JP4887686B2 - POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME - Google Patents
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Description
本発明は、高分子電解質膜およびその製造方法に関するものであり、特に強酸基あるいは超強酸基を有する炭化水素系高分子電解質膜の製造方法に関する。 The present invention relates to a polymer electrolyte membrane and a method for producing the same, and more particularly to a method for producing a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane having a strong acid group or a super strong acid group.
本発明は、燃料電池、イオン交換膜などに用いる高分子電解質膜およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a polymer electrolyte membrane used for a fuel cell, an ion exchange membrane and the like and a method for producing the same.
近年、環境問題への対応として、燃料電池への期待が大きく高まり、特にプロトン伝導性の高分子電解質膜を用いた高分子型燃料電池は、低温で作動することが可能であり、また、小型軽量化の可能性があることから期待されている。高分子型燃料電池用の高分子電解質としては、例えばナフィオン(Nafion、デュポン社の登録商標。以下同様)に代表される超強酸基含有フッ素系高分子が知られている。 In recent years, as a response to environmental problems, expectations for fuel cells have greatly increased. In particular, polymer fuel cells using proton-conducting polymer electrolyte membranes can operate at low temperatures and are small in size. Expected from the possibility of weight reduction. As polymer electrolytes for polymer fuel cells, for example, super strong acid group-containing fluorine-based polymers represented by Nafion (registered trademark of Nafion, DuPont, the same applies hereinafter) are known.
超強酸基含有フッ素系高分子が高価であり、また、アルコールの透過性が大きい問題に対し、より安価な非フッ素系ポリマーをベースとした芳香族炭化水素系高分子電解質膜について検討されており、ポリイミド、ポリエーテル、ポリアリーレンなどが、既に多く提案されている(非特許文献1)。例えば、ポリエーテルスルホン系の高分子電解質膜としては、特開平10−21943号公報(特許文献1)、特開平10−45913号公報(特許文献2)、特開平11−116679号公報(特許文献3)などにスルホン化ポリエーテルスルホン系高分子電解質膜が開示されている。さらに、特開平11−67224号公報(特許文献4)などには、スルホン化ポリエーテルスルホン系高分子電解質膜を用いた膜/電極接合体が開示されている。また、特開2003−31232(特許文献5)では、プロトン伝導性の湿度依存性を改良したポリエーテルスルホンブロック共重合体が開示されている。また、特開2005−112985号公報(特許文献6)では、ポリアリーレン系電解質膜が、特表2003−503510号公報(特許文献7)ではポリエーテルケトン系電解質膜とポリエーテルスルホン系電解質膜が、特表2000−510511号公報(特許文献8)では、ポリイミド系電解質膜が開示されている。 The aromatic hydrocarbon polymer electrolyte membrane based on a cheaper non-fluorine polymer has been studied to solve the problem that the fluoropolymer containing super strong acid group is expensive and the alcohol permeability is large. , Many polyimides, polyethers, polyarylenes, etc. have already been proposed (Non-Patent Document 1). For example, as a polyethersulfone-based polymer electrolyte membrane, Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-215943 (Patent Document 1), Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-45913 (Patent Document 2), Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-116679 (Patent Document). 3) discloses a sulfonated polyethersulfone polymer electrolyte membrane. Further, JP-A-11-67224 (Patent Document 4) discloses a membrane / electrode assembly using a sulfonated polyethersulfone-based polymer electrolyte membrane. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-31232 (Patent Document 5) discloses a polyethersulfone block copolymer with improved humidity dependency of proton conductivity. In Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-112985 (Patent Document 6), a polyarylene-based electrolyte membrane is used. In Japanese Patent Publication No. 2003-503510 (Patent Document 7), a polyetherketone-based electrolyte membrane and a polyethersulfone-based electrolyte membrane are used. Japanese Patent Publication No. 2000-510511 (Patent Document 8) discloses a polyimide electrolyte membrane.
これらの高分子電解質膜は、工業的には連続的に高分子電解質溶液を支持体上に流延し、加熱して自己支持性膜になるまで溶剤を蒸発させ、支持体から自己支持性膜を剥離する方法によって製造される。このときの支持体として、ステンレスなどの金属ベルトが一般に用いられる。しかし、強酸基あるいは超強酸基を有する高分子電解質膜は、ステンレスなどの金属ベルトから自己支持性膜を剥離することが容易ではなく、剥離中に裂けたり、傷ついたりすることがあった。剥離剤として、リン酸エステルおよび/またはリン酸エステルとアミンとの塩の使用は、特開昭60−244507号公報(特許文献9)に、ポリイミドの前駆体であるポリアミド酸の溶液に添加する方法が開示されているが、スルホン酸やリン酸などの強酸基やフッ化アルキルスルホン酸などの超強酸基を含有する高分子電解質膜の製造に関する記載はなかった。
本発明の目的は、強酸基あるいは超強酸基を有する高分子電解質からなる膜を製造したときに、ステンレスなどの金属ベルトなどの支持体から容易に自己支持性膜が剥離可能な高分子電解質膜の製造方法を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a polymer electrolyte membrane in which a self-supporting membrane can be easily detached from a support such as a metal belt such as stainless steel when a membrane made of a polymer electrolyte having a strong acid group or a super strong acid group is produced. It is in providing the manufacturing method of.
本発明は、流延法による強酸基あるいは超強酸基を有する高分子電解質膜の製造方法において、高分子電解質100重量部に対して、化学式1 The present invention relates to a method for producing a polymer electrolyte membrane having a strong acid group or a super strong acid group by a casting method, wherein
で示される基を表し、R2は炭素数が6から18のアルキル基または化学式2で示される基を表す。]
で示されるリン酸エステル、および/または、化学式3
R 2 represents an alkyl group having 6 to 18 carbon atoms or a group represented by Chemical Formula 2. ]
And / or chemical formula 3
で示されるアミンと化学式1のリン酸エステルとの塩を0.0005から2重量部含有する高分子電解質溶液を支持体上に流延し、加熱して自己支持性膜になるまで溶剤を蒸発させ、支持体から自己支持性膜を剥離することを特徴とする高分子電解質膜の製造方法に関する。
A polyelectrolyte solution containing 0.0005 to 2 parts by weight of a salt of an amine represented by Formula 1 and a phosphate ester of Formula 1 is cast on a support and heated to evaporate the solvent until a self-supporting membrane is obtained. And a method for producing a polymer electrolyte membrane, wherein the self-supporting membrane is peeled from the support.
また、本発明は、上記の製造方法で得られた高分子電解質膜を、さらに、酸水溶液処理を行う、あるいは、アルカリ水溶液処理をした後、酸水溶液処理を行うことを特徴とする高分子電解質膜の製造方法に関する。 The present invention also provides a polymer electrolyte characterized in that the polymer electrolyte membrane obtained by the above production method is further subjected to an acid aqueous solution treatment or an alkali aqueous solution treatment and then an acid aqueous solution treatment. The present invention relates to a film manufacturing method.
