JPWO2018066546A1 - ポリマー組成物 - Google Patents

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Abstract

本発明は、下記式(1)で表される構造を有する電子供与性ポリマー(D)、および下記式(2)で表される構造を有する電子求引性ポリマー(A)を含む組成物を提供する(下記式中の記号の定義は明細書に記載した通りである。)。

Description

本発明は、異なる2種以上のポリマーを含む組成物に関する。
電荷移動錯体を形成する材料は多く報告されている。例えば、非特許文献1には、テトラチアフルバレン・p−クロラニルおよびその誘導体を用いた電荷移動錯体が報告されている。一方、電荷移動錯体を形成する高分子材料は、例えば、非特許文献2および3には、ポリマーであるポリイミドと、低分子化合物であるジヒドロキシナフタレンとの電荷移動錯体が報告されている。
非特許文献1の電荷移動錯体は、その原料が低分子化合物であるため、該錯体を材料として利用する場合、安定性に問題がでる場合がある。非特許文献2および3の電荷移動錯体を材料として利用する場合、その原料の低分子化合物の漏れ出し、および材料の安定性に問題がでる場合がある。そこで、材料として利用できる、より安定な材料が望まれていた。
Phys. Rev. B 43 (1991) 8224 Polymer Journal (2013) 45, 839-844 JOURNAL OF POLYMER SCIENCE, PART A POLYMER CHEMISTRY 2014, 52, 2991-2997
異なる2種以上のポリマーを充分に混合させることは難しい。そのため、異なる2種以上のポリマーを含む組成物では、マイクロメートルオーダーでの相分離を抑制することは困難であった。このような相分離したポリマー組成物から得られる材料や膜では、充分な機能や強度が得られないことがあった。本発明はこのような事情に着目してなされたものであって、その目的は、マイクロメートルオーダーでの相分離が抑制された異なる2種以上のポリマーを含む組成物を提供することにある。
本発明者らが鋭意検討を重ねた結果、剛直な構造を有する電子供与性ポリマーと柔軟な構造を有する電子求引性ポリマーとの組成物、および柔軟な構造を有する電子供与性ポリマーと剛直な構造を有する電子求引性ポリマーとの組成物は、電子供与性ポリマーと電子求引性ポリマーとで電荷移動錯体を形成し得、その結果、マイクロメートルオーダーでの相分離を抑制し得ることを見出した。なお、異なる2種以上のポリマーの主鎖の間で電荷移動錯体を形成することは、これまで報告されていない。この知見に基づく本発明は、以下の通りである。
[1] 電子供与性ポリマー(D)および電子求引性ポリマー(A)を含む組成物であり、
電子供与性ポリマー(D)が、式(1):
[式中、Xは、ナフタレン環を含有する2価の基であり、
は、置換基を有していてもよいC3−10アルキレン基を含有する2価の基または置換基を有していてもよいベンゼン環を含有する2価の基であり、および
*は、結合位置を示す。]
で表される構造を有し、
電子求引性ポリマー(A)が、式(2):
[式中、Xは、ナフタレン環を含有する4価の基であり、
が置換基を有していてもよいC3−10アルキレン基を含有する2価の基である場合、Yは、置換基を有していてもよいベンゼン環を含有する2価の基であり、
が置換基を有していてもよいベンゼン環を含有する2価の基である場合、Yは、置換基を有していてもよいC3−10アルキレン基を含有する2価の基であり、および
*は、結合位置を示す。]
で表される構造を有する組成物。
[2] YおよびYの少なくとも一方が、スルホ基を有する前記[1]に記載の組成物。
[3] Yが、置換基を有していてもよいC3−10アルキレン基を含有する2価の基であり、およびYが、置換基を有していてもよいベンゼン環を含有する2価の基である前記[1]または[2]に記載の組成物。
[4] Xが、式(3)または式(4):
[式中、*は、結合位置を示す。]
で表される2価の基である前記[1]〜[3]のいずれか一つに記載の組成物。
[5] Xが、式(5)、式(6−1)または式(6−2):
[式中、*は、結合位置を示す。]
で表される4価の基である前記[1]〜[4]のいずれか一つに記載の組成物。
[6] YまたはYが、式(7):
[式中、Rは、水素原子またはスルホ基であり、および
*は、結合位置を示す。]
で表される構造を含有する2価の基である前記[1]〜[5]のいずれか一つに記載の組成物。
[7] YまたはYが、式(8)〜式(11):
[式中、n2〜n11は、それぞれ独立に、0〜4の整数であり、
〜R11は、それぞれ独立に、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−10アルキル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−10アルコキシ基、ヒドロキシ基、ハロゲン原子、ニトロ基、ホルミル基、シアノ基、スルホ基、Wで置換されていてもよいフェニル基、Wで置換されていてもよいチエニル基、またはWで置換されていてもよいフリル基であり、
は、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−10アルキル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−10アルコキシ基、ヒドロキシ基、ハロゲン原子、ニトロ基、ホルミル基、シアノ基またはスルホ基であり、
n2〜n11が2〜4の整数である場合、複数のR〜R11は、互いに、同じまたは異なるものでもよく、
〜Zは、それぞれ独立に、単結合、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−2アルキレン基、C3−10アルキレン基、スルホニル基、カルボニル基、*−CONH−*、*−NHCO−*、*−C(R21)(R22)−*、またはオキシ基であり、
21およびR22は、それぞれ独立に、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−3アルキル基であるか、またはR21およびR22は互いに結合して、それらが結合する炭素原子と共に、C3−6炭化水素環を形成する、および
*は、結合位置を示す。]
のいずれかで表される2価の基である前記[1]〜[6]のいずれか一つに記載の組成物。
[8] 電子供与性ポリマー(D)が、式(12)または式(13):
[式中、Lは、式(3)、式(4)または式(14):
{式中、m1およびm2は、それぞれ独立に、0〜4の整数であり、および
*は、結合位置を示す。}
で表される2価の基であり、
が式(3)または式(4)で表される2価の基である場合、R1aおよびR1bは、水素原子であり、
が式(14)で表される2価の基である場合、R1aおよびR1bは、それぞれ独立に、水素原子またはスルホ基であり、および
*は、結合位置を示す。]
で表される構成単位を有する電子供与性ポリマー(D1)を含む前記[1]〜[7]のいずれか一つに記載の組成物。
[9] 電子供与性ポリマー(D1)が、式(15):
[式中、*は、結合位置を示す。]
で表される構成単位を有する電子供与性ポリマー(D2)を含む前記[8]に記載の組成物。
[10] 電子供与性ポリマー(D1)が、式(16):
[式中、R1aおよびR1bは、それぞれ独立に、水素原子またはスルホ基であり、
m1およびm2は、それぞれ独立に、0〜4の整数であり、および
*は、結合位置を示す。]
で表される構成単位を有する電子供与性ポリマー(D3)を含む前記[8]に記載の組成物。
[11] R1aおよびR1bが水素原子である前記[8]または[10]に記載の組成物。
[12] m1およびm2が0である前記[8]、[10]または[11]に記載の組成物。
[13] 式(8)で表される2価の基が、式(8−1):
[式中、n2、Rおよび*は、前記の通りである。]
で表される2価の基であり、Z〜Zが、それぞれ独立に、単結合、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−2アルキレン基、C3−10アルキレン基、スルホニル基、カルボニル基、*−CONH−*、*−NHCO−*、またはオキシ基である前記[7]〜[12]のいずれか一つに記載の組成物。
[14] 電子求引性ポリマー(A)が、式(17a):
[式中、L2aは、式(8)〜式(11):
{式中、n2〜n11は、それぞれ独立に、0〜4の整数であり、
〜R11は、それぞれ独立に、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−10アルキル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−10アルコキシ基、ヒドロキシ基、ハロゲン原子、ニトロ基、ホルミル基、シアノ基、スルホ基、Wで置換されていてもよいフェニル基、Wで置換されていてもよいチエニル基、またはWで置換されていてもよいフリル基であり、
は、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−10アルキル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−10アルコキシ基、ヒドロキシ基、ハロゲン原子、ニトロ基、ホルミル基、シアノ基またはスルホ基であり、
n2〜n11が2〜4の整数である場合、複数のR〜R11は、互いに、同じまたは異なるものでもよく、
〜Zは、それぞれ独立に、単結合、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−2アルキレン基、C3−10アルキレン基、スルホニル基、カルボニル基、*−CONH−*、*−NHCO−*、*−C(R21)(R22)−*、またはオキシ基であり、
21およびR22は、それぞれ独立に、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−3アルキル基であるか、またはR21およびR22は互いに結合して、それらが結合する炭素原子と共に、C3−6炭化水素環を形成する、および
*は、結合位置を示す。}
のいずれかで表される2価の基であり、および
*は、結合位置を示す。]
で表される構成単位を有する電子求引性ポリマー(A1a)を含む前記[1]〜[13]のいずれか一つに記載の組成物。
[15] 電子求引性ポリマー(A1a)が、式(23):
[式中、m3およびm4は、それぞれ独立に、0〜3の整数であり、および
*は、結合位置を示す。]
で表される構成単位、および式(17b):
[式中、L2bは、式(8b)〜式(11b):
{式中、n2b〜n11bは、それぞれ独立に、0〜4の整数であり、
2b〜R11bは、それぞれ独立に、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−10アルキル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−10アルコキシ基、ヒドロキシ基、ハロゲン原子、ニトロ基、ホルミル基、シアノ基、W1bで置換されていてもよいフェニル基、W1bで置換されていてもよいチエニル基、またはW1bで置換されていてもよいフリル基であり、
1bは、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−10アルキル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−10アルコキシ基、ヒドロキシ基、ハロゲン原子、ニトロ基、ホルミル基、またはシアノ基であり、
n2b〜n11bが2〜4の整数である場合、複数のR2b〜R11bは、互いに、同じまたは異なるものでもよく、
1b〜Z6bは、それぞれ独立に、単結合、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−2アルキレン基、C3−10アルキレン基、スルホニル基、カルボニル基、*−CONH−*、*−NHCO−*、*−C(R21b)(R22b)−*、またはオキシ基であり、
21bおよびR22bは、それぞれ独立に、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−3アルキル基であるか、またはR21bおよびR22bは互いに結合して、それらが結合する炭素原子と共に、C3−6炭化水素環を形成する、および
*は、結合位置を示す。}
のいずれかで表される2価の基であり、および
*は、結合位置を示す。]
で表される構成単位を有する電子求引性ポリマー(A1b)を含む前記[14]に記載の組成物。
[16] 式(23)で表される構成単位の数と式(17b)で表される構成単位の数との比(式(23)で表される構成単位の数/式(17b)で表される構成単位の数)が、0.1/99.9〜99.9/0.1である前記[15]に記載の組成物。
[17] 電子求引性ポリマー(A)が、式(17):
[式中、Lは、式(18)〜式(22)、式(31)および式(32):
{式中、m3およびm4は、それぞれ独立に、0〜3の整数であり、
m5〜m7は、それぞれ独立に、1〜4の整数であり、
n12は、1〜4の整数であり、
12は、フッ素原子またはトリフルオロメチル基であり、n12が2〜4の整数である場合、複数のR12は、互いに、同じまたは異なるものでもよく、
n13〜n16は、それぞれ独立に、0〜4の整数であり、
13は、ニトロ基、スルホ基またはトリフルオロメチル基であり、n13が2〜4の整数である場合、複数のR13は、互いに、同じまたは異なるものでもよく、
14は、塩素原子またはスルホ基であり、n14が2〜4の整数である場合、複数のR14は、互いに、同じまたは異なるものでもよく、
15は、塩素原子またはスルホ基であり、n15が2〜4の整数である場合、複数のR15は、互いに、同じまたは異なるものでもよく、
16は、ニトロ基、スルホ基またはトリフルオロメチル基であり、n16が2〜4の整数である場合、複数のR16は、互いに、同じまたは異なるものでもよく、
n23およびn24は、それぞれ独立に、0〜4の整数であり、
23は、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−3アルキル基またはスルホ基であり、n23が2〜4の整数である場合、複数のR23は、互いに、同じまたは異なるものでもよく、
24は、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−3アルキル基またはスルホ基であり、n24が2〜4の整数である場合、複数のR24は、互いに、同じまたは異なるものでもよく、
n25およびn26は、それぞれ独立に、0〜4の整数であり、
25は、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−3アルキル基またはスルホ基であり、n25が2〜4の整数である場合、複数のR25は、互いに、同じまたは異なるものでもよく、
26は、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−3アルキル基またはスルホ基であり、n26が2〜4の整数である場合、複数のR26は、互いに、同じまたは異なるものでもよく、および
*は、結合位置を示す。}
のいずれかで表される2価の基であり、および
*は、結合位置を示す。]
で表される構成単位を有する電子求引性ポリマー(A1)を含む前記[1]〜[12]のいずれか一つに記載の組成物。
[18] Lが、式(18)〜式(22)のいずれかで表される2価の基である前記[17]に記載の組成物。
[19] 電子求引性ポリマー(A1)が、式(23):
[式中、m3およびm4は、それぞれ独立に、0〜3の整数であり、および
*は、結合位置を示す。]
で表される構成単位、および式(24):
[式中、
m5およびm6は、それぞれ独立に、1〜4の整数であり、および
*は、結合位置を示す。]
で表される構成単位を有する電子求引性ポリマー(A2)を含む前記[17]に記載の組成物。
[20] 式(23)で表される構成単位の数と式(24)で表される構成単位の数との比(式(23)で表される構成単位の数/式(24)で表される構成単位の数)が、0.1/99.9〜99.9/0.1である前記[19]に記載の組成物。
[21] 電子求引性ポリマー(A1)が、式(23):
[式中、m3およびm4は、それぞれ独立に、0〜3の整数であり、および
*は、結合位置を示す。]
で表される構成単位、および式(25):
[式中、m7は、1〜4の整数であり、および
*は、結合位置を示す。]
で表される構成単位を有する電子求引性ポリマー(A3)を含む前記[17]に記載の組成物。
[22] 式(23)で表される構成単位の数と式(25)で表される構成単位の数との比(式(23)で表される構成単位の数/式(25)で表される構成単位の数)が、0.1/99.9〜99.9/0.1である前記[21]に記載の組成物。
[23] 電子求引性ポリマー(A1)が、式(23):
[式中、m3およびm4は、それぞれ独立に、0〜3の整数であり、および
*は、結合位置を示す。]
で表される構成単位、および式(26):
[式中、n12は、1〜4の整数であり、
12は、フッ素原子またはトリフルオロメチル基であり、n12が2〜4の整数である場合、複数のR12は、互いに、同じまたは異なるものでもよく、および
*は、結合位置を示す。]
で表される構成単位を有する電子求引性ポリマー(A4)を含む前記[17]に記載の組成物。
[24] 式(23)で表される構成単位の数と式(26)で表される構成単位の数との比(式(23)で表される構成単位の数/式(26)で表される構成単位の数)が、0.1/99.9〜99.9/0.1である前記[23]に記載の組成物。
[25] 電子求引性ポリマー(A1)が、式(23):
[式中、m3およびm4は、それぞれ独立に、0〜3の整数であり、および
*は、結合位置を示す。]
で表される構成単位、および式(27):
[式中、n13〜n16は、それぞれ独立に、0〜4の整数であり、
13は、ニトロ基、スルホ基またはトリフルオロメチル基であり、n13が2〜4の整数である場合、複数のR13は、互いに、同じまたは異なるものでもよく、
14は、塩素原子またはスルホ基であり、n14が2〜4の整数である場合、複数のR14は、互いに、同じまたは異なるものでもよく、
15は、塩素原子またはスルホ基であり、n15が2〜4の整数である場合、複数のR15は、互いに、同じまたは異なるものでもよく、
16は、ニトロ基、スルホ基またはトリフルオロメチル基であり、n16が2〜4の整数である場合、複数のR16は、互いに、同じまたは異なるものでもよく、および
*は、結合位置を示す。]
で表される構成単位を有する電子求引性ポリマー(A5)を含む前記[17]に記載の組成物。
[26] 式(23)で表される構成単位の数と式(27)で表される構成単位の数との比(式(23)で表される構成単位の数/式(27)で表される構成単位の数)が、0.1/99.9〜99.9/0.1である前記[21]に記載の組成物。
[27] 電子求引性ポリマー(A1)が、式(23):
[式中、m3およびm4は、それぞれ独立に、0〜3の整数であり、および
*は、結合位置を示す。]
で表される構成単位、および式(33):
[式中、n23およびn24は、それぞれ独立に、0〜4の整数であり、
23は、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−3アルキル基またはスルホ基であり、n23が2〜4の整数である場合、複数のR23は、互いに、同じまたは異なるものでもよく、
24は、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−3アルキル基またはスルホ基であり、n24が2〜4の整数である場合、複数のR24は、互いに、同じまたは異なるものでもよく、および
*は、結合位置を示す。]
で表される構成単位を有する電子求引性ポリマー(A6)を含む前記[17]に記載の組成物。
[28] 式(23)で表される構成単位の数と式(33)で表される構成単位の数との比(式(23)で表される構成単位の数/式(33)で表される構成単位の数)が、0.1/99.9〜99.9/0.1である前記[27]に記載の組成物。
[29] 電子求引性ポリマー(A1)が、式(23):
[式中、m3およびm4は、それぞれ独立に、0〜3の整数であり、および
*は、結合位置を示す。]
で表される構成単位、および式(34):
[式中、n25およびn26は、それぞれ独立に、0〜4の整数であり、
