポリマー(A)の粒子は、必要に応じて、温風乾燥、真空乾燥、吸引乾燥、赤外線乾燥、エアー(窒素)ブロー乾燥などの公知の乾燥方法にて乾燥される。
含フッ素ポリマー(A)は、テトラフルオロエチレンに由来する構成単位(u1)ならびにスルホン酸型官能基を有さず、環構造およびフッ素原子を有する構成単位(u2)のいずれか一方または両方と、スルホン酸型官能基を有する構成単位(u3)とを有し、構成単位(u1)の割合が、含フッ素ポリマー(A)中の全構成単位(100モル%)のうち、0〜82モル%である。
含フッ素ポリマー(A)は、必要に応じて、スルホン酸型官能基および環構造を有しない構成単位(u4)(ただし、構成単位(u1)を除く。)を有していてもよい。
含フッ素ポリマー(A)としては、具体的には、下記含フッ素ポリマー(A1)または下記含フッ素ポリマー(A2)が挙げられる。
含フッ素ポリマー(A1)は、含フッ素ポリマー(A)中の全構成単位(100モル%)のうち、構成単位(u1)の割合が、35〜82モル%(好ましくは40〜82モル%)であり、構成単位(u2)の割合が0モル%以上30モル%未満(好ましくは0〜25モル%)であり、構成単位(u3)の割合が18〜35モル%(好ましくは18〜30モル%)である。
構成単位(u2)の割合が30モル%未満であれば、構成単位(u1)および構成単位(u3)によって付与される特性を阻害しない。
構成単位(u3)の割合が18モル%以上であれば、イオン交換容量が高い含フッ素ポリマー(A)を得ることができる。構成単位(u3)の割合が35モル%以下であれば、構成単位(u1)によって付与される特性を阻害しない。
含フッ素ポリマー(A2)は、含フッ素ポリマー(A)中の全構成単位(100モル%)のうち、構成単位(u1)の割合が、0〜60モル%(好ましくは3〜60モル%)であり、構成単位(u2)の割合が20〜85モル%(好ましくは30〜85モル%)であり、構成単位(u3)の割合が10〜35モル%である。
構成単位(u2)の割合が20モル%以上であれば、含フッ素ポリマー(A)の耐熱性が良好になる。構成単位(u2)の割合が85モル%以下であれば、構成単位(u1)および構成単位(u3)によって付与される特性を阻害しない。
構成単位(u3)の割合が10モル%以上であれば、イオン交換容量が高い含フッ素ポリマー(A)を得ることができる。構成単位(u3)の割合が35モル%以下であれば、構成単位(u1)および構成単位(u3)によって付与される特性を阻害しない。
含フッ素ポリマー(A)としては、本発明の効果が発揮されやすい点から、スルホン酸型官能基が−SO2Fであるポリマー(F)が好ましい。
ポリマー(F1)またはポリマー(F2)における各構成単位の割合は、上述した含フッ素ポリマー(A1)または上述した含フッ素ポリマー(A2)における各構成単位の割合と同様である。
以下、含フッ素ポリマー(A)の好ましい態様であるポリマー(F)における各構成単位について説明する。
構成単位(u1)は、テトラフルオロエチレンに由来する構成単位である。
構成単位(u2)は、スルホン酸型官能基を有さず、環構造およびフッ素原子を有する構成単位である。
ポリマー(F)が構成単位(u2)を有することによって、ポリマー(F)および後述するポリマー(H)の耐熱性が良好になる。
環構造としては、含フッ素脂肪族環が好ましい。含フッ素脂肪族環を構成する炭素原子の一部が酸素原子に置換されていてもよい。含フッ素脂肪族環は、4〜7員環が好ましく、本発明の効果が充分に発揮される点から、5員環がより好ましい。
構成単位(u21)は、下式で表される単位である。
1価のペルフルオロ有機基としては、ペルフルオロアルキル基が好ましい。R15およびR16は、重合反応性が高い点から、少なくとも一方がフッ素原子であることが好ましく、両方がフッ素原子であることがより好ましい。
構成単位(u22)は、下式で表される単位である。
