WO2011003539A1 - Method for stabilizing nitrogen-containing polymers - Google Patents

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WO2011003539A1
WO2011003539A1 PCT/EP2010/003973 EP2010003973W WO2011003539A1 WO 2011003539 A1 WO2011003539 A1 WO 2011003539A1 EP 2010003973 W EP2010003973 W EP 2010003973W WO 2011003539 A1 WO2011003539 A1 WO 2011003539A1
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acid
membrane
polyazole
stabilizing
film
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PCT/EP2010/003973
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Silvia Rybka-Krafft
Jörg BELACK
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Basf Se
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    • C08J2379/04Polycondensates having nitrogen-containing heterocyclic rings in the main chain; Polyhydrazides; Polyamide acids or similar polyimide precursors
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Definitions

  • the present invention relates to a method for the stabilization of
  • Electrode units and PEM fuel cells are Electrode units and PEM fuel cells.
  • PEM Polymer electrolyte membranes
  • Sulfonic acid-modified polymers in particular perfluorinated polymers, are frequently used here.
  • Nafion TM by DuPont de Nemours, Willmington USA.
  • proton conduction is a relatively high water content in the membrane
  • the operating temperature of the PEM fuel cell stacks usually limited to 80 - 100 0 C. Under pressure, the operating temperatures can be increased to> 120 ° C. Otherwise, higher operating temperatures can not be realized without a power loss of the fuel cell.
  • MEU membrane electrode assembly
  • the cooling devices can be made much simpler. This means that in fuel cell systems that are operated at temperatures above 100 ° C, the waste heat can be made significantly more usable and thus the fuel cell system efficiency can be increased through electricity-heat coupling. In order to reach these temperatures, membranes with new conductivity mechanisms are generally used. One approach for this is the use of membranes, which show an electrical conductivity without the use of water. A first development in this direction is shown for example in WO 96/13872. Thus, WO 96/13872 discloses the use of acid-doped
  • Polybenzimidazole membranes produced by a casting process Polybenzimidazole membranes produced by a casting process.
  • the mechanical stabilization for example by bridging or
  • Vernetzungsreationen is already well known in polymer technology.
  • first solutions of the polyazole polymers are prepared in an aprotic, polar, organic solvent and the solution with a
  • bridging reagent After formation of a film, the organic solvent is removed and the bridging reaction is carried out. Subsequently, the film is doped with a strong acid and used. The obtained
  • Polyazole membranes show improved physical and chemical
  • acidic polyazole membranes based on polyazole polymers show.
  • the membranes should be relatively inexpensive to produce in a relatively simple manner.
  • the present invention is a process for the stabilization, in particular for bridging and / or crosslinking, of polyazole polymers, comprising the following steps:
  • step b) treating the film of step a) with a solution comprising (i)
  • Membrane in the PEM fuel cell such. B. a membrane-electrode unit
  • step d) if appropriate, additional doping of the membrane obtained according to step c) with a strong acid or concentration of the strong acid present by removal of water present.
  • the method according to the invention can be carried out in a comparatively simple manner on an industrial scale and cost-effectively.
  • polyazoles are understood as meaning those polymers in which the repeating unit in the polymer is preferably
  • the aromatic ring contains at least one aromatic ring having at least one nitrogen atom.
  • the aromatic ring is preferably a five- or six-membered ring having one to three nitrogen atoms which may be fused to another ring, especially another aromatic ring.
  • Individual nitrogen heteroatoms can also be replaced by oxygen, phosphorus and / or sulfur atoms.
  • the heterocyclic aromatic rings are preferably present in the polymer backbone but may be present in the side chain. Particular preference is given to those basic polymers which comprise in the repeat unit unsaturated five-membered or six-membered aromatic units containing in the nucleus 1-5 nitrogen atoms or in addition to nitrogen atoms one or more other heteroatoms.
  • the polyazoles according to the invention have at least one amino group in a repeat unit.
  • the amino group as the primary amino group (NH 2 group), as a secondary amino group (NH group) or as a tertiary group, which are either part of a cyclic, optionally aromatic structure or part of a substituent on the aromatic unit.
  • the polymer is basic and the repeating unit may preferably be substituted by the amino group
  • Repeating unit preferably a primary or secondary amino group, more preferably a cyclic secondary amino group, the
  • step B) applying a layer using the mixture according to step A) on a support
  • step B) heating of the sheet / layer obtainable according to step B) under inert gas to temperatures of up to 350 0 C, preferably up to 280 0 C to form the polyazole polymer,
  • step D) hydrolysis of the polymer film formed in step C) (until it is self-supporting),
  • step E) detaching the polymer film formed in step D) from the carrier
  • the aromatic and heteroaromatic tetra-amino compounds used according to the invention are preferably 3,3 ', 4,4'-tetraaminobiphenyl, 2,3,5,6-tetraaminopyridine, 1, 2,4,5-tetraaminobenzene, 3 , 3 ', 4,4'-tetraaminodiphenylsulfone, 3,3', 4,4'-tetraaminodiphenyl ether, 3,3 ', 4,4'-tetraaminobenzophenone, 3,3', 4,4'-tetraaminodiphenylmethane and 3,3 ', 4,4'- Tetraaminodiphenyldimethylmethan and salts thereof, in particular their mono-, di-, tri- and tetrahydrochloride derivatives.
  • the aromatic carboxylic acids used according to the invention are dicarboxylic acids and tricarboxylic acids and tetracarboxylic acids or their esters or
  • Carboxylic acids equally includes heteroaromatic carboxylic acids.
  • the aromatic dicarboxylic acids are um
  • Tetrafluoroterephthalic acid 1,4-naphthalenedicarboxylic acid, 1,5-naphthalenedicarboxylic acid, 2,6-naphthalenedicarboxylic acid, 2,7-naphthalenedicarboxylic acid, diphenic acid, 1,8-dihydroxynaphthalene-3,6-dicarboxylic acid, diphenyl ether-4,4'-dicarboxylic acid, benzophenone 4,4'-dicarboxylic acid, diphenylsulfone-4,4'-dicarboxylic acid, biphenyl-4,4'-dicarboxylic acid, 4-trifluoromethylphthalic acid, 2,2-bis (4-carboxyphenyl) hexafluoropropane, 4,4'-stilbenedicarboxylic acid, 4 - Carboxycinnamic acid, or their C1 -C20-alkyl esters or C5-C12-aryl esters, or their acid anhydrides or their acid
  • the aromatic tri-, tetracarboxylic acids or their C 1 -C 20 -alkyl esters or C 5 -C 12 -aryl esters or their acid anhydrides or their acid chlorides are preferably 1, 3,5-benzenetricarboxylic acid (trimesic acid), 1, 2,4-benzenetricarboxylic acid (trimellitic acid), (2-carboxyphenyl) iminodiacetic acid, 3,5,3'-biphenyltricarboxylic acid, 3,5,4'-biphenyltricarboxylic acid.
  • aromatic tetracarboxylic acids or their C 1 -C 20 -alkyl esters or C 5 -C 12 -aryl esters or their acid anhydrides or their acid chlorides are preferably 3,5,3 ', 5'-biphenyltetracarboxylic acid (3,5,3 ', 5'-biphenyltetracarboxylic acid), 1, 2,4,5-benzenetetracarboxylic acid, benzophenonetetracarboxylic acid, 3,3', 4,4'-biphenyltetracarboxylic acid, 2,2 ', 3,3'-biphenyltetracarboxylic acid, 1, 2.5 , 6-Naphthalenetetracarboxylic acid, 1, 4,5,8-naphthalenetetracarboxylic acid.
  • heteroaromatic carboxylic acids used according to the invention are heteroaromatic dicarboxylic acids and tricarboxylic acids and
  • Tetracarboxylic acids or their esters or their anhydrides Tetracarboxylic acids or their esters or their anhydrides.
  • Heteroaromatic carboxylic acids are aromatic systems which contain at least one nitrogen, oxygen, sulfur or phosphorus atom in the aromatic.
  • pyridine-2,5-dicarboxylic acid pyridine-3,5- dicarboxylic acid, pyridine-2,6-dicarboxylic acid, pyridine-2,4-dicarboxylic acid, 4-phenyl-2,5-pyridinedicarboxylic acid, 3,5-pyrazoldicarboxylic acid, 2,6-pyrimidinedicarboxylic acid, 2,5-pyrazinedicarboxylic acid, 2,4, 6-pyridine tricarboxylic acid, benzimidazole-5,6-dicarboxylic acid and their C1-C20-alkyl esters or C5-C12 aryl esters, or their
  • Acid anhydrides or their acid chlorides are Acid anhydrides or their acid chlorides.
  • the content of tricarboxylic acid or tetracarboxylic acid (based on the dicarboxylic acid used) is between 0 and 30 mol%, preferably 0.1 and 20 mol%, in particular 0.5 and 10 mol%.
  • aromatic and heteroaromatic diaminocarboxylic acids used according to the invention are preferably diaminobenzoic acid and its mono- and dihydrochloride derivatives.
  • step A mixtures of at least 2 different aromatic carboxylic acids are preferably used. Particular preference is given to using mixtures which, in addition to aromatic carboxylic acids, are also heteroaromatic
  • the mixing ratio of aromatic carboxylic acids to heteroaromatic carboxylic acids is between 1:99 and 99: 1, preferably 1:50 to 50: 1.
  • mixtures are, in particular, mixtures of N-heteroaromatic dicarboxylic acids and aromatic dicarboxylic acids.
  • Non-limiting examples thereof are isophthalic acid, terephthalic acid, phthalic acid, 2,5-dihydroxyterephthalic acid, 2,6-dihydroxyisophthalic acid, 4,6-dihydroxyisophthalic acid, 2,3-dihydroxyphthalic acid, 2,4-dihydroxyphthalic acid, 3,4-dihydroxyphthalic acid, 1,4 Naphthalenedicarboxylic acid, 1, 5-naphthalenedicarboxylic acid, 2,6-naphthalenedicarboxylic acid, 2,7-naphthalenedicarboxylic acid, diphenic acid, 1,8-dihydroxynaphthalene-3,6-dicarboxylic acid, diphenyl ether-4,4'-dicarboxylic acid,
  • Benzophenone-4,4'-dicarboxylic acid diphenylsulfone-4,4'-dicarboxylic acid, biphenyl-4,4'-dicarboxylic acid, 4-trifluoromethylphthalic acid, pyridine-2,5-dicarboxylic acid, pyridine-3,5-dicarboxylic acid, pyridine-2 , 6-dicarboxylic acid, pyridine-2,4-dicarboxylic acid, 4-phenyl-2,5-pyridinedicarboxylic acid, 3,5-pyrazoldicarboxylic acid, 2,6-pyrimidinedicarboxylic acid, 2,5-pyrazinedicarboxylic acid.
  • the polyphosphoric acid used in step A) is N-(2-aminoethyl)-2-aminoethyl-N-(2-aminoethyl)-2-aminoethyl-N-(2-aminoethyl)-2-aminoethyl-N-(2-aminoethyl)-2-aminoethyl-N-(2-aminoethyl)-2-aminoethyl
  • polyphosphoric acids such as these are available, for example, from Riedel-de Haen.
  • the polyphosphoric acids H n + 2 P n O 3 n + i (n> 1) usually have a content calculated as P 2 O 5 (acidimetric) of at least 83%.
  • P 2 O 5 acidimetric
  • the mixture produced in step A) has a weight ratio of polyphosphoric acid to sum of all monomers of 1: 10,000 to 10,000: 1, preferably 1: 1000 to 1000: 1, in particular 1: 100 to 100: 1, on.
  • the layer formation according to step B) takes place by means of measures known per se (casting, spraying, doctoring) which are known from the prior art for polymer film production.
  • Suitable carriers are all suitable carriers under the conditions as inert.
  • other supports such as polymeric films, fabrics and fleeces, which bond to the layer formed in step B) and form a laminate are also suitable.
  • the solution may optionally be treated with phosphoric acid (concentrated phosphoric acid, 85%). This allows the viscosity to be adjusted to the desired value and the formation of the membrane can be facilitated.
  • the layer produced according to step B) has a thickness which is matched to the subsequent use and is not subject to any restriction.
  • the layer formed has a thickness between 1 and 5000 ⁇ m, preferably between 1 and 3500 ⁇ m, in particular between 1 and 100 ⁇ m.
  • the polyazole-based polymer formed in step C) contains recurring azole units of the general formula (I) and / or (II) and / or (III) and / or (IV) and / or (V) and / or (VI) and / or (VII) and / or (VIII) and / or (IX) and / or (X) and / or (XII) and / or (XIII) and / or (XIV)
  • Ar are the same or different and represent a tetravalent aromatic or heteroaromatic group which may be mononuclear or polynuclear,
  • Ar 1 are the same or different and represent a divalent aromatic or heteroaromatic group which may be mononuclear or polynuclear,
  • Ar 2 are the same or different and, for a two- or three-membered aromatic or heteroaromatic group which may be mononuclear or polynuclear
  • Ar 3 are the same or different and are a trivalent aromatic or heteroaromatic group which may be mononuclear or polynuclear
  • Ar 4 are the same or different and represent a trivalent aromatic or heteroaromatic group which may be mononuclear or polynuclear
  • Ar 5 are the same or different and represent a tetravalent aromatic or heteroaromatic group which may be mononuclear or polynuclear
  • Ar 6 are the same or different and are for a divalent aromatic or
  • heteroaromatic group which may be mononuclear or polynuclear
  • Ar 7 are the same or different and are for a divalent aromatic or
  • heteroaromatic group which may be mononuclear or polynuclear
  • Ar 8 are the same or different and for a trivalent aromatic or
  • heteroaromatic group which may be mononuclear or polynuclear
  • Ar 9 are the same or different and are a two- or three- or diminuhexige
  • aromatic or heteroaromatic group which may be mononuclear or polynuclear
  • Ar 10 are the same or different and represent a divalent or trivalent aromatic or heteroaromatic group which may be mononuclear or polynuclear,
  • Ar 11 are the same or different and are for a divalent aromatic or
  • heteroaromatic group which may be mononuclear or polynuclear
  • X is the same or different and is oxygen, sulfur or a
  • Amino group which represents a hydrogen atom, a 1-20 carbon atoms group, preferably a branched or unbranched
  • R is the same or different for hydrogen, an alkyl group and a
  • n, m are each an integer greater than or equal to 10, preferably greater than or equal to 100.
  • Preferred aromatic or heteroaromatic groups are derived from benzene, naphthalene, biphenyl, diphenyl ether, diphenylmethane, diphenyldimethylmethane, bisphenone, diphenylsulfone, quinoline, pyridine, bipyridine, pyridazine, pyrimidine, pyrazine, triazine, tetrazine, pyrol, pyrazole, anthracene, benzopyrrole, benzotriazole,
  • Benzopyrazidine benzopyrimidine, benzopyrazine, benzothazine, indolizine, quinolizine, pyridopyridine, imidazopyrimidine, pyrazinopyrimidine, carbazole, aciridine, phenazine, benzoquinoline, phenoxazine, phenothiazine, acridizine, benzophthyne, phenanthroline and phenanthrene, which may optionally be substituted from.
  • the substitution pattern of Ar 1 , Ar 4 , Ar 6 , Ar 7 , Ar 8 , Ar 9 , Ar 10 , Ar 11 is arbitrary, in the case of phenylene, for example, Ar 1 , Ar 4 , Ar 6 , Ar 7 , Ar 8 , Ar 9 , Ar 10 , Ar 11 are ortho, meta and para-phenylene.
  • Particularly preferred groups are derived from benzene and biphenylene, which may optionally also be substituted.
  • Preferred alkyl groups are short chain alkyl groups of 1 to 4
  • Carbon atoms such as. For example, methyl, ethyl, n- or i-propyl and t-butyl groups.
  • Preferred aromatic groups are phenyl or naphthyl groups.
  • Alkyl groups and the aromatic groups may be substituted.
  • Preferred substituents are halogen atoms such as. As fluorine, amino groups, hydroxy groups or short-chain alkyl groups such as. For example, methyl or ethyl groups.
  • the polyazoles can in principle also have different recurring units
  • polyazole polymers are polyimidazoles, polybenzothiazoles, polybenzoxazoles, polyoxadiazoles, polyquinoxalines, polythiadiazoles, poly (pyridines), poly (pyrimidines), and poly (tetrazapyrenes).
  • the polymer containing recurring azole units is a copolymer or a blend containing at least two units of the formulas (I) to (XIV) which differ from each other.
  • the polymers can be present as block copolymers (diblock, triblock), random copolymers, periodic copolymers and / or alternating polymers.
  • the polymer containing recurring azole units is a polyazole which contains only units of the formula (I) and / or (II).
  • the number of repeating azole units in the polymer is preferably an integer greater than or equal to 10.
  • Particularly preferred polymers contain at least 100 recurring azole units.
  • polymers containing recurring benzimidazole units are preferred.
  • Some examples of the extremely expedient Polymers contain recurring benzimidazole units and are represented by the following formulas:
  • the azole units and the two fluorinated moieties can be linked in any order.
  • the preparation can be carried out as a polymer, static copolymer or block copolymer.
  • n and m are an integer greater than or equal to 10, preferably greater than or equal to 100.
  • the procedure according to the invention is suitable in principle for all polyazoles, irrespective of the molecular weight. However, it has proven particularly useful for the stabilization of high molecular weight polyazoles, which is not obtainable in any other way.
  • High molecular weight polyazoles, but especially polybenzimidazoles, are characterized by a high molecular weight, which, measured as
  • Intrinsic viscosity at least 1.8 dl / g, preferably at least 2.0 dl / g,
  • the upper limit is preferably not more than 8.0 dl / g, more preferably not more than 6.8 dl / g, particularly preferably not more than 6.5 dl / g.
  • the molecular weight is thus significantly higher than that of commercial polybenzimidazole (IV ⁇ 1, 1 dl / g).
  • the polymer is first dried at 160 ° C. for 2 hours. 100 mg of the polymer thus dried are then heated for 4 h at 80 0 C in 100 ml of
  • intrinsic viscosity is determined from this solution according to ISO 3105 (DIN 51562, ASTM D2515) with an Ubbelhode viscometer at a temperature of 25 ° C.
  • step A) by heating the mixture from step A) to temperatures of up to 350 ° C., preferably up to 280 ° C., the formation of oligomers and / or polymers can already be effected. Depending on the selected temperature and duration, subsequent to the heating in step C) be waived partially or completely.
  • This variant is also suitable for producing the films required for step a), preferably comprising high molecular weight
  • Dicarboxylic acids such as isophthalic acid, terephthalic acid, 2,5-dihydroxyterephthalic acid, 4,6-dihydroxyisophthalic acid, 2,6-dihydroxyisophthalic acid, diphenic acid, 1,8-dihydroxynaphthalene-3,6-dicarboxylic acid, diphenyl ether-4,4'- Dicarboxylic acid, benzophenone-4,4'-dicarboxylic acid,
  • step C) The treatment of the polymer layer produced according to step C) to produce the film required for step b) can be carried out in several ways.
  • variant A the existing polyphosphoric acid or
  • Polymer layer takes place in the presence of moisture at temperatures and for a sufficient time until the layer has sufficient strength for the
  • step E The treatment can be carried out so far that the membrane is self-supporting, so that it can be detached from the carrier without damage (step E).
  • the steps D) and E) can also take place simultaneously or briefly on each other. Furthermore, it is possible to combine steps D) and E) with the measures of steps b), c) and if necessary d).
  • Polymer film with the solution comprising (i) at least one strong acid and (ii) at least one stabilizing reagent, in particular at least one
  • the implementation of the stabilization reaction according to step c) can with a thermal drying or concentration of the existing acid can be combined.
  • the treatment of the polymer film in step D) is carried out at temperatures above 0 0 C and below 150 0 C, preferably at temperatures between 10 0 C and 120 0 C, in particular between room temperature (20 0 C) and 90 0 C, in the presence of
  • Training low molecular weight polyphosphoric acid and / or phosphoric acid contributes to the solidification of the polymer film. Due to the hydrolysis step, a SoI-GeI transition takes place, which is responsible for the particular shape of the membrane.
  • step D The partial hydrolysis of the polyphosphoric acid in step D) leads to a
  • the upper temperature limit of the treatment according to step D) is generally 180 ° C. In the case of extremely short exposure to moisture, for example extremely superheated steam, this steam may also be hotter.
  • Upper temperature limit is the duration of the treatment.
  • the partial hydrolysis (step D) can also be carried out in climatic chambers in which the hydrolysis can be controlled in a controlled manner under defined action of moisture.
  • the moisture by the temperature or saturation of the
  • contacting environment such as gases such as air, nitrogen, carbon dioxide or other suitable gases, or steam can be adjusted specifically.
  • gases such as air, nitrogen, carbon dioxide or other suitable gases, or steam
  • the duration of treatment depends on the parameters selected above.
  • the treatment duration of the membrane depends on its thickness. As a rule, the treatment duration is between a few seconds to
  • the treatment time is preferably between 10 seconds and 300 hours, in particular 1 minute to 200 hours.
  • the treatment duration is between 1 and 200 hours.
  • the polymer film obtained according to step D) is preferably self-supporting, i. it can be released from the carrier without damage according to step E) and then optionally further processed directly.
  • step D is further processed, for example, to a composite membrane, step D) can be waived in whole or in part.
  • the treatment of the film in step b) can be carried out in a hydrolysis bath analogously to step D).
  • the polyphosphoric acid or phosphoric acid present in the membrane is completely or at least partially replaced by the solution comprising (i) at least one strong acid and (ii) at least one stabilizing reagent, in particular at least one bridging and / or cross-linking reagent.
  • the stabilization reaction according to step c) can be carried out in the hydrolysis bath or afterwards, preferably immediately thereafter.
  • the treatment can be carried out in a hydrolysis bath on a carrier or else the carrier can already be removed beforehand, so that step E) can possibly be omitted or
  • This variant is also the subject of the present invention.
  • step B the existing polyphosphoric acid or phosphoric acid is removed from the membrane.
  • the treatment of the polymer layer produced according to step C) takes place in the presence of moisture at temperatures and for a sufficient time until the layer has sufficient strength for further handling.
  • the hydrolysis in step D) and the detachment in step E) can also take place simultaneously. This simplification of Hydrolysis is particularly possible if the existing polyphosphoric acid or phosphoric acid is to be completely removed and need not be present for the treatment in step b), since a fresh solution comprising a strong acid is fed again later in step b).
  • Phosphoric acid according to step F) to be removed this can be done by means of a treatment liquid in the temperature range between room temperature (20 0 C) and the boiling temperature of the treatment liquid (at atmospheric pressure).
  • liquid present solvent selected from the group of alcohols, ketones, alkanes (aliphatic and cycloaliphatic), ethers (aliphatic and cycloaliphatic), Glycols, esters, carboxylic acids, wherein the above group members may be halogenated, water and mixtures thereof used.
  • C 1 -C 10 alcohols Preferably, C 1 -C 10 alcohols, C 2 -C 5 ketones, C 1 -C 10 alkanes
  • step F) treatment liquid is removed again. This is done, preferably by drying, the parameters
  • Temperature and the ambient pressure depending on the partial vapor pressure of the treatment liquid can be selected. Usually, the drying is carried out at atmospheric pressure and temperatures between 20 0 C and 200 0 C. A gentler drying can also be done in vacuo. Instead of drying can also be blotted into the membrane and thus be freed of excess treatment liquid. The order is not critical.
  • the preparation of the film comprising polyazoles can also be carried out by varying the above method.
  • the following steps are carried out: i) reaction of one or more aromatic tetra-amino acids
  • heteroaromatic diaminocarboxylic acids in the melt at temperatures of up to 350 0 C 1 is preferably up to 300 0 C, ii) dissolving the solid prepolymer obtained in step i) in
  • step iv) treatment of the membrane formed in step iv) until it is self-supporting.
  • step II heating the solution obtainable according to step I) under inert gas
  • steps E) and F) are still carried out after steps v) and IV), whereby both variants A) and B) are also possible.
  • preferably high molecular weight polyazole may also be a blend of one or more, preferably high molecular weight
  • Polyazoles be used with another polymer.
  • the blend component essentially has the task of improving the mechanical properties and reducing the material costs.
  • a preferred blend component is polyethersulfone as described in German Patent Application No. 10052242.4.
