WO2003060011A2 - Modifizierte kovalent vernetzte polymere - Google Patents

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Definitions

  • Functionalized fluorine-free main chain polymers such as sulfonated polyaryl ether ketones and polyether sulfones have been developed in the past as an alternative to fluorinated cation exchangers such as Nafion® by DuPont.
  • Polymers processed into membranes are used in membrane processes, especially in fuel cells.
  • PEM fuel cells polymer electrolyte membrane fuel cells
  • the former convert hydrogen 'and the latter methanol.
  • Direct methanol fuel cells (DMFC) place higher demands on the membranes than on fuel cells that are operated exclusively with hydrogen.
  • Ionically cross-linked membranes were developed by Kerres et. al. developed. These are acid-base polymer blends and polymer (blend) membranes.
  • An advantage of the ionically crosslinked acid-base blend membranes is the greater flexibility of the ionic bonds and that these polymers / membranes do not dry out so easily at higher temperatures and consequently the membranes do not become brittle as quickly.
  • the ionic bonds have the disadvantage that they start to open at temperatures above 60 ° C., which leads to a strong swelling up to the dissolution of the membrane.
  • the polymer should have the best possible mechanical stability and improved swelling behavior.
  • the swelling behavior based on the dimension (length, width, height), should increase at a temperature of 90 ° C. in deionized water by less than 90% compared to the control value at 30 ° C.
  • Another object was to provide a polymer that can be processed into a membrane and used in fuel cells.
  • the crosslinked polymer should be suitable for use in fuel cells above 80 ° C., in particular above 100 ° C.
  • Membranes made from the polymer are said to be particularly suitable in direct methanol fuel cells.
  • fluorine-free polymeric cation exchangers such as sulfonated polyaryl ether ketones and sulfonated polysulfones
  • a polymeric fluorinated sulfonic acid e.g. Nafion® from DuPont
  • the polymer according to the invention is a polymer with a proton-releasing group, such as sulfonic acid, phosphonic acid and / or carboxylic acid, the acid strength of which has been increased according to the invention in accordance with the task, covalent crosslinking is not mandatory.
  • the polymer covalently and optionally ionically crosslinked in the present invention in particular covalently and optionally ionically crosslinked polymer, has recurring units of the general formula (1)
  • K is a bond, oxygen, sulfur
  • radical R is a divalent radical of an aromatic or heteroaromatic compound.
  • the present invention relates to polymers with fluorine in the main chain, such as polyvinyl difluoride (PVDF) and polychlorotrifluorethylene and analogs, such as Kel-F® and Neoflon®.
  • PVDF polyvinyl difluoride
  • Kel-F® and Neoflon® polychlorotrifluorethylene
  • Kel-F® and Neoflon® polychlorotrifluorethylene
  • the polymers according to the invention become accessible through one or more modification steps of the starting polymers (PI).
  • the starting polymers (Pl) are already known. These are polyarylene, such as polyphenylene and polypyrene, aromatic polyvinyl compounds, such as polystyrene and polyvinylpyridine, polyphenylene vinylene, aromatic polyethers, such as polyphenylene oxide, aromatic thioethers, such as polyphenylene sulfide, polysulfones, such as ⁇ Radel R and Ultrason®, and polyether ketones, such as PEK, PEEK, PEKK and PEKEKK. They also include polyporroles, polythiophenes, Polyazoles, such as polybenzimidazole, polyanilines, polyazulenes, polycarbazoles, polyindophenines,
  • PVDF Polyvinyl difluoride
  • polychlorotrifluorethylene and analogues such as Kel-F® and
  • the radical R is bonded to P1 via one or more bonds.
  • the bond is a covalent bond.
  • the radical R can contain functional groups, in particular protonic acids, which interact with other functional groups, in particular bases and anion exchanger groups.
  • radicals p independently of one another are a bond or a 1 to 40
  • Group containing carbon atoms preferably a branched or unbranched alkyl, cycloalkyl or an optionally alkylated alyl group, which may contain one or more fluorine atoms
  • M is hydrogen, a mono- or polyvalent metal cation, preferably Li + , Na + , K + , Rb + , Cs + , or an optionally alkylated ammonium ion and X is a halogen or an optionally alkylated amino group
  • the radical R is at least partially substituents of the general formula (3A), (3B), (3C) and / or (3D ) having,
  • R 2 , R 3 , R 4 , R 5 independently of one another (2A), (2B), (2C), (2D), (2E), (2F), (2G), (2H), (21), (2J), - (2K), (2L), (2M), (2N), (20), (2P), (2Q) and / or (2R) or a group having 1 to 40 carbon atoms, preferably one are branched or unbranched alkyl, cycloalkyl or an optionally alkylated alyl group which can be fluorinated or partially fluorinated, it being possible for at least two of the radicals R 2 , R and R 4 to be closed to form an optionally aromatic ring, and or the radical R at least
  • radical R at least partially has bridges of the general formula (4A), (4B), (4C) and / or (4D),
  • R is at least two radicals R, where Y is a 1 to 40 carbon atoms-containing group, preferably a branched or non-branched or non-branched alkyl, cycloalkyl or optionally alkylated aryl group is interconnected, which may be fluorinated oderteüflu ⁇ riert ', Z is. Hydroxyl, a group of the general formula (5)
  • the polymer according to the invention and the crosslinked polymer according to the invention show a number of further advantages.
  • the doped plastic membranes have a lower volume resistance, preferably less than or equal to 100 Ohm x cm at 20 ° C.
  • the doped plastic membranes have only a low permeability for hydrogen, oxygen and methanol.
  • the doped plastic membrane is suitable for use in fuel cells above 80 ° C, in some cases above 100 ° C and in special cases also above 110 ° C.
  • the doped plastic membrane is suitable for use in fuel cells above .. 82, especially under normal pressure.
  • the doped plastic membrane can be produced on an industrial scale.
  • the polymer is kovaIent ⁇ -. T e ⁇ efe ⁇ s ⁇ frfalls
  • the crosslinked polymer according to the invention is preferably doped with acid.
  • doped polymers refer to those polymers which, owing to the presence of doping agents, have an increased proton conductivity in comparison with the undoped polymers.
  • Dopants for the polymers according to the invention are acids.
  • acids include all known Lewis and Bronsted acids, preferably inorganic Lewis and Bronsted acids. It is also possible to use polyacids, in particular isopolyacids and heterolpolyacids, and also mixtures of different acids.
  • heteropolyacids refer to inorganic polyacids with at least two different central atoms, each consisting of weak, polybasic oxygen acids of a metal (preferably Cr, Mo, V, W) and a non-metal (preferably As, I, P, Se, Si, Te) arise as partially mixed anhydrides.
  • a metal preferably Cr, Mo, V, W
  • a non-metal preferably As, I, P, Se, Si, Te
  • Dopants which are particularly preferred according to the invention are sulfuric acid and
  • Phosphoric acid A very particularly preferred dopant is phosphoric acid
  • zirconium phosphate and titanium sulfate via methods known to the person skilled in the art are particularly preferred, and modified and unmodified layered and framework silicates are also preferred. Montmorillonite, which is added during membrane production, is particularly preferred in this modification method.
  • the dopants are optionally fixed in the membrane by a calcination process and converted into the strongly Lewis acid form.
  • the calcination of titanium sulfate and zirconium phosphate in the membrane is particularly preferred.
  • the calcination is followed by a new and / or further doping.
  • Phosphoric acid, sulfuric acid and the heteropolyacids mentioned above are particularly preferred as dopants. If necessary, the process can be repeated several times.
  • the temperature range from 60 ° C. to just below the thermal decomposition temperature of the polymer to be doped is suitable as the calcining temperature.
  • the temperature range from 100 ° C. to 300 ° C. is particularly preferred.
  • the calcination fixes some dopants in the membrane for a technically applicable time.
  • the crosslinked polymer according to the invention has recurring units of the general formula (1), in particular recurring units corresponding to the general formulas (1A), (1B), (IC), (1D); (1E), (IF), ( ⁇ G) .- (IH), (II), (IJ), (IK), (IL), (IM), (IN), (1 ⁇ ), (IP), ( IQ), (1R) 5 (IS) and / or (IT), on: _ 0 -R ⁇ _ (1A)
  • the radicals R ⁇ are, independently of one another, the same or different 1,2-phenylene, 1,3-phenylene, 1,4-phenylene, 4,4'-biphenyl, a divalent radical of a heteroaromatic, a divalent radical of a C 10 aromatic , a divalent radical of a C 14 aromatic and / or a divalent pyrene radical.
  • a C 10 aromatics is naphthalene, for a C 14 aromatics phenanthrene.
  • the substitution pattern of the aromatic and / or heteroaromatic is arbitrary, in the case of phenylene, for example, R 6 can be ortho-, meta- and para-phenylene.
  • radicals R 7 , R 8 and R 9 denote single-, four- or three-bonded aromatic or heteroaromatic groups and the radicals U, which are identical within a repeating unit, stand for an oxygen atom, a sulfur atom or an amino group which represents a hydrogen atom, carries a group having 1-20 carbon atoms, preferably a branched or unbranched alkyl or alkoxy group, or an aryl group as a further radical.
  • polymers having recurring units of the general formula (1) belong to homopolymers and copolymers, for example random Cbpplymere as Victrex ® 720 P and Astrel ®.
  • polymers are polyaryl ethers, polyaryl thioethers, polysulfones, polyether ketones, poly pyrroles, polythiophenes, polyazoles, polyphenylenes, polyphenylene vinylenes, polyanilines, polyazulenes, polycarbazoles, polypyrenes, polyindophenines and polyvinyl pyridines, in particular: polyaryl ethers:
  • n denotes the number of repeating units along a macromolecule chain of the crosslinked polymer.
  • This number of repeating units of the general formula (1) along a macromolecule chain of the crosslinked polymer is preferably an integer greater than or equal to 10, in particular greater than or equal to 100.
  • the number of repeating units of the general formula (1A), (1B), is preferably (1C), (1D), (1E), (IF), (IG), (1H), (II), (IJ), (IK), (IL), (IM), (IN), (10 ), (IP), (IQ), (1R), (IS) and / or (IT) along a macromolecule chain of the crosslinked polymer an integer greater than or equal to 10, in particular greater than or equal to 100.
  • the number average molecular weight of the macromolecule chain is greater than 25,000 g / mol, advantageously greater than 50,000 g / mol, in particular greater than 100,000 g / mol.
  • the crosslinked polymer according to the invention can also have different repeating units along a macromolecule chain. Preferably, however, it has, along a Makromoiekülkette only • • same recurring units of the general formula (1A), (1B), (IC) (1D), (1E), (IF), (IG), (1H), (II) , (IJ), (IK), (IL), (IM), (IN), (10), (IP), (IQ), (1R), (IS) and / or (IT) on .. •
  • the resrajmin set has partial substituents of the general formula (2A), (2B), (2C), (2D), (2E), (2F), (2G), (2H), (21), ( 2J), (2K), (2L), (2M), (2N), (20), (2P), (2Q) and / or (2R), preferably of the general formula (2A), (2B), ( 2C), (2D), (2J), (2K), (2L) and / or (2M), suitably of the general formula (2A), (2B), (20), (2J), (2K) and / or (2L), in particular of the general formula (2J) and / or (2K) on:
  • R 1 independently of one another denote a bond or a group having 1 to 40 carbon atoms, preferably a branched or unbranched alkyl, cycloalkyl or an optionally alkylated aryl group which optionally contain one or more fluorine atoms.
  • R1 is a methylene group (-CH 2 -) and / or a partially or completely fluorinated methylene group (-CFH-) or (-CF 2 -).
  • R 1 additionally denotes a bond to the structure determined in the previous sentence.
  • M represents hydrogen, a mono- or polyvalent metal cation, preferably Li + , Na + , K + , Rb + , Cs + , Zr 4+ , Ti 4+ , ZrO 2+ or an optionally alkylated ammonium ion, expediently for hydrogen or Li + , especially for hydrogen.
  • X is a halogen or an optionally alkylated amino group.
  • the radical R has at least partially substituents of the general foils (5A) and or (5B), preferably (5A),
  • radical R is at least partially a group of the general formula (5C) and / or (5D), preferably (5C).
  • radicals R 2 , R 3 , R 4 and R s independently of one another denote a group having 1 to 40 carbon atoms, of which a branched or unbranched alkyl, cycloalkyl or an optionally alkylated alyl group, at least two of the radicals R 2 , R 3 and R 4 can be closed to form an optionally aromatic ring.
  • R at least partially has substituents of the general foils (5A-1) and / or (5A-2).
  • R 10 here denotes an optionally alkylated aryl group which has at least one optionally alkylated amino group, or an optionally alkylated heteroaromatic compound which either has at least one optionally alkylated amino group or has at least one nitrogen atom in the heteroaromatic nucleus.
