JP2012129175A - Method for producing polymer electrolyte membrane and polymer electrolyte membrane produced by the method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高分子電解質膜の製造方法、及び該製造方法で製造された高分子電解質膜に関するものである。 The present invention relates to a method for producing a polymer electrolyte membrane, and a polymer electrolyte membrane produced by the production method.
近年、発電効率や環境性に優れた新しい発電技術が注目を集めている。中でも固体高分子形燃料電池は出力密度が高く、また、他の方式の燃料電池に比べて運転温度が低く起動や停止が容易であることから、電気自動車や分散発電などの電源装置として開発が進んでいる。 In recent years, new power generation technology with excellent power generation efficiency and environmental performance has been attracting attention. In particular, polymer electrolyte fuel cells have a high output density, and have a lower operating temperature than other types of fuel cells, making them easy to start and stop, so they have been developed as power supplies for electric vehicles and distributed power generation. Progressing.
固体高分子形燃料電池は、燃料として純水素ガス、改質水素ガス、メタノールを用いるいずれの型でも、高分子電解質膜を2枚の電極で挟んだ膜電極接合体を複数積層したスタックと呼ばれるもので構成されている。 A solid polymer fuel cell is called a stack in which a plurality of membrane electrode assemblies each having a polymer electrolyte membrane sandwiched between two electrodes are used in any type using pure hydrogen gas, reformed hydrogen gas, and methanol as fuel. Consists of things.
高分子電解質膜には、出力の向上や燃料の有効利用の点から、プロトン伝導性と燃料透過抑止性に優れていることが求められる。高分子電解質膜として公知であるナフィオン(登録商標)に代表されるフッ素系高分子電解質膜は、燃料透過性が大きいという問題がある。このため、最近では、炭化水素系ポリマーからなる高分子電解質膜(炭化水素系高分子電解質膜)が用いられることが多い。 The polymer electrolyte membrane is required to be excellent in proton conductivity and fuel permeation deterrence from the viewpoint of improving the output and effectively using the fuel. A fluorine-based polymer electrolyte membrane represented by Nafion (registered trademark), which is known as a polymer electrolyte membrane, has a problem of high fuel permeability. For this reason, recently, polymer electrolyte membranes (hydrocarbon polymer electrolyte membranes) made of hydrocarbon polymers are often used.
炭化水素系高分子電解質(以下、単に「高分子電解質」と称する場合がある。)膜は、一般的に、高分子電解質の溶剤溶液を支持体上に流延し、次いで乾燥して製造されるが、その際、得られる高分子電解質膜のプロトン伝導性や燃料透過抑止性が低下する場合があった。 A hydrocarbon-based polymer electrolyte (hereinafter sometimes simply referred to as “polymer electrolyte”) membrane is generally produced by casting a solvent solution of a polymer electrolyte on a support and then drying it. However, at that time, the proton conductivity and the fuel permeation inhibiting property of the obtained polymer electrolyte membrane may be lowered.
そこで、これまでに、プロトン伝導性や燃料透過抑止性の低下し難い高分子電解質膜の製造方法が開発されている。例えば、特許文献1には、高分子電解質の溶液を支持体上に流延して流延膜を得た後、当該流延膜から溶剤を除去するにあたり、残留溶剤量を特定の値以下に調整する高分子電解質膜の製造方法が開示されている。 So far, a method for producing a polymer electrolyte membrane, in which proton conductivity and fuel permeation deterrence are hardly lowered, has been developed. For example, in Patent Document 1, after a polymer electrolyte solution is cast on a support to obtain a cast film, the residual solvent amount is reduced to a specific value or less in removing the solvent from the cast film. A method for producing a polymer electrolyte membrane to be adjusted is disclosed.
固体高分子形燃料電池において、プロトンは高分子電解質膜の一方の面から他方の面に移動するため、高分子電解質膜は膜厚方向のプロトン伝導性に優れることが重要であると考えられる。しかしながら、上記製造方法では、膜厚方向のプロトン伝導性に優れた高分子電解質膜を作製することができない場合があった。 In a polymer electrolyte fuel cell, protons move from one surface of the polymer electrolyte membrane to the other surface, so it is important that the polymer electrolyte membrane is excellent in proton conductivity in the film thickness direction. However, in the above production method, a polymer electrolyte membrane excellent in proton conductivity in the film thickness direction may not be produced.
本発明は、かかる問題を解決すべくなされたものであり、本発明者は、膜厚方向のプロトン伝導性に優れた高分子電解質膜を製造する方法を提供することを課題として掲げた。 The present invention has been made to solve such problems, and the present inventor has raised the object of providing a method for producing a polymer electrolyte membrane excellent in proton conductivity in the film thickness direction.
本発明者は鋭意検討した結果、高分子電解質膜の製造工程において、高分子電解質(特に、炭化水素系ブロック共重合体)の流延膜が大気と接触するのを防ぎつつ、当該流延膜から溶剤を除去すれば、膜厚方向のプロトン伝導性に優れた高分子電解質膜を製造できることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies, the present inventor has found that the casting membrane of the polymer electrolyte (particularly, the hydrocarbon block copolymer) is prevented from coming into contact with the atmosphere in the production process of the polymer electrolyte membrane. The present inventors have found that a polymer electrolyte membrane excellent in proton conductivity in the film thickness direction can be produced by removing the solvent from the present invention, and the present invention has been completed.
すなわち、上記課題を解決することができた、本発明に係る炭化水素系高分子電解質膜の製造方法は、疎水性セグメントと親水性セグメントとを有するブロック共重合体が溶剤に溶解してなる溶液を、支持体上に塗布して、前記ブロック共重合体の塗布膜を形成する工程と、前記ブロック共重合体の塗布膜に、ランダム共重合体が溶剤に溶解してなる溶液を塗布して、前記ランダム共重合体の塗布膜を形成する工程と、前記溶剤を除去する工程と、をこの順で含むことを特徴とする。 That is, the method for producing a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane according to the present invention, which was able to solve the above problems, is a solution in which a block copolymer having a hydrophobic segment and a hydrophilic segment is dissolved in a solvent. On the support and forming a coating film of the block copolymer, and applying a solution obtained by dissolving the random copolymer in a solvent to the coating film of the block copolymer. The step of forming a coating film of the random copolymer and the step of removing the solvent are included in this order.
本明細書において、前記「支持体上」とは、ブロック共重合体の塗布膜が支持体の直上に設けられる場合や、他の皮膜(例えば、後述するランダム共重合体の塗布膜や、ランダム共重合体膜)を介在して設けられる場合も含むことを意味する。 In the present specification, the term “on the support” means that a coating film of a block copolymer is provided immediately above the support, or other film (for example, a coating film of a random copolymer described later, It is meant to include the case where it is provided via a copolymer film).
また、前記「共重合体の塗布膜」とは、共重合体の溶液を支持体等に塗布した後、溶剤を除去する操作を行うことなく形成された膜を意味し、後述する「共重合体膜」とは、塗布膜から溶剤を除去する操作を意図的に行って形成された膜を意味する。 The “copolymer coating film” means a film formed without coating the copolymer solution on a support or the like and then removing the solvent. The “union film” means a film formed by intentionally removing the solvent from the coating film.
本発明において、前記ブロック共重合体の塗布膜を形成する工程が、前記支持体に、ランダム共重合体が溶剤に溶解してなる溶液を塗布して、ランダム共重合体の塗布膜を形成した後、前記ランダム共重合体の塗布膜に、前記ブロック共重合体の溶液を塗布して行われることや、前記支持体に、ランダム共重合体が溶剤に溶解してなる溶液を塗布し、次いで前記溶剤を除去して、ランダム共重合体膜を形成した後、前記ランダム共重合体膜に、前記ブロック共重合体の溶液を塗布して行われることは、好ましい実施態様である。 In the present invention, in the step of forming the block copolymer coating film, a random copolymer coating film is formed on the support by applying a solution obtained by dissolving the random copolymer in a solvent. Thereafter, the coating of the random copolymer is performed by applying a solution of the block copolymer, or the support is applied with a solution in which the random copolymer is dissolved in a solvent, In a preferred embodiment, the solvent is removed to form a random copolymer film, and then the block copolymer solution is applied to the random copolymer film.
また、 前記ブロック共重合体の前記疎水性セグメントが
化学式1
Further, the hydrophobic segment of the block copolymer is represented by the chemical formula 1
(式中、Zはそれぞれ独立してO原子又はS原子を、Ar1はそれぞれ独立して2価の芳香族基を、nは1〜100の数を、それぞれ表す。)
で表され、
前記親水性セグメントが化学式2
(In the formula, each Z independently represents an O atom or an S atom, Ar 1 independently represents a divalent aromatic group, and n represents a number of 1 to 100, respectively.)
Represented by
The hydrophilic segment is represented by chemical formula 2
(式中、Xはそれぞれ独立してH又は1価の陽イオンを、Yはスルホニル基又はカルボニル基を、Ar2はそれぞれ独立して2価の芳香族基を、Lはそれぞれ独立してO原子又はS原子を、mは1〜100の数をそれぞれ表す。)で表され、
前記疎水性セグメントと前記親水性セグメントとが、化学式3
Wherein X is independently H or a monovalent cation, Y is a sulfonyl group or carbonyl group, Ar 2 is independently a divalent aromatic group, and L is independently O. An atom or an S atom, m represents a number of 1 to 100, respectively)
The hydrophobic segment and the hydrophilic segment are represented by the chemical formula 3
(式中、pは0又は1を表し、pが1の場合、Wは直接結合、スルホニル基、カルボニル基からなる群より選ばれる1種以上を表す。)
で表される基で結合されることや、Ar2が化学式4
(In the formula, p represents 0 or 1, and when p is 1, W represents one or more selected from the group consisting of a direct bond, a sulfonyl group, and a carbonyl group.)
Or Ar 2 is represented by the chemical formula 4
で表されることも好ましい実施態様である。
Is also a preferred embodiment.