  • polystyrene polymethylstyrene
  • polyvinyl alcohol polyvinyl acetate
  • polyvinyl ether polyvinylamine
  • Poly (N-vinylacetamide) polyvinylimidazole
  • polyvinylcarbazole polyvinylpyrrolidone
  • Polyvinylpyridine polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polytetrafluoroethylene
  • Polyvinylidene fluoride polyacrolein, polyacrylamide, polyacrylonitrile, polycyanoacrylates,
  • Polyacetal polyoxymethylene, polyether, polypropylene oxide, polyepichlorohydrin,
  • Polyhydroxyacetic acid Polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate,
  • Polyhydroxybenzoate polyhydroxypropionic acid, polypivalolactone, polycaprolactone,
  • Polymers with C-S bonds in the main chain for example polysulfide ethers,
  • Polyimines polyisocyanides, polyetherimine, polyaniline, polyamides, polyhydrazides,
  • Polyurethanes polyimides, polyazoles, polyazines
  • Liquid crystalline polymers especially Vectra and
  • Inorganic polymers for example polysilanes, polycarbosilanes, polysiloxanes,
  • Polysilicic acid Polysilicates, silicones, polyphosphazenes and polythiazyl.
  • blend polymers which have a glass transition temperature or Vicat softening temperature VST / A / 50 of at least 100 ° C., preferably at least 150 ° C. and very particularly preferably at least 180 ° C.
  • polysulfones having a Vicat softening temperature VST / A / 50 of 180 0 C to 230 0 C are preferred.
  • Preferred polymers include polysulfones, especially polysulfone having aromatics in the backbone. According to a particular aspect of the present invention, preferred polysulfones and polyethersulfones
  • a melt volume rate MVR 300/21, 6 is less than or equal to 40 cm 3/10 min, especially less than or equal to 30 cm 3/10 min and particularly preferably less than or equal to 20 cm 3/10 min measured in accordance with ISO 1133rd
  • Non-limiting examples of proton-conductive fillers are:
  • Sulfates such as: CsHSO 4 , Fe (SO 4 ) 2 , (NH 4 ) 3 H (SO 4 ) 2, LiHSO 4 , NaHSO 4 , KHSO 4 ,
  • Phosphates such as Zr 3 (PO 4 ) 4 , Zr (HPO 4 ) 2 , HZr 2 (PO 4 ) 3 , UO 2 PO 4 .3H 2 O, H 8 UO 2 PO 4 ,
  • Phosphides such as ZrP, TiP, HfP
  • Oxides such as Al 2 O 3 , Sb 2 O 5 , ThO 2 , SnO 2 , ZrO 2 , MoO 3
  • Silicates such as zeolites, zeolites (NH 4 +), phyllosilicates, framework silicates, H-natrolites,
  • H-mordenites NH 4 -alcines, NH 4 -sodalites, NH 4 -gallates, H-montmorillonites, other condensation products of orthosilicic acid Si (OH) 4 and their salts and esters, polysiloxanes of the general formula H 3 Si (O-) SiH 2 -) n -O-SiH 3 , especially others
  • Clay minerals such as montmorillonites, bertonites, kaolinites, pyrophillites, talc, chlorites, muscovites, mica, smectites, halosites,
  • Acids such as HCIO 4 , SbF 5
  • Fillers such as carbides, in particular SiC, Si3N4, fibers, in particular
  • the fillers may also be partially or completely modified, based on the aromatic fraction, by charged groups, in which connection sulphonic acid groups,
  • Phosphonic acid groups, phosphate groups or other anionic or cationic charged groups are particularly suitable.
  • the membrane comprises at most 80% by weight, preferably at most 50% by weight and more preferably at most 20%
  • additives may be present in different particle shapes and particle sizes or even mixtures, but more preferably in the form of nano-particles (particles with a size of 1 to 100 nm).
  • the stabilizing reagent used according to the invention is a compound having a functional group which reacts with the polyazole,
  • the stabilizing reagent is a bridging reagent, it preferably has at least two functional groups in the molecule which are capable of reacting with the polyazole, in particular with the amino group. Furthermore, this is an organic compound.
  • the stabilizing reagent is a crosslinking reagent, it preferably has at least three functional groups which are capable of reacting with the polyazole, in particular with the amino group, in the molecule. Furthermore, this is an organic compound.
  • Crosslinking reagent organic compounds used must have sufficient stability against the present in the solution strong acid. Furthermore, they must have sufficient solubility in the strong acid. The solubility must therefore be sufficient for the solution in step b) to be capable of producing a total content of stabilizing reagent, in particular a bridging and / or crosslinking reagent, in the range from 0.01 to 30% by weight, preferably 0, 1 to 25 wt .-%, preferably 0.5 to 15 wt .-%, in particular 1 to 5 wt .-%, to be contained, wherein the total amount of
  • Stabilizing reagents based on the polyazole present in the film, preferably in the range of 0.01 to 100 mol%, preferably 10 to 80 mol%, in particular 15 to 65 mol%.
  • the stabilizing reagent used according to the invention are compounds having a functional group which can react with the polyazole, in particular with the amino group of the polyazole present.
  • the stabilizing reagent used is preferably substances which have at least one epoxide group per molecule.
  • the stabilizing reagents which have at least one epoxide group per molecule are preferably organic compounds of the formula (A)
  • bridging reagents which have at least two epoxide groups, more preferably at least 3, have proven particularly useful
  • R 1 represents a hydrocarbon group of 1 to 30 carbon atoms, preferably a straight-chain or branched one
  • radicals (i) may be substituted by one or more nitro groups, oxygen atoms, epoxide groups or aryl groups, (ii) in which individual, non-adjacent carbon atoms are replaced by heteroatoms, in particular nitrogen, oxygen, And (iii) in which one or more hydrogen atoms, in particular in the epoxide groups, are replaced by a halogen or an alkyl, in particular a lower alkyl, or an alkoxyl, in particular a lower alkoxy, or aryl group, preferably one
  • Aryl group having 4 to 20 carbon atoms, substituted or substituted are also understood as meaning heteroaryls having 4 to 20 carbon atoms, in particular preferred aryls being in particular phenyl, naphthyl and indenyl.
  • lower alkyl or lower alkoxy means an alkyl or alkoxy group having 1 to 15 carbon atoms.
  • aryl or heteroaryl means an aryl or heteroaryl of 4 to 20
  • the heteroatoms are usually from the group of
  • Hydrogen atoms present in the formulas, in particular in the epoxide groups, may be replaced or substituted by a halogen or a lower alkyl group.
  • R 1 examples are the following groups.
  • m, k and I are the same or different and each represents an integer of 1 to 6.
  • the bridging reagents which have at least two epoxide groups per molecule are particularly preferably resorcinol diglycidyl ether (compound formula III, trade name, for example Denacol EX-201)
  • crosslinking reagents which have at least three epoxide groups per molecule are preferably organic compounds of the formula (III)
  • Particularly preferred bridging reagents are bis-phenol-A-glycidyl ether [BPAGDE] and 1,4-butyl diglycidyl ether.
  • the solution according to step b) according to the invention contains 0.01 to 30 wt .-% of stabilizing reagent, in particular bridging and / or crosslinking reagent, wherein the total amount of stabilizing reagents based on the polyazole present in the film preferably in the range of 0.01 to 100 mol%.
  • the proportion of bridging or crosslinking agent chosen too low the polymer membrane is not sufficiently stabilized, the proportion is too high, the membrane is brittle and the fracture toughness is insufficient.
  • the stabilization is preferably carried out by heating, advantageously under inert gas, to temperatures of up to 250 ° C., preferably to temperature ranges from 100 ° C. to 160 ° C., conveniently for a period of 5 minutes to 120 minutes, preferably 5 minutes to 30 minutes, more preferably 10 mins.
  • the stabilized film at temperatures of 20 0 C to 80 0 C, especially preferably 60 ° C. be postconditioned in an acidic solution for 10 minutes to 60 minutes.
  • step c) The implementation of the stabilization reaction, in particular the bridging or crosslinking, according to step c) can also by irradiation with
  • electromagnetic waves e.g., photochemical reaction, IP and / or UV irradiation
  • electrons or thermal.
  • thermal waves e.g., photochemical reaction, IP and / or UV irradiation
  • reaction it is advantageous to carry out the reaction in a temperature range of 20 0 C (room temperature) to 200 0 C.
  • the reaction time is from a few minutes to several hours, depending on the reactivity of the reagent.
  • the stabilization reaction can be carried out in one or more stages.
  • the stabilization is described below by way of example with reference to a modification of a polybenzimidazole with a monofunctional epoxide compound and by means of a bridging with an epoxy compound of the formula (IIa) with the
  • R 1 has the meaning given above.
  • the strong acid used according to the invention are protic acids, preferably phosphoric acid and / or sulfuric acid.
  • phosphoric acid is understood as meaning polyphosphoric acid, phosphonic acid (H 3 PO 3 ), orthophosphoric acid (H 3 PO 4 ), pyrophosphoric acid (H 4 P 2 O 7 ), triphosphoric acid (H 5 P 3 Oio), metaphosphoric acid, and the like
  • Derivatives in particular organic derivatives, such as cyclic organo-phosphoric acids, and their derivatives, such as acid esters.
  • the phosphoric acid in particular orthophosphoric acid, preferably has a concentration of at least 80 wt .-%, more preferably a concentration of at least 90 wt .-%, even more preferably a concentration of at least 95 wt .-% and most preferably a concentration of at least 98% by weight.
  • the data refers to the effective
  • step b) other components (except acid & stabilizing reagent) may be present.
  • the additives mentioned at the outset can be added.
  • additional catalysts for a stabilization reaction can be added, such as small amount of strong acids, starter reagents or activating metal ions, peroxides or other substances that react with the invention
  • positively influence stabilizing reagents For further adaptation for later use, after stabilization or bridging and / or crosslinking, an additional doping of the membrane can take place.
  • the additives mentioned at the beginning can be added or the degree of doping can be carried out by further addition of the stated strong acids.
  • the membrane existing water, for example by concentration of the strong acid present be withdrawn.
  • the acidic polyazole membrane according to the invention based on stabilized, in particular bridged and / or crosslinked, preferably high molecular weight, polyazole polymers forms an acid-base complex with the acid and is therefore proton-conducting even without the presence of water. This so-called
  • Grotthus conductivity mechanism allows use in high-temperature fuel cells, with a continuous operating temperature of min. 120 ° C., preferably min. 140 0 C, in particular min. 160 0 C.
  • the membrane of the invention can therefore be used as an electrolyte for electrochemical cells, in particular fuel cells.
  • a membrane of the invention shows an E modulus of at least 3 MPa, suitably of at least 4 MPa, preferably of at least 5 MPa, more preferably of at least 6 MPa, desirably of
  • the membranes according to the invention exhibit an elongation at break of at least 85%, preferably of at least 200%.
  • the tensile elongation properties are determined preferably with a Zwick Z010 standard tension gauge, whereby the following procedure has proven particularly useful.
  • the samples are first conveniently cut into 1, 5 cm wide and 12 cm long strips. It is preferable to prepare and measure 2 to 3 samples per sample and then to average the results.
  • the thickness of the samples is preferably determined with a Mitutoyo Absolute Digmatic thickness gauge at 3 points and averaged (preferably at the beginning, middle and end of the strip). The measurement is preferably carried out as follows. Of the
  • the proton conductivity of the stabilized membranes is between 50 and 220 mS / cm at 160 ° C., preferably at least 90-220 mS / cm, more preferably between 150 and 220 mS / cm.
  • the proton conductivities are measured by means of impedance spectroscopy (Zahner IM5 or IM6 spectrometer) and a 4-point measuring cell.
  • impedance spectroscopy Zahner IM5 or IM6 spectrometer
  • a 4-point measuring cell A particularly preferred procedure is as follows.
  • Thickness gauge determined and averaged at 3 points (beginning, middle and end of the sample strip).
  • the sample is expediently fixed in the measuring cell, as shown in the figure (FIG. 1).
  • the screws of the test cell are preferably tightened hand-tight and the cell is conveniently transferred to a controlled oven, which proceeds with the according to Table 1 a temperature, frequency program.
  • the oven program is started and there are impedance spectra with a Zahner electrics impedance spectrometer IM6 with a 4-point dry cell at 20 0 C to 160 0 C and - conversely - from 160 0 C to 20 0 C, preferably in 20 0 C.
  • the acidic polyazole membranes according to the invention based on stabilized, especially bridged and / or crosslinked, preferably high molecular weight polyazole polymers are also characterized by increased stability when used as a proton-conducting membrane in high-temperature fuel cells. In the operation of such systems has been shown that, especially in phosphoric acid systems, the stability of the acidic
  • Polyazole membranes should be further improved.
  • the membranes of the invention are characterized by such improved stability and are preferably insoluble in 99% phosphoric acid over the temperature range of 85 ° C to 180 0 C. Insoluble in this context means that in an excess of the present acid, the swelling does not exceed 300% and no dissolution of the self-supporting film occurs.
  • Additional applications also include use as an electrolyte for
  • Display element an electrochromic element or various sensors.
  • Another object of the present invention is also the preferred
  • the single cell for a fuel cell contains at least one membrane according to the invention and two electrodes, between which the proton-conducting membrane is sandwiched.
  • the electrodes each have a catalytically active layer and a
  • Gas diffusion layer for supplying a reaction gas to the catalytically active Shift up.
  • the gas diffusion layer is porous so that reactive gas can pass through.
  • the polymer electrolyte membrane of the present invention can be used as the electrolyte membrane. In addition, you can the electrolyte membrane and a
  • Another subject of the present invention is a fuel cell having a plurality of individual cells (MEU 's ) each containing a membrane prepared by the above method and two electrodes sandwiching the membrane therebetween.
  • MEU 's individual cells
  • the stabilization according to the invention can also be carried out after preparation of an MEU from a membrane.
  • a doping of the membrane with the stabilizing agent preferably takes place as described above.
  • Stabilization reaction according to step c) or the activation of the stabilizing component preferably takes place subsequently within the sandwiched MEU.
  • the stabilization reaction according to step c) can also be carried out here by irradiation with electromagnetic waves (for example photochemical reaction, IR and / or UV irradiation), electrons or thermally.
  • electromagnetic waves for example photochemical reaction, IR and / or UV irradiation
  • electrons or thermally.
  • thermal reaction it is advantageous to the reaction in one
  • the stabilization takes place at 160-200 ° C.
  • Reaction time is from a few minutes to several hours, depending on the reactivity of the reagent.
  • the stabilization reaction in an MEU can be carried out in one or more stages (temperature ramp).
  • a film or a film comprising preferably high molecular weight polyazoles and a strong acid is particularly in a bath with an aqueous solvent, more preferably pure water, at a temperature between 0 ° and 90 0 C. preferably 40 - 70 0 C, inserted.
  • the acid contained in the film is diluted by dilution of solvent or completely washed out. The acid can be exchanged for 1 - 100% percent against water.
  • the film is then placed in another bath which contains an organic solvent, preferably DMAc or NMP, as well as at least one of the stabilizing agents according to the invention.
  • the bath particularly preferably contains 0.01 to 30% by weight of the stabilizing component.
  • a doping of the film takes place by solvent exchange, the previously introduced aqueous solvent being replaced by an organic solution containing at least one stabilizing agent.
  • a temperature of at least 0 ° C., but at most 120 ° C. is used with particular preference.
  • the film remains there for a period of one minute to 24 hours. The temperature must be below the temperature at which the stabilizing agent is activated.
  • the film is then removed from the bath and the supernatant
  • Solvent may be re-absorbed with a cloth but may remain on the surface. Then proceed according to route I a or route I b.
  • the film is then by treatment at 70 - 200 0 C between two carrier films (eg polyethylene terephthalate (250 microns) or glass plates) in a heating oven for a time of one minute to 24 hours, more preferably 100 - 160 0 C at a Duration of up to 10 hours, treated with stabilization taking place.
  • carrier films eg polyethylene terephthalate (250 microns) or glass plates
  • a stepwise increase and / or decrease in the temperature in the oven is possible.
  • the film is carried out after
  • Stabilization taken from the solution and can (i) directly
  • Conditioning is important to adjust the concentration of the acid in the film for specific uses.
  • Route I b stabilization in an acid medium, advantage of higher conductivities of the membranes:
  • the film is then transferred to another bath, which preheated, preferably 70 - 200 0 C 1 contains a strong acid, or an acid mixture and is left there for several minutes to several hours, the
  • Stabilization according to the invention takes place directly in a liquid, acidic medium.
  • concentration of the acid is between 10 and 99%, particularly preferably 30-85%.
  • the film is removed from the solution after stabilization has taken place and can be (i) directly further processed / used or (ii) preferably over a period of 30 minutes to 24 hours in a bath of phosphoric acid with a concentration of 30-99%, particularly preferably 30-85%, are conditioned.
  • This conditioning is important, for example, to adjust the concentration of the acid contained in the film for specific uses.
  • a film or a film comprising preferably high molecular weight polyazoles and at least one strong acid is placed in a bath which contains a strong acid and one of the stabilizing reagents according to the invention.
  • the bath particularly preferably contains 0.01-30% by weight of the stabilizing substance.
  • a doping of the film takes place by solvent exchange, wherein the previously introduced aqueous solvent is exchanged with the acidic solution with the stabilizing agent.
  • a temperature of at least 0 ° C., but at most 120 ° C. is used with particular preference.
  • the film is then removed from the bath and any excess solvent can be re-absorbed, but also remain on the surface of the film. Then proceed according to route IIa or route IIb.
  • the film is then by treatment at 70 - 200 0 C between two carrier films (eg polyethylene terephthalate (250 microns) or glass plates) from one minute to 24 hours, more preferably 100 - 160 0 C for a period of up to 10 hours treated, wherein the stabilization according to the invention takes place.
  • carrier films eg polyethylene terephthalate (250 microns) or glass plates
  • a stepwise increase and / or decrease in the temperature in the oven is possible.
  • the film is removed from the solution after stabilization has taken place and can be (i) directly further processed / used or (ii) preferably over a period of 30 minutes to 24 hours in a bath of phosphoric acid with a concentration of 30-99%, particularly preferably 30-85%, are conditioned.
  • This conditioning is important, for example, to adjust the concentration of the acid contained in the film for specific uses.
  • the film is then transferred to another bath, which preheated, preferably 70 - 200 0 C, a strong acid, or an acid mixture and is left there for several minutes to several hours, the
  • the concentration of the acid is between 10 and 99%, particularly preferably 30-85%.
  • the film is removed from the solution after stabilization has taken place and can be (i) directly further processed / used or (ii) preferably over a period of 30 minutes to 24 hours in a bath of phosphoric acid with a concentration of 30-99%, particularly preferably 30-85%, are conditioned.
  • This conditioning is important, for example, to adjust the concentration of the acid contained in the film for specific uses.
  • Table 1 shows the differences in the conductivities of various membranes which were prepared either by the already known procedure (route Ia; comparison) or else by the method according to the invention (route I b).
  • the stabilized membranes of the invention are further distinguished by improved long-term stability.
  • a membrane electrode assembly (MEA) is prepared from the membrane together with two electrodes (as described below), preferably loaded with Pt catalyst. The membrane is then within the MEU in a single cell measurement strongly oxidative conditions
  • the single measuring cell is heated for the measurement to 160 0 C, supplied with about 3 - 5 L / h of hydrogen gas on the anode side and about 5 L / h of air on the cathode side and retracted.
  • the original voltage of the cell and the cell resistance are measured.
  • the measurement of the original voltage by means of impedance spectroscopy is also known to experts and state of the art.
  • the cell without gas supply is kept at 160 ° C kept under atmospheric conditions.
  • the determination of the OCV is repeated 2 to 3 times a week.
  • An incoming damage to the membrane in the MEA is due to a sinking initial stress and / or increasing cell resistance
  • the stand-by test is terminated when the cell voltage drops below 800 mV. At the beginning of the measurement, this is typically about 1000 mV.
  • the membrane of the invention improves the stability against the
  • a comparison membrane shows a drop in OCV to below 800 mV after approximately 250 h (+/- 50 h) residence time in the cell under the conditions indicated.
  • the stabilized membranes degrade depending on the proportion
  • Table 2 shows the decrease of OCV for standard membranes in an MEA (MEA 1 and MEA 2) compared to a membrane stabilized with 0.5% by weight of pentaerythritol polyglycidyl ether on Route Ia.
  • the decrease to OCV 800 mV takes place on average for the standard membranes at 250 h, while the stabilized membrane drops only after about 1200 h below this value.

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Abstract

The invention relates to a method for stabilizing polyazole polymers, comprising the following steps: a) producing a film comprising polyazoles having at least one amino group in a repeat unit, b) treating the film from step a) with a solution comprising (i) at least one strong acid and (ii) at least one stabilizing reagent, in particular at least one bridging and/or cross-linking reagent, wherein the total content of stabilizing reagent in the solution ranges from 0.01 to 30 wt.-%, c) carrying out the stabilizing reaction in the membrane obtained according to step b), d) additionally optionally doping of the membrane obtained according to step c) using a strong acid or concentration of the strong acid that is present by withdrawing water that is present. The polyazole-polymer membranes obtained in this way are characterized in particular by high conductivity and very good stability. They are therefore particularly suitable for use in fuel cells.

Description

Verfahren zur Stabilisierung von stickstoffhaltigen Polymeren  Process for the stabilization of nitrogen-containing polymers
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stabilisierung von The present invention relates to a method for the stabilization of
stickstoffhaltigen Polymeren durch Umsetzung mit geeigneten Reagenzien, insbesondere durch Verbrückung und/oder Vernetzung, sowie den Einsatz derart stabilisierter Materialen in Polymer-Elektrolyt-Membranen (PEM), Membran nitrogenous polymers by reaction with suitable reagents, in particular by bridging and / or crosslinking, and the use of such stabilized materials in polymer electrolyte membranes (PEM), membrane
Elektroden Einheiten und PEM-Brennstoffzellen. Electrode units and PEM fuel cells.
Polymer-Elektrolyt-Membranen (PEM) sind bereits bekannt und werden Polymer electrolyte membranes (PEM) are already known and will
insbesondere in Brennstoffzellen eingesetzt. Dabei finden häufig Sulfonsäure- modifizierte Polymere, insbesondere perfluorierte Polymere Anwendung. especially used in fuel cells. Sulfonic acid-modified polymers, in particular perfluorinated polymers, are frequently used here.
Prominentes Beispiel hierfür ist Nafion™ von DuPont de Nemours, Willmington USA. Für die Protonenleitung ist ein relativ hoher Wassergehalt in der Membran A prominent example of this is Nafion ™ by DuPont de Nemours, Willmington USA. For the proton conduction is a relatively high water content in the membrane
erforderlich, der typischerweise bei 4 - 20 Molekülen Wasser pro Sulfonsäuregruppe liegt. Der notwendige Wassergehalt, aber auch die Stabilität des Polymers in which is typically 4 to 20 molecules of water per sulfonic acid group. The necessary water content, but also the stability of the polymer in
Verbindung mit saurem Wasser und den Reaktionsgasen Wasserstoff und Compound with acidic water and the reaction gases hydrogen and
Sauerstoff, limitiert die Betriebstemperatur der PEM-Brennstoffzellenstacks üblicherweise auf 80 - 100 0C. Unter Druck kann die Betriebstemperaturen auf >120°C erhöht werden. Ansonsten können höhere Betriebstemperaturen ohne einen Leistungsverlust der Brennstoffzelle nicht realisiert werden. Oxygen, the operating temperature of the PEM fuel cell stacks usually limited to 80 - 100 0 C. Under pressure, the operating temperatures can be increased to> 120 ° C. Otherwise, higher operating temperatures can not be realized without a power loss of the fuel cell.
Aus systemtechnischen Gründen sind aber höhere Betriebstemperaturen als For technical reasons, however, higher operating temperatures than
100 0C in der Brennstoffzelle wünschenswert. Die Aktivität der in der Membran- Elektroden-Einheit (MEE) enthaltenen Katalysatoren auf Edelmetallbasis ist bei hohen Betriebstemperaturen wesentlich besser. Insbesondere sind bei der 100 0 C desirable in the fuel cell. The activity of the noble metal based catalysts contained in the membrane electrode assembly (MEU) is significantly better at high operating temperatures. In particular, at the
Verwendung von sogenannten Reformaten aus Kohlenwasserstoffen deutliche Mengen an Kohlenmonoxid im Reformergas enthalten, die üblicherweise durch eine aufwendige Gasaufbereitung bzw. Gasreinigung entfernt werden müssen. Bei hohen Betriebstemperaturen steigt die Toleranz der Katalysatoren gegenüber den CO- Verunreinigungen bis auf mehrere Vol.-% CO an. Use of so-called reformates from hydrocarbons significant amounts of carbon monoxide contained in the reformer gas, which usually must be removed by a complex gas treatment or gas cleaning. At high operating temperatures, the tolerance of the catalysts to the CO impurities increases to several vol .-% CO.
