JP5369401B2 - ION CONDUCTIVE POLYMER SUBSTANCE, PROCESS FOR PRODUCING THE SAME AND ION CONDUCTIVE POLYMER DERIVATIVE - Google Patents
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Description
本発明は、一次電池、二次電池、燃料電池等の電解質膜、表示素子、各種センサー、信号伝達媒体、固体コンデンサー、イオン交換膜等に好適に使用し得るイオン伝導性高分子物質及びその製造方法並びにこの高分子物質から得られるイオン伝導性高分子誘導体に関する。 The present invention relates to an ion conductive polymer material that can be suitably used for electrolyte membranes such as primary batteries, secondary batteries, fuel cells, display elements, various sensors, signal transmission media, solid capacitors, ion exchange membranes, and the like, and production thereof. The present invention relates to a method and an ion conductive polymer derivative obtained from the polymer substance.
イオン伝導性高分子として、いわゆる陽イオン交換樹脂に属するポリマーは、ポリスチレンスルホン酸、ポリビニルスルホン酸、パーフルオロスルホン酸ポリマー等が報告されている。こうしたスルホン酸基を有する高分子材料は、特定のイオンと強固に結合したり、陽イオン又は陰イオンを選択的に透過したりする性質を有しているので、電気透析膜、拡散透析膜、電池隔膜等、各種の用途に利用されている。 As a polymer belonging to a so-called cation exchange resin as an ion conductive polymer, polystyrene sulfonic acid, polyvinyl sulfonic acid, perfluorosulfonic acid polymer and the like have been reported. Since such a polymer material having a sulfonic acid group has a property of firmly binding to a specific ion or selectively permeating a cation or an anion, an electrodialysis membrane, a diffusion dialysis membrane, It is used for various applications such as battery diaphragms.
Nafion(DuPont社製)の商標で知られるパーフルオロ骨格の側鎖にスルホン酸基を有するフッ素系高分子は、耐熱性及び耐薬品性に優れ、苛酷な条件下での使用に耐えるため、電解質膜として実用化されている。しかし、こうしたフッ素系電解質膜は、フッ素系高分子の製造が困難であるため、非常に高価であるという問題を抱えている。 Fluoropolymers having a sulfonic acid group in the side chain of the perfluoro skeleton known by the trademark Nafion (manufactured by DuPont) have excellent heat resistance and chemical resistance, and can withstand use under severe conditions. Practical use as a film. However, such a fluorine-based electrolyte membrane has a problem that it is very expensive because it is difficult to produce a fluorine-based polymer.
現在のプロトン伝導性膜では、プロトン伝達の役割を担う物質として水の存在が必須であるため、Nafionは、含水状態においては室温で10-4〜10-2S/cmという高い導電性を示すものの、イオン交換容量が1.0meq/g程度と低いため、水のない状態においては低い導電性しか示さないし、その膜中の水の含有量によりプロトン伝導性能が大きく左右されるという問題点も持っている。 In the current proton-conducting membrane, water must be present as a substance that plays a role in proton transmission. Therefore, Nafion exhibits a high conductivity of 10 −4 to 10 −2 S / cm at room temperature in a water-containing state. However, since the ion exchange capacity is as low as about 1.0 meq / g, it exhibits only low conductivity in the absence of water, and the proton conductivity is greatly affected by the water content in the membrane. have.
つまり、現在のように室温から80℃程度で運転する場合においても、水が必須であるという点は大きな課題の一つである。常時水を存在させるためには、例えば水素等の燃料を加湿状態にして送り込む必要があるため、こうした加湿による膜中の厳密かつ複雑な水分量管理が必要なこと自体が、燃料電池の構造を複雑化させ、故障等の原因となっている。 That is, even when operating from room temperature to about 80 ° C. as in the present, the fact that water is essential is one of the major issues. In order for water to be present at all times, for example, fuel such as hydrogen needs to be sent in a humidified state. Therefore, the strict and complicated management of the amount of water in the membrane by such humidification itself is necessary. It is complicated and causes failure.
このため、含水状態において高い導電性を有すると共に、低湿度状態においても高い導電性を有する、しかも環境上安全な溶媒を用いて低コストで製造できる高分子を用いた電解質膜が望まれている。 Therefore, an electrolyte membrane using a polymer that has high conductivity in a water-containing state and high conductivity in a low humidity state and that can be manufactured at low cost using an environmentally safe solvent is desired. .
特開2006−313659号公報(特許文献1)は、分子内にアルコキシシリル基を有する重合性モノマーを、放射線を照射した樹脂にグラフト重合させた高分子電解質膜を製造する方法が提案されている。この高分子からなる電解質膜は、このグラフトアルコキシシリル基を加水分解、脱水縮合することで、導電性が高く、寸法安定性及びメタノール透過防止性にも優れているものの、膜製造法の点で問題が多く、電子線照射装置という煩雑で高価な装置を使用する必要があり、安価な電解質膜の製造方法は得られていない。つまり、簡便で安価な分子内にアルコキシシリル基を有する電解質膜の製造方法が求められている。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-313659 (Patent Document 1) proposes a method for producing a polymer electrolyte membrane obtained by graft polymerization of a polymerizable monomer having an alkoxysilyl group in a molecule to a resin irradiated with radiation. . The electrolyte membrane made of this polymer is highly conductive, hydrolyzed and dehydrated by condensing this graft alkoxysilyl group, but is excellent in dimensional stability and methanol permeation prevention. There are many problems, and it is necessary to use a complicated and expensive apparatus such as an electron beam irradiation apparatus, and an inexpensive method for producing an electrolyte membrane has not been obtained. That is, a simple and inexpensive method for producing an electrolyte membrane having an alkoxysilyl group in the molecule is desired.
特開2005−82768号公報(特許文献2)は、分子内にスルホン酸基及び/又はカルボキシル基を有する水溶性導電性ポリマーにアルコキシシラン誘導体を必須成分として混合した導電性組成物を提案している。この膜は、比較的安価に耐水特性の改善された高分子化合物を製造することができるものの、導電性が著しく低く、従来からある電解質膜にはるかに及ばない。つまり、電解質膜の導電性について一層の向上が求められている。 Japanese Patent Laying-Open No. 2005-82768 (Patent Document 2) proposes a conductive composition in which an alkoxysilane derivative is mixed as an essential component with a water-soluble conductive polymer having a sulfonic acid group and / or a carboxyl group in the molecule. Yes. Although this membrane can produce a polymer compound with improved water resistance at a relatively low cost, it has a remarkably low electrical conductivity and is far below conventional electrolyte membranes. That is, further improvement is required for the conductivity of the electrolyte membrane.
特開2006−100241号公報(特許文献3)は、分子内にスルホン酸基、ホスホン酸基、カルボキシル基を有するモノマーと分子内にアミド基等の塩基性を有するモノマーとの共重合体とポリイミドからなる固体高分子電解質膜を提案している。この共重合体は、重合溶媒として、ジメチルスルホキサイド(DMSO)のような高価で高沸点の溶剤を使用しており、ポリマーの望ましい製造のためには、環境上安全な溶媒を用いて安価に製造できる合成法が望まれていた。 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2006-100214 (Patent Document 3) discloses a copolymer of a monomer having a sulfonic acid group, a phosphonic acid group or a carboxyl group in the molecule and a basic monomer such as an amide group in the molecule, and a polyimide. The solid polymer electrolyte membrane which consists of is proposed. This copolymer uses an expensive and high boiling point solvent such as dimethyl sulfoxide (DMSO) as a polymerization solvent, and is inexpensive using an environmentally safe solvent for desirable polymer production. Therefore, a synthetic method that can be easily produced has been desired.
本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、燃料電池等に使用するのに実用上必要な膜強度を与え、含水状態において高い導電性を与えると共に、低湿度状態においても高い導電性を与えるイオン伝導性膜を形成でき、かつ環境上安全な溶媒を用いて安価に製造できるイオン伝導性高分子物質及びその誘導体並びにその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides film strength necessary for practical use in fuel cells and the like, and provides high conductivity in a water-containing state and also high conductivity in a low humidity state. It is an object of the present invention to provide an ion conductive polymer substance and a derivative thereof which can form an ion conductive film and can be manufactured at low cost using an environmentally safe solvent and a method for manufacturing the same.
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討を重ねた結果、(A)アルコキシシリル基とエチレン性不飽和結合とを有するアルコキシシリル基含有不飽和モノマーと、(B)スルホン酸基とエチレン性不飽和結合とを有するスルホン酸基含有不飽和モノマーとを含む不飽和モノマーを、親油性触媒と親水性触媒を併用して共重合することで、効率よく、かつ環境上安全な溶媒を用いてイオン伝導性高分子物質を製造できることを知見した。更に、得られたイオン伝導性高分子物質の誘導体は、水不溶性で、プロトン伝導性が高く、プロトン伝導性の湿度依存性が低く、低湿度状態においても高い導電性を有することを知見した。 As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have obtained (A) an alkoxysilyl group-containing unsaturated monomer having an alkoxysilyl group and an ethylenically unsaturated bond, and (B) a sulfonic acid group. And an environmentally safe solvent by copolymerizing an unsaturated monomer containing a sulfonic acid group-containing unsaturated monomer having an ethylenically unsaturated bond with a lipophilic catalyst and a hydrophilic catalyst It was found that an ion conductive polymer material can be produced using Furthermore, it has been found that the obtained derivative of the ion conductive polymer substance is insoluble in water, has high proton conductivity, low humidity dependency of proton conductivity, and has high conductivity even in a low humidity state.
即ち、このイオン伝導性高分子物質は、アルコキシシリル基を有しているため、(部分)加水分解・縮合で架橋することで可撓性を持つ膜を形成でき、こうして得られたイオン伝導性高分子誘導体からなる膜は、実用上十分な膜強度を持ち、低湿度においてもイオン導電性が際立って大きいため、燃料電池用電解質膜の原料として利用した場合に、優れた特性を発現できることを見出し、本発明をなすに至った。
なお、(部分)加水分解・縮合とは、アルコキシシリル基の一部又は全部が加水分解・縮合されたことを示す。
In other words, since this ion conductive polymer substance has an alkoxysilyl group, a flexible membrane can be formed by crosslinking by (partial) hydrolysis / condensation. Membranes made of polymer derivatives have practically sufficient membrane strength, and their ionic conductivity is remarkably large even at low humidity, so that they can exhibit excellent characteristics when used as a raw material for fuel cell electrolyte membranes. The headline and the present invention were made.