さらに、前記化学式2中のmと前記化学式1中のnの比率(m/n)が、0.4〜1.5であることや、前記ランダム共重合体がスルホン酸基を有するフッ素系重合体および/またはスルホン酸基を有する炭化水素系重合体であること、および、前記ブロック共重合体と前記ランダム共重合体の総量の質量比が99/1〜1/99であることも好ましい実施態様である。 Furthermore, the ratio (m / n) of m in the chemical formula 2 to n in the chemical formula 1 is 0.4 to 1.5, or the fluorine-based heavy polymer having a sulfonic acid group in the random copolymer. It is also preferable that the polymer is a hydrocarbon-based polymer having a coalescence and / or a sulfonic acid group, and the mass ratio of the total amount of the block copolymer and the random copolymer is 99/1 to 1/99. It is an aspect.
本発明には、上記製造方法によって製造された炭化水素系高分子電解質膜や、当該電解質膜を用いた膜電極接合体、及び、当該膜電極接合体を用いた燃料電池も包含される。 The present invention also includes a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane produced by the above production method, a membrane electrode assembly using the electrolyte membrane, and a fuel cell using the membrane electrode assembly.
本発明の高分子電解質膜の製造方法は、ブロック共重合体の塗布膜が大気と接触するのを防ぎつつ、当該塗布膜から溶剤を除去しているため、膜厚方向のプロトン伝導性に優れた電解質膜を得ることができた。 The method for producing a polymer electrolyte membrane of the present invention is excellent in proton conductivity in the film thickness direction because the solvent is removed from the coating film while preventing the coating film of the block copolymer from coming into contact with the atmosphere. An electrolyte membrane could be obtained.
本発明にかかる炭化水素系高分子電解質膜の製造方法は、疎水性セグメントと親水性セグメントとを有するブロック共重合体が溶剤に溶解してなる溶液を、支持体上に塗布して、前記ブロック共重合体の塗布膜を形成する工程と、前記ブロック共重合体の塗布膜に、ランダム共重合体が溶剤に溶解してなる溶液を塗布して、前記ランダム共重合体の塗布膜を形成する工程と、前記溶剤を除去する工程と、をこの順で含むことを特徴とする。 In the method for producing a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane according to the present invention, a solution obtained by dissolving a block copolymer having a hydrophobic segment and a hydrophilic segment in a solvent is applied on a support, and the block A step of forming a coating film of the copolymer, and a coating solution of the random copolymer is applied to the coating film of the block copolymer to form the coating film of the random copolymer The method includes a step and a step of removing the solvent in this order.
本発明の製造方法により、膜厚方向のプロトン伝導性に優れた高分子電解質膜が得られるメカニズムについての詳細は不明であるが、以下のように推測される。 Although the details about the mechanism by which the polymer electrolyte membrane excellent in proton conductivity in the film thickness direction is obtained by the production method of the present invention are unknown, it is presumed as follows.
すなわち、従来の高分子電解質膜の製造方法では、疎水性セグメントと親水性セグメントとを有するブロック共重合体の塗布膜を大気と接触させた状態で、塗布膜から溶剤を除去して高分子電解質膜を得ていた。大気は疎水性物質であるため、大気と接触する電解質膜の表面には疎水性セグメントが集まることとなって、電解質膜中での疎水性セグメントと親水性セグメントの分布が膜厚方向で不均一となっていた。 That is, in the conventional method for producing a polymer electrolyte membrane, the polymer electrolyte is obtained by removing the solvent from the coating film while the coating film of the block copolymer having the hydrophobic segment and the hydrophilic segment is in contact with the atmosphere. I got a film. Since the atmosphere is a hydrophobic substance, hydrophobic segments gather on the surface of the electrolyte membrane that comes into contact with the atmosphere, and the distribution of hydrophobic and hydrophilic segments in the electrolyte membrane is uneven in the film thickness direction. It was.
これに対し、本発明では、疎水性セグメントと親水性セグメントとを有するブロック共重合体の塗布膜の表面を、ランダム共重合体の塗布膜で被覆している。ランダム共重合体の塗布膜は、大気(疎水性物質)と接触させた状態で溶剤を除去しても、疎水性基と親水性基の分布が膜厚方向で変化し難い。また、ブロック共重合体の塗布膜は、大気と接触することが防がれているため、ブロック共重合体の塗布膜から溶剤を除去しても、疎水性セグメントと親水性セグメントの分布が膜厚方向で不均一となり難い。 On the other hand, in this invention, the surface of the coating film of the block copolymer which has a hydrophobic segment and a hydrophilic segment is coat | covered with the coating film of a random copolymer. Even if the solvent is removed from the coating film of the random copolymer in contact with the atmosphere (hydrophobic substance), the distribution of hydrophobic groups and hydrophilic groups hardly changes in the film thickness direction. In addition, since the coating film of the block copolymer is prevented from coming into contact with the atmosphere, the hydrophobic segment and the hydrophilic segment are distributed even if the solvent is removed from the coating film of the block copolymer. Difficult to be uneven in the thickness direction.
すなわち、本発明の製造方法によって得られる高分子電解質膜は、プロトンの移動に関与する親水性基(親水性セグメント)が膜厚方向に満遍なく(換言すれば、疎水性セグメントが膜表面に偏在することなく)存在するため、その結果として、膜厚方向のプロトン伝導性が向上したものと推測される。 That is, in the polymer electrolyte membrane obtained by the production method of the present invention, hydrophilic groups (hydrophilic segments) involved in proton movement are even in the film thickness direction (in other words, hydrophobic segments are unevenly distributed on the membrane surface). As a result, the proton conductivity in the film thickness direction is estimated to be improved.
以下、本発明の高分子電解質膜の製造方法について詳細に説明する。本明細書では、本発明を特徴付ける製造工程(特に、ブロック共重合体の塗布膜が疎水性物質と接触するのを防ぐ方法)について先ず説明し、その次に、ブロック共重合体やランダム共重合体の具体的態様について説明することとする。 Hereafter, the manufacturing method of the polymer electrolyte membrane of this invention is demonstrated in detail. In this specification, the manufacturing process characterizing the present invention (particularly, the method for preventing the coating film of the block copolymer from coming into contact with the hydrophobic substance) will be described first, followed by the block copolymer and the random copolymer. A specific mode of coalescence will be described.
(ブロック共重合体の塗布膜を形成する工程)
本工程で用いる溶剤としては、ブロック共重合体を均一に溶解または分散し得るものであれば特に限定されるものではなく、ブロック共重合体の構造に応じて適宜選択すればよいが、極性溶剤であることが好ましく、非プロトン性極性溶剤であることがさらに好ましい。非プロトン性極性溶剤としては、例えば、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジエチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、N−モルフォリン−N−オキシド、ヘキサメチレンホスホンアミド、ジメチルスルホキシド、スルホラン、γ−ブチロラクトン、ジフェニルスルホンなどが挙げられる。特に、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジエチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシドが好ましい。これらの溶剤は単独で用いても、2種以上を組み合わせて用いてもよい。溶剤の沸点は100℃〜300℃の範囲であることが好ましい。沸点が100℃未満であると、得られる高分子電解質膜の表面にシワや変形などが発生する場合がある。沸点が300℃を超えると、高分子電解質膜の製造に多大なエネルギーが必要となる場合がある。
(Step of forming a coating film of block copolymer)
The solvent used in this step is not particularly limited as long as it can uniformly dissolve or disperse the block copolymer, and may be appropriately selected according to the structure of the block copolymer. And is more preferably an aprotic polar solvent. Examples of the aprotic polar solvent include N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N, N-diethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, N-morpholine-N-oxide, and hexamethylene. Examples include phosphonamide, dimethyl sulfoxide, sulfolane, γ-butyrolactone, and diphenyl sulfone. In particular, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N, N-diethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone and dimethyl sulfoxide are preferable. These solvents may be used alone or in combination of two or more. The boiling point of the solvent is preferably in the range of 100 ° C to 300 ° C. If the boiling point is less than 100 ° C., wrinkles or deformation may occur on the surface of the obtained polymer electrolyte membrane. When the boiling point exceeds 300 ° C., a large amount of energy may be required for production of the polymer electrolyte membrane.
ブロック共重合体の溶液の固形分濃度は、ブロック共重合体の分子量や、塗布する際の温度などによって適宜決定することができ、具体的には5質量%〜50質量%の範囲であることが好ましい。固形分濃度が5質量%未満であると、後工程で行う溶剤の除去に時間を要して膜の品位が低下する場合がある。固形分濃度が50質量%を超えると、溶液の粘度が高くなりすぎてハンドリングが困難になることがある。より好ましくは5質量%〜35質量%である。 The solid content concentration of the solution of the block copolymer can be appropriately determined according to the molecular weight of the block copolymer, the temperature at the time of coating, and the like, and specifically, it is in the range of 5% by mass to 50% by mass. Is preferred. When the solid content concentration is less than 5% by mass, it may take time to remove the solvent in the subsequent step, and the quality of the film may be lowered. When the solid content concentration exceeds 50% by mass, the viscosity of the solution becomes too high, and handling may be difficult. More preferably, it is 5 mass%-35 mass%.
ブロック共重合体の溶液の粘度は、特に限定されるものではないが、支持体上(支持体の直上、もしくは後述するランダム共重合体の塗布膜やランダム共重合体膜)に良好に塗布することができる範囲であることが好ましい。より好ましくは、塗布する温度において、粘度が1〜1000Pa・sの範囲である。 The viscosity of the block copolymer solution is not particularly limited, but it is satisfactorily coated on the support (immediately above the support or a random copolymer coating film or random copolymer film described later). It is preferable that it is in the range that can be. More preferably, the viscosity is in the range of 1 to 1000 Pa · s at the coating temperature.
ブロック共重合体の溶液を支持体上に塗布する方法としては、公知の方法を用いることができるが、一定の濃度の溶液を一定の厚みになるように塗布することが好ましい。例えば、ドクターブレード、アプリケーターなど、一定のギャップの空隙に溶液を押しこんで塗布厚みを一定にする方法や、スロットダイなどを用いて、ブロック共重合体溶液を一定速度で供給して塗布する方法、スプレーなどを用いてブロック共重合体溶液を吹き付ける方法が挙げられる。支持体上への塗布は、バッチ方式で行ってもよいが、連続して行うほうが生産性がよいため好ましい。 As a method for applying the block copolymer solution onto the support, known methods can be used, but it is preferable to apply a solution having a constant concentration so as to have a constant thickness. For example, a method of pushing the solution into a gap of a certain gap, such as a doctor blade or an applicator, to make the coating thickness constant, or a method of supplying a block copolymer solution at a constant speed using a slot die, etc. And a method of spraying the block copolymer solution using a spray or the like. Coating on the support may be performed in a batch manner, but it is preferable to perform the coating continuously because the productivity is good.