Des Weiteren entsteht Wärme beim Betrieb von Brennstoffzellen. Eine Kühlung dieser Systeme auf unter 800C kann jedoch sehr aufwendig sein. Je nach Furthermore, heat is generated during the operation of fuel cells. However, cooling of these systems to below 80 0 C can be very expensive. Depending on
Leistungsabgabe können die Kühlvorrichtungen wesentlich einfacher gestaltet werden. Das bedeutet, dass in Brennstoffzellensystemen, die bei Temperaturen über 1000C betrieben werden, die Abwärme deutlich besser nutzbar gemacht und somit die Brennstoffzellensystem-Effizienz durch Strom-Wärmekopplung gesteigert werden kann. Um diese Temperaturen zu erreichen, werden im Allgemeinen Membranen mit neuen Leitfähigkeitsmechanismen verwendet. Ein Ansatz hierfür ist der Einsatz von Membranen, die ohne den Einsatz von Wasser eine elektrische Leitfähigkeit zeigen. Eine erste Entwicklung in diese Richtung wird beispielsweise in der WO 96/13872 aufgezeigt. So offenbart WO 96/13872 die Verwendung von säuredotierten Power output, the cooling devices can be made much simpler. This means that in fuel cell systems that are operated at temperatures above 100 ° C, the waste heat can be made significantly more usable and thus the fuel cell system efficiency can be increased through electricity-heat coupling. In order to reach these temperatures, membranes with new conductivity mechanisms are generally used. One approach for this is the use of membranes, which show an electrical conductivity without the use of water. A first development in this direction is shown for example in WO 96/13872. Thus, WO 96/13872 discloses the use of acid-doped
Polybenzimidazol-Membranen, die durch ein Gießverfahren hergestellt werden. Polybenzimidazole membranes produced by a casting process.
Eine neue Generation von säurehaltigen Polyazol-Membranen, die ebenfalls ohne den Einsatz von Wasser eine elektrische Leitfähigkeit zeigen, wird in WO 02/088219 beschrieben. Die in WO 02/088219 offenbarten säurehaltigen Polyazol-Membranen zeigen bereits ein günstiges Eigenschaftsprofil. A new generation of acidic polyazole membranes, which also exhibit electrical conductivity without the use of water, is described in WO 02/088219. The acidic polyazole membranes disclosed in WO 02/088219 already show a favorable property profile.
Aufgrund der für PEM-Brennstoffzellen angestrebten Anwendungen sind jedoch die mechanischen Eigenschaften der säurehaltigen Polyazol-Membranen stets zu verbessern. So sind derartige Membranen immer noch relativ weich und daher nur begrenzt mechanisch belastbar, wobei die mechanische Stabilität mit steigender Temperatur abnimmt, was bereits im oberen Bereich des typischen Betriebsfensters (ca. 160°C-180°C) zu Haltbarkeitsproblemen führen kann. Wünschenswert ist daher die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, insbesondere der However, due to the applications targeted for PEM fuel cells, the mechanical properties of the acidic polyazole membranes must always be improved. Thus, such membranes are still relatively soft and therefore only limited mechanical load, the mechanical stability decreases with increasing temperature, which can lead to durability problems already in the upper part of the typical operating window (about 160 ° C-180 ° C). It is therefore desirable to improve the mechanical properties, in particular the
Membranstabilität, bei gleichzeitig hoher Leitfähigkeit. Membrane stability with high conductivity.
Die mechanische Stabilisierung, beispielsweise durch Verbrückungs- bzw. The mechanical stabilization, for example by bridging or
Vernetzungsreationen, ist bereits in der Polymertechnik hinreichend bekannt. Vernetzungsreationen, is already well known in polymer technology.
Problematisch hierbei ist jedoch, dass selbst wenn ein Polymer an sich eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweist, es vorkommen kann, dass die mechanische Festigkeit des Polymers durch Imprägnieren/Dotieren mit einer starken Säure - zwecks Verleihung von Protonenleitfähigkeit - bis zu einem unzureichenden Grad abnimmt. The problem here, however, is that even if a polymer per se has a sufficient mechanical strength, it may happen that the mechanical strength of the polymer by impregnation / doping with a strong acid - for the purpose of conferring proton conductivity - decreases to an insufficient degree.
Erste Ansätze zur Verbesserung der Stabilität von säurehaltigen Polyazol- Membranen finden sich in WO 00/44816 und WO 02/070592. Hierbei werden zunächst Lösungen des Polyazol-Polymeren in einem aprotischen, polaren, organischen Lösungsmittel hergestellt und die Lösung mit einen First approaches to improve the stability of acidic polyazole membranes can be found in WO 00/44816 and WO 02/070592. In this case, first solutions of the polyazole polymers are prepared in an aprotic, polar, organic solvent and the solution with a
Verbrückungsreagenz versehen. Nach Bildung einer Folie wird das organische Lösungsmittel entfernt und die Verbrückungsreaktion durchgeführt. Anschließend wird der Folie mit einer starken Säure dotiert und eingesetzt. Die erhaltenen Provide bridging reagent. After formation of a film, the organic solvent is removed and the bridging reaction is carried out. Subsequently, the film is doped with a strong acid and used. The obtained
Polyazol Membranen zeigen eine verbesserte physikalische und chemische Polyazole membranes show improved physical and chemical
Beständigkeit, was sich z.B. in mechanischer Festigkeit und einem verbesserten Löseverhalten in starken Säuren bemerkbar macht. Es hat sich jedoch gezeigt, dass mit Hilfe der bislang bekannten Methoden eine Verbrückung bzw. Vernetzung von Polyazol-Polymeren zwar möglich ist, allerdings durch den Einsatz von aprotischen, polaren, organischen Lösungsmitteln neue Grenzen entstehen. Insbesondere hochmolekulare Polyazol-Polymere sind in den vorstehend genannten organischen Lösungsmittels nur begrenzt löslich bzw. Resistance, which manifests itself, for example, in mechanical strength and improved dissolving behavior in strong acids. However, it has been found that, with the aid of the methods known hitherto, bridging or crosslinking of polyazole polymers is possible, but new limits arise through the use of aprotic, polar, organic solvents. In particular, high molecular weight polyazole polymers are only partially soluble in the abovementioned organic solvent or
unlöslich. insoluble.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, bessere Möglichkeiten zur Stabilisierung, insbesondere zur mechanischen Stabilisierung, von It is an object of the present invention to provide better possibilities for stabilization, in particular for mechanical stabilization, of
protonenleitenden, säurehaltigen Polyazol-Membranen auf Basis von Polyazol- Polymeren aufzuzeigen. Zusätzlich sollen die guten Eigenschaftsprofile von säurehaltigen Polyazol-Membranen, insbesondere im Hinblick auf Leitfähigkeit, erhalten oder gar verbessert werden. Weiterhin sollten die Membranen auf vergleichsweise einfache Art und Weise möglichst kostengünstig herstellbar sein. proton-conducting, acidic polyazole membranes based on polyazole polymers show. In addition, the good property profiles of acidic polyazole membranes, in particular with regard to conductivity, to be maintained or even improved. Furthermore, the membranes should be relatively inexpensive to produce in a relatively simple manner.
Gelöst werden diese sowie weitere Aufgaben, die sich aus den zuvor diskutierten Zusammenhängen unmittelbar ergeben, durch ein Verfahren mit allen Merkmalen des vorliegenden Anspruchs 1. Die rückbezogenen Unteransprüche beschreiben besonders zweckmäßige Varianten des Verfahrens. Weiterhin werden die durch das Verfahren erhältlichen Membranen und Membran-Elektroden-Einheiten sowie ihre Verwendung in Brennstoffzellen unter Schutz gestellt. These and other objects, which emerge directly from the contexts discussed above, are solved by a method having all the features of present claim 1. The dependent subclaims describe particularly expedient variants of the method. Furthermore, the membranes and membrane-electrode assemblies obtainable by the process and their use in fuel cells are protected.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Stabilisierung, insbesondere zur Verbrückung und/oder Vernetzung, von Polyazol-Polymeren, umfassend die folgenden Schritte: The present invention is a process for the stabilization, in particular for bridging and / or crosslinking, of polyazole polymers, comprising the following steps:
a) Herstellung eines Films umfassend Polyazole mit mindestens einer a) Preparation of a film comprising polyazoles having at least one
Aminogruppe in einer Wiederholungseinheit,  Amino group in a repeat unit,
b) Behandlung des Films aus Schritt a) mit einer Lösung umfassend (i) b) treating the film of step a) with a solution comprising (i)
mindestens eine starke Säure und (ii) mindestens einem Stabilisierungs- Reagenz, wobei der Gesamtgehalt an Stabilisierung-Reagenzien in der Lösung im Bereich 0,01 bis 30 Gew.-%, bevorzugt 0,01 bis 15 Gew.-%, liegt, c) Durchführung der Stabilisierungsreaktion in der gemäß Schritt b) erhaltenen Membran direkt oder in einem nachfolgenden Verarbeitungsschritt der  at least one strong acid and (ii) at least one stabilizing reagent, wherein the total content of stabilizing reagents in the solution is in the range 0.01 to 30% by weight, preferably 0.01 to 15% by weight, c ) Carrying out the stabilization reaction in the membrane obtained according to step b) directly or in a subsequent processing step of
Membran in der PEM-Brennstoffzelle, wie z. B. einer Membran-Elektroden- Einheit,  Membrane in the PEM fuel cell, such. B. a membrane-electrode unit,
d) ggf. zusätzliche Dotierung der gemäß Schritt c) erhaltenen Membran mit einer starken Säure oder Aufkonzentration der vorhandenen starken Säure durch Entzug von vorhandenem Wasser. Mit Hilfe der vorstehenden Methode sind erstmalig säurehaltige und d) if appropriate, additional doping of the membrane obtained according to step c) with a strong acid or concentration of the strong acid present by removal of water present. With the help of the above method are first acidic and
protonenleitende Polyazol-Membranen auf Basis von stabilisierten, insbesondere verbrückten und/oder vernetzten, hochmolekularen Polyazol-Polymeren zugänglich. Die bislang bekannten hochmolekularen Polyazol-Polymeren waren entweder nicht stabilisiert bzw. verbrückt und/oder vernetzt; die bislang bekannten stabilisierten, bzw. verbrückten und/oder vernetzten, Polyazol-Polymeren umfassen keine hochmolekularen Polyazol-Polymere. proton-conducting polyazole membranes based on stabilized, in particular bridged and / or crosslinked, high molecular weight polyazole polymers accessible. The hitherto known high molecular weight polyazole polymers were either unstabilized or bridged and / or crosslinked; the previously known stabilized, or bridged and / or crosslinked, polyazole polymers do not comprise high molecular weight polyazole polymers.
Des Weiteren sind mit Hilfe der vorstehenden Methode erstmals säurehaltige, protonenleitende, hochmolekulare Polyazol-Polymeren zugänglich, die ein Furthermore, acidic, proton-conducting, high-molecular-weight polyazole polymers are available with the aid of the above method for the first time
verbessertes E-Modul und eine verbesserte Bruchdehnung aufweisen. Beide have improved modulus of elasticity and improved elongation at break. Both
Eigenschaften sind insbesondere zum Einsatz als Polymerelektrolymembran für Brennstoffzellen von großer Bedeutung. Properties are particularly important for use as a polymer electrolyte membrane for fuel cells of great importance.
Darüber hinaus sind die Leitfähigkeiten der erfindungsgemäßen Membranen äußerst hoch. Die erfindungsgemäße Stabilisierung der Membran in Lösung führt In addition, the conductivities of the membranes of the invention are extremely high. The stabilization of the membrane according to the invention in solution leads
insbesondere zu einer höheren Leitfähigkeit als die Stabilisierung der gleichen Membran unter Luft oder Gasatmosphäre. in particular to a higher conductivity than the stabilization of the same membrane under air or gas atmosphere.
Schließlich ist das erfindungsgemäße Verfahren auf vergleichsweise einfache Art und Weise großtechnisch und kostengünstig durchführbar. Finally, the method according to the invention can be carried out in a comparatively simple manner on an industrial scale and cost-effectively.
Film umfassend Polyazole Film comprising polyazoles
Unter Polyazolen im Sinne der vorliegenden Erfindung werden solche Polymere verstanden, bei denen die Wiederholungseinheit im Polymer vorzugsweise  For the purposes of the present invention, polyazoles are understood as meaning those polymers in which the repeating unit in the polymer is preferably
mindestens einen aromatischen Ring mit mindestens einem Stickstoffatom enthält. Bei dem aromatischen Ring handelt es sich vorzugsweise um einen fünf- oder sechsgliedrigen Ring mit einem bis drei Stickstoffatomen, der mit einem anderen Ring, insbesondere einem anderen aromatischen Ring, anelliert sein kann. Einzelne Stickstoff-Heteroatome können dabei auch durch Sauerstoff-, Phosphor- und/oder Schwefel-Atome ersetzt sein. Die heterocyclischen aromatischen Ringe liegen vorzugsweise in der Polymerhauptkette vor, können jedoch auch in der Seitenkette vorliegen. Besonders bevorzugt werden solche basischen Polymere, die in der Wiederholungseinheit ungesättigte fünfgliedrige oder sechsgliedrige aromatische Einheiten umfassen, die im Kern 1 -5 Stickstoffatome oder neben Stickstoffatomen ein oder mehrere andere Heteroatome enthalten. contains at least one aromatic ring having at least one nitrogen atom. The aromatic ring is preferably a five- or six-membered ring having one to three nitrogen atoms which may be fused to another ring, especially another aromatic ring. Individual nitrogen heteroatoms can also be replaced by oxygen, phosphorus and / or sulfur atoms. The heterocyclic aromatic rings are preferably present in the polymer backbone but may be present in the side chain. Particular preference is given to those basic polymers which comprise in the repeat unit unsaturated five-membered or six-membered aromatic units containing in the nucleus 1-5 nitrogen atoms or in addition to nitrogen atoms one or more other heteroatoms.
Die erfindungsgemäßen Polyazole weisen mindestens eine Aminogruppe in einer Wiederholungseinheit auf. Dabei kann die Aminogruppe als primäre Aminogruppe (NH2-Gruppe), als sekundäre Aminogruppe (NH-Gruppe) oder als tertiäre Gruppe vorliegen, die entweder Teil einer cyclischen, ggf. aromatischen Struktur oder Teil eines Substituenten an der aromatischen Einheit sind. The polyazoles according to the invention have at least one amino group in a repeat unit. In this case, the amino group as the primary amino group (NH 2 group), as a secondary amino group (NH group) or as a tertiary group, which are either part of a cyclic, optionally aromatic structure or part of a substituent on the aromatic unit.
Aufgrund der Aminogruppe in der Wiederholungseinheit ist das Polymer basisch und die Wiederholungseinheit kann bevorzugt über die Aminogruppe mit dem Due to the amino group in the repeating unit, the polymer is basic and the repeating unit may preferably be substituted by the amino group
Stabilisierungsreagenz reagieren. Im Hinblick auf die Reaktivität gegenüber dem Stabilisierungsreagenz handelt es sich bei der Aminogruppe in der Stabilizing react. With regard to the reactivity towards the stabilizing reagent, the amino group in the
Wiederholungseinheit vorzugsweise um eine primäre oder sekundäre Aminogruppe, besonders bevorzugt um eine cyclische sekundäre Aminogruppe, die Repeating unit preferably a primary or secondary amino group, more preferably a cyclic secondary amino group, the
zweckmäßigerweise zum Kern der Azol-Wiederholungseinheit gehört. suitably belongs to the core of the azole repeating unit.
Die Herstellung eines Films bzw. einer Folie umfassend Polyazole ist bereits bekannt. Die Herstellung erfolgt - beispielsweise wie in WO 2004/024797 The production of a film or a film comprising polyazoles is already known. The preparation takes place - for example as in WO 2004/024797
beschrieben - und umfasst die Schritte: described - and includes the steps:
A) Mischen von einem oder mehreren aromatischen Tetra-Amino-Verbindungen mit einer oder mehreren aromatischen Carbonsäuren bzw. deren Estern, die mindestens zwei Säuregruppen pro Carbonsäure-Monomer enthalten, oder Mischen von einer oder mehreren aromatischen und/oder heteroaromatischen Diaminocarbonsäuren, in Polyphosphorsäure unter Ausbildung einer Lösung und/oder Dispersion  A) mixing one or more aromatic tetra-amino compounds with one or more aromatic carboxylic acids or their esters containing at least two acid groups per carboxylic acid monomer, or mixing one or more aromatic and / or heteroaromatic Diaminocarbonsäuren, in polyphosphoric under Formation of a solution and / or dispersion
B) Aufbringen einer Schicht unter Verwendung der Mischung gemäß Schritt A) auf einem Träger,  B) applying a layer using the mixture according to step A) on a support,
C) Erwärmen des flächigen Gebildes/Schicht erhältlich gemäß Schritt B) unter Inertgas auf Temperaturen von bis zu 3500C, vorzugsweise bis zu 2800C unter Ausbildung des Polyazol-Polymeren, C) heating of the sheet / layer obtainable according to step B) under inert gas to temperatures of up to 350 0 C, preferably up to 280 0 C to form the polyazole polymer,
D) Hydrolyse der in Schritt C) gebildeten Polymerfolie (bis diese selbsttragend ist), D) hydrolysis of the polymer film formed in step C) (until it is self-supporting),
E) Ablösen der in Schritt D) gebildeten Polymerfolie vom Träger, E) detaching the polymer film formed in step D) from the carrier,
F) Entfernen der vorhandenen Polyphosphorsäure bzw. Phosphorsäure und  F) removing the existing polyphosphoric acid or phosphoric acid and
Trocknung.  Drying.
Bei den erfindungsgemäß eingesetzten aromatischen und heteroaromatischen Tetra-Amino-Verbindungen handelt es sich vorzugsweise um 3,3',4,4'- Tetraaminobiphenyl, 2,3,5,6-Tetraaminopyridin, 1 ,2,4,5-Tetraaminobenzol, 3, 3', 4,4'- Tetraaminodiphenylsulfon, 3,3',4,4'-Tetraaminodiphenylether, 3,3', 4,4'- Tetraaminobenzophenon, 3,3',4,4'-Tetraaminodiphenylmethan und 3,3',4,4'- Tetraaminodiphenyldimethylmethan sowie deren Salze, insbesondere deren Mono-, Di-, Tri- und Tetrahydrochloridderivate. Bei den erfindungsgemäß eingesetzten aromatischen Carbonsäuren handelt es sich um Dicarbonsäuren und Tricarbonsäuren und Tetracarbonsäuren bzw. deren Estern oder deren Anhydride oder deren Säurechloride. Der Begriff aromatische The aromatic and heteroaromatic tetra-amino compounds used according to the invention are preferably 3,3 ', 4,4'-tetraaminobiphenyl, 2,3,5,6-tetraaminopyridine, 1, 2,4,5-tetraaminobenzene, 3 , 3 ', 4,4'-tetraaminodiphenylsulfone, 3,3', 4,4'-tetraaminodiphenyl ether, 3,3 ', 4,4'-tetraaminobenzophenone, 3,3', 4,4'-tetraaminodiphenylmethane and 3,3 ', 4,4'- Tetraaminodiphenyldimethylmethan and salts thereof, in particular their mono-, di-, tri- and tetrahydrochloride derivatives. The aromatic carboxylic acids used according to the invention are dicarboxylic acids and tricarboxylic acids and tetracarboxylic acids or their esters or their anhydrides or their acid chlorides. The term aromatic
Carbonsäuren umfasst gleichermaßen auch heteroaromatische Carbonsäuren. Carboxylic acids equally includes heteroaromatic carboxylic acids.
Vorzugsweise handelt es sich bei den aromatischen Dicarbonsäuren um Preferably, the aromatic dicarboxylic acids are um
Isophthalsäure, Terephthalsäure, Phthalsäure, 5-Hydroxyisophthalsäure, 4- Hydroxyisophthalsäure, 2-Hydroxyterephthalsäure, 5-Aminoisophthalsäure, 5-N1N- Dimethylaminoisophthalsäure, 5-N,N-Diethylaminoisophthalsäure, 2,5- Dihydroxyterephthalsäure, 2,6-Dihydroxyisophthalsäure, 4,6- Dihydroxyisophthalsäure, 2,3-Dihydroxyphthalsäure, 2,4-Dihydroxyphthalsäure. 3,4- Dihydroxyphthalsäure, 3-Fluorophthalsäure, 5-Fluoroisophthalsäure, 2- Fluoroterphthalsäure, Tetrafluorophthalsäure, Tetrafluoroisophthalsäure, Isophthalic acid, terephthalic acid, phthalic acid, 5-hydroxyisophthalic acid, 4-hydroxyisophthalic acid, 2-hydroxyterephthalic acid, 5-aminoisophthalic acid, 5-N 1 N-dimethylaminoisophthalic acid, 5-N, N-diethylaminoisophthalic acid, 2,5-dihydroxyterephthalic acid, 2,6-dihydroxyisophthalic acid, 4,6-dihydroxyisophthalic acid, 2,3-dihydroxyphthalic acid, 2,4-dihydroxyphthalic acid. 3,4-dihydroxyphthalic acid, 3-fluorophthalic acid, 5-fluoroisophthalic acid, 2-fluoroterephthalic acid, tetrafluorophthalic acid, tetrafluoroisophthalic acid,
Tetrafluoroterephthalsäure,1 ,4-Naphthalindicarbonsäure, 1 ,5- Naphthalindicarbonsäure, 2,6-Naphthalindicarbonsäure, 2,7- Naphthalindicarbonsäure, Diphensäure, 1 ,8-Dihydroxynaphthalin-3,6-dicarbonsäure, Diphenylether-4,4'-dicarbonsäure, Benzophenon-4,4'-dicarbonsäure, Diphenylsulfon- 4,4'-dicarbonsäure, Biphenyl-4,4'-dicarbonsäure, 4-Trifluoromethylphthalsäure, 2,2- Bis(4-carboxyphenyl)hexafluoropropan, 4,4'-Stilbendicarbonsäure, 4- Carboxyzimtsäure, bzw. deren C1 -C20-Alkyl-Ester oder C5-C12-Aryl-Ester, oder deren Säureanhydride oder deren Säurechloride. Bei den aromatischen Tri-, Tetracarbonsäuren bzw. deren C1 -C20-Alkyl-Ester oder C5-C12-Aryl-Ester oder deren Säureanhydride oder deren Säurechloride handelt es sich bevorzugt um 1 ,3,5- Benzol-tricarbonsäure (Trimesic acid), 1 ,2,4-Benzol-tricarbonsäure (Trimellitic acid), (2-Carboxyphenyl)iminodiessigsäure, 3,5,3'-Biphenyltricarbonsäure, 3,5,4'- Biphenyltricarbonsäure. Tetrafluoroterephthalic acid, 1,4-naphthalenedicarboxylic acid, 1,5-naphthalenedicarboxylic acid, 2,6-naphthalenedicarboxylic acid, 2,7-naphthalenedicarboxylic acid, diphenic acid, 1,8-dihydroxynaphthalene-3,6-dicarboxylic acid, diphenyl ether-4,4'-dicarboxylic acid, benzophenone 4,4'-dicarboxylic acid, diphenylsulfone-4,4'-dicarboxylic acid, biphenyl-4,4'-dicarboxylic acid, 4-trifluoromethylphthalic acid, 2,2-bis (4-carboxyphenyl) hexafluoropropane, 4,4'-stilbenedicarboxylic acid, 4 - Carboxycinnamic acid, or their C1 -C20-alkyl esters or C5-C12-aryl esters, or their acid anhydrides or their acid chlorides. The aromatic tri-, tetracarboxylic acids or their C 1 -C 20 -alkyl esters or C 5 -C 12 -aryl esters or their acid anhydrides or their acid chlorides are preferably 1, 3,5-benzenetricarboxylic acid (trimesic acid), 1, 2,4-benzenetricarboxylic acid (trimellitic acid), (2-carboxyphenyl) iminodiacetic acid, 3,5,3'-biphenyltricarboxylic acid, 3,5,4'-biphenyltricarboxylic acid.