  • R 11 is hydrogen, an alkyl, a cycloalkyl, an aryl or a heteroaryl group or a radical R 10 with the meaning given above, where R 10 and R u can be the same or different.
  • Substituents of the formula (5A-1) in which R 10 is an optionally alkylated aniline residue or pyridine residue, preferably an alkylated aniline residue, are very particularly preferred according to the invention.
  • substituents of the formula (5A-2) in which R 10 and R 11 are optionally alkylated aniline residues or pyridine residues, preferably alkylated aniline residues are also particularly preferred.
  • the radical R at least partially has bridges of the general formula (6)
  • Y is a group having 1 to 40 carbon atoms, preferably a branched or unbranched alkyl, cycloalkyl or optionally alkylated aryl group, advantageously a linear or branched alkyl group having 1 to 6 carbon atoms.
  • Z denotes hydroxyl, a group of the general formula
  • the crosslinked polymer according to the invention is preferably doped with acid.
  • doped polymers refer to those polymers which, owing to the presence of doping agents, have an increased proton conductivity in comparison with the undoped polymers.
  • Dopants for the polymers according to the invention are acids.
  • acids include all known Lewis and Bransted acids, preferably inorganic Lewis and Bransted acids. It is also possible to use polyacids, in particular isopolyacids and. Heteropolyacids and mixtures of different acids.
  • heteropolyacids denote inorganic polyacids with at least two different central atoms, each of which consists of weak, polybasic oxygen acids of a metal (preferably . Cr, Mo, N, W) and a non-metal (preferably As, I, P, Se , Si, Te) arise as partially mixed anhydrides. They include, among others, 12-molybdate phosphoric acid and 12-tungsten phosphoric acid.
  • Dopants which are particularly preferred according to the invention are sulfuric acid and phosphoric acid.
  • a very particularly preferred dopant is phosphoric acid (H 3 PO 4 ).
  • the conductivity of the plastic membrane according to the invention can be influenced via the degree of doping.
  • the conductivity increases with increasing dopant concentration until a maximum value is reached.
  • the degree of doping is stated as mole of acid per mole of repeating unit of the polymer. In the context of the present invention, a degree of doping between 3 and 15, in particular between 6 and 12, 'is preferred.
  • Processes for producing doped plastic membranes are known.
  • they are obtained by using a polymer according to the invention for a suitable time, preferably 0.5-96 hours, particularly preferably 1-72 hours, at temperatures between room temperature and 100 ° C. and, if appropriate, increased pressure with concentrated acid , preferably wetted with highly concentrated phosphoric acid.
  • the spectrum of properties of the crosslinked polymer according to the invention can be changed by varying its ion exchange capacity.
  • the ion exchange capacity is preferably between 0.5 meq / g and 1.9 meq / g, in each case based on the total mass of the polymer.
  • the polymer according to the invention has a low volume resistivity, preferably of at most 100 ⁇ cm, expediently of at most 50 ⁇ cm, in particular of at most 20 ⁇ cm, in each case at 25 ° C.
  • the properties of the plastic membrane according to the invention can be controlled in part by their overall thickness. However, even extremely thin plastic membranes already have very good mechanical properties and a lower permeability for hydrogen, oxygen and methanol. Therefore . ' They are suitable for use in fuel cells above 80 ° C, expediently above 100 ° C, in particular for use in fuel cells above 120 ° C, without the edge area of the membrane electrode assembly having to be reinforced.
  • the total thickness of the doped plastic membrane according to the invention is preferably between 5 and 100 ⁇ m, advantageously between 10 and 90 ⁇ m, in particular between 20 and 80 ⁇ m.
  • the present invention swells at a temperature of 90 ° C. in deionized water by less than 100%.
  • L is a leaving group, preferably an F, Cl, Br, I, tosylate, and n is an integer greater than or equal to 2, preferably 2.
  • Each reactant polymer preferably has recurring units of the general formula (1). Furthermore, it is expediently not covalently crosslinked.
  • the reaction with the compound (7) can also be used to form bridges of the general formula (8) and / or (9).
  • a polymer mixture is formed 1) at least one starting polymer having functional groups a),
  • a polymer mixture is made from
  • the reactant polymer (s) to be used according to the invention can in principle have different repeating units of the general formula (1). However, they preferably have only the same recurring units of the general formula (1A), (IB), (IC), (ID), (1E), (IF), (IG), (1H), (II), (IJ), (IK), ( IL), (IM), (IN), (10), (IP), (IQ), (1R), (IS) and / or (IT).
  • the number of repeating units of the general formula (1 A), (IB), (IC), (ID), (1E), (IF), (IG), (1H), (II), (IJ), ( IK), (IL), (IM), (IN), (10), (IP), (IQ), (1R), (IS) and / or (IT) is preferably an integer greater than or equal to 10, preferably at least 100 recurring units.
  • the number average of the molecular weight of the starting polymer or polymers is greater than 25,000 g / mol, advantageously greater than 50,000 g / mol, in particular greater than 100,000 g / mol.
  • the synthesis of the starting polymer having functional groups of the general formula a), b) and / or d) is already known. It can be carried out, for example, by reacting a polymer of the general formula (1) with n-butyllithium in a dried aprotic solvent, preferably tetrahydrofuran (THF), under an inert gas atmosphere, preferably argon, and lithiating in this way.
  • a dried aprotic solvent preferably tetrahydrofuran (THF)
  • an inert gas atmosphere preferably argon
  • the lithiated polymer is known in a manner known per se with suitable functionalizing agents, preferably with alkylating agents of the general formula
  • the introduction of sulfonate groups can also be achieved by the reaction of the lithiated polymer with SO 3 , the introduction of Sulfinate groups also take place through the reaction of the lithiated polymer with SO 2 .
  • the degree of functionalization of the starting polymer is preferably in the range from 0.1 to 3 groups per repeating unit, preferably between 0.2 and 2.2 groups per repeating unit.
  • Starting polymers with 0.2 to 0.8 groups a), preferably sulfonate groups, per repeat unit are particularly preferred.
  • reactant polymers with 0.8 to 2.2 groups b) per repeat unit have proven particularly useful.
  • particularly advantageous results are achieved with starting polymers which have 0.8 to 1.3 groups d) per repeating unit.
  • a dipolar aprotic solvent preferably in N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, dimethyl sulfoxide or sulfolane and react with the halogen compound with stirring.
  • the properties of the polymer according to the invention can also be improved by treating the polymer a) with an acid in a first step and b) with deionized water in a further step. wherein the polymer is optionally treated with an alkali before the first step. / / ⁇ "
  • covalently crosslinked polymer according to the invention Possible fields of use for the covalently crosslinked polymer according to the invention are obvious to the person skilled in the art. It is particularly suitable for all applications which are drawn for cross-linked polymers with low volume resistivities, preferably less than 100 ⁇ cm at 25 ° C. Because of their characteristic properties, they are particularly suitable for applications in electrochemical cells, preferably in secondary batteries, electrolysis cells and in polymer electrolyte membrane fuel cells, in particular in hydrogen and direct methanol fuel cells.
  • membrane separation processes preferably in gas separation, pervaporation, perstraction, reverse osmosis, nanofiltration, electrodialysis and diffusion dialysis.
  • the volume resistivity R sp of the membranes was determined using. Impedance spectroscopy (IM6 impedance measuring device, Zahner Elektrik) determined in a plexiglass unit with gold-coated copper electrodes (electrode area 0.25 cm 2 ). According to the invention, the impedance at which the phase angle between current and voltage was 0 denotes the specific volume resistance.
  • the concrete measuring conditions were as follows: 0.5 N HCl was used, the membrane to be measured was packed between two Nafion 117 membranes, the multi-layer arrangement Nafion 117 / membrane / Nafion 117 membrane was pressed between the two electrodes.
  • the interface resistances between the membrane and the electrode were eliminated by first measuring the multilayer arrangement of all 3 membranes and then the two Nafion 117 membranes alone. The impedance of the Nafion membranes was subtracted from the impedance of all 3 membranes. In the context of the present invention, the specific volume resistances at 25 ° C were determined.
  • Lithium salt of sulfonated polyether ketone PEK Lithium salt of sulfonated polyether ketone PEK
  • PSU Udel ® was first dissolved in dry THF and cooled to -75 ° C under argon. Traces of water in the reaction mixture were removed with 2.5 M n-butyllithium (n-BuLi). The dissolved polymer was then lithiated with 10 M n-BuLi. The reaction was allowed to react for one hour and then pyridine-3-aldehyde or 4,4'-bis (N, N-diethylamino) benzophenone was added. The reaction temperature was then raised to -20 ° C for one hour. For the reaction with SO 2 , the mixture was then cooled again to -75 ° C. and the SO 2 was introduced.
  • n-BuLi n-butyllithium
  • the polymers PEK-SO 3 Li, PSU-P3-SO 2 Li, PSU-EBD-SO 2 Li, PSU-DPK and / or PSUS ⁇ 2Li were dissolved in NMP according to Table 2 and filtered.
  • the polymer solution was then degassed in vacuo and 1,4-diiodobutane was then added. After that, it was poured onto a glass plate and knife out.
  • the glass plate was dried in an oven at 60 ° C for one hour, then at 90 ° C for another hour and finally at 120 ° C under vacuum overnight.
  • the plate was cooled to room temperature and placed in a water bath.
  • the membrane was separated from the glass plate and stored in 10% HCl at 90 ° C for one day in the oven. It was then conditioned in deionized water at 60 ° C.
  • the polymer according to the invention described up to here and also all possible combinations is characterized in that it has at least one substituent from the general formula (2J), (2K), (2L), (2M), (2N), (20), (2P ), (2Q), and / or (2R). If it does not have a substituent from the above group, then it has at least one substituent from the general formula (3C), (3D), (3G), (3H) or that it is crosslinked via a crosslinking bridge from the general formula (4B ). and / or (4C).
  • ⁇ up are also polymers which originate exclusively from sulfinated polymers from P1 and the sulfinate group is converted into sulfone groups in the further course of the reactions, which are partially or completely crosslinked ' with a further sulfinated polymer ' via a carbon-containing radical.
  • the / ⁇ carbon-containing rest carries the functional groups.
  • These can be acids or ⁇ JLU bases.
  • the polymers according to the invention and the membranes produced therefrom are suitable for producing membrane electrode assemblies. If the sulfinic acid group does not react completely, the electrodes applied to the membrane, e.g. in the form of a paste, ink or via powder coating processes, with reactive groups covalently crosslinked with the membrane via alkylation crosslinkers. Both the membrane and the applied electrodes contain sulfinic acid groups which have not yet reacted before the reaction, and the sulfinates are particularly preferred.
  • the electrode paste which contains both precursors of polymeric cation exchangers and polymeric sulfinates, to di- or oligohalogen crosslinkers, which may contain functional groups from (2A) to (2R)
  • the polymeric sulfinates of the electrode paste react with the free polymeric sulfinates Membrane.
  • the resulting covalent crosslinking solves an existing problem in the insufficient connection of the electrodes to the membrane.
  • polymers according to the invention can be used in other membrane processes, preferably in gas rotation, pervaporation, ''
  • the new polymers can be made by various methods.
  • polymeric sulfinic acids are, inter alia, those described by Guiver et.al. and also by Kerres et.al. described procedures accessible.
  • the polymeric sulfinic acid salt reacts with elimination of Li halide with a mono- or oligohalogen compound with sulfur alkylation or sulfur arylation, which also carry at least one further functional group from (2A) to (21).
  • the halogen compound preferably contains the halogens fluorine, chlorine, bromine and / or iodine as a removable anion. Iodide is released at room temperature (25 ° C), bromine at temperatures above 30 ° C and chlorine can only be split off under drastic conditions.
  • Fluorine is a leaving group when the fluorine atom is on an aryl group or on a herteroaryl group, a simple example is p-fluorobenzenesulfonate.
  • the rest of e.g. (2A) to (21) now carries the desired functional group.
  • the acid strength increases considerably due to the upstream sulfone group.
  • the proton-releasing group e.g. Sulfonic acid is at least one carbon atom, preference is given to the methylene group -CH2- and the ethylene group -CH2-CH2-.
  • the increase in acid strength is clearly detectable up to two carbon atoms in the direct line to the proton-releasing group.
  • Membranes made from these polymers according to the invention show better proton conductivity compared to identical polymers in which the proton-releasing group is located directly on the aromatic. If one of the neighboring hydrogen atoms is additionally replaced by fluorine, the acid strength increases again.
  • Sulfinated polysulfone PSU-SO 2 -Li is prepared as described under a-3).