ブロック共重合体の塗布膜の厚みは、特に制限されないが、10μm〜1000μmであることが好ましく、50μm〜500μmであることがより好ましい。塗布膜の厚みが10μmよりも薄いと高分子電解質膜としての形態を保てなくなる場合がある。また、塗布膜の厚みが1000μmよりも厚いと不均一な高分子電解質膜ができ易くなる。 The thickness of the coating film of the block copolymer is not particularly limited, but is preferably 10 μm to 1000 μm, and more preferably 50 μm to 500 μm. If the thickness of the coating film is less than 10 μm, the form as a polymer electrolyte film may not be maintained. On the other hand, if the thickness of the coating film is greater than 1000 μm, a non-uniform polymer electrolyte membrane is easily formed.
本工程で用いる支持体としては、ブロック共重合体や後述するランダム共重合体を溶解または分散させるのに用いる溶剤に溶解しないものであれば特に限定されるものではないが、平坦で、柔軟なものが好ましい。例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリアリレート、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリアラミド、ポリベンザゾールなどの樹脂フィルムや、それらの表面にシリカやチタニア、及びジルコニアなどの無機化合物をコートしたもの、あるいはステンレス鋼などの金属質からなるフィルムなどが挙げられる。耐熱性及び耐溶剤性の面から、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリアリレート、ポリアミド、ポリイミド、ポリアラミドが好ましく、さらにコストや品位の面からポリエチレンテレフタレートがより好ましい。 The support used in this step is not particularly limited as long as it does not dissolve in the solvent used to dissolve or disperse the block copolymer or the random copolymer described below, but it is flat and flexible. Those are preferred. For example, resin films such as polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polyarylate, polyamide, polyimide, polyamideimide, polyaramid, and polybenzazole, and inorganic compounds such as silica, titania, and zirconia are coated on the surface. Or a film made of a metal such as stainless steel. From the viewpoints of heat resistance and solvent resistance, polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polyarylate, polyamide, polyimide, and polyaramid are preferable, and polyethylene terephthalate is more preferable from the viewpoint of cost and quality.
(ランダム共重合体の塗布膜を形成する工程)
本工程によって、ブロック共重合体の塗布膜の表面がランダム共重合体の塗布膜で被覆されるため、ブロック共重合体の塗布膜が大気(疎水性雰囲気)と接触するのを防ぐことができる。
(Step of forming a coating film of random copolymer)
By this step, since the surface of the block copolymer coating film is coated with the random copolymer coating film, the block copolymer coating film can be prevented from coming into contact with the atmosphere (hydrophobic atmosphere). .
本工程で用いる溶剤としては、ブロック共重合体を溶解または分散するのに用い得るものとして例示した溶剤が挙げられる。本工程で用いる溶剤は、ブロック共重合体を溶解または分散させるのに用いた溶剤と同じであっても異なっていてもよい。 Examples of the solvent used in this step include the solvents exemplified as those that can be used to dissolve or disperse the block copolymer. The solvent used in this step may be the same as or different from the solvent used to dissolve or disperse the block copolymer.
ランダム共重合体の溶液の固形分濃度や粘度については、ブロック共重合体の溶液の固形分濃度や粘度の好適範囲を援用できる。 About the solid content concentration and viscosity of the solution of a random copolymer, the suitable range of solid content concentration and the viscosity of the solution of a block copolymer can be used.
ランダム共重合体の溶液を塗布する方法としては、ブロック共重合体の溶液の塗布方法として例示した塗布方法を援用できる。 As a method of applying the random copolymer solution, the application method exemplified as the method of applying the block copolymer solution can be used.
ランダム共重合体の塗布膜の厚みは、特に制限されないが、0.2μm〜100μmであることが好ましく、0.5μm〜80μmであることがより好ましい。塗布膜の厚みが0.2μmよりも薄いと、ランダム共重合体の塗布膜の形成が難しくなる場合がある。また、ブロック共重合体の塗布膜と大気との接触を有効に防げない場合がある。塗布膜の厚みが100μmよりも厚いと、ブロック共重合の特性をランダム共重合体が打ち消してしまい、プロトン伝導性に優れた高分子電解質膜が得られない場合がある。 The thickness of the coating film of the random copolymer is not particularly limited, but is preferably 0.2 μm to 100 μm, and more preferably 0.5 μm to 80 μm. If the thickness of the coating film is thinner than 0.2 μm, it may be difficult to form the coating film of the random copolymer. Further, there are cases where contact between the coating film of the block copolymer and the atmosphere cannot be effectively prevented. If the thickness of the coating film is greater than 100 μm, the random copolymer cancels the block copolymerization characteristics, and a polymer electrolyte membrane having excellent proton conductivity may not be obtained.
本発明の製造方法を連続して行う場合、ランダム共重合体の塗布膜をブロック共重合体の塗布膜上に形成するためには、ランダム共重合体の溶液の塗布手段を、ブロック共重合体の溶液の塗布手段の下流側に配すればよい。また、多層スロットダイを用いて、支持体の流れ方向の上流側のスリットからブロック共重合体の溶液を押出し、下流側のスリットからランダム共重合体の溶液を押出すことにより、ランダム共重合体の塗布膜とブロック共重合体の塗布膜の形成及び積層を、ほぼ同時に行うことができる。 In the case where the production method of the present invention is continuously performed, in order to form a random copolymer coating film on the block copolymer coating film, a random copolymer solution coating means is used. What is necessary is just to distribute | arrange to the downstream of the application | coating means of this solution. Further, by using a multi-layer slot die, the block copolymer solution is extruded from the upstream slit in the flow direction of the support, and the random copolymer solution is extruded from the downstream slit. The coating film and the block copolymer coating film can be formed and laminated almost simultaneously.
(支持体にランダム共重合体の溶液を塗布する工程)
本発明の製造方法においては、前記ブロック共重合体の塗布膜を形成する工程が、先ず支持体にランダム共重合体の溶液を塗布して、ランダム共重合体の塗布膜を形成した後、当該塗布膜にブロック共重合体の溶液を塗布して行われてもよい。
(Process of applying a random copolymer solution to the support)
In the production method of the present invention, the step of forming a coating film of the block copolymer firstly applies a random copolymer solution to a support to form a random copolymer coating film, The coating film may be applied by applying a solution of a block copolymer.
支持体も疎水性物質であるため、支持体の直上にブロック共重合体の塗布膜を形成した場合には、ブロック共重合体の塗布膜と支持体の接触面に疎水性セグメントが集まることとなって、かかる塗布膜を用いて得られる電解質膜は、少なくともその片面に疎水性セグメントが偏在してしまい、膜厚方向のプロトン伝導性が低下する場合がある。これに対し、ランダム共重合体の塗布膜を介して、ブロック共重合体の塗布膜を支持体上に形成すれば、ブロック共重合体の塗布膜が支持体と接触するのを防ぐことができるため、当該問題を解消することができる。 Since the support is also a hydrophobic substance, when a coating film of a block copolymer is formed immediately above the support, hydrophobic segments are collected on the contact surface between the coating film of the block copolymer and the support. Thus, in the electrolyte membrane obtained using such a coating membrane, the hydrophobic segment is unevenly distributed on at least one surface thereof, and proton conductivity in the film thickness direction may be lowered. On the other hand, if the coating film of the block copolymer is formed on the support through the coating film of the random copolymer, it is possible to prevent the coating film of the block copolymer from coming into contact with the support. Therefore, the problem can be solved.
本工程で用いるランダム共重合体としては、ブロック共重合体の塗布膜上にランダム共重合体の塗布膜を形成する際に用いられるランダム共重合体が挙げられる。これらのランダム共重合体は、互いに同一であっても異なっていてもよい。 Examples of the random copolymer used in this step include a random copolymer used for forming a coating film of a random copolymer on a coating film of a block copolymer. These random copolymers may be the same as or different from each other.
支持体の直上にランダム共重合体の溶液を塗布する方法としては、ブロック共重合体の塗布膜にランダム共重合体の溶液を塗布する際に用いる方法が援用できる。 As a method of applying the random copolymer solution directly on the support, a method used when applying the random copolymer solution to the block copolymer coating film can be used.
ランダム共重合体の塗布膜の厚みは、ブロック共重合体の塗布膜上に形成されるランダム共重合体の塗布膜の厚みの好適範囲を援用できる。 For the thickness of the coating film of the random copolymer, a suitable range of the thickness of the coating film of the random copolymer formed on the coating film of the block copolymer can be used.
本発明の製造方法を連続して行う場合、ランダム共重合体の溶液の支持体への塗布手段を、ブロック共重合体の溶液の塗布手段の上流側に配すればよい。あるいは、多層(三層)スロットダイを用いて、各スリットから、支持体の流れ方向の上流側から順に、ランダム共重合体、ブロック共重合体、ランダム共重合体の各溶液を押出すことにより、上下層のランダム共重合体の塗布膜とブロック共重合体の塗布膜の形成及び積層をほぼ同時に行うことができる。 When the production method of the present invention is carried out continuously, the means for applying the random copolymer solution to the support may be arranged upstream of the means for applying the block copolymer solution. Alternatively, by using a multilayer (three-layer) slot die, each solution of a random copolymer, a block copolymer, and a random copolymer is extruded from each slit in order from the upstream side in the flow direction of the support. The upper and lower layers of the random copolymer coating film and the block copolymer coating film can be formed and laminated almost simultaneously.
(支持体にランダム共重合体膜を形成する工程)
本発明の製造方法においては、上記のように支持体にランダム共重合体の溶液を塗布して、ランダム共重合体の塗布膜を形成した後、当該塗布膜から溶剤を除去してランダム共重合体膜を形成し、当該ランダム共重合体膜にブロック共重合体の溶液を塗布して行ってもよい。
(Step of forming a random copolymer film on the support)
In the production method of the present invention, the random copolymer solution is applied to the support as described above to form a random copolymer coating film, and then the solvent is removed from the coating film to remove the random copolymer. Alternatively, a united film may be formed, and a solution of a block copolymer may be applied to the random copolymer film.