25は、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−3アルキル基またはスルホ基であり、n25が2〜4の整数である場合、複数のR25は、互いに、同じまたは異なるものでもよく、
26は、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−3アルキル基またはスルホ基であり、n26が2〜4の整数である場合、複数のR26は、互いに、同じまたは異なるものでもよく、および
*は、結合位置を示す。]
で表される構成単位を有する電子求引性ポリマー(A7)を含む前記[17]に記載の組成物。
[30] 式(23)で表される構成単位の数と式(34)で表される構成単位の数との比(式(23)で表される構成単位の数/式(34)で表される構成単位の数)が、0.1/99.9〜99.9/0.1である前記[29]に記載の組成物。
[31] m5およびm6が4である前記[17]〜[20]のいずれか一つに記載の組成物。
[32] m7が4である前記[17]、[18]、[21]または[22]に記載の組成物。
[33] n12が1であり、およびR12がトリフルオロメチル基である前記[17]、[18]、[23]または[24]に記載の組成物。
[34] n13〜n16が0である前記[17]、[18]、[25]または[26]に記載の組成物。
[35] n23およびn24が0である前記[17]、[27]または[28]に記載の組成物。
[36] n25およびn26が0である前記[17]、[29]または[30]に記載の組成物。
[37] m3およびm4が0である前記[17]〜[36]のいずれか一つに記載の組成物。
[38] 電子供与性ポリマー(D)および電子求引性ポリマー(A)が、電荷移動錯体を形成している前記[1]〜[37]のいずれか一つに記載の組成物。
[39] 前記[1]〜[38]のいずれか一つに記載の組成物を含む燃料電池の電解質膜。
[40] 前記[1]〜[38]のいずれか一つに記載の組成物を含む燃料電池の触媒層。
[41] 電子求引性ポリマー(A1)が、式(23):
[式中、m3およびm4は、それぞれ独立に、0〜3の整数であり、および
*は、結合位置を示す。]
で表される構成単位からなる電子求引性ポリマー(A8)を含む前記[17]に記載の組成物。
[42] m3およびm4が0である前記[41]に記載の組成物。
[43] 電子供与性ポリマー(D)および電子求引性ポリマー(A)が、電荷移動錯体を形成している前記[41]または[42]に記載の組成物。
[44] 前記[41]〜[43]のいずれか一つに記載の組成物を含む燃料電池の電解質膜。
[45] 前記[41]〜[43]のいずれか一つに記載の組成物を含む燃料電池の触媒層。
本発明の組成物は、ポリマーの相分離が抑制される。その結果、本発明の組成物から得られる膜等は、その強度が向上することが期待される。
合成例3で得られた電子供与性ポリマー(D3a−1)のH NMRのチャートである。 合成例4で得られた電子求引性ポリマー(A2−1)のH NMRのチャートおよびピークに対応するプロトンの位置を示す化学式である。 合成例4で得られた電子求引性ポリマー(A2−1)の19F NMRのチャートである。 合成例6で得られた電子求引性ポリマー(A3−1)のH NMRのチャートおよびピークに対応するプロトンの位置を示す化学式である。 合成例6で得られた電子求引性ポリマー(A3−1)の19F NMRのチャートである。 合成例7で得られた電子求引性ポリマー(A4−1)のH NMRのチャートおよびピークに対応するプロトンの位置を示す化学式である。 合成例10で得られた電子供与性ポリマー(D4−2)のH NMRのチャートである。 合成例13で得られた電子供与性ポリマー(D3b−1)のH NMRのチャートである。 試験例1で測定された、電子求引性ポリマー(A2−1)の膜および組成物(I)の膜の紫外−可視分光法(UV−vis)による吸収スペクトルを示す図である。 試験例1で測定された、電子求引性ポリマー(A2−1)の膜および組成物(II)の膜の紫外−可視分光法(UV−vis)による吸収スペクトルを示す図である。 試験例1で測定された、電子求引性ポリマー(A2−1)の膜および組成物(III)〜(VI)の膜の紫外−可視分光法(UV−vis)による吸収スペクトルを示す図である。なお、各吸収スペクトルは、下から順に、電子求引性ポリマー(A2−1)の膜および組成物(III)〜(VI)の膜のスペクトルである。 試験例5で測定された、組成物(I)の膜のEDXによるフッ素の元素マッピングを示す図である。 試験例5で測定された、組成物(II)の膜のEDXによるフッ素の元素マッピングを示す図である。 試験例1で測定された、電子求引性ポリマー(A6−1)の膜および組成物(IX)の膜の紫外−可視分光法(UV−vis)による吸収スペクトルを示す図である。 試験例1で測定された、電子求引性ポリマー(A7−1)の膜および組成物(X)の膜の紫外−可視分光法(UV−vis)による吸収スペクトルを示す図である。 熱処理していないポリマーまたは組成物の膜の(A2−1)のモル分率および熱処理ポリマーまたは熱処理組成物の膜の(A2−1)のモル分率と、試験例12で測定された吸収スペクトルの530nmでの標準化した吸光度との関係を示すグラフである。
本発明の組成物は、下記式(1)で表される構造を有する電子供与性ポリマー(D)、および下記式(2)で表される構造を有する電子求引性ポリマー(A)を含むことを特徴とする。電子供与性ポリマー(D)は、1種のみを使用してもよく、2種以上を併用してもよい。同様に、電子求引性ポリマー(A)は、1種のみを使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
以下では「(1)で表される構造」を「構造(1)」と略称することがある。他の式で表される構造、構成単位および基も同様に略称することがある。また、式中の*は、結合位置を示す。他の式に記載の*も、同様に、結合位置を示す。電子供与性ポリマー(D)中において構造(1)、XおよびYは、いずれも、1種のみでもよく、2種以上でもよい。電子求引性ポリマー(A)中において構造(2)、XおよびYは、いずれも、1種のみでもよく、2種以上でもよい。
ここで、「電子供与性」とは、他の分子またはイオンに電子を容易に与え得る分子またはイオンの性質を意味する。構造(1)を有する電子供与性ポリマー(D)は、−O−X−O−の部分が電子供与性を有する部分である。
耐久性の観点から、Yは、式(1)に記載の酸素原子と結合する部分として、好ましくは、*−CQ−*(式中、QおよびQは、それぞれ独立に、水素原子、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−10アルキル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−10アルコキシ基、ハロゲン原子、またはスルホ基であり、および*は、結合位置を示す。)で表される2価の基、または式(1−1):
[式中、p1は、0〜4の整数であり、
は、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−10アルキル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−10アルコキシ基、ヒドロキシ基、ハロゲン原子、ニトロ基、ホルミル基、シアノ基、スルホ基、Wで置換されていてもよいフェニル基、Wで置換されていてもよいチエニル基、またはWで置換されていてもよいフリル基であり、
は、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−10アルキル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−10アルコキシ基、ヒドロキシ基、ハロゲン原子、ニトロ基、ホルミル基、シアノ基またはスルホ基であり、
p1が2〜4の整数である場合、複数のJは、互いに、同じまたは異なるものでもよく、および
*は、結合位置を示す。]
で表される2価の基を含む。なお、ハロゲン原子、C1−10アルキル基等の説明は後述する。
また、「電子求引性」とは、他の分子またはイオンから電子を容易に受け取り得る分子またはイオンの性質を意味する。構造(2)を有する電子求引性ポリマー(A)は、イミド構造部分が電子受容性を有する部分である。
耐久性の観点から、Yは、式(2)に記載の窒素原子と結合する部分として、*−CQ−*(式中、QおよびQは、それぞれ独立に、水素原子、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−10アルキル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−10アルコキシ基、ハロゲン原子、またはスルホ基であり、および*は、結合位置を示す。)で表される2価の基、または式(2−1):
[式中、p2は、0〜4の整数であり、
は、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−10アルキル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−10アルコキシ基、ヒドロキシ基、ハロゲン原子、ニトロ基、ホルミル基、シアノ基、スルホ基、Wで置換されていてもよいフェニル基、Wで置換されていてもよいチエニル基、またはWで置換されていてもよいフリル基であり、
は、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−10アルキル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−10アルコキシ基、ヒドロキシ基、ハロゲン原子、ニトロ基、ホルミル基、シアノ基またはスルホ基であり、
p2が2〜4の整数である場合、複数のJは、互いに、同じまたは異なるものでもよく、および
*は、結合位置を示す。]
で表される2価の基を含む。なお、ハロゲン原子、C1−10アルキル基等の説明は後述する。
式(1)中のYが、置換基を有していてもよいC3−10アルキレン基を含有する2価の基であり、電子供与性ポリマー(D)が柔軟な構造を有する場合、式(2)中のYは、置換基を有していてもよいベンゼン環を含有する2価の基であり、電子求引性ポリマー(A)は剛直な構造を有する。このように柔軟な電子供与性ポリマー(D)と剛直な電子求引性ポリマー(A)とを組み合わせることによって、これらポリマー間で電荷移動錯体を形成し得る。
逆に、式(1)中のYが、置換基を有していてもよいベンゼン環を含有する2価の基であり、電子供与性ポリマー(D)が剛直な構造を有する場合、式(2)中のYは、置換基を有していてもよいC3−10アルキレン基を含有する2価の基であり、電子求引性ポリマー(A)は柔軟な構造を有する。このように剛直な電子供与性ポリマー(D)と柔軟な電子求引性ポリマー(A)とを組み合わせることによっても、これらポリマー間で電荷移動錯体を形成し得る。
ここで、「電荷移動錯体」とは、電荷移動力によって2種の中性分子の間にできる分子間化合物を意味する。本発明の組成物中の電子供与性ポリマー(D)および電子求引性ポリマー(A)が電荷移動錯体を形成していることは、Nature, 375(6529), 303-305 (1995) および Polym. J. (2013), 45, 839-844に記載のように、組成物のUV−vis吸収スペクトルが530nm付近のピークまたはショルダーを有することで確認することができる。
電子求引性ポリマー(A)および電子供与性ポリマー(D)を含む本発明の組成物から製造される膜は、プロトン伝導性を維持しながら、その機械強度を向上させることができる。そのため本発明の組成物は、燃料電池用の電解質材料として有用である。また、この膜は、その製造が簡単であり、物性の調整が容易であるという利点を有する。そのため、本発明の組成物は、燃料電池の低価格化および高耐久化に貢献し得る。また、本発明の組成物から、難水溶性である膜を製造し得る。
また、本発明の組成物は、2種以上の異なるポリマー(即ち、電子求引性ポリマー(A)および電子供与性ポリマー(D))を含む。そのため、十分なプロトン伝導性を持たせたポリマーと、機械的に柔軟な別のポリマーとを混合して製造し得る本発明の組成物は、より性能の高い燃料電池用の電解質材料として期待できる。電解質材料としては、例えば、触媒層に用いる電解質材料、電解質膜等が挙げられる。
構造(2)のようなイミド構造を有するポリマーは、合成後、その化学的安定性のために、その物性を化学反応等で改良することは通常困難である。これに対して、本発明の組成物は、構造(2)を有する電子求引性ポリマー(A)に加えて、これと異なる電子供与性ポリマー(D)を含む。そのため、使用する電子供与性ポリマー(D)の種類および量等を調整することによって、本発明の組成物から得られる膜の物性を調整することが可能である。さらに特筆すべきは、本発明の組成物から膜を容易に製造することができる。
次に、式(1)等に含まれるX等について順に説明する。
式(1)中のXは、ナフタレン環を含有する2価の基である。Xは、好ましくは下記の式(3)または式(4):
で表される2価の基であり、より好ましくは2価の基(3)である。
式(2)中のXは、ナフタレン環を含有する4価の基である。Xは、好ましくは下記の式(5)、式(6−1)または式(6−2):
で表される4価の基であり、より好ましくは4価の基(5)である。
は、置換基を有していてもよいC3−10アルキレン基を含有する2価の基または置換基を有していてもよいベンゼン環を含有する2価の基である。Yが置換基を有していてもよいC3−10アルキレン基を含有する2価の基である場合、Yは、置換基を有していてもよいベンゼン環を含有する2価の基である。また、Yが置換基を有していてもよいベンゼン環を含有する2価の基である場合、Yは、置換基を有していてもよいC3−10アルキレン基を含有する2価の基である。
前記電子供与性ポリマー(D)および前記電子求引性ポリマー(A)の少なくとも一方にプロトン伝導性を付与するために、YおよびYの少なくとも一方が、スルホ基を有することが好ましい。
上述したようにYまたはYのいずれかは、置換基を有していてもよいC3−10アルキレン基を含有する2価の基である。
本明細書中、C1−2アルキレン基とは、メチレン基またはエチレン基である。
本明細書中、C3−10アルキレン基としては、例えば、トリメチレン基、1−メチルエチレン基、テトラメチレン基、1−メチルトリメチレン基、1,1−ジメチルエチレン基、ペンタメチレン基、1−メチルテトラメチレン基、2−メチルテトラメチレン基、1,1−ジメチルトリメチレン基、1,2−ジメチルトリメチレン基、2,2−ジメチルトリメチレン基、1−エチルトリメチレン基、ヘキサメチレン基、1−メチルペンタメチレン基、2−メチルペンタメチレン基、3−メチルペンタメチレン基、1,1−ジメチルテトラメチレン基、1,2−ジメチルテトラメチレン基、2,2−ジメチルテトラメチレン基、1−エチルテトラメチレン基、1,1,2−トリメチルトリメチレン基、1,2,2−トリメチルトリメチレン基、1−エチル−1−メチルトリメチレン基、1−エチル−2−メチルトリメチレン基が挙げられる。
またはYのいずれかは、好ましくは式(7):
で表される構造を含有する2価の基である。式(7)中のRは、水素原子またはスルホ基であり、好ましくは水素原子である。
上述したようにYまたはYのいずれかは、置換基を有していてもよいベンゼン環を含有する2価の基である。YまたはYのいずれかは、好ましくは式(8)〜式(11):
のいずれかで表される2価の基(即ち、2価の基(8)〜2価の基(11)のいずれか)である。なお、上述したように、YおよびYは、いずれも、1種のみでもよく、2種以上でもよい。
n2〜n11は、それぞれ独立に、0〜4の整数である。ここでn2が0であるとは、置換基Rが存在しないことを意味する。また、n2が2〜4の整数である場合、複数のRは、互いに、同じまたは異なるものでもよい。上述のp1およびp2、n3〜n11、並びに後述のn12等でも同様である。
〜R11は、それぞれ独立に、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−10アルキル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−10アルコキシ基、ヒドロキシ基、ハロゲン原子、ニトロ基、ホルミル基、シアノ基、スルホ基、Wで置換されていてもよいフェニル基、Wで置換されていてもよいチエニル基、またはWで置換されていてもよいフリル基である。
本明細書中、C1−10アルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、ペンチル基、イソペンチル基、ネオペンチル基、tert−ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基、デシル基が挙げられる。
本明細書中、C1−10アルコキシ基としては、例えば、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、イソプロポキシ基、ブトキシ基、イソブトキシ基、sec−ブトキシ基、tert−ブトキシ基、ペンチルオキシ基、イソペンチルオキシ基、ネオペンチルオキシ基、tert−ペンチルオキシ基、ヘキシルオキシ基、ヘプチルオキシ基、オクチルオキシ基、ノニルオキシ基、デシルオキシ基が挙げられる。
本明細書中、ハロゲン原子としては、例えば、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素が挙げられる。
は、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−10アルキル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−10アルコキシ基、ヒドロキシ基、ハロゲン原子、ニトロ基、ホルミル基、シアノ基またはスルホ基である。
〜Zは、それぞれ独立に、単結合、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−2アルキレン基、C3−10アルキレン基、スルホニル基、カルボニル基、*−CONH−*、*−NHCO−*、*−C(R21)(R22)−*、またはオキシ基である。
21およびR22は、それぞれ独立に、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−3アルキル基であるか、またはR21およびR22は互いに結合して、それらが結合する炭素原子と共に、C3−6炭化水素環を形成する。
本明細書中、C1−3アルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基が挙げられる。
本明細書中、C3−6炭化水素環としては、例えば、シクロプロパン環、シクロブタン環、シクロペンタン環、シクロヘキサン環が挙げられる。
2価の基(8)は、好ましくは下記式(8−1)で表される2価の基である(下記式中、n2、Rおよび*は、前記の通りである。):
〜Zは、それぞれ独立に、好ましくは単結合、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−2アルキレン基、C3−10アルキレン基、スルホニル基、カルボニル基、*−CONH−*、*−NHCO−*、またはオキシ基である。
が、置換基を有していてもよいC3−10アルキレン基を含有する2価の基であり、およびYが、置換基を有していてもよいベンゼン環を含有する2価の基であることが好ましく、Yが、構造(7)を含有する2価の基であり、およびYが、2価の基(8)〜2価の基(11)のいずれかであることがより好ましく、Yが、Rが水素原子である構造(7)を含有する2価の基であり、およびYが、2価の基(8)〜2価の基(11)のいずれかであることがさらに好ましい。なお、上述したように、YおよびYは、いずれも、1種のみでもよく、2種以上でもよい。
前記電子供与性ポリマー(D)の重量平均分子量(Mw)は、好ましくは5,000〜800,000、より好ましくは8,000〜500,000、さらに好ましくは10,000〜100,000である。このMwは、後述の実施例に記載するように、ポリスチレンを標準とするゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)によって測定することができる。他のポリマーのMwも同様に測定することができる。
前記電子求引性ポリマー(A)の重量平均分子量(Mw)は、好ましくは5,000〜1,000,000、より好ましくは8,000〜900,000、さらに好ましくは10,000〜150,000である。