In addition, (partial) hydrolysis / condensation indicates that part or all of the alkoxysilyl group is hydrolyzed / condensed.
従って、本発明は、
(A)下記一般式(1)
で示される分子内に1個以上のアルコキシシリル基と1個以上のエチレン性不飽和結合とを有するアルコキシシリル基含有不飽和モノマーと、
(B)2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸と
が共重合されてなり、1質量%ジメチルホルムアミド溶液のゲルパーミエーションクロマトグラフィーによるポリスチレン換算重量平均分子量が20,000〜1,000,000であることを特徴とするイオン伝導性高分子物質を提供する。
また、このイオン伝導性高分子物質のアルコキシシリル基の一部又は全部を加水分解・縮合することにより得られる水不溶性のイオン伝導性高分子誘導体を提供する。
Therefore, the present invention
(A) The following general formula (1)
An alkoxysilyl group-containing unsaturated monomer having one or more alkoxysilyl groups and one or more ethylenically unsaturated bonds in the molecule represented by
(B) 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid is copolymerized, and the weight average molecular weight in terms of polystyrene by gel permeation chromatography of a 1 mass% dimethylformamide solution is 20,000 to 1,000,000. There is provided an ion-conducting polymer material.
Also provided is a water-insoluble ion conductive polymer derivative obtained by hydrolyzing and condensing a part or all of the alkoxysilyl group of the ion conductive polymer substance.
従来、酸基含有不飽和モノマーを主成分として重合して得られる重合体は、水溶性になるため、水に浸漬した場合溶出を起こし、経時で導電性が劣化する技術的問題があったが、本発明は、水への溶け出し防止のためにアルコキシシリル基を含有するモノマーを、スルホン酸基を含有するモノマーと共重合した。これは、親水性触媒に親油性触媒を併用することにより、親油性のケイ素官能基(アルコキシシリル基)を持つモノマーを、親水性の酸基含有モノマーに共重合できたことによるものである。 Conventionally, a polymer obtained by polymerizing an acid group-containing unsaturated monomer as a main component becomes water-soluble, so that when it is immersed in water, elution occurs, and there has been a technical problem that conductivity deteriorates over time. In the present invention, a monomer containing an alkoxysilyl group is copolymerized with a monomer containing a sulfonic acid group in order to prevent dissolution into water. This is because a monomer having a lipophilic silicon functional group (alkoxysilyl group) can be copolymerized with a hydrophilic acid group-containing monomer by using a lipophilic catalyst in combination with the hydrophilic catalyst.
このような製造方法により得られる本発明のアルコキシシリル基及びスルホン酸基を含有するイオン伝導性高分子物質は、重合時は脂肪族低級アルコール等の適当な溶剤に溶解させることができるが、製膜した後はアルコキシシリル基の(部分)加水分解・縮合により水に不溶化し、電解質膜として使用できる。また、溶媒として脂肪族低級アルコールを用いることができるので、環境上安全に製造することができる。 The ion conductive polymer material containing an alkoxysilyl group and a sulfonic acid group of the present invention obtained by such a production method can be dissolved in a suitable solvent such as an aliphatic lower alcohol during polymerization. After film formation, it is insolubilized in water by (partial) hydrolysis / condensation of alkoxysilyl groups and can be used as an electrolyte film. Moreover, since an aliphatic lower alcohol can be used as a solvent, it can manufacture safely on an environment.
本発明によれば、イオン伝導性高分子物質を用いてプロトン伝導材料として有効に使用されるイオン伝導性高分子物質の誘導体が得られる。本発明のイオン伝導性高分子物質の誘導体は、ガラス繊維のような補強剤を用いなくても実用上十分な機械的強度に優れる。 According to the present invention, a derivative of an ion conductive polymer substance that is effectively used as a proton conductive material can be obtained using the ion conductive polymer substance. The derivative of the ion conductive polymer material of the present invention is excellent in practically sufficient mechanical strength without using a reinforcing agent such as glass fiber.
本発明のイオン伝導性高分子物質の誘導体からなる膜は、製造が容易で低コストであり、特に、ホスホン酸基含有不飽和モノマーとスルホン酸基含有不飽和モノマーを併用した場合、高いイオン交換容量が得られ、相対湿度30〜100%という広い湿度範囲において導電率が10-3〜10-1S/cmの優れたプロトン伝導性を有し、湿度変化によるプロトン伝導性能の変動が小さい膜を得ることができる。
そのため、一次電池用電解質、二次電池用電解質、燃料電池用電解質、表示素子、各種センサー、信号伝達媒体、固体コンデンサー、イオン交換膜の素材などに好適に利用できる。
The membrane made of the derivative of the ion conductive polymer material of the present invention is easy to manufacture and low in cost. In particular, when a phosphonic acid group-containing unsaturated monomer and a sulfonic acid group-containing unsaturated monomer are used in combination, high ion exchange Capacitance obtained, excellent proton conductivity with a conductivity of 10 −3 to 10 −1 S / cm in a wide humidity range of 30 to 100% relative humidity, and small fluctuation in proton conductivity performance due to humidity change Can be obtained.
Therefore, it can be suitably used as a material for primary battery electrolytes, secondary battery electrolytes, fuel cell electrolytes, display elements, various sensors, signal transmission media, solid capacitors, ion exchange membranes, and the like.
本発明のイオン伝導性高分子物質とその誘導体及びその製造方法について詳細に説明する。
[1] イオン伝導性高分子物質の原料
本発明のイオン伝導性高分子物質は、(A)分子内に1個以上のアルコキシシリル基と1個以上のエチレン性不飽和結合とを有するアルコキシシリル基含有不飽和モノマーと、(B)分子内に1個以上のスルホン酸基と1個以上のエチレン性不飽和結合とを有するスルホン酸基含有不飽和モノマーとを共重合した高分子物質である。
(A)成分の導入は、アルコキシシリル基を(部分)加水分解・縮合させることにより水に対する不溶化・耐水性向上を目的とし、(B)成分の導入は、イオン伝導性の発現を行うためのものである。
The ion-conducting polymer substance, derivative thereof and production method thereof of the present invention will be described in detail.
[1] Raw Material for Ion Conductive Polymer Substance The ion conductive polymer substance of the present invention is (A) an alkoxysilyl having one or more alkoxysilyl groups and one or more ethylenically unsaturated bonds in the molecule. A polymer material obtained by copolymerizing a group-containing unsaturated monomer and (B) a sulfonic acid group-containing unsaturated monomer having one or more sulfonic acid groups and one or more ethylenically unsaturated bonds in the molecule. .
The introduction of component (A) is intended to insolubilize water and improve water resistance by (partially) hydrolyzing and condensing the alkoxysilyl group, and the introduction of component (B) is for ionic conductivity. Is.
(A)アルコキシシリル基含有不飽和モノマー
(A)分子内に1個以上のアルコキシシリル基と1個以上のエチレン性不飽和結合とを有するアルコキシシリル基含有不飽和モノマーは、以後アルコキシシリル基含有不飽和モノマーと略記する。
(A) alkoxysilyl group-containing unsaturated monomer (A) alkoxysilyl group-containing unsaturated monomer having one or more alkoxysilyl groups and one or more ethylenically unsaturated bonds in the molecule Abbreviated as unsaturated monomer.
アルコキシシリル基としては、炭素数1〜6のアルコキシ基を1,2又は3個有するものが好ましく、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、ブトキシ基などのアルコキシ基を有するトリアルコキシシリル基、ジアルコキシアルキルシリル基、モノアルコキシジアルキルシリル基が挙げられる。なお、アルキル基としては、炭素数1〜6のものが挙げられる。
エチレン性不飽和結合としては、メタクリロキシ基やアクリロキシ基などがある。アルコキシシリル基含有不飽和モノマーとしては、こうした基を持つエステルや、アミドが挙げられ、(メタ)アクリロキシ基あるいは(メタ)アクリルアミド基などを含有するシラン化合物が望ましい。
As the alkoxysilyl group, those having 1, 2 or 3 carbon atoms having 1 to 6 carbon atoms are preferable, trialkoxysilyl groups having a alkoxy group such as methoxy group, ethoxy group, propoxy group, butoxy group, dialkoxy. Examples include alkylsilyl groups and monoalkoxydialkylsilyl groups. In addition, as an alkyl group, a C1-C6 thing is mentioned.
Examples of the ethylenically unsaturated bond include a methacryloxy group and an acryloxy group. Examples of the alkoxysilyl group-containing unsaturated monomer include esters and amides having such a group, and a silane compound containing a (meth) acryloxy group or a (meth) acrylamide group is desirable.
メタクリロキシ基あるいはアクリロキシ基を含有するシラン化合物としては、γ−メタクリロキシプロピルメチルジメトキシシラン、γ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、γ−メタクリロキシプロピルメチルジエトキシシラン、γ−メタクリロキシプロピルトリエトキシシラン、γ−アクリロキシプロピルメチルジメトキシシラン、γ−アクリロキシプロピルトリメトキシシラン、γ−アクリロキシプロピルメチルジエトキシシラン、γ−アクリロキシプロピルトリエトキシシラン等が挙げられる。 Examples of silane compounds containing a methacryloxy group or an acryloxy group include γ-methacryloxypropylmethyldimethoxysilane, γ-methacryloxypropyltrimethoxysilane, γ-methacryloxypropylmethyldiethoxysilane, γ-methacryloxypropyltriethoxysilane, Examples include γ-acryloxypropylmethyldimethoxysilane, γ-acryloxypropyltrimethoxysilane, γ-acryloxypropylmethyldiethoxysilane, and γ-acryloxypropyltriethoxysilane.
メタクリルアミド基あるいはアクリルアミド基を含有するシラン化合物としては、γ−メタクリルアミドプロピルメチルジメトキシシラン、γ−メタクリルアミドプロピルトリメトキシシラン、γ−メタクリルアミドプロピルメチルジエトキシシラン、γ−メタクリルアミドプロピルトリエトキシシラン、γ−アクリルアミドプロピルメチルジメトキシシラン、γ−アクリルアミドプロピルトリメトキシシラン、γ−アクリルアミドプロピルメチルジエトキシシラン、γ−アクリルアミドプロピルトリエトキシシラン等が挙げられる。 Examples of silane compounds containing a methacrylamide group or an acrylamide group include γ-methacrylamideamidopropyldimethoxysilane, γ-methacrylamideamidotrimethoxysilane, γ-methacrylamidopropylmethyldiethoxysilane, and γ-methacrylamideamidopropyltriethoxysilane. Γ-acrylamidopropylmethyldimethoxysilane, γ-acrylamidopropyltrimethoxysilane, γ-acrylamidopropylmethyldiethoxysilane, γ-acrylamidopropyltriethoxysilane, and the like.