支持体上に形成されたランダム共重合体の塗布膜から溶剤を除去する方法としては、従来から公知の方法を用いることができる。たとえば、塗布膜を加熱したり、減圧乾燥したり、塗布膜中の溶剤と混和し得、ブロック共重合体やランダム共重合体の貧溶媒に塗布膜を浸漬する方法等が挙げられる。溶剤が有機溶媒の場合には、加熱又は減圧乾燥によって溶剤を留去するのが好ましい。 As a method for removing the solvent from the coating film of the random copolymer formed on the support, a conventionally known method can be used. For example, the coating film can be heated, dried under reduced pressure, or mixed with a solvent in the coating film, and the coating film is immersed in a poor solvent such as a block copolymer or a random copolymer. When the solvent is an organic solvent, the solvent is preferably distilled off by heating or drying under reduced pressure.
(溶剤を除去する工程)
上記工程を経て得られる塗布膜から溶剤を除去することによって、高分子電解質膜を得ることができる。
(Process to remove solvent)
By removing the solvent from the coating film obtained through the above steps, a polymer electrolyte membrane can be obtained.
塗布膜から溶剤を除去する方法としては、特に限定されるものではないが、塗布膜を加熱して行うのが均一の高分子電解質膜を得ることができる点で好ましい。また、ブロック共重合体やランダム共重合体の分解や変質を避けるため、減圧下でできるだけ低い温度で加熱してもよい。 The method for removing the solvent from the coating film is not particularly limited, but heating the coating film is preferable because a uniform polymer electrolyte membrane can be obtained. Further, in order to avoid decomposition or alteration of the block copolymer or random copolymer, the block copolymer or the random copolymer may be heated at a temperature as low as possible under reduced pressure.
疎水性セグメントと親水性セグメントの膜厚方向の分布を均一にするために、塗布膜中からの溶剤の除去速度を調整してもよい。例えば、加熱して溶剤を除去する際に、最初の段階では低温にして蒸発速度を下げる方法が挙げられる。 In order to make the distribution in the film thickness direction of the hydrophobic segment and the hydrophilic segment uniform, the removal rate of the solvent from the coating film may be adjusted. For example, when removing the solvent by heating, there is a method of lowering the evaporation rate by lowering the temperature in the first stage.
塗布膜の加熱温度は、溶剤の沸点以下であることが好ましく、300℃以下か、200℃以下であることがより好ましい。加熱温度が300℃を超えると、溶剤の除去効率は向上するが、溶剤やブロック共重合体の分解・変質が起こったり、得られる高分子電解質膜の形態が悪くなる場合がある。また加熱温度の下限については、50℃が好ましい。加熱温度が50℃未満であると、十分に溶剤を除去することが困難になる場合がある。加熱方法は、熱風、赤外線、マイクロ波など公知の任意の方法で行うことができる。また、窒素などの不活性ガス雰囲気下で行ってもよい。 The heating temperature of the coating film is preferably not more than the boiling point of the solvent, more preferably not more than 300 ° C or not more than 200 ° C. When the heating temperature exceeds 300 ° C., the solvent removal efficiency is improved, but the solvent or block copolymer may be decomposed or altered, and the resulting polymer electrolyte membrane may be deteriorated in form. Moreover, about the minimum of heating temperature, 50 degreeC is preferable. If the heating temperature is less than 50 ° C., it may be difficult to remove the solvent sufficiently. The heating method can be performed by any known method such as hot air, infrared rays, and microwaves. Moreover, you may carry out in inert gas atmosphere, such as nitrogen.
(酸処理工程)
本発明で用いるブロック共重合体やランダム共重合体がスルホン酸基を有する場合、高分子電解質膜の当該スルホン酸基は、陽イオンとの塩になっていてもよいが、適当な酸処理によりフリーのスルホン酸に変換してもよい。
(Acid treatment process)
When the block copolymer or random copolymer used in the present invention has a sulfonic acid group, the sulfonic acid group of the polymer electrolyte membrane may be a salt with a cation. It may be converted to free sulfonic acid.
スルホン酸基のスルホン酸への変換は、硫酸、塩酸、メタンスルホン酸、トリフルオロ酢酸等から選択される少なくとも一種の酸性成分の水溶液中に、常温下もしくは加熱下で高分子電解質膜を浸漬処理して行う方法が挙げられる。上記水溶液中の酸性成分の濃度は1質量%〜75質量%の範囲が好ましい。濃度が1質量%未満だと、プロトンへの変換に、大量の水溶液が必要となり生産性に問題を生じる場合がある。濃度が75質量%を超えると、水溶液中での酸性成分の解離度が低下し、変換効率が低下する場合がある。 Conversion of the sulfonic acid group to sulfonic acid involves immersing the polymer electrolyte membrane in an aqueous solution of at least one acidic component selected from sulfuric acid, hydrochloric acid, methanesulfonic acid, trifluoroacetic acid, etc. at room temperature or under heating. And the method to be performed. The concentration of the acidic component in the aqueous solution is preferably in the range of 1% by mass to 75% by mass. If the concentration is less than 1% by mass, a large amount of aqueous solution is required for conversion to protons, which may cause problems in productivity. If the concentration exceeds 75% by mass, the dissociation degree of the acidic component in the aqueous solution may decrease, and the conversion efficiency may decrease.
(洗浄工程)
上記酸性成分の水溶液との接触によって高分子電解質膜に酸性成分が残存している場合には、酸性成分を溶解し得る高分子電解質膜の貧溶媒に、高分子電解質膜を浸漬して、高分子電解質中の酸性成分を除去する操作を行ってもよい。用いる貧溶媒としては、水、アルコール、ケトン、エーテル、低分子炭化水素、含ハロゲン溶剤などが挙げられる。酸性成分が水に溶解する場合には、水を用いることが好ましい。
(Washing process)
If the acidic component remains in the polymer electrolyte membrane by contact with the aqueous solution of the acidic component, the polymer electrolyte membrane is immersed in a poor solvent for the polymer electrolyte membrane that can dissolve the acidic component, You may perform operation which removes the acidic component in a molecular electrolyte. Examples of the poor solvent used include water, alcohols, ketones, ethers, low molecular hydrocarbons, and halogen-containing solvents. When the acidic component is dissolved in water, it is preferable to use water.
(乾燥工程)
上記工程を経て得られる高分子電解質膜に、高分子電解質膜の貧溶媒が残存していると、溶媒の蒸発や滲出によって、高分子電解質膜にシワや凸凹などの形態不良や、癒着、変形などの問題が生じる可能性が高くなる。このため、高分子電解質膜に残留する溶媒量を低減しておくことが好ましい。
(Drying process)
If the poor solvent of the polymer electrolyte membrane remains in the polymer electrolyte membrane obtained through the above steps, the polymer electrolyte membrane will have poor morphology such as wrinkles and irregularities, adhesion, deformation due to evaporation and leaching of the solvent. There is a high possibility that such problems will occur. For this reason, it is preferable to reduce the amount of solvent remaining in the polymer electrolyte membrane.
高分子電解質膜の乾燥方法については特に限定されるものではなく、適切な温度での風乾、赤外線や遠赤外線による加熱、減圧による留去などが挙げられる。乾燥温度は特に限定されるものではなく、例えば20〜50℃で行えばよい。 The method for drying the polymer electrolyte membrane is not particularly limited, and examples thereof include air drying at an appropriate temperature, heating with infrared rays or far infrared rays, and distillation under reduced pressure. A drying temperature is not specifically limited, For example, what is necessary is just to perform at 20-50 degreeC.
(高分子電解質膜)
本発明の製造方法によって得られる高分子電解質膜は、2層であっても3層であっても、ブロック共重合体とランダム共重合体の総量の質量比が99/1〜1/99(より好ましくは98/2〜75/25、さらに好ましくは97/3〜50/50)であることが好ましい。ブロック共重合体の比率が多すぎると(上記質量比が99/1超の場合)、相対的にランダム共重合体の比率が少なくなり、ランダム共重合体溶液の薄層塗布が難しくなる場合がある。ブロック共重合体の比率が少なすぎると(上記質量比が1/99未満の場合)、ブロック共重合の特性をランダム共重合体が打ち消してしまい、膜厚方向のプロトン伝導性に優れた高分子電解質膜が得られない場合がある。
(Polymer electrolyte membrane)
Whether the polymer electrolyte membrane obtained by the production method of the present invention has two layers or three layers, the mass ratio of the total amount of the block copolymer and the random copolymer is 99/1 to 1/99 ( More preferably 98/2 to 75/25, still more preferably 97/3 to 50/50). When the ratio of the block copolymer is too large (when the mass ratio is more than 99/1), the ratio of the random copolymer is relatively decreased, and it may be difficult to apply a thin layer of the random copolymer solution. is there. When the ratio of the block copolymer is too small (when the mass ratio is less than 1/99), the random copolymer cancels out the characteristics of the block copolymer, and the polymer has excellent proton conductivity in the film thickness direction. An electrolyte membrane may not be obtained.
本発明の製造方法によって得られる高分子電解質膜の形状は特に限定されず、シート、ロールなど、任意の形態であってよい。また、高分子電解質膜を製造する際に用いた支持体は剥がさずにおいてもよいが、製造後に剥離して、高分子電解質膜を別の支持体と積層すると、加工性が向上して好ましい。別の支持体としては、粘着層を有する樹脂フィルムが挙げられる。かかる樹脂フィルムとしては、結晶化ポリオレフィン、非晶ポリオレフィン、ポリエステルなどからなるものが挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、粘着層としては、アクリル樹脂系粘着剤、ポリエチレン−ビニルアルコール系粘着剤、シリコーン系粘着剤、変性ポリオレフィン樹脂系粘着剤などからなるものが挙げられるが、これらに限定されるものではない。新たな支持体は、高分子電解質膜の片面もしくは両面に積層することができる。高分子電解質膜の片面にのみ、新たな支持体を積層する場合には、高分子電解質膜を内側に巻いたほうが、輸送時や保管時の湿度変化による形状への影響を受け難くなって好ましい。 The shape of the polymer electrolyte membrane obtained by the production method of the present invention is not particularly limited, and may be any form such as a sheet or a roll. In addition, the support used in producing the polymer electrolyte membrane may not be peeled off, but it is preferable to peel after the production and to laminate the polymer electrolyte membrane with another support because the workability is improved. Another support includes a resin film having an adhesive layer. Examples of such a resin film include, but are not limited to, those made of crystallized polyolefin, amorphous polyolefin, polyester, and the like. Examples of the adhesive layer include, but are not limited to, an acrylic resin adhesive, a polyethylene-vinyl alcohol adhesive, a silicone adhesive, a modified polyolefin resin adhesive, and the like. The new support can be laminated on one or both sides of the polymer electrolyte membrane. When laminating a new support only on one side of the polymer electrolyte membrane, it is preferable to wrap the polymer electrolyte membrane on the inside because it is less affected by changes in humidity during transportation and storage. .