本発明の組成物中の電子供与性ポリマー(D)の量は、電子求引性ポリマー(A)100重量部に対して、好ましくは1〜10,000重量部、より好ましくは10〜1,500重量部、さらに好ましくは20〜900重量部、最も好ましくは50〜500重量部である。
前記電子供与性ポリマー(D)は、出発原料として市販品を使用する公知の反応によって合成することができる。市販品は、例えば、東京化成工業社、和光純薬工業社等から入手できる。また、市販品に公知の反応で置換基を導入した化合物を、出発原料として用いてもよい。
電子供与性ポリマー(D)の出発原料であるエポキシ基を有する2価の化合物の合成について説明する。例えば、電子供与性ポリマー(D)の出発原料として使用し得る2,6−ビス(オキシラン−2−イルメトキシ)ナフタレンは、Journal of Organic Chemistry, 81(16), 7139-7147; 2016に記載の方法に準じて合成できる。また、ヒドロキシ基の位置が異なる2,7−ビス(オキシラン−2−イルメトキシ)ナフタレンの合成は、Applied Surface Science, 256(8), 2462-2467; 2010に記載がある。
電子供与性ポリマー(D)の出発原料として使用し得る1,5−ジヒドロキシナフタレン、2,6−ジヒドロキシナフタレン、4,4’−ジヒドロキシジフェニルスルホンは、例えば、東京化成工業社、和光純薬工業社等から入手できる。
前記電子供与性ポリマー(D)は、好ましくは式(12)または式(13):
で表される構成単位を有する電子供与性ポリマー(D1)を含み、より好ましくは電子供与性ポリマー(D1)からなる。電子供与性ポリマー(D1)は、1種のみを使用してもよく、2種以上を併用してもよい。また、電子供与性ポリマー(D1)中の構成単位(12)および構成単位(13)は、いずれも、1種のみでもよく、2種以上でもよい。
式(12)または式(13)中のLは、式(3)、式(4)または式(14):
で表される2価の基であり、好ましくは2価の基(3)または2価の基(14)である。
式(14)中のm1およびm2は、それぞれ独立に、0〜4の整数であり、好ましくは0である。
が2価の基(3)または2価の基(4)である場合、式(12)または式(13)中のR1aおよびR1bは、水素原子である。
が2価の基(14)である場合、R1aおよびR1bは、それぞれ独立に、水素原子またはスルホ基であり、好ましくは水素原子である。
電子供与性ポリマー(D1)の重量平均分子量(Mw)は、好ましくは5,000〜800,000、より好ましくは8,000〜500,000、さらに好ましくは10,000〜100,000である。
本発明の一態様において電子供与性ポリマー(D1)は、好ましくは式(15):
で表される構成単位を有する電子供与性ポリマー(D2)を含み、より好ましくは電子供与性ポリマー(D2)からなる。
電子供与性ポリマー(D2)の重量平均分子量(Mw)は、好ましくは5,000〜800,000、より好ましくは8,000〜500,000、さらに好ましくは10,000〜100,000である。
本発明の一態様において電子供与性ポリマー(D1)は、好ましくは式(16):
で表される構成単位を有する電子供与性ポリマー(D3)を含み、より好ましくは電子供与性ポリマー(D3)からなる。電子供与性ポリマー(D3)中の構成単位(16)は、1種のみでもよく、2種以上でもよい。
式(16)中のR1aおよびR1bは、それぞれ独立に、水素原子またはスルホ基であり、好ましくは水素原子である。
式(16)中のm1およびm2は、それぞれ独立に、0〜4の整数であり、好ましくは0である。
電子供与性ポリマー(D3)は、好ましくは式(16a):
で表される構成単位を有する電子供与性ポリマー(D3a)、または式(16b):
で表される構成単位を有する電子供与性ポリマー(D3b)であり、より好ましくは電子供与性ポリマー(D3a)である。
電子供与性ポリマー(D3)(好ましくは電子供与性ポリマー(D3a))の重量平均分子量(Mw)は、好ましくは5,000〜800,000、より好ましくは8,000〜500,000、さらに好ましくは10,000〜100,000である。
電子供与性ポリマー(D1)は、出発原料として市販品を使用する公知の反応によって合成することができる。市販品は、例えば、東京化成工業社、和光純薬工業社等から入手できる。例えば、後述の実施例に記載するような、エポキシ基を有する2価の化合物(例えば、2,6−ビス(オキシラン−2−イルメトキシ)ナフタレン)と、ヒドロキシ基を有する2価の化合物(例えば、2,6−ジヒドロキシナフタレン、4,4’−ジヒドロキシジフェニルスルホン)との反応によって、R1aおよびR1bが水素原子である電子供与性ポリマー(D1a)を製造することができる。また、市販品に公知の反応で置換基を導入した化合物を、出発原料として用いてもよい。
前記反応におけるエポキシ基を有する2価の化合物の量は、ヒドロキシ基を有する2価の化合物1molに対して、好ましくは0.8〜1.2mol、より好ましくは0.9〜1.1molである。
前記反応は、通常、溶媒中で行われる。溶媒としては、ケトン系溶媒が挙げられ、例えば、シクロヘキサノン、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、ジイソブチルケトン等が挙げられる。好ましくは、シクロヘキサノン、アセトンが挙げられる。溶媒の量は、エポキシ基を有する2価の化合物1molに対して、好ましくは0.5〜50L、より好ましくは1〜10Lである。
前記反応には、触媒を使用してもよい。触媒としては、例えば、ホスフィン類、イミダゾール類が挙げられる。ホスフィン類としては、例えば、トリフェニルホスフィン、トリス(2,6−ジメトキシフェニル)ホスフィン等が挙げられる。イミダゾール類としては、例えば、2−メチルイミダゾール等が挙げられる。これらの中で、トリス(2,6−ジメトキシフェニル)ホスフィンが好ましい。触媒を使用する場合、その量は、エポキシ基を有する2価の化合物1molに対して、好ましくは0.0001〜0.1mmol、より好ましくは0.001〜0.015mmolである。
前記反応の反応温度は、好ましくは50〜200℃、より好ましくは100〜180℃である。反応温度が、溶媒沸点よりも高い場合は、封管にて反応を実施してもよい。反応時間は、好ましくは20〜200時間、より好ましくは30〜100時間である。
前記反応後、沈殿、ろ取および乾燥等の公知の手段によって、R1aおよびR1bが水素原子である電子供与性ポリマー(D1a)を得ることができる。
1aおよびR1bがスルホ基である電子供与性ポリマー(D1b)は、例えば、Tetrahedron Vol.51, No.4, pp.1177-1186, 1995に記載の方法に準じて、R1aおよびR1bが水素原子である電子供与性ポリマー(D1a)とピリジン−三酸化硫黄コンプレックスとを反応させることで、合成することができる。
ピリジン−三酸化硫黄コンプレックスは、例えば、東京化成工業社から市販されている。ピリジン−三酸化硫黄コンプレックスの量は、電子供与性ポリマー(D1a)中のヒドロキシ基1molに対して、好ましくは1〜10mol、より好ましくは1.5〜5molである。
前記反応は、通常、溶媒中で行われる。溶媒としては、反応の進行を阻害しないものであれば特に制限はないが、例えば、クロロホルム、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、ジエチルエーテル、1,2−ジメトキシエタン、N,N−ジメチルホルムアミド、テトラヒドロフラン、1,4−ジオキサンが挙げられる。
前記反応の反応温度は、好ましくは−30℃〜80℃、より好ましくは−10℃〜50℃であり、反応時間は、好ましくは1〜24時間、より好ましくは6〜18時間である。
前記反応後、沈殿、ろ取および乾燥等の公知の手段によって、R1aおよびR1bが、スルホ基である電子供与性ポリマー(D1b)を得ることができる。
前記電子求引性ポリマー(A)は、出発原料として市販品を使用する公知の反応によって合成することができる。市販品は、例えば、東京化成工業社、和光純薬工業社等から入手できる。公知の反応としては、例えば、後述の実施例に記載するような、テトラカルボン酸二無水物とジアミンとの反応が挙げられる。また、市販品に公知の反応で置換基を導入した化合物を、出発原料として用いてもよい。
本発明の一態様において、前記電子求引性ポリマー(A)は、好ましくは式(17a):
のいずれかで表される構成単位を有する電子求引性ポリマー(A1a)を含み、より好ましくは電子求引性ポリマー(A1a)からなる。電子求引性ポリマー(A1a)は、1種のみを使用してもよく、2種以上を併用してもよい。また、電子求引性ポリマー(A1a)中の構成単位(17a)は、1種のみでもよく、2種以上でもよい。電子求引性ポリマー(A1a)中の構成単位(17a)は、好ましくは2種である。
式(17)中のL2aは、前記式(8)〜式(11)で表される2価の基である(式(8)〜式(11)中の基および記号は、前記の通りである。)。
電子求引性ポリマー(A1a)の重量平均分子量(Mw)は、好ましくは5,000〜1,000,000、より好ましくは8,000〜900,000、さらに好ましくは10,000〜150,000である。
本発明の一態様において電子求引性ポリマー(A1a)は、好ましくは式(23):
で表される構成単位、および式(17b):
で表される構成単位を有する電子求引性ポリマー(A1b)を含み、より好ましくは電子求引性ポリマー(A1b)からなる。電子求引性ポリマー(A1b)は、1種のみを使用してもよく、2種以上を併用してもよい。また、電子求引性ポリマー(A1b)中の構成単位(23)および構成単位(17b)は、いずれも、1種のみでもよく、2種以上でもよい。電子求引性ポリマー(A1b)中の構成単位(23)は、好ましくは1種である。電子求引性ポリマー(A1b)中の構成単位(17b)は、好ましくは1種である。
式(17b)中のL2bは、式(8b)〜式(11b):
で表される2価の基である。
n2b〜n11bは、それぞれ独立に、0〜4の整数である。n2b〜n11bが2〜4の整数である場合、複数のR2b〜R11bは、互いに、同じまたは異なるものでもよい。
2b〜R11bは、それぞれ独立に、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−10アルキル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−10アルコキシ基、ヒドロキシ基、ハロゲン原子、ニトロ基、ホルミル基、シアノ基、W1bで置換されていてもよいフェニル基、W1bで置換されていてもよいチエニル基、またはW1bで置換されていてもよいフリル基である。
1bは、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−10アルキル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−10アルコキシ基、ヒドロキシ基、ハロゲン原子、ニトロ基、ホルミル基、またはシアノ基である。
1b〜Z6bは、それぞれ独立に、単結合、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−2アルキレン基、C3−10アルキレン基、スルホニル基、カルボニル基、*−CONH−*、*−NHCO−*、*−C(R21b)(R22b)−*、またはオキシ基である。
21bおよびR22bは、それぞれ独立に、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−3アルキル基であるか、またはR21bおよびR22bは互いに結合して、それらが結合する炭素原子と共に、C3−6炭化水素環を形成する。
ここで、2価の基(8b)〜2価の基(11b)は、スルホ基を有さないこと以外、上述した2価の基(8)〜2価の基(11)と同じである。
式(23)におけるm3およびm4の説明は、式(18)における説明と同じである。構成単位(23)は、好ましくは式(23a):
で表される構成単位である。
構成単位(23)(好ましくは構成単位(23a))の数と構成単位(17b)の数との比(構成単位(23)の数/構成単位(17b)の数)は、好ましくは0.1/99.9〜99.9/0.1、より好ましくは1/99〜99/1、さらに好ましくは30/70〜95/5である。
電子求引性ポリマー(A1b)の重量平均分子量(Mw)は、好ましくは5,000〜1,000,000、より好ましくは8,000〜900,000、さらに好ましくは10,000〜150,000である。
本発明の一態様において、前記電子求引性ポリマー(A)は、好ましくは式(17):
のいずれかで表される構成単位を有する電子求引性ポリマー(A1)を含み、より好ましくは電子求引性ポリマー(A1)からなる。電子求引性ポリマー(A1)は、1種のみを使用してもよく、2種以上を併用してもよい。また、電子求引性ポリマー(A1)中の構成単位(17)は、1種のみでもよく、2種以上でもよい。電子求引性ポリマー(A1)中の構成単位(17)は、好ましくは2種である。
式(17)中のLは、式(18)〜式(22)、式(31)および式(32):
のいずれかで表される2価の基である。電子求引性ポリマー(A1)中のLは、1種のみでもよく、2種以上でもよい。Lは、好ましくは2価の基(18)〜2価の基(22)のいずれかである。
式(18)中のm3およびm4は、それぞれ独立に、0〜3の整数であり、好ましくは0である。
式(19)および式(20)中のm5〜m7は、それぞれ独立に、1〜4の整数であり、好ましくは4である。
式(21)中のn12は、1〜4の整数であり、好ましくは1である。
式(21)中のR12は、フッ素原子またはトリフルオロメチル基であり、n12が2〜4の整数である場合、複数のR12は、互いに、同じまたは異なるものでもよい。R12は、好ましくはフッ素原子である。
式(22)中のn13〜n16は、それぞれ独立に、0〜4の整数であり、好ましくは0である。
式(22)中のR13は、ニトロ基、スルホ基またはトリフルオロメチル基であり、n13が2〜4の整数である場合、複数のR13は、互いに、同じまたは異なるものでもよい。
式(22)中のR14は、塩素原子またはスルホ基であり、n14が2〜4の整数である場合、複数のR14は、互いに、同じまたは異なるものでもよい。
式(22)中のR15は、塩素原子またはスルホ基であり、n15が2〜4の整数である場合、複数のR15は、互いに、同じまたは異なるものでもよい。
式(22)中のR16は、ニトロ基、スルホ基またはトリフルオロメチル基であり、n16が2〜4の整数である場合、複数のR16は、互いに、同じまたは異なるものでもよい。
式(31)中のn23およびn24は、それぞれ独立に、0〜4の整数であり、好ましくは0または1であり、より好ましくは0である。
式(31)中のR23は、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−3アルキル基またはスルホ基であり、n23が2〜4の整数である場合、複数のR23は、互いに、同じまたは異なるものでもよい。R23は、好ましくはC1−3アルキル基であり、より好ましくはメチル基である。
式(31)中のR24は、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−3アルキル基またはスルホ基であり、n24が2〜4の整数である場合、複数のR24は、互いに、同じまたは異なるものでもよい。R23は、好ましくはC1−3アルキル基であり、より好ましくはメチル基である。
2価の基(31)は、好ましくは式(31a)または式(31b):
[式中、n23、n24、R23、R24および*は、前記の通りである。]
で表される2価の基であり、より好ましくは2価の基(31a)である。
式(32)中のn25およびn26は、それぞれ独立に、0〜4の整数であり、好ましくは0である。
式(32)中のR25は、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−3アルキル基またはスルホ基であり、n25が2〜4の整数である場合、複数のR25は、互いに、同じまたは異なるものでもよい。
式(32)中のR26は、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−3アルキル基またはスルホ基であり、n26が2〜4の整数である場合、複数のR26は、互いに、同じまたは異なるものでもよい。
電子求引性ポリマー(A1)の重量平均分子量(Mw)は、好ましくは5,000〜1,000,000、より好ましくは8,000〜900,000、さらに好ましくは10,000〜150,000である。
本発明の一態様において電子求引性ポリマー(A1)は、好ましくは式(23):
で表される構成単位、および式(24):
で表される構成単位を有する電子求引性ポリマー(A2)を含み、より好ましくは電子求引性ポリマー(A2)からなる。電子求引性ポリマー(A2)は、好ましくはランダム共重合体である。電子求引性ポリマー(A2)中の構成単位(23)および構成単位(24)は、いずれも、1種のみでもよく、2種以上でもよい。
式(23)におけるm3およびm4の説明は、式(18)における説明と同じである。構成単位(23)は、好ましくは式(23a):
で表される構成単位である。
式(24)中のm5およびm6は、それぞれ独立に、1〜4の整数であり、好ましくは4である。構成単位(24)は、好ましくは式(24a):
で表される構成単位である。
構成単位(23)(好ましくは構成単位(23a))の数と構成単位(24)(好ましくは構成単位(24a))の数との比(構成単位(23)の数/構成単位(24)の数)は、好ましくは0.1/99.9〜99.9/0.1、より好ましくは1/99〜99/1、さらに好ましくは30/70〜95/5である。
電子求引性ポリマー(A2)の重量平均分子量(Mw)は、好ましくは5,000〜1,000,000、より好ましくは8,000〜900,000、さらに好ましくは10,000〜150,000である。
本発明の一態様において電子求引性ポリマー(A1)は、好ましくは前記構成単位(23)および式(25):
で表される構成単位を有する電子求引性ポリマー(A3)を含み、より好ましくは電子求引性ポリマー(A3)からなる。電子求引性ポリマー(A3)は、好ましくはランダム共重合体である。電子求引性ポリマー(A3)中の構成単位(23)および構成単位(25)は、いずれも、1種のみでもよく、2種以上でもよい。
電子求引性ポリマー(A3)中の構成単位(23)の説明は、前記電子求引性ポリマー(A2)の説明と同じである。
式(25)中、m7は、1〜4の整数であり、好ましくは4である。即ち、構成単位(25)は、好ましくは式(25a):
で表される構成単位である。
構成単位(23)(好ましくは構成単位(23a))の数と構成単位(25)(好ましくは構成単位(25a))の数との比(構成単位(23)の数/構成単位(25)の数)は、好ましくは0.1/99.9〜99.9/0.1、より好ましくは1/99〜99/1、さらに好ましくは30/70〜95/5である。
電子求引性ポリマー(A3)の重量平均分子量(Mw)は、好ましくは5,000〜1,000,000、より好ましくは8,000〜900,000、さらに好ましくは10,000〜150,000である。
本発明の一態様において電子求引性ポリマー(A1)は、好ましくは前記構成単位(23)および式(26):
で表される構成単位を有する電子求引性ポリマー(A4)を含み、より好ましくは電子求引性ポリマー(A4)からなる。電子求引性ポリマー(A4)は、好ましくはランダム共重合体である。電子求引性ポリマー(A4)中の構成単位(23)および構成単位(26)は、いずれも、1種のみでもよく、2種以上でもよい。
電子求引性ポリマー(A4)中の構成単位(23)の説明は、前記電子求引性ポリマー(A2)の説明と同じである。
式(26)におけるn12およびR12の説明は、式(21)における説明と同じである。構成単位(26)は、好ましくは式(26a):
で表される構成単位である。
構成単位(23)(好ましくは構成単位(23a))の数と構成単位(26)(好ましくは構成単位(26a))の数との比(構成単位(23)の数/構成単位(26)の数)は、好ましくは0.1/99.9〜99.9/0.1、より好ましくは1/99〜99/1、さらに好ましくは30/70〜95/5である。
電子求引性ポリマー(A4)の重量平均分子量(Mw)は、好ましくは5,000〜1,000,000、より好ましくは8,000〜900,000、さらに好ましくは10,000〜150,000である。
本発明の一態様において電子求引性ポリマー(A1)は、好ましくは前記構成単位(23)および式(27):