Bei den aromatischen Tetracarbonsäuren bzw. deren C1 -C20-Alkyl-Ester oder C5- C12-Aryl-Ester oder deren Säureanhydride oder deren Säurechloride handelt es sich bevorzugt um 3,5,3',5'-Biphenyltetracarbonsäure (3,5,3',5'-biphenyltetracarboxylic acid), 1 ,2,4,5-Benzoltetracarbonsäure, Benzophenontetracarbonsäure, 3,3',4,4'- Biphenyltetracarbonsäure, 2,2',3,3'-Biphenyltetracarbonsäure, 1 ,2,5,6- Naphthalintetracarbonsäure, 1 ,4,5,8-Naphthalintetracarbonsäure. The aromatic tetracarboxylic acids or their C 1 -C 20 -alkyl esters or C 5 -C 12 -aryl esters or their acid anhydrides or their acid chlorides are preferably 3,5,3 ', 5'-biphenyltetracarboxylic acid (3,5,3 ', 5'-biphenyltetracarboxylic acid), 1, 2,4,5-benzenetetracarboxylic acid, benzophenonetetracarboxylic acid, 3,3', 4,4'-biphenyltetracarboxylic acid, 2,2 ', 3,3'-biphenyltetracarboxylic acid, 1, 2.5 , 6-Naphthalenetetracarboxylic acid, 1, 4,5,8-naphthalenetetracarboxylic acid.
Bei den erfindungsgemäß eingesetzten heteroaromatischen Carbonsäuren handelt es sich um heteroaromatischen Dicarbonsäuren und Tricarbonsäuren und The heteroaromatic carboxylic acids used according to the invention are heteroaromatic dicarboxylic acids and tricarboxylic acids and
Tetracarbonsäuren bzw. deren Estern oder deren Anhydride. Als heteroaromatische Carbonsäuren werden aromatische Systeme verstanden welche mindestens ein Stickstoff, Sauerstoff, Schwefel oder Phosphoratom im Aromaten enthalten. Tetracarboxylic acids or their esters or their anhydrides. Heteroaromatic carboxylic acids are aromatic systems which contain at least one nitrogen, oxygen, sulfur or phosphorus atom in the aromatic.
Vorzugsweise handelt es sich um Pyridin-2,5-dicarbonsäure, Pyridin-3,5- dicarbonsäure, Pyridin-2,6-dicarbonsäure, Pyridin-2,4-dicarbonsäure, 4-Phenyl-2,5- pyridindicarbonsäure, 3,5-Pyrazoldicarbonsäure, 2,6-Pyrimidindicarbonsäure, 2,5- Pyrazindicarbonsäure, 2,4,6-Pyridintricarbonsäure, Benzimidazol-5,6-dicarbonsäure sowie deren C1 -C20-Alkyl-Ester oder C5-C12-Aryl-Ester, oder deren Preferably it is pyridine-2,5-dicarboxylic acid, pyridine-3,5- dicarboxylic acid, pyridine-2,6-dicarboxylic acid, pyridine-2,4-dicarboxylic acid, 4-phenyl-2,5-pyridinedicarboxylic acid, 3,5-pyrazoldicarboxylic acid, 2,6-pyrimidinedicarboxylic acid, 2,5-pyrazinedicarboxylic acid, 2,4, 6-pyridine tricarboxylic acid, benzimidazole-5,6-dicarboxylic acid and their C1-C20-alkyl esters or C5-C12 aryl esters, or their
Säureanhydride oder deren Säurechloride. Acid anhydrides or their acid chlorides.
Der Gehalt an Tricarbonsäure bzw. Tetracarbonsäure (bezogen auf eingesetzte Dicarbonsäure) beträgt zwischen 0 und 30 Mol-%, vorzugsweise 0,1 und 20 Mol %, insbesondere 0,5 und 10 Mol-%. The content of tricarboxylic acid or tetracarboxylic acid (based on the dicarboxylic acid used) is between 0 and 30 mol%, preferably 0.1 and 20 mol%, in particular 0.5 and 10 mol%.
Bei den erfindungsgemäß eingesetzten aromatischen und heteroaromatischen Diaminocarbonsäuren handelt es sich bevorzugt um Diaminobenzoesäure und deren Mono- und Dihydrochloridderivate. The aromatic and heteroaromatic diaminocarboxylic acids used according to the invention are preferably diaminobenzoic acid and its mono- and dihydrochloride derivatives.
Bevorzugt werden in Schritt A) Mischungen von mindestens 2 verschiedenen aromatischen Carbonsäuren eingesetzt. Besonders bevorzugt werden Mischungen eingesetzt, die neben aromatischen Carbonsäuren auch heteroaromatische In step A), mixtures of at least 2 different aromatic carboxylic acids are preferably used. Particular preference is given to using mixtures which, in addition to aromatic carboxylic acids, are also heteroaromatic
Carbonsäuren enthalten. Das Mischungsverhältnis von aromatischen Carbonsäuren zu heteroaromatischen Carbonsäuren beträgt zwischen 1 :99 und 99:1 , vorzugsweise 1 :50 bis 50:1. Contain carboxylic acids. The mixing ratio of aromatic carboxylic acids to heteroaromatic carboxylic acids is between 1:99 and 99: 1, preferably 1:50 to 50: 1.
Bei diesen Mischungen handelt es sich insbesondere um Mischungen von N- heteroaromatischen Dicarbonsäuren und aromatischen Dicarbonsäuren. Nicht limitierende Beispiele dafür sind Isophthalsäure, Terephthalsäure, Phthalsäure, 2,5- Dihydroxyterephthalsäure, 2,6-Dihydroxyisophthalsäure, 4,6- Dihydroxyisophthalsäure, 2,3-Dihydroxyphthalsäure, 2,4-Dihydroxyphthalsäure, 3,4- Dihydroxyphthalsäure,1 ,4-Naphthalindicarbonsäure, 1 ,5-Naphthalindicarbonsäure, 2,6-Naphthalindicarbonsäure, 2,7-Naphthalindicarbonsäure, Diphensäure, 1 ,8- dihydroxynaphthalin-3,6-dicarbonsäure, Diphenylether-4,4'-dicarbonsäure, These mixtures are, in particular, mixtures of N-heteroaromatic dicarboxylic acids and aromatic dicarboxylic acids. Non-limiting examples thereof are isophthalic acid, terephthalic acid, phthalic acid, 2,5-dihydroxyterephthalic acid, 2,6-dihydroxyisophthalic acid, 4,6-dihydroxyisophthalic acid, 2,3-dihydroxyphthalic acid, 2,4-dihydroxyphthalic acid, 3,4-dihydroxyphthalic acid, 1,4 Naphthalenedicarboxylic acid, 1, 5-naphthalenedicarboxylic acid, 2,6-naphthalenedicarboxylic acid, 2,7-naphthalenedicarboxylic acid, diphenic acid, 1,8-dihydroxynaphthalene-3,6-dicarboxylic acid, diphenyl ether-4,4'-dicarboxylic acid,
Benzophenon-4,4'-dicarbonsäure, Diphenylsulfon-4,4'-dicarbonsäure, Biphenyl-4,4'- dicarbonsäure, 4-Trifluoromethylphthalsäure, Pyridin-2,5-dicarbonsäure, Pyridin-3,5- dicarbonsäure, Pyridin-2,6-dicarbonsäure, Pyridin-2,4-dicarbonsäure, 4-Phenyl-2,5- pyridindicarbonsäure, 3,5-Pyrazoldicarbonsäure, 2,6 -Pyrimidindicarbonsäure, 2,5- Pyrazindicarbonsäure. Benzophenone-4,4'-dicarboxylic acid, diphenylsulfone-4,4'-dicarboxylic acid, biphenyl-4,4'-dicarboxylic acid, 4-trifluoromethylphthalic acid, pyridine-2,5-dicarboxylic acid, pyridine-3,5-dicarboxylic acid, pyridine-2 , 6-dicarboxylic acid, pyridine-2,4-dicarboxylic acid, 4-phenyl-2,5-pyridinedicarboxylic acid, 3,5-pyrazoldicarboxylic acid, 2,6-pyrimidinedicarboxylic acid, 2,5-pyrazinedicarboxylic acid.
Bei der in Schritt A) verwendeten Polyphosphorsäure handelt es sich um The polyphosphoric acid used in step A) is
handelsübliche Polyphosphorsäuren wie diese beispielsweise von Riedel-de Haen erhältlich sind. Die Polyphosphorsäuren Hn+2PnO3n+i (n>1 ) besitzen üblicherweise einen Gehalt berechnet als P2O5 (acidimetrisch) von mindestens 83%. Anstelle einer Lösung der Monomeren kann auch eine Dispersion/Suspension erzeugt werden. Die in Schritt A) erzeugte Mischung weist ein Gewichtsverhältnis Polyphosphorsäure zu Summe aller Monomeren von 1 :10000 bis 10000:1 , vorzugsweise 1 :1000 bis 1000:1 , insbesondere 1 :100 bis 100:1 , auf. Commercially available polyphosphoric acids such as these are available, for example, from Riedel-de Haen. The polyphosphoric acids H n + 2 P n O 3 n + i (n> 1) usually have a content calculated as P 2 O 5 (acidimetric) of at least 83%. Instead of a solution of the monomers, it is also possible to produce a dispersion / suspension. The mixture produced in step A) has a weight ratio of polyphosphoric acid to sum of all monomers of 1: 10,000 to 10,000: 1, preferably 1: 1000 to 1000: 1, in particular 1: 100 to 100: 1, on.
Die Schichtbildung gemäß Schritt B) erfolgt mittels an sich bekannter Maßnahmen (Gießen, Sprühen, Rakeln) die aus dem Stand der Technik zur Polymerfilm- Herstellung bekannt sind. Als Träger sind alle unter den Bedingungen als inert zu bezeichnenden Träger geeignet. Neben diesen inerten Trägern sind jedoch auch andere Träger wie beispielsweise Polymerfolien, Gewebe und Vließe geeignet, die sich mit der in Schritt B) gebildeten Schicht verbinden und ein Laminat bilden. Zur Einstellung der Viskosität kann die Lösung gegebenenfalls mit Phosphorsäure (konz. Phosphorsäure, 85%) versetzt werden. Hierdurch kann die Viskosität auf den gewünschten Wert eingestellt und die Bildung der Membran erleichtert werden. The layer formation according to step B) takes place by means of measures known per se (casting, spraying, doctoring) which are known from the prior art for polymer film production. Suitable carriers are all suitable carriers under the conditions as inert. In addition to these inert supports, however, other supports, such as polymeric films, fabrics and fleeces, which bond to the layer formed in step B) and form a laminate are also suitable. To adjust the viscosity, the solution may optionally be treated with phosphoric acid (concentrated phosphoric acid, 85%). This allows the viscosity to be adjusted to the desired value and the formation of the membrane can be facilitated.
Die gemäß Schritt B) erzeugte Schicht hat eine Dicke die auf die nachfolgende Verwendung abgestimmt ist und unterliegt keiner Einschränkung. Üblicherweise weist die gebildete Schicht eine Dicke zwischen 1 und 5000 μm, vorzugsweise zwischen 1 und 3500 μm, insbesondere zwischen 1 und 100 μm auf. The layer produced according to step B) has a thickness which is matched to the subsequent use and is not subject to any restriction. Usually, the layer formed has a thickness between 1 and 5000 μm, preferably between 1 and 3500 μm, in particular between 1 and 100 μm.
Das in Schritt C) gebildete Polymere auf Basis von Polyazol enthält wiederkehrende Azoleinheiten der allgemeinen Formel (I) und/oder (II) und/oder (IM) und/oder (IV) und/oder (V) und/oder (VI) und/oder (VII) und/oder (VIII) und/oder (IX) und/oder (X) und/oder (Xl) und/oder (XII) und/oder (XIII) und/oder (XIV) The polyazole-based polymer formed in step C) contains recurring azole units of the general formula (I) and / or (II) and / or (III) and / or (IV) and / or (V) and / or (VI) and / or (VII) and / or (VIII) and / or (IX) and / or (X) and / or (XI) and / or (XII) and / or (XIII) and / or (XIV)
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wherein
Ar gleich oder verschieden sind und für eine vierbindige aromatische oder heteroaromatische Gruppe, die ein- oder mehrkernig sein kann,  Ar are the same or different and represent a tetravalent aromatic or heteroaromatic group which may be mononuclear or polynuclear,
Ar1 gleich oder verschieden sind und für eine zweibindige aromatische oder heteroaromatische Gruppe, die ein- oder mehrkernig sein kann, Ar 1 are the same or different and represent a divalent aromatic or heteroaromatic group which may be mononuclear or polynuclear,
Ar2 gleich oder verschieden sind und für eine zwei oder dreibindige aromatische oder heteroaromatische Gruppe, die ein- oder mehrkernig sein kann, Ar3 gleich oder verschieden sind und für eine dreibindige aromatische oder heteroaromatische Gruppe, die ein- oder mehrkernig sein kann, Ar 2 are the same or different and, for a two- or three-membered aromatic or heteroaromatic group which may be mononuclear or polynuclear, Ar 3 are the same or different and are a trivalent aromatic or heteroaromatic group which may be mononuclear or polynuclear,
Ar4 gleich oder verschieden sind und für eine dreibindige aromatische oder heteroaromatische Gruppe, die ein- oder mehrkernig sein kann, Ar5 gleich oder verschieden sind und für eine vierbindige aromatische oder heteroaromatische Gruppe, die ein- oder mehrkernig sein kann, Ar 4 are the same or different and represent a trivalent aromatic or heteroaromatic group which may be mononuclear or polynuclear, Ar 5 are the same or different and represent a tetravalent aromatic or heteroaromatic group which may be mononuclear or polynuclear,
Ar6 gleich oder verschieden sind und für eine zweibindige aromatische oder Ar 6 are the same or different and are for a divalent aromatic or
heteroaromatische Gruppe, die ein- oder mehrkernig sein kann,  heteroaromatic group, which may be mononuclear or polynuclear,
Ar7 gleich oder verschieden sind und für eine zweibindige aromatische oder Ar 7 are the same or different and are for a divalent aromatic or
heteroaromatische Gruppe, die ein- oder mehrkernig sein kann,  heteroaromatic group, which may be mononuclear or polynuclear,
Ar8 gleich oder verschieden sind und für eine dreibindige aromatische oder Ar 8 are the same or different and for a trivalent aromatic or
heteroaromatische Gruppe, die ein- oder mehrkernig sein kann,  heteroaromatic group, which may be mononuclear or polynuclear,
Ar9 gleich oder verschieden sind und für eine zwei- oder drei- oder vierbindige Ar 9 are the same or different and are a two- or three- or vierbindige
aromatische oder heteroaromatische Gruppe, die ein- oder mehrkernig sein kann,  aromatic or heteroaromatic group which may be mononuclear or polynuclear,
Ar10 gleich oder verschieden sind und für eine zwei- oder dreibindige aromatische oder heteroaromatische Gruppe, die ein- oder mehrkernig sein kann, Ar 10 are the same or different and represent a divalent or trivalent aromatic or heteroaromatic group which may be mononuclear or polynuclear,
Ar11 gleich oder verschieden sind und für eine zweibindige aromatische oder Ar 11 are the same or different and are for a divalent aromatic or
heteroaromatische Gruppe, die ein- oder mehrkernig sein kann,  heteroaromatic group, which may be mononuclear or polynuclear,
X gleich oder verschieden ist und für Sauerstoff, Schwefel oder eine X is the same or different and is oxygen, sulfur or a
Aminogruppe steht, die ein Wasserstoffatom, eine 1 - 20 Kohlenstoffatome aufweisende Gruppe, vorzugsweise eine verzweigte oder nicht verzweigte Amino group which represents a hydrogen atom, a 1-20 carbon atoms group, preferably a branched or unbranched
Alkyl- oder Alkoxygruppe, oder eine Arylgruppe als weiteren Rest trägt, Carries alkyl or alkoxy group, or an aryl group as a further radical,
R gleich oder verschieden für Wasserstoff, eine Alkylgruppe und eine R is the same or different for hydrogen, an alkyl group and a
aromatische Gruppe steht und  aromatic group is and
n, m jeweils eine ganze Zahl größer gleich 10, bevorzugt größer gleich 100 sind. n, m are each an integer greater than or equal to 10, preferably greater than or equal to 100.
Bevorzugte aromatische oder heteroaromatische Gruppen leiten sich von Benzol, Naphthalin, Biphenyl, Diphenylether, Diphenylmethan, Diphenyldimethylmethan, Bisphenon, Diphenylsulfon, Chinolin, Pyridin, Bipyridin, Pyridazin, Pyrimidin, Pyrazin, Triazin, Tetrazin, Pyrol, Pyrazol, Anthracen, Benzopyrrol, Benzotriazol, Preferred aromatic or heteroaromatic groups are derived from benzene, naphthalene, biphenyl, diphenyl ether, diphenylmethane, diphenyldimethylmethane, bisphenone, diphenylsulfone, quinoline, pyridine, bipyridine, pyridazine, pyrimidine, pyrazine, triazine, tetrazine, pyrol, pyrazole, anthracene, benzopyrrole, benzotriazole,
Benzooxathiadiazol, Benzooxadiazol, Benzopyridin, Benzopyrazin, Benzooxathiadiazole, benzooxadiazole, benzopyridine, benzopyrazine,
Benzopyrazidin, Benzopyrimidin, Benzopyrazin, Benzothazin, Indolizin, Chinolizin, Pyridopyridin, Imidazopyrimidin, Pyrazinopyrimidin, Carbazol, Aciridin, Phenazin, Benzochinolin, Phenoxazin, Phenothiazin, Acridizin, Benzoptehdin, Phenanthrolin und Phenanthren, die gegebenenfalls auch substituiert sein können, ab. Benzopyrazidine, benzopyrimidine, benzopyrazine, benzothazine, indolizine, quinolizine, pyridopyridine, imidazopyrimidine, pyrazinopyrimidine, carbazole, aciridine, phenazine, benzoquinoline, phenoxazine, phenothiazine, acridizine, benzophthyne, phenanthroline and phenanthrene, which may optionally be substituted from.
Dabei ist das Substitionsmuster von Ar1, Ar4, Ar6, Ar7, Ar8, Ar9, Ar10, Ar11 beliebig, im Falle vom Phenylen beispielsweise kann Ar1, Ar4, Ar6, Ar7, Ar8, Ar9, Ar10, Ar11 Ortho-, meta- und para-Phenylen sein. Besonders bevorzugte Gruppen leiten sich von Benzol und Biphenylen, die gegebenenfalls auch substituiert sein können, ab. Bevorzugte Alkylgruppen sind kurzkettige Alkylgruppen mit 1 bis 4 Here, the substitution pattern of Ar 1 , Ar 4 , Ar 6 , Ar 7 , Ar 8 , Ar 9 , Ar 10 , Ar 11 is arbitrary, in the case of phenylene, for example, Ar 1 , Ar 4 , Ar 6 , Ar 7 , Ar 8 , Ar 9 , Ar 10 , Ar 11 are ortho, meta and para-phenylene. Particularly preferred groups are derived from benzene and biphenylene, which may optionally also be substituted. Preferred alkyl groups are short chain alkyl groups of 1 to 4
Kohlenstoffatomen, wie z. B. Methyl-, Ethyl-, n- oder i-Propyl- und t-Butyl-Gruppen. Carbon atoms, such as. For example, methyl, ethyl, n- or i-propyl and t-butyl groups.
Bevorzugte aromatische Gruppen sind Phenyl- oder Naphthyl-Gruppen. Die Preferred aromatic groups are phenyl or naphthyl groups. The
Alkylgruppen und die aromatischen Gruppen können substituiert sein. Alkyl groups and the aromatic groups may be substituted.
Bevorzugte Substituenten sind Halogenatome wie z. B. Fluor, Aminogruppen, Hydroxygruppen oder kurzkettige Alkylgruppen wie z. B. Methyl- oder Ethylgruppen. Preferred substituents are halogen atoms such as. As fluorine, amino groups, hydroxy groups or short-chain alkyl groups such as. For example, methyl or ethyl groups.
Bevorzugt sind Polyazole mit wiederkehrenden Einheiten der Formel (I), bei denen die Reste X innerhalb einer wiederkehrenden Einheit gleich sind. Preference is given to polyazoles having repeating units of the formula (I) in which the radicals X within a repeating unit are identical.
Die Polyazole können grundsätzlich auch unterschiedliche wiederkehrende The polyazoles can in principle also have different recurring
Einheiten aufweisen, die sich beispielsweise in ihrem Rest X unterscheiden. Have units that differ, for example, in their remainder X.
Vorzugsweise jedoch weist es nur gleiche Reste X in einer wiederkehrenden Einheit auf. Preferably, however, it has only the same X radicals in a repeating unit.
Weitere bevorzugte Polyazol-Polymere sind Polyimidazole, Polybenzthiazole, Polybenzoxazole, Polyoxadiazole, Polyquinoxalines, Polythiadiazole Poly(pyridine), Poly(pyrimidine), und Poly(tetrazapyrene). Other preferred polyazole polymers are polyimidazoles, polybenzothiazoles, polybenzoxazoles, polyoxadiazoles, polyquinoxalines, polythiadiazoles, poly (pyridines), poly (pyrimidines), and poly (tetrazapyrenes).
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Polymer enthaltend wiederkehrende Azoleinheiten ein Copolymer oder ein Blend, das mindestens zwei Einheiten der Formel (I) bis (XIV) enthält, die sich voneinander unterscheiden. Die Polymere können als Blockcopolymere (Diblock, Triblock), statistische Copolymere, periodische Copolymere und/oder alternierende Polymere vorliegen. In a further embodiment of the present invention, the polymer containing recurring azole units is a copolymer or a blend containing at least two units of the formulas (I) to (XIV) which differ from each other. The polymers can be present as block copolymers (diblock, triblock), random copolymers, periodic copolymers and / or alternating polymers.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Polymer enthaltend wiederkehrende Azoleinheiten ein Polyazol, das nur Einheiten der Formel (I) und/oder (II) enthält. In a particularly preferred embodiment of the present invention, the polymer containing recurring azole units is a polyazole which contains only units of the formula (I) and / or (II).
Die Anzahl der wiederkehrende Azoleinheiten im Polymer ist vorzugsweise eine ganze Zahl größer gleich 10. Besonders bevorzugte Polymere enthalten mindestens 100 wiederkehrende Azoleinheiten. The number of repeating azole units in the polymer is preferably an integer greater than or equal to 10. Particularly preferred polymers contain at least 100 recurring azole units.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind Polymere enthaltend wiederkehrenden Benzimidazoleinheiten bevorzugt. Einige Beispiele der äußerst zweckmäßigen Polymere enthalten wiederkehrende Benzimidazoleinheiten und werden durch die nachfolgende Formeln wiedergegeben:
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In the context of the present invention, polymers containing recurring benzimidazole units are preferred. Some examples of the extremely expedient Polymers contain recurring benzimidazole units and are represented by the following formulas:
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In der letzten Formel können die Azol-Einheiten und die beiden fluorierten Anteile in beliebiger Reihenfolge miteinander verknüpft sein. Die Herstellung kann als Polymer, statisches Copolymer oder Blockcopolymer erfolgen. In the last formula, the azole units and the two fluorinated moieties can be linked in any order. The preparation can be carried out as a polymer, static copolymer or block copolymer.
Weiterhin sind in den obigen Formeln n und m, jeweils unabhängig voneinander, eine ganze Zahl größer gleich 10, vorzugsweise größer gleich 100. Furthermore, in the above formulas, n and m, each independently, are an integer greater than or equal to 10, preferably greater than or equal to 100.
Die erfindungsgemäße Vorgehensweise eignet sich grundsätzlich für alle Polyazole unabhängig vom Molekulargewicht. Besonders bewährt hat sie sich jedoch für die Stabilisierung von hochmolekularen Polyazolen, die nicht auf andere Weise erhältlich ist. Hochmolekulare Polyazole, insbesondere jedoch Polybenzimidazole, zeichnen sich durch ein hohes Molekulargewicht aus, welches, gemessen als The procedure according to the invention is suitable in principle for all polyazoles, irrespective of the molecular weight. However, it has proven particularly useful for the stabilization of high molecular weight polyazoles, which is not obtainable in any other way. High molecular weight polyazoles, but especially polybenzimidazoles, are characterized by a high molecular weight, which, measured as
Intrinsische Viskosität, mindestens 1 ,8 dl/g, bevorzugt mindestens 2,0dl/g, Intrinsic viscosity, at least 1.8 dl / g, preferably at least 2.0 dl / g,
insbesondere bevorzugt mindestens 2,5 dl/g beträgt. Die Obergrenze beträgt liegt vorzugsweise bei maximal 8,0 dl/g, besonders bevorzugt bei maximal 6,8 dl/g, insbesondere bevorzugt bei maximal 6,5 dl/g. Das Molekulargewicht liegt somit deutlich über der des handelsüblichen Polybenzimidazols (IV < 1 ,1 dl/g). particularly preferably at least 2.5 dl / g. The upper limit is preferably not more than 8.0 dl / g, more preferably not more than 6.8 dl / g, particularly preferably not more than 6.5 dl / g. The molecular weight is thus significantly higher than that of commercial polybenzimidazole (IV <1, 1 dl / g).