ペルフルオロアルキル基およびペルフルオロアルコキシ基は、直鎖状であってもよく、分岐状であってもよく、直鎖状であることが好ましい。
構成単位(u23)は、下式で表される単位である。
R36のペルフルオロアルキレン基がエーテル結合性酸素原子を有する場合、該酸素原子は、1個であってもよく、2個以上であってもよい。ペルフルオロアルキレン基は、直鎖状であってもよく、分岐状であってもよく、直鎖状であることが好ましい。
構成単位(u24)は、下式で表される単位である。
ペルフルオロアルキル基がエーテル性の酸素原子を有する場合、該酸素原子は、1個であってもよく、2個以上であってもよい。また、該酸素原子は、ペルフルオロアルキル基の炭素−炭素結合間に挿入されていてもよく、炭素原子結合末端に挿入されていてもよい。ペルフルオロアルキル基は、直鎖状であってもよく、分岐状であってもよく、直鎖状であることが好ましい。R41〜R44は、重合反応性が高い点から、フッ素原子であることがより好ましい。
構成単位(u21)〜(u24)以外の他の構成単位(u2)としては、後述する重合反応性を有する炭素−炭素二重結合を2個以上有し、かつ5員環を有するペルフルオロモノマー(モノマー(m25))に由来する構成単位(u25)が挙げられる。構成単位(u25)を有することにより、ポリマー(F)の分子量を上げることができる。
構成単位(u3)は、−SO2Fを有する構成単位である。
ポリマー(F)が−SO2Fを有することによって、後述するポリマー(H)にプロトン伝導性を付与できる。
構成単位(u3)は、−SO2Fを有し、環構造を有しない構成単位(u3a)と、−SO2Fおよび環構造を有する構成単位(u3b)とに大別される。
構成単位(u3a)は、−SO2Fを有し、環構造を有しない構成単位である。構成単位(u3a)としては、ポリマー(F)の化学的耐久性に優れる点から、炭素原子に結合する水素原子がすべてフッ素原子に置換されたものが好ましい。
構成単位(u3a)としては、後述する構成単位(u3a1)、構成単位(u3a2)、構成単位(u3a3)等が挙げられ、本発明の効果が充分に発揮される点から、構成単位(u3a2)が好ましい。
構成単位(u3a1)は、下式で表される単位である。
ペルフルオロアルキレン基は、直鎖状であってもよく、分岐状であってもよい。
ペルフルオロアルキレン基の炭素数は、1〜6が好ましく、1〜4がより好ましい。炭素数が6以下であれば、後述するポリマー(H)のイオン交換容量の低下が抑えられ、プロトン伝導性の低下が抑えられる。
Y1としては、フッ素原子またはトリフルオロメチル基が好ましい。
構成単位(u3a2)は、下式で表される単位である。
ペルフルオロアルキレン基は、直鎖状であってもよく、分岐状であってもよく、直鎖状であることが好ましい。
ペルフルオロアルキレン基の炭素数は、1〜6が好ましく、1〜4がより好ましい。炭素数が6以下であれば、原料の含フッ素モノマーの沸点が低くなり、蒸留精製が容易となる。また、炭素数が6以下であれば、後述するポリマー(H)のイオン交換容量の増加が抑えられ、プロトン伝導性の低下が抑えられる。
Q21、Q22の少なくとも一方は、エーテル性の酸素原子を有する炭素数1〜6のペルフルオロアルキレン基であることが好ましい。エーテル性の酸素原子を有する炭素数1〜6のペルフルオロアルキレン基を有する含フッ素モノマーは、フッ素ガスによるフッ素化反応を経ずに合成できるため、収率が良好で、製造が容易である。
Y2としては、フッ素原子、またはエーテル性の酸素原子を有していてもよい炭素数1〜6の直鎖のペルフルオロアルキル基が好ましい。
構成単位(u3b)は、−SO2Fおよび環構造を有する構成単位である。構成単位(u3b)としては、ポリマー(F)の化学的耐久性に優れる点から、炭素原子に結合する水素原子がすべてフッ素原子に置換されたものが好ましい。