(高分子電解質膜の特性)
<膜厚>
本発明の製造方法によって得られる高分子電解質膜は、目的に応じて任意の膜厚にすることができるが、プロトン伝導性の面からはできるだけ薄いことが好ましい。具体的には5〜200μmであることが好ましく、5〜100μmであることがさらに好ましく、10〜70μmであることが最も好ましい。高分子電解質膜の厚みが5μmより薄いと高分子電解質膜の取り扱いが困難となり燃料電池を作製した場合に短絡等が起こる場合がある。また、厚みが200μmよりも厚いと高分子電解質膜の電気抵抗値が高くなり燃料電池の発電性能が低下する場合がある。
(Characteristics of polymer electrolyte membrane)
<Film thickness>
The polymer electrolyte membrane obtained by the production method of the present invention can have any film thickness depending on the purpose, but is preferably as thin as possible from the viewpoint of proton conductivity. Specifically, the thickness is preferably 5 to 200 μm, more preferably 5 to 100 μm, and most preferably 10 to 70 μm. If the thickness of the polymer electrolyte membrane is less than 5 μm, handling of the polymer electrolyte membrane becomes difficult, and a short circuit may occur when a fuel cell is produced. On the other hand, if the thickness is greater than 200 μm, the electric resistance value of the polymer electrolyte membrane may increase and the power generation performance of the fuel cell may deteriorate.
高分子電解質膜は、ブロック共重合体由来の電解質膜の膜厚に対する、ランダム共重合体由来の電解質膜の膜厚(ブロック共重合体由来の電解質膜の両面にランダム共重合体由来の電解質膜が配される場合は、合計膜厚)の比率(ブロック共重合体膜厚/ランダム共重合体膜厚)が、99/1〜1/99(より好ましくは98/2〜75/25、さらに好ましくは97/3〜50/50)であることが好ましい。ブロック共重合体膜厚が厚すぎると(上記比率が99/1超の場合)、相対的にランダム共重合体の膜厚が薄くなり、ランダム共重合体の塗布膜の形成が難しくなる場合がある。ブロック共重合体膜厚が薄すぎると(上記比率が1/99未満の場合)、ブロック共重合の特性をランダム共重合体が打ち消してしまい、膜厚方向のプロトン伝導性に優れた高分子電解質膜が得られない場合がある。 The polymer electrolyte membrane is composed of a random copolymer-derived electrolyte membrane with respect to the thickness of the block copolymer-derived electrolyte membrane (an electrolyte membrane derived from a random copolymer on both sides of an electrolyte membrane derived from a block copolymer). Is a total film thickness) ratio (block copolymer film thickness / random copolymer film thickness) of 99/1 to 1/99 (more preferably 98/2 to 75/25, Preferably 97/3 to 50/50). When the block copolymer film thickness is too thick (when the ratio is more than 99/1), the random copolymer film thickness becomes relatively thin, and it may be difficult to form a random copolymer coating film. is there. When the block copolymer film thickness is too thin (when the above ratio is less than 1/99), the random copolymer cancels out the block copolymer characteristics, and the polymer electrolyte has excellent proton conductivity in the film thickness direction. A film may not be obtained.
<イオン交換容量>
高分子電解質膜イオン交換容量は0.5meq/g〜2.7meq/gであるのが好ましく、0.7meq/g〜2.5meq/gであればさらに好ましい。イオン交換容量が0.5meq/g未満であると、マグネシウムイオンの輸送性が低下し、電池性能が低下する場合がある。イオン交換容量が2.7meq/gを超えると、高分子電解質膜の形態保持性が乏しくなり、電池の製造が困難になる場合がある。
<Ion exchange capacity>
The polymer electrolyte membrane ion exchange capacity is preferably 0.5 meq / g to 2.7 meq / g, more preferably 0.7 meq / g to 2.5 meq / g. When the ion exchange capacity is less than 0.5 meq / g, the transportability of magnesium ions may be lowered, and the battery performance may be lowered. When the ion exchange capacity exceeds 2.7 meq / g, the form-retaining property of the polymer electrolyte membrane is poor, and it may be difficult to manufacture the battery.
(炭化水素系高分子電解質の構造)
本発明で製造する炭化水素系高分子電解質としては、主として芳香族基から構成されている主鎖骨格を有する芳香族系高分子電解質であることが好適である。この芳香族系高分子電解質としては、イオン性基を有する芳香族炭化水素系ポリマーを例として挙げることができる。そのようなポリマーとしては、ポリマー主鎖に芳香族あるいは芳香環とエーテル結合、スルホン結合、イミド結合、エステル結合、アミド結合、ウレタン結合、スルフィド結合、カーボネート結合及びケトン結合から選択される少なくとも1種以上の結合基を有する構造を持つ非フッ素系あるいは部分フッ素系のイオン伝導性ポリマーが挙げられる。具体的には、例えば、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリパラフェニレン、ポリアリーレン系ポリマー、ポリフェニルキノキサリン、ポリアリールケトン、ポリエーテルケトン、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾール、ポリベンズイミダゾール、ポリイミド等の構成成分の少なくとも1種を含むポリマーに、イオン性基が導入されているポリマーを挙げることができる。上記ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトン等は、その分子鎖にスルホン結合、エーテル結合、ケトン結合を有しているポリマーの総称であり、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトンケトン、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン、ポリエーテルケトンスルホンなどを含み、特定のポリマー構造に限定されるものではない。
(Structure of hydrocarbon polymer electrolyte)
The hydrocarbon polymer electrolyte produced in the present invention is preferably an aromatic polymer electrolyte having a main chain skeleton mainly composed of aromatic groups. An example of the aromatic polymer electrolyte is an aromatic hydrocarbon polymer having an ionic group. As such a polymer, at least one selected from an aromatic or aromatic ring and ether bond, sulfone bond, imide bond, ester bond, amide bond, urethane bond, sulfide bond, carbonate bond and ketone bond in the polymer main chain. Non-fluorinated or partially fluorinated ion-conducting polymers having the structure having the above-mentioned bonding groups can be mentioned. Specifically, for example, polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfide sulfone, polyparaphenylene, polyarylene polymer, polyphenylquinoxaline, polyaryl ketone, polyether ketone, polybenzoxazole, polybenz Examples thereof include polymers in which an ionic group is introduced into a polymer containing at least one component such as thiazole, polybenzimidazole, and polyimide. The above polysulfone, polyethersulfone, polyetherketone, etc. are generic names for polymers having a sulfone bond, an ether bond, and a ketone bond in their molecular chains. Polyetherketoneketone, polyetheretherketone, polyetheretherketone It includes ketones, polyether ketones, ether ketone ketones, polyether ketone sulfones, etc., and is not limited to a specific polymer structure.
イオン性基としては、スルホン酸基、ホスホン酸基、カルボキシル基、スルホンアミド基、スルホンイミド基、及びそれらの誘導体の少なくとも1種を挙げることができ、スルホン酸基、あるいはホスホン酸基が好ましい。 Examples of the ionic group include at least one of a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, a carboxyl group, a sulfonamide group, a sulfonimide group, and derivatives thereof, and a sulfonic acid group or a phosphonic acid group is preferable.
上記のポリマーのうち、特に芳香環上にスルホン酸基を持つポリマーは、上記例のような骨格を持つポリマーに対して適当なスルホン化剤を反応させることにより得ることができる。このようなスルホン化剤としては、例えば、芳香族系炭化水素系ポリマーにスルホン酸基を導入する例として報告されている、濃硫酸や発煙硫酸を使用するもの(例えば、SolidState Ionics,106,P.219(1998))、クロル硫酸を使用するもの(例えば、J.Polym.Sci.,Polym.Chem.,22,P.295(1984))、無水硫酸錯体を使用するもの(例えば、J.Polym.Sci.,Polym.Chem.,22,P.721(1984)、J.Polym.Sci.,Polym.Chem.,23,P.1231(1985))等が有効である。イオン性基含有ポリマー、特にイオン伝導性がスルホン酸基であるポリマーを得るためには、これらの試薬を用い、それぞれのポリマーに応じた反応条件を選定することにより実施することができる。また、特許第2884189号に記載のスルホン化剤等を用いることも可能である。 Among the above polymers, a polymer having a sulfonic acid group on the aromatic ring can be obtained by reacting a suitable sulfonating agent with a polymer having a skeleton as in the above example. As such a sulfonating agent, for example, one using concentrated sulfuric acid or fuming sulfuric acid which has been reported as an example of introducing a sulfonic acid group into an aromatic hydrocarbon-based polymer (for example, SolidState Ionics, 106, P 219 (1998)), those using chlorosulfuric acid (for example, J. Polym. Sci., Polym. Chem., 22, P. 295 (1984)), those using anhydrous sulfuric acid complex (for example, J. Polym. Sci., Polym. Chem., 22, P. 295 (1984)). Polym. Sci., Polym. Chem., 22, P.721 (1984), J. Polym.Sci., Polym.Chem., 23, P.1231 (1985)) and the like are effective. In order to obtain an ionic group-containing polymer, particularly a polymer having ionic acid conductivity as a sulfonic acid group, these reagents can be used and reaction conditions corresponding to each polymer can be selected. Moreover, it is also possible to use the sulfonating agent described in Japanese Patent No. 2884189.