  • the IEC of the protonated form is 1.95 meq SO 2 Li / g. It is dissolved in NMP and an equivalent amount of the sodium salt of bromomethanesulfonate is added. After heating, the following compound is obtained dissolved in NMP PSU-SO 2 -CH 2 -SO 3 " Na + with an IEC of 1.95 meq SO 3 Li / g.
  • bromine ethanesulfonate (sodium salt) is reacted with PSU-SO 2 -Li.
  • the reaction proceeds smoothly and after evaporation of the solvent and recrystallization, the pure compound PSU-SO 2 -CH 2 CH 2 -SO 3 " Na + is obtained.
  • the equivalent amount of bromine ethanesulfonate (sodium salt) is not added, but only half, you get PSU-SO 2 -CH 2 CH 2 -SO 3 " Na + with an IEC of 0.9 meq SO 3 Li / g. And there is still an IEC of 1.0 meq SO 2 Li / g in the same molecule.
  • the solvent is evaporated in a drying cabinet at a temperature of approx. 80 ° C. until the solution has a concentration of approx. 10-15% by weight. Has.
  • the mixture is then left to cool to room temperature (25 ° C.) and an equivalent amount of diiodobutane is added. The amount of diiodobutane is calculated on the crosslinking of the free sulfinate groups.
  • the solution is then doctored to a membrane on a glass plate and the remaining solvent NMP is evaporated in a drying cabinet. A covalently crosslinked membrane is obtained whose proton-releasing group has a significantly greater acid strength than the control.
  • the membrane is converted into the acid form by an aftertreatment in aqueous mineral acid and water.
  • the salts formed are removed.
  • polymers which have one of the following groupings:
  • P is a polymer as described on pages 9 to 16.
  • R 1 is defined as in the description of R 1 for the substituents (2A), (2B), (2C), (2D),
  • R55 is one of the substituents from (2A), (2B), (2C), (2D), (2E), (2F), (2G), (2H), (21), (2J), (2K),
  • P is a polymer as described on pages 9 to 16.
  • R 1 is defined as in the description of R 1 for the substituents (2A), (2B), (2C), (2D),
  • R55 is one of the substituents from (2A), (2B), (2C), (2D), (2E), (2F), (2G), (2H), (21), (2J), (2K),
  • polymers are sulfinic acids.
  • the polymeric sulfamic acid is according to the general formula
  • Polysulfone is metalized with butyllithium at -60 ° C according to the prior art, described for example by Guiver et.al. Then the equivalent amount of methyl iodide is added. The mixture is allowed to warm to -10 ° C. so that the polysulfone is completely methylated. The methylated polysulfone is cooled again to -60 ° C. and the equivalent amount of butyllithium is added to the metalation. Now you add the equivalent amount of one molecule of SO 2 Cl 2 each at least more than a simply methalized methyl group and then you inject iodine dissolved in THF. The procedure is described in detail in the published patent application DE 3636854 AI. The resulting polymer is fluorinated via the well-known Finkelstein reaction via the halogen exchange and freed from the solvent. The polymer is then hydrolyzed in water, acid and / or alkali and the sulfonic acid is released.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft unvernetze, kovalent und/oder ionisch vernetzte Polymere mit dem Rest R, dadurch gekennzeichnet, dass der Rest R zumindest teilweise Substitueten der allgemeinen Formel (2I), (2J), (2K), (2L), (2M),(2N), (2O), (2P), (2Q), oder (2R) aufweist, wobei die Reste R1 unabhängig voneinander eine 1 bis 40 Kohlenstoffatome aufweisende Gruppe, vorzugsweise eine verzweigte oder nicht verzweigte Alkyl-, Cycloalkyl- oder eine gegebenenfalls alkylierte Aryl- oder Heteroarylgruppe sind, M Wasserstoff, ein Metallkation, vorzugsweise Li+, Na+, K+, Rb+, Cs+, TiO2+, ZrO2+ oder ein gegebenenfalls alkyliertes Ammoniumion ist und X ein Halogen oder eine gegebenenfalls alkylierte Aminogruppe ist.

Description

Titel: Modifizierte kovalent vernetzte Polymere Zusammenfassung: Wird nachgereicht.
Stand der Technik:
Funktionalisierte fluorfreie Hauptkettenpolymere, wie sulfonierte Polyaryletherketone und Polyethersulfone sind in der Vergangenheit als Alternative zu fluorierten - Kationenaustauschern wie Nafion® von der Firma DuPont entwickelt worden. Solche . . Polymere, zu Membranen verarbeitet, finden Verwendung in Membranverfahren, insbesondere in Brennstoffzellen. Bei PEM-Brennstoffzellen (PolymerElektrolytMembran- Brennstoffzellen) unterscheidet man wenigstens zwei Typen. Erstere setzen Wasserstoff um' und letztere Methanol. Bei Direktmethanolbrennstoffzellen (DMFC) werden an die Membranen höhere Anforderungen gestellt als an Brennstoffzellen, die ausschließlich mit Wasserstoff betrieben werden.
Ionisch vernetzte Membranen wurden von Kerres et. al. entwickelt. Dabei handelt es sich um Säure-Base-Polymerblends und Polymer(blend)membranen. Ein Vorteil der ionisch vernetzten Säure-Base-Blendmembranen ist die höhere Flexibilität der ionischen Bindungen und das diese Polymere/Membranen bei höheren Temperaturen nicht so leicht austrocknen und in Folge dessen die Membranen auch nicht so schnell verspröden. Die ionischen Bindungen weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie bei Temperaturen über 60°C beginnen sich zu öffnen, was zu einer starken Quellung bis hin zur Auflösung der Membran führt. In früheren Anmeldungen wurde vorgeschlagen ein sulfoniertes Engineering-Hauptketten- Polymer in ein kovalentes Netzwerk eines zweiten Polymers einzuschliessen. Diese Vorgehensweise führt zu technisch anwendbaren Membranen für die Wasserstoffbrennstoffzelle hat aber den Nachteil in der DMFC, dass während des Betriebes die Gefahr des Herauslösens der sulfonierten Komponente besteht. Es war also' Aufgabe ein ' Polymer zu entwickeln, dass in einer wässrigen oder wässrig-alkoholischen Umgebung wenig oder überhaupt nicht „ausblutet". Unter „Ausbluten" soll verstanden werden, dass Herauslösen einer wasserlöslichen Komponente.
Darüber hinaus soll das Polymer eine möglichst gute mechanische Stabilität aufweisen und ein verbessertes Quellverhalten. Vorzugsweise soll das Quellverhalten, bezogen auf die Ausdehnung in der Dimension (Länge, Breite, Höhe), bei einer Temperatur von 90°C in deionisiertem Wasser um weniger als 90% gegenüber dem Kontrollwert bei 30°C zunehmen.
Eine weitere Aufgabe bestand darin, ein Polymer anzugeben, das zu einer Membran verarbeitet, in Brennstoffzellen verwendet werden kann. Insbesondere soll das vernetzte Polymer für den Einsatz in'Brennstoffzellen oberhalb von 80°C, insbesondere oberhalb von 100°C geeignet sein. Besonders soll aus dem Polymer hergestellte Membranen geeignet sein in Direktmethanolbrennstoffzellen.
Ein weiterer Nachteil der fluorfreien polymeren Kationentauscher, wie sulfonierte Polyaryletherketone und sulfonierte Polysulfone ist ihre geringere Säurestärke im Vergleich zu einer polymeren fluorierten Sulfonsäure, wie z.B. Nafion® von DuPont, die in der Fachwelt als Vergleichsstandard gesehen wird. Es war daher die Aufgabe gestellt ein Polymer mit einer höheren Säurestärke, als direkt an der Hauptkette sulfoniertes Polysulfon oder direkt an der Hauptkette sulfoniertes Polyetheretherketon, wie PEEK, zur Verfügung zu stellen.
Weiterhin war es auch Aufgabe ein Verfahren zur Herstellung des vernetzten Polymers zur Verfügung zu stellen, dass es erlaubt auf einfache Art und Weise das gewünschte Polymer herzustellen. Erfindungsbeschreibung:
Diese und weitere nicht explizit genannte Aufgaben werden gelöst durch ein erfindungsgemäßes kovalent vernetztes Polymer wie im Patentanspruch 1 beschrieben. Sinnhafte Abwandlungen des erfindungsgemäßen Polymers und Kombinationen daraus werden in den Unteransprüchen beschrieben, die rückbezogen sind auf den Haüptanspruch 1. Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Polymer werden in den • Verfahrensansprüchen beschrieben. Die Ansprüche für die Verwendung des erfindungsgmäßen Polymers schließen sich daran an.
So weit es sich bei dem erfindungsgemäßen Polymer um ein Polymer mit einer protonenabspaltenden Gruppe, wie Sulfonsäure, Phosphonsäure und/oder Carbonsäure handelt, deren Säurestärke erfindungsgemäß entsprechend der Aufgabenstellung erhöht wurde ist eine kovalente Vernetzung nicht zwingend.
Das in der vorliegenden Erfindung kovalent und gebenenfalls ionisch vernetzte Polymer, insbesondere kovalent und gegebenenfalls ionisch vernetzte Polymere weist wiederkehrende Einheiten der allgemeinen Formel (1)
^•K— R~ (1) worin K eine Bindung, Sauerstoff, Schwefel
o
1/
.€- oder
\
Ö ll ist und
- £-
11 0 der Rest R ein zweiwertiger Rest einer aromatischen oder heteroaromatischen Verbindung ist.
Darüber betrifft die vorliegende Erfindung Polymere mit Fluor in der Hauptkette, wie Polyvinylendifluorid (PVDF) und Polychlorotrifluorethylene und Analoga, wie Kel-F® und Neoflon®. Diese Polymere sind bereits bekannt und werden zu erfindungsgemäßen Polymeren verändert.
Die erfindungsgemäßen Polymere werden zugänglich durch einen oder mehrere Modifikationsschritte der Ausgangspolymere (Pl). Die Ausgangspolymer (Pl) sind bereits bekannt. Diese sind Polyarylene, wie Polyphenylen und Polypyren, aromatische Polyvinylverbindungen, wie Polystyrol und Polyvinylpyridin, Polyphenylenvinylen, aromatische Polyether, wie Polyphenylenoxid, aromatische Thioether, wie Polyphenylensulfid, Polysulfone, wie ©Radel R und Ultrason®, und Polyetherketone, wie PEK, PEEK, PEKK und PEKEKK. Weiterhin umfassen sie auch Polyporrole, Polythiophene, Polyazole, wie Polybenzimidazol, Polyaniline, Polyazulene, Polycarbazole, Polyindophenine,
Polyvinylendifluorid (PVDF) und Polychlorotrifluorethylene und Analoga, wie Kel-F® und
Neoflon®.
Durch eine oder mehrere Modifikationen mit wiederkehrenden Einheiten aus Pl entsteht ein
Polymer mit der allgemeinen Formel ipi-R.
Wobei der Rest R über eine Bindung oder mehrere Bindungen an Pl gebunden ist. Die Bindung ist eine kovalente Bindung. Zusätzlich kann der Rest R funktioneile Gruppen, insbesondere Protonensäuren, enthalten die mit weiteren funktioneilen Gruppen insbesondere, Basen und Anionentauschergruppierungen, Wechsel wirken.