アルコキシシリル基含有不飽和モノマーは、1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよいが、スルホン酸基含有不飽和モノマーと共重合するため、加水分解に対し抵抗のある(メタ)アクリルアミド基などを含有するシラン化合物が最も望ましい。 The alkoxysilyl group-containing unsaturated monomer may be used alone or in combination of two or more. However, since it is copolymerized with the sulfonic acid group-containing unsaturated monomer, it is resistant to hydrolysis. A silane compound containing a (meth) acrylamide group is most desirable.
とりわけ、(A)アルコキシシリル基含有不飽和モノマーの望ましい構造は、下記一般式(1)により表されるものである。
上記式中、R2〜R4の置換もしくは非置換のアルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基等の炭素数1〜6のものが挙げられる。 In the above formula, examples of the substituted or unsubstituted alkyl group represented by R 2 to R 4 include those having 1 to 6 carbon atoms such as methyl group, ethyl group, propyl group, butyl group, pentyl group, and hexyl group. It is done.
(B)スルホン酸基含有不飽和モノマー
本発明に用いる(B)分子内に1個以上のスルホン酸基と1個以上のエチレン性不飽和結合とを有するスルホン酸基含有不飽和モノマーは、以後スルホン酸基含有不飽和モノマーと略記する。
スルホン酸基含有不飽和モノマーとしては、スチリル基、メタクリロキシ基又はアクリロキシ基を含有するスルホン酸あるいはスルホン酸基含有メタクリルアミド誘導体又はアクリルアミド誘導体が挙げられる。スルホン酸基含有不飽和モノマーは、プロトンの生成が起こりやすく、しかも切断を起こしにくいアミド結合を持ったものが好ましい。
(B) Sulfonic acid group-containing unsaturated monomer (B) A sulfonic acid group-containing unsaturated monomer having one or more sulfonic acid groups and one or more ethylenically unsaturated bonds in the molecule is used in the present invention. Abbreviated as sulfonic acid group-containing unsaturated monomer.
Examples of the sulfonic acid group-containing unsaturated monomer include a sulfonic acid containing a styryl group, a methacryloxy group or an acryloxy group, a sulfonic acid group-containing methacrylamide derivative or an acrylamide derivative. The sulfonic acid group-containing unsaturated monomer is preferably a monomer having an amide bond that easily generates protons and that does not easily cleave.
スルホン酸基を含有する不飽和モノマーの例示化合物としては、ビニルスルホン酸、p−スチレンスルホン酸、(メタ)アクリル酸ブチル−4−スルホン酸、(メタ)アクリロオキシベンゼンスルホン酸、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸(別名:ターシャリーブチルアクリルアミドスルホン酸)等が挙げられる。好ましくはp−スチレンスルホン酸及び2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸であり、特には2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸が好ましいが、本発明に使用できるスルホン酸基含有不飽和モノマーはこれらに限定されるものではない。 Illustrative compounds of unsaturated monomers containing sulfonic acid groups include vinyl sulfonic acid, p-styrene sulfonic acid, (meth) acrylic acid butyl-4-sulfonic acid, (meth) acrylooxybenzene sulfonic acid, 2-acrylamide. -2-methylpropane sulfonic acid (also known as tertiary butyl acrylamide sulfonic acid). P-styrene sulfonic acid and 2-acrylamido-2-methylpropane sulfonic acid are preferred, and 2-acrylamido-2-methylpropane sulfonic acid is particularly preferred, but the sulfonic acid group-containing unsaturated monomer that can be used in the present invention is It is not limited to these.
その他の酸基含有不飽和モノマー
本発明のイオン伝導性高分子物質は、ポリマー中に酸基含有成分を共重合して生まれるものであり、酸基としてスルホン酸基の他、リン酸(ホスホン酸基)やカルボン酸基を持つ不飽和モノマーを利用できる。中でも、分子内に1個以上のホスホン酸基と1個以上のエチレン性不飽和結合とを有するホスホン酸基含有不飽和モノマー(C)は、プロトンの解離性がスルホン酸に次いで高く、イオン交換容量を多くでき、低湿度でのイオン伝導性を上げることができる。
Other Acid Group-Containing Unsaturated Monomer The ion conductive polymer material of the present invention is produced by copolymerizing an acid group-containing component in a polymer. In addition to a sulfonic acid group as an acid group, phosphoric acid (phosphonic acid) Group) or an unsaturated monomer having a carboxylic acid group. Among them, the phosphonic acid group-containing unsaturated monomer (C) having one or more phosphonic acid groups and one or more ethylenically unsaturated bonds in the molecule has the second highest proton dissociation property after sulfonic acid and ion exchange. Capacitance can be increased and ion conductivity at low humidity can be increased.
ホスホン酸基を含有する不飽和モノマーとしては、メタクリロキシ基又はアクリロキシ基を含有するリン酸エステル、ホスホン酸基含有メタクリルアミド誘導体又はアクリルアミド誘導体が挙げられる。ホスホン酸基含有不飽和モノマーは、リン酸が三価の酸であることを反映してイオン交換容量の大きいものが多く、例えばユニケミカル社製のホスマーシリーズを挙げることができる。 Examples of the unsaturated monomer containing a phosphonic acid group include a phosphate ester containing a methacryloxy group or an acryloxy group, a phosphonic acid group-containing methacrylamide derivative or an acrylamide derivative. Many phosphonic acid group-containing unsaturated monomers have a large ion exchange capacity reflecting the fact that phosphoric acid is a trivalent acid, and examples thereof include a phosmer series manufactured by Unichemical Corporation.
リン酸エステルとしては、アシッドホスホキシエチルメタクリレート(商品名:ホスマーM)、3−クロロ−2−アシッドホスホキシプロピルメタクリレート(商品名:ホスマーCL)、アシッドホスホキシプロピルメタクリレート(商品名:ホスマーP)、アシッドホスホキシエチルアクリレート(商品名:ホスマーA)、アシッドホスホキシポリオキシエチレングリコールモノメタクリレート(商品名:ホスマーPE)、アシッドホスホキシポリオキシプロピレングリコールモノメタクリレート(商品名:ホスマーPP)、メタクロイルオキシエチルアシッドホスヘートモノエタノールアミンハーフソルト(商品名:ホスマーMH)、メタクロイルオキシエチルアシッドホスヘートジメチルアミノエチルメタクリレートハーフソルト(商品名:ホスマーDM)、メタクロイルオキシエチルアシッドホスヘートジエチルアミノエチルメタクリレートハーフソルト(商品名:ホスマーDE)などが挙げられる。この具体例としては、CH2=CHCOOCH2CH2OP(O)(OH)2、CH2=C(CH3)COOCH2CH2OP(O)(OH)2、CH2=C(CH3)COOCH2CH(CH2Cl)OP(O)(OH)2、(CH2=CHCOOCH2CH2O)2P(O)OH、(CH2=C(CH3)COOCH2CH2O)2P(O)OH、CH2=C(CH3)CO(OCH2CH2)4OP(O)(OH)2、CH2=C(CH3)CO(OCH2CH2)5OP(O)(OH)2、CH2=C(CH3)CO(OCH2CH(CH3))5OP(O)(OH)2及びCH2=C(CH3)CO(OCH2CH(CH3))6OP(O)(OH)2等が挙げられる。 Examples of phosphate esters include acid phosphoxyethyl methacrylate (trade name: Phosmer M), 3-chloro-2-acid phosphoxypropyl methacrylate (trade name: Phosmer CL), and acid phosphoxypropyl methacrylate (trade name: Phosmer P). Acid phosphoxyethyl acrylate (trade name: Phosmer A), Acid phosphooxypolyoxyethylene glycol monomethacrylate (trade name: Phosmer PE), Acid phosphoxypolyoxypropylene glycol monomethacrylate (trade name: Phosmer PP), Methacryloyl Oxyethyl acid phosphate monoethanolamine half salt (trade name: Phosmer MH), methacryloyloxyethyl acid phosphate dimethylaminoethyl methacrylate half salt (trade) Name: Hosmer DM), methacryloyl oxyethyl acid phosphate Hastings preparative diethylaminoethyl methacrylate half Salt (trade name: Phosmer DE), and the like. As specific examples, CH 2 = CHCOOCH 2 CH 2 OP (O) (OH) 2 , CH 2 = C (CH 3 ) COOCH 2 CH 2 OP (O) (OH) 2 , CH 2 = C (CH 3 ) COOCH 2 CH (CH 2 Cl ) OP (O) (OH) 2, (CH 2 = CHCOOCH 2 CH 2 O) 2 P (O) OH, (CH 2 = C (CH 3) COOCH 2 CH 2 O) 2 P (O) OH, CH 2 = C (CH 3) CO (OCH 2 CH 2) 4 OP (O) (OH) 2, CH 2 = C (CH 3) CO (OCH 2 CH 2) 5 OP ( O) (OH) 2 , CH 2 ═C (CH 3 ) CO (OCH 2 CH (CH 3 )) 5 OP (O) (OH) 2 and CH 2 ═C (CH 3 ) CO (OCH 2 CH (CH 3 )) 6 OP (O) (OH) 2 and the like.
ホスホン酸基含有(メタ)アクリルアミド誘導体は、加水分解に対し抵抗があるため最も望ましい。具体例として、メタクリルアミドホスホン酸、アクリルアミドホスホン酸、メタクリルアミドジホスホン酸、アクリルアミドジホスホン酸(アクリルアミドビスホスフェート、商品名:ホスマーN2P)等が挙げられる。これらは所望により2種類以上用いることができる。 Phosphonic acid group-containing (meth) acrylamide derivatives are most desirable because of their resistance to hydrolysis. Specific examples include methacrylamide phosphonic acid, acrylamide phosphonic acid, methacrylamide diphosphonic acid, acrylamide diphosphonic acid (acrylamide bisphosphate, trade name: Phosmer N2P), and the like. Two or more of these can be used as desired.
