JPWO2018235911A1 - 含フッ素重合体、官能基含有含フッ素重合体および電解質膜の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
[1]テトラフルオロエチレンと、スルホン酸基またはカルボン酸基に変換し得る基を有する含フッ素単量体とを含む単量体混合物を重合媒体中で重合する含フッ素重合体の製造方法であって、前記重合媒体が、炭素数4〜10の環状ハイドロフルオロカーボンを主成分とすることを特徴とする含フッ素重合体の製造方法。
[2]前記含フッ素単量体が、スルホン酸基またはカルボン酸基に変換し得る基を有するビニルエーテルである前記[1]の製造方法。
[3]前記単量体混合物の総量に対して、前記テトラフルオロエチレンの割合が5〜70モル%であり、前記含フッ素単量体の割合が30〜95モル%である前記[1]または[2]の製造方法。
[4]前記含フッ素重合体のTQ値は、150〜340℃である前記[1]〜[3]のいずれかの製造方法。
[5]前記含フッ素単量体が、下式(m1)で表される単量体および下式(m2)で表される単量体からなる群から選ばれる少なくとも1種を含む前記[1]〜[4]のいずれかの製造方法。
[7]前記含フッ素単量体が、下記の単量体(m2−1)、単量体(m2−2)または単量体(m2−3)である前記[1]〜[5]のいずれかの含フッ素重合体の製造方法。
[9]前記環状ハイドロフルオロカーボンが、前記環状ハイドロフルオロカーボンが、1,1,2,2,3,3,4−ヘプタフルオロシクロペンタン、または1H,2H−オクタフルオロシクロペンタンである前記[1]〜[8]のいずれかの製造方法。
[10]前記環状ハイドロフルオロカーボンの含有量が、全重合媒体中50質量%以上である[1]〜[9]のいずれかの製造方法。
[11]前記[1]〜[10]のいずれかの製造方法により含フッ素重合体を製造し、前記含フッ素重合体のスルホン酸基に変換し得る基をスルホン酸基に変換するか、またはカルボン酸基に変換し得る基をカルボン酸基に変換する、官能基含有含フッ素重合体の製造方法。
[13]前記[11]の製造方法により官能基含有含フッ素重合体を製造し、前記官能基含有含フッ素重合体を用いて膜を形成する、電解質膜の製造方法。
[14]前記官能基含有含フッ素重合体のイオン交換容量が、0.5〜2.5ミリ当量/g乾燥樹脂である前記[12]または[13]の製造方法
「単位」とは、単量体1分子が重合して直接形成される原子団と、該原子団の一部を化学変換して得られる原子団の総称である。
「エーテル性酸素原子」とは、炭素−炭素原子間に1個存在する酸素原子(−C−O−C−)である。
「カルボン酸基」は、−COOHおよび−COOM2(ただし、M2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。)を総称である。
「前駆体基」とは、スルホン酸基に変換し得る基と、カルボン酸基に変換し得る基の総称である。
「TQ値」は、ポリマーの分子量および軟化温度の指標である。TQ値が大きいほど分子量が大きいことを示す。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、溶融押出しを行った際の重合体の押出し量が100mm3/秒となる温度である。
テトラフルオロエチレンを「TFE」と記す。
ハイドロフルオロカーボンを「HFC」と記す。
前駆体基を有する含フッ素単量体を「単量体(m)」と記す。
単量体(m)に基づく単位を「単位(m)」と記す。他の単量体に基づく単位もこれに準じて記す。
イオン交換容量を「AR」と記す。
本発明の含フッ素重合体の製造方法は、TFEと単量体(m)とを含む単量体混合物を重合媒体中で重合する含フッ素重合体の製造方法であって、前記重合媒体が、炭素数4〜10の環状HFCを主成分とする方法である。
スルホン酸基に変換し得る基としては、例えば、−SO2X(ただし、Xはフッ素原子、塩素原子または臭素原子である。)、−SO2R1(ただし、R1はエーテル性酸素原子を有していてもよいペルフルオロアルキル基である。)が挙げられる。なかでも、−SO2Xが好ましく、−SO2Fが特に好ましい。