Die Bestimmung der Intrinsischen Viskosität erfolgt wie nachfolgend beschrieben: Hierzu wird das Polymer zunächst bei 1600C während 2h getrocknet. 100 mg des so getrockneten Polymers werden dann während 4h bei 800C in 100 ml von The determination of the intrinsic viscosity is carried out as described below: For this purpose, the polymer is first dried at 160 ° C. for 2 hours. 100 mg of the polymer thus dried are then heated for 4 h at 80 0 C in 100 ml of
konzentrierter Schwefelsäure (min. 96 Gew.%) gelöst. Die inhärente bzw. concentrated sulfuric acid (at least 96% by weight). The inherent or
intrinsische Viskosität wird aus dieser Lösung gemäß ISO 3105 (DIN 51562, ASTM D2515) mit einem Ubbelhode Viskosimeter bei einer Temperatur von 25°C ermittelt. intrinsic viscosity is determined from this solution according to ISO 3105 (DIN 51562, ASTM D2515) with an Ubbelhode viscometer at a temperature of 25 ° C.
Insofern die Mischung gemäß Schritt A) auch Tricarbonsäuren bzw. Insofar as the mixture according to step A) also tricarboxylic acids or
Tetracarbonsäure enthält, wird hierdurch eine Verzweigung/ Vernetzung des gebildeten Polymeren entlang der Hauptkette erzielt. Diese trägt zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaft bei. Containing tetracarboxylic acid, thereby a branching / crosslinking of the polymer formed along the main chain is achieved. This contributes to the improvement of the mechanical property.
In einer Variante des Verfahrens kann durch Erwärmen der Mischung aus Schritt A) auf Temperaturen von bis zu 3500C, vorzugsweise bis zu 2800C, bereits die Bildung von Oligomeren und/oder Polymeren bewirkt werden. In Abhängigkeit von der gewählten Temperatur und Dauer, kann anschließend auf die Erwärmung in Schritt C) teilweise oder gänzlich verzichtet werden. Auch diese Variante ist zur Herstellung der für Schritt a) benötigen Filme, umfassend vorzugsweise hochmolekulare In a variant of the process, by heating the mixture from step A) to temperatures of up to 350 ° C., preferably up to 280 ° C., the formation of oligomers and / or polymers can already be effected. Depending on the selected temperature and duration, subsequent to the heating in step C) be waived partially or completely. This variant is also suitable for producing the films required for step a), preferably comprising high molecular weight
Polyazole, geeignet. Polyazoles, suitable.
Es hat sich weiterhin gezeigt, dass bei Verwendung von aromatischen It has also been shown that when using aromatic
Dicarbonsäuren (oder heteroaromatischen Dicarbonsäuren) wie Isophthalsäure, Terephthalsäure, 2,5-Dihydroxyterephthalsäure, 4,6-Dihydroxyisophthalsäure, 2,6- Dihydroxyisophthalsäure, Diphensäure, 1 ,8-Dihydroxynaphthalin-3,6-dicarbonsäure, Diphenylether-4,4'-Dicarbonsäure, Benzophenon-4,4'-dicarbonsäure, Dicarboxylic acids (or heteroaromatic dicarboxylic acids) such as isophthalic acid, terephthalic acid, 2,5-dihydroxyterephthalic acid, 4,6-dihydroxyisophthalic acid, 2,6-dihydroxyisophthalic acid, diphenic acid, 1,8-dihydroxynaphthalene-3,6-dicarboxylic acid, diphenyl ether-4,4'- Dicarboxylic acid, benzophenone-4,4'-dicarboxylic acid,
Diphenylsulfon-4,4'-dicarbonsäure, Biphenyl-4,4'-dicarbonsäure, 4- Trifluoromethylphthalsäure, Pyridin-2,5-dicarbonsäure, Pyridin-3,5-dicarbonsäure, Pyridin-2,6-dicarbonsäure, Pyridin-2,4-dicarbonsäure, 4-Phenyl-2,5- pyridindicarbonsäure, 3,5-Pyrazoldicarbonsäure, 2,6-Pyrimidindicarbonsäure, 2,5- Pyrazindicarbonsäure, die Temperatur in Schritt C) - oder falls die Bildung von Oligomeren und/oder Polymeren bereits in Schritt A) gewünscht wird - im Bereich von bis zu 3000C, vorzugsweise zwischen 1000C und 2500C, günstig ist. Diphenylsulfone-4,4'-dicarboxylic acid, biphenyl-4,4'-dicarboxylic acid, 4-trifluoromethylphthalic acid, pyridine-2,5-dicarboxylic acid, pyridine-3,5-dicarboxylic acid, pyridine-2,6-dicarboxylic acid, pyridine-2, 4-dicarboxylic acid, 4-phenyl-2,5-pyridinedicarboxylic acid, 3,5-pyrazoldicarboxylic acid, 2,6-pyrimidinedicarboxylic acid, 2,5-pyrazinedicarboxylic acid, the temperature in step C) - or if the formation of oligomers and / or polymers already in step A) is desired - in the range of up to 300 0 C, preferably between 100 0 C and 250 0 C, is favorable.
Die Behandlung der gemäß Schritt C) erzeugten Polymerschicht zur Herstellung des für Schritt b) benötigen Films kann auf mehreren Wegen erfolgen. The treatment of the polymer layer produced according to step C) to produce the film required for step b) can be carried out in several ways.
In einer Variante (Variante A) wird die vorhandene Polyphosphorsäure bzw. In a variant (variant A), the existing polyphosphoric acid or
Phosphorsäure in der Membran belassen, da sie in der weiteren Verarbeitung nicht stört. In diesem Fall erfolgt die Behandlung der gemäß Schritt C) erzeugten Leave phosphoric acid in the membrane, as it does not interfere with further processing. In this case, the treatment of the generated according to step C)
Polymerschicht erfolgt in Gegenwart von Feuchtigkeit bei Temperaturen und für eine Dauer ausreichend bis die Schicht eine ausreichende Festigkeit für den Polymer layer takes place in the presence of moisture at temperatures and for a sufficient time until the layer has sufficient strength for the
beabsichtigten Einsatzzweck besitzt. Die Behandlung kann soweit erfolgen, dass die Membran selbsttragend ist, so dass sie ohne Beschädigung vom Träger abgelöst werden kann (Schritt E). Die Schritte D) und E) können auch simultan bzw. kurz aufeinander erfolgen. Des Weiteren ist es möglich die Schritte D) und E) mit den Maßnahmen der Schritte b), c) und ggf. d) zu verbinden. So kann beispielsweise die Hydrolyse in Schritt D) durch Behandlung der gemäß Schritt C) gebildeten intended use. The treatment can be carried out so far that the membrane is self-supporting, so that it can be detached from the carrier without damage (step E). The steps D) and E) can also take place simultaneously or briefly on each other. Furthermore, it is possible to combine steps D) and E) with the measures of steps b), c) and if necessary d). Thus, for example, the hydrolysis in step D) by treatment of the formed in step C)
Polymerfolie mit der Lösung umfassend (i) mindestens eine starke Säure und (ii) mindestens ein Stabilisierungs-Reagenz, insbesondere mindestens einem Polymer film with the solution comprising (i) at least one strong acid and (ii) at least one stabilizing reagent, in particular at least one
Verbrückungs- und/oder Vernetzungs-Reagenz, erfolgen, wobei der Gesamtgehalt an Stabilisierungs-Reagenz in der Lösung im Bereich 0,01 bis 30 Gew.-% beträgt und wobei die Gesamtmenge an Stabilisierung-Reagenzien bezogen auf das im Film vorhandene Polyazol vorzugsweise im Bereich von 0,01 bis 100 Mol-% liegt. Die Durchführung der Stabilisierungs-Reaktion gemäß Schritt c) kann mit einer thermischen Trocknung bzw. Aufkonzentrierung der vorhandenen Säure kombiniert werden. Bridging and / or cross-linking reagent, wherein the total content of stabilizing reagent in the solution in the range 0.01 to 30 wt .-% and wherein the total amount of stabilizing reagents based on the film present in the polyazole preferably in Range from 0.01 to 100 mol%. The implementation of the stabilization reaction according to step c) can with a thermal drying or concentration of the existing acid can be combined.
Die Behandlung der Polymerfolie in Schritt D) erfolgt bei Temperaturen oberhalb 00C und kleiner 1500C, vorzugsweise bei Temperaturen zwischen 100C und 1200C, insbesondere zwischen Raumtemperatur (200C) und 900C, in Gegenwart von The treatment of the polymer film in step D) is carried out at temperatures above 0 0 C and below 150 0 C, preferably at temperatures between 10 0 C and 120 0 C, in particular between room temperature (20 0 C) and 90 0 C, in the presence of
Feuchtigkeit bzw. Wasser und/oder Wasserdampf bzw. und/oder wasserenthaltende Phosphorsäure von bis zu 85%. Die Behandlung erfolgt vorzugsweise unter Moisture or water and / or water vapor and / or water-containing phosphoric acid of up to 85%. The treatment is preferably carried out under
Normaldruck, kann aber auch unter Einwirkung von Druck erfolgen. Wesentlich ist, dass die Behandlung in Gegenwart von ausreichender Feuchtigkeit geschieht, wodurch die anwesende Polyphosphorsäure durch partielle Hydrolyse unter Normal pressure, but can also be done under the action of pressure. It is essential that the treatment is carried out in the presence of sufficient moisture, whereby the present polyphosphoric acid by partial hydrolysis
Ausbildung niedermolekularer Polyphosphorsäure und/oder Phosphorsäure zur Verfestigung der Polymerfolie beiträgt. Durch den Hydrolyseschritt bedingt erfolgt ein SoI-GeI Übergang, welcher für die besondere Form der Membran verantwortlich zeichnet. Training low molecular weight polyphosphoric acid and / or phosphoric acid contributes to the solidification of the polymer film. Due to the hydrolysis step, a SoI-GeI transition takes place, which is responsible for the particular shape of the membrane.
Die partielle Hydrolyse der Polyphosphorsäure in Schritt D) führt zu einer The partial hydrolysis of the polyphosphoric acid in step D) leads to a
Verfestigung der Polymerfolie so dass diese selbsttragend wird und führt weiterhin zu einer Abnahme der Schichtdicke. Solidification of the polymer film so that it becomes self-supporting and further leads to a decrease in the layer thickness.
Die in der Polyphosphorsäureschicht gemäß Schritt B) vorliegenden intra- und intermolekularen Strukturen führen in Schritt C) zu einer geordneten The intra- and intermolecular structures present in the polyphosphoric acid layer according to step B) lead to an ordered one in step C)
Membranbildung, welche für die guten Eigenschaften der gebildeten Polymerfolie verantwortlich zeichnet. Membrane formation, which is responsible for the good properties of the polymer film formed.
Die obere Temperaturgrenze der Behandlung gemäß Schritt D) beträgt in der Regel 1800C. Bei extrem kurzer Einwirkung von Feuchtigkeit, beispielsweise von extrem überhitztem Dampf kann dieser Dampf auch heißer sein. Wesentlich für die The upper temperature limit of the treatment according to step D) is generally 180 ° C. In the case of extremely short exposure to moisture, for example extremely superheated steam, this steam may also be hotter. Essential for the
Temperaturobergrenze ist die Dauer der Behandlung. Upper temperature limit is the duration of the treatment.
Die partielle Hydrolyse (Schritt D) kann auch in Klimakammern erfolgen bei der unter definierter Feuchtigkeitseinwirkung die Hydrolyse gezielt gesteuert werden kann. Hierbei kann die Feuchtigkeit durch die Temperatur bzw. Sättigung der The partial hydrolysis (step D) can also be carried out in climatic chambers in which the hydrolysis can be controlled in a controlled manner under defined action of moisture. Here, the moisture by the temperature or saturation of the
kontaktierenden Umgebung beispielsweise Gase wie Luft, Stickstoff, Kohlendioxid oder andere geeignete Gase, oder Wasserdampf gezielt eingestellt werden. Die Behandlungsdauer ist abhängig von den vorstehend gewählten Parametern. contacting environment such as gases such as air, nitrogen, carbon dioxide or other suitable gases, or steam can be adjusted specifically. The duration of treatment depends on the parameters selected above.
Weiterhin ist die Behandlungsdauer der Membran von deren Dicke abhängig. In der Regel beträgt die Behandlungsdauer zwischen wenigen Sekunden bis Furthermore, the treatment duration of the membrane depends on its thickness. As a rule, the treatment duration is between a few seconds to
Minuten, beispielsweise unter Einwirkung von überhitztem Wasserdampf, oder bis hin zu ganzen Tagen, beispielsweise an der Luft bei Raumtemperatur und geringer relativer Luftfeuchtigkeit. Bevorzugt beträgt die Behandlungsdauer zwischen 10 Sekunden und 300 Stunden, insbesondere 1 Minute bis 200 Stunden. Minutes, for example under the action of superheated steam, or up to whole days, for example in air at room temperature and low relative humidity. The treatment time is preferably between 10 seconds and 300 hours, in particular 1 minute to 200 hours.
Wird die partielle Hydrolyse bei Raumtemperatur (20°C) mit Umgebungsluft einer relativen Luftfeuchtigkeit von 40-80% durchgeführt beträgt die Behandlungsdauer zwischen 1 und 200 Stunden. If the partial hydrolysis is carried out at room temperature (20 ° C.) with ambient air having a relative humidity of 40-80%, the treatment duration is between 1 and 200 hours.
Die gemäß Schritt D) erhaltene Polymerfolie ist vorzugsweise selbsttragend ausgebildet, d.h. sie kann gemäß Schritt E) vom Träger ohne Beschädigung gelöst und anschließend gegebenenfalls direkt weiterverarbeitet werden. The polymer film obtained according to step D) is preferably self-supporting, i. it can be released from the carrier without damage according to step E) and then optionally further processed directly.
Insofern die gemäß Schritt C) erhaltene Polymerfolie auf dem Träger In this respect, the polymer film obtained according to step C) on the support
weiterverarbeitet wird, beispielsweise zu einer Kompositmembran, kann auf Schritt D) ganz oder teilweise verzichtet werden. is further processed, for example, to a composite membrane, step D) can be waived in whole or in part.
Insofern die nach Schritt C) vorhandene Polyphosphorsäure bzw. Phosphorsäure in der Membran belassen wird (Variante A) kann die Behandlung des Films in Schritt b) in einem Hydrolysebad analog zu Schritt D) durchgeführt werden. Hierbei wird die in der Membran vorhandene Polyphosphorsäure bzw. Phosphorsäure ganz oder zumindest teilweise durch die Lösung umfassend (i) mindestens eine starke Säure und (ii) mindestens ein Stabilisierungs-Reagenz, insbesondere mindestens einem Verbrückungs- und/oder Vernetzungs-Reagenz, ersetzt. Die Durchführung der Stabilisierungsreaktion gemäß Schritt c) kann in dem Hydrolysebad oder danach, vorzugsweise unmittelbar danach, erfolgen. Je nach Stabilität der Membran kann die Behandlung im Hydrolysebad auf einem Träger erfolgen oder aber der Träger bereits zuvor entfernt werden, so dass Schritt E) ggf. entfallen kann bzw. Insofar as the polyphosphoric acid or phosphoric acid present after step C) is left in the membrane (variant A), the treatment of the film in step b) can be carried out in a hydrolysis bath analogously to step D). In this case, the polyphosphoric acid or phosphoric acid present in the membrane is completely or at least partially replaced by the solution comprising (i) at least one strong acid and (ii) at least one stabilizing reagent, in particular at least one bridging and / or cross-linking reagent. The stabilization reaction according to step c) can be carried out in the hydrolysis bath or afterwards, preferably immediately thereafter. Depending on the stability of the membrane, the treatment can be carried out in a hydrolysis bath on a carrier or else the carrier can already be removed beforehand, so that step E) can possibly be omitted or
vorgezogen wird. is preferred.
Auch diese Variante ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung. This variant is also the subject of the present invention.
In einer weiteren Variante (Variante B) wird die vorhandene Polyphosphorsäure bzw. Phosphorsäure aus der Membran entfernt. Hierzu erfolgt die Behandlung der gemäß Schritt C) erzeugten Polymerschicht erfolgt in Gegenwart von Feuchtigkeit bei Temperaturen und für eine Dauer ausreichend bis die Schicht eine ausreichende Festigkeit für die weitere Handhabung aufweist. Somit kann die Hydrolyse in Schritt D) und das Ablösen in Schritt E) auch simultan erfolgen. Diese Vereinfachung der Hydrolyse ist insbesondere dann möglich, wenn die vorhandene Polyphosphorsäure bzw. Phosphorsäure komplett entfernt werden soll und nicht für die Behandlung in Schritt b) zugegen sein braucht, da eine frische Lösung umfassend eine starke Säure später erneut in Schritt b) zugeführt wird. In a further variant (variant B), the existing polyphosphoric acid or phosphoric acid is removed from the membrane. For this purpose, the treatment of the polymer layer produced according to step C) takes place in the presence of moisture at temperatures and for a sufficient time until the layer has sufficient strength for further handling. Thus, the hydrolysis in step D) and the detachment in step E) can also take place simultaneously. This simplification of Hydrolysis is particularly possible if the existing polyphosphoric acid or phosphoric acid is to be completely removed and need not be present for the treatment in step b), since a fresh solution comprising a strong acid is fed again later in step b).
Insofern die noch in der Polymerfolie enthaltene Polyphosphorsäure bzw. Insofar as the still contained in the polymer film polyphosphoric acid or
Phosphorsäure gemäß Schritt F) entfernt werden soll, kann dies mittels einer Behandlungs-Flüssigkeit im Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur (200C) und der Siedetemperatur der Behandlungs-Flüssigkeit (bei Normaldruck) erfolgen. Phosphoric acid according to step F) to be removed, this can be done by means of a treatment liquid in the temperature range between room temperature (20 0 C) and the boiling temperature of the treatment liquid (at atmospheric pressure).
Als Behandlungs-Flüssigkeit im Sinne der Erfindung und im Sinne von Schritt F) werden bei Raumtemperatur [d.h. 200C] flüssig vorliegende Lösungsmittel ausgewählt aus der Gruppe der Alkohole, Ketone, Alkane (aliphatische und cycloaliphatische), Ether (aliphatische und cycloaliphatische), Glykole, Ester, Carbonsäuren, wobei die vorstehenden Gruppenmitglieder halogeniert sein können, Wasser und Gemische derselben eingesetzt. As a treatment liquid in the sense of the invention and in the sense of step F) are present at room temperature [ie 20 0 C] liquid present solvent selected from the group of alcohols, ketones, alkanes (aliphatic and cycloaliphatic), ethers (aliphatic and cycloaliphatic), Glycols, esters, carboxylic acids, wherein the above group members may be halogenated, water and mixtures thereof used.
Vorzugsweise werden C1 -C10 Alkohole, C2-C5 Ketone, C1 -C10-Alkane Preferably, C 1 -C 10 alcohols, C 2 -C 5 ketones, C 1 -C 10 alkanes
(aliphatische und cycloaliphatische), C2-C6-Ether (aliphatische und (aliphatic and cycloaliphatic), C2-C6 ethers (aliphatic and
cycloaliphatische), C2-C5 Ester, C1 -C3 Carbonsäuren, Dichlormethan, Wasser und Gemische derselben eingesetzt. cycloaliphatic), C2-C5 esters, C1-C3 carboxylic acids, dichloromethane, water and mixtures thereof.
Nachfolgend wird die in Schritt F) eingeschleuste Behandlungs-Flüssigkeit wieder entfernt. Dies erfolgt, vorzugsweise durch Trocknung, wobei die Parameter Subsequently, the introduced in step F) treatment liquid is removed again. This is done, preferably by drying, the parameters
Temperatur und der Umgebungsdruck in Abhängigkeit vom Partial-Dampfdruck der Behandlungs-Flüssigkeit gewählt werden. Üblicherweise erfolgt die Trocknung bei Normaldruck und Temperaturen zwischen 200C und 2000C. Eine schonendere Trocknung kann auch im Vakuum erfolgen. Anstelle der Trocknung kann in die Membran auch abgetupft und somit von überschüssiger Behandlungs-Flüssigkeit befreit werden. Die Reihenfolge ist unkritisch. Temperature and the ambient pressure depending on the partial vapor pressure of the treatment liquid can be selected. Usually, the drying is carried out at atmospheric pressure and temperatures between 20 0 C and 200 0 C. A gentler drying can also be done in vacuo. Instead of drying can also be blotted into the membrane and thus be freed of excess treatment liquid. The order is not critical.
Die Herstellung des Films umfassend Polyazole kann auch mittels Variation der vorstehenden Methode erfolgen. Hierbei werden folgende Schritte durchgeführt: i) Umsetzung von einem oder mehreren aromatischen Tetra-Amino-The preparation of the film comprising polyazoles can also be carried out by varying the above method. The following steps are carried out: i) reaction of one or more aromatic tetra-amino acids
Verbindungen mit einer oder mehreren aromatischen Carbonsäuren bzw. deren Estern, die mindestens zwei Säuregruppen pro Carbonsäure-Monomer enthalten, oder von einer oder mehreren aromatischen und/oder Compounds with one or more aromatic carboxylic acids or their esters which contain at least two acid groups per carboxylic acid monomer, or of one or more aromatic and / or
heteroaromatischen Diaminocarbonsäuren in der Schmelze bei Temperaturen von bis zu 3500C1 vorzugsweise bis zu 3000C, ii) Lösen des gemäß Schritt i) erhaltenen festen Prä-Polymeren in heteroaromatic diaminocarboxylic acids in the melt at temperatures of up to 350 0 C 1 is preferably up to 300 0 C, ii) dissolving the solid prepolymer obtained in step i) in
Polyphosphorsäure,  polyphosphoric
iii) Erwärmen der Lösung erhältlich gemäß Schritt ii) unter Inertgas auf iii) heating the solution obtainable according to step ii) under inert gas
Temperaturen von bis zu 300°C, vorzugsweise bis zu 2800C unter Ausbildung des gelösten Polyazol-Polymeren . Temperatures of up to 300 ° C, preferably up to 280 0 C to form the dissolved polyazole polymer.
iv) Bilden einer Membran unter Verwendung der Lösung des Polyazol-Polymeren gemäß Schritt iii) auf einem Träger und iv) forming a membrane using the solution of the polyazole polymer according to step iii) on a support and
v) Behandlung der in Schritt iv) gebildeten Membran bis diese selbsttragend ist. v) treatment of the membrane formed in step iv) until it is self-supporting.
Neben der vorstehenden Variation kann die Bildung auch durch die nachfolgenden Schritte: In addition to the above variation, formation can also be achieved by the following steps:
I) Lösen von Polymeren, insbesondere Polyazolen in Polyphosphorsäure, I) dissolving polymers, in particular polyazoles in polyphosphoric acid,
II) Erwärmen der Lösung erhältlich gemäß Schritt I) unter Inertgas auf II) heating the solution obtainable according to step I) under inert gas
Temperaturen von bis zu 4000C, Temperatures of up to 400 0 C,
III) Bilden einer Membran unter Verwendung der Lösung des Polymeren gemäß Schritt II) auf einem Träger und  III) forming a membrane using the solution of the polymer according to step II) on a support and
IV) Behandlung der in Schritt III) gebildeten Membran bis diese selbsttragend ist.  IV) treatment of the membrane formed in step III) until it is self-supporting.
Bei beiden Variationen erfolgt nach dem Schritt v) bzw. IV) noch die Schritte E) und F), wobei auch beide Varianten A) und B) möglich sind. In both variations, steps E) and F) are still carried out after steps v) and IV), whereby both variants A) and B) are also possible.
Die bevorzugten Ausführungsformen der jeweilig genannten Rohstoffe und Prozessparameter sind bereits zu den Schritten A), B), C) und D) angegeben und haben auch für diese Variante Gültigkeit. The preferred embodiments of the respective named raw materials and process parameters are already given in steps A), B), C) and D) and are also valid for this variant.
Film umfassend Polyazole und weitere Blendkomponenten Film comprising polyazoles and other blend components
Neben den vorstehend genannten vorzugsweise hochmolekularen Polyazol kann auch ein Blend aus einem oder mehreren vorzugsweise hochmolekularen  In addition to the above-mentioned preferably high molecular weight polyazole may also be a blend of one or more, preferably high molecular weight
Polyazolen mit einem weiteren Polymer eingesetzt werden. Die Blendkomponente hat dabei im Wesentlichen die Aufgabe die mechanischen Eigenschaften zu verbessern und die Materialkosten zu verringern. Eine bevorzugte Blendkomponente ist dabei Polyethersulfon wie in der deutschen Patentanmeldung Nr. 10052242.4 beschrieben. Polyazoles be used with another polymer. The blend component essentially has the task of improving the mechanical properties and reducing the material costs. A preferred blend component is polyethersulfone as described in German Patent Application No. 10052242.4.