上記イオン性基を有する芳香族炭化水素系ポリマーは、重合に用いるモノマーの中の少なくとも1種に酸性基を含むモノマーを用いて合成することもできる。例えば、芳香族ジアミンと芳香族テトラカルボン酸二無水物から合成されるポリイミドにおいては、芳香族ジアミンの少なくとも1種にスルホン酸基やホスホン酸基を含有するジアミンを用いて酸性基含有ポリイミドとすることが出来る。芳香族ジアミンジオールと芳香族ジカルボン酸から合成されるポリベンズオキサゾール、芳香族ジアミンジチオールと芳香族ジカルボン酸から合成されるポリベンズチアゾール、芳香族テトラミンと芳香族ジカルボン酸から合成されるポリベンズイミダゾールの場合は、芳香族ジカルボン酸の少なくとも1種にスルホン酸基含有ジカルボン酸やホスホン酸基含有ジカルボン酸を使用することにより酸性基含有ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾール、ポリベンズイミダゾールとすることが出来る。芳香族ジハライドと芳香族ジオールから合成されるポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトンなどは、モノマーの少なくとも1種にスルホン酸基含有芳香族ジハライドやスルホン酸基含有芳香族ジオールを用いることで合成することができる。この際、スルホン酸基含有ジオールを用いるよりも、スルホン酸基含有ジハライドを用いる方が、重合度が高くなりやすいとともに、得られた酸性基含有ポリマーの熱安定性が高くなるので好ましい。 The aromatic hydrocarbon polymer having an ionic group can also be synthesized using a monomer containing an acidic group as at least one of monomers used for polymerization. For example, in a polyimide synthesized from an aromatic diamine and an aromatic tetracarboxylic dianhydride, an acidic group-containing polyimide is obtained by using a diamine containing a sulfonic acid group or a phosphonic acid group as at least one of the aromatic diamines. I can do it. Polybenzoxazole synthesized from aromatic diamine diol and aromatic dicarboxylic acid, polybenzthiazole synthesized from aromatic diamine dithiol and aromatic dicarboxylic acid, polybenzimidazole synthesized from aromatic tetramine and aromatic dicarboxylic acid In this case, an acidic group-containing polybenzoxazole, polybenzthiazole, or polybenzimidazole can be obtained by using a sulfonic acid group-containing dicarboxylic acid or a phosphonic acid group-containing dicarboxylic acid as at least one kind of aromatic dicarboxylic acid. Polysulfone, polyethersulfone, polyetherketone, etc. synthesized from aromatic dihalide and aromatic diol are synthesized by using sulfonic acid group-containing aromatic dihalide or sulfonic acid group-containing aromatic diol as at least one monomer. be able to. At this time, it is preferable to use a sulfonic acid group-containing dihalide rather than a sulfonic acid group-containing diol because the degree of polymerization tends to be high and the thermal stability of the obtained acidic group-containing polymer is high.
イオン性基を有する芳香族炭化水素系ポリマーは、何らかの高次構造を有していてもよい。中でも、ブロック共重合体や側鎖にイオン性基を導入した重合体など、親水性部と疎水性部の相分離によって共連続構造を形成する重合体を用いると、耐久性や、プロトン伝導性の面でより好ましい。そのようなブロック共重合体としては、イオン性基を有する親水性セグメントと、イオン性基を有さない疎水性セグメントからなるセグメント化ブロック共重合体を挙げることができ、そのようなポリマーを製造する手段としては、前記のセグメントを構成するオリゴマーを、直接あるいは他の化合物を用いて反応させることによって得ることを挙げることができる。 The aromatic hydrocarbon polymer having an ionic group may have some higher order structure. Among these, durability and proton conductivity can be achieved by using a polymer that forms a co-continuous structure by phase separation of the hydrophilic part and the hydrophobic part, such as a block copolymer or a polymer in which an ionic group is introduced into the side chain. Is more preferable. Such a block copolymer can include a segmented block copolymer comprising a hydrophilic segment having an ionic group and a hydrophobic segment having no ionic group, and produces such a polymer. As a means to do this, it can be mentioned that the oligomer constituting the segment is obtained directly or by reacting with another compound.
イオン性基を有する芳香族炭化水素系ポリマーは、スルホン酸基含有ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリエーテルケトン系ポリマーなどのポリアリーレンエーテル系化合物、ポリアリーレン系化合物であることがより好ましい。 Aromatic hydrocarbon polymers having ionic groups include polysulfene group-containing polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfide sulfone, polyarylene ether compounds such as polyether ketone polymers, and polyarylene compounds. It is more preferable that
以下、上記構造を有する炭化水素系高分子電解質の具体的態様について、説明する。 Hereinafter, specific embodiments of the hydrocarbon-based polymer electrolyte having the above structure will be described.
(ブロック共重合体)
本発明の製造方法で用いる、疎水性セグメントと親水性セグメントとを有するブロック共重合体としては、下記化学式1で表される疎水性セグメントと、
(Block copolymer)
As the block copolymer having a hydrophobic segment and a hydrophilic segment used in the production method of the present invention, a hydrophobic segment represented by the following chemical formula 1,
(式中、Zはそれぞれ独立してO原子又はS原子を、Ar1はそれぞれ独立して2価の芳香族基を、nは1〜100の数を、それぞれ表す。)
下記化学式2で表される親水性セグメントとが、
(In the formula, each Z independently represents an O atom or an S atom, Ar 1 independently represents a divalent aromatic group, and n represents a number of 1 to 100, respectively.)
The hydrophilic segment represented by the following chemical formula 2
(式中、Xはそれぞれ独立してH又は1価の陽イオンを、Yはスルホニル基又はカルボニル基を、Ar2はそれぞれ独立して2価の芳香族基を、Lはそれぞれ独立してO原子又はS原子を、mは1〜100の数をそれぞれ表す。)
下記化学式3で表される基で結合されるブロック共重合体が挙げられる。
Wherein X is independently H or a monovalent cation, Y is a sulfonyl group or carbonyl group, Ar 2 is independently a divalent aromatic group, and L is independently O. An atom or an S atom, m represents a number of 1 to 100, respectively)
Examples thereof include a block copolymer bonded with a group represented by the following chemical formula 3.
(式中、pは0又は1を表し、pが1の場合、Wは直接結合、スルホニル基、カルボニル基からなる群より選ばれる1種以上を表す。)
以下、上記ブロック共重合体を構成する各セグメントとその製造方法、当該セグメントを用いた共重合体の製造方法について説明する。
(In the formula, p represents 0 or 1, and when p is 1, W represents one or more selected from the group consisting of a direct bond, a sulfonyl group, and a carbonyl group.)
Hereinafter, each segment which comprises the said block copolymer, its manufacturing method, and the manufacturing method of the copolymer using the said segment are demonstrated.
(疎水性セグメント)
ブロック共重合体を構成する疎水性セグメントの構造は、得られる高分子電解質膜の熱水浸漬時の耐膨潤性を発現させるため、下記化学式1
(Hydrophobic segment)
The structure of the hydrophobic segment constituting the block copolymer exhibits swelling resistance when the obtained polymer electrolyte membrane is immersed in hot water.
(式中、Zはそれぞれ独立してO原子又はS原子を、Ar1はそれぞれ独立して2価の芳
香族基を、nは1〜100の数を、それぞれ表す。)で表されるものであることが好ましい。
(In the formula, each Z independently represents an O atom or S atom, Ar 1 independently represents a divalent aromatic group, and n represents a number of 1 to 100, respectively). It is preferable that
化学式1において、ZはO原子であることが、原料の入手や合成の容易さから好ましい。ただし、ZがS原子であると高分子電解質膜の耐酸化性が向上する場合がある。 In Chemical Formula 1, Z is preferably an O atom from the viewpoint of availability of raw materials and ease of synthesis. However, when Z is an S atom, the oxidation resistance of the polymer electrolyte membrane may be improved.
Ar1は、主として芳香族性の基から構成される公知の任意の2価の芳香族基であればよく、例えば下記化学式5A〜5Pで表される2価の芳香族基を挙げることができる。 Ar 1 may be any known divalent aromatic group mainly composed of an aromatic group, and examples thereof include divalent aromatic groups represented by the following chemical formulas 5A to 5P. .
(式中、Rはメチル基を、qは0〜2の整数を、それぞれ表す。)
(In the formula, R represents a methyl group, and q represents an integer of 0 to 2, respectively.)
化学式5A〜5P中、qが1又は2であると、高分子量の疎水性セグメントを得ることが困難になる場合があるため、qは0が好ましい。Ar1としては、化学式5A、5C、5E、5F、5K、5M、5Nで表される2価の芳香族基であることがより好ましく、以下に示す化学式5A’、5F’、5M’で表される2価の芳香族基であることがさらに好ましく、化学式5A’で表される2価の芳香族基であることが最も好ましい。また、Ar1はそれぞれ異なる2価の芳香族基で構成されてもよい。その場合、より優れた特性を示すためには、少なくとも化学式5A’、5F’、5M’で表される2価の芳香族基のいずれかを含んでいることが好ましく、化学式5A’もしくは5M’で表される2価の芳香族基のいずれかを含んでいることがより好ましい。化学式5A’で表される2価の芳香族基を含むと、耐膨潤性及び耐久性に優れる高分子電解質膜を得ることができる。化学式5M’で表される2価の芳香族基を含むと、耐久性に優れる高分子電解質膜を得ることができる。 In Chemical Formulas 5A to 5P, when q is 1 or 2, it may be difficult to obtain a high molecular weight hydrophobic segment, and therefore q is preferably 0. Ar 1 is more preferably a divalent aromatic group represented by the chemical formulas 5A, 5C, 5E, 5F, 5K, 5M, and 5N, represented by the following chemical formulas 5A ′, 5F ′, and 5M ′. The divalent aromatic group is more preferably a divalent aromatic group represented by the chemical formula 5A ′. Ar 1 may be composed of different divalent aromatic groups. In that case, in order to show more excellent characteristics, it preferably contains at least one of the divalent aromatic groups represented by the chemical formulas 5A ′, 5F ′, and 5M ′. It is more preferable that any of the bivalent aromatic groups represented by these is included. When a divalent aromatic group represented by the chemical formula 5A ′ is contained, a polymer electrolyte membrane excellent in swelling resistance and durability can be obtained. When a divalent aromatic group represented by the chemical formula 5M ′ is contained, a polymer electrolyte membrane having excellent durability can be obtained.