R1のペルフルオロアルキル基がエーテル性酸素原子を有する場合、エーテル性酸素原子は、1個であってもよく、2個以上であってもよい。また、エーテル性酸素原子は、ペルフルオロアルキル基の炭素原子−炭素原子結合間に挿入されていてもよいが、炭素原子結合末端には挿入されない。
また、重合時の反応性が良好であることから、単量体(m)はビニルエーテルが好ましいく、パーフルオロビニルエーテルがより好ましい。
単量体(m)としては、単量体(m1)または単量体(m2)のいずれか一方のみを用いてもよく、単量体(m1)と単量体(m2)の両方を用いてもよい。
単量体(m1)の具体例としては、下記が挙げられる。
CF2=CF−O−CF2CF2−COOCH3、CF2=CF−O−CF2CF2−CF2−COOCH3、CF2=CF−O−CF2CF2−CF2CF2−COOCH3、CF2=CF−O−CF2CF2−CF2CF2−CF2−COOCH3、CF2=CF−O−CF2CF2−O−CF2CF2−COOCH3、CF2=CF−O−CF2CF2−O−CF2CF2−CF2−COOCH3、CF2=CF−O−CF2CF2−O−CF2CF2−CF2CF2−COOCH3、CF2=CF−O−CF2−CF2CF2−O−CF2CF2−COOCH3、
CF2=CF−O−CF2CF(CF3)−O−CF2CF2−COOCH3、CF2=CF−O−CF2CF(CF3)−O−CF2−CF2CF2−COOCH3
単量体(m1)は、1種を単独でも、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
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、単量体の沸点が低くなり、蒸留精製が容易となる。また、炭素数が6以下であれば、含フッ素重合体のイオン交換容量の低下が抑えられ、伝導性の低下が抑えられる。
Q11、Q12の少なくとも一方は、エーテル性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が好ましい。かかる基を有する単量体は、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。
Z1としては、フッ素原子、またはエーテル性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く、フッ素原子がより好ましい。
かかる他の単量体としては、下記単量体(m3)から選ばれる少なくとも一つの単量体が挙げられる
CF2=CF−O−Rf (m3)
ここで、Rfは、炭素数1〜12のペルフルオロアルキル基、炭素数2〜10のペルフルオロアルキル基の炭素−炭素結合間にエーテル性の酸素原子を有する基、または炭素数2〜12のペルフルオロアルケニル基である。
CF2=CF−O−CF3 (m3−1)
CF2=CF−O−CF2CF2CF3 (m3−2)
CF2=CF−O−CF2CF(CF3)−O−CF2CF2CF3 (m3−3)
CF2=CF−O−CF2CF2CF=CF2 (m3−4)
ここで、R11は、フッ素原子、炭素数1〜10のペルフルオロアルキル基または炭素数2〜10のペルフルオロアルキル基の炭素−炭素結合間にエーテル性の酸素原子を有する基である。R11としては、炭素数1〜5のペルフルオロアルキル基が好ましく、トリフルオロメチル基がより好ましい。ペルフルオロアルキル基は、直鎖状であっても、分岐状であってもよく、直鎖状であることが好ましい。
Qは、単結合、炭素数1〜10のペルフルオロアルキレン基または炭素数2〜10のペルフルオロアルキレン基の炭素−炭素結合間にエーテル性の酸素原子を有する基である。
ペルフルオロビニルエーテルとしては、例えば、ペルフルオロ(アルキルビニルエーテル)、ペルフルオロ(エーテル性酸素原子含有アルキルビニルエーテル)が挙げられる。
TFEの割合および単量体(m)の割合が上記範囲にある場合、機械的強度および化学的耐久性に優れ、かつイオン交換容量の高い含フッ素重合体が得られやすい。
なお、一部の単量体は重合媒体に溶解せずに反応容器の気相部分に存在する場合もあるが、これらの気相部分に存在する単量体も単量体混合物の一部とみなす。
環状HFCは、1種を単独でも2種以上を組み合わせて用いてもよい。