Durch die Bereitstellung eines erfindungsgemäßen Polymers, aufweisend ein oder mehrere Polymere aus Pl, welches sich dadurch auszeichnet, dass
Figure imgf000005_0001
O O II - - p- OM ( ) - ≤QrΛ1 P~ ^°)
Figure imgf000006_0001
o
-4 wobei die Reste p unabhängig voneinander eine Bindung oder eine 1 bis 40
Kohlenstoffatome aufweisende Gruppe, vorzugsweise eine verzweigte oder nicht verzweigte Alkyl-, Cycloalkyl- oder eine gegebenenfalls alkylierte Aiylgruppe sind, die gegebenfalls ein oder mehrere Fluoratome enthalten, M Wasserstoff, ein ein- oder mehrwertiges Metallkation, vorzugsweise Li+, Na+, K+, Rb+, Cs+, oder ein gegebenenfalls alkyliertes Ammoniumion ist und X ein Halogen oder eine gegebenenfalls alkylierte Aminogruppe ist, b) der Rest R zumindest teilweise Substituenten der allgemeinen Formel (3A), (3B), (3C) und/oder (3D) aufweist,
Figure imgf000006_0002
Figure imgf000006_0003
worin R2, R3, R4, R5 unabhängig voneinander (2A), (2B), (2C), (2D), (2E), (2F), (2G), (2H), (21), (2J),-(2K), (2L), (2M), (2N), (20), (2P), (2Q) und/oder (2R) ist oder eine 1 bis 40 Kohlenstoffatome aufweisende Gruppe, vorzugsweise eine verzweigte oder nicht verzweigte Alkyl-, Cycloalkyl- oder eine gegebenenfalls alkylierte Aiylgruppe sind, die fluoriert oder teilfluoriert sein können, wobei mindestens zwei der Reste R2, R und R4 zu einem gegebenenfalls aromatischen Ring geschlossen sein können, und oder der Rest R zumindest
Figure imgf000007_0001
und c) der Rest R zumindest teilweise Brücken der allgemeinen Formel (4A), (4B), (4C) und/oder (4D) aufweist,
Figure imgf000007_0002
die mindestens zwei Reste R miteinander verbinden, wobei Y eine 1 bis 40 Kohlenstoffatome aufweisende Gruppe, vorzugsweise eine verzweigte oder nicht verzweigte oder nicht verzweigte Alkyl-, Cycloalkyl- oder gebenenfalls alkylierte Arylgruppe ist, die fluoriert oderteüfluόriert'sein kann, Z ist.Hydroxyl, eine Gruppe der allgemeinen Formel (5)
Θ
K
Figure imgf000008_0001
O oder eine Gruppe mit einem Molekulargewicht größer oder gleich 14 g/mol bestehend aus den optionalen Komponenten (3E), (3F), (3G), (3H), (31), (3J), (2A), (2B), (2C), (2D), (2E), (2F), (2G), (2H), (21), (2J), (2K), (2L), (2M), (2N), (20), (2P), (2Q), (2R), H, C, O, , S, P, Halogenatomen, ein- oder mehrwertiges Metallkation ist und m eine ganze Zahl größer gleich 2 ist, wobei im gesamten zur Verfügung gestellten Polymer wenigstens einer der Reste bzw. Gruppen (2J), (2K), (2L), (2M), (2N), (2O), (2P), (2Q), (2R) öder der allgemeinen Formel (3C), (3D), (3G), (3H), (3I),.(3J), (4B) oder (4C) enthalten ist, . gelingt es auf nicht ohne weiteres vorhersehbare Weise ein vemetztes Polymer mit verbesserten Eigenschaften, insbesondere für Membrananwendungen und einem verbesserten Quellverhalten, insbesondere für Membranen zugänglich zu machen.
Figure imgf000008_0002
£Oz~ R (31 )
Figure imgf000008_0003
r
R Zugleich zeigen das erfindungsgemäße Polymer und erfindungsgemäße vernetzte Polymer eine Reihe weiterer Vorteile.
Hierzu gehören unter ariderem: '
- Die dotierten Kunststoffmembranen weisen einen geringeren spezifischen Durchgangswiderstand, vorzugsweise kleiner oder gleich 100 Ohm x cm bei 20°C auf.
- Die dotierten Kunststoffmembranen besitzen nur eine geringe Permeabilität für Wasserstoff, Sauerstoff und Methanol.
-Auch extrem dünne Membranen des erfindugsgemäßen Polymers mit einer Gesamtdicke zwischen 10 und 100 μm besitzen hinreichend gute Materialeigenschaften bei Temperaturen zwischen 60° und 82°C, insbesondere eine hohe mechanische Stabilität und eine geringe Permeabilität für Wasserstoff, Sauerstoff und Methanol.
- Die dotierte Kunststoffmembran ist für den Einsatz in Brennstoffzellen oberhalb von 80°C, in einigen Fällen oberhalb von 100°C und in besonderen Fällen auch oberhalb von 110°C geeignet.
- Die dotierte Kunststoffmembran ist für den Einsatz in Brennstoffzellen oberhalb von .. 82 , insbesondere unter Normaldruck geeignet.
- Die dotierte Kunststoffmembran ist großtechnisch herstellbar.
Figure imgf000009_0001
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Polymer kovaIent^-.T e§efe©sθfrfalls
Figure imgf000009_0002
Das erfindungsgemäße vernetzte Polymer ist vorzugsweise sind mit Säure dotiert. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bezeichnen dotierte Polymere solche Polymere, die aufgrund der Gegenwart von Dotierungsmitteln eine erhöhte Protonenleitfähigkeit im Vergleich mit den nicht dotierten Polymeren zeigen. Dotierungsmittel für die erfindungsgemäßen Polymere sind Säuren. Säuren umfassen in diesem Zusammenhang alle bekannten Lewis- und Brönsteds-Säuren, vorzugsweise anorganische Lewis- und Brönsted-Säuren. Weiterhin ist auch der Einsatz von Polysäuren möglich, insbesondere Isopolysäuren und Heterolpolysäuren sowie von Mischungen verschiedener Säuren. Dabei bezeichnen im Sinne der vorliegenden Erfindung Heteropolysäuren anorganische Polysäuren mit mindestens zwei verschiedenen Zentralatomen, die aus jeweils schwachen, mehrbasischen Sauerstoff- Säuren eines Metalls (vorzugsweise Cr, Mo, V, W) und eines Nichtmetalls (vorzugsweise As, I, P, Se, Si, Te) als partielle gemischte Anhydride entstehen. Zu ihnen gehören unter anderen die 12-Molybdatophosphorsäure und die 12-
Wolframatophosphorsäure.
Erfindungsgemäß besonders bevorzugte Dotierungsmittel sind Schwefelsäure und
Phosphorsäure. Ein ganz besonders bevorzugtes Dotierungsmittel ist Phosphorsäure
(H3P04).
Weiterhin sind besonders bevorzugt das Einbringen von Zirkonphosphat und Titansulfat über dem Fachmann bekannte Methoden und weiterhin sind bevorzugt modifizierte und un modifizierte Schicht- und Gerüstsilikate. Bei dieser Modifizierungsmethode ist besonders Montmorillonit bevorzugt, der während der Membranherstellung hinzugegeben wird.
Verfahren zur Herstellung von dotierten Kunststoffmembranen sind bekannt.
Die Dotierungsmittel werden gegebenenfalls durch einen Kalzinierungsprozeß in der Membran fixiert und in die stark Lewis-Saure-Form überführt. Besonders bevorzug ist die Kalzinierung von Titansulfat und Zirkonphosphat in der Membran. Optional schließt sich an die Kalzinierung eine erneute und/oder weitere Dotierung an. Als Dotierungsmittel sind wieder die Phophorsäure, Schwefelsäure und die oben genannten Heteropolysäuren besonders bevorzugt. Der Vorgang kann gegebenenfalls mehrfach wiederholt werden.
Als Kalzierungstemperatur ist der Temperaturbereich von 60°C bis kurz unterhalb der thermischen Zersetzungstemperatur des zu dotierenden Polymers geeignet. Für die fluorierten Hauptketten Polymere und Polybenzimidazol ist dies über 300°C. Besonders bevorzugt ist der Temperaturbereich von 100°C bis 300°C.
Durch die Kalzinierung werden einige Dotierungsmittel in der Membran für eine technisch anwendbare Zeit fixiert.
Das erfindungsgemäße vernetzte Polymer weist wiederkehrende Einheiten der allgemeinen Formel (1), insbesondere wiederkehrende Einheiten entsprechend den allgemeinen Formeln (1A), (1B), (IC), (1D); (1E), (IF), (ΙG).- (IH), (II), (IJ), (IK), (IL), (IM), (IN), (1Ö), (IP), (IQ), (1R)5 (IS) und/oder (IT), auf: _0-R< _ (1A)
--O-R-SOa-R— (1C)
—O-R^-R-O-R - <1D)
— O-R6-SO2-R-O-R6-R^- <1E>
Figure imgf000011_0001
— O-R^SOa-R-R-SOa-R— (1G)
— O-R-SO2-R-R-SO2-R-O— R-SO2-R6— (1H)
-[-O-R^SOa- ^SOa-R- 6-^ (1I)
it O <x, y < 100% '
≠ bezogen auf die Anzahl aller wiederkehrenden Einheiten
— O-R-CO-R6— lϊ)
— O— R^CO-R-CO-R^— (1K)
— O— R-CO-R-O-R-CO-R-CO-R— (1L)
Figure imgf000011_0002
— O— R-O-R-CO-R^CO-R^— (1N)
Figure imgf000012_0001
it O < y< 100%
— R6— <1P)
— R6-CH=CH— ^
— CHR— CH2 (1R)
Figure imgf000012_0002
Dabei sind die Reste Rδ unabhängig voneinander gleich oder verschieden 1,2- Phenylen, 1,3-Phenylen, 1 ,4-Phenylen, 4,4'-Biphenyl, ein zweiwertiger Rest eines Heteroaromaten, ein zweiwertiger Rest eines C10-Aromaten, ein zweiwertiger Rest eines C14-Aromaten und/oder ein zweiwertiger Pyren-Rest. Ein Beispiel für einen C10-Aromaterϊ ist Naphthalin, für einen C14-Aromaten Phenanthren. Das Substitutionsmuster des Aromaten und/oder Heteroaromaten ist beliebig, im Falle von Phenylen beispielsweise kann R6 ortho-, meta- und para-Phenylen sein.
Die Reste R7, R8 und R9 bezeichnen ein-, vier- bzw. dreibindige aromatische oder heteroaromatische Gruppen und die Reste U, die innerhalb einer Wiederholungseinheit gleich sind, stehen für ein Sauerstoffatom, ein Schwefelatom oder eine Aminogruppe, die ein Wasserstoffatom, eine 1- 20 Kohlenstoffatome aufweisende Gruppe, vorzugsweise eine verzweigte oder nicht verzweigte Alkyl- oder Alkoxygruppe, oder eine Arylgruppe als weiteren Rest trägt. Zu den im Rahmen der vorliegenden Erfindung besonders bevorzugten Polymeren mit wiederkehrenden Einheiten der allgemeinen Formel (1) gehören Homo- und Copolymere, beispielsweise statistische Cbpplymere, wie ®Victrex 720 P und®Astrel an. Gäriz besonders bevorzugte Polymere sind Polyarylefher, Polyarylthioether, Polysulfone, Polyetherketone, Poylpyrrole, Polythiophene, Polyazole, Polyphenylene, Polyphenylenvinylene, Polyaniline, Polyazulene, Polycarbazole, Polypyrene, Polyindophenine und Polyvinylpyridine, insbesondere: Polyarylether:
Polyphenylenoxid
Figure imgf000013_0001
Polyarylthioether:
Polyphenylensulfid
Figure imgf000013_0002
Polysulfone:
®Nictrex 200 P
Figure imgf000013_0003
Nictre 720 P
Figure imgf000013_0004
mit n > o
'Radel
Figure imgf000013_0005
8Radel R
.-*"-©→j- - -° o: (1E-1)
'Victrex HTA
^θ2- -o-^so2^ -^So2-^^_ j_(lH-l)
Figure imgf000014_0001
mitn < o ®Udel
Figure imgf000014_0002
Polyetherketone: PEK
(1J-1)
•o-C H
PEKK
Figure imgf000014_0003
PEKEKK ,
Figure imgf000014_0004
PEEK
Figure imgf000014_0005
PEEKK
Figure imgf000015_0001
Polypyrrole:
Figure imgf000015_0002
Polythiophene:
Figure imgf000015_0003
Polyazole:
Polybenzimidazol
Figure imgf000015_0004
Polyphenylene:
Figure imgf000015_0005
Polyphenylenvinylen:
Figure imgf000015_0006
Polyanilin:
Figure imgf000015_0007
Polyazulen:
Figure imgf000016_0001
Polycarbazol:
Figure imgf000016_0002
Polypyren:
Figure imgf000016_0003
Polyindophenine:
Figure imgf000016_0004
Polyvinylpyridin:
Figure imgf000016_0005
Figure imgf000017_0001
Erfindungsgemäß ganz besonders bevorzugt werden vernetzte Polymere mit wiederkehrenden Einheiten der allgemeinen Formel (1A-1), (1B-1), (1C-1), (II- 1), (1G-1), (1E-1), (1H-1), (11-1), (1F-1), (1J-1), (1K-1), (1L-1), (1M-1) und/oder (1N-1).