で表される構成単位を有する電子求引性ポリマー(A5)を含み、より好ましくは電子求引性ポリマー(A5)からなる。電子求引性ポリマー(A5)は、好ましくはランダム共重合体である。電子求引性ポリマー(A5)中の構成単位(23)および構成単位(27)は、いずれも、1種のみでもよく、2種以上でもよい。
電子求引性ポリマー(A5)中の構成単位(23)の説明は、前記電子求引性ポリマー(A2)の説明と同じである。
式(27)におけるn13〜n16およびR13〜R16の説明は、式(22)における説明と同じである。構成単位(27)は、好ましくは式(27a):
で表される構成単位である。
構成単位(23)(好ましくは構成単位(23a))の数と構成単位(27)(好ましくは構成単位(27a))の数との比(構成単位(23)の数/構成単位(27)の数)は、好ましくは0.1/99.9〜99.9/0.1、より好ましくは1/99〜99/1、さらに好ましくは30/70〜95/5である。
電子求引性ポリマー(A5)の重量平均分子量(Mw)は、好ましくは5,000〜1,000,000、より好ましくは8,000〜900,000、さらに好ましくは10,000〜150,000である。
本発明の一態様において電子求引性ポリマー(A1)は、好ましくは前記構成単位(23)および式(33):
で表される構成単位を有する電子求引性ポリマー(A6)を含み、より好ましくは電子求引性ポリマー(A6)からなる。電子求引性ポリマー(A6)は、好ましくはランダム共重合体である。電子求引性ポリマー(A6)中の構成単位(23)および構成単位(33)は、いずれも、1種のみでもよく、2種以上でもよい。
電子求引性ポリマー(A6)中の構成単位(23)の説明は、前記電子求引性ポリマー(A2)の説明と同じである。
式(33)におけるn23およびn24並びにR23およびR24の説明は、式(31)における説明と同じである。構成単位(33)は、好ましくは式(33a)または式(33b):
で表される構成単位であり、より好ましくは構成単位(33a)である。構成単位(33)は、さらに好ましくは式(33a−1):
で表される構成単位である。
構成単位(23)(好ましくは構成単位(23a))の数と構成単位(33)(好ましくは構成単位(33a)または構成単位(33b)、より好ましくは構成単位(33a)、さらに好ましくは構成単位(33a−1))の数との比(構成単位(23)の数/構成単位(33)の数)は、好ましくは0.1/99.9〜99.9/0.1、より好ましくは1/99〜99/1、さらに好ましくは30/70〜95/5である。
電子求引性ポリマー(A6)の重量平均分子量(Mw)は、好ましくは5,000〜1,000,000、より好ましくは8,000〜900,000、さらに好ましくは10,000〜150,000である。
本発明の一態様において電子求引性ポリマー(A1)は、好ましくは前記構成単位(23)および式(34):
で表される構成単位を有する電子求引性ポリマー(A7)を含み、より好ましくは電子求引性ポリマー(A7)からなる。電子求引性ポリマー(A7)は、好ましくはランダム共重合体である。電子求引性ポリマー(A7)中の構成単位(23)および構成単位(34)は、いずれも、1種のみでもよく、2種以上でもよい。
電子求引性ポリマー(A7)中の構成単位(23)の説明は、前記電子求引性ポリマー(A2)の説明と同じである。
式(34)におけるn25およびn26並びにR25およびR26の説明は、式(32)における説明と同じである。構成単位(34)は、好ましくは式(34a):
で表される構成単位である。
構成単位(23)(好ましくは構成単位(23a))の数と構成単位(34)(好ましくは構成単位(34a))の数との比(構成単位(23)の数/構成単位(34)の数)は、好ましくは0.1/99.9〜99.9/0.1、より好ましくは1/99〜99/1、さらに好ましくは30/70〜95/5である。
電子求引性ポリマー(A7)の重量平均分子量(Mw)は、好ましくは5,000〜1,000,000、より好ましくは8,000〜900,000、さらに好ましくは10,000〜150,000である。
本発明の一態様において電子求引性ポリマー(A1)は、好ましくは前記構成単位(23)からなる電子求引性ポリマー(A8)を含み、より好ましくは電子求引性ポリマー(A8)からなる。電子求引性ポリマー(A8)中の構成単位(23)は、1種のみでもよく、2種以上でもよい。電子求引性ポリマー(A8)中の構成単位(23)の説明は、前記電子求引性ポリマー(A2)の説明と同じである。
電子求引性ポリマー(A8)の重量平均分子量(Mw)は、好ましくは5,000〜1,000,000、より好ましくは8,000〜900,000、さらに好ましくは10,000〜150,000である。
好ましい態様において本発明の組成物は、電子供与性ポリマー(D1)と、電子求引性ポリマー(A1)とを含む。この態様における電子供与性ポリマー(D1)の量は、電子求引性ポリマー(A1)100重量部に対して、好ましくは1〜10,000重量部、より好ましくは10〜1,500重量部、さらに好ましくは20〜900重量部である。
好ましい別の態様において本発明の組成物は、電子供与性ポリマー(D2)および電子供与性ポリマー(D3)からなる群から選ばれる少なくとも一つと、電子求引性ポリマー(A2)〜電子求引性ポリマー(A7)からなる群から選ばれる少なくとも一つとを含む。この態様における電子供与性ポリマー(D2)および電子供与性ポリマー(D3)からなる群から選ばれる少なくとも一つの合計量は、電子求引性ポリマー(A2)〜電子求引性ポリマー(A7)からなる群から選ばれる少なくとも一つの合計量100重量部に対して、好ましくは1〜10,000重量部、より好ましくは10〜1,500重量部、さらに好ましくは20〜900重量部、最も好ましくは50〜500重量部である。
好ましい別の態様において本発明の組成物は、電子供与性ポリマー(D2)および電子供与性ポリマー(D3)からなる群から選ばれる少なくとも一つと、電子求引性ポリマー(A2)〜電子求引性ポリマー(A5)からなる群から選ばれる少なくとも一つとを含む。この態様における電子供与性ポリマー(D2)および電子供与性ポリマー(D3)からなる群から選ばれる少なくとも一つの合計量は、電子求引性ポリマー(A2)〜電子求引性ポリマー(A5)からなる群から選ばれる少なくとも一つの合計量100重量部に対して、好ましくは1〜10,000重量部、より好ましくは10〜1,500重量部、さらに好ましくは20〜900重量部、最も好ましくは50〜500重量部である。
好ましい別の態様において本発明の組成物は、電子供与性ポリマー(D2)または電子供与性ポリマー(D3)と、電子求引性ポリマー(A2)〜電子求引性ポリマー(A7)のいずれか一つ(即ち、電子求引性ポリマー(A2)、電子求引性ポリマー(A3)、電子求引性ポリマー(A4)、電子求引性ポリマー(A5)、電子求引性ポリマー(A6)または電子求引性ポリマー(A7))を含む。この態様における電子供与性ポリマー(D2)または電子供与性ポリマー(D3)の量は、電子求引性ポリマー(A2)〜電子求引性ポリマー(A7)のいずれか一つ100重量部に対して、好ましくは1〜10,000重量部、より好ましくは10〜1,500重量部、さらに好ましくは20〜900重量部、最も好ましくは50〜500重量部である。
好ましい別の態様において本発明の組成物は、電子供与性ポリマー(D2)または電子供与性ポリマー(D3)と、電子求引性ポリマー(A2)〜電子求引性ポリマー(A5)のいずれか一つ(即ち、電子求引性ポリマー(A2)、電子求引性ポリマー(A3)、電子求引性ポリマー(A4)または電子求引性ポリマー(A5))を含む。この態様における電子供与性ポリマー(D2)または電子供与性ポリマー(D3)の量は、電子求引性ポリマー(A2)〜電子求引性ポリマー(A5)のいずれか一つ100重量部に対して、好ましくは1〜10,000重量部、より好ましくは10〜1,500重量部、さらに好ましくは20〜900重量部、最も好ましくは50〜500重量部である。
好ましい別の態様において本発明の組成物は、電子供与性ポリマー(D2)および電子供与性ポリマー(D3)からなる群から選ばれる少なくとも一つと、電子求引性ポリマー(A8)とを含む。この態様における電子供与性ポリマー(D2)および電子供与性ポリマー(D3)からなる群から選ばれる少なくとも一つの合計量は、電子求引性ポリマー(A8)100重量部に対して、好ましくは1〜10,000重量部、より好ましくは10〜1,500重量部、さらに好ましくは20〜900重量部、最も好ましくは50〜500重量部である。
好ましい別の態様において本発明の組成物は、電子供与性ポリマー(D2)または電子供与性ポリマー(D3)と、電子求引性ポリマー(A8)を含む。この態様における電子供与性ポリマー(D2)または電子供与性ポリマー(D3)の量は、電子求引性ポリマー(A8)100重量部に対して、好ましくは1〜10,000重量部、より好ましくは10〜1,500重量部、さらに好ましくは20〜900重量部、最も好ましくは50〜500重量部である。
電子求引性ポリマー(A1)と電子供与性ポリマー(D1)とを含む本発明の組成物において、電子求引性ポリマー(A1)の構成単位の数と電子供与性ポリマー(D1)の構成単位の数との比(電子求引性ポリマー(A1)の構成単位の数/電子供与性ポリマー(D1)の構成単位の数)は、組成物中で形成される電荷移動錯体の量を向上させるために、好ましくは1/30〜30/1、より好ましくは1/2〜2/1、さらに好ましくは10/11〜11/10である。
電子求引性ポリマー(A1)(好ましくは電子求引性ポリマー(A2)〜(A5))は、出発原料として市販品を使用する公知の反応によって合成することができる。市販品は、例えば、東京化成工業社、和光純薬工業社等から入手できる。例えば、後述の実施例に記載するような、テトラカルボン酸二無水物(例えば、ナフタレン−1,4,5,8−テトラカルボン酸二無水物)と、ジアミン(例えば、4,4’−ジアミノ−2,2’−ビフェニルジスルホン酸、4,4’−ジアミノオクタフルオロビフェニル、2,3,5,6−テトラフルオロ−1,4−フェニレンジアミン)との反応によって、電子求引性ポリマー(A1)を製造することができる。また、市販品に公知の反応で置換基を導入した化合物を、出発原料として用いてもよい。
上述の電子求引性ポリマーは、例えば、Macromolecules, 2002, 35, 9022-9028、Macromol. Chem. Phys. 2016, 217, 654-663、またはJournal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry, Vol. 41, 3901-3907 (2003)に記載の方法に準じて、合成することができる。
前記反応におけるテトラカルボン酸二無水物の量は、ジアミン1molに対して、好ましくは0.98〜1.02mol、より好ましくは0.99〜1.01molである。
電子求引性ポリマー(A1)の製造方法は、溶解工程、重合工程、および必要に応じて改質工程を含む。
溶解工程は、ジアミン(0.1mM〜5M)と、第三級アミン(0.1mM〜20M)と、有機溶媒との混合物を加熱して、ジアミンを有機溶媒に溶解させる工程である。第三級アミンは、酸性基を有するジアミンを有機溶媒に溶解させるために用いる。混合物を加熱する温度としては特に限定しないが、20〜160℃程度とすることでジアミンを容易に均一に溶媒中に溶解させることができる。
第三級アミンとしては特に限定されず、例えば、トリメチルアミン、トリエチルアミン、トリプロピルアミン、N−エチル−N−メチルブチルアミン、トリブチルアミン、N,N−ジメチルベンジルアミン、N,N−ジエチルベンジルアミン、トリベンジルアミン、ジアザビシクロウンデセン等が挙げられる。なかでも、トリエチルアミンが好ましい。これら第三級アミンは、1種のみを用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
有機溶媒としては、高沸点および高極性を有するものが好ましく、例えば、フェノール、m−クレゾール、m−クロロフェノール、p−クロロフェノール、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、N−メチル−2−ピロリジノン、N−シクロヘキシル−2−ピロリジノン等が挙げられる。なかでも、m−クレゾール、ジメチルスルホキシドおよびN−メチル−2ピロリジノンが好ましい。これら有機溶媒は、1種のみを用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
なお、本明細書中、「m−」はメタを表し、「p−」はパラを表す。
重合工程は、溶解工程で得られたジアミンの溶液にテトラカルボン酸二無水物(0.1mM〜5M)を加え、得られた混合物を、有機酸(0.01mM〜20M)の存在下で加熱して、重合させる工程である。有機酸は、重合および閉環反応の触媒として作用し、ポリアミック酸の生成およびこれの閉環によるイミド環形成を促進する。
有機酸としては、高沸点であり、かつ上記有機溶媒への溶解性が高い化合物が好ましく、例えば、安息香酸、メチル安息香酸、ジメチル安息香酸、サリチル酸等が挙げられる。なかでも、安息香酸が好ましい。有機酸は、重合工程で存在すればよく、上記溶解工程の段階で添加してもよい。有機酸を添加する量としては特に限定しないが、有機酸として安息香酸を使用する場合、その量は、テトラカルボン酸二無水物1モルに対して、1〜6モル程度が好ましい。また、反応混合物を加熱する温度は、少なくとも40℃以上である。この温度を、好ましくは100〜190℃、より好ましくは140〜180℃とすることで、効率よく重合反応が進行し、高分子量の電子求引性ポリマーであるポリイミドを得ることができる。
改質工程は、重合工程で得られたポリイミド中の構造欠陥を是正する工程である。構造欠陥とは、ポリイミド中の未閉環部分(アミック酸)に基づく欠陥である。改質工程では、重合工程後の反応混合物を、重合工程の温度よりもさらに高い温度で加熱することで、脱水反応を行い、未閉環部分をイミド化させる。この温度は、少なくとも150℃以上が好ましく、190〜220℃がさらに好ましい。この改質工程で、閉環反応が効率よく進行し、構造欠陥のないポリイミドを得ることができる。
前記工程後、沈殿、ろ取、透析および乾燥等の公知の手段によって、電子求引性ポリマー(A1)を得ることができる。
本発明の組成物において、電子供与性ポリマー(D)および電子求引性ポリマー(A)が電荷移動錯体を形成していることが好ましい。その結果、電子供与性ポリマー(D)および電子求引性ポリマー(A)が充分に混合し、本発明の組成物から強度および化学耐久性等に優れ、且つ難水溶性である膜を形成することができる。充分な混合(好ましくはマイクロメートルオーダーでの相分離がないこと)は、例えば、フッ素元素のSEM−EDXマッピングで確かめることができる。
本発明の組成物の溶液を調製し、次いでこの溶液から溶媒を留去することによって、膜を製造することができる。本発明の組成物の溶液の調製方法に特に限定はない。例えば、溶媒中に、電子供与性ポリマー(D)および電子求引性ポリマー(A)を順次または同時に添加し、適宜加熱することによって、組成物の溶液を調製してもよい。また、電子供与性ポリマー(D)の溶液および電子求引性ポリマー(A)の溶液を別々に調製し、得られた溶液を混合することによって、組成物の溶液を調製してもよい。
組成物の溶液を調製するための溶媒としては、例えば、水、メタノール、エタノール、トリフルオロエタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、2−メチル−2−ブタノール、エチレングリコール、ベンジルアルコール、シクロヘキサン、ベンゼン、ニトロベンゼン、クロロホルム、四塩化炭素、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、イソオキサゾール、1,4−ジオキサン、シクロペンチルメチルエーテル、アセトン、アセトニトリル、ニトロメタン、ジメチルスルホキシド、N,N−ジメチルホルムアミド、スルホラン、1,3−プロパンスルトンが挙げられる。これらの溶媒は、1種のみを使用してもよく、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、エチレングリコール、ベンジルアルコール、シクロヘキサン、ベンゼン、ニトロベンゼン、クロロホルム、四塩化炭素、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、シクロペンチルメチルエーテル、アセトン、アセトニトリル、ニトロメタン、ジメチルスルホキシド、N,N−ジメチルホルムアミド、スルホラン、1,3−プロパンスルトンが好ましく、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、エチレングリコール、ジメチルスルホキシドがより好ましく、ジメチルスルホキシドがさらに好ましい。
電子供与性ポリマー(D)および電子求引性ポリマー(A)を含む溶液中、電子供与性ポリマー(D)および電子求引性ポリマー(A)の合計の濃度は、溶液全体を基準に、好ましくは0.1〜100重量%、より好ましくは0.5〜10重量%である。
組成物の溶液から溶媒を留去する方法に特に限定はなく、公知の手段(例えば加熱乾燥、減圧乾燥等)で溶媒を留去すればよい。膜の厚さは、電子供与性ポリマー(D)および電子求引性ポリマー(A)の仕込み量と、溶媒を留去する際に使用するシャーレの面積で調整が可能である。本発明の組成物から製造される膜の厚さは、好ましくは0.01〜200μm、より好ましくは0.1〜100μm、さらに好ましくは0.3〜60μmである。
本発明の組成物の溶液からの溶媒留去は、大気雰囲気で行ってもよく、不活性ガス(例えば、窒素、アルゴン)雰囲気で行ってもよい。また、この溶媒留去は、常圧下で行ってもよく、真空乾燥機または減圧ポンプなどを用いて減圧下で行ってもよい。
本発明の組成物の溶液からの溶媒留去の温度は、好ましくは−10〜200℃、より好ましくは40〜160℃、さらに好ましくは50〜130℃である。溶媒留去は、一定の温度で行ってもよく、温度を多段階的に変更して行ってもよい。
本発明の組成物の溶液からの溶媒留去の時間は、好ましくは0.5〜300時間、より好ましくは1〜160時間、さらに好ましくは2〜150時間である。
本発明の組成物から膜を製造する際の条件(例えば、上述の溶媒の種類、溶液中のポリマーの濃度、並びに溶媒留去の雰囲気、圧力、温度および時間)は、適宜選択することができる。
上述のようにして得られた本発明の組成物の膜を、熱処理することが好ましい。この熱処理によって、膜中の電荷移動錯体の形成量を増加させることができる。熱処理は、不活性ガス(例えば、窒素、アルゴン)雰囲気下で行うことが好ましい。熱処理の温度は、好ましくは40〜200℃、より好ましくは60〜180℃、さらに好ましくは70〜160℃であり、その時間は、好ましくは0.01〜200時間、より好ましくは0.5〜160時間、さらに好ましくは1〜80時間である。
本発明の組成物から製造される膜(即ち、本発明の組成物を含む膜)は、様々な用途に使用することができる。本発明の組成物を含む膜の用途としては、例えば、燃料電池の電解質膜、触媒層中の電極触媒上の電解質被覆膜、ガス透過抑制膜等が挙げられる。これらの中で、燃料電池の電解質膜、および電極触媒上の電解質被覆膜が好ましく、燃料電池の電解質膜がより好ましい。本発明の組成物を含む燃料電池の電解質膜の厚さは、好ましくは0.1〜200μm、より好ましくは2〜50μm、さらに好ましくは5〜20μmである。本発明の組成物を含む燃料電池の触媒層中の電極触媒上の電解質被覆膜の厚さは、好ましくは1〜100nm、より好ましくは2〜50nm、さらに好ましくは5〜30nmである。
以下に、本発明の合成例および実施例を、より具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。合成例および実施例で用いた分析装置およびその条件は以下のとおりである。
NMR:
ポリマーのプロトン核磁気共鳴(H NMR)の化学シフトの値は、Bruker社製AV-400(400MHz)またはBruker社製AVANCE III(500MHz)を用いて重ジメチルスルホキシド(DMSO−d)溶媒中で測定し、化学シフトはテトラメチルシランを内部標準(0.0ppm)としたときのδ値(ppm)で示した。NMRスペクトルの記載において、「s」はシングレット、「brs」はブロードシングレット、「d」はダブレット、「t」はトリプレット、「dd」はダブルダブレット、「m」はマルチプレット、「br」はブロード、「J」はカップリング定数、「Hz」はヘルツを意味する。