他の酸性基を含有する不飽和モノマーとしては、カルボキシル基を含む不飽和モノマーがあり、この例示化合物としては、(メタ)アクリル酸、クロトン酸、マレイン酸、フマル酸、イタコン酸、マレイン酸無水物等が好適に使用される。 Other unsaturated monomers containing an acidic group include unsaturated monomers containing a carboxyl group. Examples of such compounds include (meth) acrylic acid, crotonic acid, maleic acid, fumaric acid, itaconic acid, maleic anhydride. A thing etc. are used suitably.
配合割合
上記(A)アルコキシシリル基含有不飽和モノマーと(B)スルホン酸基含有不飽和モノマーの割合は、モル比で((B)スルホン酸基含有不飽和モノマー)/((A)アルコキシシリル基含有不飽和モノマー)=100/0.1〜100/50であるのが好ましく、より望ましくは((B)スルホン酸基含有不飽和モノマー)/((A)アルコキシシリル基含有不飽和モノマー)=100/1〜100/10である。アルコキシシリル基含有不飽和モノマーがこれより多い場合、重合中にゲル化を起こしやすくなり、また導電性が不十分になるおそれがあり、これより少ない場合、耐水性が悪くなるおそれがある。
Mixing ratio The ratio of the above-mentioned (A) alkoxysilyl group-containing unsaturated monomer and (B) sulfonic acid group-containing unsaturated monomer is molar ratio ((B) sulfonic acid group-containing unsaturated monomer) / ((A) alkoxysilyl. Group-containing unsaturated monomer) = 100 / 0.1-100 / 50, more preferably ((B) sulfonic acid group-containing unsaturated monomer) / ((A) alkoxysilyl group-containing unsaturated monomer) = 100/1 to 100/10. When there are more alkoxysilyl group containing unsaturated monomers than this, it will become easy to gelatinize during superposition | polymerization, and there exists a possibility that electroconductivity may become inadequate, and when less than this, there exists a possibility that water resistance may worsen.
スルホン酸基含有不飽和モノマーとその他の酸基含有不飽和モノマーの配合割合について特に制限はなく、任意に設定することができる。スルホン酸基含有不飽和モノマーは、強酸ゆえに導電性の向上効果を優位に進めうる。その他の酸基含有不飽和モノマー、とりわけ、ホスホン酸基含有不飽和モノマーは、イオン交換容量の向上による低湿度下の導電性向上を優位に進めうる。 There is no restriction | limiting in particular about the mixture ratio of a sulfonic acid group containing unsaturated monomer and another acid group containing unsaturated monomer, It can set arbitrarily. Since the sulfonic acid group-containing unsaturated monomer is a strong acid, the effect of improving conductivity can be promoted. Other acid group-containing unsaturated monomers, in particular phosphonic acid group-containing unsaturated monomers, can promote the improvement of conductivity under low humidity by improving the ion exchange capacity.
酸基含有不飽和モノマーのうち、(C)ホスホン酸基含有不飽和モノマーと(B)スルホン酸基含有不飽和モノマーとの使用割合は、モル比で((C)ホスホン酸基含有不飽和モノマー)/((B)スルホン酸基含有不飽和モノマー)=0/100〜90/10が好ましく、特に、(B)成分と(C)成分とを併用する場合、(C)成分の割合が(B)、(C)成分の合計量100モル%中0モル%を超え90モル%以下であることが好ましく、より好ましくは(C)/(B)=1/99〜90/10、更に好ましくは(C)/(B)=20/80〜80/20、最も好ましくはほぼ等モルに設定することができる。 Among the acid group-containing unsaturated monomers, (C) the phosphonic acid group-containing unsaturated monomer and (B) the sulfonic acid group-containing unsaturated monomer are used in a molar ratio ((C) phosphonic acid group-containing unsaturated monomer. ) / ((B) sulfonic acid group-containing unsaturated monomer) = 0/100 to 90/10, particularly when (B) component and (C) component are used in combination, the proportion of (C) component is ( The total amount of B) and (C) components is preferably more than 0 mol% and not more than 90 mol%, more preferably (C) / (B) = 1/99 to 90/10, still more preferably (C) / (B) = 20/80 to 80/20, most preferably about equimolar.
[2] イオン伝導性高分子物質の製造方法
本発明のイオン伝導性高分子物質は、上記モノマーの混合物をラジカル重合により共重合させることにより製造できる。
[2] Method for Producing Ion Conductive Polymer Substance The ion conductive polymer substance of the present invention can be produced by copolymerizing a mixture of the above monomers by radical polymerization.
(1)共重合体の重合方法
スルホン酸基とアルコキシシリル基を含有する共重合体は、アルコキシシリル基含有モノマーが親油性であり、スルホン酸基含有モノマーが親水性であるため、この違いによりアルコールのような工業的に汎用されている溶媒を用いた場合共重合化が難しく、とりわけアルコキシシリル基を持つモノマーを共存させる時、重合する際にゲル化や会合を起こし易く、溶媒不溶となってしまい、工業的に製造することは一般的に困難である。
そこで、本発明においては、親水性重合触媒と親油性重合触媒を併用する重合方法をとることにより、ゲルの生成を伴わずに共重合することが可能となる。重合反応は、不飽和モノマー及び生成する共重合体の双方が溶解する共通溶媒中で行うことが好ましい。
(1) Polymerization method of copolymer The copolymer containing a sulfonic acid group and an alkoxysilyl group has an alkoxysilyl group-containing monomer that is lipophilic and a sulfonic acid group-containing monomer that is hydrophilic. Copolymerization is difficult when using industrially-used solvents such as alcohol, especially when coexisting with a monomer having an alkoxysilyl group, gelation and association are likely to occur during polymerization, making the solvent insoluble. Therefore, it is generally difficult to manufacture industrially.
Therefore, in the present invention, by employing a polymerization method in which a hydrophilic polymerization catalyst and a lipophilic polymerization catalyst are used in combination, it is possible to carry out copolymerization without generating a gel. The polymerization reaction is preferably performed in a common solvent in which both the unsaturated monomer and the resulting copolymer are dissolved.
親油性重合触媒としては、2,2’−アゾビスイソブチロニトリル、2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)、ジメチル2,2’−アゾビス(2−メチルプロピオネート)、ジメチル2,2’−アゾビスイソブチレート等のアゾ系開始剤、あるいはラウリルパーオキシド、ベンゾイルパーオキシド、tert−ブチルパーオキシ・ピバレート等の過酸化エーテル又は過酸化エステル化合物からなる開始剤等が挙げられる。 As lipophilic polymerization catalysts, 2,2′-azobisisobutyronitrile, 2,2′-azobis (2,4-dimethylvaleronitrile), dimethyl 2,2′-azobis (2-methylpropionate) , Azo initiators such as dimethyl 2,2′-azobisisobutyrate, or initiators composed of peroxide ethers or peroxide ester compounds such as lauryl peroxide, benzoyl peroxide, tert-butyl peroxy pivalate, etc. Is mentioned.
親水性重合触媒としては、アンモニウムパーオキシジサルフェイト等のパーオキシジサルフェート塩のような過酸化塩類、過酢酸のような過酸類、tert−ブチルヒドロパーオキシドなどの過アルコール類の重合開始剤等が挙げられる。 Examples of hydrophilic polymerization catalysts include polymerization initiators of peroxides such as peroxydisulfate salts such as ammonium peroxydisulfate, peracids such as peracetic acid, and peralcohols such as tert-butyl hydroperoxide. Etc.
親水性重合触媒と親油性重合触媒の配合割合について特に制限はなく、任意に設定することができ、親水性重合触媒/親油性重合触媒=90/10〜10/90(質量比)とすることができるが、通常、等質量を用いて、ラジカル重合を行う。 There is no restriction | limiting in particular about the blending ratio of a hydrophilic polymerization catalyst and a lipophilic polymerization catalyst, It can set arbitrarily, and it shall be hydrophilic polymerization catalyst / lipophilic polymerization catalyst = 90/10-10/90 (mass ratio). However, radical polymerization is usually performed using an equal mass.
重合手順について述べる。まず撹拌器、還流冷却器付き反応器に、上記各種不飽和モノマー及び溶媒からなる溶液を投入し、40℃〜90℃、好ましくは50℃〜80℃に昇温する。所定温度到達直後に重合開始剤(親水性重合触媒及び親油性重合触媒)を添加する。このとき若干の発熱があり、重合開始を確認することができる。所定温度に到達してから1〜10時間程度重合反応を継続する。反応温度は最初から最後まで一定である必要はなく、重合末期に温度を上げて未反応モノマーを極力少なくする方法をとってもよい。 The polymerization procedure is described. First, in a reactor equipped with a stirrer and a reflux condenser, a solution composed of the above-mentioned various unsaturated monomers and a solvent is charged, and the temperature is raised to 40 ° C to 90 ° C, preferably 50 ° C to 80 ° C. Immediately after reaching the predetermined temperature, a polymerization initiator (hydrophilic polymerization catalyst and lipophilic polymerization catalyst) is added. At this time, there is slight heat generation, and the start of polymerization can be confirmed. The polymerization reaction is continued for about 1 to 10 hours after reaching the predetermined temperature. The reaction temperature does not need to be constant from the beginning to the end, and a method of increasing the temperature at the end of the polymerization to minimize the unreacted monomer may be employed.
溶媒としては、脂肪族低級アルコールやアミド類を使用する。具体的には、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール等のアルコール類や、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド等のアミド類が挙げられる。好ましくはエタノールである。これらは2種以上併用してもよい。また併用できる場合はエステル等の溶媒を共存させてもよい。溶媒として脂肪族低級アルコールを用いた場合、安価で環境上安全に製造することができる。 As the solvent, aliphatic lower alcohols and amides are used. Specific examples include alcohols such as methanol, ethanol and isopropyl alcohol, and amides such as dimethylformamide and dimethylacetamide. Ethanol is preferable. Two or more of these may be used in combination. Moreover, when it can use together, you may coexist solvent, such as ester. When an aliphatic lower alcohol is used as a solvent, it can be produced inexpensively and environmentally safely.
重合溶液は、不飽和モノマー成分の初期濃度が5〜50質量%であるのが好ましく、10〜35質量%であるのがより好ましい。
重合開始剤(親水性重合触媒及び親油性重合触媒)のトータル使用量は、モノマー成分を1とした場合に質量比で0.005〜0.05であるのが好ましく、0.01〜0.03であるのがより好ましい。
重合溶液中の不飽和モノマー成分の初期濃度及び重合開始剤の使用量が上記の好ましい範囲にないと、共重合体がゲル化して様々な溶媒に不溶となることがある。この高分子は、他の樹脂等と混合して使用することができるが、そうした樹脂との均一組成物を形成できなくなる場合がある。
In the polymerization solution, the initial concentration of the unsaturated monomer component is preferably 5 to 50% by mass, and more preferably 10 to 35% by mass.