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bezeichnet n die Anzahl der wiederkehrenden Einheiten entlang einer Makromolekülkette des vernetzten Polymers. Diese Anzahl der wiederkehrende Einheiten der allgemeinen Formel (1) entlang einer Makromolekülkette des vernetzten Polymers ist vorzugsweise eine ganze Zahl größer gleich 10, insbesondere größer gleich 100. Vorzugsweise ist die Anzahl der wiederkehrende Einheiten der allgemeinen Formel (1A), (1B),-(1C), (1D), (1E), (IF), (IG), (1H), (II), (IJ), (IK), (IL), (IM), (IN), (10), (IP), (IQ), (1R), (IS) und/oder (IT) entlang einer Makromolekülkette des vernetzten Polymers eine ganze Zahl größer gleich 10, insbesondere größer gleich 100.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Zahlenmittel des Molekulargewichts der Makromolekülkette größer als 25.000 g/mol, zweckmäßigerweise größer 50.000 g/mol, insbesondere größer 100.000 g/mol. Das erfindungsgemäße vernetzte Polymer kann grundsätzlich auch unterschiedliche wiederkehrende Einheiten entlang einer Makromolekülkette aufweisen. Vorzugsweise jedoch weist es entlang einer Makromoiekülkette nur • • gleiche wiederkehrende Einheiten der allgemeinen Formel (1A), (1B), (IC) (1D), (1E), (IF), (IG), (1H), (II), (IJ), (IK), (IL), (IM), (IN), (10), (IP), (IQ), (1R), (IS) und/oder (IT) auf.. •
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung weist der Resrajminset teilweise Substituenten der allgemeinen Formel (2A), (2B), (2C), (2D), (2E), (2F), (2G), (2H), (21), (2J), (2K), (2L), (2M), (2N), (20), (2P), (2Q) und/oder (2R), vorzugsweise der allgemeinen Formel (2A), (2B), (2C), (2D), (2J), (2K), (2L) und/oder (2M), zweckmäßiger Weise der allgemeinen Formel (2A), (2B), (20), (2J), (2K) und/oder (2L), insbesondere der allgemeinen Formel (2J) und/oder (2K) auf:
Figure imgf000018_0001
Ö
Figure imgf000019_0001
X
H
Figure imgf000019_0002
Dabei bezeichnen die Reste R1 unabhängig voneinander eine Bindung oder eine 1 bis 40 Kohlenstoffatome aufweisende Gruppe, vorzugsweise eine verzweigte oder nicht verzweigte Alkyl-, Cycloalkyl- oder eine gegebenenfalls alkylierte Arylgruppe , die gegebenfalls ein oder mehrere Fluoratome enthalten. Im Rahmen einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist R1 eine Methylengruppe (-CH2-) und/oder eine teil- oder ganz fluorierte Methylengruppe (-CFH-) oder (-CF2-). Zusätzlich bezeichnet R1 in einer weiteren ganz besonders bevorzugten Ausführungsform, zur im vorigen Satz bestimmten Struktur, noch eine Bindung.
M steht für Wasserstoff, ein ein- oder mehrwertiges Metallkation, vorzugsweise Li+, Na+, K+, Rb+, Cs+, Zr4+, Ti4+, ZrO2+oder ein gegebenenfalls alkyliertes Ammoniumion, zweckmäßgerweise für Wasserstoff oder Li+, insbesondere für Wasserstoff.
X ist ein Halogen oder eine gegebenenfalls alkylierte Aminogruppe. Weiterhin weist der Rest R erfϊndungsgemäß zumindest teilweise Substituenten der allgemeinen Foimel (5A) und oder (5B), vorzugsweise (5A) auf,
Figure imgf000020_0001
und/oder der Rest R ist zumindest teilweise ein Gruppe der allgemeinen Formel (5C) und/oder (5D), vorzugsweise (5C).
Figure imgf000020_0002
In diesem Zusammenhang kennzeichnen die Reste R2, R3, R4 und Rs unabhängig voneinander eine 1 bis 40 Kohlenstoffatome aufweisende Gruppe, vomigsweise eine verzweigte oder nicht verzweigte Alkyl-, Cycloalkyl- oder eine gegebenenfalls alkylierte Aiylgruppe, wobei mindestens zwei der Reste R2, R3 und R4 zu einem gegebenenfalls aromatischen Ring geschlossen sein können.
Besonders vorteilhafte Effekte können erzielt werden, wenn R zumindest teilweise Substituenten der allgemeinen Foimel (5A-1) und/oder (5A-2) aufweist. O (5A-1)
-R10
Figure imgf000020_0003
Dabei kennzeichnet 'die Reste R10 eine gegebenenfalls alkylierte Arylgruppe, die mindestens eine gegebenenfalls alkylierte Aminogruppe aufweist, oder eine gegebenenfalls alkylierten Heteroaromaten, der entweder mindestens eine gegebenenfalls alkylierte Aminogruppe aufweist oder mindestens ein Stickstoffatom im heteroaromatischen Kern aufweist. R11 ist Wasserstoff, eine Alkyl-, eine Cycloalkyl, eine Aryl-, oder eine Heteroarylgruppe oder ein Rest R10 mit der vorstehend genannten Bedeutung, wobei R10 und Ru gleich oder verschieden sein können.
Erfmdungsgemäß ganz besonders bevorzugt werden Substituenten der Formel (5A-1), bei welchen R10 ein gegebenenfalls alkylierter Anilinrest oder Pyridinrest, vorzugsweise ein alkylierter Anilinrest ist. Weiterhin werden auch Substituenten der Formel (5A-2) besonders bevorzugt, bei welchen R10 und R11 gegebenenfalls alkylierte Anilinreste oder Pyridinreste, vorzugsweise alkylierte Anilinreste sind.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung weist der Rest R zumindest teilweise Brücken der allgemeinen Formel (6) auf,
Figure imgf000021_0001
die mindestens zwei Reste R miteinander verbinden, wobei Y eine 1 bis 40 Kohlenstoffatome aufweisende Gruppe, vorzugsweise eine verzweigte oder nicht verzweigte Alkyl-, Cycloalkyl- oder gegebenenfalls alkylierte Arylgruppe, zweckmäßigerweise eine 1 bis 6 Kohlenstoffatome aufweisende lineare oder verzweigte Alkylgruppe, ist.
Z bezeichnet Hydroxyl, eine Gruppe der allgemeinen Formel
Figure imgf000021_0002
oder eine Gruppe m t einem Molekulargewicht größer 20 g/mol bestehend aus den optionalen Komponenten H, C, O, N, S, P und Halogenatomen, und m steht für eine ganze Zahl größer gleich 2, vorzugsweise 2. Das erfindungsgemäße vernetzte Polymer ist vorzugsweise sind mit Säure dotiert. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bezeichnen dotierte Polymere solche Polymere, die aufgrund der Gegenwart von Dotierungsmitteln eine erhöhte Protonenleitfähigkeit im Vergleich mit den nicht dotierten Polymeren zeigen. Dotierungsmittel für die erfindungsgemäßen Polymere sind Säuren.
Säuren umfassen in diesem Zusammenhang alle bekannten Lewis- und Bransted- Säuren, vorzugsweise anorganische Lewis- und Bransted-Säuren. Weiterhin ist auch der Einsatz von Polysäuren möglich, insbesondere Isopolysäuren und . Heteropolysäuren sowie von Mischungen verschiedener Säuren. Dabei bezeichnen im Sinne der vorliegenden Erfindung Heteropolysäuren anorganische Polysäuren mit mindestens zwei verschiedenen Zentralatomen, die aus jeweils schwachen, mehrbasischen Sauerstoff-Säuren eines Metalls (vorzugsweise.Cr, Mo, N, W) und eines Nichtmetalls (vorzugsweise As, I, P, Se, Si, Te) als partielle gemischte Anhydride entstehen. Zu ihnen gehören unter anderen die 12-Molybdatophosphorsäure und die 12-Wolframatophosphorsäure.
Erfindungsgemäß besonders bevorzugte Dotieruήgsmittel sind Schwefelsäure und Phosphorsäure. Ein ganz besonders bevorzugtes Dotierungsmittel ist Phosphorsäure (H3PO4).
Über den Dotiemngsgrad kann die Leitfähigkeit der erfindungsgemäßen Kunststoffmembran beeinflußt werden. Dabei nimmt die Leitfähigkeit mit steigender Konzentration an Dotierungsmittel solange zu, bis ein maximaler Wert erreicht ist. Erfindungsgemäß wird der Dotierungsgrad angegeben als Mol Säure pro Mol Wiederholungseinheit des Polymers. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist ein Dotiemngsgrad zwischen 3 und 15, insbesondere zwischen 6 und 12,'bevorzugt.
Verfahren zur Herstellung von dotierten Kunststoffmembran sind bekannt. In einer bevorzugten Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung werden sie erhalten, indem man ein erfindungsgemäße Polymer eine geeignete Zeit, vorzugsweise 0,5 - 96 Stunden, besonders bevorzugt 1 - 72 Stunden, bei Temperaturen zwischen Raumtemperatur und 100°C und gegebenenfalls erhöhtem Druck mit konzentrierter Säure, vorzugsweise mit hochkonzentrierter Phosphorsäure benetzt. Das Eigenschaftsspektrum des erfindungsgemäßen vernetzten Polymers kann durch Variation seiner lonenaustauscherkapazität verändert werden. Vorzugsweise liegt die lonenaustauscherkapazität zwischen 0,5 meq/g und 1,9 meq/g, jeweils bezogen auf die Gesamtmasse des Polymers.
Das erfmdungsgemäße Polymer weist einen niedrigen spezifischen Durchgangswiderstand, vorzugsweise von höchstens 100 Ωcm, zweckmäßigerweise von höchstens 50 Ωcm, insbesondere von höchstens 20 Ωcm, jeweils bei 25°C, auf.
Die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Kunststoffmembran können zum Teil durch ihre Gesamtdicke gesteuert werden. Jedoch besitzen auch äußerst dünne Kunststoffmembranen schon sehr gute mechanische Eigenschaften und eine geringere Permeabilität für Wasserstoff, Sauerstoff und Methanol. Daher .'sind sie für den Einsatz in Brennstoffzellen oberhalb von 80°C, zweckmäßigerweise oberhalb von 100°C, insbesondere für den Einsatz in Brennstoffzellen oberhalb von 120°C geeignet, ohne daß der Randbereich der Membran-Elektroden- Einheit verstärkt werden muß. Vorzugsweise beträgt die Gesamtdicke der erfindungsgemäßen, dotierten Kunststoffmembran zwischen 5 und 100 μm, zweckmäßigerweise zwischen 10 und 90 μm, insbesondere zwischen 20 und 80 μm.
Im Rahmen einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung quillt es bei einer Temperatur von 90°C in deionisiertem Wasser um weniger als 100 %.
Verfahren zur Herstellung des erfϊndungsgemäßen vernetzten Polymere sind dem Fachmann offensichtlich. Jedoch hat sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Vorgehensweise als ganz besondere geeignet erwiesen, bei der man ein oder mehrere Eduktpolymere, das oder die jeweils oder in Summe die funktionelle Gruppen a), b) und d) aufweisen, wobei d) Sulfinat-Gruppen der allgemeinen Formel (6) bezeichnet
O (6)
II — R1— S— OM mit einer Verbindung der allgemeinen Formel (7) umsetzt
wobei L eine Abgangsgruppe, vorzugsweise eine F, Cl, Br, I, Tosylat, und n eine ganze Zahl größer gleich 2, vorzugsweise 2, ist. Dabei weist jedes Eduktpolymer vorzugsweise wiederkehrende Einheiten der allgemeinen Formel (1) auf. Weiterhin ist es zweckmäßigerweise nicht kovalent vernetzt.
Für den Fall, daß bei mindestens einem Eduktpolymer der Rest R zumindest teilweise Substituenten der allgemeinen Formel (5A) aufweist oder zumindest teilweise eine Gruppe der allgemeinen Formel (5C) ist, kann die Umsetzung mit der Verbindung (7) weiterhin auch zur Bildung von Brücken der allgemeinen Formel (8) und/oder (9) führen.
Figure imgf000024_0001
Auch die Ausbildung von Brücken zwischen verschiedenen Substuenten der allgemeinen Formel (5A) bzw. zwischen verschiedenen Gruppen der allgemeinen Formel (5C) ist denkbar.
Im Rahmen einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Polymermischung aus 1) mindestens einem Eduktpolymer aufweisend funktionelle Gruppen a),
2) mindestens einem Eduktpolymer aufweisend funktionelle Gruppen b) und • 3) mindestens einem Eduktpolymer aufweisend funktionelle Gruppen d) eingesetzt..
Im Rahmen einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Polymermischung aus
1) mindestens ein Eduktpolymer aufweisend funktionelle Gruppen a) und b) und
2) mindestens ein Eduktpolymer aufweisend funktionelle Gruppen d) eingesetzt.
Gemäß einer anderen besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann es auch besonders vorteilhaft sein, eine Polymermischung aus 1) mindestens ein Eduktpolymer aufweisend funktionelle Gruppen a) und d) und . 2) mindestens ein Eduktpolymer aufweisend funktionelle Gruppen b) einzusetzen.