また、本発明は、高分子電解質が、スルホン化された炭化水素系高分子電解質であることを特徴とする高分子電解質膜の製造方法に関する。 The present invention also relates to a method for producing a polymer electrolyte membrane, wherein the polymer electrolyte is a sulfonated hydrocarbon-based polymer electrolyte.
また、本発明は、炭化水素系高分子電解質が、主鎖に芳香環を有する芳香族高分子電解質であることを特徴とする高分子電解質膜の製造方法に関する。 The present invention also relates to a method for producing a polymer electrolyte membrane, wherein the hydrocarbon-based polymer electrolyte is an aromatic polymer electrolyte having an aromatic ring in the main chain.
また、本発明は、芳香族高分子電解質が、化学式4 In the present invention, the aromatic polymer electrolyte is represented by the chemical formula 4
で表される構造単位を有する芳香族ポリエーテルであることを特徴とする高分子電解質膜の製造方法に関する。
It is related with the manufacturing method of the polymer electrolyte membrane characterized by being an aromatic polyether which has a structural unit represented by these.
また、本発明は、高分子電解質が、スルホン酸基を有する高分子電解質とスルホン酸基を有さないポリマーとの組成物であることを特徴とする高分子電解質膜の製造方法に関する。
The present invention also relates to a method for producing a polymer electrolyte membrane, wherein the polymer electrolyte is a composition of a polymer electrolyte having a sulfonic acid group and a polymer having no sulfonic acid group.
また、本発明は、高分子電解質が、スルホン酸基を有する親水性セグメントとスルホン酸基を有さない疎水性セグメントからなるブロック共重合体であることを特徴とする高分子電解質膜の製造方法に関する。
The present invention also provides a method for producing a polymer electrolyte membrane, wherein the polymer electrolyte is a block copolymer comprising a hydrophilic segment having a sulfonic acid group and a hydrophobic segment not having a sulfonic acid group About.
また、本発明は上記高分子電解質膜の製造方法により製造されたことを特徴とする高分子電解質膜に関する。
The present invention also relates to a polymer electrolyte membrane produced by the method for producing a polymer electrolyte membrane.
本研究者らは前述の問題について鋭意検討を重ねた結果、リン酸エステルおよび/またはリン酸エステルとアミンとの塩を高分子電解質溶液に添加した溶液を、支持体上へ流延し、加熱乾燥することにより、容易に自己支持性膜が支持体から剥離し、連続的に高分子電解質膜が製造できることを見出し、本発明に到達した。 As a result of intensive studies on the above-mentioned problems, the present researchers cast a solution obtained by adding a phosphate ester and / or a salt of phosphate ester and amine to a polyelectrolyte solution, and heating the support. By drying, the self-supporting membrane was easily peeled off from the support, and it was found that a polymer electrolyte membrane could be continuously produced, and the present invention was achieved.
本発明で用いられるリン酸エステルは、化学式1 The phosphate ester used in the present invention has the chemical formula 1
で示される基を表し、R2は炭素数が6から18のアルキル基または化学式2で示される基を表す。]
で示されるリン酸エステルであり、例えば、モノカプロイルリン酸エステル、モノオクチルリン酸エステル、モノカプリルリン酸エステル、モノラウリルリン酸エステル、モノミリスチルリン酸エステル、モノセチルリン酸エステル、モノステアリルリン酸エステル、テトラエチレングリコールモノネオペンチルエーテルのモノリン酸エステル、トリエチレングリコールモノトリデシルエーテルのモノリン酸エステル、テトラエチレングリコールモノラウリルエーテルのモノリン酸エステル、ジエチレングリコールモノステアリルエーテルのモノリン酸エステル、ジカプロイルリン酸エステル、ジオクチルリン酸エステル、ジカプリルリン酸エステル、ジラウリルリン酸エステル、ジミリスチルリン酸エステル、ジセチルリン酸エステル、ジステアリルリン酸エステル、テトラエチレングリコールモノネオペンチルエーテルのジリン酸エステル、トリエチレングリコールモノトリデシルエーテルのジリン酸エステル、テトラエチレングリコールモノラウリルエーテルのジリン酸エステル、ジエチレングリコールモノステアリルエーテルのジリン酸エステルなどを挙げることができる。
R 2 represents an alkyl group having 6 to 18 carbon atoms or a group represented by Chemical Formula 2. ]
For example, monocaproyl phosphate, monooctyl phosphate, monocapryl phosphate, monolauryl phosphate, monomyristyl phosphate, monocetyl phosphate, monostearyl phosphate Ester, monophosphate ester of tetraethylene glycol mononeopentyl ether, monophosphate ester of triethylene glycol monotridecyl ether, monophosphate ester of tetraethylene glycol monolauryl ether, monophosphate ester of diethylene glycol monostearyl ether, dicaproyl phosphate ester, Dioctyl phosphate, dicapryl phosphate, dilauryl phosphate, dimyristyl phosphate, dicetyl phosphate, di Tearyl phosphate ester, tetraethylene glycol mononeopentyl ether diphosphate ester, triethylene glycol monotridecyl ether diphosphate ester, tetraethylene glycol monolauryl ether diphosphate ester, diethylene glycol monostearyl ether diphosphate ester, etc. be able to.
本発明で用いられるリン酸エステルとアミンの塩は、上記リン酸エステルと、化学式3 The phosphate ester and amine salt used in the present invention are the above-mentioned phosphate ester, chemical formula 3
で示されるアミンとの塩である。化学式3で示されるアミンは、例えば、アンモニア、モノメチルアミン、モノエチルアミン、モノプロピルアミン、モノブチルアミン、モノヘキシルアミン、モノオクチルアミン、モノラウリルアミン、ジメチルアミン、ジエチルアミン、ジプロピルアミン、ジブチルアミン、ジヘキシルアミン、ジオクチルアミン、ジラウリルアミン、トリメチルアミン、トリエチルアミン、トリプロピルアミン、トリブチルアミン、トリヘキシルアミン、トリオクチルアミン、トリラウリルアミン、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミンなどを挙げることができる。
前記のようなアルキルリン酸エステル塩としては、市販の物を用いても良く、例えば、中京油脂製の「セパール328」「セパール365」 ,「セパール380」 ,「セパール440」 ,「セパール441」 、「セパール517」 ,「セパール521」(以上、商品名)などを挙げることができる。
It is a salt with amine shown by these. Examples of the amine represented by Chemical Formula 3 include ammonia, monomethylamine, monoethylamine, monopropylamine, monobutylamine, monohexylamine, monooctylamine, monolaurylamine, dimethylamine, diethylamine, dipropylamine, dibutylamine, and dihexyl. Examples include amine, dioctylamine, dilaurylamine, trimethylamine, triethylamine, tripropylamine, tributylamine, trihexylamine, trioctylamine, trilaurylamine, monoethanolamine, diethanolamine, and triethanolamine.
As the alkyl phosphate ester salt as described above, commercially available products may be used. For example, “Separ 328”, “Separ 365”, “Separ 380”, “Separ 440”, “Separ 441” manufactured by Chukyo Yushi Co., Ltd. , “Separ 517”, “Separ 521” (above, trade name), and the like.