環構造としては、含フッ素脂肪族環が好ましい。含フッ素脂肪族環を構成する炭素原子の一部が酸素原子に置換されていてもよい。含フッ素脂肪族環は、4〜7員環が好ましく、本発明の効果が充分に発揮される点から、5員環がより好ましい。
構成単位(u3b1)は、下式で表される単位である。
構成単位(u3b2)は、下式で表される単位である。
構成単位(u3b3)は、下式で表される単位である。
構成単位(u4)は、スルホン酸基および環構造を有しない構成単位(ただし、構成単位(u1)を除く。)である。構成単位(u4)としては、ポリマー(F)の化学的耐久性に優れる点から、炭素原子に結合する水素原子がすべてフッ素原子に置換されたものが好ましい。
構成単位(u4)としては、後述するモノマー(m1)〜(m3)以外のモノマー(m4)に由来する構成単位が挙げられる。
ポリマー(F)は、目的とするポリマー(F)が有する各構成単位に対応するモノマーを重合することによって得ることができる。
構成単位(u1)に対応するモノマーは、モノマー(m1)、すなわちテトラフルオロエチレンである。
構成単位(u21)に対応するモノマーは、モノマー(m21)である。
構成単位(u22)に対応するモノマーは、モノマー(m22)である。
構成単位(u23)に対応するモノマーは、モノマー(m23)である。
構成単位(u24)に対応するモノマーは、モノマー(m24)である。
構成単位(u25)に対応するモノマーは、モノマー(m25)である。
モノマー(m25)としてはモノマー(m25−1)〜(m25−6)が挙げられる。
構成単位(u3a1)に対応するモノマーは、モノマー(m3a1)である。
構成単位(u3a2)に対応するモノマーは、モノマー(m3a2)である。
構成単位(u3b1)に対応するモノマーは、モノマー(m3b1)である。
構成単位(u3b2)に対応するモノマーは、モノマー(m3b2)である。
構成単位(u3b3)に対応するモノマーは、モノマー(m3b3)である。
構成単位(u4)に対応するモノマーは、スルホン酸型官能基および環構造を有しないモノマー(m4)(ただし、テトラフルオロエチレンを除く。)である。
重合法としては、バルク重合法、溶液重合法、懸濁重合法、乳化重合法等の公知の重合法が挙げられる。また、液体または超臨界の二酸化炭素中にて重合を行ってもよい。
重合は、ラジカルが生起する条件で行われる。ラジカルを生起させる方法としては、紫外線、γ線、電子線等の放射線を照射する方法、ラジカル開始剤を添加する方法等が挙げられる。
ラジカル開始剤としては、ビス(フルオロアシル)パーオキシド類、ビス(クロロフルオロアシル)パーオキシド類、ジアルキルパーオキシジカーボネート類、ジアシルパーオキシド類、パーオキシエステル類、アゾ化合物類、過硫酸塩類等が挙げられる。不安定末端基が少ないポリマー(F)が得られる点から、ビス(フルオロアシル)パーオキシド類等のパーフルオロ化合物を用いてもよい。
溶液重合法においては、溶媒中にモノマー、ラジカル開始剤等を添加し、溶媒中にてラジカルを生起させてモノマーの重合を行う。モノマーの添加は、一括添加であってもよく、逐次添加であってもよく、連続添加であってもよい。
工程(iii)の後、必要に応じて、回収されたポリマー(F)とフッ素ガスとを接触させ、ポリマー(F)の不安定末端基をフッ素化してもよい。
(I)工程(iii)の後に乾燥して得られたポリマー(F)の粒子を熱プレスして厚さ100μmのフィルムを得た。該フィルムから、20mm×20mmのサンプルを切り出し、サンプルの質量(W1)を測定した。
(II)貧溶媒(B1)(AE3000)または良溶媒(B2)(C6F13H)と同一の模擬溶媒の50gに、サンプルを25℃、かつ密閉環境下で16時間浸漬させた。
(III)目開きが113μmのポリプロピレン製フィルタを用いてサンプルをろ取し、ろ液を80℃で6時間乾燥し、120℃で16時間真空乾燥し、サンプルの質量(W2)を測定した。
(IV)下式(1)から溶解度を求めた。
溶解度(%)=W2/W1×100 ・・・(1)