Zu den bevorzugten Polymeren, die als Blendkomponente eingesetzt werden können, gehören unter anderem Polyolefine, wie Poly(chloropren), Polyacetylen, Polyphenylen, Poly(p-xylylen), Polyarylmethylen, Polyarmethylen, Polystyrol, Polymethylstyrol, Polyvinylalkohol, Polyvinylacetat, Polyvinylether, Polyvinylamin, Poly(N-vinylacetamid), Polyvinylimidazol, Polyvinylcarbazol, Polyvinylpyrrolidon, Polyvinylpyridin, Polyvinylchlorid, Polyvinylidenchlorid, Polytetrafluorethylen, Among the preferred polymers which can be used as a blend component include polyolefins such as poly (chloroprene), polyacetylene, polyphenylene, poly (p-xylylene), polyarylmethylene, polyarmethylene, polystyrene, polymethylstyrene, polyvinyl alcohol, polyvinyl acetate, polyvinyl ether, polyvinylamine, Poly (N-vinylacetamide), polyvinylimidazole, polyvinylcarbazole, polyvinylpyrrolidone, Polyvinylpyridine, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polytetrafluoroethylene,
Polyhexafluorpropylen, Copolymere von PTFE mit Hexafluoropropylen, mit  Polyhexafluoropropylene, copolymers of PTFE with hexafluoropropylene, with
Perfluorpropylvinylether, mit Trifluoronitrosomethan, mit Sulfonylfluoridvinylether, mit Perfluoropropyl vinyl ether, with trifluoronitrosomethane, with sulfonyl fluoride vinyl ether, with
Carbalkoxy-perfluoralkoxyvinylether, Polychlortrifluorethylen, Polyvinylfluorid,Carbalkoxy perfluoroalkoxy vinyl ether, polychlorotrifluoroethylene, polyvinyl fluoride,
Polyvinylidenfluorid, Polyacrolein, Polyacrylamid, Polyacrylnitril, Polycyanacrylate,Polyvinylidene fluoride, polyacrolein, polyacrylamide, polyacrylonitrile, polycyanoacrylates,
Polymethacrylimid, cycloolefinische Copolymere, insbesondere aus Norbomen; Polymethacrylimide, cycloolefinic copolymers, in particular from norbornene;
Polymere mit C-O-Bindungen in der Hauptkette, beispielsweise  Polymers with C-O bonds in the main chain, for example
Polyacetal, Polyoxymethylen, Polyether, Polypropylenoxid, Polyepichlorhydrin, Polyacetal, polyoxymethylene, polyether, polypropylene oxide, polyepichlorohydrin,
Polytetrahydrofuran, Polyphenylenoxid, Polyetherketon, Polyester, insbesonderePolytetrahydrofuran, polyphenylene oxide, polyether ketone, polyester, in particular
Polyhydroxyessigsäure, Polyethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat, Polyhydroxyacetic acid, polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate,
Polyhydroxybenzoat, Polyhydroxypropionsäure, Polypivalolacton, Polycaprolacton, Polyhydroxybenzoate, polyhydroxypropionic acid, polypivalolactone, polycaprolactone,
Polymalonsäure, Polycarbonat; Polymalonic acid, polycarbonate;
Polymere mit C-S-Bindungen in der Hauptkette, beispielsweise Polysulfidether, Polymers with C-S bonds in the main chain, for example polysulfide ethers,
Polyphenylensulfid, Polyethersulfon; Polyphenylene sulfide, polyethersulfone;
Polymere mit C-N-Bindungen in der Hauptkette, beispielsweise  Polymers with C-N bonds in the main chain, for example
Polyimine, Polyisocyanide.Polyetherimin, Polyanilin, Polyamide, Polyhydrazide, Polyimines, polyisocyanides, polyetherimine, polyaniline, polyamides, polyhydrazides,
Polyurethane, Polyimide, Polyazole, Polyazine; Polyurethanes, polyimides, polyazoles, polyazines;
Flüssigkristalline Polymere, insbesondere Vectra sowie  Liquid crystalline polymers, especially Vectra and
Anorganische Polymere, beispielsweise Polysilane, Polycarbosilane, Polysiloxane, Inorganic polymers, for example polysilanes, polycarbosilanes, polysiloxanes,
Polykieselsäure, Polysilikate, Silicone, Polyphosphazene und Polythiazyl. Polysilicic acid, polysilicates, silicones, polyphosphazenes and polythiazyl.
Zur Anwendung in Brennstoffzellen mit einer Dauergebrauchstemperatur oberhalb 1000C werden solche Blend-Polymere bevorzugt, die eine Glasübergangstemperatur oder Vicat-Erweichungstemperatur VST/A/50 von mindestens 1000C, bevorzugt mindestens 1500C und ganz besonders bevorzugt mindestens 1800C haben. Hierbei sind Polysulfone mit einer Vicat-Erweichungstemperatur VST/A/50 von 1800C bis 2300C bevorzugt. For use in fuel cells having a continuous use temperature above 100 ° C., preference is given to those blend polymers which have a glass transition temperature or Vicat softening temperature VST / A / 50 of at least 100 ° C., preferably at least 150 ° C. and very particularly preferably at least 180 ° C. , Here are polysulfones having a Vicat softening temperature VST / A / 50 of 180 0 C to 230 0 C are preferred.
Zu den bevorzugten Polymeren gehören Polysulfone, insbesondere Polysulfon mit Aromaten in der Hauptkette. Gemäß einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung weisen bevorzugte Polysulfone und Polyethersulfone Preferred polymers include polysulfones, especially polysulfone having aromatics in the backbone. According to a particular aspect of the present invention, preferred polysulfones and polyethersulfones
eine Schmelzvolumenrate MVR 300/21 ,6 kleiner oder gleich 40 cm3/ 10 min, insbesondere kleiner oder gleich 30 cm3/ 10 min und besonders bevorzugt kleiner oder gleich 20 cm3/ 10 min gemessen nach ISO 1133 auf. a melt volume rate MVR 300/21, 6 is less than or equal to 40 cm 3/10 min, especially less than or equal to 30 cm 3/10 min and particularly preferably less than or equal to 20 cm 3/10 min measured in accordance with ISO 1133rd
Film umfassend Polyazole und weitere Zusatzstoffe (Additive) Film comprising polyazoles and other additives (additives)
Zur weiteren Verbesserung der späteren anwendungstechnischen Eigenschaften kann dem vorzugsweise hochmolekularen Polyazolfilm bzw. der säurehaltigen Polyazol-Membran noch weitere Füllstoffe, insbesondere protonenleitende Füllstoffe, zugesetzt werden. To further improve the later performance characteristics of the preferably high molecular weight polyazole film or the acidic Polyazole membrane even more fillers, especially proton-conductive fillers are added.
Nicht limitierende Beispiele für Protonenleitende Füllstoffe sind Non-limiting examples of proton-conductive fillers are
Sulfate wie: CsHSO4, Fe(SO4)2, (NH4)3H(SO4)2, LiHSO4, NaHSO4, KHSO4, Sulfates such as: CsHSO 4 , Fe (SO 4 ) 2 , (NH 4 ) 3 H (SO 4 ) 2, LiHSO 4 , NaHSO 4 , KHSO 4 ,
RbSO4, LiN2H5SO4, NH4HSO4, RbSO 4 , LiN 2 H 5 SO 4 , NH 4 HSO 4 ,
Phosphate wie Zr3(PO4)4, Zr(HPO4)2, HZr2(PO4)3, UO2PO4.3H2O, H8UO2PO4, Phosphates such as Zr 3 (PO 4 ) 4 , Zr (HPO 4 ) 2 , HZr 2 (PO 4 ) 3 , UO 2 PO 4 .3H 2 O, H 8 UO 2 PO 4 ,
Ce(HPO4)2, Ti(HPO4)2, KH2PO4, NaH2PO4, LiH2PO4, NH4H2PO4, CsH2PO4, CaHPO4, MgHPO4, HSbP2O8, HSb3P2Oi4, H5Sb5P2O20,Ce (HPO 4 ) 2 , Ti (HPO 4 ) 2 , KH 2 PO 4 , NaH 2 PO 4 , LiH 2 PO 4 , NH 4 H 2 PO 4 , CsH 2 PO 4 , CaHPO 4 , MgHPO 4 , HSbP 2 O 8 , HSb 3 P 2 Oi 4 , H 5 Sb 5 P 2 O 20 ,
Polysäure wie H3PW12O40.n H2O (n=21 -29), H3SiW12O40.nH2O (n=21 -29), HxWO3, Polyacid such as H 3 PW 12 O 40 .n H 2 O (n = 21-29), H 3 SiW 12 O 40 .nH 2 O (n = 21-29), H x WO 3 ,
HSbWO6, H3PMo12O40, H2Sb4O11, HTaWO6, HNbO3, HTiNbO5, HTiTaO5, HSbTeO6, H5Ti4O9, HSbO3, H2MoO4 HSbWO 6 , H 3 PMo 12 O 40 , H 2 Sb 4 O 11 , HTaWO 6 , HNbO 3 , HTiNbO 5 , HTiTaO 5 , HSbTeO 6 , H 5 Ti 4 O 9 , HSbO 3 , H 2 MoO 4
Selenite und Arsenide wie (NH4)3H(SeO4)2, UO2AsO4, (NH4)3H(SeO4)2, KH2AsO4, Selenites and arsenides such as (NH 4 ) 3 H (SeO 4 ) 2 , UO 2 AsO 4 , (NH 4 ) 3 H (SeO 4 ) 2 , KH 2 AsO 4 ,
Cs3H(SeO4)2, Rb3H(SeO4)2, Cs 3 H (SeO 4 ) 2 , Rb 3 H (SeO 4 ) 2 ,
Phosphide wie ZrP, TiP, HfP  Phosphides such as ZrP, TiP, HfP
Oxide wie AI2O3, Sb2O5, ThO2, SnO2, ZrO2, MoO3 Oxides such as Al 2 O 3 , Sb 2 O 5 , ThO 2 , SnO 2 , ZrO 2 , MoO 3
Silikate wie Zeolithe, Zeolithe(NH4+), Schichtsilikate, Gerüstsilikate, H-Natrolite, Silicates such as zeolites, zeolites (NH 4 +), phyllosilicates, framework silicates, H-natrolites,
H-Mordenite, NH4-Analcine, NH4-Sodalite, NH4-Gallate, H- Montmorillonite, andere Kondensationsprodukte der Orthokieselsäure Si(OH)4 sowie deren Salze und Ester, Polysiloxane der allg. Formel H3Si-(O-SiH2-)n-O-SiH3, speziell auch andere H-mordenites, NH 4 -alcines, NH 4 -sodalites, NH 4 -gallates, H-montmorillonites, other condensation products of orthosilicic acid Si (OH) 4 and their salts and esters, polysiloxanes of the general formula H 3 Si (O-) SiH 2 -) n -O-SiH 3 , especially others
Tonmineralien, wie Montmorrillonite, Bertonite, Kaolinite, Pyrophillite, Talkum, Chlorite, Muscovite, Glimmer, Smectite, Halosite,  Clay minerals, such as montmorillonites, bertonites, kaolinites, pyrophillites, talc, chlorites, muscovites, mica, smectites, halosites,
Vermiculite und Hydrotalcite.  Vermiculites and hydrotalcites.
Säuren wie HCIO4, SbF5 Acids such as HCIO 4 , SbF 5
Füllstoffe wie Carbide, insbesondere SiC, Si3N4, Fasern, insbesondere  Fillers such as carbides, in particular SiC, Si3N4, fibers, in particular
Glasfasern, Glaspulvern und/oder Polymerfasern, Vliesse oder Gewebe, bevorzugt auf Basis von Polyazolen und/oder Polyaryletherketonen oder Polyarylethersulfonen, auch teilvernetzt. Die Füllstoffe können auch teilweise oder vollständig, bezogen auf den Aromatenanteil, durch geladene Gruppen modifiziert sein, wobei in diesem Zusammenhang Sulfonsäuregruppen,  Glass fibers, glass powders and / or polymer fibers, fleece or fabric, preferably based on polyazoles and / or polyaryletherketones or polyarylethersulfones, also partially crosslinked. The fillers may also be partially or completely modified, based on the aromatic fraction, by charged groups, in which connection sulphonic acid groups,
Phosphonsäuregruppen, Phosphatgruppen oder andere anionische oder kationische geladene Gruppen besonders geeignet sind.  Phosphonic acid groups, phosphate groups or other anionic or cationic charged groups are particularly suitable.
Diese Additive können in der protonenleitenden Polymermembran in üblichen These additives can be used in the proton-conducting polymer membrane in conventional
Mengen enthalten sein, wobei jedoch die positiven Eigenschaften, wie hohe However, the positive properties, such as high
Leitfähigkeit, hohe Lebensdauer und hohe mechanische Stabilität der Membran durch Zugabe von zu großen Mengen an Additiven nicht allzu stark beeinträchtigt werden sollten. Im Allgemeinen umfasst die Membran höchstens 80 Gew.-%, vorzugsweise höchstens 50 Gew.-% und besonders bevorzugt höchstens 20 Conductivity, long life and high mechanical stability of the membrane are not affected too much by the addition of too large amounts of additives should be. In general, the membrane comprises at most 80% by weight, preferably at most 50% by weight and more preferably at most 20%
Gew.-% Additive. Die Additive können dabei in verschiedenen Partikelformen und Teilchengrößen oder auch Mischungen vorliegen, besonders bevorzugt jedoch in Form von nano-Partikeln (Teilchen mit einer Größe von 1 bis 100 nm). % By weight of additives. The additives may be present in different particle shapes and particle sizes or even mixtures, but more preferably in the form of nano-particles (particles with a size of 1 to 100 nm).
Vernetzunqslösunq und Reaktion Crosslinking Solution and Reaction
Die Behandlung des Films umfassend vorzugsweise hochmolekulare Polyazole mit einer Lösung umfassend (i) mindestens eine starke Säure und (ii) mindestens ein Stabilisierungsreagenz, vorzugsweise mindestens einem Verbrϋckungs- und/oder Vernetzungsreagenz, erfolgt in Schritt b).  The treatment of the film comprising preferably high molecular weight polyazoles with a solution comprising (i) at least one strong acid and (ii) at least one stabilizing reagent, preferably at least one bridging and / or cross-linking reagent, takes place in step b).
Bei dem erfindungsgemäß eingesetzten Stabilisierungsreagenz, insbesondere dem Verbrückungs- und/oder Vernetzungsreagenzien, handelt es sich eine Verbindung mit einer funktionellen Gruppe, die zu einer Reaktion mit dem Polyazol, The stabilizing reagent used according to the invention, in particular the bridging and / or crosslinking reagents, is a compound having a functional group which reacts with the polyazole,
insbesondere mit der vorhandenen Aminogruppe des Polyazols befähigt ist und reagieren kann. Insofern das Stabilisierungsreagenz ein Verbrückungsreagenz ist, so weist dieses vorzugsweise mindestens zwei - zur Umsetzung mit dem Polyazol, insbesondere mit der Aminogruppe befähigte - funktionelle Gruppen im Molekül auf. Ferner handelt es sich hierbei um eine organische Verbindung. in particular is capable of reacting with the existing amino group of the polyazole. Insofar as the stabilizing reagent is a bridging reagent, it preferably has at least two functional groups in the molecule which are capable of reacting with the polyazole, in particular with the amino group. Furthermore, this is an organic compound.
Insofern das Stabilisierungsreagenz ein Vernetzungsreagenz ist, so weist dieses vorzugsweise mindestens drei - zur Umsetzung mit dem Polyazol, insbesondere mit der Aminogruppe befähigte - funktionelle Gruppen im Molekül auf. Ferner handelt es sich hierbei um eine organische Verbindung. Insofar as the stabilizing reagent is a crosslinking reagent, it preferably has at least three functional groups which are capable of reacting with the polyazole, in particular with the amino group, in the molecule. Furthermore, this is an organic compound.
Die als Stabilisierungsreagenz, insbesondere Verbrückungs- und/oder As a stabilizing reagent, in particular bridging and / or
Vernetzungsreagenz, eingesetzten organischen Verbindungen müssen eine ausreichende Stabilität gegenüber der in der Lösung vorhandenen starken Säure aufweisen. Des Weiteren müssen sie eine ausreichende Löslichkeit in der starken Säure aufweisen. Die Löslichkeit muss somit ausreichend sein, dass die Lösung in Schritt b) in der Lage ist, einen Gesamtgehalt an Stabilisierungs-Reagenz, insbesondere Verbrückungs- und/oder Vernetzungsreagenz, im Bereich von 0,01 bis 30 Gew.-%, vorzugsweise 0,1 bis 25 Gew.-%, bevorzugt 0,5 bis 15 Gew.-%, insbesondere 1 bis 5 Gew.-%, zu enthalten, wobei die Gesamtmenge an Crosslinking reagent, organic compounds used must have sufficient stability against the present in the solution strong acid. Furthermore, they must have sufficient solubility in the strong acid. The solubility must therefore be sufficient for the solution in step b) to be capable of producing a total content of stabilizing reagent, in particular a bridging and / or crosslinking reagent, in the range from 0.01 to 30% by weight, preferably 0, 1 to 25 wt .-%, preferably 0.5 to 15 wt .-%, in particular 1 to 5 wt .-%, to be contained, wherein the total amount of
Stabilisierung-Reagenzien bezogen auf das im Film vorhandene Polyazol vorzugsweise im Bereich von 0,01 bis 100 Mol-%, bevorzugt 10 bis 80 mol-%, insbesondere 15 bis 65 mol-%, liegt. Bei dem erfindungsgemäß eingesetzten Stabilisierungsreagenz handelt es sich um Verbindungen mit einer funktionellen Gruppe, die dem Polyazol, insbesondere mit der vorhandenen Aminogruppe des Polyazols reagieren kann. Bevorzugt werden als Stabilisierungsreagenz Substanzen eingesetzt, die mindestens eine Epoxidgruppe pro Molekül aufweisen. Stabilizing reagents, based on the polyazole present in the film, preferably in the range of 0.01 to 100 mol%, preferably 10 to 80 mol%, in particular 15 to 65 mol%. The stabilizing reagent used according to the invention are compounds having a functional group which can react with the polyazole, in particular with the amino group of the polyazole present. The stabilizing reagent used is preferably substances which have at least one epoxide group per molecule.
Bei den Stabilisierungsreagenzien, die mindestens eine Epoxidgruppe pro Molekül aufweisen, handelt es sich vorzugsweise um organische Verbindungen der Formel (A)
Figure imgf000028_0003
The stabilizing reagents which have at least one epoxide group per molecule are preferably organic compounds of the formula (A)
Figure imgf000028_0003
Weiterhin bevorzugt werden Verbindungen der Formel (B)
Figure imgf000028_0001
Preference is furthermore given to compounds of the formula (B)
Figure imgf000028_0001
bei welchen ein Aldehyd mit einem Epoxid kombiniert ist.  in which an aldehyde is combined with an epoxide.
Darüber hinaus haben sich Verbrückungsreagenzien besonders bewährt, die mindestens zwei Epoxidgruppen, besonders bevorzugt mindestens 3 In addition, bridging reagents which have at least two epoxide groups, more preferably at least 3, have proven particularly useful
Epoxidgruppen, pro Molekül aufweisen und vorzugsweise der Formel (II) genügen  Have epoxide groups, per molecule and preferably satisfy the formula (II)
Figure imgf000028_0002
Figure imgf000028_0002
In den obigen Formeln steht R1 für eine Kohlenwasserstoffgruppe mit 1 bis 30 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise eine geradkettige oder verzweigte In the above formulas, R 1 represents a hydrocarbon group of 1 to 30 carbon atoms, preferably a straight-chain or branched one
Niederalkylengruppe mit 1 bis 30 Kohlenstoffatomen, eine geradkettige oder verzweigte Niederalkoxygruppe mit 1 bis 30 Kohlenstoffatomen oder ein  Lower alkylene group having 1 to 30 carbon atoms, a straight-chain or branched lower alkoxy group having 1 to 30 carbon atoms or a
aromatisches System mit die 4 bis 20 Kohlenstoffatomen, wobei die vorstehend genannten Reste (i) durch eine oder mehrere Nitrogruppen, Sauerstoffatome, Epoxidgruppen oder Arylgruppen substituiert sein können, (ii) bei denen einzelne, nicht benachbarte Kohlenstoffatome durch Heteroatome, insbesondere Stichstoff, Sauerstoff, Phosphor und/oder Schwefel ersetzt sein können, und (iii) bei denen ein oder mehrere Wasserstoffatome, insbesondere in den Epoxidgruppen, durch ein Halogen oder eine Alkyl-, insbesondere eine Niederalkyl-, oder eine Alkoxyl-, insbesondere eine Niederalkoxygruppe, oder Arylgruppe, vorzugsweise eine  aromatic system having 4 to 20 carbon atoms, where the abovementioned radicals (i) may be substituted by one or more nitro groups, oxygen atoms, epoxide groups or aryl groups, (ii) in which individual, non-adjacent carbon atoms are replaced by heteroatoms, in particular nitrogen, oxygen, And (iii) in which one or more hydrogen atoms, in particular in the epoxide groups, are replaced by a halogen or an alkyl, in particular a lower alkyl, or an alkoxyl, in particular a lower alkoxy, or aryl group, preferably one
Arylgruppe mit 4 bis 20 Kohlenstoffatomen, ersetzt bzw. substituiert sein können. Als Arylgruppe im Sinne der vorliegenden Erfindung werden auch Heteroaryle verstanden die 4 bis 20 Kohlenstoffatome aufweisen, insbesondere bevorzugte Aryle sind im einzelnen Phenyl, Napthyl und Indenyl. Aryl group having 4 to 20 carbon atoms, substituted or substituted. Aryl group in the context of the present invention are also understood as meaning heteroaryls having 4 to 20 carbon atoms, in particular preferred aryls being in particular phenyl, naphthyl and indenyl.
Der Begriff Niederalkyl bzw. Niederalkoxy bedeutet eine Alkyl- bzw. Alkoxygruppe mit 1 bis 15 Kohlenstoffatomen. The term lower alkyl or lower alkoxy means an alkyl or alkoxy group having 1 to 15 carbon atoms.
Der Begriff Aryl bzw. Heteroaryl bedeutet ein Aryl bzw. Heteroaryl mit 4 bis 20 The term aryl or heteroaryl means an aryl or heteroaryl of 4 to 20
Kohlenstoffatomen. Die Heteroatome sind üblicherweise aus der Gruppe der Carbon atoms. The heteroatoms are usually from the group of
Sauerstoff-, Stickstoff- und/oder Schwefelatome ausgewählt. Oxygen, nitrogen and / or sulfur atoms selected.
In den Formeln vorhandene Wasserstoffatome, insbesondere in den Epoxidgruppen, können durch ein Halogen oder eine Niederalkylgruppe ersetzt bzw. substituiert sein. Hydrogen atoms present in the formulas, in particular in the epoxide groups, may be replaced or substituted by a halogen or a lower alkyl group.
Beispiele für R1 sind die folgenden Gruppen. Examples of R 1 are the following groups.
In den obigen Formeln sind m, k und I gleich oder verschieden und stehen jeweils für eine ganze Zahl von 1 bis 6. In the above formulas, m, k and I are the same or different and each represents an integer of 1 to 6.
Besonders bevorzugt bei den monofunktionellen Epoxidverbindungen der Formel (A) sind: Particularly preferred in the case of the monofunctional epoxide compounds of the formula (A) are:
Phenol (EO)5 Glycidyl Ether (54140-67-9, Denacol EX-145) und Lauryl Alcohol Phenol (EO) 5 glycidyl ether (54140-67-9, Denacol EX-145) and Lauryl Alcohol
(EO)15 Glycidyl Ether (86630-59-3, Denacol- EX-171 ). (EO) 15 glycidyl ether (86630-59-3, Denacol-EX-171).