リン酸エステルおよび/またはリン酸エステルのアミン塩は、高分子電解質100重量部に対して、0.001から2重量部、好ましくは、0.002から1.5重量部、より好ましくは0.003から1.0重量部添加される。添加量が、0.001重量部より少ないと効果がなく、一方、2重量部より多くても効果が変わらない。 The amine salt of phosphate ester and / or phosphate ester is 0.001 to 2 parts by weight, preferably 0.002 to 1.5 parts by weight, and more preferably 0.001 to 100 parts by weight of the polymer electrolyte. 003 to 1.0 parts by weight are added. If the added amount is less than 0.001 part by weight, there is no effect, while if it is more than 2 parts by weight, the effect is not changed.
本発明の高分子電解質は、スルホン酸基、リン酸基などの強酸基、あるいは、フッ化アルキルあるいはフッ化アリール基に結合したスルホン酸基などの超強酸基を有するものであり、脂肪族炭化水素系高分子、水素原子がフッ素原子に置換された脂肪族高分子、主鎖に芳香環を有する芳香族高分子などを挙げることができる。 The polymer electrolyte of the present invention has a strong acid group such as a sulfonic acid group and a phosphoric acid group, or a super strong acid group such as a sulfonic acid group bonded to a fluorinated alkyl or aryl fluoride group. Examples thereof include a hydrogen polymer, an aliphatic polymer in which a hydrogen atom is substituted with a fluorine atom, and an aromatic polymer having an aromatic ring in the main chain.
そのような高分子としては、例えば、ポリスチレンスルホン酸、ポリビニルベンジルスルホン酸、特表2002−509152号公報、European Polymer Journal,Vol.36, 61(2001)に記載されているようなスルホン酸基を含有するスチレン−(エチレン−ブチレン)−スチレントリブロック共重合体やスチレン−(エチレン−プロピレン)ブロック共重合体、Macromolecules, Vol.28, 8702(1995)やEuropean Polymer Journal,Vol.36, 61(2001)に記載されているようなカルボン酸基を含有するスチレン−(エチレン−ブチレン)−スチレントリブロック共重合体やスチレン−(エチレン−プロピレン)ブロック共重合体、特開2000−11755号公報に記載されているようなホスホン酸基を含有するポリスチレンなどの強酸基含有ポリスチレン系高分子、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリビニルスルホン酸などの強酸基含有ビニル系高分子、ナフィオン(商標登録)、アシプレックス(商標登録)、フレミオン(商標登録)などの超強酸基を有するパーフルオロ系高分子など、主鎖が脂肪族系の高分子を挙げることができる。 Examples of such a polymer include sulfonic acid groups described in, for example, polystyrene sulfonic acid, polyvinyl benzyl sulfonic acid, JP-T 2002-509152, European Polymer Journal, Vol. 36, 61 (2001). Contains styrene- (ethylene-butylene) -styrene triblock copolymer and styrene- (ethylene-propylene) block copolymer, Macromolecules, Vol. 28, 8702 (1995) and European Polymer Journal, Vol. 36, 61 ( 2001)), a styrene- (ethylene-butylene) -styrene triblock copolymer or a styrene- (ethylene-propylene) block copolymer containing a carboxylic acid group, and JP-A-2000-11755. Strong polymer containing polystyrene polymers such as polystyrene containing phosphonic acid groups as described, polyacrylic Strong acid group-containing vinyl polymers such as acid, polymethacrylic acid, and polyvinyl sulfonic acid, and perfluoro polymers having super strong acid groups such as Nafion (registered trademark), Aciplex (registered trademark), and Flemion (registered trademark) And a polymer having an aliphatic main chain.
また、強酸基、あるいは、超強酸基を含有するポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリイミド、ポリフェニレンオキシド、ポリアリーレン、ポリフェニレンスルフィドなどの芳香族高分子電解質を挙げることもできる。例えば、特開昭61−43630号公報、J. Membr. Sci., Vol.83, 211(1993)、J. Polym. Sci., Part A, Polym. Chem., Vol.34, 2421(1996)、J. Polym. Sci., Part A, Polym. Chem., Vol.31, 853(1993)、USP2001/0021764A1、 特開2003−31232号公報に記載されているようなスルホン酸基を含有する芳香族ポリエーテルスルホン、特開昭57−25328号公報、特開昭57−25328号公報、特開平6−93114号公報、J. Membr. Sci., Vol.199, 167(2002)、J. Membr. Sci., Vol.173, 17(2000)、Polymer, Vol.28, 1009(1987)、Solid State Ionics, Vol.106, 219(1998)、Br. Polym. J., Vol.17, 4(1985)、Polym. Int., Vol.50, 812(2001)に記載されているようなスルホン酸基を含有する芳香族ポリエーテルケトン、高分子学会予稿集,Vol.51, 744-746(2002)に記載されているようなスルホン酸基を含有するポリイミド、J. Appl. Polym. Sci., Vol.51, 1399(1994)、J. Appl. Polym. Sci., Vol.29, 4017(1984)、J. Appl. Polym. Sci., Vol.29, 4029(1984)、J. Membr. Sci., Vol.146, 263(1998)に記載されているようなスルホン酸基を含有するポリフェニレンオキシド、特開2005−112985号公報に記載されているようなスルホン化ポリアリーレンなどを挙げることができる。
Aromatic polymer electrolytes such as polyethersulfone, polysulfone, polyetherketone, polyetheretherketone, polyetherketoneketone, polyimide, polyphenyleneoxide, polyarylene, polyphenylenesulfide, etc. containing strong acid groups or superacid groups Can also be mentioned. For example, JP-A 61-43630, J. Membr. Sci., Vol. 83, 211 (1993), J. Polym. Sci., Part A, Polym. Chem., Vol. 34, 2421 (1996). Fragrance containing a sulfonic acid group as described in J. Polym. Sci., Part A, Polym. Chem., Vol. 31, 853 (1993), USP2001 / 0021764A1, and JP-A-2003-32322. Group polyethersulfone, JP-A-57-25328, JP-A-57-25328, JP-A-6-93114, J. Membr. Sci., Vol. 199, 167 (2002), J. Membr Sci., Vol.173, 17 (2000), Polymer, Vol.28, 1009 (1987), Solid State Ionics, Vol.106, 219 (1998), Br. Polym. J., Vol.17, 4 ( 1985), Polym. Int., Vol. 50, 812 (2001), aromatic polyether ketones containing sulfonic acid groups, Proceedings of the Society of Polymer Science, Vol. 51, 744-746 (2002) ) Polyimides containing sulfonic acid groups as described in J. Appl. Polym. Sci., Vol. 51, 1399 (1994), J. Appl. Polym. Sci., Vol. 29, 4017 (1984), J. Appl. Polym. Sci., Vol. 29, 4029 (1984), J. Membr. Sci., Vol. 146, 263 (1998), a polyphenylene oxide containing a sulfonic acid group, and a sulfone as described in JP-A-2005-112985. And polyarylene.