The total amount of the polymerization initiator (hydrophilic polymerization catalyst and lipophilic polymerization catalyst) is preferably 0.005 to 0.05 in terms of mass ratio when the monomer component is 1, and 0.01 to 0.00. 03 is more preferable.
If the initial concentration of the unsaturated monomer component in the polymerization solution and the amount of the polymerization initiator used are not within the above preferred ranges, the copolymer may gel and become insoluble in various solvents. This polymer can be used by mixing with other resins and the like, but it may not be possible to form a uniform composition with such a resin.
反応後の溶液は、未反応のモノマー等を除去するために精製を行うことが好ましい。精製は重合溶液の固形分濃度が10〜80質量%になるまで濃縮し、次いでその濃縮溶液を貧溶媒中に投入することにより固体を析出させ、貧溶媒をデカンテーション法により除去することにより行う。貧溶媒としては、アセトン、メチルエチルケトン、メチルブチルケトン等のケトン類が好ましい。貧溶媒は、反応生成物の有姿の2倍容積〜15倍容積と大過剰量使用することが好ましい。貧溶媒による固体の洗浄操作は必要に応じて繰り返せばよい。 The solution after the reaction is preferably purified in order to remove unreacted monomers and the like. The purification is performed by concentrating the polymer solution until the solid content concentration becomes 10 to 80% by mass, then depositing the concentrated solution into a poor solvent to precipitate a solid, and removing the poor solvent by a decantation method. . As the poor solvent, ketones such as acetone, methyl ethyl ketone, and methyl butyl ketone are preferable. The poor solvent is preferably used in a large excess amount of 2 to 15 times the solid volume of the reaction product. What is necessary is just to repeat the washing | cleaning operation of the solid by a poor solvent as needed.
そのまま製膜する場合、貧溶媒で洗浄することにより得られた共重合体からなる固体を再び良溶媒に溶解させ、溶液の形態にしておくことができる。良溶媒としては重合反応時に用いるのと同様の脂肪族低級アルコールが好ましく、エタノールがより好ましい。 When the film is formed as it is, the solid made of the copolymer obtained by washing with a poor solvent can be dissolved again in a good solvent to form a solution. The good solvent is preferably the same aliphatic lower alcohol used during the polymerization reaction, more preferably ethanol.
このような方法により得られるスルホン酸基とアルコキシシリル基を含有する共重合体であるイオン伝導性高分子物質は、ポリマー溶液、あるいは固体で得られる。通常は共重合体固形分濃度が20質量%のメタノール溶液にした時の粘度(25℃)が2〜50mPa・sになる程度の重合度であるのが好ましい。なお、本発明において、粘度はオストワルド粘度計(F.W.Ostwaldが考案した細管粘度計)により測定できる。
またこの場合、1質量%ジメチルホルムアミド(DMF)溶液のゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)によるポリスチレン換算重量平均分子量が10,000〜1,000,000、特に10,000〜100,000であることが好ましい。
The ion conductive polymer substance, which is a copolymer containing a sulfonic acid group and an alkoxysilyl group, obtained by such a method can be obtained as a polymer solution or a solid. Usually, it is preferable that the degree of polymerization is such that the viscosity (25 ° C.) becomes 2 to 50 mPa · s when the copolymer solid content concentration is 20% by mass in a methanol solution. In the present invention, the viscosity can be measured with an Ostwald viscometer (capillary viscometer devised by FW Ostwald).
In this case, the polystyrene-equivalent weight average molecular weight of the 1% by mass dimethylformamide (DMF) solution by gel permeation chromatography (GPC) is 10,000 to 1,000,000, particularly 10,000 to 100,000. Is preferred.
本発明は、更に上記イオン伝導性高分子物質を(部分)加水分解・縮合して得られるイオン伝導性高分子誘導体を提供する。ここで、イオン伝導性高分子誘導体とは、イオン伝導性高分子物質のアルコキシシリル基の一部又は全部を加水分解・縮合することにより得られるもので、該イオン伝導性高分子物質の(部分)加水分解・縮合物からなる水不溶性のものである。 The present invention further provides an ion conductive polymer derivative obtained by (partial) hydrolysis / condensation of the above ion conductive polymer substance. Here, the ion conductive polymer derivative is obtained by hydrolyzing and condensing a part or all of the alkoxysilyl group of the ion conductive polymer substance. ) It is water-insoluble consisting of hydrolysis / condensation product.
即ち、本発明のイオン伝導性高分子物質は、アルコキシシリル基の一部又は全部を加水分解・縮合することにより、水不溶性とすることができる。アルコキシシリル基の加水分解・縮合は一部でも全部でもよいが、一部の場合は、その加水分解・縮合されたイオン伝導性高分子物質が水不溶性となる程度であることが必要である。 That is, the ion conductive polymer substance of the present invention can be rendered water-insoluble by hydrolyzing and condensing part or all of the alkoxysilyl group. Hydrolysis / condensation of the alkoxysilyl group may be part or all, but in some cases, the hydrolysis / condensation ion-conducting polymer material needs to be insoluble in water.
ここで、イオン伝導性高分子物質の(部分)加水分解・縮合は、公知の方法に従い、トリアルコキシシリル基を(部分)加水分解・縮合する常法によって行うことができ、水の存在下に酸性又は塩基性条件にて行うことができる。この場合、上記イオン伝導性高分子物質は、スルホン酸基を有するので、それ自体酸性であり、このため水の存在下で容易に加水分解・縮合するが、その加水分解・縮合の速度を速め、あるいは加水分解・縮合の程度を促進するため、硫酸等の酸を加えてもよく、また、アンモニア、アミン、更には水酸化アルカリ等を加えてスルホン酸のアンモニウム塩、アミン塩、アルカリ金属塩等を形成し、塩基性条件下に加水分解・縮合を行うようにしてもよい。 Here, the (partial) hydrolysis / condensation of the ion conductive polymer substance can be carried out by a conventional method of (partial) hydrolysis / condensation of the trialkoxysilyl group according to a known method, in the presence of water. It can be carried out under acidic or basic conditions. In this case, since the ion conductive polymer substance has a sulfonic acid group, it is acidic per se, and thus easily hydrolyzes / condenses in the presence of water. However, it accelerates the hydrolysis / condensation rate. Alternatively, in order to promote the degree of hydrolysis / condensation, an acid such as sulfuric acid may be added. Ammonium salt, amine salt, alkali metal salt of sulfonic acid may be added by adding ammonia, amine, or alkali hydroxide. Etc., and hydrolysis / condensation may be carried out under basic conditions.
更に、必要に応じ、公知の縮合反応触媒、例えば、スズジオクトエート、ジメチルスズジバーサテート、ジブチルジメトキシスズ、ジブチルスズジアセテート、ジブチルスズジオクトエート、ジブチルスズジラウレート、ジブチルスズジベンジルマレート、ジオクチルスズジラウレート、スズキレート等のスズ触媒、グアニジン、DBU(1,8−ジアザビシクロ[5.4.0]−7−ウンデセン)等の強塩基化合物及びそれらの基を有するアルコキシシラン、テトライソプロポキシチタン、テトラ−n−ブトキシチタン、テトラキス(2−エチルヘキソキシ)チタン、ジプロポキシビス(アセチルアセトナ)チタン、チタニウムイソプロポキシオクチレングリコール等のチタン酸エステル又はチタンキレート化合物等を触媒量(例えば、イオン伝導性高分子物質100質量部に対して0.01〜10質量部)を添加することができる。 Further, if necessary, a known condensation reaction catalyst such as tin dioctoate, dimethyltin diversate, dibutyldimethoxytin, dibutyltin diacetate, dibutyltin dioctoate, dibutyltin dilaurate, dibutyltin dibenzyl malate, dioctyltin dilaurate , Tin catalysts such as tin chelates, strong base compounds such as guanidine, DBU (1,8-diazabicyclo [5.4.0] -7-undecene) and alkoxysilanes having these groups, tetraisopropoxy titanium, tetra- A catalytic amount of titanic acid ester or titanium chelate compound such as n-butoxytitanium, tetrakis (2-ethylhexoxy) titanium, dipropoxybis (acetylacetona) titanium, titanium isopropoxyoctylene glycol, etc. It can be added 0.01 to 10 parts by mass) with respect to emission conductive polymer material 100 parts by weight.
上記イオン伝導性高分子物質、その誘導体の膜を形成する場合、製膜は、ポリマー溶液をそのままか、あるいは補強材シートに塗布又は含浸し、溶媒を蒸発させることにより作製することができる。溶媒を蒸発させた後、更に50℃〜130℃に加熱することにより製造するのが好ましい。この場合、アルコキシシリル基を(部分)加水分解・縮合し、誘導体膜を得るため、空気中の水分を利用することができ、好ましくは相対湿度RH30〜100%、特に40〜95%で0.1〜24時間、特に1〜5時間放置することができる。 In the case of forming a film of the ion conductive polymer substance or its derivative, the film formation can be produced by applying the polymer solution as it is or by applying or impregnating the reinforcing material sheet and evaporating the solvent. It is preferable to produce by evaporating the solvent and further heating to 50 ° C to 130 ° C. In this case, in order to (partially) hydrolyze and condense the alkoxysilyl group to obtain a derivative film, moisture in the air can be used, and preferably, the relative humidity is RH 30 to 100%, particularly 40 to 95%. It can be left for 1 to 24 hours, in particular 1 to 5 hours.