ポリマー(F)の溶液を東京スクリーン社製のSUS製200メッシュのフィルタに通し、該フィルタに残渣がなるか否かを確認した。
(I)工程(iii)の後に乾燥して得られたポリマー(F)の粒子を熱プレスして厚さ100μmのフィルムを得た。該フィルムから、20mm×20mmのサンプルを切り出し、サンプルの乾燥質量(WA1)を測定した。
(II)貧溶媒(B1)(AE3000)、貧溶媒(C1)(AE3000またはメタノール)または混合溶媒(BC)と同一の模擬溶媒の50gに、サンプルを、工程(ii)において含フッ素ポリマー(A)の溶液または分散液と混合する直前の溶媒(C)の温度、かつ密閉環境下で16時間浸漬させた。
(III)サンプルを模擬溶媒から取り出し、すばやく模擬溶媒を拭き取った後、サンプルの膨潤質量(WA2)を測定した。
(IV)下式(2)から膨潤度を求めた。
膨潤度(%)=(WA2−WA1)/WA1×100 ・・・(2)
工程(iii)において、問題なくろ過を行うことができるか否か、ろ過に問題がある場合は、どのような問題があるかを確認した。
TQ(単位:℃)は、ポリマー(F)の分子量および軟化温度の指標であり、長さ1mm、内径1mmのノズルを用い、2.94MPaの押出し圧力の条件でポリマー(F)の溶融押出しを行った際の押出し量が100mm3/秒となる温度である。
フローテスタCFT−500D(島津製作所社製)を用い、温度を変えてポリマー(F)の押出し量を測定し、押出し量が100mm3/秒となるTQを求めた。
240℃、−0.1MPaGで16時間真空熱処理したポリマー(F)の−SO2F基を加水分解し、ついで酸型化してスルホン酸基に変換し、スルホン酸基を有するポリマー(H)を得た。
0.35Nの水酸化ナトリウム溶液を用いて、60℃で40時間かけてポリマー(H)を中和し、0.1Nの塩酸で未反応の水酸化ナトリウムを滴定することで、イオン交換容量を求めた。
モノマーが3種類以上の場合は19F-NMRで組成を求め、イオン交換容量(AR)を算出した。
PSVE:モノマー(m3a1-1)、BSVE−2E:モノマー(m3a2-2)、PDD:モノマー(m22-1)、TFE:モノマー(m1)(テトラフルオロエチレン)。
AE3000:CF3CH2OCF2CF2H(アサヒクリン(旭硝子社登録商標)、
V601:2,2'−アゾビス(イソ酪酸ジメチル)(和光純薬工業社製V−601)、
PFB:ビス(ヘプタフルオロブチリル)ペルオキシド(日油社製、PFB)。
工程(i): 2575mLのステンレス製オートクレーブに、氷水で冷却しながら、−0.1MPaGの減圧下でPSVEの1959gを仕込み脱気した。溶媒としてC6F13Hの23.34gを仕込んだ。57℃に昇温した後、窒素ガスを0.109MPa導入した。圧力が変化しないことを確認した後、TFEを導入し、全圧を0.809MPa[gage]とした。C6F13Hに溶解したV601の3.23質量%溶液の5.95gを窒素ガスで加圧添加した後、C6F13Hの4gで添加ラインを洗浄した。温度と圧力を一定に保持しながら、TFEを連続的に供給した。重合開始から14時間後にオートクレーブを冷却して重合反応を停止し、系内のガスをパージしてポリマー(F−1)の溶液を得た。SUS製200メッシュのフィルタでろ過しても残渣は残らなかった。結果を表1に示す。
工程(i): 仕込み量、条件を表1に示すように変更した以外は、例1と同様にしてポリマー(F−2)の溶液を得た。ポリマー(F−2)の溶液を、C6F13Hの1400gおよびAE3000の600gで希釈した。結果を表1に示す。
工程(i): 仕込み量、条件を表1に示すように変更した以外は、例1と同様にしてポリマー(F−3)の溶液を得た。ポリマー(F−3)の溶液を、C6F13Hの800gで希釈した。結果を表1に示す。
工程(i): 仕込み量、条件を表1に示すように変更した以外は、例3と同様にしてポリマー(F−4)の溶液を得た。ポリマー(F−4)の溶液を、C6F13Hの800gで希釈した。結果を表1に示す。