ポリマーのフッ素核磁気共鳴(19F NMR)の化学シフトの値は、Agilent社製INOVA 400(376MHz)を用いて重ジメチルスルホキシド(DMSO−d)溶媒中で測定し、化学シフトはトリフルオロ酢酸を外部標準(−79ppm)としたときのδ値(ppm)で示した。ベースラインの補間は、アキマ補間を用いた。
「DMSO−d」は重ジメチルスルホキシドを意味する。
GPC:
ポリマーの重量平均分子量(Mw)および数平均分子量(Mn)は、ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)で、分析条件Aにて測定し、標準ポリスチレンの較正曲線を用いて換算した。
<分析条件A>
カラム:東ソー社製ガードカラム(Tosoh TSK guard column Super AW-H)、東ソー社製カラム(Tosoh TSK gel super AW 3000)およびカラム(Tosoh TSK gel super AW 5000)を、この順に直列に連結して使用した。
カラム温度:40℃
検出器:日本分光社製の示差屈折率検出器RI-2031および紫外可視検出器UV-2075
溶離液:10mmol/Lの硝酸ナトリウムを溶解させたジメチルスルホキシド
UV−vis:
ポリマーまたはポリマー組成物の紫外−可視分光法(UV−vis)の測定は、日本分光社製の紫外可視近赤外分光光度計V-650に、日本分光社製の積分球ユニットISV-722および日本分光社製のサンプルホルダーSSH-506を搭載して行った。
DSC:
ポリマーまたはポリマー組成物の示差走査熱量(DSC)の測定は、分析条件Bにて行った。
<分析条件B>
使用機器:NETZSCH社製の熱分析装置NETZSCH STA 449 F3 Jupiter
窒素下
降温速度:10℃/分
IEC[ミリ当量(meq)/g(乾燥重量)]:
理論イオン交換容量(IEC)は、ポリマー1gあたりに含まれるスルホ基のモル数mmolとして算出した。
ポリマーまたはポリマー組成物のイオン交換容量は、H NMRスペクトルから、ポリマー内に導入されたスルホ基含有モノマーのモル比を算出し、ポリマーの繰り返し単位あたりで導入されたスルホ基の量を算出した。ポリマー1gあたりのスルホ基のモル数を算出し、組成比から得られるユニット分子量で割ることで、IECを算出した。
プロトン伝導性:
ポリマーまたはポリマー組成物の膜のプロトン伝導性については、Scribner社の膜抵抗測定システムMTS740を用いて、温度と加湿条件を設定し、膜厚み方向でのイオン伝導度を測定し、それからプロトン伝導性を算出した。
引張り破壊強度、引張り弾性率および引張り破壊伸び:
日本電産シンポ社製の引張試験計測機器FGS-TV(型式FGP-5)を、室温で、クロスヘッド速度10mm/min、試験片サイズ12mm×2mmの条件で使用して、ポリマーまたはポリマー組成物の膜の応力ひずみ曲線を得た後、引張り破壊強度(MPa)、引張り弾性率(ヤング率)(GPa)および引張り破壊伸び(%)を算出した。
SEM−EDX:
ポリマー組成物の膜の走査型電子顕微鏡−エネルギー分散型X線分光法(SEM−EDX)の測定は、膜をGATAN社製のエポキシ樹脂(品名G−2)中に包埋させ、次いでこれらを100℃にて1時間で加熱して硬化物を調製し、日本電子社製のクロスセクションポリッシャを用いて、得られた硬化物から膜の断面出しを行い、観察サンプルを調製した。次に日本電子社製のJSM-7800Fを用いて、加速電圧1kV、倍率3000倍の条件で前記観察サンプルの断面を観察した。この観察で得られた像において、Oxford Instruments社製EDXを用いて加速電圧7kVで、フッ素等の元素マッピングを行った。
水素ガス透過性:
水素ガスの透過性の測定は、直径1cmの円に切り取った膜を、ポリイミドフィルムテープ(東レデュポン社製、品名「カプトンテープ」)およびアルミナテープで固定して、試験片を作製した。得られた試験片およびGTRテック社製のGTR−11A/31Aガスバリア試験システムを用いて、膜を通る乾燥水素透過速度を室温で測定した。さらに加圧したガス供給側と真空にしたガス透過側との差圧を200kPaに設定して、回収した水素ガスの体積をヤナコテクニクカルサイエンス製の熱伝導率検出器を備えたG3700Tガスクロマトグラフで測定し、差圧法にて、膜の水素ガス透過性を算出した。
燃料電池の発電試験1:
膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly、以下「MEA」と略称する)は、電解質膜、触媒インクおよびガス拡散層より作製した。
触媒インクは、白金担持カーボンの電極触媒(田中貴金属工業社製、白金含有量:46.2重量%、品名「TEC10E50E」)、エタノール(和光純薬工業社製)、脱イオン水、およびナフィオン分散溶液(和光純薬工業社製、品名「5% Nafion Dispersion Solution DE521 CS type」)を用いて調製した。
ガス拡散層は、疎水性カーボンペーパー(東レ社製、品名「EC-TP1-060T」)を用いた。
エスエムテー社製のホモジナイザーUH-600で超音波を触媒インクに30分間照射した後、ノードソン社製のスプレー塗布装置V8Hを用いて、触媒インクを電解質膜の両面に塗布した。塗布条件は、一面分の電解質膜1cmあたりの白金量を0.3mgとし、ナフィオン割合(=100×ナフィオン固形分(重量)/(Pt/C電極触媒+ナフィオン固形分)(重量))を28重量%とした。GDEの組成物(VIII)の固形分(重量)は、カソード側が1.0026mg、アノード側が1.0243mgであった。
次に、電極触媒を塗布した電解質膜を、132℃、0.3kNで180秒間の条件で熱圧着して、触媒被覆膜(Catalyst Coated Membrane、以下「CCM」と略称する)を作製し、続いてCCMの両面にガス拡散層を、132℃、0.6kNで20秒間の条件で熱圧着して、MEAを作製した。作製したMEAを、1cmの電極面積を有する単セル(エフシー開発社製、JARI標準セル)に配置した。
アメテック社製のポテンショガルバノスタットVersaSTAT 4を用いて、分極曲線および出力密度を測定し、単セルのインピーダンスは、直流を0.6V、交流を3mVとし、ソーラトロン社製のSI 1287電気化学的インターフェースインピーダンスアナライザーを用いて4端子法にて測定し、セル抵抗値および開回路電圧(以下「OCV」と略称する)を測定した。なお、OCVは、単セルに電圧または電流を印加していない状態の電位である。発電試験の性能は、80℃、相対湿度95%、100mL/分の水素および大気圧の空気ガス流を用いて調べた。発電試験を行う前に、4時間のセルエージングを0.6Vで行った。アメテック社製のポテンショガルバノスタットVersaSTAT 4を用いて、電圧を制御して電流密度を測定した。また、ソーラトロン社製のSI 1287電気化学的インターフェースインピーダンスアナライザーを用いる4端子法にて、セル抵抗値を測定した。
燃料電池の発電試験2:
MEAは、電解質膜、触媒インクおよびガス拡散層より作製した。
電解質膜は、ナフィオン212(デュポン社製、東陽テクニカ社より購入、膜厚:50μm)を用いた。
触媒インクは、白金担持カーボンの電極触媒(田中貴金属工業社製、白金含有量:46.2重量%、品名「TEC10E50E」)、ジメチルスルホキシド(和光純薬工業社製)、脱イオン水、および後述の実施例8で得られた組成物(VIII)(即ち、電子供与性ポリマー(D3a−1)および電子求引性ポリマー(A4−1)を含む組成物)を用いて調製した。
ガス拡散層は、SIGRACET社製のマイクロポーラス層(Micro Porous Layer、以下「MPL」と略称する)付のガス拡散層(GDL 24 BCH)を用いた。このMPLは、撥水性樹脂とカーボン材料とを主成分とするコーティング層である。
エスエムテー社製のホモジナイザーUH-600で超音波を触媒インクに30分間照射した後、140〜150℃に調節したホットプレート上に置いたMPL付のガス拡散層(GDL 24 BCH)に、スポイトを使用して触媒インクを塗布して、ガス拡散電極(Gas Diffusion Electrode、以下「GDE」と略称する)を作製した。塗布条件は、一面分の電解質膜1cmあたりの白金量を0.3mgとし、組成物(VIII)の割合(=100×組成物(VIII)の固形分(重量)/(Pt/C電極触媒+組成物(VIII)の固形分)(重量))を28重量%とした。
次に、電解質膜の両面にGDEを、132℃、0.6kNで20秒間の条件で熱圧着して、MEAを作製した。
燃料電池の発電試験1に記載の方法で、電圧および電流密度を測定した。
燃料電池の発電試験3:
触媒インクと塗布する器具のみを変更したこと以外は燃料電池の発電試験2と同様の方法で、発電試験を行った。触媒インクは、白金担持カーボンの電極触媒(田中貴金属工業社製、白金含有量:46.2重量%、品名「TEC10E50E」)、ジメチルスルホキシド(和光純薬工業社製)、エタノール(和光純薬工業社製)、および後述の実施例11で得られた組成物(XI)(即ち、電子供与性ポリマー(D3a−1)および電子求引性ポリマー(A4−1)を含む組成物)を用いて調製した。触媒インクを塗布する器具は、タミヤ社製のエアーブラシシステム No.23 スプレーワーク HG エアーブラシワイド トリガータイプ 74523を用いた。GDEの組成物(XI)の固形分(重量)は、カソード側が2.4233mg、アノード側が2.0954mgであった。
化学耐久性の評価:
製造した膜およびナフィオン212(デュポン社製、東陽テクニカ社より購入、膜厚:51μm)を用いて、それらの化学耐久性を以下のようにして評価した。まず、硫酸鉄(II)七水和物を超純水に溶解した(得られた水溶液中の硫酸鉄(II)の濃度:20ppm(重量基準))。得られた硫酸鉄(II)水溶液を過酸化水素水溶液に添加した(得られた水溶液中の硫酸鉄(II)の濃度2ppm(重量基準)、過酸化水素(H)の濃度:3重量%)。得られた溶液を、以下「フェントン試験液」と称する。製造した膜を1cmの試料片に切り出し、フェントン試験液への浸漬前の試料片の重量を測定した。次いで試料片を、80℃のフェントン試験液中で1時間保持させた後、試料片をフェントン試験液から取り出し、取り出した試料片の表面をガーゼでふき取った後、フェントン試験液への浸漬後の試料片の重量を測定した。測定したフェントン試験液への浸漬前後の試料片の重量から、残存率(重量%)(=100×浸漬後の試料片の重量/浸漬前の試料片の重量)を算出し、試験片(=膜)の化学耐久性を評価した。
合成例1:2,6−ビス(オキシラン−2−イルメトキシ)ナフタレンの合成
還流冷却器と滴下漏斗を反応容器に装着した後、2,6−ジヒドロキシナフタレン(7.36g、46.0mmol)、アセトン55mLおよび水10mLを、順次、反応容器に加えた。次に反応混合物を65℃に加熱して撹拌しながら、エピクロルヒドリン(28.8mL、368.0mmol)を加えた。この反応混合物に、アセトン20mLおよび水45mLの混合溶媒に溶かした水酸化カリウム(5.16g、91.9mmol)を滴下漏斗で2時間かけて滴下した後、12時間撹拌して反応を行った。反応終了後、溶媒からの沈殿物をろ取し、その沈殿物を水で洗浄して、目的化合物を白色固体として得た(6.7g、収率54%)。
合成例2:電子供与性ポリマー(D2−1)の合成
反応容器の内部を窒素で置換した後、2,6−ビス(オキシラン−2−イルメトキシ)ナフタレン(1.246g、4.58mmol)、2,6−ジヒドロキシナフタレン(0.733g、4.58mmol)、トリス(2,6−ジメトキシフェニル)ホスフィン(16.2mg、36.6μmol)およびシクロヘキサノン(15mL)を、順次、反応容器に加えた。次に反応混合物を140℃にて12時間撹拌した後、ジメチルスルホキシド(10mL)を加えて、160℃でさらに40時間撹拌した。反応終了後、反応混合物をクロロホルムに滴下して、沈殿物を析出させた後、沈殿物をろ取し、減圧乾燥して、式(15):
で表される構成単位を有する電子供与性ポリマー(D2−1)を茶褐色の固体として得た(1.86g、収率94%)。
NMR:
H NMR(400MHz, DMSO−d)δ:8.23−7.56(m, 30H), 3.49(brs, 2H), 1.38−1.24(m, 6H).
GPC:
重量平均分子量(Mw)=1.7×10,000
数平均分子量(Mn)=5.0×1,000
分子量分布(Mw/Mn)=3.4
合成例3:電子供与性ポリマー(D3a−1)の合成
反応容器の内部を窒素で置換した後、2,6−ビス(オキシラン−2−イルメトキシ)ナフタレン(1.246g、4.58mmol)、4,4’−ジヒドロキシジフェニルスルホン(1.150g、4.58mmol)、トリス(2,6−ジメトキシフェニル)ホスフィン(16.2mg、36.6μmol)およびシクロヘキサノン(15mL)を、順次、反応容器に加えた。次に反応混合物を120℃にて96時間撹拌して、反応を行った。反応終了後、反応混合物をメタノールに滴下して、沈殿物を析出させた後、沈殿物をろ取し、減圧乾燥して、式(16a):
で表される構成単位を有する電子供与性ポリマー(D3a−1)を茶褐色の固体として得た(1.72g、収率72%)。
図1に、電子供与性ポリマー(D3a−1)の1H NMR(400MHz, DMSO−d)のチャート示す。
GPC:
重量平均分子量(Mw)=7.9×1,000
数平均分子量(Mn)=1.1×1,000
分子量分布(Mw/Mn)=7.2
合成例4:電子求引性ポリマー(A2−1)の合成
反応容器の内部を窒素で置換した後、4,4’−ジアミノ−2,2’−ビフェニルジスルホン酸(4.14g、12.0mmol)、4,4’−ジアミノオクタフルオロビフェニル(0.44g、1.3mmol)、m−クレゾール(38g)、およびトリエチルアミン(3.38g、33.4mmol)を、順次、反応容器に加えた。次に反応混合物を140〜145℃で撹拌して、固形物を溶解させた後、その中にナフタレン−1,4,5,8−テトラカルボン酸二無水物(3.65g、13.6mmol)、および安息香酸(3.27g、26.8mol)を加えた。次に反応混合物を、170〜175℃にて27時間撹拌して、反応を行った。反応終了後、メタノールおよび濃塩酸の混合溶媒(メタノール:濃塩酸=5:1(体積比))に反応混合物を滴下して、沈殿物を析出させた後、沈殿物をろ取して、得られた沈殿物を、ジメチルスルホキシドに添加し、100〜110℃に加熱して、溶解させて、ジメチルスルホキシド溶液を得た。
次に得られたジメチルスルホキシド溶液を、メタノールおよび濃塩酸の混合溶媒(メタノール:濃塩酸=5:1(体積比))に滴下して、沈殿物を析出させ、ろ取した。沈殿物にジメチルスルホキシドを添加し、100〜110℃に加熱して溶解させた後、ジメチルスルホキシド溶液を、メタノールに滴下して、沈殿物を析出させ、ろ取した。沈殿物にジメチルスルホキシドを添加し、100〜110℃に加熱して溶解させた後、得られたジメチルスルホキシド溶液を、分画分子量1,000の透析膜(Spectra/Por 6, MWCO(Daltons) 1000, スペクトラムラボラトリー社製)を用いて4日間透析した。透析終了後、溶液を凍結乾燥して、式(23a)で表される構成単位および式(24a)で表される構成単位:
を有するランダム共重合体である電子求引性ポリマー(A2−1)を黒茶色の固体として得た(5.4g、収率70%)。原料の仕込み量から算出される電子求引性ポリマー(A2−1)中の構成単位(23a)の数/構成単位(24a)の数は、9/1である。
NMR:
H NMR(400MHz, DMSO−d)δ:8.81(brs), 8.06(s), 7.78(brs), 7.43(brs).
図2に、電子求引性ポリマー(A2−1)のH NMR(400MHz, DMSO−d)のチャートおよびピークに対応するプロトンの位置を示す化学式を示す。また、図3に、電子求引性ポリマー(A2−1)の19F NMR(400MHz, DMSO−d)のチャートを示す。
GPC:
重量平均分子量(Mw)=7.5×10,000
数平均分子量(Mn)=1.6×10,000
分子量分布(Mw/Mn)=4.7
IEC:
理論イオン交換容量(IEC)=3.13(meq/g)
プロトン伝導性:
温度70℃、相対湿度92%にて15.1(mS/cm)
合成例5:電子求引性ポリマー(A2−2)の合成
原料の仕込み量を変更したこと以外は合成例4と同様にして、式(23a)で表される構成単位および式(24a)で表される構成単位:
を有するランダム共重合体である電子求引性ポリマー(A2−2)を茶褐色の固体として得た(7.0g、収率92%)。原料の仕込み量から算出される電子求引性ポリマー(A2−2)中の構成単位(23a)の数/構成単位(24a)の数は、61.7/38.3である。
IEC:
理論イオン交換容量(IEC)=2.16(meq/g)
合成例6:電子求引性ポリマー(A3−1)
反応容器の内部を窒素で置換した後、4,4’−ジアミノ−2,2’−ビフェニルジスルホン酸(4.15g、12.1mmol)、2,3,5,6−テトラフルオロ−1,4−フェニレンジアミン(0.240g、1.33mmol)、m−クレゾール(32g)、およびトリエチルアミン(3.41g、33.7mmol)を、順次、反応容器に加えた。次に反応混合物を140〜145℃で撹拌して、固形物を溶解させた後、その中にナフタレン−1,4,5,8−テトラカルボン酸二無水物(3.65g、13.6mmol)、および安息香酸(3.26g、26.7mol)を加え、170〜175℃にて22時間撹拌して、反応を行った。
反応終了後、メタノールおよび濃塩酸の混合溶媒(メタノール:濃塩酸=5:1(体積比))に反応混合物を滴下して、沈殿物を析出させ、ろ取した後、沈殿物を得た。この沈殿物にジメチルスルホキシドを加え、100〜110℃に加熱して、溶解させて、ジメチルスルホキシド溶液を得た。次にメタノールおよび濃塩酸の混合溶媒(メタノール:濃塩酸=5:1(体積比))にジメチルスルホキシド溶液を滴下して、沈殿物を析出させ、ろ取した後、沈殿物を得た。この操作を2回繰り返し、得られた沈殿物を減圧乾燥して、式(23a)で表される構成単位および式(25a)で表される構成単位:
を有するランダム共重合体である電子求引性ポリマー(A3−1)を黒茶色の固体として得た(4.2g、収率56%)。原料の仕込み量から算出される電子求引性ポリマー(A3−1)中の構成単位(23a)の数/構成単位(25a)の数は、9/1である。
NMR:
H NMR(400MHz, DMSO−d)δ:8.81(brs), 8.06(s), 7.77(brs), 7.44(brs).
図4に、電子求引性ポリマー(A3−1)のH NMR(400MHz, DMSO−d)のチャートおよびピークに対応するプロトンの位置を示す化学式を示す。また、図5に、電子求引性ポリマー(A3−1)の19F NMR(400MHz, DMSO−d)のチャートを示す。
GPC:
重量平均分子量(Mw)=7.5×10,000
数平均分子量(Mn)=1.6×10,000
分子量分布(Mw/Mn)=4.7
IEC:
理論イオン交換容量(IEC)=3.21(meq/g)
プロトン伝導性:
温度70℃、相対湿度92%にて40.0(mS/cm)
合成例7:電子求引性ポリマー(A4−1)の合成
反応容器の内部を窒素で置換した後、4,4’−ジアミノ−2,2’−ビフェニルジスルホン酸(4.15g、12.1mmol)、2,3,5,6−テトラフルオロ−1,4−フェニレンジアミン(0.230g、1.31mmol)、m−クレゾール(31g)、およびトリエチルアミン(3.41g、33.7mmol)を、順次、反応容器に加えた。次に反応混合物を140〜145℃で撹拌して、固形物を溶解させた後、その中にナフタレン−1,4,5,8−テトラカルボン酸二無水物(3.65g、13.6mmol)、および安息香酸(3.38g、27.7mol)を加え、170〜175℃にて22時間撹拌して、反応を行った。
反応終了後、メタノールおよび濃塩酸の混合溶媒(メタノール:濃塩酸=5:1(体積比))に反応混合物を滴下して、沈殿物を析出させ、ろ取した後、沈殿物を得た。この沈殿物にジメチルスルホキシドを加え、100〜110℃に加熱して、溶解させた。次にメタノールおよび濃塩酸の混合溶媒(メタノール:濃塩酸=5:1(体積比))にジメチルスルホキシド溶液を滴下して、沈殿物を析出させ、ろ取した後、沈殿物を得た。この操作を2回繰り返し、得られた沈殿物を減圧乾燥して、式(23a)で表される構成単位および式(26a)で表される構成単位:
を有するランダム共重合体である電子求引性ポリマー(A4−1)を黒茶色の固体として得た(5.5g、収率74%)。原料の仕込み量から算出される電子求引性ポリマー(A4−1)中の構成単位(23a)の数/構成単位(26a)の数は、9/1である。
NMR:
H NMR(400MHz, DMSO−d)δ:9.10―8.40(m), 8.05(s), 7.79(brs), 7.45(brs).