更に、該膜を、酸性水溶液中に浸漬することにより導電性の向上した膜が得られる。即ち、酸性水溶液に浸漬することで、ほぼ全部のアルコキシ基が加水分解・縮合され、ヒドロキシシリル基(シラノール基)を経てSiOSiに変化して架橋を起こし得るもので、架橋により膜強度が向上すると同時に、イオン伝導性高分子物質又はその誘導体のスルホン酸基がアンモニウム塩、アミン塩、アルカリ金属塩等を形成していた場合、膜内で酸基が再生され、導電性が向上する。酸性溶液としては、例えば、リン酸水溶液、塩酸水溶液、硫酸水溶液が挙げられる。酸性溶液の濃度は、好ましくは0.05〜5Nである。浸漬温度は、好ましくは15℃〜35℃であり、浸漬時間は、好ましくは1〜60分である。 Furthermore, the film | membrane with improved electroconductivity is obtained by immersing this film | membrane in acidic aqueous solution. That is, when immersed in an acidic aqueous solution, almost all alkoxy groups are hydrolyzed / condensed, and can be changed to SiOSi via a hydroxysilyl group (silanol group). At the same time, when the sulfonic acid group of the ion conductive polymer substance or its derivative forms an ammonium salt, an amine salt, an alkali metal salt or the like, the acid group is regenerated in the film, and the conductivity is improved. Examples of the acidic solution include a phosphoric acid aqueous solution, a hydrochloric acid aqueous solution, and a sulfuric acid aqueous solution. The concentration of the acidic solution is preferably 0.05 to 5N. The immersion temperature is preferably 15 ° C. to 35 ° C., and the immersion time is preferably 1 to 60 minutes.
このようなスルホン酸基とアルコキシシリル基を含有するイオン伝導性高分子誘導体の膜は、導電率が低湿度においても10-7〜10-4S/cmと優れたプロトン伝導性を示す。なお、本発明において、導電率はインピーダンスアナライザーを用いて交流インピーダンス法により測定できる。 Such a film of an ion conductive polymer derivative containing a sulfonic acid group and an alkoxysilyl group exhibits excellent proton conductivity of 10 −7 to 10 −4 S / cm even at low humidity. In the present invention, the conductivity can be measured by an AC impedance method using an impedance analyzer.
本発明のイオン伝導性高分子誘導体膜の厚さは、特に制限されないが、好ましくは1〜1,000μm、より好ましくは10〜500μmである。 The thickness of the ion conductive polymer derivative film of the present invention is not particularly limited, but is preferably 1 to 1,000 μm, more preferably 10 to 500 μm.
本発明のイオン伝導性高分子誘導体膜は、相対湿度100%において導電率が10-3〜10-1S/cmの優れたプロトン伝導性を有し、かかるプロトン伝導性の温度依存性が小さい。中でも、酸基含有不飽和モノマーとして、スルホン酸基含有不飽和モノマーとホスホン酸基含有不飽和モノマーを併用した場合、とりわけアクリルアミド−2−メチル−1−プロパンスルホン酸とホスマーN2Pを含むモノマーの共重合体であるイオン伝導性高分子誘導体膜の導電率は、相対湿度30%において10-3S/cmのオーダーにあり、低湿度でのプロトン伝導性に優れている。 The ion conductive polymer derivative membrane of the present invention has excellent proton conductivity with a conductivity of 10 −3 to 10 −1 S / cm at a relative humidity of 100%, and the temperature dependence of such proton conductivity is small. . In particular, when an acid group-containing unsaturated monomer is used in combination with a sulfonic acid group-containing unsaturated monomer and a phosphonic acid group-containing unsaturated monomer, a monomer containing acrylamide-2-methyl-1-propanesulfonic acid and phosmer N2P is used. The conductivity of the ion-conductive polymer derivative film, which is a polymer, is on the order of 10 −3 S / cm at a relative humidity of 30%, and is excellent in proton conductivity at low humidity.
本発明のイオン伝導性高分子誘導体膜は、アルコキシシリル基に由来するシロキサン骨格及びエチレン性不飽和結合に由来する炭化水素骨格からなる疎水部と、スルホン酸基やホスホン酸基からなる親水部とに区画された構造を有すると推測される。特にスルホン酸基含有不飽和モノマーとホスホン酸基含有不飽和モノマーを併用した場合、本発明のイオン伝導性高分子誘導体膜は、ナフィオン膜の8倍以上という非常に高いイオン交換容量をもち、低湿度条件下でプロトンがポリマー中の酸基から酸基に沿って効率的に伝導できるため、水分の少ない低湿度でも導電性が発現できると考えられる。 The ion conductive polymer derivative membrane of the present invention comprises a hydrophobic part composed of a siloxane skeleton derived from an alkoxysilyl group and a hydrocarbon skeleton derived from an ethylenically unsaturated bond, and a hydrophilic part composed of a sulfonic acid group or a phosphonic acid group. It is presumed to have a structure divided into two. In particular, when a sulfonic acid group-containing unsaturated monomer and a phosphonic acid group-containing unsaturated monomer are used in combination, the ion conductive polymer derivative membrane of the present invention has a very high ion exchange capacity of 8 times or more that of a Nafion membrane, and has a low Since protons can efficiently conduct along acid groups from acid groups in the polymer under humidity conditions, it is considered that conductivity can be exhibited even at low humidity with little moisture.
以下、実施例及び比較例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。なお、下記の例において、粘度は25℃における値を示す。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example are shown and this invention is demonstrated concretely, this invention is not restrict | limited to the following Example. In addition, in the following example, a viscosity shows the value in 25 degreeC.
〔原料ポリマーの合成〕
表1に示す仕込み組成に従い、様々な重合触媒を用いて共重合体を調製した。
[Synthesis of raw material polymer]
According to the charged composition shown in Table 1, copolymers were prepared using various polymerization catalysts.
(実施例1、比較例1,2)
(1)(実施例1) 共重合ポリマー1の製造と物性評価
還流冷却管、滴下漏斗、温度計及び窒素ガス導入管を接続した反応装置に、3−トリエトキシシリルプロピルアクリルアミド(KBE−AA)11g(2mol%)と、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸(AASO3H)385g(97mol%)と、エタノール(EtOH)4,500gを入れ、窒素ガスを導入しながら撹拌し、オイルバスの温度を重合温度となる80℃まで昇温した。
(Example 1, Comparative Examples 1 and 2)
(1) (Example 1) Production and evaluation of physical properties of copolymer 1 3-triethoxysilylpropylacrylamide (KBE-AA) was connected to a reactor connected to a reflux condenser, a dropping funnel, a thermometer, and a nitrogen gas introduction pipe. 11 g (2 mol%), 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid (AASO3H) 385 g (97 mol%), and ethanol (EtOH) 4,500 g were added and stirred while introducing nitrogen gas. The temperature was raised to 80 ° C., the polymerization temperature.
内温がエタノール還流温度の78℃に到達したことを確認後、2,2’−アゾビス(2−メチルブチロニトリル)(V−59)の10質量%EtOH溶液と、アンモニウムパーオキシジサルフェイト((NH4)2S2O8)の10質量%DMF溶液を、モノマーの総質量に対して各0.5質量%ずつ、総量で1質量%となるように投入した。この時若干の重合発熱が起こり、重合開始が確認された。6時間重合させて、共重合体を含むEtOH溶液を得た。 After confirming that the internal temperature reached 78 ° C. of ethanol reflux temperature, a 10% by mass EtOH solution of 2,2′-azobis (2-methylbutyronitrile) (V-59) and ammonium peroxydisulfate A 10% by mass DMF solution of ((NH 4 ) 2 S 2 O 8 ) was added in an amount of 0.5% by mass with respect to the total mass of the monomer so that the total amount was 1% by mass. At this time, a slight polymerization exotherm occurred and the start of polymerization was confirmed. Polymerization was performed for 6 hours to obtain an EtOH solution containing a copolymer.
得られたEtOH溶液をアルミシャーレに入れ、105℃のオーブンに3時間入れ、不揮発分測定、1質量%DMF溶液にしてGPCによる分子量分布測定、オストワルド法による溶液粘度測定を行ったところ、残留モノマーの少ない高分子量体が得られた。
この実施例1から得られた溶液からは、重量平均分子量20,000で、重合しなかった残留モノマーと考えられる分子量が300以下のエリア面積は6%であり、重合は良好に進行したと考えられる。
The obtained EtOH solution was put in an aluminum petri dish, placed in an oven at 105 ° C. for 3 hours, measured for non-volatile content, made 1% by mass DMF solution, measured for molecular weight distribution by GPC, and measured for solution viscosity by Ostwald method. A high molecular weight product with a small amount was obtained.
From the solution obtained from Example 1, the area area with a weight average molecular weight of 20,000 and a molecular weight of 300 or less considered to be a residual monomer that was not polymerized was 6%, and it was considered that the polymerization proceeded well. It is done.
また、この溶液を、フェノールフタレインを指示薬として0.1N水酸化ナトリウム(f=0.999)で中和滴定することでイオン交換容量を測定した。 Further, the ion exchange capacity was measured by neutralizing and titrating this solution with 0.1N sodium hydroxide (f = 0.999) using phenolphthalein as an indicator.
得られた共重合体の溶液は、ポリテトラフルオロエチレンシートに流延し、これを空気流通式乾燥器に入れ、80℃で溶剤を完全に除いた後、湿度43%の室内で24時間放置して、膜厚255μmの水に溶解しない高分子誘導体からなる膜を作製した。
得られた薄膜を、金メッキを施したステンレス電極に挟むことにより評価用セルを作製し、交流インピーダンス法(日置電機製LCRハイテスタ、測定周波数0.1Hz〜5MHz)により、イオン導電度を測定した。湿度43%の室内で24時間放置して、導電率の測定を行ったところ、2.5×10-7S/cmの値が得られた。次に、1N硫酸水溶液に2時間浸漬し、表面の水分を除いてから導電率の測定を行ったところ、7.5×10-3S/cmの値が得られた。更に、この膜を80℃,1時間加熱して水分を除いた後、湿度50%の室内で24時間放置して導電率の測定を行ったところ、3.5×10-5S/cmの値が得られた。
The obtained copolymer solution was cast on a polytetrafluoroethylene sheet, placed in an air flow dryer, completely removed the solvent at 80 ° C., and then left in a room with a humidity of 43% for 24 hours. Thus, a film made of a polymer derivative not dissolved in water having a film thickness of 255 μm was produced.
An evaluation cell was prepared by sandwiching the obtained thin film between stainless steel electrodes plated with gold, and ionic conductivity was measured by an AC impedance method (LCR Hitester manufactured by Hioki Electric Co., Ltd., measurement frequency 0.1 Hz to 5 MHz). When the conductivity was measured by leaving it in a room with a humidity of 43% for 24 hours, a value of 2.5 × 10 −7 S / cm was obtained. Next, when immersed in a 1N sulfuric acid aqueous solution for 2 hours and removing moisture on the surface, the conductivity was measured. As a result, a value of 7.5 × 10 −3 S / cm was obtained. Furthermore, after the film was heated at 80 ° C. for 1 hour to remove moisture, it was left to stand in a room with a humidity of 50% for 24 hours, and the conductivity was measured to find 3.5 × 10 −5 S / cm. A value was obtained.