これらの高分子電解質は、共重合体であってもよく、ランダム共重合体であっても、ブロック共重合体であっても、グラフト共重合体であってもよい。特に、プロトン伝導性の点からブロック共重合体の構造を有することが好ましい。これらの高分子電解質の中では、耐熱性、コストなどの点から芳香族高分子電解質が好ましく、さらに、イオン伝導性の点から、スルホン酸基を含有する芳香族高分子電解質が好ましい。また、後述するイオン交換容量の範囲で、強酸基あるいは超強酸基を有さないポリマーと前述の強酸基あるいは超強酸基を有するポリマーのブレンドの組成物からなる高分子電解質でも良い。このような強酸基あるいは超強酸基を有さないポリマーとして、具体的には、前述したポリマーの強酸基あるいは超強酸基を有さないポリマーを挙げることができる。組み合わせとしては、強酸基あるいは超強酸基を有するポリマーと、同じ構造単位を有する強酸基あるいは超強酸基を有さないポリマーの組み合わせが好ましい。
These polymer electrolytes may be a copolymer, a random copolymer, a block copolymer, or a graft copolymer. In particular, it is preferable to have a block copolymer structure from the viewpoint of proton conductivity. Among these polymer electrolytes, aromatic polymer electrolytes are preferable from the viewpoint of heat resistance and cost, and further, aromatic polymer electrolytes containing sulfonic acid groups are preferable from the viewpoint of ion conductivity. Further, it may be a polymer electrolyte comprising a composition of a blend of a polymer having no strong acid group or super strong acid group and the polymer having the above strong acid group or super strong acid group within the range of ion exchange capacity described later. Specific examples of such a polymer having no strong acid group or super strong acid group include polymers having no strong acid group or super strong acid group as described above. The combination is preferably a combination of a polymer having a strong acid group or a super strong acid group and a polymer having the same structural unit and no strong acid group or super strong acid group.
これらの高分子電解質のイオン交換容量は、0.2ミリ当量/g〜4ミリ当量/gの範囲であることが好ましく、0.3ミリ当量/g〜3.5ミリ当量/gであることがより好ましい。この範囲が0.2より小さいと、例えば、燃料電池用途では、プロトン伝導度が低くなり、一方、4より大きくなると水溶性となり好ましくない。 The ion exchange capacity of these polymer electrolytes is preferably in the range of 0.2 meq / g to 4 meq / g, more preferably 0.3 meq / g to 3.5 meq / g. If this range is less than 0.2, for example, in fuel cell applications, proton conductivity is low, while if it is greater than 4, water solubility is undesirable.
本発明において用いられる溶剤は、対象とする高分子電解質およびリン酸エステルあるいはリン酸エステルとアミンとの塩を溶解するものであれば、特に制限はなく、例えば、芳香族高分子電解質の場合なら、ジメチルスルホキシド、スルホラン、N−メチル−2−ピロリドン、1、3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、ジフェニルスルホン、フェノール、m−クレゾール、p−クロロフェノールなどの極性溶媒を挙げることができる。
The solvent used in the present invention is not particularly limited as long as it dissolves a target polymer electrolyte and a phosphate ester or a salt of a phosphate ester and an amine. For example, in the case of an aromatic polymer electrolyte, , Dimethyl sulfoxide, sulfolane, N-methyl-2-pyrrolidone, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, diphenylsulfone, phenol, m-cresol, p -Polar solvents such as chlorophenol can be mentioned.
本発明の高分子電解質膜の製造方法において、高分子電解質溶液を支持体上に流延し、加熱して自己支持性膜になるまで溶剤を蒸発させるときの乾燥条件は、発泡が生じないならば特に制限がなく、通常、室温から溶剤の沸点+20℃の温度範囲で、0.2分から72時間の範囲で乾燥される。特に真空乾燥あるいは熱風乾燥されることが、乾燥速度を早くできることから好ましい。また、自己支持性膜を支持体上から剥離後、必要ならば室温から280℃の温度範囲で、0.2分から72時間の範囲で更に乾燥することが可能である。
In the method for producing a polymer electrolyte membrane of the present invention, the drying conditions for evaporating the solvent until the polymer electrolyte solution is cast on a support and heated to a self-supporting membrane are as follows. There is no particular limitation, and it is usually dried in the temperature range of room temperature to the boiling point of the solvent + 20 ° C. for 0.2 minutes to 72 hours. In particular, vacuum drying or hot air drying is preferable because the drying speed can be increased. Further, after peeling the self-supporting film from the support, it can be further dried in the temperature range from room temperature to 280 ° C., if necessary, in the range from 0.2 minutes to 72 hours.
本発明の支持体の材質としては、ゴム、樹脂、ステンレスなどの金属、セラミック、ガラスなどを挙げることができ、耐久性の点から、ステンレスなどの金属、セラミック、ガラスなどが好ましい。その形状は、板、ベルト、ロールなどを挙げることができるが、特に、ベルトあるいはロールの形状であることが連続製膜が可能なことから好ましい。
Examples of the material of the support of the present invention include rubbers, resins, metals such as stainless steel, ceramics, and glass. From the viewpoint of durability, metals such as stainless steel, ceramics, and glass are preferable. Examples of the shape include a plate, a belt, and a roll. In particular, the shape of a belt or a roll is preferable because continuous film formation is possible.
本発明では、高分子電解質溶液を支持体上に流延し、加熱して自己支持性膜になるまで溶剤を蒸発させ、支持体から自己支持性膜を剥離し、必要ならば更に乾燥することによって得られた高分子電解質膜をそのまま用いても良いが、例えば燃料電池などの用途によっては、得られた高分子電解質膜を、酸水溶液処理を行うことが好ましい。さらに、必要ならば、アルカリ水溶液処理をしたのち、酸水溶液処理をすることができる。各々の処理は、水溶液に膜を0.05分から600分浸漬することにより行われ、バッチで行われても、連続的に行われてもどちらでも良い。処理時間が短いと処理が不充分となり、一方、処理時間が長くても効果に影響がないことから好ましくない。各処理のあとに、必要ならば、例えば、
(1)アルカリ処理
↓
(2)水洗
↓
(3)酸処理
↓
(4)水洗
↓
(5)乾燥
のように、水洗工程および/または乾燥工程を入れることも可能である。
In the present invention, the polymer electrolyte solution is cast on a support, heated to evaporate the solvent until it becomes a self-supporting film, the self-supporting film is peeled off from the support, and further dried if necessary. Although the polymer electrolyte membrane obtained by the above method may be used as it is, for example, depending on the use such as a fuel cell, it is preferable to subject the obtained polymer electrolyte membrane to an acid aqueous solution treatment. Furthermore, if necessary, the aqueous acid solution treatment can be performed after the alkaline aqueous solution treatment. Each treatment is performed by immersing the membrane in an aqueous solution for 0.05 to 600 minutes, and may be performed in a batch or continuously. If the processing time is short, the processing becomes insufficient. On the other hand, even if the processing time is long, the effect is not affected. After each process, if necessary, for example
(1) Alkaline treatment ↓
(2) Washing with water ↓
(3) Acid treatment ↓
(4) Washing with water ↓
(5) A water washing step and / or a drying step may be included as in drying.