Weiterhin stellt auch Verfahren, bei welchem man eine Polymermischung aus
1) mindestens einem Eduktpolymer aufweisend funktionelle Gruppen a) und
2) mindestens einem Eduktpolymer aufweisend funktionelle Gruppen b) und d) einsetzt, eine besonders bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
Erfindungsgemäß kann es auch überaus zweckmäßig sein, mindestens ein Polymer aufweisend funktionelle Gruppen der allgemeinen Formel a), b) und d) einzusetzen.
Das oder die erfindungsgemäß einzusetzenden Eduktpolymere können grundsätzlich unterschiedliche wiederkehrende Einheiten der allgemeinen Formel (1) aufweisen. Vorzugsweise jedoch weisen sie nur gleiche wiederkehrende Einheiten der allgemeinen Formel (1A), (IB), (IC), (ID), (1E), (IF), (IG), (1H), (II), (IJ), (IK), (IL), (IM), (IN), (10), (IP), (IQ), (1R), (IS) und/oder (IT) auf.
Die Anzahl der wiederkehrende Einheiten der allgemeinen Formel (1 A), (IB), (IC), (ID), (1E), (IF), (IG), (1H), (II), (IJ), (IK), (IL), (IM), (IN), (10), (IP), (IQ), (1R), (IS) und/oder (IT) ist vorzugsweise eine ganze Zahl größer gleich 10, vorzugsweise mindestens 100 wiederkehrende Einheiten.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Zahlenmittel des Molekulargewichts des oder der Eduktpolymere größer als 25.000 g/mol, zweckmäßigerweise größer 50.000 g/mol, insbesondere größer 100.000 g/mol.
Die Synthese der Eduktpolymere aufweisend funktionelle Gruppen der allgemeinen Formel a), b) und/oder d) ist bereits bekannt. Sie kann beispielsweise erfolgen, indem man ein Polymer der allgemeinen Formel (1) mitn-Butyllithium in einem getrockneten aprotischen Lösungsmittel, vorzugsweise Tetrahydrofuran (THF), unter Inertgasatmosphäre, vorzugsweise Argon umsetzt und auf diese Weise lithiiert.
Zur Einführung der funktioneilen Gruppen wird das lithiierte Polymer in an sich bekannter Weise mit geeigneten Funktionalisierungsmitteln, vorzugsweise mit Alkylierungsmittel der allgemeinen Formel
L— Subst (10) wobei Subst. der einzuführende Substituent ist, mit Ketonen und/oder Aldehyden, die zu den entsprechenden Alkoholaten umgesetzt werden, und/oder mit Carbonsäureestern und/oder Carbonsäurehalogeniden, die zu den entsprechenden Ketonen umgesetzt werden. Die Einführung von Sulfonatgruppen kann auch durch die Umsetzung des lithiierten Polymers mit SO3, die Einführung von Sulfinatgruppen auch durch die Umsetzung des lithiierten Polymere mit SO2 erfolgen.
Durch sukzessive Umsetzung mit mehreren unterschiedlichen Funktionaliesierungsmitteln werden Polymere erhalten, die mindestens zwei verschiedene Substituenten aufweisen.
Für weitere Details wird auf den Stand der Technik, insbesondere auf die Druckschriften US 4,833,219, J. Kerres, W. Cui, S. Reichle; New sulfonated engineering polymres viathe melationroute. 1. Sulfonated poly(ethersulfone) PSU Udel® via metalation-sulfination-oxidation" J. Polym. Sei.: Part A: Poly . Chem. 34, 2421-2438 (1996), WO 00/09588 AI verwiesen, auf deren Offenbarung hiermit explizit bezug genommen wird.
Der Funktionalisierungsgrad der Eduktpolymere liegt vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 3 Gruppen pro Wiederholungseinheit, vorzugsweise zwischen 0,2 und 2,2 Gruppen pro Wiederholungseinheit. Besonders bevorzugt werden Eduktpolymere mit 0,2 bis 0,8 Gruppen a), vorzugsweise Sulfonatgruppen, pro Wiederholungseinheit. Weiterhin haben sich Eduktpolymere mit 0,8 bis 2,2 Gruppen b) pro Wiederholungseinheit besonders bewährt. Darüber hinaus werden mit Eduktpolymeren, die 0,8 bis 1,3 Gruppen d) pro Wiederholungseinheit aufweisen, besondefs vorteilhafte Resultate erzielt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat es sich als ganz besonders zweckmäßig erwiesen, das eine oder die Eduktpolymere in einem dipolar- aprotischen Lösungsmittel, vorzugsweise in N,N-Dimethylformamid, N,N- Dimethylacetamid, N-Methylpyrrolidon, Dimethylsulfoxid oder Sulfolan, zu lösen und mit der Halogenverbindung unter Rühren umzusetzen.
Besonders vorteilhafte Ergebnisse können dabei erzielt werden, wenn a) man die Polymerlösung als Film auf einer Unterlage, vorzugsweise auf einer
Glasplatte, einem Gewebe oder einem Vlies, spreitet und •b) das Lösungsmittel gegebenenfalls bei erhöhter Temperatur größer 25°C • und/oder reduziertem Druck kleiner 1000 mbar abdampft und auf diese Weise eine Polymermembran erhält.
Die Eigenschaften des erfindungsgemäßen Polymers lassen sich auch dadurch verbessern, indem man das Polymer a) in einem ersten Schritt mit einer Säure behandelt und b) in einem weiteren Schritt mit deionisiertem Wasser behandelt. wobei man das Polymer vor dem ersten Schritt gegebenenfalls mit einer Lauge behandelt. / / Λ„
(Mi ά l ot Xi
Mögliche Einsatzgebiete für das erfindungsgemäße kovalent ;εafarionisch vernetzte Polymer sind dem Fachmann offensichtlich. Es eignet sich insbesondere für alle Anwendungen, die für vernetzte Polymere mit niedrigen spezifischen Durchgangswiderständen, vorzugsweise kleiner 100 Ωcm bei 25°C, vorgezeichnet sind. Aufgrund ihrer charakteristischen Eigenschaften sind sie vor allem für Anwendungen in elektrochemischen Zellen, vorzugsweise in Sekundärbatterien, Elektrolys ezellen und in Polymerelektrolytmembranbrennstoffzellen, insbesondere in Wasserstoff- und Direkt-Methanol-Brennstoffzellen geeignet.
≠
Weiterhin können sie auch in Membrantrennprozessen, vorzugsweise bei der Gastrennung, Pervaporation, Perstraktion, Umkehrosmose, Nanofiltration, Elektrodialyse und der Diffusionsdialyse, auf besondere vorteilhafte Weise einges etzt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung durch Beispiele und Vergleichsbeispiele eingehender erläutert, ohne daß die erfindungsgemäße Lehre auf diese Beispiele beschränkt werden soll. Dabei wurden die angegebenen Eigenschafts werte, ebenso wie die vorstehend beschriebenen Werte, wie folgt ermittelt: Zur Bestimmung der lonenaustauscherkapazität IEC wurde ein Stück protonierter Ionomermembran bis zur Gewichtskonstanz getrocknet: 1 mg der Membran wurden in etwa 50 ml gesättigte NaCl-Lösung gegeben. Dadurch erfolgte ein Ionenaustausch der Sulfonatgruppen, die H+-Ionen gingen in die gesättigte Lösung über. Man rührte oder schüttelte die Lösung mit der Membran etwa 24 Stunden. Danach wurden zur Lösung 2 Tropfen des Indikators Bromthymolblau zugegeben und mit 0,1 -normaler NaOH-Lösung bis zum Farbumschlag gelb/blau titriert. Die IEC wurde wie folgt berechnet:
IEC [meq/g] = (Normalität NaOH[meq/ml] Verbrauch NaOH [ml] *Faktor NaOH)/Masse Membran [g]
Der spezifische Durchgangswiderstand Rsp der Membranen wurde mittels . Impedanz-Spektroskopie (IM6 Impedanzmeßgerät, Zahner elektrik) in einer Plexiglaseinheit mit goldbeschichteten Kupferelektroden (Elektrodenfläche 0,25 cm2) bestimmt. Dabei bezeichnet erfindungsgemäß die Impedanz, bei welcher der Phasenwinkel zwischen Stromstärke und Spannung 0 war, den spezifischen Durchgangswiderstand. Die konkreten Meßbedingungen waren wie folgt: es wurde 0,5 N HCl verwendet, die zu vermessende Membran wurde zwischen zwei Nafion 117-Membranen gepackt, die Mehrschichtanordnung Nafion 117/Membran/ Nafion 117-Membran wurde zwischen die zwei Elektroden gepreßt. Auf diese Weise wurden die Grenzflächen- Widerstände zwischen Membran und Elektrode eliminiert, indem man zunächst die Mehrschichtanordnung aller 3 Membranen und dann die zwei Nafion 117- Membranen alleine gemessen hat. Die Impedanz der Nafion-Membranen wurde von der Impedanz aller 3 Membranen substrahiert. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurden die spezifischen Durchgangswiderstände bei 25°C bestimmt.
Zur Bestimmung der Quellung wurden die Membranen in deionisiertem Wasser bei der jeweiligen Temperatur äquilibriert, und dann gewogen (= m8s,luollta). Danach wurden die Membranen in einem Trockenschrank bei erhöhter Temperatur getrocknet und wiederum gewogen (= m ∞kaι). Der Quellungsgrad • errechnet sich wie folgt:
Q = (m! gequollen m trocken l:)/m' trock n
a.) eingesetzte Polymere a-l) PSU Udel®:
PSU P 1800 (Fa. Amoco)
a-2) PEK-SO3Li:
Lithiumsalz von sulfoniertem Polyetherketon PEK;
Figure imgf000030_0001
Herstellung:
100 g PEK-SO3H mit einer lonenaustauscherkapazität von 1,8 meq SO3H/g Polymer wurden in 1000 ml einer 10 Gew-%igen wäßrigen LiOH- Lδsung für 24 Stunden gerührt. Danach wurde das Li-ausgetauschte PEK- SO3Li abfiltriert, bis zur neutralen Reaktion des Waschwassers mit Wasser gewaschen und danach bei 100°C für 48 h getrocknet. Das resultierende Polymer enthielt 0,4 SO3Li-Einheiten pro Wiederholungseinheit (lonenaustauscherkapazität (IEC) der prόtonierten Form = 1,8 meq SO3H/g). a-3) PSU-S02Li:
Lithiumsalz von sulfiniertem Polyethersulfon PSU Udel®
Figure imgf000030_0002
erhalten gemäß US 4,833,219 oder J. Kerres, W. Cui, S. Reichle; New sulfonated engineering polymres via the melation route. 1. Sulfonated poly(ethersύlfone) PSÜ. Udel® via metalation-sulfination-oxidation" j. Polym. Sei.: Part A: Polym. Chem.34, 2421-2438 (1996) IEC der protonierten Form = 1,95 meq Sθ2Li g a-4) PSU-DPK:
Figure imgf000031_0001
erhalten durch Umsetzung von 2,2'-Dipyridylketon mit lithiiertem PSU
Udel (gemäß WO 00/09588 AI); • eine 2,2'-Dipyridylketon-Einheit pro Wiederholungseinheit
a-5) Synthese von PSU-P3-SO2Li, PSU-EBD-SOjLi PSU-P3-SO2Li,
Figure imgf000031_0002
PSU-EBD-SO,Li
Figure imgf000032_0001
Zunächst wurde PSU Udel® in trockenem THF gelöst und unter Argon auf -75°C heruntergekühlt. Spuren von Wasser im Reaktionsansatz wurden mit 2,5 M n-Butyllithium (n-BuLi) entfernt. Anschließend wurde das gelöste Polymer mit 10 M n-BuLi lithiiert. Man ließ den Ansatz eine Stunde lang reagieren und gab dann Pyridin-3-aldehyd oder 4,4'-Bis- (N,N-diethylamino)benzophenon zu. Die Reäktionstemperatur wurde danach auf — 20°C für eine Stunde erhöht. Für die Umsetzung mit SO2 wurde anschließend wieder auf-75°C abgekühlt und das SO2 eingeleitet.