Bei den Verbrückungsreagenzien, die mindestens zwei Epoxidgruppen pro Molekül aufweisen, handelt es sich besonders bevorzugt um Resorcinol Diglycidyl Ether (Verbindung Formel IM, Handelsname z. B. Denacol EX-201) The bridging reagents which have at least two epoxide groups per molecule are particularly preferably resorcinol diglycidyl ether (compound formula III, trade name, for example Denacol EX-201)
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Weitere, nicht limitierende Beispiele für bevorzugte Verbindungen, die mindestens zwei Epoxidgruppen enthalten sind u. a.: Further, non-limiting examples of preferred compounds containing at least two epoxide groups u. a .:
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Bei den Vernetzungsreagenzien, die mindestens drei Epoxidgruppen pro Molekül aufweisen, handelt es sich vorzugsweise um organische Verbindung der Formel (III)
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The crosslinking reagents which have at least three epoxide groups per molecule are preferably organic compounds of the formula (III)
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Besonders bevorzugte Verbrückungsreagenzien sind Bis-phenol-A-glycidylether [BPAGDE] und 1 ,4 Butyl-diglycidylether. Particularly preferred bridging reagents are bis-phenol-A-glycidyl ether [BPAGDE] and 1,4-butyl diglycidyl ether.
Weitere vorteilhafte Beispiele für Epoxidkomponenten sind: Further advantageous examples of epoxide components are:
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Die Lösung gemäß Schritt b) enthält erfindungsgemäß 0,01 bis 30 Gew.-% an Stabilisierungs-Reagenz, insbesondere Verbrückungs- und/oder Vernetzungs- Reagenz, wobei die Gesamtmenge an Stabilisierung-Reagenzien bezogen auf das im Film vorhandene Polyazol vorzugsweise im Bereich von 0,01 bis 100 Mol-% liegt.  The solution according to step b) according to the invention contains 0.01 to 30 wt .-% of stabilizing reagent, in particular bridging and / or crosslinking reagent, wherein the total amount of stabilizing reagents based on the polyazole present in the film preferably in the range of 0.01 to 100 mol%.
Ist der Anteil an Verbrückungs- bzw. Vernetzungsreagenz zu niedrig gewählt, so wird die Polymermembran nicht ausreichend stabilisiert, ist der Anteil zu hoch gewählt wird die Membran spröde und die Bruchzähigkeit ist unzureichend. If the proportion of bridging or crosslinking agent chosen too low, the polymer membrane is not sufficiently stabilized, the proportion is too high, the membrane is brittle and the fracture toughness is insufficient.
Die Stabilisierung erfolgt vorzugsweise durch Erwärmen, zweckmäßigerweise unter Inertgas, auf Temperaturen bis 250 0C, bevorzugt auf Temperaturbereiche von 1000C bis 160 0C, günstigerweise für einen Zeitraum von 5 Minuten bis 120 Minuten, bevorzugt 5 Minuten bis 30 Minuten, besonders bevorzugt 10 Minuten. Optional kann der stabilisierte Film bei Temperaturen von 200C bis 80 0C, besonders bevorzugt 60 0C, in einer säurehaltigen Lösung für 10 Minuten bis 60 Minuten nachkonditioniert werden. The stabilization is preferably carried out by heating, advantageously under inert gas, to temperatures of up to 250 ° C., preferably to temperature ranges from 100 ° C. to 160 ° C., conveniently for a period of 5 minutes to 120 minutes, preferably 5 minutes to 30 minutes, more preferably 10 mins. Optionally, the stabilized film at temperatures of 20 0 C to 80 0 C, especially preferably 60 ° C., be postconditioned in an acidic solution for 10 minutes to 60 minutes.
Die Durchführung der Stabilisierungsreaktion, insbesondere der Verbrückung bzw. Vernetzung, gemäß Schritt c) kann auch durch eine Bestrahlung mit The implementation of the stabilization reaction, in particular the bridging or crosslinking, according to step c) can also by irradiation with
elektromagnetischen Wellen (z.B. photochemische Reaktion, IP und/oder UV Bestrahlung), Elektronen oder thermisch erfolgen. Bei einer thermischen electromagnetic waves (e.g., photochemical reaction, IP and / or UV irradiation), electrons, or thermal. In a thermal
Reaktionsführung ist es von Vorteil die Reaktion in einem Temperaturbereich von 200C (Raumtemperatur) bis 2000C durchzuführen. Die Reaktionsdauer beträgt von einigen Minuten bis hin zu mehreren Stunden, je nach Reaktivität des Reagenz. Die Stabilisierungsreaktion kann ein oder mehrstufig durchgeführt werden. Reaction, it is advantageous to carry out the reaction in a temperature range of 20 0 C (room temperature) to 200 0 C. The reaction time is from a few minutes to several hours, depending on the reactivity of the reagent. The stabilization reaction can be carried out in one or more stages.
Die Stabilisierung wird nachfolgend beispielhaft anhand einer Modifikation eines Polybenzimidazols mit einer monofunktionellen Epoxidverbindung sowie anhand einer Verbrückung mit einer Epoxidverbindung der Formel (IIa) mit dem The stabilization is described below by way of example with reference to a modification of a polybenzimidazole with a monofunctional epoxide compound and by means of a bridging with an epoxy compound of the formula (IIa) with the
Polybenzimidazol der Formel (I) schematisch aufgezeigt. Polybenzimidazole of formula (I) shown schematically.
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In den obigen Formeln hat R1 die oben aufgeführte Bedeutung. In the above formulas, R 1 has the meaning given above.
Bei den erfindungsgemäß eingesetzten starken Säure handelt es sich um protische Säuren, bevorzugt um Phosphorsäure und/oder Schwefelsäure. The strong acid used according to the invention are protic acids, preferably phosphoric acid and / or sulfuric acid.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung versteht man unter "Phosphorsäure" Polyphosphorsäure, Phosphonsäure (H3PO3), Orthophosphorsäure (H3PO4), Pyrophosphorsäure (H4P2O7), Triphosphorsäure (H5P3Oio), Metaphosphorsäure sowie Derivate, insbesondere organische Derivate, wie cyclische Organo- Phosphorsäuren, und deren Derivate, wie Säureester. In the context of the present description, "phosphoric acid" is understood as meaning polyphosphoric acid, phosphonic acid (H 3 PO 3 ), orthophosphoric acid (H 3 PO 4 ), pyrophosphoric acid (H 4 P 2 O 7 ), triphosphoric acid (H 5 P 3 Oio), metaphosphoric acid, and the like Derivatives, in particular organic derivatives, such as cyclic organo-phosphoric acids, and their derivatives, such as acid esters.
Die Phosphorsäure, insbesondere Orthophosphorsäure, hat vorzugsweise eine Konzentration von mindestens 80 Gew.-%, besonders bevorzugt eine Konzentration von mindestens 90 Gew.-%, noch weiter bevorzugt eine Konzentration von mindestens 95 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt eine Konzentration von mindestens 98 Gew.-%. Dabei beziehen sich die Angaben auf die effektive  The phosphoric acid, in particular orthophosphoric acid, preferably has a concentration of at least 80 wt .-%, more preferably a concentration of at least 90 wt .-%, even more preferably a concentration of at least 95 wt .-% and most preferably a concentration of at least 98% by weight. The data refers to the effective
Konzentration der Säure in der Membran bzw. bei der Hydrolyse. Concentration of the acid in the membrane or in the hydrolysis.
In der Lösung gemäß Schritt b) können noch andere Komponenten (außer Säure & Stabilisierungsreagenz) zugegen sein. So können beispielsweise die Eingangs genannten Additive zugesetzt werden. Weiterhin können zusätzliche Katalysatoren für eine Stabilisierungsreaktion zugesetzt werden, wie kleine Menge an starken Säuren, Starter Reagenzien oder auch aktivierende Metallionen, Peroxide oder andere Substanzen, die eine Reaktion mit den erfindungsgemäßen In the solution according to step b) other components (except acid & stabilizing reagent) may be present. For example, the additives mentioned at the outset can be added. Furthermore, additional catalysts for a stabilization reaction can be added, such as small amount of strong acids, starter reagents or activating metal ions, peroxides or other substances that react with the invention
Stabilisierungsreagenzien positiv beeinflussen. Zur weiteren Anpassung für die spätere Verwendung, kann nach der Stabilisierung, bzw. Verbrückung und/oder Vernetzung, noch eine zusätzliche Dotierung der Membran erfolgen. Hierbei können die Eingangs genannten Additive zugesetzt werden oder aber der Dotierungsgrad durch weitere Zugabe der genannten starken Säuren erfolgen. Des Weiteren kann der Membran vorhandenes Wasser, z.B. durch Aufkonzentrierung der vorhandenen starken Säure, entzogen werden. Positively influence stabilizing reagents. For further adaptation for later use, after stabilization or bridging and / or crosslinking, an additional doping of the membrane can take place. In this case, the additives mentioned at the beginning can be added or the degree of doping can be carried out by further addition of the stated strong acids. Furthermore, the membrane existing water, for example by concentration of the strong acid present, be withdrawn.
Die erfindungsgemäße säurehaltige Polyazol-Membran auf Basis von stabilisiertem, insbesondere verbrϋcktem und/oder vernetzen, vorzugsweise hochmolekularen Polyazol-Polymeren bildet mit der Säure einen Säure-Base-Komplex und ist daher auch ohne die Anwesenheit von Wasser protonenleitend. Dieser sogenannte The acidic polyazole membrane according to the invention based on stabilized, in particular bridged and / or crosslinked, preferably high molecular weight, polyazole polymers forms an acid-base complex with the acid and is therefore proton-conducting even without the presence of water. This so-called
Grotthus-Leitfähigkeits-Mechanismus ermöglicht den Einsatz in Hochtemperatur- Brennstoffzellen, mit einer Dauer-Betriebstemperatur von min. 1200C, vorzugsweise min. 1400C, insbesondere min. 1600C. Die erfindungsgemäße Membran kann daher als Elektrolyt für elektrochemische Zellen, insbesondere Brennstoffzellen, verwendet werden. Grotthus conductivity mechanism allows use in high-temperature fuel cells, with a continuous operating temperature of min. 120 ° C., preferably min. 140 0 C, in particular min. 160 0 C. The membrane of the invention can therefore be used as an electrolyte for electrochemical cells, in particular fuel cells.
Die erfindungsgemäße säurehaltige Polyazol-Membran auf Basis von stabilisierten, insbesondere verbrückten und/oder vernetzen, vorzugsweise hochmolekularen Polyazol-Polymeren zeichnet sich durch verbesserte mechanische Eigenschaften aus. So zeigt eine erfindungsgemäße Membran ein E-Modul von mindestens 3 MPa, zwecksmäßigerweise von mindestens 4 MPa, bevorzugt von mindestens 5 MPa, besonders bevorzugt von mindestens 6 MPa, wünschenswerterweise von The acidic polyazole membrane according to the invention based on stabilized, in particular bridged and / or crosslinked, preferably high molecular weight, polyazole polymers is distinguished by improved mechanical properties. Thus, a membrane of the invention shows an E modulus of at least 3 MPa, suitably of at least 4 MPa, preferably of at least 5 MPa, more preferably of at least 6 MPa, desirably of
mindestens 7 MPa, insbesondere von mindestens 8 MPa. Des Weiteren zeigen die erfindungsgemäßen Membranen eine Bruchdehnung von mindestens 85%, vorzugsweise von mindestens 200 %. at least 7 MPa, in particular of at least 8 MPa. Furthermore, the membranes according to the invention exhibit an elongation at break of at least 85%, preferably of at least 200%.
Bestimmt werden die ZugVDehnungseigenschaften vorzugsweise mit einem Zwick Z010 Standard Zugmessgerät, wobei sich die folgende Vorgehensweise besonders bewährt hat. Die Proben werden zunächst zweckmäßigerweise in 1 ,5 cm breite und 12 cm lange Streifen geschnitten. Es werden vorzugsweise pro Probe 2 - 3 Proben vorbereitet und gemessen und die Ergebnisse anschließend gemittelt. Die Dicke der Proben wird vorzugsweise mit einem Mitutoyo Absolute Digmatic Dickenmessgerät an 3 Punkten bestimmt und gemittelt (bevorzugt am Anfang, Mitte und Ende des Streifens). Die Messung wird vorzugsweise wie folgt durchgeführt. Der The tensile elongation properties are determined preferably with a Zwick Z010 standard tension gauge, whereby the following procedure has proven particularly useful. The samples are first conveniently cut into 1, 5 cm wide and 12 cm long strips. It is preferable to prepare and measure 2 to 3 samples per sample and then to average the results. The thickness of the samples is preferably determined with a Mitutoyo Absolute Digmatic thickness gauge at 3 points and averaged (preferably at the beginning, middle and end of the strip). The measurement is preferably carried out as follows. Of the
Probenstreifen wird eingespannt und für 1 min bei einer Vorkraft von 0,1 N gehalten. Anschließend wird die Messung automatisch bei einer Zuggeschwindigkeit von vorzugsweise 5 mm/min bevorzugt bei RT durchgeführt, bis das E-modul (MPa) ermittelt wurde (automatische Prozedur mittels der Zwick Software TextExpert (Vers. 11). Danach wird mit einer Zuggeschwindigkeit von vorzugsweise 30mm/min weiter gemessen, bis es zum Abreissen der Probenstreifens kommt. Nach beendeter Messung werden die Bruchzähigkeit (kJ/m2) und die Bruchdehnung (%) ermittelt. Die Protonenleitfähigkeit der stabilisierten Membranen beträgt bei 1600C zwischen 50 und 220 mS/cm, bevorzugt mindestens 90 - 220 mS/cm besonders bevorzugt zwischen 150 und 220 mS/cm. Sample strip is clamped and held for 1 min at a pre-load of 0.1 N. Subsequently, the measurement is carried out automatically at a drawing speed of preferably 5 mm / min, preferably at RT, until the modulus of elasticity (MPa) has been determined (automatic procedure by means of the Zwick software TextExpert (verse 11)) 30 mm / min until the tearing of the sample strip is measured, and after completion of the measurement, the fracture toughness (kJ / m 2) and the elongation at break (%) are determined. The proton conductivity of the stabilized membranes is between 50 and 220 mS / cm at 160 ° C., preferably at least 90-220 mS / cm, more preferably between 150 and 220 mS / cm.
Gemessen werden die Protonenleitfähigkeiten mittels Impedanzspektroskopie (Zahner IM5 oder IM6 Spektrometer) und einer 4-Punkt-Messzelle. Eine besonders bevorzugte Vorgehensweise ist dabei wie folgt. The proton conductivities are measured by means of impedance spectroscopy (Zahner IM5 or IM6 spectrometer) and a 4-point measuring cell. A particularly preferred procedure is as follows.
Zur Probenvorbereitung werden zweckmäßigerweise ca. 3,5 * 7 cm große Stücke ausgeschnitten und die Membranproben mit einem walzenförmigen Gewicht von 500 g insgesamt 10 Mal abgerollt, um überstehende Säure zu entfernen. Die Dicke der Proben wird günstigerweise mit einem Mitutoyo Typ„Absolute, Digmatic" For sample preparation, approximately 3.5 * 7 cm pieces are expediently cut out and the membrane samples are rolled a total of 10 times with a roller-shaped weight of 500 g to remove supernatant acid. The thickness of the samples is favorably with a Mitutoyo type "Absolute, Digmatic"
Dickenmessgerät an 3 Punkten bestimmt und gemittelt (Anfang, Mitte und Ende des Probenstreifens). Die Probe wird zweckmäßigerweise in der Messzelle fixiert, wie auf der Abbildung (Fig. 1 ) dargestellt. Thickness gauge determined and averaged at 3 points (beginning, middle and end of the sample strip). The sample is expediently fixed in the measuring cell, as shown in the figure (FIG. 1).
Es bezeichnen: They denote:
(1 ): l. (1): l.
(3): U+ (3): U +
(5): U-(5): U-
(7): U (7): U
(9): Konnektor  (9): connector
(11 ): Pt-Draht (11): Pt wire
(13): Dichtung (13): seal
(15): Membran (15): membrane
(17): Pt-Platte (17): Pt plate
Die Schrauben der Testzelle werden vorzugsweise handfest angezogen und die Zelle günstigerweise in einen gesteuerten Ofen überführt, der mit der gemäß der Tabelle 1 ein Temperatur, Frequenz Programm abfährt. The screws of the test cell are preferably tightened hand-tight and the cell is conveniently transferred to a controlled oven, which proceeds with the according to Table 1 a temperature, frequency program.
Tabelle 1 : Table 1 :
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Das Ofenprogramm wird gestartet und es werden Impedanz Spektren mit einem Zahner-Elektrik Impedanzspektrometer IM6 mit einer 4-Punkt Trockenmesszelle bei 200C bis 1600C und - umgekehrt - von 1600C bis 200C vorzugsweise in 200C
Figure imgf000035_0001
The oven program is started and there are impedance spectra with a Zahner electrics impedance spectrometer IM6 with a 4-point dry cell at 20 0 C to 160 0 C and - conversely - from 160 0 C to 20 0 C, preferably in 20 0 C.
Schritten gemessen, wobei günstigerweise vor der Messung eine Haltenzeit von 10 min stattfindet. Das Spektrum wird abgespeichert und bevorzugt nach den Literatur bekannten Methoden von Bode und Niquist ausgewertet. Die Protonenleitfähigkeit hier berechnet sich nach: Measured steps, wherein conveniently before the measurement, a holding time of 10 minutes takes place. The spectrum is stored and preferably evaluated according to the literature known methods of Bode and Niquist. The proton conductivity here is calculated according to:
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I (Abstand der Kontakte) = 2 cm, b (Membranbreite) = 3,5 cm, d = Membrandicke (cm), R = Gemessener Wiederstand (Ohm) I (distance of contacts) = 2 cm, b (diaphragm width) = 3.5 cm, d = membrane thickness (cm), R = measured resistance (ohm)
Die erfindungsgemäßen säurehaltigen Polyazol-Membranen auf Basis von stabilisierten, insbesondere verbrücktem und/oder vernetzen, vorzugsweise hochmolekularen Polyazol-Polymeren zeichnen sich darüber hinaus durch eine erhöhte Stabilität beim Einsatz als protonenleitende Membran in Hochtemperatur- Brennstoffzellen aus. Beim Betrieb derartiger Systeme hat sich gezeigt, dass insbesondere bei phosphorsauren Systemen die Stabilität der säurehaltigen The acidic polyazole membranes according to the invention based on stabilized, especially bridged and / or crosslinked, preferably high molecular weight polyazole polymers are also characterized by increased stability when used as a proton-conducting membrane in high-temperature fuel cells. In the operation of such systems has been shown that, especially in phosphoric acid systems, the stability of the acidic
Polyazol-Membranen noch weiter verbessert werden sollte. Die erfindungsgemäßen Membranen zeichnen sich durch eine solche verbesserte Stabilität aus und sind vorzugsweise in 99 %-iger Phosphorsäure über den Temperaturbereich von 85°C bis 1800C unlöslich. Unlöslich bedeutet in diesem Zusammenhang, dass in einem Überschuss der vorliegenden Säure die Quellung 300% nicht überschreitet und keine Auflösung der selbsttragenden Filmes auftritt. Polyazole membranes should be further improved. The membranes of the invention are characterized by such improved stability and are preferably insoluble in 99% phosphoric acid over the temperature range of 85 ° C to 180 0 C. Insoluble in this context means that in an excess of the present acid, the swelling does not exceed 300% and no dissolution of the self-supporting film occurs.
Zusätzliche Anwendungen umfassen auch den Einsatz als Elektrolyt für ein Additional applications also include use as an electrolyte for
Anzeigeelement, ein elektrochromes Element oder verschiedene Sensoren. Display element, an electrochromic element or various sensors.
Weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner die bevorzugte Another object of the present invention is also the preferred
Verwendung der erfindungsgemäßen Polymerelektrolytmembran in der Einzelzelle (MEU) für eine Brennstoffzelle. Use of the polymer electrolyte membrane according to the invention in the single cell (MEU) for a fuel cell.
Die Einzelzelle für eine Brennstoffzelle enthält mindestens eine erfindungsgemäße Membran und zwei Elektroden, zwischen denen die protonenleitende Membran sandwichartig angeordnet ist. The single cell for a fuel cell contains at least one membrane according to the invention and two electrodes, between which the proton-conducting membrane is sandwiched.
Die Elektroden weisen jeweils eine katalytisch aktive Schicht und eine The electrodes each have a catalytically active layer and a
Gasdiffusionsschicht zur Zuführung eines Reaktionsgases zur katalytisch aktiven Schicht auf. Die Gasdiffusionsschicht ist porös, damit reaktives Gas hindurch treten kann. Gas diffusion layer for supplying a reaction gas to the catalytically active Shift up. The gas diffusion layer is porous so that reactive gas can pass through.
Die erfindungsgemäße Polymerelektrolytmembran kann als Elektrolytmembran verwendet werden. Außerdem kann man die Elektrolytmembran sowie einen The polymer electrolyte membrane of the present invention can be used as the electrolyte membrane. In addition, you can the electrolyte membrane and a
Vorläufer für eine Einzelzelle (MEU) mit einer oder beiden katalytisch aktiven Schichten herstellen. Des Weiteren kann man die Einzelzelle auch durch Fixieren der Gasdiffusionsschicht am Vorläufer herstellen. Prepare precursor for a single cell (MEU) with one or both catalytically active layers. Furthermore, one can also prepare the single cell by fixing the gas diffusion layer to the precursor.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Brennstoffzelle mit mehreren Einzelzellen (MEU 's), die jeweils eine nach dem obigen Verfahren hergestellte Membran und zwei Elektroden, zwischen denen die Membran sandwichartig angeordnet ist, enthalten. Another subject of the present invention is a fuel cell having a plurality of individual cells (MEU 's ) each containing a membrane prepared by the above method and two electrodes sandwiching the membrane therebetween.
Die erfindungsgemäße Stabilisierung kann auch nach Herstellung einer MEU aus einer Membran durchgeführt werden. Hierzu findet vorzugsweise eine Dotierung der Membran mit dem stabilisierenden Agens wie zuvor beschrieben statt. Die The stabilization according to the invention can also be carried out after preparation of an MEU from a membrane. For this purpose, a doping of the membrane with the stabilizing agent preferably takes place as described above. The
Stabilisierungsreaktion gemäß Schritt c) oder die Aktivierung der stabilisierenden Komponente findet jedoch bevorzugt anschließend innerhalb der sandwichartig angeordneten MEU statt. Stabilization reaction according to step c) or the activation of the stabilizing component, however, preferably takes place subsequently within the sandwiched MEU.
Die Durchführung der Stabilisierungsreaktion gemäß Schritt c) kann auch hier durch eine Bestrahlung mit elektromagnetischen Wellen (z.B. photochemische Reaktion, IR und/oder UV Bestrahlung), Elektronen oder thermisch erfolgen. Bei einer thermischen Reaktionsführung ist es von Vorteil, die Reaktion in einem The stabilization reaction according to step c) can also be carried out here by irradiation with electromagnetic waves (for example photochemical reaction, IR and / or UV irradiation), electrons or thermally. In a thermal reaction, it is advantageous to the reaction in one
Temperaturbereich von 200C (Raumtemperatur) bis 2400C durchzuführen. Temperature range of 20 0 C (room temperature) to 240 0 C to perform.
Besonders bevorzugt findet die Stabilisierung bei 160 - 2000C statt. Die Particularly preferably, the stabilization takes place at 160-200 ° C. The
Reaktionsdauer beträgt von einigen Minuten bis hin zu mehreren Stunden, je nach Reaktivität des Reagenzes. Die Stabilisierungsreaktion in einer MEU kann ein oder mehrstufig (Temperaturrampe) durchgeführt werden. Reaction time is from a few minutes to several hours, depending on the reactivity of the reagent. The stabilization reaction in an MEU can be carried out in one or more stages (temperature ramp).
Nachfolgend wird die Erfindung durch mehrere Beispiele weiter veranschaulicht, ohne dass hierdurch eine Beschränkung des Erfindungsgedankens erfolgen soll. Below, the invention is further illustrated by several examples, without this being intended to limit the inventive concept.