アルカリ水溶液処理は、NaOH、KOH、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウムを水に溶解した水溶液を、酸水溶液処理は、塩酸、硫酸、リン酸水溶液を用いることができ、どちらの水溶液も濃度は、0.01Nから5Nの範囲で用いられる。水溶液濃度が0.01Nより低いと処理が不充分になる可能性があり、また、5Nより高いと水溶液の取り扱いが難しくなり好ましくない。どちらの水溶液処理も、温度は、5℃から90℃の範囲で行われ、温度が5℃より低いと処理が不充分となり、90℃より高いと水溶液の取り扱いが難しくなり好ましくない。水洗工程は、浸漬およびシャワーのどちらかをあるいは併用することができる。水洗工程は、上記のアルカリまたは酸処理と同様の時間、温度で行われる。乾燥工程は、特に限定されないが、例えば、室温から200℃の範囲で加熱を行うことにより水分を蒸発させることによって行われる。
Alkaline aqueous solution treatment can use NaOH, KOH, sodium carbonate, potassium carbonate, sodium hydrogen carbonate, potassium hydrogen carbonate aqueous solution in water, acid aqueous solution treatment can use hydrochloric acid, sulfuric acid, phosphoric acid aqueous solution, The concentration of the aqueous solution is also in the range of 0.01N to 5N. If the concentration of the aqueous solution is lower than 0.01N, the treatment may be insufficient, and if it is higher than 5N, handling of the aqueous solution becomes difficult. Both of the aqueous solution treatments are performed at a temperature in the range of 5 ° C. to 90 ° C. When the temperature is lower than 5 ° C., the treatment becomes insufficient, and when the temperature is higher than 90 ° C., the aqueous solution is difficult to handle. In the washing step, either immersion or shower can be used together. The water washing step is performed at the same time and temperature as the above alkali or acid treatment. Although a drying process is not specifically limited, For example, it is performed by evaporating a water | moisture content by heating in the range of room temperature to 200 degreeC.
リン酸エステルあるいはリン酸エステルとアミンとの塩を0.5重量%より多く用いた場合、アルカリ水溶液処理と引き続く酸水溶液処理により、添加されたリン酸エステルあるいはリン酸エステルとアミンとの塩が除去されることが望ましく、最終、高分子電解質膜中のリン酸エステルあるいはリン酸エステルとアミンとの塩は、0.5重量%以下、さらに0.4重量%以下になることが好ましい。リン酸エステルあるいはリン酸エステルとアミンとの塩が多く残留すると耐久性を低下させたり、発電特性を低下させる可能性があることから好ましくない。
When the phosphate ester or the salt of phosphate ester and amine is used in an amount of more than 0.5% by weight, the added phosphate ester or phosphate ester and amine salt is removed by alkaline aqueous solution treatment and subsequent acid aqueous solution treatment. Finally, the phosphate ester or the salt of phosphate ester and amine in the polymer electrolyte membrane is preferably 0.5% by weight or less, more preferably 0.4% by weight or less. If a large amount of phosphate ester or a salt of phosphate ester and amine remains, it is not preferable because durability may be reduced or power generation characteristics may be reduced.
以下、実施例および比較例により本発明を具体的に説明する。尚、実施例および比較例中に示した測定値は以下の方法で測定した。 Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to Examples and Comparative Examples. In addition, the measured value shown in the Example and the comparative example was measured with the following method.
1)溶液粘度
N−メチル−2−ピロリドンを溶媒として、0.5g/dLの濃度で、ウベローデ粘度計を用い、25℃の温度で測定し、次式(1)を用いて計算した。
1) Solution viscosity N-methyl-2-pyrrolidone was used as a solvent, measured at a temperature of 25 ° C. using an Ubbelohde viscometer at a concentration of 0.5 g / dL, and calculated using the following formula (1).
2)プロトン伝導度の測定
恒温恒湿機中で、幅1.9mm、長さ10mmのスリットを有し、スリットを挟んで白金線が装着してる(間隔:2mm)テフロン(登録商標)板とテフロン(登録商標)平板の間に、膜(幅5mm×長さ20mm)を、長手方向が白金線と90度の方向で挟み、日置電機(株)製3532 LCRハイテスタを用いて、複素インピーダンス測定によりプロトン伝導度を求めた。
2) Measurement of proton conductivity Teflon (registered trademark) plate with a 1.9mm width and 10mm length slit in a thermostatic humidity chamber, with platinum wire attached (interval: 2mm) A complex impedance measurement using a 3532 LCR high tester manufactured by Hioki Electric Co., Ltd., with a membrane (width 5 mm x length 20 mm) sandwiched between Teflon (registered trademark) flat plates with a 90-degree longitudinal direction from the platinum wire. To determine the proton conductivity.
3)剥離性の評価
ステンレス板(SUS304、40mm×150mm)上に、溶液を流延して所定条件で乾燥した。自己支持性フィルムをステンレス板より剥離したときの状況から評価した。
3) Evaluation of peelability The solution was cast on a stainless steel plate (SUS304, 40 mm × 150 mm) and dried under predetermined conditions. The self-supporting film was evaluated from the situation when it was peeled from the stainless steel plate.
(実施例1) Example 1
ブロックポリマーPBの重合
フラスコにビス(4−クロロフェニル)スルホン28.7g、4,4’−ビフェノール18.9gおよび炭酸カリウム16.8gを仕込み、ジメチルスルホキシド160mlとトルエン50mlを添加して窒素気流下、加熱、撹拌した。発生した水をトルエンと共に除去しながら175℃まで昇温し、その温度で16時間撹拌してポリマー溶液Aを調整した。別に、スミカエクセル7600P(住友化学)73gを、ジメチルスルホキシド290mlに溶解した溶液を調整した。この溶液をポリマー溶液Aに添加し、170℃で、1.5時間撹拌した。溶液を多量の水に投入し、白色固体を析出させ、ろ別した。得られた固体を熱水中で2回、メタノール中で1回洗浄しブロックポリマーPBを得た。得られたポリマーの溶液粘度ηsp/cは、0.71であった。
A polymerization flask of block polymer PB is charged with 28.7 g of bis (4-chlorophenyl) sulfone, 18.9 g of 4,4′-biphenol and 16.8 g of potassium carbonate, added with 160 ml of dimethyl sulfoxide and 50 ml of toluene, and heated and stirred under a nitrogen stream. did. While removing generated water together with toluene, the temperature was raised to 175 ° C., and the mixture was stirred at that temperature for 16 hours to prepare a polymer solution A. Separately, a solution in which 73 g of Sumika Excel 7600P (Sumitomo Chemical) was dissolved in 290 ml of dimethyl sulfoxide was prepared. This solution was added to the polymer solution A and stirred at 170 ° C. for 1.5 hours. The solution was poured into a large amount of water to precipitate a white solid and filtered off. The obtained solid was washed twice in hot water and once in methanol to obtain a block polymer PB. The solution viscosity η sp / c of the obtained polymer was 0.71.