鎖状HFCは、例えば、C2F5C2H5、CHF2CF2CF2CHF2、CH3CF2CFHCF3、CF3CH2CF2CH3、CF3CFHCFHCF2CF3、(CF3)2CFC2H5、CH3CHFC2F5C2H5、CH3CF2CF2CF2CF2H、C4F9C2H5、C2F5C2H4C2F5、(CF3)2CFCHFCHFCF3、CH3CF2CF2CF2CF2CF2CF2H、C6F13H、C6F13C2H5、C2H5C2F4C2H5、C8F17C2H5が挙げられる。鎖状HFCは、1種を単独でも2種以上を組み合わせて用いてもよい。
重合方法は、溶液重合、懸濁重合、乳化重合など公知の重合方法を採用できるが、溶液重合、懸濁重合が好ましく、溶液重合がより好ましい。
重合に用いるラジカル開始剤としては、例えば、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、ジアルキルパーオキシド類、ビス(フルオロアルキル)パーオキシド類、アゾ化合物類、過硫酸塩類が挙げられる。
重合時間は、2〜30時間が好ましく、3〜25時間がより好ましい。
単位(TFE)の割合および単位(m)の割合が上記範囲にある場合、機械的強度および化学的耐久性に優れ、かつイオン交換容量の高い含フッ素重合体が得られやすい。
本発明の官能基含有含フッ素重合体の製造方法は、本発明の含フッ素重合体の製造方法により含フッ素重合体を製造し、前記含フッ素重合体のスルホン酸基に変換し得る基をスルホン酸基に変換するか、またはカルボン酸基に変換し得る基をカルボン酸基に変換する方法である。
本発明の電解質膜の製造方法は、下記の方法(x−1)または方法(x−2)の2種類に大別される。
(x−1)本発明で製造した含フッ素重合体を用いて膜を形成した後、前駆体基をイオン交換基に変換する方法。
(x−2)本発明で製造した官能基含有含フッ素重合体を用いて膜を形成する方法。
含フッ素重合体を膜状に成形する方法としては、含フッ素重合体が溶融流動性に優れる点から、押出成形法、加圧プレス成形法、または延伸法が好ましい。
膜形成後に含フッ素重合体の前駆体基をイオン交換基に変換する方法としては、官能基含有含フッ素重合体の製造方法で説明した方法を採用できる。
官能基含有含フッ素重合体を膜状に成形する方法としては、官能基含有含フッ素重合体の液状組成物を基材に塗工し、乾燥する方法(キャスト法)が好ましい。液状組成物は、水酸基を有する有機溶媒および水を含む分散媒に、官能基含有含フッ素重合体を分散させた分散液である。
膜形成後には、方法(x−1)と同様に、電解質膜を安定化させるために熱処理を行うことが好ましい。
各例の含フッ素重合体の製造において、下式から重合速度Rp(g/h・L)を算出して重合反応性を評価した。Rpの値が大きいほど、重合反応性が良好であることを意味する。
Rp=W1/(T1×V1)
ただし、前記式中、W1は含フッ素重合体の収量(g)であり、T1は重合時間(h)であり、V1は重合に用いた単量体と重合媒体との合計体積(L)である。
ポリカーボネート製の容器に、官能基含有含フッ素重合体の0.7g、および0.35Nの水酸化ナトリウム水溶液の10mLを加え、60℃で40時間静置することによって、官能基含有含フッ素重合体のスルホン酸基を完全にNa型に転換した。該溶液を0.1Nの塩酸で逆滴定し、溶液中の水酸化ナトリウムの量を求めることによって、含フッ素重合体のAR(ミリ当量/g乾燥樹脂)を算出した。
フローテスタCFT−500A(島津製作所社製)を用い、温度を変えて含フッ素重合体の押出し量を測定し、押出し量が100mm3/秒となるTQ値を求めた。
TFE:テトラフルオロエチレン(CF2=CF2)、
PSVE:CF2=CFOCF2CF(CF3)OCF2CF2SO2F、
HFC−c−447ef:1,1,2,2,3,3,4−ヘプタフルオロシクロペンタン(ゼオローラH、日本ゼオン社商品名製、GWP=250)、
AC2000:C6F13H(アサヒクリン(旭硝子社登録商標)AC−2000、GWP=2000)、
AE3000:CF3CH2OCF2CF2H(アサヒクリン(旭硝子社登録商標)AE−3000)、
AIBN:2,2’−アゾビス(イソブチロニトリル)。