(2)(比較例1)共重合ポリマー1の製造と物性評価
比較のために、実施例1と同様の重合条件で、重合触媒を2,2’−アゾビス(2−メチルブチロニトリル)(V−59)だけに替え、モノマーの総質量に対して1質量%となるように投入した。この時も、重合開始が確認され、6時間重合させて、共重合体を含むEtOH溶液を得た。
この溶液から得られたポリマーは、重量平均分子量5,700で、高分子量まで重合がうまく進行しなかったため、得られた膜は脆く、導電率は測定できなかった。
(2) (Comparative Example 1) Production of Copolymer 1 and Evaluation of Physical Properties For comparison, the polymerization catalyst was 2,2′-azobis (2-methylbutyronitrile) (under the same polymerization conditions as in Example 1). Instead of only V-59), it was charged so as to be 1% by mass relative to the total mass of the monomers. At this time, the start of polymerization was confirmed, and polymerization was performed for 6 hours to obtain an EtOH solution containing a copolymer.
The polymer obtained from this solution had a weight average molecular weight of 5,700 and polymerization did not proceed well up to a high molecular weight. Therefore, the obtained film was brittle and the conductivity could not be measured.
(3)(比較例2)共重合ポリマー1の製造と物性評価
比較のために、実施例1と同様の重合条件で、重合触媒をアンモニウムパーオキシジサルフェイト((NH4)2S2O8)だけに替え、モノマーの総質量に対して1質量%となるように投入した。この時も、重合開始が確認され、6時間重合させて、共重合体を含むEtOH溶液を得た。
(3) (Comparative Example 2) Production of Copolymer 1 and Evaluation of Physical Properties For comparison, the polymerization catalyst was ammonium peroxydisulfate ((NH 4 ) 2 S 2 O under the same polymerization conditions as in Example 1. Instead of only 8 ), it was charged so as to be 1% by mass relative to the total mass of the monomers. At this time, the start of polymerization was confirmed, and polymerization was performed for 6 hours to obtain an EtOH solution containing a copolymer.
この溶液は、残留モノマーと考えられる分子量が300以下のエリア面積が54%も含まれており、重合が良好に進行しなかったと考えられる。この膜は、湿度43%の室内で24時間放置して、イオン導電率の測定を行ったところ、4.4×10-6S/cmの値が得られた。次に、1N硫酸水溶液に2時間浸漬したところ、膜は破断してイオン導電性の測定はできなかった。 This solution contains 54% area area with a molecular weight of 300 or less, which is considered to be a residual monomer, and it is considered that the polymerization did not proceed well. When this membrane was left in a room with a humidity of 43% for 24 hours and the ionic conductivity was measured, a value of 4.4 × 10 −6 S / cm was obtained. Next, when immersed in a 1N aqueous sulfuric acid solution for 2 hours, the membrane was broken and ionic conductivity could not be measured.
(参考例1、比較例3)
(4)(参考例1)共重合ポリマー2の製造と物性評価
還流冷却管、滴下漏斗、温度計及び窒素ガス導入管を接続した反応装置に、3−トリエトキシシリルプロピルアクリルアミド(KBE−AA)22g(2mol%)と、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸(AASO3H)392g(48.5mol%)と、アクリルアミドビスホスフェート(ユニケミカル社製;ホスマーN2P)444g(48.5mol%)、エタノール(EtOH)4,500gを入れ、窒素ガスを導入しながら撹拌し、オイルバスの温度を重合温度となる80℃まで昇温した。
( Reference Example 1 and Comparative Example 3)
(4) ( Reference Example 1 ) Production of Copolymer 2 and Evaluation of Physical Properties 3-Triethoxysilylpropylacrylamide (KBE-AA) was connected to a reactor connected with a reflux condenser, a dropping funnel, a thermometer, and a nitrogen gas introduction pipe. 22 g (2 mol%), 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid (AASO3H) 392 g (48.5 mol%), acrylamide bisphosphate (manufactured by Unichemicals; Phosmer N2P) 444 g (48.5 mol%), ethanol (EtOH) 4,500g was added, it stirred, introducing nitrogen gas, and the temperature of the oil bath was heated up to 80 degreeC used as polymerization temperature.
内温がエタノール還流温度の78℃に到達したことを確認後、2,2’−アゾビス(2−メチルブチロニトリル)(V−59)の10質量%EtOH溶液と、アンモニウムパーオキシジサルフェイト((NH4)2S2O8)の10質量%DMF溶液を、モノマーの総質量に対して各0.5質量%ずつ、総量で1質量%となるように投入した。この時若干の重合発熱が起こり、重合開始が確認された。6時間重合させて、共重合体を含むEtOH溶液を得た。 After confirming that the internal temperature reached 78 ° C. of ethanol reflux temperature, a 10% by mass EtOH solution of 2,2′-azobis (2-methylbutyronitrile) (V-59) and ammonium peroxydisulfate A 10% by mass DMF solution of ((NH 4 ) 2 S 2 O 8 ) was added in an amount of 0.5% by mass with respect to the total mass of the monomer so that the total amount was 1% by mass. At this time, a slight polymerization exotherm occurred and the start of polymerization was confirmed. Polymerization was performed for 6 hours to obtain an EtOH solution containing a copolymer.
得られたEtOH溶液は、アルミシャーレに入れ、105℃のオーブンに3時間入れ、不揮発分測定、1質量%DMF溶液にしてGPCによる分子量分布測定、オストワルド法による溶液粘度測定を行ったところ、残留モノマーの少ない高分子量体が得られた。
この溶液からは、重量平均分子量68,000で、重合しなかった残留モノマーと考えられる分子量が300以下のエリア面積は3%であり、重合は良好に進行したと考えられる。
The obtained EtOH solution was placed in an aluminum petri dish, placed in an oven at 105 ° C. for 3 hours, measured for nonvolatile content, 1% by mass DMF solution, molecular weight distribution measurement by GPC, and solution viscosity measurement by Ostwald method. A high molecular weight product with less monomer was obtained.
From this solution, the area area with a weight average molecular weight of 68,000 and a molecular weight of 300 or less considered to be a residual monomer that was not polymerized was 3%, and the polymerization was considered to have proceeded well.
得られた共重合体の溶液は、ポリテトラフルオロエチレンシートに流延し、空気流通式乾燥器に入れ、常温から80℃まで昇温して溶剤を完全に除いた後、湿度43%の室内で24時間放置して、膜厚135μmの水に溶解しない高分子誘導体からなる膜を作製した。
この膜は、湿度43%の室内で24時間放置して、実施例1と同様にイオン導電率の測定を行ったところ、4.3×10-4S/cmの値が得られた。次に、1N硫酸水溶液に2時間浸漬し、表面の水分を除いてから導電率の測定を行ったところ、6.7×10-2S/cmの値が得られた。更に、この膜を80℃,1時間加熱して水分を除いた後、湿度50%の室内で24時間放置して導電率の測定を行ったところ、1.3×10-3S/cmの値が得られた。
The obtained copolymer solution was cast on a polytetrafluoroethylene sheet, placed in an air flow dryer, heated from room temperature to 80 ° C. to completely remove the solvent, and then indoors with a humidity of 43%. For 24 hours to prepare a film made of a polymer derivative that does not dissolve in water having a film thickness of 135 μm.
This film was left in a room with a humidity of 43% for 24 hours and measured for ionic conductivity in the same manner as in Example 1. As a result, a value of 4.3 × 10 −4 S / cm was obtained. Next, it was immersed in a 1N sulfuric acid aqueous solution for 2 hours, and after removing moisture on the surface, the conductivity was measured. As a result, a value of 6.7 × 10 −2 S / cm was obtained. Further, after the film was heated at 80 ° C. for 1 hour to remove moisture, the film was left in a room with a humidity of 50% for 24 hours, and the conductivity was measured to find 1.3 × 10 −3 S / cm. A value was obtained.
(5)(比較例3)共重合ポリマー2の製造と物性評価
比較のために、参考例1と同様の実験条件で、重合触媒をアンモニウムパーオキシジサルフェイト((NH4)2S2O8)だけに替え、モノマーの総質量に対して1質量%となるように投入した。この時も、重合開始が確認され、6時間重合させて、共重合体を含むEtOH溶液を得た。
この溶液から得られたポリマーは、重量平均分子量46,000で、残留モノマーと考えられる分子量が300以下のエリア面積は32%も含まれており、重合が良好に進行しなかったと考えられる。
(5) (Comparative Example 3) Production and Evaluation of Physical Properties of Copolymer 2 For comparison, the polymerization catalyst was ammonium peroxydisulfate ((NH 4 ) 2 S 2 O under the same experimental conditions as in Reference Example 1. Instead of only 8 ), it was charged so as to be 1% by mass relative to the total mass of the monomers. At this time, the start of polymerization was confirmed, and polymerization was performed for 6 hours to obtain an EtOH solution containing a copolymer.
The polymer obtained from this solution had a weight average molecular weight of 46,000 and an area area of 300% or less, which is considered to be a residual monomer, contained 32%, and it is considered that the polymerization did not proceed well.
(比較例4)
(6)(比較例4)共重合ポリマー3の製造と物性評価
実施例1の重合触媒と重合条件で、KBE−AAだけを使用しないで共重合を行った。このものは、オーブン中で乾燥することでフィルム化できたが、水溶性で水があると溶解して溶液になってしまった。この溶液から製膜し、導電率を測定しようとしたが、割れて測定できなかった。
(Comparative Example 4)
(6) (Comparative Example 4) Production of Copolymer 3 and Evaluation of Physical Properties Copolymerization was conducted using the polymerization catalyst and polymerization conditions of Example 1 without using only KBE-AA. This product could be formed into a film by drying in an oven, but it was water-soluble and dissolved in water to form a solution. A film was formed from this solution, and an attempt was made to measure the conductivity, but it could not be measured due to cracking.
(比較例5)
(7)(比較例5)共重合ポリマー4の製造と物性評価
参考例1の重合触媒と重合条件で、KBE−AAだけを使用しないで共重合を行った。このものは、オーブン中で乾燥することでフィルム化できたが、水溶性で水があると溶解して溶液になってしまった。
(Comparative Example 5)
(7) (Comparative Example 5) Production and property evaluation of copolymer 4
Copolymerization was performed using the polymerization catalyst of Reference Example 1 and polymerization conditions without using only KBE-AA. This product could be formed into a film by drying in an oven, but it was water-soluble and dissolved in water to form a solution.