ブロックポリマーPBのスルホン化
ブロックポリマーPBを98%硫酸200mlに20g溶解し、室温で24時間撹拌した。溶液を多量の水に投入し、白色固体を析出させ、ろ別した。得られた固体を水中で5回洗浄し、ポリマーSPBを得た。得られたポリマーのイオン交換容量は、1.43mmol/gであった。後述の方法で得られた膜のTEM観察で、相分離構造が見られたことから、ブロック共重合体であることを確認した。
20 g of sulfonated block polymer PB of block polymer PB was dissolved in 200 ml of 98% sulfuric acid and stirred at room temperature for 24 hours. The solution was poured into a large amount of water to precipitate a white solid and filtered off. The obtained solid was washed 5 times in water to obtain a polymer SPB. The ion exchange capacity of the obtained polymer was 1.43 mmol / g. The phase separation structure was observed by TEM observation of the film obtained by the method described later, and it was confirmed that the film was a block copolymer.
製膜と剥離試験
SPBを20重量%となるようにN,N−ジメチルアセトアミドに溶解し、モノステアリルリン酸エステルトリエタノールアミン塩をポリマー成分に対し、0.5重量%添加して、SPB溶液を調整した。この溶液をステンレス板(SUS304、厚み2mm、表面仕上げ0.8S)上に流延し、130℃で1時間、熱風乾燥した。この膜は、ステンレス板から容易に剥離することが可能であった。
Film formation and peel test
SPB was dissolved in N, N-dimethylacetamide so as to be 20% by weight, and 0.5% by weight of monostearyl phosphate triethanolamine salt was added to the polymer component to prepare an SPB solution. This solution was cast on a stainless steel plate (SUS304, thickness 2 mm, surface finish 0.8 S) and dried with hot air at 130 ° C. for 1 hour. This film could be easily peeled from the stainless steel plate.
アルカリ水溶液処理および酸処理
得られた膜を、ステンレス枠に固定し、200℃、30分加熱した。その膜を、枠からはずし、1N-NaOH水溶液に、25℃で2時間浸漬後、水洗して、1N-H2SO4水溶液に4時間浸漬した。2回水洗後、ステンレス枠に固定して、50℃で乾燥した。得られた膜の厚みは35μmであり、50℃、60%RHでのプロトン伝導度は、8.0×10-3S/cmであった。一方、200℃で30分間加熱しただけの膜のプロトン伝導度は、同じ条件で2.3×10-3S/cmであった。
Alkaline aqueous solution treatment and acid treatment The obtained membrane was fixed to a stainless steel frame and heated at 200 ° C. for 30 minutes. The film was removed from the frame, immersed in 1N-NaOH aqueous solution at 25 ° C. for 2 hours, washed with water, and immersed in 1N—H 2 SO 4 aqueous solution for 4 hours. After washing twice with water, it was fixed to a stainless steel frame and dried at 50 ° C. The thickness of the obtained film was 35 μm, and the proton conductivity at 50 ° C. and 60% RH was 8.0 × 10 −3 S / cm. On the other hand, the proton conductivity of the membrane just heated at 200 ° C. for 30 minutes was 2.3 × 10 −3 S / cm under the same conditions.
(比較例1)
モノステアリルリン酸エステルトリエタノールアミン塩を添加しなかった以外は、実施例1と同様にして、製膜を行った。しかし、ステンレス板と強く密着しており、剥離を試みたが、端部から膜が裂けた。
(Comparative Example 1)
A film was formed in the same manner as in Example 1 except that the monostearyl phosphate ester triethanolamine salt was not added. However, it was in close contact with the stainless steel plate and tried to peel off, but the film was torn from the edge.
(実施例2)
ランダムコポリマーPRの合成
ビス(4−フルオロフェニル)スルホン 25.42g、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルホン 15.93g、4,4’−ビフェノール 6.77gを仕込み、ジメチルスルホキシド170mlとトルエン50mlを添加して窒素気流下、加熱、撹拌した。発生した水をトルエンと共に除去しながら175℃まで昇温し、その温度で16時間撹拌してポリマー溶液を調整した。溶液を多量の水に投入し、白色固体を析出させ、ろ別した。得られた固体を熱水中で2回、メタノール中で1回洗浄しポリマーPRを得た。得られたポリマーPRの溶液粘度ηsp/cは、0.53であった。
(Example 2)
Synthesis of random copolymer PR Bis (4-fluorophenyl) sulfone 25.42g, bis (4-hydroxyphenyl) sulfone 15.93g, 4,4'-biphenol 6.77g were added, dimethyl sulfoxide 170ml and toluene 50ml were added and nitrogen stream Under heating and stirring. While removing generated water together with toluene, the temperature was raised to 175 ° C., and the polymer solution was prepared by stirring at that temperature for 16 hours. The solution was poured into a large amount of water to precipitate a white solid and filtered off. The obtained solid was washed twice in hot water and once in methanol to obtain a polymer PR. The solution viscosity η sp / c of the obtained polymer PR was 0.53.
ランダムコポリマーPRのスルホン化
ランダムコポリマーPRを98%硫酸200mlに20g溶解し、室温で24時間撹拌した。溶液を多量の水に投入し、白色固体を析出させ、ろ別した。得られた固体を水中で5回洗浄し、ポリマーSPRを得た。得られたポリマーのイオン交換容量は、1.41mmol/gであった。後述の方法で得られた膜のTEM観察で、相分離構造が観察されず均一であったことから、ランダムコポリマーであることを確認した。
SPRを20重量%となるようにN,N−ジメチルアセトアミドに溶解し、セパール365(中京油脂)をポリマー成分に対し0.3重量%添加して、SPR溶液を調整した。この溶液をステンレス板(SUS304、厚み2mm、表面仕上げ0.8)上に流延し、130℃で1時間、熱風乾燥した。この膜は、ステンレス板から容易に剥離することが可能であった。この膜の厚みは、38μmであった。
20 g of sulfonated random copolymer PR of random copolymer PR was dissolved in 200 ml of 98% sulfuric acid and stirred at room temperature for 24 hours. The solution was poured into a large amount of water to precipitate a white solid and filtered off. The obtained solid was washed 5 times in water to obtain a polymer SPR. The ion exchange capacity of the obtained polymer was 1.41 mmol / g. By TEM observation of the film obtained by the method described later, the phase separation structure was not observed and was uniform, so that it was confirmed to be a random copolymer.
SPR was dissolved in N, N-dimethylacetamide so as to be 20% by weight, and Separ 365 (Chukyo Oil) was added at 0.3% by weight to the polymer component to prepare an SPR solution. This solution was cast on a stainless steel plate (SUS304, thickness 2 mm, surface finish 0.8) and dried with hot air at 130 ° C. for 1 hour. This film could be easily peeled from the stainless steel plate. The thickness of this film was 38 μm.
(比較例2)
セパール365(中京油脂)を添加しなかった以外は、実施例2と同様にして、製膜を行った。しかし、ステンレス板と強く密着しており、剥離を試みたが、端部から膜が裂けた。この膜の厚みは、37μmであった。
(Comparative Example 2)
A film was formed in the same manner as in Example 2 except that Separ 365 (Chukyo Oil) was not added. However, it was in close contact with the stainless steel plate and tried to peel off, but the film was torn from the edge. The thickness of this film was 37 μm.