化学式1において、nは1〜100の数を表す。なお、個々の疎水性セグメントについてみた場合、nは整数であるべきであるが、分子内あるいは分子間でセグメントの分子量に分布がある場合に、nをその平均値とすると、nが必ずしも整数ではなくなる。そこで、共重合体の構造を規定する際には、平均値で表記するのが実質的に有効である。nはNMR法、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー法など公知の任意の方法で求めることができる。nは10〜70であることが好ましく、20〜60であることがさらに好ましい。nが20〜60であれば、プロトン伝導性や耐久性がさらに向上した高分子電解質膜を得ることができる。nが1未満であると、高分子電解質膜の膨潤性が大きくなり過ぎたり耐久性が低下する場合がある。nが100を超えると、疎水性セグメントの分子量の制御が困難になり、設計した構造のブロック共重合体の合成が困難になる場合がある。 In Chemical Formula 1, n represents a number from 1 to 100. It should be noted that n should be an integer in the case of individual hydrophobic segments, but when there is a distribution in the molecular weight of the segments within or between molecules, if n is an average value, n is not necessarily an integer. Disappear. Therefore, when defining the structure of the copolymer, it is substantially effective to express the average value. n can be determined by any known method such as NMR or gel permeation chromatography. n is preferably 10 to 70, and more preferably 20 to 60. When n is 20 to 60, a polymer electrolyte membrane with further improved proton conductivity and durability can be obtained. If n is less than 1, the swellability of the polymer electrolyte membrane may be excessively increased or the durability may be reduced. When n exceeds 100, it may be difficult to control the molecular weight of the hydrophobic segment, and it may be difficult to synthesize a block copolymer having a designed structure.
(疎水性セグメントの製造方法)
疎水性セグメント(疎水性オリゴマー)の製造方法としては特に限定されるものではなく、例えば、下記化学式6A又は6Bで表されるモノマーを、各種ビスフェノール類又は各種ビスチオフェノール類(例えば、上記化学式5A〜5M’の両末端がOH基又はSH基の化合物)と反応させることによって合成することができる。
(Method for producing hydrophobic segment)
The method for producing the hydrophobic segment (hydrophobic oligomer) is not particularly limited. For example, a monomer represented by the following chemical formula 6A or 6B is converted into various bisphenols or various bisthiophenols (for example, the above chemical formula 5A). It can be synthesized by reacting with a compound having both ends of ˜5M ′ at the OH group or SH group.
その際、各種ビスフェノール類又は各種ビスチオフェノール類が過剰になるようにして、オリゴマーの末端基がOH基又はSH基となるようにすることが好ましい。オリゴマーの重合度は、化学式6A又は6Bのモノマーと、各種ビスフェノール類又は各種ビスチオフェノール類とのモル比で調整することができる。 In that case, it is preferable that various bisphenols or various bisthiophenols are excessive so that the terminal group of the oligomer is an OH group or an SH group. The degree of polymerization of the oligomer can be adjusted by the molar ratio of the monomer of chemical formula 6A or 6B and various bisphenols or various bisthiophenols.
化学式6A又は6Bのモノマーと、各種ビスフェノール類又は各種ビスチオフェノール類とは、公知の任意の方法で反応させることができるが、塩基性化合物の存在下で芳香族求核置換反応によって反応させることが好ましい。 The monomer of formula 6A or 6B and various bisphenols or various bisthiophenols can be reacted by any known method, but they can be reacted by an aromatic nucleophilic substitution reaction in the presence of a basic compound. Is preferred.
反応温度は、0〜350℃の範囲で行うことができるが、50〜250℃の範囲で行うことが好ましい。反応温度が0℃より低い場合には十分に反応が進まない場合があり、350℃より高い場合にはオリゴマーが分解する場合がある。 Although reaction temperature can be performed in 0-350 degreeC, it is preferable to carry out in 50-250 degreeC. When the reaction temperature is lower than 0 ° C, the reaction may not proceed sufficiently, and when it is higher than 350 ° C, the oligomer may be decomposed.
反応は、無溶媒下で行うこともできるが、溶媒中で行うことが好ましい。使用できる溶媒としては、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ジフェニルスルホン、スルホランなどの非プロトン性極性溶媒を挙げることができるが、これらに限定されることはなく、芳香族求核置換反応において安定な溶媒として使用できるものであればよい。これらの溶媒は、単独で用いても2種以上を組み合わせて用いてもよい。 The reaction can be carried out in the absence of a solvent, but is preferably carried out in a solvent. Examples of the solvent that can be used include aprotic polar solvents such as N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, diphenyl sulfone, and sulfolane. It is not limited to this, and any material that can be used as a stable solvent in the aromatic nucleophilic substitution reaction may be used. These solvents may be used alone or in combination of two or more.
芳香族求核置換反応を溶媒中で行う場合、得られるオリゴマー濃度が1〜25質量%となるようにモノマー等を仕込むことが好ましく、より好ましくは5〜15質量%である。1質量%未満の場合は、重合度が上がり難い傾向がある。一方、25質量%を超える場合には、オリゴマーが析出して反応が停止する場合がある。 When the aromatic nucleophilic substitution reaction is carried out in a solvent, it is preferable to charge monomers and the like such that the resulting oligomer concentration is 1 to 25% by mass, more preferably 5 to 15% by mass. If it is less than 1% by mass, the degree of polymerization tends to be difficult to increase. On the other hand, when it exceeds 25 mass%, an oligomer may precipitate and reaction may stop.
塩基性化合物としては、各種ビスフェノール類や各種ビスチオフェノール類を活性なフェノキシド構造やチオフェノキシド構造になし得るものであれば特に限定されず、例えば水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム等が挙げられる。 The basic compound is not particularly limited as long as it can form various bisphenols and various bisthiophenols into an active phenoxide structure or thiophenoxide structure. For example, sodium hydroxide, potassium hydroxide, sodium carbonate, potassium carbonate , Sodium hydrogen carbonate, potassium hydrogen carbonate and the like.
反応中に副生物として生成する水は、トルエンなどの共沸溶媒と共に留去して系外に除去したり、モレキュラーシーブなどの吸水材を使用したり、あるいは重合溶媒と共に留去することで除去することができる。 Water generated as a by-product during the reaction is removed by distilling it off with an azeotropic solvent such as toluene, or by using a water-absorbing material such as molecular sieve, or by distilling it off with a polymerization solvent. can do.
反応中に副生成物として生成する無機塩は、疎水性オリゴマーの貧溶媒に反応溶液を滴下したり、疎水性オリゴマーを貧溶媒で洗浄するなど、公知の任意の方法で除去することができる。オリゴマーの貧溶媒としては、水や任意の有機溶媒が挙げられるが、無機塩の除去には水が好ましい。反応溶液を最初に滴下する貧溶媒としては水と有機溶媒のいずれでもよい。 The inorganic salt produced as a by-product during the reaction can be removed by any known method such as dropping the reaction solution into a poor solvent of the hydrophobic oligomer or washing the hydrophobic oligomer with the poor solvent. Examples of the poor solvent for the oligomer include water and an arbitrary organic solvent, and water is preferable for removing the inorganic salt. As the poor solvent to which the reaction solution is first dropped, either water or an organic solvent may be used.
貧溶媒の有機溶媒としては、任意の有機溶媒から選択することができるが、反応に用いた非プロトン性極性溶媒と混和するものであることが好ましい。例えば、アセトン、メチルエチルケトン、ジエチルケトン、ジブチルケトン、ジプロピルケトン、ジイソプロピルケトン、シクロヘキサノンなどのケトン系溶媒や、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、ブタノールなどのアルコール系溶媒などが挙げられる。これらの有機溶媒は単独で用いても、2種以上を組み合わせて用いてもよい。 The organic solvent for the poor solvent can be selected from any organic solvent, but is preferably miscible with the aprotic polar solvent used in the reaction. Examples thereof include ketone solvents such as acetone, methyl ethyl ketone, diethyl ketone, dibutyl ketone, dipropyl ketone, diisopropyl ketone, and cyclohexanone, and alcohol solvents such as methanol, ethanol, propanol, isopropanol, and butanol. These organic solvents may be used alone or in combination of two or more.
合成や精製の際に用いた有機溶媒は、できるだけ除去しておくことが好ましい。有機溶媒の除去は、乾燥によって行うことが好ましく、10〜150℃の範囲の温度で疎水性オリゴマーを減圧乾燥することがより好ましい。 It is preferable to remove the organic solvent used in the synthesis and purification as much as possible. The removal of the organic solvent is preferably performed by drying, and more preferably, the hydrophobic oligomer is dried under reduced pressure at a temperature in the range of 10 to 150 ° C.
(親水性セグメント)
ブロック共重合体を構成する親水性セグメントの構造は、下記化学式2
(Hydrophilic segment)
The structure of the hydrophilic segment constituting the block copolymer has the following chemical formula 2
(式中、Xはそれぞれ独立してH又は1価の陽イオンを、Yはスルホニル基又はカルボニル基を、Ar2はそれぞれ独立して2価の芳香族基を、Lはそれぞれ独立してO原子又はS原子を、mは1〜100の数をそれぞれ表す。)で表されることが好ましい。 Wherein X is independently H or a monovalent cation, Y is a sulfonyl group or carbonyl group, Ar 2 is independently a divalent aromatic group, and L is independently O. An atom or an S atom is preferably represented by m represents a number of 1 to 100.
化学式2中、XはHであるとプロトン伝導性が高くなるため好ましい。なお、ブロック共重合体を加工、成形する際には、XはNa、K、Liなど1価の金属イオンであると、共重合体の安定性が高まることから好ましい。またXはモノアミンなどの有機カチオンであってもよい。 In Chemical Formula 2, it is preferable that X is H because proton conductivity increases. When processing and molding the block copolymer, it is preferable that X is a monovalent metal ion such as Na, K, or Li because the stability of the copolymer is increased. X may be an organic cation such as monoamine.
化学式2中、Yがスルホニル基であるとブロック共重合体の溶媒への溶解性が高まる傾向にあるため好ましい。 In Formula 2, it is preferable that Y is a sulfonyl group because the solubility of the block copolymer in a solvent tends to increase.