工程(i): 例4のC6F13Hの800gで希釈して得たポリマー(F−4)溶液のうちの365gを採取して、C6F13Hの35gを追加して、ポリマー(F−4)の溶液の400gを得た。結果を表1に示す。
工程(i): 2575mLのステンレス製オートクレーブに、氷水で冷却しながら、−0.1MPaGの減圧下でBSVE−2Eの1053.6gを仕込み脱気し、その後PDDの311.3を仕込んだ。24℃に昇温した後、窒素ガスを0.1MPa導入した。圧力が変化しないことを確認した後、TFEの49.9gを仕込み、全圧を0.23MPa[gage]とした。C6F13Hに溶解したPFBの3.1質量%溶液の13.38gを窒素ガスで加圧添加した後、C6F13Hの4gで添加ラインを洗浄した。重合開始から24時間後にオートクレーブを冷却して重合反応を停止し、系内のガスをパージしてポリマー(F−6)の溶液を得た。ポリマー(F−6)の溶液を、C6F13Hの1600gで希釈した。SUS製200メッシュのフィルタでろ過しても残渣は残らなかった。結果を表1に示す。
工程(i): 仕込み量、条件を表1に示すように変更した以外は、例6と同様にしてポリマー(F−7)の溶液を得た。ポリマー(F−7)の溶液を、C6F13Hの1600gで希釈した。結果を表1に示す。
工程(i): 例7のC6F13Hの1600gで希釈して得たポリマー(F−7)の溶液のうち200gを採取した。結果を表1に示す。
工程(i): 21100mLのステンレス製オートクレーブを用いて、モノマー、仕込み量、条件を表1に示すように変更した以外は、例1と同様にしてポリマー(F−9)の溶液を得た。ポリマー(F−9)の溶液を、C6F13Hの9670gで希釈した。結果を表1に示す。
工程(i): 例7のC6F13Hの1600gで希釈して得たポリマー(F−7)の溶液のうち200gを採取した。結果を表1に示す。
なお、2014年12月25日に出願された日本特許出願2014−262599号の明細書、特許請求の範囲、図面、及び要約書の全内容をここに引用し、本発明の明細書の開示として、取り入れるものである。
Claims (17)
- テトラフルオロエチレンに由来する構成単位(u1)並びにスルホン酸型官能基を有さず、環構造およびフッ素原子を有する構成単位(u2)のいずれか一方または両方と、スルホン酸型官能基を有する構成単位(u3)とを有し、構成単位(u1)の割合が、含フッ素ポリマー(A)中の全構成単位(100モル%)のうち、0〜82モル%である含フッ素ポリマー(A)の粒子を製造する方法であって、
下記工程(i)および(ii)を有する、含フッ素ポリマー粒子の製造方法。
(i)前記含フッ素ポリマー(A)が溶媒(B)に溶解または分散した含フッ素ポリマー(A)の溶液または分散液を調製する工程であり、下記条件(i−1)および(i−2)を満足する。
(i−1)前記溶媒(B)が、前記含フッ素ポリマー(A)の溶解度が30%以上となる良溶媒(B2)を含む。
(i−2)前記含フッ素ポリマー(A)の溶液または分散液をステンレス鋼製200メッシュのフィルタに通しても該フィルタに残渣がない。
(ii)前記含フッ素ポリマー(A)の溶液または分散液と溶媒(C)とを混合して、前記含フッ素ポリマー(A)を凝集させ、含フッ素ポリマー(A)の粒子を形成する工程であり、下記条件(ii−1)〜(ii−3)を満足する。
(ii−1)前記溶媒(C)が、前記含フッ素ポリマー(A)の膨潤度が100%以下となる貧溶媒(C1)を含む。
(ii−2)前記溶媒(B)と前記溶媒(C)との混合溶媒(BC)による前記含フッ素ポリマー(A)の膨潤度が、70〜250%である。
(ii−3)前記溶媒(C)の質量(WC)と、前記溶媒(B)の質量(WB)との比(WC/WB)が、1〜5である。 - 前記溶媒(BC)による前記含フッ素ポリマー(A)の膨潤度が、80〜250%である、請求項1に記載の含フッ素ポリマー粒子の製造方法。