(実施例3)
市販のポリ(オキシ−1,4−フェニレンオキシ−1,4−フェニレンカルボニル−1,4−フェニレン)(アルドリッチ、重量平均分子量約20,800、数平均分子量10,300、融点322℃)10gを98%硫酸100mlに溶解し、そのまま室温で45時間攪拌した。ポリマーを水で沈殿させ、洗浄水が中性になるまで大量の水で洗浄した。これを60℃で減圧乾燥し、スルホン化ポリエーテルエーテルケトンを得た。得られたポリマーのイオン交換容量は、1.54mmol/gであった。
得られたスルホン化ポリエーテルエーテルケトンを20重量%となるようにN−メチル−2−ピロリドンに溶解し、セパール365(中京油脂)をポリマー成分に対し、0.5重量%添加して、溶液を調整した。この溶液をステンレス板(SUS304、厚み2mm、表面仕上げ0.8)上に流延し、130℃で1時間、熱風乾燥した。この膜は、ステンレス板から容易に剥離することが可能であった。この膜の厚みは、30μmであった。
(Example 3)
10 g of commercially available poly (oxy-1,4-phenyleneoxy-1,4-phenylenecarbonyl-1,4-phenylene) (Aldrich, weight average molecular weight about 20,800, number average molecular weight 10,300, melting point 322 ° C.) The product was dissolved in 100 ml of 98% sulfuric acid and stirred at room temperature for 45 hours. The polymer was precipitated with water and washed with a large amount of water until the wash water was neutral. This was dried under reduced pressure at 60 ° C. to obtain a sulfonated polyetheretherketone. The ion exchange capacity of the obtained polymer was 1.54 mmol / g.
The obtained sulfonated polyetheretherketone was dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone so as to be 20% by weight, and 0.5% by weight of Separ 365 (Chukyo Oil) was added to the polymer component to prepare a solution. did. This solution was cast on a stainless steel plate (SUS304, thickness 2 mm, surface finish 0.8) and dried with hot air at 130 ° C. for 1 hour. This film could be easily peeled from the stainless steel plate. The thickness of this film was 30 μm.
(比較例3)
セパール365(中京油脂)を添加しなかった以外は、実施例3と同様にして、製膜を行った。しかし、ステンレス板と強く密着しており、剥離を試みたが、端部から膜が裂けた。この膜の厚みは、33μmであった。
(Comparative Example 3)
A film was formed in the same manner as in Example 3 except that Separ 365 (Chukyo Oil) was not added. However, it was in close contact with the stainless steel plate and tried to peel off, but the film was torn from the edge. The thickness of this film was 33 μm.
(実施例4)
1、4、5、8-ナフタレンテトラカルボン酸二無水物13.41g、次の化学式、
の構造を有する芳香族ジアミン17.62g、1、3-ビス(4-アミノフェノキシ)ベンゼン4.87g、m-クレゾール155g、トリエチルアミン12gを窒素気流(30mL/分)下、80℃で均一溶液になるまで攪拌した。温度を175℃まで昇温し、24時間攪拌し、スルホン化ポリイミド溶液を得た。得られた粘稠溶液(固形分20.8重量%、スルホン酸基がトリエチルアミン塩型で計算した)100gに、セパール365(中京油脂)をポリマー成分に対し、0.2重量%添加して、溶液を調整した。この溶液を、ステンレス板(SUS304、厚み2mm、表面仕上げ0.8)上に流延し、130℃で1時間、熱風乾燥した。この膜は、ステンレス板から容易に剥離することが可能であった。この膜の厚みは、27μmであった。
Example 4
1,4,5,8-naphthalenetetracarboxylic dianhydride 13.41g,
17.62 g of aromatic diamine having the following structure, 4.87 g of 1,3-bis (4-aminophenoxy) benzene, 155 g of m-cresol, and 12 g of triethylamine until a homogeneous solution is obtained at 80 ° C. under a nitrogen stream (30 mL / min). Stir. The temperature was raised to 175 ° C. and stirred for 24 hours to obtain a sulfonated polyimide solution. To 100 g of the obtained viscous solution (solid content: 20.8 wt%, sulfonic acid group calculated in triethylamine salt form), 0.2% by weight of Separ 365 (Chukyo Oil) was added to the polymer component to prepare a solution. . This solution was cast on a stainless steel plate (SUS304, thickness 2 mm, surface finish 0.8) and dried with hot air at 130 ° C. for 1 hour. This film could be easily peeled from the stainless steel plate. The thickness of this film was 27 μm.
(比較例4)
セパール365(中京油脂)を添加しなかった以外は、実施例4と同様にして、製膜を行った。しかし、ステンレス板と強く密着しており、剥離を試みたが、膜が切れて、剥離することができなかった。この膜の厚みは、27μmであった。
(Comparative Example 4)
A film was formed in the same manner as in Example 4 except that Separ 365 (Chukyo Oil) was not added. However, it was in close contact with the stainless steel plate, and peeling was attempted, but the film was cut and could not be peeled off. The thickness of this film was 27 μm.
(合成例1)
3,3’−ジスルホ−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホンのナトリウム塩の合成。
ビス(4−フルオロフェニル)スルホン120gと30%発煙硫酸250gとをフラスコに仕込み、撹拌しながら110℃で6時間加熱した。得られた溶液を、氷水に徐々に投入し、食塩を加えて固形分を析出させた。得られた固形分を再度水に溶解し、NaOHで中和後、食塩を加えて固形分を析出させた。2-プロパノール/水(7/3)から2度再結晶し、乾燥して白色固体を得た。得られた白色個体は、H-NMRで7.4〜7.5ppm、7.9〜8.0ppm、8.1〜8.2ppmに、積分強度が1:1:1のシグナルが観察され、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホンのナトリウム塩であることを確認した。
(Synthesis Example 1)
Synthesis of sodium salt of 3,3′-disulfo-4,4′-difluorodiphenylsulfone.
120 g of bis (4-fluorophenyl) sulfone and 250 g of 30% fuming sulfuric acid were charged into a flask and heated at 110 ° C. for 6 hours with stirring. The obtained solution was gradually poured into ice water, and sodium chloride was added to precipitate a solid content. The obtained solid content was dissolved again in water, neutralized with NaOH, and sodium chloride was added to precipitate the solid content. Recrystallized twice from 2-propanol / water (7/3) and dried to give a white solid. In the obtained white solid, a signal with an integrated intensity of 1: 1: 1 was observed at 7.4 to 7.5 ppm, 7.9 to 8.0 ppm, and 8.1 to 8.2 ppm by H-NMR, and 3,3′-disulfo-4, It was confirmed that it was a sodium salt of 4′-difluorodiphenylsulfone.