(参考例2)
(8)(参考例2)共重合ポリマー5の製造と物性評価
還流冷却管、滴下漏斗、温度計及び窒素ガス導入管を接続した反応装置に、3−トリエトキシシリルプロピルアクリルアミド(KBE−AA)44g(4mol%)と、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸(AASO3H)392g(48.5mol%)と、アクリルアミドビスホスフェート(ユニケミカル社製;ホスマーN2P)444g(48.5mol%)と、エタノール(EtOH)4,500gを入れ、窒素ガスを導入しながら撹拌し、オイルバスの温度を重合温度となる80℃まで昇温した。
( Reference Example 2 )
(8) ( Reference Example 2 ) Production of Copolymer 5 and Evaluation of Physical Properties 3-Triethoxysilylpropylacrylamide (KBE-AA) was connected to a reactor connected to a reflux condenser, a dropping funnel, a thermometer, and a nitrogen gas introduction pipe. 44 g (4 mol%), 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid (AASO3H) 392 g (48.5 mol%), acrylamide bisphosphate (manufactured by Unichemical; Phosmer N2P), 444 g (48.5 mol%), Ethanol (EtOH) 4,500 g was added and stirred while introducing nitrogen gas, and the temperature of the oil bath was raised to 80 ° C., which is the polymerization temperature.
内温がエタノール還流温度の78℃に到達したことを確認後、2,2’−アゾビス(2−メチルブチロニトリル)(V−59)の10質量%EtOH溶液と、アンモニウムパーオキシジサルフェイト((NH4)2S2O8)の10質量%DMF溶液を、モノマーの総質量に対して各0.5質量%ずつ、総量で1質量%となるように投入した。この時若干の重合発熱が起こり、重合開始が確認された。6時間重合させて、共重合体を含むEtOH溶液を得た。 After confirming that the internal temperature reached 78 ° C. of ethanol reflux temperature, a 10% by mass EtOH solution of 2,2′-azobis (2-methylbutyronitrile) (V-59) and ammonium peroxydisulfate A 10% by mass DMF solution of ((NH 4 ) 2 S 2 O 8 ) was added in an amount of 0.5% by mass with respect to the total mass of the monomer so that the total amount was 1% by mass. At this time, a slight polymerization exotherm occurred and the start of polymerization was confirmed. Polymerization was performed for 6 hours to obtain an EtOH solution containing a copolymer.
得られたEtOH溶液は、アルミシャーレに入れ、105℃のオーブンに3時間入れ、不揮発分測定、1質量%DMF溶液にしてGPCによる分子量分布測定、オストワルド法による溶液粘度測定を行ったところ、残留モノマーの少ない高分子量体が得られた。
この参考例2から得られた溶液からは、重量平均分子量69,000で、重合しなかった残留モノマーと考えられる分子量が300以下のエリア面積は3%であり、重合は良好に進行したと考えられる。
The obtained EtOH solution was placed in an aluminum petri dish, placed in an oven at 105 ° C. for 3 hours, measured for nonvolatile content, 1% by mass DMF solution, molecular weight distribution measurement by GPC, and solution viscosity measurement by Ostwald method. A high molecular weight product with less monomer was obtained.
From the solution obtained from Reference Example 2, the area area with a weight average molecular weight of 69,000 and a molecular weight of 300 or less, which is considered to be a residual monomer that was not polymerized, was 3%, and the polymerization was considered to proceed well. It is done.
得られた共重合体の溶液は、ポリテトラフルオロエチレンシートに流延し、空気流通式乾燥器に入れ、常温から80℃まで昇温して溶剤を完全に除いた後、湿度43%の室内で24時間放置して、膜厚135μmの水に溶解しない高分子誘導体からなる膜を作製した。
この膜は、湿度43%の室内で24時間放置して、実施例1と同様にしてイオン導電性の測定を行ったところ、1.3×10-5S/cmの値が得られた。次に、1N硫酸水溶液に2時間浸漬し、表面の水分を除いてから導電率の測定を行ったところ、1.1×10-1S/cmの値が得られた。更に、この膜を80℃,1時間加熱して水分を除いた後、湿度50%の室内で24時間放置して導電率の測定を行ったところ、1.2×10-3S/cmの値が得られた。
The obtained copolymer solution was cast on a polytetrafluoroethylene sheet, placed in an air flow dryer, heated from room temperature to 80 ° C. to completely remove the solvent, and then indoors with a humidity of 43%. For 24 hours to prepare a film made of a polymer derivative that does not dissolve in water having a film thickness of 135 μm.
This membrane was left in a room with a humidity of 43% for 24 hours, and the ionic conductivity was measured in the same manner as in Example 1. As a result, a value of 1.3 × 10 −5 S / cm was obtained. Next, it was immersed in a 1N sulfuric acid aqueous solution for 2 hours, and after removing moisture on the surface, the conductivity was measured. As a result, a value of 1.1 × 10 −1 S / cm was obtained. Further, after the film was heated at 80 ° C. for 1 hour to remove moisture, the film was left in a room with a humidity of 50% for 24 hours, and the conductivity was measured to find 1.2 × 10 −3 S / cm. A value was obtained.
** 架橋剤量:ポリマー中のKBE−AAの割合
***重量平均分子量:Mw(1質量%DMF溶液のGPCによる測定)
** Crosslinking agent amount: ratio of KBE-AA in polymer ** Weight average molecular weight: Mw (measured by GPC of 1 mass% DMF solution)
注:(1) KBE−AA:3−トリエトキシシリルプロピルアクリルアミド。
(2) AASO3H:2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸。
(3) (NH4)2S2O8:アンモニウムパーオキシジサルフェイト。
(4) V−59:2,2’−アゾビス(2−メチルブチロニトリル)。
(5) ホスマーN2P:アクリルアミドビスホスフェート。
(6) DMF:ジメチルホルムアミド。
Notes: (1) KBE-AA: 3-triethoxysilylpropylacrylamide.
(2) AASO3H: 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid.
(3) (NH 4 ) 2 S 2 O 8 : ammonium peroxydisulfate.
(4) V-59: 2,2′-azobis (2-methylbutyronitrile).
(5) Phosmer N2P: acrylamide bisphosphate.
(6) DMF: Dimethylformamide.
溶液粘度:
10〜23質量%(不揮発分の値)EtOH溶液のオストワルド粘度計による25℃の溶液粘度を測定した。
不揮発分:
アルミシャーレに一定量はかりとり、105℃のオーブンに3時間入れ、質量の減少から求めた。
膜厚:
ミツトヨ社製のシックネスゲージ(ID C112B)で測定。
導電率(酸処理後):
1N H2SO4に浸漬した後、H2SO4溶液をよく拭き取ったあと80℃で1時間加熱して膜中の水分を除いた後、湿度50%RH下に24時間放置して測定。
Solution viscosity:
The solution viscosity at 25 ° C. was measured with an Ostwald viscometer of 10-23 mass% (nonvolatile content) EtOH solution.
Nonvolatile content:
A certain amount was weighed in an aluminum petri dish, placed in an oven at 105 ° C. for 3 hours, and determined from the decrease in mass.
Film thickness:
Measured with Mitsutoyo thickness gauge (ID C112B).
Conductivity (after acid treatment):
After immersing in 1N H 2 SO 4 , the H 2 SO 4 solution was thoroughly wiped off, heated at 80 ° C. for 1 hour to remove moisture in the film, and then left to stand at a humidity of 50% RH for 24 hours.
** 架橋剤量:ポリマー中のKBE−AAの割合
***重量平均分子量:Mw(1質量%DMF溶液のGPCによる測定)
** Crosslinking agent amount: ratio of KBE-AA in polymer ** Weight average molecular weight: Mw (measured by GPC of 1 mass% DMF solution)
表1,2の結果より、実施例1、参考例1,2の膜は、酸で処理した後はいずれも相対湿度100%での導電率が10-3〜10-1S/cmのオーダーであった。また、相対湿度50%での導電率が10-5〜10-3S/cmのオーダーにあり、とりわけ、リン酸基及びスルホン酸基を共に含有する高分子膜は、10-3S/cmのオーダーで電解質素材としては良好な水準にあることがわかる。
From the results shown in Tables 1 and 2 , the films of Example 1 and Reference Examples 1 and 2 are both in the order of conductivity of 10 −3 to 10 −1 S / cm at 100% relative humidity after treatment with acid. Met. Further, the electrical conductivity at a relative humidity of 50% is on the order of 10 −5 to 10 −3 S / cm, and in particular, a polymer film containing both phosphate groups and sulfonic acid groups is 10 −3 S / cm. It can be seen that the electrolyte material is in a good level on the order of.
比較例と実施例を対比することにより、本発明のイオン伝導性高分子物質の誘導体からなる膜は、ガラス繊維などの補強材を用いなくても膜として実用的な強度を持ち、低湿度の環境下においても優れたイオン伝導性を示すことがわかる。 By comparing the comparative example and the example, the film made of the derivative of the ion conductive polymer material of the present invention has practical strength as a film without using a reinforcing material such as glass fiber, and has a low humidity. It can be seen that excellent ionic conductivity is exhibited even in the environment.
Claims (2)
で示される分子内に1個以上のアルコキシシリル基と1個以上のエチレン性不飽和結合とを有するアルコキシシリル基含有不飽和モノマーと、
(B)2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸と
が共重合されてなり、1質量%ジメチルホルムアミド溶液のゲルパーミエーションクロマトグラフィーによるポリスチレン換算重量平均分子量が20,000〜1,000,000であることを特徴とするイオン伝導性高分子物質。 (A) The following general formula (1)
An alkoxysilyl group-containing unsaturated monomer having one or more alkoxysilyl groups and one or more ethylenically unsaturated bonds in the molecule represented by
(B) 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid is copolymerized, and the weight average molecular weight in terms of polystyrene by gel permeation chromatography of a 1 mass% dimethylformamide solution is 20,000 to 1,000,000. An ion-conducting polymer material characterized by being.
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR20180099560A (en) * | 2017-02-28 | 2018-09-05 | 아라까와 가가꾸 고교 가부시끼가이샤 | Binder aqueous solution for lithium ion battery, slurry for lithium ion battery and method for producing same, electrode for lithium ion battery, separator for lithium ion battery, separator/electrode layered product for lithium ion battery and lithium ion battery |
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