Beispiele Examples
Route i zur Durchführung einer erfindungsgemäßen Stabilisierung Route i for carrying out a stabilization according to the invention
(Stabilisierung ausgewaschener Polyazol Filme): (Stabilization of washed-out polyazole films):
Ein Film bzw. eine Folie umfassend vorzugsweise hochmolekulare Polyazole und eine starke Säure wird in ein Bad mit einem wässrigen Lösungsmittel, besonders bevorzugt reines Wasser, bei einer Temperatur zwischen 0° und 900C, besonders bevorzugt sind 40 - 700C, eingelegt. Dabei wird durch Austausch von Lösungsmittel die im Film enthaltene Säure verdünnt bzw. vollständig ausgewaschen. Die Säure kann dabei zu 1 - 100% Prozent gegen Wasser ausgetauscht werden. Der A film or a film comprising preferably high molecular weight polyazoles and a strong acid is particularly in a bath with an aqueous solvent, more preferably pure water, at a temperature between 0 ° and 90 0 C. preferably 40 - 70 0 C, inserted. In this case, the acid contained in the film is diluted by dilution of solvent or completely washed out. The acid can be exchanged for 1 - 100% percent against water. Of the
Austausch von Lösung kann je nach der verwendeten Temperatur und Exchange of solution may vary depending on the temperature and
Konzentration des Lösungsmittels von wenigen Minuten bis hin zu mehreren Concentration of the solvent from a few minutes to several
Stunden dauern. Besonders bevorzugt sind hierbei Auswaschvorgänge, die nicht mehr als eine bis zu 120 Minuten in Anspruch nehmen. Anschließend wird der behandelte Film aus dem Bad entfernt und das überstehende Lösungsmittel oberflächlich, z. B. durch Abtupfen mit einem Fliesstuch, entfernt. Take hours. Particular preference is given to wash-outs which do not take more than one to 120 minutes. Subsequently, the treated film is removed from the bath and the supernatant solvent on the surface, z. B. by blotting with a flow sheet removed.
Der Film wird anschließend in ein weiteres Bad eingelegt, welches ein organisches Lösungsmittel, vorzugsweise DMAc oder NMP, sowie mindestens eines der erfindungsgemäßen Stabilisierungsagenzien beinhaltet. Das Bad beinhaltet dabei besonders bevorzugt 0,01 - 30 Gew.-% der stabilisierenden Komponente. Es erfolgt im Bad eine Dotierung der Folie durch Lösungsmittelaustausch, wobei das zuvor eingebrachte wässrige Lösungsmittel gegen eine organische Lösung, beeinhaltend mindestens ein Stabilisierungsmittel, ausgetauscht wird. Dabei wird besonders bevorzugt eine Temperatur von mind. O0C, höchstens aber 1200C verwendet. Die Folie verbleibt dort für eine Zeit von einer Minute bis zu 24 h. Die Temperatur muss dabei unterhalb der Temperatur liegen, bei der das stabilisierende Agens aktiviert wird. Die Folie wird danach aus dem Bad entfernt und das überstehende The film is then placed in another bath which contains an organic solvent, preferably DMAc or NMP, as well as at least one of the stabilizing agents according to the invention. The bath particularly preferably contains 0.01 to 30% by weight of the stabilizing component. In the bath, a doping of the film takes place by solvent exchange, the previously introduced aqueous solvent being replaced by an organic solution containing at least one stabilizing agent. In this case, a temperature of at least 0 ° C., but at most 120 ° C. is used with particular preference. The film remains there for a period of one minute to 24 hours. The temperature must be below the temperature at which the stabilizing agent is activated. The film is then removed from the bath and the supernatant
Lösungsmittel kann erneut mit einem Tuch aufgenommen werden, aber auch auf der Oberfläche verbleiben. Danach wird gemäß Route I a oder Route I b weiter verfahren. Solvent may be re-absorbed with a cloth but may remain on the surface. Then proceed according to route I a or route I b.
Route I a (Organische Lösungsmittel Route): Route I a (Organic Solvent Route):
Die Folie wird anschließend durch Behandlung bei 70 - 2000C zwischen zwei Trägerfolien (z.B. Polyethylenterephthalat (250 μm) oder auch Glasplatten) in einem Wärmeofen für eine Zeit von einer Minute bis zu 24 Stunden, besonders bevorzugt sind 100 - 1600C bei einer Dauer von bis zu 10 Stunden, behandelt, wobei eine Stabilisierung stattfindet. Auch eine stufenweise Erhöhung und/oder Absenkung der Temperatur im Ofen ist dabei möglich. Die Folie wird nach durchgeführter The film is then by treatment at 70 - 200 0 C between two carrier films (eg polyethylene terephthalate (250 microns) or glass plates) in a heating oven for a time of one minute to 24 hours, more preferably 100 - 160 0 C at a Duration of up to 10 hours, treated with stabilization taking place. A stepwise increase and / or decrease in the temperature in the oven is possible. The film is carried out after
Stabilisierung aus der Lösung entnommen und kann (i) direkt Stabilization taken from the solution and can (i) directly
weiterverarbeitet/verwendet werden, oder aber (ii) bevorzugt über einen Zeitraum von 30 Min - 24 Stunden in einem Bad von Phosphorsäure mit einer Konzentration von 30 - 99%, besonders bevorzugt 30 - 85 %, konditioniert werden. Diese further processed / used, or (ii) preferably over a period of 30 min - 24 hours in a bath of phosphoric acid with a concentration of 30 - 99%, particularly preferably 30 - 85%, conditioned. These
Konditionierung ist beispielsweise wichtig, um die Konzentration der im Film enthaltenen Säure für spezielle Verwendungen ein zu stellen. Conditioning, for example, is important to adjust the concentration of the acid in the film for specific uses.
Route I b (Stabilisierung in saurem Medium, Vorteil höherer Leitfähigkeiten der Membranen): Die Folie wird im Anschluss in ein weiteres Bad überführt, welches vorgewärmt, bevorzugt 70 - 2000C1 eine starke Säure, oder eine Säuremischung enthält und wird dort für einige Minuten bis zu mehreren Stunden belassen, wobei die Route I b (stabilization in an acid medium, advantage of higher conductivities of the membranes): The film is then transferred to another bath, which preheated, preferably 70 - 200 0 C 1 contains a strong acid, or an acid mixture and is left there for several minutes to several hours, the
erfindungsgemäße Stabilisierung direkt in einem flüssigen, sauren Medium stattfindet. Die Konzentration der Säure beträgt dabei zwischen 10 und 99%, besonders bevorzugt 30 - 85 %. Stabilization according to the invention takes place directly in a liquid, acidic medium. The concentration of the acid is between 10 and 99%, particularly preferably 30-85%.
Die Folie wird nach durchgeführter Stabilisierung aus der Lösung entnommen und kann (i) direkt weiterverarbeitet/verwendet werden, oder aber (ii) bevorzugt über einen Zeitraum von 30 Min - 24 Stunden in einem Bad von Phosphorsäure mit einer Konzentration von 30 - 99%, besonders bevorzugt 30 - 85 %, konditioniert werden. Diese Konditionierung ist beispielsweise wichtig, um die Konzentration der im Film enthaltenen Säure für spezielle Verwendungen ein zu stellen. The film is removed from the solution after stabilization has taken place and can be (i) directly further processed / used or (ii) preferably over a period of 30 minutes to 24 hours in a bath of phosphoric acid with a concentration of 30-99%, particularly preferably 30-85%, are conditioned. This conditioning is important, for example, to adjust the concentration of the acid contained in the film for specific uses.
Route Il zur Durchführung einer erfindungsgemäßen Stabilisierung Route II for carrying out a stabilization according to the invention
(Stabilisierung von PA haltigen Polyazol Filmen): (Stabilization of PA containing polyazole films):
Ein Film bzw. eine Folie umfassend vorzugsweise hochmolekulare Polyazole und mindestens eine starke Säure wird in ein Bad eingelegt, welches eine starke Säure und eines der erfindungsgemäßen Stabilisierungsreagenzien beinhaltet. Das Bad enthält dabei besonders bevorzugt 0,01 - 30 Gew.-% der stabilisierenden Substanz. Innerhalb des Bades erfolgt eine Dotierung der Folie durch Lösungsmittelaustausch, wobei das zuvor eingebrachte wässrige Lösungsmittel gegen die saure Lösung mit dem Stabilisierungsmittel ausgetauscht wird. Dabei wird besonders bevorzugt eine Temperatur von mind. 00C, höchstens aber 1200C verwendet. Die Folie wird dann aus dem Bad entfernt und überstehendes Lösungsmittel kann erneut aufgenommen werden, aber auch auf der Oberfläche des Filmes verbleiben. Danach wird gemäß Route Il a oder Route Il b weiter verfahren. A film or a film comprising preferably high molecular weight polyazoles and at least one strong acid is placed in a bath which contains a strong acid and one of the stabilizing reagents according to the invention. The bath particularly preferably contains 0.01-30% by weight of the stabilizing substance. Within the bath, a doping of the film takes place by solvent exchange, wherein the previously introduced aqueous solvent is exchanged with the acidic solution with the stabilizing agent. In this case, a temperature of at least 0 ° C., but at most 120 ° C., is used with particular preference. The film is then removed from the bath and any excess solvent can be re-absorbed, but also remain on the surface of the film. Then proceed according to route IIa or route IIb.
Route Il a (Ofenbehandlung als Film): Route IIa (oven treatment as a film):
Die Folie wird anschließend durch Behandlung bei 70 - 2000C zwischen zwei Trägerfolien (z.B. Polyethylenterephthalat (250 μm) oder auch Glasplatten) von einer Minute bis zu 24 Stunden, besonders bevorzugt sind 100 - 1600C bei einer Dauer von bis zu 10 Stunden, behandelt, wobei die erfindungsgemäße Stabilisierung stattfindet. Auch eine stufenweise Erhöhung und/oder Absenkung der Temperatur im Ofen ist dabei möglich. The film is then by treatment at 70 - 200 0 C between two carrier films (eg polyethylene terephthalate (250 microns) or glass plates) from one minute to 24 hours, more preferably 100 - 160 0 C for a period of up to 10 hours treated, wherein the stabilization according to the invention takes place. A stepwise increase and / or decrease in the temperature in the oven is possible.
Die Folie wird nach durchgeführter Stabilisierung aus der Lösung entnommen und kann (i) direkt weiterverarbeitet/verwendet werden, oder aber (ii) bevorzugt über einen Zeitraum von 30 Min - 24 Stunden in einem Bad von Phosphorsäure mit einer Konzentration von 30 - 99%, besonders bevorzugt 30 - 85 %, konditioniert werden. Diese Konditionierung ist beispielsweise wichtig, um die Konzentration der im Film enthaltenen Säure für spezielle Verwendungen ein zu stellen. The film is removed from the solution after stabilization has taken place and can be (i) directly further processed / used or (ii) preferably over a period of 30 minutes to 24 hours in a bath of phosphoric acid with a concentration of 30-99%, particularly preferably 30-85%, are conditioned. This conditioning is important, for example, to adjust the concentration of the acid contained in the film for specific uses.
Route Il b (Stabilisierung in saurer Lösung, bevorzugte Methode): Route IIb (stabilization in acidic solution, preferred method):
Die Folie wird im Anschluss in ein weiteres Bad überführt, welches vorgewärmt, bevorzugt 70 - 2000C, eine starke Säure, oder eine Säuremischung enthält und wird dort für einige Minuten bis zu mehreren Stunden belassen, wobei die The film is then transferred to another bath, which preheated, preferably 70 - 200 0 C, a strong acid, or an acid mixture and is left there for several minutes to several hours, the
erfindungsgemäße Stabilisierung direkt in einem flüssigen, sauren Medium stabilization according to the invention directly in a liquid, acidic medium
stattfindet. Die Konzentration der Säure beträgt dabei zwischen 10 und 99%, besonders bevorzugt 30 - 85 %. takes place. The concentration of the acid is between 10 and 99%, particularly preferably 30-85%.
Die Folie wird nach durchgeführter Stabilisierung aus der Lösung entnommen und kann (i) direkt weiterverarbeitet/verwendet werden, oder aber (ii) bevorzugt über einen Zeitraum von 30 Min - 24 Stunden in einem Bad von Phosphorsäure mit einer Konzentration von 30 - 99%, besonders bevorzugt 30 - 85 %, konditioniert werden. Diese Konditionierung ist beispielsweise wichtig, um die Konzentration der im Film enthaltenen Säure für spezielle Verwendungen ein zu stellen. The film is removed from the solution after stabilization has taken place and can be (i) directly further processed / used or (ii) preferably over a period of 30 minutes to 24 hours in a bath of phosphoric acid with a concentration of 30-99%, particularly preferably 30-85%, are conditioned. This conditioning is important, for example, to adjust the concentration of the acid contained in the film for specific uses.
Tabelle 1 zeigt die Unterschiede der Leitfähigkeiten verschiedener Membranen, die entweder der bereits bekannten Vorgehensweise (Route Ia; Vergleich) oder aber nach dem erfindungsgemäßen Verfahren (Route I b) hergestellt wurden. Table 1 shows the differences in the conductivities of various membranes which were prepared either by the already known procedure (route Ia; comparison) or else by the method according to the invention (route I b).
Tabelle 1 Table 1
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Beispiel 4  Example 4
Die erfindungsgemäßen, stabilisierten Membranen zeichnen sich weiterhin durch eine verbesserte Langzeitstabilität aus. Hierfür wird aus der Membran zusammen mit zwei Elektroden (wie unten beschrieben), bevorzugt mit Pt-Katalysator beladen, eine Membran Elektroden Einheit (MEA) hergestellt. Die Membran wird innerhalb der MEU wird dann in einer Einzelzellmessung stark oxidativen Bedingungen  The stabilized membranes of the invention are further distinguished by improved long-term stability. For this purpose, a membrane electrode assembly (MEA) is prepared from the membrane together with two electrodes (as described below), preferably loaded with Pt catalyst. The membrane is then within the MEU in a single cell measurement strongly oxidative conditions
ausgesetzt. Als Maß für die Stabilität wird die Spannung bei offenen Klemmen (OCV, Open Circuit Potential, auch open circuit voltage) gemessen. Die Methode zur Herstellung einer MEA aus einer Membran und zwei Gasdiffusionselektroden durch z.B. heißes Verpressen ist dem Experten bekannt und Stand der Technik. exposed. As a measure of stability, the voltage at open terminals (OCV, Open circuit potential, also open circuit voltage). The method for producing an MEA from a membrane and two gas diffusion electrodes by eg hot pressing is known to the expert and state of the art.
Die Einzelmesszelle wird für die Messung auf 1600C geheizt, mit ca. 3 - 5 L/h Wasserstoff gas auf der Anodenseite und ca. 5 L/h Luft auf der Kathodenseite versorgt und eingefahren. Gemessen wird die Urspannung der Zelle und der Zellwiderstand (Impedanzspektroskop von Zahner). Die Messung der Urspannung mit Hilfe von Impedanzspektroskopie ist ebenfalls Experten bekannt und Stand der Technik. Anschließend wird die Zelle ohne Gasversorgung bei 160°C gehalten unter Atmosphärenbedingungen gehalten. Die Bestimmung des OCV wird 2 -3-mal pro Woche wiederholt. Eine eintretende Schädigung der Membran in der MEA wird durch eine sinkende Urspannung und/oder steigenden Zellwiderstand The single measuring cell is heated for the measurement to 160 0 C, supplied with about 3 - 5 L / h of hydrogen gas on the anode side and about 5 L / h of air on the cathode side and retracted. The original voltage of the cell and the cell resistance (impedance spectroscope from Zahner) are measured. The measurement of the original voltage by means of impedance spectroscopy is also known to experts and state of the art. Subsequently, the cell without gas supply is kept at 160 ° C kept under atmospheric conditions. The determination of the OCV is repeated 2 to 3 times a week. An incoming damage to the membrane in the MEA is due to a sinking initial stress and / or increasing cell resistance
nachgewiesen. Der Stand-by Test wird beendet, wenn die Urspannung der Zelle 800 mV unterschreitet. Zu Beginn der Messung beträgt diese typischerweise ca. 1000 mV. Die erfindungsgemäße Membran verbessert die Stabilität gegen die  demonstrated. The stand-by test is terminated when the cell voltage drops below 800 mV. At the beginning of the measurement, this is typically about 1000 mV. The membrane of the invention improves the stability against the
vorliegenden Bedingungen und verzögert den Abfall des OCV entscheidend. Eine Vergleichsmembran (Standard PBI/PA) zeigt nach ca. 250 h (+/- 50 h) Verweildauer in der Zelle unter den angegebnen Bedingungen einen Abfall des OCV auf unterhalb 800 mV. Die stabilisierten Membranen degradieren je nach Anteil an  present conditions and delays the decline of the OCV decisively. A comparison membrane (standard PBI / PA) shows a drop in OCV to below 800 mV after approximately 250 h (+/- 50 h) residence time in the cell under the conditions indicated. The stabilized membranes degrade depending on the proportion
Stabilisierungsreagenz innerhalb von 800 - 1000 h, also Faktor 3 - 4 langsamer.  Stabilizing reagent within 800 - 1000 h, so factor 3 - 4 slower.
Tabelle 2 Table 2
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Tabelle 2 zeigt die Abnahme des OCV für Standardmembranen in einer MEA (MEA 1 und MEA 2) im Vergleich zu einer mit 0,5 Gew.-% Pentaerythritol Polyglycidyl Ether auf der Route Ia stabilisierten Membran. Der Abfall auf OCV = 800 mV erfolgt im Mittel bei den Standard Membranen bei 250 h, während die stabilisierte Membran erst nach ca. 1200 h unter diesen Wert abfällt.
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Table 2 shows the decrease of OCV for standard membranes in an MEA (MEA 1 and MEA 2) compared to a membrane stabilized with 0.5% by weight of pentaerythritol polyglycidyl ether on Route Ia. The decrease to OCV = 800 mV takes place on average for the standard membranes at 250 h, while the stabilized membrane drops only after about 1200 h below this value.

Claims

Patentansprüche: claims:
1. Verfahren zur Stabilisierung von Polyazol-Polymeren, umfassend die folgenden Schritte: A process for stabilizing polyazole polymers, comprising the following steps:
a) Herstellung eines Films umfassend Polyazole mit mindestens einer  a) Preparation of a film comprising polyazoles having at least one
Aminogruppe in einer Wiederholungseinheit,  Amino group in a repeat unit,
b) Behandlung der Films aus Schritt a) mit einer Lösung umfassend (i)  b) treating the film of step a) with a solution comprising (i)
mindestens eine starke Säure und (ii) mindestens ein Stabilisierungs- Reagenz, insbesondere mindestens einem Verbrückungs- und/oder Vernetzungs-Reagenz, wobei der Gesamtgehalt an Stabilisierungs- Reagenz in der Lösung im Bereich 0,01 bis 30 Gew.-% beträgt, c) Durchführung der Stabilisierungsreaktion in der gemäß Schritt b)  at least one strong acid and (ii) at least one stabilizing reagent, in particular at least one bridging and / or cross-linking reagent, wherein the total content of stabilizing reagent in the solution is in the range 0.01 to 30% by weight, c ) Carrying out the stabilization reaction in the according to step b)
erhaltenen Membran,  obtained membrane,
d) ggf. zusätzliche Dotierung der gemäß Schritt c) erhaltenen Membran mit einer starken Säure oder Aufkonzentration der vorhandenen starken Säure durch Entzug von vorhandenem Wasser.  d) if appropriate, additional doping of the membrane obtained according to step c) with a strong acid or concentration of the strong acid present by removal of water present.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Polyazol ein Molekulargewicht (gemessen als Intrinsische Viskosität) von mindestens 1 ,8 dl/g aufweist. 2. The method according to claim 1, characterized in that the polyazole has a molecular weight (measured as intrinsic viscosity) of at least 1, 8 dl / g.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Lösung in Schritt b) mindestens eine starke, protische Säure, insbesondere auf Basis von Phosphorsäure und/oder Schwefelsäure, umfasst. 3. The method according to claim 1, characterized in that the solution in step b) comprises at least one strong, protic acid, in particular based on phosphoric acid and / or sulfuric acid.
4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die 4. The method according to claim 3, characterized in that the
Phosphorsäure Polyphosphorsäure, Phosphonsäure (H3PO3), Phosphoric acid polyphosphoric acid, phosphonic acid (H 3 PO 3 ),
Orthophosphorsäure (H3PO4), Pyrophosphorsäure (H4P2O7), Triphosphorsäure (H5P3O10), Metaphosphorsäure sowie Derivate, insbesondere organische Derivate, wie cyclische Organo-Phosphorsäuren, und deren Derivate, wie Säureester, umfasst. Orthophosphoric acid (H 3 PO 4 ), pyrophosphoric acid (H 4 P 2 O 7 ), triphosphoric acid (H5P3O10), metaphosphoric acid and derivatives, in particular organic derivatives, such as cyclic organo-phosphoric acids, and their derivatives, such as acid esters.
5. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die die Lösung in Schritt b) mindestens ein Stabilisierungsreagenz umfasst, welches mindestens eine funktionelle Gruppe, vorzugsweise eine Epoxid-Gruppe, pro Molekül aufweist, die zur Reaktion mit dem Polyazol befähigt ist. 5. The method according to claim 1, characterized in that the solution in step b) comprises at least one stabilizing reagent which has at least one functional group, preferably an epoxide group, per molecule which is capable of reacting with the polyazole.
6. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das 6. The method according to claim 5, characterized in that the
Stabilisierungsreagenz mindestens zwei und/oder mindestens drei funktionelle Gruppen, vorzugsweise Epoxid-Gruppen, pro Molekül aufweist, die mit dem Polyazol reagieren können. Stabilizing reagent has at least two and / or at least three functional groups, preferably epoxide groups, per molecule which can react with the polyazole.
7. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Stabilisierungsreagenz mindestens zwei Epoxid-Gruppen pro Molekül aufweist und durch die Formel (II) 7. The method according to claim 6, characterized in that as stabilizing reagent has at least two epoxide groups per molecule and represented by the formula (II)
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worin R1 für eine Kohlenwasserstoffgruppe mit 1 bis 30 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise eine geradkettige oder verzweigte Niederalkylengruppe mit 1 bis 30 Kohlenstoffatomen, eine geradkettige oder verzweigte Niederalkoxygruppe mit 1 bis 30 Kohlenstoffatomen oder ein aromatisches System mit 4 bis 20 Kohlenstoffatomen steht, wobei die vorstehend genannten Reste (i) durch eine oder mehrere Nitrogruppen, Sauerstoffatome, Epoxidgruppen oder Arylgruppen substituiert sein können, (ii) bei denen einzelne, nicht benachbarte wherein R 1 represents a hydrocarbon group having 1 to 30 carbon atoms, preferably a straight-chain or branched lower alkylene group having 1 to 30 carbon atoms, a straight-chain or branched lower alkoxy group having 1 to 30 carbon atoms or an aromatic system having 4 to 20 carbon atoms, wherein the above-mentioned radicals (I) may be substituted by one or more nitro groups, oxygen atoms, epoxide groups or aryl groups, (ii) in which individual, non-adjacent
Kohlenstoffatome durch Heteroatome, insbesondere Stickstoff, Sauerstoff, Phosphor und/oder Schwefel ersetzt sein können, und (iii) bei denen ein oder mehrere Wasserstoffatome, insbesondere in den Epoxidgruppen, durch ein Halogen oder eine Alkyl-, insbesondere eine Niederalkyl-, oder eine Alkoxyl-, insbesondere eine Niederalkoxygruppe, oder Arylgruppe, vorzugsweise eine Arylgruppe mit 4 bis 20 Kohlenstoffatomen, ersetzt bzw. substituiert sein können.  Carbon atoms can be replaced by heteroatoms, in particular nitrogen, oxygen, phosphorus and / or sulfur, and (iii) in which one or more hydrogen atoms, in particular in the epoxide groups, by a halogen or an alkyl, in particular a lower alkyl, or an alkoxyl -, In particular, a lower alkoxy group, or aryl group, preferably an aryl group having 4 to 20 carbon atoms, replaced or may be substituted.
8. Membran, erhältlich nach einem Verfahren gemäß Anspruch 2. 8. membrane, obtainable by a process according to claim 2.
9. Membran gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass diese ein E- Modul von mindestens 3 MPa aufweist. 9. Membrane according to claim 8, characterized in that it has an E-modulus of at least 3 MPa.
10. Membran gemäß Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Bruchdehnung von mindestens 85% aufweist. 10. A membrane according to claim 8 or 9, characterized in that it has an elongation at break of at least 85%.
11. Verwendung einer Membran gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 10 zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Einheit. 11. Use of a membrane according to one or more of claims 8 to 10 for the preparation of a membrane electrode assembly.
12. Membran-Elektroden-Einheit umfassend mindestens eine Membran gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 10. 12. membrane electrode assembly comprising at least one membrane according to one or more of claims 8 to 10.
13. Verwendung einer Membran-Elektroden-Einheit gemäß Anspruch 12 zur 13. Use of a membrane electrode assembly according to claim 12 for
Herstellung einer Brennstoffzelle. Production of a fuel cell.
14. Brennstoffzelle umfassend mindestens eine Membran-Elektroden-Einheit gemäß Anspruch 12. 14. Fuel cell comprising at least one membrane-electrode unit according to claim 12.
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