図6に、電子求引性ポリマー(A4−1)のH NMR(400MHz, DMSO−d)のチャートおよびピークに対応するプロトンの位置を示す化学式を示す。
GPC:
重量平均分子量(Mw)=8.4×10,000
数平均分子量(Mn)=2.7×10,000
分子量分布(Mw/Mn)=3.1
IEC:
理論イオン交換容量(IEC)=3.22(meq/g)
合成例8:電子求引性ポリマー(A5−1)および(A5−2)の合成
Macromol. Chem. Phys. 2016, 217, 654-663に記載の方法と同様にして、式(23a)で表される構成単位および式(27a)で表される構成単位:
を有するランダム共重合体である電子求引性ポリマー(A5−1)および(A5−2)を得た(電子求引性ポリマー(A5−1):7.8g、収率91%;電子求引性ポリマー(A5−2):8.3g、収率92%)。原料の仕込み量から算出される電子求引性ポリマー(A5−1)および(A5−2)中の構成単位(23a)の数/構成単位(27a)の数は、それぞれ順に、9/1および61.7/38.3である。
合成例9:電子供与性ポリマー(D4−1)の合成
反応容器の内部を窒素で置換した後、2,6−ジヒドロキシナフタレン(1.246g、10.00mmol)、ジフェニルスルホン−4,4’−ジクロロ−3,3’−ジスルホン酸二ナトリウム(3.439g、7.00mmol)、4,4’−ジクロロジフェニルスルホン(0.223g、0.78mmol)、炭酸カリウム(1.290g、9.34mmol)、ヨウ化カリウム(1.033g、6.22mmol)およびトルエン(25mL)を順次、反応容器に加えた。次に反応容器にディーン・スターク装置を取り付け、反応混合物を3時間、加熱還流しながら撹拌することで、生成する水を溶媒との共沸を利用して反応混合物の系外に除去した。次に、溶媒のトルエンを反応混合物から留去しながら、170℃まで反応容器を加熱した後、反応容器の温度を170℃に24時間保った。反応終了後、反応混合物を20〜25℃に冷却した後、ジメチルアセトアミド(15mL)で反応混合物を希釈し、その反応混合物にさらに水(300mL)および塩化ナトリウム(30g)を加えて、沈殿物を析出させ、ろ取した。得られた沈殿物にジメチルスルホキシドを加え、溶解させて、ジメチルスルホキシド溶液を調製した。次に、得られたジメチルスルホキシド溶液を、分画分子量1,000の透析膜(Spectra/Por 6, MWCO(Daltons) 1000, スペクトラムラボラトリー社製)を用いて、透析した。この透析では、ジメチルスルホキシド溶媒で、副生成物を取り除き、次に、塩酸を透析膜のチューブに加えることで、ポリマー中の塩形態のスルホ基を遊離酸の形態に変換させ、次いで透析の溶媒のpHが中性になるまでの4日間、透析した。透析終了後、溶液を凍結乾燥して、式(28)で表される構成単位および式(29)で表される構成単位:
を有するランダム共重合体である電子供与性ポリマー(D4−1)を茶褐色の固体として得た(2.7g、収率67%)。原料の仕込み量から算出される電子供与性ポリマー(D4−1)中の構成単位(28)の数/構成単位(29)の数は、9/1である。
GPC:
ピークトップ分子量(Mp)=1.2×10,000
本明細書中、「ピークトップ分子量」とは、「GPCチャートのピークトップの分子量」を意味する。
IEC:
イオン交換容量(IEC)=3.04(meq/g)
合成例10〜12:電子供与性ポリマー(D4−2)〜(D4−4)の合成
原料の仕込み量を変更したこと以外は合成例9と同様にして、式(28)で表される構成単位および式(29)で表される構成単位:
を有するランダム共重合体である電子供与性ポリマー(D4−2)〜(D4−4)を得た(電子供与性ポリマー(D4−2):1.8g、収率46%;電子供与性ポリマー(D4−3):2.4g、収率46%;電子供与性ポリマー(D4−4):2.9g、収率80%)。原料の仕込み量から算出される電子供与性ポリマー(D4−2)〜(D4−4)中の構成単位(28)の数/構成単位(29)の数は、それぞれ順に、8/2、7/3および6/4である。
図7に、電子供与性ポリマー(D4−2)のH NMR(400MHz, DMSO−d)のチャートを示す。
(1)電子供与性ポリマー(D4−2)
GPC:
ピークトップ分子量(Mp)=32.0×10,000
IEC:
イオン交換容量(IEC)=2.75(meq/g)
プロトン伝導性:
温度120℃、相対湿度95%にて545(mS/cm)
(2)電子供与性ポリマー(D4−3)
GPC:
ピークトップ分子量(Mp)=18.0×10,000
IEC:
イオン交換容量(IEC)=2.47(meq/g)
プロトン伝導性:
温度120℃、相対湿度95%にて384(mS/cm)
(3)電子供与性ポリマー(D4−4)
GPC:
ピークトップ分子量(Mp)=3.3×10,000
IEC:
イオン交換容量(IEC)=2.25(meq/g)
プロトン伝導性:
温度120℃、相対湿度95%にて193(mS/cm)
合成例13:電子供与性ポリマー(D3b−1)の合成
反応容器の内部を窒素で置換した後、合成例3で得られた電子供与性ポリマー(D3a−1)(212mg、0.410mmol)、ピリジン−三酸化硫黄コンプレックス(65.0g、0.410mmol)およびジメチルホルムアミド(0.7ml)を、順次、反応容器に加えた。次に反応混合物を20〜25℃で12時間撹拌して、反応を行った。反応終了後、反応混合物をクロロホルムに滴下し、沈殿物を水に再溶解させ、分画分子量1,000の透析膜(Spectra/Por 6, MWCO(Daltons) 1000, スペクトラムラボラトリー社製)と水を用いて透析を行った。透析後の水溶液を減圧乾固して、式(16b):
で表される構成単位を有する電子供与性ポリマー(D3b−1)を赤橙色の固体として得た(225mg、収率81%)。
図8に、電子供与性ポリマー(D3b−1)のH NMR(400MHz, DMSO−d)のチャートを示す。
合成例14:電子求引性ポリマー(A6−1)の合成
反応容器の内部を窒素で置換した後、4,4’−ジアミノ−2,2’−ビフェニルジスルホン酸(2.00g、5.81mmol)、2,2−ビス(アミノフェニル)ヘキサフルオロプロパン(0.216g、0.646mmol)、m−クレゾール(17g)、およびトリエチルアミン(1.64g、16.2mmol)を、順次、反応容器に加えた。次に反応混合物を140〜145℃で撹拌して、固形物を溶解させた後、その中にナフタレン−1,4,5,8−テトラカルボン酸二無水物(1.77g、6.58mmol)、および安息香酸(1.58g、12.9mol)を加え、170〜175℃にて22時間撹拌して、反応を行った。反応終了後、メタノールおよび濃塩酸の混合溶媒(メタノール:濃塩酸=5:1(体積比))に反応混合物を滴下して、沈殿物を析出させた後、沈殿物をろ取した。
得られた沈殿物にジメチルスルホキシドを加え、100〜110℃に加熱して、溶解させて、ジメチルスルホキシド溶液を得た。次に、得られたジメチルスルホキシド溶液を、メタノールおよび濃塩酸の混合溶媒(メタノール:濃塩酸=5:1(体積比))に滴下して、沈殿物を析出させ、ろ取した。得られた沈殿物へのジメチルスルホキシドの添加および溶解、ジメチルスルホキシド溶液の前記混合溶媒への滴下、並びに析出した沈殿物のろ取の操作を再度行った。
得られた沈殿物にジメチルスルホキシドを添加し、100〜110℃に加熱して溶解させた後、得られたジメチルスルホキシド溶液を、分画分子量3,500の透析膜(Spectra/Por 7, MWCO(Daltons) 3500, スペクトラムラボラトリー社製)を用いて4日間透析した。透析終了後、溶液を乾燥して、式(23a)で表される構成単位および式(33a−1)で表される構成単位:
を有するランダム共重合体である電子求引性ポリマー(A6−1)を黒茶色の固体として得た(2.9g、収率78%)。原料の仕込み量から算出される電子求引性ポリマー(A6−1)中の構成単位(23a)の数/構成単位(33a−1)の数は、9/1である。
NMR:
H NMR(500MHz, DMSO−d)δ:8.80―8.76(m), 8.04(s), 7.79−7.73(m), 7.41(brs).
GPC:
重量平均分子量(Mw)=11×10,000
数平均分子量(Mn)=2.8×10,000
分子量分布(Mw/Mn)=3.9
合成例15:電子求引性ポリマー(A7−1)の合成
反応容器の内部を窒素で置換した後、4,4’−ジアミノ−2,2’−ビフェニルジスルホン酸(2.00g、5.81mmol)、1,1−ビス(4−アミノフェニル)シクロヘキサン(0.172g、0.642mmol)、m−クレゾール(17g)、およびトリエチルアミン(1.64g、16.2mmol)を、順次、反応容器に加えた。次に反応混合物を140〜145℃で撹拌して、固形物を溶解させた後、その中にナフタレン−1,4,5,8−テトラカルボン酸二無水物(1.77g、6.58mmol)、および安息香酸(1.58g、12.9mol)を加え、170〜175℃にて22時間撹拌して、反応を行った。反応終了後、メタノールおよび濃塩酸の混合溶媒(メタノール:濃塩酸=5:1(体積比))に反応混合物を滴下して、沈殿物を析出させ、沈殿物をろ取した。
得られた沈殿物にジメチルスルホキシドを加え、100〜110℃に加熱して、溶解させた。次に、得られたジメチルスルホキシド溶液を、メタノールおよび濃塩酸の混合溶媒(メタノール:濃塩酸=5:1(体積比))に滴下して、沈殿物を析出させ、ろ取した。得られた沈殿物へのジメチルスルホキシドの添加および溶解、ジメチルスルホキシド溶液の前記混合溶媒への滴下、並びに析出した沈殿物のろ取の操作を再度行った。
得られた沈殿物にジメチルスルホキシドを添加し、100〜110℃に加熱して溶解させた後、得られたジメチルスルホキシド溶液を、分画分子量3,500の透析膜(Spectra/Por 7, MWCO(Daltons) 3500, スペクトラムラボラトリー社製)を用いて4日間透析した。透析終了後、溶液を乾燥して、式(23a)で表される構成単位および式(34a)で表される構成単位:
を有するランダム共重合体である電子求引性ポリマー(A7−1)を黒茶色の固体として得た(2.8g、収率76%)。原料の仕込み量から算出される電子求引性ポリマー(A7−1)中の構成単位(23a)の数/構成単位(34a)の数は、9/1である。
NMR:
H NMR(500MHz, DMSO−d)δ:8.99―8.75(m), 8.05(s), 7.78−7.60(m), 7.44(brs), 1.62−1.54(m).
GPC:
重量平均分子量(Mw)=8.4×10,000
数平均分子量(Mn)=2.2×10,000
分子量分布(Mw/Mn)=3.8
合成例16:電子求引性ポリマー(A8−1)の合成
反応容器の内部を窒素で置換した後、4,4’−ジアミノ−2,2’−ビフェニルジスルホン酸(10.33g、30.0mmol)、m−クレゾール(75mL)、およびトリエチルアミン(7.59g、75.0mmol)を、順次、反応容器に加えた。次に反応混合物を140〜145℃で撹拌して、固形物を溶解させた後、その中にナフタレン−1,4,5,8−テトラカルボン酸二無水物(8.21g、30.6mmol)、および安息香酸(7.33g、60.0mmol)を加え、180〜185℃にて20時間撹拌して、さらに190〜195℃にて5時間撹拌して反応を行った。反応終了後、メタノールおよび濃塩酸の混合溶媒(メタノール:濃塩酸=5:1(体積比))に反応混合物を滴下して、沈殿物を析出させ、沈殿物をろ取した。
得られた沈殿物にジメチルスルホキシドを加え、100〜110℃に加熱して、溶解させた。次に、得られたジメチルスルホキシド溶液を、メタノールおよび濃塩酸の混合溶媒(メタノール:濃塩酸=5:1(体積比))に滴下して、沈殿物を析出させ、ろ取した。得られた沈殿物へのジメチルスルホキシドの添加および溶解、ジメチルスルホキシド溶液の前記混合溶媒への滴下、並びに析出した沈殿物のろ取の操作を再度行った。
得られた沈殿物にジメチルスルホキシドを添加し、100〜110℃に加熱して溶解させた後、得られたジメチルスルホキシド溶液を、分画分子量3,500の透析膜(Spectra/Por 7, MWCO(Daltons) 3500, スペクトラムラボラトリー社製)を用いて4日間透析した。透析終了後、溶液を乾燥して、式(23a)で表される構成単位:
からなる電子求引性ポリマー(A8−1)を黒茶色の固体として得た(12.5g、収率70%)。
NMR:
H NMR(500MHz, DMSO−d)δ:9.09−8.51(br), 8.04(s), 7.76(brs), 7.62−7.25(m).
GPC:
重量平均分子量(Mw)=13×10,000
数平均分子量(Mn)=5.9×1,000
分子量分布(Mw/Mn)=21
実施例1:電子供与性ポリマー(D2−1)および電子求引性ポリマー(A2−1)の組成物(I)の膜の製造
電子供与性ポリマー(D2−1)をジメチルスルホキシドに溶解させて調製した溶液(408.9mg、ポリマー濃度:10重量%)に、電子求引性ポリマー(A2−1)をジメチルスルホキシドに溶解させて調製した溶液(3.26g、ポリマー濃度:3.3重量%)を加えた。次に溶液を撹拌した後、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製の5μmのシリンジフィルターを用いて該溶液をろ過し、得られたろ液を、直径4cmのシャーレに加え、該シャーレを温度120℃に設定したホットプレート上に置き、ジメチルスルホキシドを留去した。次に、このシャーレを真空乾燥器に置き、80℃で10時間減圧乾燥して、電子供与性ポリマー(D2−1)および電子求引性ポリマー(A2−1)の組成物(I)の膜を得た(茶色透明、膜厚:44μm)。
実施例2:電子供与性ポリマー(D2−1)および電子求引性ポリマー(A2−1)の組成物(II)の膜の製造
電子供与性ポリマー(D2−1)のジメチルスルホキシド溶液(ポリマー濃度:10重量%)と、電子求引性ポリマー(A2−1)のジメチルスルホキシド溶液(ポリマー濃度:3.3重量%)との比率を変更したこと以外は実施例1と同様にして、組成物(II)の膜を製造した。
表1に、実施例1および2で得られた組成物(I)および(II)の膜中の電子供与性ポリマー(D2−1)および電子求引性ポリマー(A2−1)の量および膜厚を記載する。なお、本明細書中の表および図では、「電子供与性ポリマー(D2−1)」等を「(D2−1)」等と略称する。
また、表1に、組成物中の電子求引性ポリマー(A2−1)のナフタレンテトラカルボン酸ジイミド部分(a)と電子供与性ポリマー(D2−1)のジオキシナフタレン部分(d)とのモル比(=ナフタレンテトラカルボン酸ジイミド部分(a)の数(モル)/ジオキシナフタレン部分(d)の数(モル))を記載する。なお、本明細書では、このモル比を「(A2−1)/(D2−1)のモル比」と略称することがある。
また、表1に、組成物中の電子求引性ポリマー(A2−1)のナフタレンテトラカルボン酸ジイミド部分(a)および電子供与性ポリマー(D2−1)のジオキシナフタレン部分(d)の合計に対するナフタレンテトラカルボン酸ジイミド部分(a)のモル分率(%)(=[(ナフタレンテトラカルボン酸ジイミド部分(a)の数(モル))/{(ナフタレンテトラカルボン酸ジイミド部分(a)の数(モル))+(ジオキシナフタレン部分(d)の数(モル))}]×100)を記載する。なお、本明細書および図面では、このモル分率を「(A2−1)のモル分率」と略称することがある。
参考例1:電子求引性ポリマー(A2−1)のみの膜の製造
電子求引性ポリマー(A2−1)(150mg)をジメチルスルホキシド(5g)に溶解させて調製した溶液を、綿栓を用いて該溶液をろ過し、得られたろ液を直径4cmのシャーレに加え、該シャーレを温度60℃にしたホットプレート上に置き、ジメチルスルホキシドを留去した。次に、このシャーレを真空乾燥器に置き、80℃で24時間減圧乾燥して、電子求引性ポリマー(A2−1)の膜を得た(薄茶色透明、膜厚24μm)。
参考例2:電子求引性ポリマー(A6−1)のみの膜の製造
電子求引性ポリマー(A6−1)(151mg)をジメチルスルホキシド(10g)に溶解させて調製した溶液を、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製の5μmのシリンジフィルターを用いて該溶液をろ過し、得られたろ液を、直径4cmのシャーレに5.0g加え、該シャーレを温度80℃にしたホットプレート上に置き、ジメチルスルホキシドを留去した。次に、このシャーレを真空乾燥器に置き、80℃で12時間減圧乾燥して、電子求引性ポリマー(A6−1)の膜を得た(茶色透明、膜厚70μm)。
参考例3:電子求引性ポリマー(A7−1)のみの膜の製造
電子求引性ポリマー(A7−1)(150mg)をジメチルスルホキシド(5g)に溶解させて調製した溶液を、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製の5μmのシリンジフィルターを用いて該溶液をろ過し、得られたろ液を、直径4cmのシャーレに2.5g加え、該シャーレを温度80℃にしたホットプレート上に置き、ジメチルスルホキシドを留去した。次に、このシャーレを真空乾燥器に置き、80℃で12時間減圧乾燥して、電子求引性ポリマー(A7−1)の膜を得た(茶色透明、膜厚48μm)。
実施例3:電子供与性ポリマー(D3a−1)および電子求引性ポリマー(A2−1)の組成物(III)の膜の製造
電子供与性ポリマー(D3a−1)をジメチルスルホキシドに溶解させて調製した溶液(185mg、ポリマー濃度:10重量%)と、電子求引性ポリマー(A2−1)をジメチルスルホキシドに溶解させて調製した溶液(2.71g、ポリマー濃度:3重量%)とを、順次、ガラス容器に加えた。次に溶液を撹拌した後、綿栓を用いて該溶液をろ過し、得られたろ液を直径4cmのシャーレに加え、該シャーレを温度60℃にしたホットプレート上に置き、ジメチルスルホキシドを留去した。次に、このシャーレを真空乾燥器に置き、60℃で24時間減圧乾燥して、電子供与性ポリマー(D3a−1)および電子求引性ポリマー(A2−1)の組成物(III)の膜を得た(茶色透明、膜厚13μm)。
実施例4〜6:電子供与性ポリマー(D3a−1)および電子求引性ポリマー(A2−1)の組成物(IV)〜(VI)の膜の製造
電子供与性ポリマー(D3a−1)のジメチルスルホキシド溶液(ポリマー濃度:10重量%)と、電子求引性ポリマー(A2−1)のジメチルスルホキシド溶液(ポリマー濃度:3重量%)との比率を変更したこと以外は実施例3と同様にして、組成物(IV)〜(VI)の膜を製造した。
電子供与性ポリマー(D3a−1)および電子求引性ポリマー(A2−1)の組成物(IV)の膜のプロトン伝導性:
温度80℃、相対湿度90%にて20.1(mS/cm)
電子供与性ポリマー(D3a−1)および電子求引性ポリマー(A2−1)の組成物(V)の膜のプロトン伝導性:
温度80℃、相対湿度90%にて4.1(mS/cm)
表2に、実施例3〜6で得られた組成物(III)〜(VI)の膜中の電子供与性ポリマー(D3a−1)および電子求引性ポリマー(A2−1)の量および膜厚を記載する。
また、表2に、組成物中の電子求引性ポリマー(A2−1)のナフタレンテトラカルボン酸ジイミド部分(a)と電子供与性ポリマー(D3a−1)のジオキシナフタレン部分(d)とのモル比(=ナフタレンテトラカルボン酸ジイミド部分(a)の数(モル)/ジオキシナフタレン部分(d)の数(モル))を記載する。なお、本明細書では、このモル比を「(A2−1)/(D3a−1)のモル比」と略称することがある。
また、表2に、組成物中の電子求引性ポリマー(A2−1)のナフタレンテトラカルボン酸ジイミド部分(a)および電子供与性ポリマー(D3a−1)のジオキシナフタレン部分(d)の合計に対するナフタレンテトラカルボン酸ジイミド部分(a)のモル分率(%)(=[(ナフタレンテトラカルボン酸ジイミド部分(a)の数(モル))/{(ナフタレンテトラカルボン酸ジイミド部分(a)の数(モル))+(ジオキシナフタレン部分(d)の数(モル))}]×100)を記載する。なお、本明細書および図面では、このモル分率を「(A2−1)のモル分率」と略称することがある。
実施例7:電子供与性ポリマー(D2−1)および電子求引性ポリマー(A3−1)の組成物(VII)の膜の製造
電子供与性ポリマー(D2−1)をジメチルスルホキシドに溶解させて調製した溶液(0.17g、ポリマー濃度:9.46重量%)と、電子求引性ポリマー(A3−1)をジメチルスルホキシドに溶解させて調製した溶液(3.84g、ポリマー濃度:2.19重量%)とを、順次、ガラス容器に加えた。次に溶液を撹拌した後、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製の5μmのシリンジフィルターを用いて該溶液をろ過し、得られたろ液を、直径4cmのシャーレに加え、該シャーレを温度120℃に設定したホットプレート上に置き、ジメチルスルホキシドを留去した。次に、このシャーレを真空乾燥器に置き、110℃で10時間減圧乾燥して、電子供与性ポリマー(D2−1)および電子求引性ポリマー(A3−1)の組成物(VII)の膜を得た(茶色透明、膜厚:21.1μm)。