内容積230mLのステンレス製オートクレーブに、PSVEの131.71g、重合媒体としてHFC−c−447efの36.および14g、AIBNの22.2mgを仕込み、液体窒素による冷却下、オートクレーブ内を充分に脱気した。75℃に昇温した後、TFEを導入し、圧力を1.305MPaGとした。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4時間後にオートクレーブを冷却して重合反応を停止した。連続的に導入したTFEの量は10.60gであった。
オートクレーブから抜き出した反応液をAC2000の100gで希釈し、これにAE3000の400gを添加し、含フッ素重合体を凝集させた後にろ過した。含フッ素重合体にAE3000の250gを加えて撹拌して洗浄し、ろ過する操作を2回実施した後、80℃で16時間減圧乾燥して22.94gの含フッ素重合体を得た。
単量体の使用量、重合媒体の種類および使用量、触媒の使用量、重合反応条件を表1に示すとおりに変更した以外は、実施例1と同様にして含フッ素重合体を得た。
一方、鎖状HFCであるC8F17C2H5を用いた例2では、例1に比べて重合速度が遅く、またTQ値が低く含フッ素重合体の分子量が低かった。また、鎖状HFCであるAC2000を用いた例3では、例1に比べて重合速度が遅かった。
Claims (14)
- テトラフルオロエチレンと、スルホン酸基またはカルボン酸基に変換し得る基を有する含フッ素単量体とを含む単量体混合物を重合媒体中で重合する含フッ素重合体の製造方法であって、前記重合媒体が、炭素数4〜10の環状ハイドロフルオロカーボンを主成分とすることを特徴とする含フッ素重合体の製造方法。
- 前記含フッ素単量体が、スルホン酸基またはカルボン酸基に変換し得る基を有するビニルエーテルである、請求項1に記載の含フッ素重合体の製造方法。
- 前記単量体混合物の総量に対して、前記テトラフルオロエチレンの割合が5〜70モル%であり、前記含フッ素単量体の割合が30〜95モル%である、請求項1または2に記載の含フッ素重合体の製造方法。
- 前記含フッ素重合体のTQ値は、150〜340℃である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の含フッ素重合体の製造方法。
- 前記含フッ素単量体が、下式(m1)で表される単量体および下式(m2)で表される単量体からなる群から選ばれる少なくとも1種を含む、請求項1〜4のいずれか一項に記載の含フッ素重合体の製造方法。
- 前記含フッ素単量体が、CF2=CFOCF2CF(CF3)OCF2CF2SO2F、CF2=CFOCF2CF2SO2F、CF2=CFOCF2CF2CF2CF2SO2F、またはCF2=CFCF2OCF2CF2CF2SO2Fである、請求項1〜5のいずれか一項に記載の含フッ素重合体の製造方法。
- 前記環状ハイドロフルオロカーボンが、水素原子の数と同数以上のフッ素原子を有する、請求項1〜7のいずれか一項に記載の含フッ素重合体の製造方法。
- 前記環状ハイドロフルオロカーボンが、1,1,2,2,3,3,4−ヘプタフルオロシクロペンタン、または1H,2H−オクタフルオロシクロペンタンである、請求項1〜8のいずれか一項に記載の含フッ素重合体の製造方法。
- 前記環状ハイドロフルオロカーボンの含有量が、全重合媒体中50質量%以上である、請求項1〜9のいずれか一項に記載の含フッ素重合体の製造方法。
- 請求項1〜10のいずれか一項に記載の含フッ素重合体の製造方法により含フッ素重合体を製造し、前記含フッ素重合体のスルホン酸基に変換し得る基をスルホン酸基に変換するか、またはカルボン酸基に変換し得る基をカルボン酸基に変換する、官能基含有含フッ素重合体の製造方法。
- 請求項1〜10のいずれか一項に記載の含フッ素重合体の製造方法により含フッ素重合体を製造し、前記含フッ素重合体を用いて膜を形成した後、スルホン酸基に変換し得る基をスルホン酸基に変換するか、またはカルボン酸基に変換し得る基をカルボン酸基に変換する、電解質膜の製造方法。
- 請求項11に記載の官能基含有含フッ素重合体の製造方法により官能基含有含フッ素重合体を製造し、該官能基含有含フッ素重合体を用いて膜を形成する、電解質膜の製造方法。
- 前記官能基含有含フッ素重合体のイオン交換容量が、0.5〜2.5ミリ当量/g乾燥樹脂である、請求項12または13に記載の電解質膜の製造方法。
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