Zur Aufarbeitung spritzte man 10 ml einer Isopropanol- Wasser-Mischung in die Reaktionslösung, erwärmte auf Raumtemperatur, fällte das Polymer in einem Überschuß Isopropanol aus, filtrierte das resultierende Polymer ab und wusch es gegebenenfalls mit Isopropanol. Zur Reinigung wurde das Polymer in Methanol aufgeschlämmt und erneut äbfiltriert. Die Trocknung' des Polymere erfolgte im Vakuum, vorzugsweise bei 80°C. Die Substitutionsgrade wurden durch quantitative Auswertung der 'H-NMR- Spektren erhalten. Tabelle 1: Synthese von PSU-P3-SO2Li und PSU-EBD-SO,Li
Figure imgf000033_0002
b.) Membranherstellung
Die Polymere PEK-SO3Li, PSU-P3-SO2Li, PSU-EBD-SO2Li, PSU-DPK und/oder PSUSθ2Li wurden gemäß Tabelle 2 in NMP gelöst und filtriert. Die Polymerlösung wurde dann im Vakuum entgast und anschließend mit 1,4- Dijodbutan versetzt. Danach wurde sie auf eine Glasplatte gegossen und ausgerakelt. Die Glasplatte wurde in einem Ofen bei 60°C für eine Stunde, dann bei 90°C für eine weitere Stunde und schließlich bei 120°C unter Vakuum über Nacht getrocknet. Die Platte wurde auf Raumtemperatur abgekühlt und in ein Wasserbad gelegt. Die Membran wurde von der Glasplatte abgetrennt und in 10% HCl bei 90°C für einen Tag im Ofen gelagert. Anschließend wurde sie in deionisiertem Wasser bei 60°C konditioniert.
Figure imgf000033_0001
Das bis hier beschriebene erfindungsgemäße Polymer und auch alle möglichen Kombinationen ist dadurch gekennzeichnet, dass es wenigstens einen Substituenten aus der allgemeinen Formel (2J), (2K), (2L), (2M), (2N), (20), (2P), (2Q), und/oder (2R) aufweist. Wenn es keinen Subsituenten aus der obengenannten Gruppe aufweist, dann- hat es wenigsten einen Substituenten aus der allgemeinen Formel (3C), (3D), (3G), (3H) oder dass es vernetzt ist über eine Vernetzungsbrücke aus der allgemeinen Formel (4B). und/ oder (4C).
Besonders bevorzugt ist das Vorhandensein des Rest (2J) und/oder (2K).
Polymer-(2J)
Polymer-(2K)
Es wurde überraschenderweise festgestellt, dass sich die Säurestärke einer protonenabspaltenden Säure, insbesondere der Sulfonsäure und Phosphonsäure, durch das Vorhandensein einer Sulfongruppe, an dem die protonenabspaltende Gruppe tragenden C-Atom, erhöht.
Nachfolgende Abbildungen machen die Strukturen anschaulich:
T t ά& i& eQty Jst . R- R? fγ M flht
Figure imgf000034_0001
Figure imgf000035_0001
Figure imgf000036_0001
o lonic Form = HL
Figure imgf000036_0002
Figure imgf000037_0001
Figure imgf000038_0001
Figure imgf000039_0001
Figure imgf000040_0001
Figure imgf000040_0002
£
αup Erfindungsgemäß sind auch Polymere, die ausschließlich von sulfinierten Polymeren, aus P1 ausgehen und wobei die Sulfinatgruppe im weiteren Verlauf der Reaktionen in Sulfongruppen umgewandelt werden, die über einen Kohlenstoffhaltigen Rest wieder z.T. oder vollständig' mit einem weiteren sulfinierten Polymer' vernetzt werden. Der / ι Kohlenstoffhaltige Rest trägt die funktioneilen Gruppen. Diese können Säuren oder {JLU Basen sein.
Figure imgf000041_0001
G * %> -z,. d 2Λ) s Qj)
Die erfindungsgemäßen Polymere und die daraus hersgestellten Membranen sind geeignet zur Herstellung von Membranelektrodeneinheiten. Durch nicht vollständiges Abreagieren der Sulfinsäuregruppe lassen sich die auf die Membran aufgebrachten Elektroden, z.B. in Form einer Paste, Tinte oder über Pulverbeschichtungsverfahren, mit reaktiven Gruppen über Alkylierungsvemetzer mit der Membran kovalent vernetzten. Sowohl die Membran als auch die aufgebrachten Elektroden enthalten vor der Reaktion noch nicht abreagierte .Sulfinsäuregruppen, besonders bevorzugt sind die Sulfinate. Setzt man nun der Elektrodenpaste, die sowohl Vorstufen von polymeren Kationentauschem als auch polymere Sulfinate enthält Di- oder Oligohalogenvemetzter zu, die gegebenfalls funktionelle Gruppen aus (2A) bis (2R) enthalten, so reagieren die polymeren Sulfinate der Elektrodenpaste mit den freien polymeren Sulfinaten der Membran. Die entstehende kovalente Vernetzung löst ein bestehendes Problem in der mangelnden Anbindung der Elektroden an die Membran.
Mögliche Einsatzgebiete für das eriϊndungsgemäße Polymer und erfindungsgemäße
Figure imgf000041_0002
Sekundärbatterien, Elektrolysezellen und Polymerelektrolytmembranbrennstoffzellen, insbesondere in Wasserstoff- und Direkt-Methanol-Brennstoffzellen.
Zusätzlich können die erfindungsgemäßen Polymere eingesetzt werden in anderen Membranprozessen, vorzugsweise bei der Gastrehnung, Perväporation, ' '
Umkehrosmose, Nanofiltratlon, Elektrodialyse, Perstraktioή und Diffusionsdialyse.
Nachfolgend wird die Erfindung durch Beispiele erläutert, ohne dass die erfindungsgemäße Lehre auf diese Beispiele beschränkt werden soll.
Die neuen Polymere könnendurch verschiedene Verfahren hergestellt werden.
Beispielhaft soll der Weg über eine polymere Sulfinsäure dargestellt werden. Polymere Sulfinsäuren sind unter anderem über die von Guiver et.al. und auch von Kerres et.al. beschriebenen Verfahren zugänglich. Das polymere Sulfinsäuresalz reagiert unter Abspaltung von Li-Halogenid mit einer Mono- oder Oligohalogenverbindung unter Schwefelalkylierung bzw. Schwefelarylierung, die noch wenigstens eine weitere funktionelle Gruppe von (2A) bis (21) tragen. Die Halogenverbindung enthält vorhzugsweise die Halogene Fluor, Chlor, Brom und/oder Jod als abspaltbares Anion. Jodid wird bereits bei Raumtemperatur (25°C), Brom bei Temperaturen über 30°C und Chlor läßt sich nur unter drastischen Bedingungen abspalten. Fluor ist eine Abgangsgruppe wenn das Fluoratom sich an einer Arylgruppe bzw. an einer herteroarylgruppe befindet, ein einfaches Beispiel ist p-Fluorbenzensulfonat. Der verbleibende Rest z.B. (2A) bis (21) trägt nun die gewünschte funktionelle Gruppe. Durch die vorgelagerte Sulfongruppe steigt die Säurestärke erheblich an. Zwischen der Sulfongruppe und der Protonenabspaltenden Gruppe, z.B. Sulfonsäure, ist wenigstens ein Kohlenstoff atom, bevorzugt sind die Methylengruppe -CH2- und die Ethylengrappe -CH2-CH2-. Die Erhöhung der Säurestärke ist bis zu zwei Kohlenstoffatome in direkter Linie zur Protonenabspaltenden Gruppe deutlich nachweisbar. Aus diesen erfindungsgemäßen Polymeren hergestellte Membranen zeigen eine bessere Protonenleitfähigkeit gegenüber identischen Polymeren in denen die Protonenabspaltende Gruppe direkt am Aromaten sich befindet. Wird eines der benachbarten Wasserstoffatome noch zusätzlich durch Fluor ersetzt so steigt die Säurestärke noch einmal an.
Nachfolgend die Darstellung von einer Sulfonsäure deren Säurestärke durch die vorgelagerte Gruppierung -SO2-CH2- stark erhöht wird.
Sulfiniertes Polysulfon PSU-SO2-Li wird wie unter a-3) beschrieben dargestellt. Der IEC der protonierten Form beträgt 1,95 meq SO2Li/g. Es wird auf gelöst in NMP und dazu wird eine äquivalente Menge des Natriumsalzes von Brom-Methansulfonat gegeben. Nach Erwärmen erhält man folgende Verbindung in NMP gelöst PSU-SO2-CH2-SO3 "Na+ mit einem IEC von 1,95 meq SO3Li/g.
Statt Brom-Methansulfonat wird im nächsten Beispiel Brom-Ethansulfonat (Natriumsalz) mit PSU-SO2-Li umgesetzt. Die Reaktion verläuft glatt und nach Abdampfen des Lösungsmittel und Umkristallisierens erhält man die reine Verbindung PSU-SO2-CH2CH2-SO3 "Na+ Gibt man nun im letztgenannten Beispiel nicht die äquivalente Menge Brom-Ethansulfonat (Natriumsalz) hinzu sondern nur die Hälfte, so erhält man PSU-SO2-CH2CH2-SO3 "Na+ mit einem IEC von 0,9 meq SO3Li/g. Und es verbleibt noch ein IEC von 1,0 meq SO2Li/g in demselben Molekül. Das Lösungsmittel wird im Trockenschrank bei einer Temperatur von ca. 80°C so weit eingedampft bis die Lösung eine Konzentration von ca. 10-15%Gew. hat. Danach läßt man auf Raumtemperatur (25 °C) abkühlen und gibt eine equivalente Menge an Dijodbutan zu. Die Menge an Dijodbutan ist berechnet auf die Vernetzung der freien Sulfinatgruppen. Die Lösung wird sofort danach zu einer Membran auf einer Glasplatte ausgerakelt und das verbleibende Lösungsmittel NMP im Trockenschrank abgedampft. Man erhält eine kovalent vernetzte Membran deren protonenabspaltende Gruppierung eine deutlich größere Säurestärke aufweist als die Kontrolle. Zusätzlich spart man sich die Oxidation der überschüssigen Sulfinsäuregruppen zu Sulfonsäuregruppen, wie sie in der Kontrolle getan werden mußte. Die Protonenleitfähigkeit der Membran mit PSU-SO2-CH2CH2-SO3H war um 20% niedriger als in der Kontrolle, die nur PSU-SO3H als Protonenabspaltende Gruppe hatte. Eine deutliche Erhöhung der Stabilität der Membran konnte erreicht werden durch die Verwendung von PEEK-SO-Li mit einem IEC von 2,3 meq SO2Li/g. Nachfolgende Grafik erläutert die Reaktion:
Figure imgf000044_0001
Figure imgf000044_0002
Figure imgf000044_0003
fpgα fee (ptkekk ( Pe^ , pfcs)
^Ό[^ M
Figure imgf000044_0004
Figure imgf000044_0005
Die Membran wird durch eine Nachbehandlung in wässriger Mineralsäure und Wasser in die Säureform übergeführt. Zusätzlich werden dabei noch die entstandenen Salze entfernt. Die nachfolgende Grafik erläutert eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Polymere.
Figure imgf000045_0001
In einer weiteren besonders bevorzugten Form werden Polymere bereitgestellt, die eine der folgenden Gruppierung aufweisen:
Figure imgf000046_0001
- p_ ß"_ Scy- e— R CΓ O-T- )
14
Figure imgf000046_0002
Wobei P ein Polymer darstellt wie es auf den Seiten 9 bis 16 beschrieben worden ist.
R1. R1 ist definiert wie in der Beschreibung von R1 für die Substituenten (2A), (2B), (2C), (2D),
(2E), (2F), (2G), (2H), (21), (2J), (2K), (2L), (2M), (2N), (20), (2P), (2Q) oder (2R).
R55 ist einer der Substituenten aus (2A), (2B), (2C), (2D), (2E), (2F), (2G), (2H), (21), (2J), (2K),
(2L), (2M), (2N), (20), (2P), (2Q) oder (2R).
Es sind ebenso bevorzugt Polymere, die eine der folgenden Gruppierung aufweisen
Figure imgf000046_0003
Wobei P ein Polymer darstellt wie es auf den Seiten 9 bis 16 beschrieben worden ist.
R1. R1 ist definiert wie in der Beschreibung von R1 für die Substituenten (2A), (2B), (2C), (2D),
(2E), (2F), (2G), (2H), (21), (2J), (2K), (2L), (2M), (2N), (20), (2P), (2Q) oder (2R).
R55 ist einer der Substituenten aus (2A), (2B), (2C), (2D), (2E), (2F), (2G), (2H), (21), (2J), (2K),
(2L), (2M), (2N), (20), (2P), (2Q) oder (2R). Im folgenden werden weitere Wege für den Fachmann offenbart wenigstens eine der Gruppierungen (15-1), (15-1), (15-2), (15-3), (15-4), (15-5) oder (15-6) darzustellen.
Nach Guiver et. al. bzw. Kerres et.al. und nach einer noch nicht veröffentlichten Anmeldung sind Polymere Sulfinsäuren stand der Technik. Die polymere Sulfmsäure wird nach der allgemeinen Formel
Figure imgf000047_0001
0 alkyliert.