実施例8:電子供与性ポリマー(D3a−1)および電子求引性ポリマー(A4−1)を含む組成物(VIII)の製造
電子供与性ポリマー(D3a−1)(12.8mg)と、電子求引性ポリマー(A4−1)(25.1mg)をサンプル瓶に加えた後、ジメチルスルホキシド(5.50g)と水(0.49g)、順次、サンプル瓶に加えた。次に溶液を撹拌し、80〜90℃で加熱して、電子供与性ポリマー(D3a−1)および電子求引性ポリマー(A4−1)を含む組成物(VIII)を得た。
実施例9:電子供与性ポリマー(D3a−1)および電子求引性ポリマー(A6−1)の組成物(IX)の膜の製造
電子供与性ポリマー(D3a−1)をジメチルスルホキシドに溶解させて調製した溶液(0.697g、ポリマー濃度:10重量%)と、電子求引性ポリマー(A6−1)をジメチルスルホキシドに溶解させて調製した溶液(5.00g、ポリマー濃度:1.5重量%)とを、順次、ガラス容器に加えた。次に溶液を撹拌した後、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製の5μmのシリンジフィルターを用いて該溶液をろ過し、得られたろ液を、直径4cmのシャーレに加え、該シャーレを温度120℃に設定したホットプレート上に置き、ジメチルスルホキシドを留去した。次に、このシャーレを真空乾燥器に置き、100℃で12時間減圧乾燥して、電子供与性ポリマー(D3a−1)および電子求引性ポリマー(A6−1)の組成物(IX)の膜を得た(茶色透明、膜厚:88μm)。
電子供与性ポリマー(D3a−1)および電子求引性ポリマー(A6−1)の組成物(IX)の膜のプロトン伝導性:
温度90℃、相対湿度80%にて2.5(mS/cm)
実施例10:電子供与性ポリマー(D3a−1)および電子求引性ポリマー(A7−1)の組成物(X)の膜の製造
電子供与性ポリマー(D3a−1)をジメチルスルホキシドに溶解させて調製した溶液(0.698g、ポリマー濃度:10重量%)と、電子求引性ポリマー(A7−1)をジメチルスルホキシドに溶解させて調製した溶液(2.46g、ポリマー濃度:3.1重量%)とを、順次、ガラス容器に加えた。次に溶液を撹拌した後、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製の5μmのシリンジフィルターを用いて該溶液をろ過し、得られたろ液を、直径4cmのシャーレに加え、該シャーレを温度120℃に設定したホットプレート上に置き、ジメチルスルホキシドを留去した。次に、このシャーレを真空乾燥器に置き、100℃で12時間減圧乾燥して、電子供与性ポリマー(D3a−1)および電子求引性ポリマー(A7−1)の組成物(X)の膜を得た(茶色透明、膜厚:47μm)。
電子供与性ポリマー(D3a−1)および電子求引性ポリマー(A7−1)の組成物(X)の膜のプロトン伝導性:
温度90℃、相対湿度80%にて14(mS/cm)
実施例11:電子供与性ポリマー(D3a−1)および電子求引性ポリマー(A4−1)を含む組成物(XI)の製造
電子供与性ポリマー(D3a−1)(12.8mg)と、ジメチルスルホキシド(3mL)とを、順次、サンプル瓶に加えた。次に溶液を撹拌し、80〜90℃で加熱して溶液にした。次に、電子供与性ポリマー(D3a−1)のジメチルスルホキシド溶液に、電子求引性ポリマー(A4−1)(25.1mg)を加えた後、エタノール(2mL)を加え、電子供与性ポリマー(D3a−1)および電子求引性ポリマー(A4−1)を含む組成物(XI)を得た。
実施例12:熱処理組成物(XII)の膜の製造
実施例4で得られた組成物(IV)の膜を、ガラス製のコック付真空デシケーター中に入れた後、デシケーター内を窒素ガスに置換した。次に、この真空デシケーターを130℃に設定した定温乾燥器に2時間静置することによって、熱処理組成物(XII)の膜を得た(濃茶色透明、膜厚18μm)。
実施例13および14:熱処理組成物(XIII)および(XIV)の膜の製造
実施例4で得られた組成物(IV)の膜に代えて、実施例5または6で得られた組成物(V)または(VI)の膜を使用したこと以外は実施例12と同様にして、熱処理組成物(XIII)および(XIV)の膜を製造した。
表3に、実施例12〜14で得られた熱処理組成物、熱処理に使用した出発組成物、(A2−1)/(D3a−1)のモル比、(A2−1)のモル分率および膜厚を記載する。
参考例4:熱処理電子求引性ポリマー(A2−1)の膜の製造
実施例4で得られた組成物(IV)の膜に代えて、参考例1で得られた電子求引性ポリマー(A2−1)の膜を使用したこと以外は実施例12と同様にして、熱処理電子求引性ポリマー(A2−1)の膜を得た(薄茶色透明、膜厚24μm)。
実施例15:電子供与性ポリマー(D2−1)および電子求引性ポリマー(A8−1)の組成物(XV)の膜の製造
電子供与性ポリマー(D2−1)をジメチルスルホキシドに溶解させて調製した溶液(158.0mg、ポリマー濃度:10重量%)に、電子求引性ポリマー(A8−1)をジメチルスルホキシドに溶解させて調製した溶液(2.81g、ポリマー濃度:3重量%)を加えた。次に溶液を撹拌した後、綿栓を用いて該溶液をろ過し、得られたろ液を直径4cmのシャーレに加え、該シャーレを温度60℃にしたホットプレート上に置き、ジメチルスルホキシドを留去した。次に、このシャーレを真空乾燥器に置き、80℃で24時間減圧乾燥して、電子供与性ポリマー(D2−1)および電子求引性ポリマー(A8−1)の組成物(XV)の膜を得た(茶色透明、膜厚:11μm)。
組成物(XV)の膜
理論イオン交換容量(IEC)=2.92(meq/g)
実施例16および17:電子供与性ポリマー(D2−1)および電子求引性ポリマー(A8−1)の組成物(XVI)および(XVII)の膜の製造
電子供与性ポリマー(D2−1)のジメチルスルホキシド溶液(ポリマー濃度:10重量%)と、電子求引性ポリマー(A8−1)のジメチルスルホキシド溶液(ポリマー濃度:3重量%)との比率を変更したこと以外は実施例15と同様にして、組成物(XVI)および(XVII)の膜を製造した。
組成物(XVI)の膜
理論イオン交換容量(IEC)=3.34(meq/g)
組成物(XVII)の膜
理論イオン交換容量(IEC)=3.41(meq/g)
表4に、実施例15〜17で得られた組成物(XV)〜(XVII)の膜中の電子供与性ポリマー(D2−1)および電子求引性ポリマー(A8−1)の量および膜厚を記載する。
また、表4に、組成物中の電子求引性ポリマー(A8−1)のナフタレンテトラカルボン酸ジイミド部分(a)と電子供与性ポリマー(D2−1)のジオキシナフタレン部分(d)とのモル比(=ナフタレンテトラカルボン酸ジイミド部分(a)の数(モル)/ジオキシナフタレン部分(d)の数(モル))を記載する。なお、本明細書では、このモル比を「(A8−1)/(D2−1)のモル比」と略称することがある。
また、表4に、組成物中の電子求引性ポリマー(A8−1)のナフタレンテトラカルボン酸ジイミド部分(a)および電子供与性ポリマー(D2−1)のジオキシナフタレン部分(d)の合計に対するナフタレンテトラカルボン酸ジイミド部分(a)のモル分率(%)(=[(ナフタレンテトラカルボン酸ジイミド部分(a)の数(モル))/{(ナフタレンテトラカルボン酸ジイミド部分(a)の数(モル))+(ジオキシナフタレン部分(d)の数(モル))}]×100)を記載する。なお、本明細書では、このモル分率を「(A8−1)のモル分率」と略称することがある。
実施例18:熱処理組成物(XVIII)の膜の製造
実施例15で得られた組成物(XV)の膜を、ガラス製のコック付真空デシケーター中に入れた後、デシケーター内を窒素ガスに置換した。次に、この真空デシケーターを150℃に設定した定温乾燥器に50時間静置することによって、熱処理組成物(XVIII)の膜を得た(濃茶色透明、膜厚11μm)。
実施例19および20:熱処理組成物(XIX)および(XX)の膜の製造
実施例15で得られた組成物(XV)の膜に代えて、実施例16または17で得られた組成物(XVI)または(XVII)の膜を使用したこと以外は実施例18と同様にして、熱処理組成物(XIX)および(XX)の膜を製造した。
組成物(XIX)の膜のプロトン伝導性:
温度59℃、相対湿度91%にて9.0(mS/cm)
組成物(XX)の膜のプロトン伝導性:
温度79℃、相対湿度90%にて32(mS/cm)
表5に、実施例18〜20で得られた熱処理組成物、熱処理に使用した出発組成物、(A8−1)/(D2−1)のモル比、(A8−1)のモル分率および膜厚を記載する。
参考例5:電子求引性ポリマー(A8−1)のみの膜の製造
電子求引性ポリマー(A8−1)(79.3mg)をジメチルスルホキシド(2mL)に溶解させて調製した溶液を、綿栓を用いて該溶液をろ過し、得られたろ液を直径4cmのシャーレに加え、該シャーレを温度60℃にしたホットプレート上に置き、ジメチルスルホキシドを留去した。次に、このシャーレを真空乾燥器に置き、80℃で24時間減圧乾燥して、電子求引性ポリマー(A8−1)の膜を得た(薄茶色透明、膜厚11μm)。
実施例21:電子供与性ポリマー(D3a−1)および電子求引性ポリマー(A8−1)の組成物(XXI)の膜の製造
電子供与性ポリマー(D3a−1)(35.8mg)をジメチルスルホキシド(1mL)に溶解させて調製した溶液と、電子求引性ポリマー(A8−1)(78.9mg)をジメチルスルホキシド(1mL)に溶解させて調製した溶液とを、順次、ガラス容器に加えた。次に溶液を撹拌した後、綿栓を用いて該溶液をろ過し、得られたろ液を直径4cmのシャーレに加え、該シャーレを温度60℃にしたホットプレート上に置き、ジメチルスルホキシドを留去した。次に、このシャーレを真空乾燥器に置き、60℃で24時間減圧乾燥して、電子供与性ポリマー(D3a−1)および電子求引性ポリマー(A8−1)の組成物(XXI)の膜を得た(茶色透明、膜厚14μm)。
実施例22:熱処理組成物(XXII)の膜の製造
実施例21で得られた組成物(XXI)の膜を、ガラス製のコック付真空デシケーター中に入れた後、デシケーター内を窒素ガスに置換した。次に、この真空デシケーターを130℃に設定した定温乾燥器に2時間静置することによって、熱処理組成物(XXII)の膜を得た(濃茶色透明、膜厚14μm)。
試験例1:電荷移動錯体の確認
紫外−可視分光法(UV−vis)にて、実施例1〜6、9および10で得られた組成物(I)〜(VI)、(IX)および(X)の膜の吸収スペクトルを測定した。また、参考例1〜3で得られた電子求引性ポリマー(A2−1)の膜、電子求引性ポリマー(A6−1)の膜および電子求引性ポリマー(A7−1)の膜の吸収スペクトルを測定した。
電子求引性ポリマー(A2−1)の膜および組成物(I)の膜の吸収スペクトルを図9に示す。また、電子求引性ポリマー(A2−1)の膜および組成物(II)の膜の吸収スペクトルを図10に示す。また、電子求引性ポリマー(A2−1)の膜および組成物(III)〜(VI)の膜の吸収スペクトルを図11に示す。また、電子求引性ポリマー(A6−1)の膜および組成物(IX)の膜の吸収スペクトルを図14に示す。また、電子求引性ポリマー(A7−1)の膜および組成物(X)の膜の吸収スペクトルを図15に示す。
図9〜図11、図14および15に示されるように、組成物(I)〜(VI)、(IX)および(X)の膜の吸収スペクトルは、530nm付近のショルダーを有していた。このショルダーは、電荷移動錯体による吸収である(Nature, 375(6529), 303-305 (1995) および Polym. J. (2013), 45, 839-844 参照)。従って、この結果から、組成物(I)〜(VI)の膜は、電荷移動錯体を形成していることが確認された。なお、異なる2種以上のポリマーの主鎖の間で電荷移動錯体を形成することは、これまで報告されていない。
試験例2:引張り破壊強度、引張り弾性率および引張り破壊伸びの測定(No.1)
実施例4〜6で得られた組成物(IV)〜(VI)の膜、および参考例1で得られた電子求引性ポリマー(A2−1)の膜の引張り破壊強度、引張り弾性率および引張り破壊伸びを、上述のようにして測定した。結果を表6に示す。表6に示されるように、電子求引性ポリマー(A2−1)の膜に比べて、組成物(IV)〜(VI)の膜は、引張り破壊強度が向上した。
試験例3:引張り破壊強度、引張り弾性率および引張り破壊伸びの測定(No.2)
実施例4で得られた組成物(IV)の膜、および実施例12で得られた熱処理組成物(XII)の膜の引張り破壊強度、引張り弾性率および引張り破壊伸びを、上述のようにして測定した。結果を表7に示す。表7に示されるように、熱処理していない組成物(IV)の膜に比べて、組成物(XII)の膜は、引張り破壊強度が約2倍向上した。
試験例4:引張り破壊強度、引張り弾性率および引張り破壊伸びの測定(No.3)
実施例22で得られた熱処理組成物(XXII)の膜、および参考例5で得られた電子求引性ポリマー(A8−1)のみの膜の膜の引張り破壊強度、引張り弾性率および引張り破壊伸びを、上述のようにして測定した。結果を表8に示す。表8に示されるように、参考例5で得られた電子求引性ポリマー(A8−1)のみの膜に比べて、熱処理組成物(XXII)の膜は、引張り破壊強度が約1.7倍向上した。
試験例5:SEM−EDXの測定
実施例1および2で得られた組成物(I)および(II)の膜のSEM−EDXを上述のようにして測定したところ、電子求引性ポリマー(A2−1)に含まれるフッ素原子が膜全体に均一に検出された。この結果より、電子供与性ポリマー(D2−1)と電子求引性ポリマー(A2−1)が均一に混合し、マイクロメートルオーダーで相分離していないことが確認できた。得られた組成物(I)の膜のEDXによるフッ素の元素マッピングを図12に示す。また、得られた組成物(II)の膜のEDXによるフッ素の元素マッピングを図13に示す。
試験例6:吸水率の測定
実施例3〜6で得られた組成物(III)〜(VI)の膜から、試験片1cm×1cm(約1〜4mg)を切り出し、それらを80℃で24時間乾燥した後、試験片の乾燥重量Wdを測定した。次いで試験片を、室温で24時間、水に浸漬した。試験片を水から取り出し、手早く表面に付着した水をペーパーでふき取り、試験片の水浸漬後の重量Wsを測定した。これらWdおよびWs、並びに次式:
吸水率(%)=100×(Ws−Wd)/Wd
から吸水率(%)を算出した。結果を表9に示す。
試験例7:水素ガス透過性の測定
実施例4〜6と同様にして製造した組成物(IV)〜(VI)の膜(膜厚:10μm)の水素ガス透過性を上述のようにして測定した。また、ナフィオン212の膜(ナフィオンは登録商標、デュポン社製、東陽テクニカ社より購入、膜厚:50μm)の水素ガス透過性を同様に測定した。結果を表10に示す。表10に示されるように、組成物(IV)〜(VI)の膜は、市販のナフィオン212の膜に比べて水素ガス透過性が低かった。水素ガス透過性が低い組成物(IV)〜(VI)の膜を燃料電池の電解質膜として使用すれば、燃料ガスのクロスオーバーを抑制することができ、それによって燃料電池の性能向上が期待できる。
試験例8:燃料電池の発電試験1(No.1)
実施例4と同様にして製造した組成物(IV)の膜(膜厚:13μm)およびナフィオン212(デュポン社製、東陽テクニカ社より購入、膜厚:50μm)を電解質膜として用いて、燃料電池の発電試験1を上述のようにして行った。結果を表11に示す。表11に示されるように、組成物(IV)の膜のセル抵抗値は、市販のナフィオン212とほぼ同等の値を示した。さらに組成物(IV)の膜を電解質膜として作製した単セルのOCVは0.875Vであった。
また、組成物(IV)の膜を用いた発電試験1での電圧および電流密度の結果を表12に示す。
試験例9:燃料電池の発電試験1(No.2)
実施例20と同様にして製造した熱処理組成物(XX)の膜(膜厚:14μm)を電解質膜として用いて、燃料電池の発電試験1を上述のようにして行った。熱処理組成物(XX)の膜のセル抵抗値は、0.65(Ω)であった。さらに熱処理組成物(XX)の膜を電解質膜として作製した単セルのOCVは0.847Vであった。この発電試験1での電圧および電流密度の結果を表13に示す。
試験例10:燃料電池の発電試験2
組成物(VIII)(即ち、電子供与性ポリマー(D3a−1)および電子求引性ポリマー(A4−1)の組成物)を含む触媒層を用いた燃料電池の発電試験2を上述のようにして行った。この発電試験2での電圧および電流密度の結果を表14に示す。表14に示されるように、組成物(VIII)を含む触媒層を用いて発電できることが確認された。
試験例11:燃料電池の発電試験3
組成物(XI)(即ち、電子供与性ポリマー(D3a−1)および電子求引性ポリマー(A4−1)の組成物)を含む触媒層を用いた燃料電池の発電試験3を上述のようにして行った。この発電試験3での電圧および電流密度の結果を表15に示す。表15に示されるように、組成物(XI)を含む触媒層を用いて発電できることが確認された。
試験例12:電荷移動錯体の確認
紫外−可視分光法(UV−vis)にて、電子求引性ポリマー(A2−1)の膜および組成物(III)〜(VI)の膜、並びに熱処理電子求引性ポリマー(A2−1)の膜、および熱処理組成物(XII)〜(XIV)の膜の吸収スペクトルを測定した。使用した電子求引性ポリマー(A2−1)の膜等における(A2−1)のモル分率(%)を表16に示す。なお、電子求引性ポリマー(A2−1)の膜および熱処理電子求引性ポリマー(A2−1)の膜における(A2−1)のモル分率は100%である。
熱処理していないポリマーまたは組成物の膜の(A2−1)のモル分率および熱処理ポリマーまたは熱処理組成物の膜の(A2−1)のモル分率と、測定された吸収スペクトルの530nmでの標準化した吸光度との関係を示すグラフを図16に示す。
図16に示すように、熱処理の有無に関わらず、(A2−1)のモル分率が50%の時に、電荷移動錯体に由来する530nmでの吸光度が最大であった。この結果から、電子供与性ポリマー(D3a−1)のジオキシナフタレン部分(d)と電子求引性ポリマー(A2−1)のナフタレンテトラカルボン酸ジイミド部分(a)のモル比が1:1であるときに、電荷移動錯体の形成量が最大になることが確認された。
さらに、熱処理組成物の膜の530nmでの吸光度は、熱処理していない組成物の膜の吸光度と比較して2〜3倍高かった。この結果から、熱処理していない組成物中において電子供与性ポリマー(D3a−1)および電子求引性ポリマー(A2−1)の電荷移動錯体を形成していなかった部分が、熱処理によって、電荷移動錯体を形成することが確認された。
試験例13:化学耐久性の評価
実施例18で得られた熱処理組成物(XVIII)の膜(膜厚:11μm)、参考例5と同様にして製造した電子求引性ポリマー(A8−1)のみの膜(膜厚:12μm)、およびナフィオン212の膜(膜厚:51μm)の化学耐久性の評価試験を上述のようにして測定した。結果を表17に示す。この試験において、熱処理組成物(XVIII)の膜は、ナフィオン212の膜と同程度の化学耐久性を示した。
電子求引性ポリマー(A8−1)のみの膜は、化学耐久性の評価試験の開始から15分でフェントン試験液中に溶けて、膜の形状を維持できなかった。熱処理組成物(XVIII)の膜と電子求引性ポリマー(A8−1)のみの膜との対比から、組成物(XVIII)の膜は、フェントン試験液(即ち、硫酸鉄(II)および過酸化水素を含有する水溶液)への溶解が抑制されていることを確認できた。
本発明の組成物は、例えば、燃料電池用の電解質材料(例えば、触媒層に用いる電解質材料、電解質膜等)として有用である。
本願は、日本で出願された特願2016−196739号、特願2017−019056号および特願2017−096077号を基礎としており、それらの内容は本願明細書に全て包含される。

Claims (45)

  1. 電子供与性ポリマー(D)および電子求引性ポリマー(A)を含む組成物であり、
    電子供与性ポリマー(D)が、式(1):
    [式中、Xは、ナフタレン環を含有する2価の基であり、
    は、置換基を有していてもよいC3−10アルキレン基を含有する2価の基または置換基を有していてもよいベンゼン環を含有する2価の基であり、および
    *は、結合位置を示す。]
    で表される構造を有し、
    電子求引性ポリマー(A)が、式(2):
    [式中、Xは、ナフタレン環を含有する4価の基であり、
    が置換基を有していてもよいC3−10アルキレン基を含有する2価の基である場合、Yは、置換基を有していてもよいベンゼン環を含有する2価の基であり、
    が置換基を有していてもよいベンゼン環を含有する2価の基である場合、Yは、置換基を有していてもよいC3−10アルキレン基を含有する2価の基であり、および