(実施例5)
ポリエーテルスルホンブロック共重合体PB2の重合
撹拌機、水分定量器、温度計、窒素導入管の付いた4つ口フラスコ中に、ビス(4−フルオロフェニル)スルホン10.17g、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホンのナトリウム塩27.5g、4,4−ビフェノール18.9gおよび炭酸カリウム17.5gを仕込み、ジメチルスルホキシド210mlとトルエン50mlを添加して窒素気流下、加熱、撹拌した。発生した水をトルエンと共に除去しながら175℃まで昇温し、その温度で16時間撹拌して親水性プレポリマーHP2溶液を調整した。別に、ビス(4−フルオロフェニル)スルホン81.47g、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルホン78.99g、炭酸カリウム52gを仕込み、ジメチルスルホキシド600mlとトルエン50mlを添加して窒素気流下、加熱、撹拌した。発生した水をトルエンと共に除去しながら175℃まで昇温し、その温度で16時間撹拌して疎水性プレポリマーSP2溶液を調整した。このSP2溶液をHP2溶液に添加し、170℃で、1.5時間撹拌した。溶液を多量の水に投入し、白色固体を析出させ、ろ別した。得られた固体を熱水中で2回、メタノール中で1回洗浄しブロック共重合体PB2を得た。得られたポリマーの溶液粘度ηsp/cは、0.61dl/gであった。また、イオン交換容量は、0.59mmol/gであった。
(Example 5)
Polymerization of polyethersulfone block copolymer PB2 In a four-necked flask equipped with a stirrer, moisture meter, thermometer, and nitrogen introduction tube, 10.17 g of bis (4-fluorophenyl) sulfone, 3,3′-disulfo A sodium salt of -4,4'-difluorodiphenyl sulfone (27.5 g), 4,4-biphenol (18.9 g) and potassium carbonate (17.5 g) were charged, dimethyl sulfoxide (210 ml) and toluene (50 ml) were added, and the mixture was heated and stirred under a nitrogen stream. While removing generated water together with toluene, the temperature was raised to 175 ° C., and the mixture was stirred at that temperature for 16 hours to prepare a hydrophilic prepolymer HP2 solution. Separately, 81.47 g of bis (4-fluorophenyl) sulfone, 78.99 g of bis (4-hydroxyphenyl) sulfone, and 52 g of potassium carbonate were added, 600 ml of dimethyl sulfoxide and 50 ml of toluene were added, and the mixture was heated and stirred under a nitrogen stream. While removing generated water together with toluene, the temperature was raised to 175 ° C., and the mixture was stirred at that temperature for 16 hours to prepare a hydrophobic prepolymer SP2 solution. This SP2 solution was added to the HP2 solution and stirred at 170 ° C. for 1.5 hours. The solution was poured into a large amount of water to precipitate a white solid and filtered off. The obtained solid was washed twice in hot water and once in methanol to obtain a block copolymer PB2. The solution viscosity η sp / c of the obtained polymer was 0.61 dl / g. The ion exchange capacity was 0.59 mmol / g.
ブロック共重合体PB2のスルホン化(SPB2の合成)
ブロック共重合体PB2を98%硫酸200mLに20g溶解し、室温で24時間撹拌した。溶液を多量の水に投入し、白色固体を析出させ、ろ別した。得られた固体を水中で5回洗浄し、親水性セグメントが、化学式(7)
[式中、pとqは、各構造単位のモル分率を示し、p=0.6、q=0.4である。]
で表されるランダム共重合体の構造であり、疎水性セグメントが、化学式(8)
で表される構造単位を有するスルホン化ブロック共重合体SPB2を得た。得られたポリマーのイオン交換容量は、1.46mmol/gであった。ブレンド物ならばスルホン化後水洗すると、水溶性親水性ポリマーが除去されイオン交換容量が大きく低下する。しかし、SPB2のイオン交換容量は、スルホン化前のPB2のビフェノール残基の各芳香環に1個づつスルホン酸基が導入したとして計算されるイオン交換容量1.49mmol/gとほぼ一致している。このことはSPB2はブレンド物ではなく、親水性セグメントと疎水性セグメントが結合していることを示している。また、後述と同様の方法で得られたSPB2膜のTEM観察で、相分離構造が見られたことから、SBP2は、ブロック共重合体である。疎水性セグメントはこのスルホン化条件ではスルホン化されないため、親水性セグメントのみがスルホン酸基を有する構造である。
Sulfonation of block copolymer PB2 (synthesis of SPB2)
20 g of block copolymer PB2 was dissolved in 200 mL of 98% sulfuric acid and stirred at room temperature for 24 hours. The solution was poured into a large amount of water to precipitate a white solid and filtered off. The obtained solid was washed 5 times in water, and the hydrophilic segment was represented by the chemical formula (7)
[Wherein, p and q represent the mole fraction of each structural unit, and p = 0.6 and q = 0.4. ]
The hydrophobic segment is a structure of a random copolymer represented by the chemical formula (8)
A sulfonated block copolymer SPB2 having a structural unit represented by the formula: The ion exchange capacity of the obtained polymer was 1.46 mmol / g. If the blend is washed with water after sulfonation, the water-soluble hydrophilic polymer is removed and the ion exchange capacity is greatly reduced. However, the ion exchange capacity of SPB2 is almost the same as the ion exchange capacity of 1.49 mmol / g calculated as one sulfonic acid group introduced into each aromatic ring of the biphenol residue of PB2 before sulfonation. This indicates that SPB2 is not a blend but a hydrophilic segment and a hydrophobic segment are bonded. Further, SBP2 is a block copolymer because a phase separation structure was observed by TEM observation of the SPB2 film obtained by the same method as described later. Since the hydrophobic segment is not sulfonated under this sulfonation condition, only the hydrophilic segment has a structure having a sulfonic acid group.
<製膜>
SPB2およびセパール365(中京油脂)をポリマー成分に対し、0.5重量%添加して、20重量%となるようにN,N−ジメチルアセトアミドに溶解し、溶液を調整した。この溶液をステンレス板(SUS304、厚み2mm、表面仕上げ0.8)上に流延し、130℃で1時間、熱風乾燥した。この膜は、ステンレス板から容易に剥離することが可能であった。この膜の厚みは、24μmであった。
<Film formation>
SPB2 and Separ 365 (Chukyo Yushi) were added in an amount of 0.5% by weight to the polymer component and dissolved in N, N-dimethylacetamide so as to be 20% by weight to prepare a solution. This solution was cast on a stainless steel plate (SUS304, thickness 2 mm, surface finish 0.8) and dried with hot air at 130 ° C. for 1 hour. This film could be easily peeled from the stainless steel plate. The thickness of this film was 24 μm.
(比較例5)
セパール365(中京油脂)を添加しなかった以外は、実施例3と同様にして、製膜を行った。しかし、ステンレス板と強く密着しており、剥離を試みたが、端部から膜が裂け、また、一部引き伸ばされた大きな変形が見られた。この膜の厚みは、27μmであった。
(Comparative Example 5)
A film was formed in the same manner as in Example 3 except that Separ 365 (Chukyo Oil) was not added. However, although it was in close contact with the stainless steel plate, peeling was attempted, but the film was torn from the end, and a large deformation was partially stretched. The thickness of this film was 27 μm.
Claims (9)
A polymer electrolyte membrane which is characterized by being manufactured by the manufacturing method of the polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 8.
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