Dazu wird z.B. sulfiniertes Polysulfon in NMP aufgelöst und mit der äquivalenten Menge Jodessigsäure versetzt. Bereits nach leichtem Erwärmen spaltet sich Lithiumjodid ab und es bildet sich das entsprechende Sulfon mit einer endständigen Carboxylgruppe.
PSQ - Sö2 Li + J - C W2- wo h -* Xχi- S f !+ - coo H
+
-ΛX. l ' & ^ ,u m.> P^Xk *X*'- ? k JLX ?Εk£kj< eJb ΫE kk.
Figure imgf000047_0002
X J Ein weiterer Weg:
Polysulfon wird nach dem Stand der Technik, beschrieben z.B. von Guiver et.al, mit Buthyllithium bei -60°C metalliert. Danach wird es mit der äquivalenten Menge Methyljodid versetzt. Man läßt auf -10°C erwärmen, damit das Polysulfon vollständig methyliert wird. Das methylierte Polysulfon wird erneut auf -60°C abgekühlt und die äquivalente Menge Buthyllithium hinzugegeben zur Metalierung hinzugegeben. Nun gibt man die äquivalente Menge von einem Molekül SO2Cl2 je wenigstens mehr als einfach methalierter Methylgruppe hinzu und danach spritzt man in THF gelöstes Jod ein. Die Vorgehensweise ist detailiert in der Offenlegungsschrift DE 3636854 AI beschrieben. Das resultierende Polymer wird über die allgemein bekannte Finkelsteinreaktion über den Halogenaustausch fluoriert und vom Lösungmittel befreit. Das Polymer wird danach in Wasser, Säure und/oder Lauge hydrolisiert und die Sulfonsäure wird freigesetzt.
fζ(J - U -1- & J → X Ü ~ e H3 + L; J
Figure imgf000048_0001
C tt-
2. eo^ az
Figure imgf000048_0002
Figure imgf000049_0001
SC^tf so, 2 (j?
Figure imgf000049_0002
Figure imgf000049_0003
Figure imgf000049_0004
'
Figure imgf000050_0001
Figure imgf000050_0002
Figure imgf000051_0001
??
Figure imgf000051_0002
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Figure imgf000052_0002
\
Figure imgf000052_0003
Figure imgf000052_0004
Figure imgf000053_0001
-^ »K t^ r +
Figure imgf000053_0002
Figure imgf000053_0003
Figure imgf000054_0001
Figure imgf000054_0002
Figure imgf000054_0003
Figure imgf000054_0004

Claims

Patentansprüche:
1. Unvemetztes, kovalent vemetztes und/oder ionisch vemetztes Polymem aufweisend wiederkehrende Einheiten der allgemeinen Formel
-K-R- (1) worin K eine Bindung, Sauerstoff, Schwefel,
O
Ü oder (2)
O lf
• — Λ — ist und (3)
Θ der Rest R ein zweiwertiger Rest einer aromatischen oder heteroaromatischen
Verbindung ist, dadurch gekennzeichnet, daß a) der Rest R zumindest teilweise Substituenten der allgemeinen Formel (21),
Figure imgf000055_0001
0 ι( G
- S - ß - e~ o ■ ^ } ) ff 0 0
© o «
Q - Q -~ p O * ) lf
O ( Θ
M
Figure imgf000055_0002
0 0 o
ς - - tQ - y C2^j tl lf
0 0
o
Figure imgf000056_0001
V ( ö
Figure imgf000056_0002
0
Figure imgf000056_0003
Figure imgf000056_0004
wobei die Reste R1 unabhängig voneinander eine 1 bis 40 Kohlenstoffatome aufweisende Gruppe, vorzugsweise eine verzweigte oder nicht verzweigte Alkyl-, Cycloalkyl- oder eine gegebenfalls alkylierte Arylgruppe sind, M Wasserstoff, ein Metallkation, vorzugweise Li+, Na+, K+, Rb+, Cs, TiO2+, ZrO2+ oder ein gegebenenfalls alkyliertes Ammoniumion ist und X ein Halogen oder eine gegenenfalls alkylierte Aminogruppe ist, b) der Rest R zumindest teilweise Substituenten der allgemeinen Formel (5A) und/oder (5B) enthalten kann,
Figure imgf000057_0001
9:
Figure imgf000057_0002
ß
worin R2, R3, R4 und R5 unabhängig voneinander Wasserstoff, eine 1 bis 40 Kohlenstoffatome aufweisende Gruppe, vorzugsweise eine verzweigte oder nicht verzweigte Alkyl-, Cycloalkyl- oder eine gegebenfalls alkylierte Arylgrappe sind, wobei mindestens zwei der Reste R2, R3 und R4 zu einem gegebenenfalls aromatischen Ring geschlossen sein können, und/oder der Rest R zumndest teilweise eine Gruppe der allgemeinen Formel (5C) und/oder (5D) ist
Figure imgf000057_0003
Polymer gemäß Anspmch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die wiederkehrende Einheiten der allgemeinen Formel (1) Einheiten entsprechend den allgemeinen Formeln (1Ä), (IB),' (IC), (ID),. (1E), (IV), ' (IG), (IH), (II), (IJ), (IK), (IL), (IM), (IN), (10), (IP), (IQ), (IR), (IS) und/oder (IT) sind,
Figure imgf000058_0001
-S-R— dB)
— O-R^SO2-R^- <1 >
— O-R6-Sθ2-R-O-R^- <1D)
— O-R^SOz-R-O- ^R - 1E>
Figure imgf000058_0002
— O-R6-SO2-R-R-SO2-R— (1G)
— O— R-SO2-R-R-SO2-R-O— R-SO2-R— (1H)
Figure imgf000058_0003
mit 0 <x, y < 100% bezogen auf die Anzahl aller wiederkehrenden Einheiten
— O-F^CO-R6— (1J)
— O— R^CO-R^-CO-R— <1K)
— O— ^-CO-R-O-R-CO-R-CO-R — (1L>
— O-R6-O-R-CO-R6— 1M) — O— R-O-R-CO-R^-CO-R6— (IN)
Figure imgf000059_0001
mit 0 < y < 100%
-R°- (1P)
-R— CH=CH — (IQ)
-CHR- — CH2- (IR)
Figure imgf000059_0002
worin die Reste R6 unabhängig voneinander gleich oder verschieden 1,
2- Phenylen, 1 ,3-Phenylen, 1,4-Phenylen, 4,4'-Biphenyl, ein zweiwertiger Rest eines Heteroaromaten, ein zweiwertiger Rest eines C10-Aromaten, ein zweiwertiger Rest eines C14-Aromaten und/oder ein zweiwertiger Pyren-Rest sind, die Reste R7, R8 und R9 ein-, vier- bzw. dreibindige aromatische oder heteroaromatische Gmppen sind, und die Reste U, die innerhalb einer Wiederholungseinheit gleich sind, ein Sauerstoffatom, ein Schwefelatom oder eine Aminogruppe, die ein Wasserstoffatom, eine 1- 20 Kohlenstoffatome aufweisende Gruppe, vorzugsweise eine verzweigte oder nicht verzweigte Alkyl- oder Alkoxygruppe, oder eine Arylgruppe als weiteren Rest trägt, sind.
3. Polymer gemäß Ansp ch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es mit Säure dotiert ist.
4. Polymer gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es bei 25°C einen spezifischen Durchgangswiderstand
'von höchstens ϊ 00 Ωcm aufweist.
5. Polymer gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es bei einer Temperatur von 90°C in deionisiertem Wasser um weniger als 100 % quillt.
6. Polymer gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es eine lonenaustauscherkapazität zwischen 0,5 meq/g und 1,9 meq/g, jeweils bezogen auf die Gesamtmasse des Polymers, aufweist.
7. Verfahren zur Herstellung eines Polymers gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man ein oder mehrere Eduktpolymere, das oder die jeweils oder in Summe die funktionelle Gruppen a), b) und d) aufweisen, wobei a) und b) gemäß Anspmch 1 definiert sind und d) Sulfϊnat-Gruppen der allgemeinen Formel (6) bezeichnet
O , (6)
, 11
— R1— S— OM mit einer Verbindung der allgemeinen Formel (7) umsetzt
YLm , (7) wobei L eine Abgangsgruppe und n eine ganze Zahl größer gleich 2 ist.
8. Verfahren gemäß Ansprach 7, dadurch gekennzeichnet,, daß man eine Polymermischung aus
1) mindestens einem Eduktpolymer aufweisend funktionelle Gruppen a),
2) mindestens einem Eduktpolymer aufweisend funktionelle Grappen b) und
3) mindestens einem Eduktpolymer aufweisend funktionelle Gruppen d) einsetzt.
. Verfahren gemäß Ansprach 7, dadurch gekennzeichnet, daß man
1) mindestens ein Eduktpolymer aufweisend funktionelle Gruppen a) und b) ■ . und
2) mindestens ein Eduktpolymer aufweisend funktionelle Gruppen d) einsetzt.
10. Verfahren gemäß Ansprach 7, dadurch gekennzeichnet, daß man
1) mindestens ein Eduktpolymer aufweisend funktionelle Gruppen a) und d) und
2) mindestens ein Eduktpolymer aufweisend funktionelle Gruppen b) einsetzt.
11. Verfahren gemäß Ansprach 7, dadurch gekennzeichnet, daß man
1) mindestens einem Eduktpolymer aufweisend funktionelle Grappen a) und .2) mindestens einem Eduktpolymer aufweisend funktionelle Grappen b) und d) einsetzt.
12. Verfahren gemäß Ansprach 7, dadurch gekennzeichnet, daß man mindestens ein Polymer aufweisend funktionelle Grappen der allgemeinen Formel a), b) und d) einsetzt.
13. Verfahren'gemäß mindestens einem der Ansprüche 7-12 dadurch gekennzeichnet, daß man das eine oder die Eduktpolymere in einem polar- aprotischen Lösungsmittel, vorzugsweise in N3N-Dimethylformamid, N,N- Dimethylacetamid, N-Methylpyrrolidon, Dimethylsulfoxid oder Sulfolan, löst und mit der Halogenverbindung unter Rühren umsetzt.
14. Verfahren gemäß Ansprach 13, dadurch gekennzeichnet, daß a) man die Polymerlösung als Film auf einer Unterlage spreitet und b) das Lösungsmittel gegebenenfalls bei erhöhter Temperatur größer 25°C und/oder reduziertem Druck kleiner 1000 mbar abdampft und auf diese Weise eine Polymermembran erhält.
15. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß man das Polymer a) in einem ersten Schritt mit einer Säure behandelt und b) in einem weiteren Schritt mit deionisiertem Wasser behandelt, wobei man das Polymer vor dem ersten Schritt gegebenenfalls mit einer Lauge behandelt.
16. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß man das Polymer mit einer Säure, vorzugsweise mit Phosphorsäure dotiert.
17. Verwendung des Polymers gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6 in elektrochemischen Zellen, vorzugsweise in Sekundärbatterien, Elektrolysezellen und in PolymerelektrolytmembranbrennstofFzellen, insbesondere in Wasserstoff- und Direkt-Methanol-Brennstoffzellen.
18. Verwendung des Polymers gemäß mmdestens einem der Ansprüche 1 bis 6 in Membrantrennprozessen, vorzugsweise bei der Gastrennung, Pervaporation,
. Perstraktion, Umkehrosmose, Nanofiltration, Elektrodialyse und der Diffusions dialyse. R4 zu einem gegebenenfalls aromatischen Ring geschlossen sein können, und/oder der Rest R zumindest teilweise ein Gruppe der allgemeinen Formel (5C) und/oder (5D) ist
Figure imgf000063_0001
und c) der Rest R zumindest teilweise Brücken der allgemeinen Formel (6) aufweist,
Figure imgf000063_0002
die mindestens zwei Reste R miteinander verbinden, wobei Y eine 1 bis 40 Kohlenstoffatome aufweisende Gruppe, vorzugsweise eine verzweigte oder nicht verzweigte Alkyl-, Cycloalkyl- oder gegebenenfalls alkylierte Arylgruppe ist,
Z ist Hydroxyl, eine Gruppe der allgemeinen Formel
Figure imgf000063_0003
oder eine Gruppe mit einem Molekulargewicht größer 20 g/mol bestehend aus den optionalen Komponenten H, C, O, N, S, P und Halogenatomen ist und m eine ganze Zahl größer gleich 2 ist. Aresp ehe:
^ °[ Kovalent vemetztes Polymer P1-R wie in der Beschreibung dargestellt 2_φ,t, Erfindungsgemäßes Polymer, dass wenigstens eine der Gruppen (2J) bis (2F enthält. '
2-- ^ Kovalent vernetzte Anbindung der Elektrode an die Membran. 4- Verwendung der Polymere und Elektroden in Membranverfahren, insbesondere ^ in Brennstoffzellen.
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