    *は、結合位置を示す。]
    で表される構造を有する組成物。
  2. およびYの少なくとも一方が、スルホ基を有する請求項1に記載の組成物。
  3. が、置換基を有していてもよいC3−10アルキレン基を含有する2価の基であり、およびYが、置換基を有していてもよいベンゼン環を含有する2価の基である請求項1または2に記載の組成物。
  4. が、式(3)または式(4):
    [式中、*は、結合位置を示す。]
    で表される2価の基である請求項1〜3のいずれか一項に記載の組成物。
  5. が、式(5)、式(6−1)または式(6−2):
    [式中、*は、結合位置を示す。]
    で表される4価の基である請求項1〜4のいずれか一項に記載の組成物。
  6. またはYが、式(7):
    [式中、Rは、水素原子またはスルホ基であり、および
    *は、結合位置を示す。]
    で表される構造を含有する2価の基である請求項1〜5のいずれか一項に記載の組成物。
  7. またはYが、式(8)〜式(11):
    [式中、n2〜n11は、それぞれ独立に、0〜4の整数であり、
    〜R11は、それぞれ独立に、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−10アルキル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−10アルコキシ基、ヒドロキシ基、ハロゲン原子、ニトロ基、ホルミル基、シアノ基、スルホ基、Wで置換されていてもよいフェニル基、Wで置換されていてもよいチエニル基、またはWで置換されていてもよいフリル基であり、
    は、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−10アルキル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−10アルコキシ基、ヒドロキシ基、ハロゲン原子、ニトロ基、ホルミル基、シアノ基またはスルホ基であり、
    n2〜n11が2〜4の整数である場合、複数のR〜R11は、互いに、同じまたは異なるものでもよく、
    〜Zは、それぞれ独立に、単結合、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−2アルキレン基、C3−10アルキレン基、スルホニル基、カルボニル基、*−CONH−*、*−NHCO−*、*−C(R21)(R22)−*、またはオキシ基であり、
    21およびR22は、それぞれ独立に、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−3アルキル基であるか、またはR21およびR22は互いに結合して、それらが結合する炭素原子と共に、C3−6炭化水素環を形成する、および
    *は、結合位置を示す。]
    のいずれかで表される2価の基である請求項1〜6のいずれか一項に記載の組成物。
  8. 電子供与性ポリマー(D)が、式(12)または式(13):
    [式中、Lは、式(3)、式(4)または式(14):
    {式中、m1およびm2は、それぞれ独立に、0〜4の整数であり、および
    *は、結合位置を示す。}
    で表される2価の基であり、
    が式(3)または式(4)で表される2価の基である場合、R1aおよびR1bは、水素原子であり、
    が式(14)で表される2価の基である場合、R1aおよびR1bは、それぞれ独立に、水素原子またはスルホ基であり、および
    *は、結合位置を示す。]
    で表される構成単位を有する電子供与性ポリマー(D1)を含む請求項1〜7のいずれか一項に記載の組成物。
  9. 電子供与性ポリマー(D1)が、式(15):
    [式中、*は、結合位置を示す。]
    で表される構成単位を有する電子供与性ポリマー(D2)を含む請求項8に記載の組成物。
  10. 電子供与性ポリマー(D1)が、式(16):
    [式中、R1aおよびR1bは、それぞれ独立に、水素原子またはスルホ基であり、
    m1およびm2は、それぞれ独立に、0〜4の整数であり、および
    *は、結合位置を示す。]
    で表される構成単位を有する電子供与性ポリマー(D3)を含む請求項8に記載の組成物。
  11. 1aおよびR1bが水素原子である請求項8または10に記載の組成物。
  12. m1およびm2が0である請求項8、10または11に記載の組成物。
  13. 式(8)で表される2価の基が、式(8−1):
    [式中、n2、Rおよび*は、前記の通りである。]
    で表される2価の基であり、Z〜Zが、それぞれ独立に、単結合、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−2アルキレン基、C3−10アルキレン基、スルホニル基、カルボニル基、*−CONH−*、*−NHCO−*、またはオキシ基である請求項7〜12のいずれか一項に記載の組成物。
  14. 電子求引性ポリマー(A)が、式(17a):
    [式中、L2aは、式(8)〜式(11):
    {式中、n2〜n11は、それぞれ独立に、0〜4の整数であり、
    〜R11は、それぞれ独立に、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−10アルキル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−10アルコキシ基、ヒドロキシ基、ハロゲン原子、ニトロ基、ホルミル基、シアノ基、スルホ基、Wで置換されていてもよいフェニル基、Wで置換されていてもよいチエニル基、またはWで置換されていてもよいフリル基であり、
    は、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−10アルキル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−10アルコキシ基、ヒドロキシ基、ハロゲン原子、ニトロ基、ホルミル基、シアノ基またはスルホ基であり、
    n2〜n11が2〜4の整数である場合、複数のR〜R11は、互いに、同じまたは異なるものでもよく、
    〜Zは、それぞれ独立に、単結合、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−2アルキレン基、C3−10アルキレン基、スルホニル基、カルボニル基、*−CONH−*、*−NHCO−*、*−C(R21)(R22)−*、またはオキシ基であり、
    21およびR22は、それぞれ独立に、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−3アルキル基であるか、またはR21およびR22は互いに結合して、それらが結合する炭素原子と共に、C3−6炭化水素環を形成する、および
    *は、結合位置を示す。}
    のいずれかで表される2価の基であり、および
    *は、結合位置を示す。]
    で表される構成単位を有する電子求引性ポリマー(A1a)を含む請求項1〜13のいずれか一項に記載の組成物。
  15. 電子求引性ポリマー(A1a)が、式(23):
    [式中、m3およびm4は、それぞれ独立に、0〜3の整数であり、および
    *は、結合位置を示す。]
    で表される構成単位、および式(17b):
    [式中、L2bは、式(8b)〜式(11b):
    {式中、n2b〜n11bは、それぞれ独立に、0〜4の整数であり、
    2b〜R11bは、それぞれ独立に、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−10アルキル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−10アルコキシ基、ヒドロキシ基、ハロゲン原子、ニトロ基、ホルミル基、シアノ基、W1bで置換されていてもよいフェニル基、W1bで置換されていてもよいチエニル基、またはW1bで置換されていてもよいフリル基であり、
    1bは、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−10アルキル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−10アルコキシ基、ヒドロキシ基、ハロゲン原子、ニトロ基、ホルミル基、またはシアノ基であり、
    n2b〜n11bが2〜4の整数である場合、複数のR2b〜R11bは、互いに、同じまたは異なるものでもよく、
    1b〜Z6bは、それぞれ独立に、単結合、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−2アルキレン基、C3−10アルキレン基、スルホニル基、カルボニル基、*−CONH−*、*−NHCO−*、*−C(R21b)(R22b)−*、またはオキシ基であり、
    21bおよびR22bは、それぞれ独立に、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−3アルキル基であるか、またはR21bおよびR22bは互いに結合して、それらが結合する炭素原子と共に、C3−6炭化水素環を形成する、および
    *は、結合位置を示す。}
    のいずれかで表される2価の基であり、および
    *は、結合位置を示す。]
    で表される構成単位を有する電子求引性ポリマー(A1b)を含む請求項14に記載の組成物。
  16. 式(23)で表される構成単位の数と式(17b)で表される構成単位の数との比(式(23)で表される構成単位の数/式(17b)で表される構成単位の数)が、0.1/99.9〜99.9/0.1である請求項15に記載の組成物。
  17. 電子求引性ポリマー(A)が、式(17):
    [式中、Lは、式(18)〜式(22)、式(31)および式(32):
    {式中、m3およびm4は、それぞれ独立に、0〜3の整数であり、
    m5〜m7は、それぞれ独立に、1〜4の整数であり、
    n12は、1〜4の整数であり、
    12は、フッ素原子またはトリフルオロメチル基であり、n12が2〜4の整数である場合、複数のR12は、互いに、同じまたは異なるものでもよく、
    n13〜n16は、それぞれ独立に、0〜4の整数であり、
    13は、ニトロ基、スルホ基またはトリフルオロメチル基であり、n13が2〜4の整数である場合、複数のR13は、互いに、同じまたは異なるものでもよく、
    14は、塩素原子またはスルホ基であり、n14が2〜4の整数である場合、複数のR14は、互いに、同じまたは異なるものでもよく、
    15は、塩素原子またはスルホ基であり、n15が2〜4の整数である場合、複数のR15は、互いに、同じまたは異なるものでもよく、
    16は、ニトロ基、スルホ基またはトリフルオロメチル基であり、n16が2〜4の整数である場合、複数のR16は、互いに、同じまたは異なるものでもよく、
    n23およびn24は、それぞれ独立に、0〜4の整数であり、
    23は、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−3アルキル基またはスルホ基であり、n23が2〜4の整数である場合、複数のR23は、互いに、同じまたは異なるものでもよく、
    24は、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−3アルキル基またはスルホ基であり、n24が2〜4の整数である場合、複数のR24は、互いに、同じまたは異なるものでもよく、
    n25およびn26は、それぞれ独立に、0〜4の整数であり、
    25は、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−3アルキル基またはスルホ基であり、n25が2〜4の整数である場合、複数のR25は、互いに、同じまたは異なるものでもよく、
    26は、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−3アルキル基またはスルホ基であり、n26が2〜4の整数である場合、複数のR26は、互いに、同じまたは異なるものでもよく、および
    *は、結合位置を示す。}
    のいずれかで表される2価の基であり、および
    *は、結合位置を示す。]
    で表される構成単位を有する電子求引性ポリマー(A1)を含む請求項1〜12のいずれか一項に記載の組成物。
  18. が、式(18)〜式(22)のいずれかで表される2価の基である請求項17に記載の組成物。
  19. 電子求引性ポリマー(A1)が、式(23):
    [式中、m3およびm4は、それぞれ独立に、0〜3の整数であり、および
    *は、結合位置を示す。]
    で表される構成単位、および式(24):
    [式中、
    m5およびm6は、それぞれ独立に、1〜4の整数であり、および
    *は、結合位置を示す。]
    で表される構成単位を有する電子求引性ポリマー(A2)を含む請求項17に記載の組成物。
  20. 式(23)で表される構成単位の数と式(24)で表される構成単位の数との比(式(23)で表される構成単位の数/式(24)で表される構成単位の数)が、0.1/99.9〜99.9/0.1である請求項19に記載の組成物。
  21. 電子求引性ポリマー(A1)が、式(23):
    [式中、m3およびm4は、それぞれ独立に、0〜3の整数であり、および
    *は、結合位置を示す。]
    で表される構成単位、および式(25):
    [式中、m7は、1〜4の整数であり、および
    *は、結合位置を示す。]
    で表される構成単位を有する電子求引性ポリマー(A3)を含む請求項17に記載の組成物。
  22. 式(23)で表される構成単位の数と式(25)で表される構成単位の数との比(式(23)で表される構成単位の数/式(25)で表される構成単位の数)が、0.1/99.9〜99.9/0.1である請求項21に記載の組成物。
  23. 電子求引性ポリマー(A1)が、式(23):
    [式中、m3およびm4は、それぞれ独立に、0〜3の整数であり、および
    *は、結合位置を示す。]
    で表される構成単位、および式(26):
    [式中、n12は、1〜4の整数であり、
    12は、フッ素原子またはトリフルオロメチル基であり、n12が2〜4の整数である場合、複数のR12は、互いに、同じまたは異なるものでもよく、および
    *は、結合位置を示す。]
    で表される構成単位を有する電子求引性ポリマー(A4)を含む請求項17に記載の組成物。
  24. 式(23)で表される構成単位の数と式(26)で表される構成単位の数との比(式(23)で表される構成単位の数/式(26)で表される構成単位の数)が、0.1/99.9〜99.9/0.1である請求項23に記載の組成物。
  25. 電子求引性ポリマー(A1)が、式(23):
    [式中、m3およびm4は、それぞれ独立に、0〜3の整数であり、および
    *は、結合位置を示す。]
    で表される構成単位、および式(27):
    [式中、n13〜n16は、それぞれ独立に、0〜4の整数であり、
    13は、ニトロ基、スルホ基またはトリフルオロメチル基であり、n13が2〜4の整数である場合、複数のR13は、互いに、同じまたは異なるものでもよく、
    14は、塩素原子またはスルホ基であり、n14が2〜4の整数である場合、複数のR14は、互いに、同じまたは異なるものでもよく、
    15は、塩素原子またはスルホ基であり、n15が2〜4の整数である場合、複数のR15は、互いに、同じまたは異なるものでもよく、
    16は、ニトロ基、スルホ基またはトリフルオロメチル基であり、n16が2〜4の整数である場合、複数のR16は、互いに、同じまたは異なるものでもよく、および
    *は、結合位置を示す。]
    で表される構成単位を有する電子求引性ポリマー(A5)を含む請求項17に記載の組成物。
  26. 式(23)で表される構成単位の数と式(27)で表される構成単位の数との比(式(23)で表される構成単位の数/式(27)で表される構成単位の数)が、0.1/99.9〜99.9/0.1である請求項21に記載の組成物。
  27. 電子求引性ポリマー(A1)が、式(23):
    [式中、m3およびm4は、それぞれ独立に、0〜3の整数であり、および
    *は、結合位置を示す。]
    で表される構成単位、および式(33):
    [式中、n23およびn24は、それぞれ独立に、0〜4の整数であり、
    23は、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−3アルキル基またはスルホ基であり、n23が2〜4の整数である場合、複数のR23は、互いに、同じまたは異なるものでもよく、
    24は、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−3アルキル基またはスルホ基であり、n24が2〜4の整数である場合、複数のR24は、互いに、同じまたは異なるものでもよく、および
    *は、結合位置を示す。]
    で表される構成単位を有する電子求引性ポリマー(A6)を含む請求項17に記載の組成物。
  28. 式(23)で表される構成単位の数と式(33)で表される構成単位の数との比(式(23)で表される構成単位の数/式(33)で表される構成単位の数)が、0.1/99.9〜99.9/0.1である請求項27に記載の組成物。
  29. 電子求引性ポリマー(A1)が、式(23):
    [式中、m3およびm4は、それぞれ独立に、0〜3の整数であり、および
    *は、結合位置を示す。]
    で表される構成単位、および式(34):
    [式中、n25およびn26は、それぞれ独立に、0〜4の整数であり、
    25は、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−3アルキル基またはスルホ基であり、n25が2〜4の整数である場合、複数のR25は、互いに、同じまたは異なるものでもよく、
    26は、ハロゲン原子で置換されていてもよいC1−3アルキル基またはスルホ基であり、n26が2〜4の整数である場合、複数のR26は、互いに、同じまたは異なるものでもよく、および
    *は、結合位置を示す。]
    で表される構成単位を有する電子求引性ポリマー(A7)を含む請求項17に記載の組成物。
  30. 式(23)で表される構成単位の数と式(34)で表される構成単位の数との比(式(23)で表される構成単位の数/式(34)で表される構成単位の数)が、0.1/99.9〜99.9/0.1である請求項29に記載の組成物。
  31. m5およびm6が4である請求項17〜20のいずれか一項に記載の組成物。
  32. m7が4である請求項17、18、21または22に記載の組成物。
  33. n12が1であり、およびR12がトリフルオロメチル基である請求項17、18、23または24に記載の組成物。
  34. n13〜n16が0である請求項17、18、25または26に記載の組成物。
  35. n23およびn24が0である請求項17、27または28に記載の組成物。
  36. n25およびn26が0である請求項17、29または30に記載の組成物。
  37. m3およびm4が0である請求項17〜36のいずれか一項に記載の組成物。
  38. 電子供与性ポリマー(D)および電子求引性ポリマー(A)が、電荷移動錯体を形成している請求項1〜37のいずれか一項に記載の組成物。
  39. 請求項1〜38のいずれか一項に記載の組成物を含む燃料電池の電解質膜。
  40. 請求項1〜38のいずれか一項に記載の組成物を含む燃料電池の触媒層。
  41. 電子求引性ポリマー(A1)が、式(23):
    [式中、m3およびm4は、それぞれ独立に、0〜3の整数であり、および
    *は、結合位置を示す。]
    で表される構成単位からなる電子求引性ポリマー(A8)を含む請求項17に記載の組成物。
  42. m3およびm4が0である請求項41に記載の組成物。
  43. 電子供与性ポリマー(D)および電子求引性ポリマー(A)が、電荷移動錯体を形成している請求項41または42に記載の組成物。
  44. 請求項41〜43のいずれか一項に記載の組成物を含む燃料電池の電解質膜。
  45. 請求項41〜43のいずれか一項に記載の組成物を含む燃料電池の触媒層。
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