- 前記溶媒(BC)による前記含フッ素ポリマー(A)の膨潤度が、105〜250%である、請求項1に記載の含フッ素ポリマー粒子の製造方法。
- 前記良溶媒(B2)が、ハイドロフルオロカーボンである、請求項1〜3のいずれか一項に記載の含フッ素ポリマー粒子の製造方法。
- 前記良溶媒(B2)が、C6F13HおよびCF3CFHCFHCF2CF3のいずれか一方または両方である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の含フッ素ポリマー粒子の製造方法。
- 前記貧溶媒(C1)が、ハイドロフルオロエーテル、ハイドロフルオロカーボン、非フッ素系アルコール、ハイドロカーボンおよび含フッ素アルコールから選ばれる少なくとも1種以上である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の含フッ素ポリマー粒子の製造方法。
- 前記貧溶媒(C1)が、CF3CH2OCF2CF2H、CHF2CH2CF3、CF3CH2CF2CH3、メタノール、ヘキサン、CF3CF2CH2OH、CF3CH2OHおよびH(CF2)4CH2OHから選ばれる少なくとも1種以上である、請求項1〜6のいずれか一項に記載の含フッ素ポリマー粒子の製造方法。
- 前記貧溶媒(C1)が、ハイドロフルオロエーテル、ハイドロフルオロカーボン、非フッ素系アルコール、ハイドロカーボンおよび含フッ素アルコールから選ばれる少なくとも2種以上である、請求項1〜7のいずれか一項に記載の含フッ素ポリマー粒子の製造方法。
- 前記溶媒(BC)による前記含フッ素ポリマー(A)の膨潤度を、2種以上の貧溶媒(C1)の混合割合によって調整する、請求項1〜8のいずれか一項に記載の含フッ素ポリマー粒子の製造方法。
- 前記溶媒(BC)による前記含フッ素ポリマー(A)の膨潤度を、前記工程(ii)において含フッ素ポリマー(A)の溶液または分散液と混合する直前の前記溶媒(C)の温度によって調整する、請求項1〜9のいずれか一項に記載の含フッ素ポリマー粒子の製造方法。
- 前記工程(ii)において含フッ素ポリマー(A)の溶液または分散液と混合する直前の前記溶媒(C)の温度が、−15〜30℃の範囲内である、請求項1〜10のいずれか一項に記載の含フッ素ポリマー粒子の製造方法。
- 前記含フッ素ポリマー(A)中の全構成単位(100モル%)のうち、前記構成単位(u1)の割合が、35〜82モル%であり、前記構成単位(u2)の割合が0モル%以上30モル%未満であり、前記構成単位(u3)の割合が18〜35モル%である、請求項1〜11のいずれか一項に記載の含フッ素ポリマー粒子の製造方法。
- 前記溶媒(BC)による前記含フッ素ポリマー(A)の膨潤度が、70〜200%である、請求項12に記載の含フッ素ポリマー粒子の製造方法。
- 前記含フッ素ポリマー(A)中の全構成単位(100モル%)のうち、前記構成単位(u1)の割合が、0〜60モル%であり、前記構成単位(u2)の割合が20〜85モル%であり、前記構成単位(u3)の割合が10〜35モル%である、請求項1〜11のいずれか一項に記載の含フッ素ポリマー粒子の製造方法。
- 前記溶媒(BC)による前記含フッ素ポリマー(A)の膨潤度が105〜250%である、請求項14に記載の含フッ素ポリマー粒子の製造方法。
- 前記工程(i)および工程(iii)に続き、含フッ素ポリマー(A)を分離、回収する、請求項1〜15のいずれか1項に記載の含フッ素ポリマー粒子の製造方法。
- 含フッ素ポリマー(A)のスルホン酸型官能基をイオン交換基に変換したポリマーのイオン交換容量が0.9〜2.5ミリ当量/g乾燥樹脂である、請求項1〜16のいずれか1項に記載の含フッ素ポリマー粒子の製造方法。
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