Ar2は、主として芳香族性の基から構成される公知の任意の2価の芳香族であればよく、例えば、下記化学式4A〜4Cで表される2価の芳香族基を挙げることができ、4Bで表される2価の芳香族基であることが、耐膨潤性や重合反応性に優れることから好ましい。 Ar 2 may be any known divalent aromatic group mainly composed of aromatic groups, and examples thereof include divalent aromatic groups represented by the following chemical formulas 4A to 4C. A divalent aromatic group represented by 4B is preferable because of excellent swelling resistance and polymerization reactivity.
(式中、L’はスルフィド基又はスルホニル基を表す。)
(In the formula, L ′ represents a sulfide group or a sulfonyl group.)
化学式2において、mは1〜100の数を表す。なお、化学式1におけるnと同様の理由から、共重合体の構造を規定する際には、mは平均値で表記するのが実質的に有効である。mはNMR法、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー法など公知の任意の方法で求めることができる。mは3〜70であることが好ましく、10〜55であることがさらに好ましい。mが1未満であると、ランダム共重合体からなる膜と同程度の特性しか得られないため好ましくない。mが100を超えると、設計した構造の共重合体の合成が困難になる場合がある。 In Chemical Formula 2, m represents a number from 1 to 100. For the same reason as n in Chemical Formula 1, when defining the structure of the copolymer, it is substantially effective to express m as an average value. m can be determined by any known method such as NMR or gel permeation chromatography. m is preferably 3 to 70, and more preferably 10 to 55. When m is less than 1, it is not preferable because only the same characteristics as a film made of a random copolymer can be obtained. If m exceeds 100, it may be difficult to synthesize a copolymer having a designed structure.
(親水性セグメントの製造方法)
親水性セグメント(親水性オリゴマー)の製造方法としては特に限定されるものではなく、例えば、下記化学式7で表されるスルホン化モノマーを各種ビスフェノール類または各種ビスチオフェノール類と反応させて合成することができる。また、下記化学式7で表されるスルホン化モノマーとともに4,4’−ジクロロジフェニルスルホンや2,6−ジクロロベンゾニトリルのようなジハロゲン化物を用いて、各種ビスフェノール類または各種ビスチオフェノール類と反応させて合成してもよい。
(Method for producing hydrophilic segment)
The method for producing the hydrophilic segment (hydrophilic oligomer) is not particularly limited. For example, the sulfonated monomer represented by the following chemical formula 7 is reacted with various bisphenols or various bisthiophenols for synthesis. Can do. In addition, a dihalide such as 4,4′-dichlorodiphenylsulfone or 2,6-dichlorobenzonitrile is reacted with a sulfonated monomer represented by the following chemical formula 7 and reacted with various bisphenols or various bisthiophenols. May be synthesized.
化学式7において、XはH又は1価の陽イオンを、Yはスルホニル基又はカルボニル基を、Aはハロゲン元素をそれぞれ表す。XはNa又はKであることが、AはF又はClであることがそれぞれ好ましい。また、各種ビスフェノール類または各種ビスチオフェノール類が過剰になるようにして、オリゴマーの末端基がOH基またはSH基となるようにすることが好ましい。オリゴマーの重合度は、化学式7のモノマーと各種ビスフェノール類または各種ビスチオフェノール類とのモル比で調整することができる。 In Chemical Formula 7, X represents H or a monovalent cation, Y represents a sulfonyl group or a carbonyl group, and A represents a halogen element. X is preferably Na or K, and A is preferably F or Cl, respectively. Moreover, it is preferable that various bisphenols or various bisthiophenols are excessive so that the terminal group of the oligomer is an OH group or an SH group. The degree of polymerization of the oligomer can be adjusted by the molar ratio of the monomer of formula 7 and various bisphenols or various bisthiophenols.
化学式7のモノマーと、各種ビスフェノール類または各種ビスチオフェノール類とは、公知の任意の方法で反応させることができるが、塩基性化合物の存在下で芳香族求核置換反応によって反応させることが好ましい。 Although the monomer of Chemical formula 7 and various bisphenols or various bisthiophenols can be reacted by any known method, it is preferably reacted by an aromatic nucleophilic substitution reaction in the presence of a basic compound. .
その際の反応温度、用い得る塩基性化合物、副生物として生成する水の除去方法については、疎水性セグメントの製造において用い得る反応温度、塩基性化合物、及び除去方法を援用できる。 Regarding the reaction temperature, the basic compound that can be used, and the method for removing water produced as a by-product, the reaction temperature, basic compound, and removal method that can be used in the production of the hydrophobic segment can be used.
芳香族求核置換反応を溶媒中で行う場合、得られるオリゴマー濃度が5〜50質量%となるようにモノマー等を仕込むことが好ましく、より好ましくは20〜40質量%である。5質量%未満の場合は、重合度が上がり難い傾向がある。一方、50質量%を超える場合には、反応系の粘性が高くなり過ぎて反応物の後処理が困難になる傾向がある。 When the aromatic nucleophilic substitution reaction is carried out in a solvent, it is preferable to prepare monomers and the like so that the resulting oligomer concentration is 5 to 50% by mass, and more preferably 20 to 40% by mass. If it is less than 5% by mass, the degree of polymerization tends to be difficult to increase. On the other hand, if it exceeds 50% by mass, the reaction system tends to be too viscous to make post-treatment of the reaction product difficult.
反応中に副生成物として生成する無機塩は、反応溶液の濾過、遠心沈降後のデカンテーション、反応溶液に水を添加した後の透析や塩析など、公知の任意の方法によって除去することができ、濾過が製造効率、収率の面から好ましい。濾過や遠心沈降で無機塩を除去した場合、親水性オリゴマーの貧溶媒に反応溶液を滴下することで親水性オリゴマーを回収することができる。また、透析で無機塩を除去した場合は蒸発乾固によって、塩析で無機塩を除去した場合は濾過によって、それぞれ親水性オリゴマーを回収することができる。 The inorganic salt produced as a by-product during the reaction can be removed by any known method such as filtration of the reaction solution, decantation after centrifugal sedimentation, dialysis or salting out after adding water to the reaction solution. Filtration is preferable in terms of production efficiency and yield. When the inorganic salt is removed by filtration or centrifugal sedimentation, the hydrophilic oligomer can be recovered by dropping the reaction solution into a poor solvent for the hydrophilic oligomer. When the inorganic salt is removed by dialysis, the hydrophilic oligomer can be recovered by evaporation to dryness, and when the inorganic salt is removed by salting out, the hydrophilic oligomer can be recovered by filtration.
単離した親水性オリゴマーは、貧溶媒による洗浄や、再沈、透析などによって精製することが好ましく、作業効率と精製効率の面から洗浄が好ましい。貧溶媒としては、疎水性オリゴマーの製造の際に用い得るものとして列挙した貧溶媒を用いることができる。 The isolated hydrophilic oligomer is preferably purified by washing with a poor solvent, reprecipitation, dialysis or the like, and washing is preferred from the viewpoint of work efficiency and purification efficiency. As a poor solvent, the poor solvent enumerated as what can be used in the case of manufacture of a hydrophobic oligomer can be used.
合成や精製の際に用いた有機溶媒は、できるだけ除去しておくことが好ましい。有機溶媒の除去は乾燥によって行うことが好ましく、10〜150℃で減圧乾燥することがより好ましい。 It is preferable to remove the organic solvent used in the synthesis and purification as much as possible. The removal of the organic solvent is preferably performed by drying, and more preferably dried under reduced pressure at 10 to 150 ° C.
(連結基)
ブロック共重合体において、上記疎水性セグメントと親水性セグメントは、下記化学式3
(Linking group)
In the block copolymer, the hydrophobic segment and the hydrophilic segment have the following chemical formula 3
(式中、pは0又は1を表し、pが1の場合、Wは直接結合(単結合)、スルホニル基、カルボニル基からなる群より選ばれる1種以上を表す。)で表される連結基で結合されていることが好ましい。かかる構成により、熱水に対する耐膨潤性の高い高分子電解質膜を得ることができる。 (Wherein p represents 0 or 1, and when p is 1, W represents one or more selected from the group consisting of a direct bond (single bond), a sulfonyl group, and a carbonyl group). It is preferable that it is couple | bonded with group. With this configuration, it is possible to obtain a polymer electrolyte membrane having high swelling resistance against hot water.
化学式3中、pが0の場合、ブロック共重合体の合成がやや困難になるため、pは1の方が好ましい。Wがベンゼン環同士の直接結合であると、高分子電解質膜の特性や耐久性を向上できる。Wがスルホニル基の場合、ブロック共重合体の合成時の副反応を低減できる。 In Chemical Formula 3, when p is 0, synthesis of the block copolymer is somewhat difficult, and therefore, p is preferably 1. When W is a direct bond between benzene rings, the characteristics and durability of the polymer electrolyte membrane can be improved. When W is a sulfonyl group, side reactions during the synthesis of the block copolymer can be reduced.
(ブロック共重合体の構造)
本発明で用いるブロック共重合体としては、分子中に、上記化学式1で表される疎水性セグメントの少なくとも一種と、上記化学式2で表される親水性セグメントの少なくとも一種、及び上記化学式3で表される連結基を有する、ジ又はマルチブロック共重合体であることが好ましい。高分子電解質膜の強度が向上するため、マルチブロック共重合体であることが特に好ましい。
(Block copolymer structure)
The block copolymer used in the present invention includes, in the molecule, at least one hydrophobic segment represented by the above chemical formula 1, at least one hydrophilic segment represented by the above chemical formula 2, and the above chemical formula 3. It is preferable that it is a di- or multiblock copolymer having a connecting group. A multi-block copolymer is particularly preferable because the strength of the polymer electrolyte membrane is improved.
前記疎水性セグメントと親水性セグメントとが、前記連結基を介して互いに結合されているブロック共重合体としては、例えば、親水性セグメントと疎水性セグメントとが、連結基を介して交互に連結されているブロック共重合体や、各セグメントがランダムに連結されており、親水性セグメントと疎水性セグメントは連結基を介して連結されているブロック共重合体が挙げられる。 As the block copolymer in which the hydrophobic segment and the hydrophilic segment are bonded to each other via the linking group, for example, the hydrophilic segment and the hydrophobic segment are alternately connected via the linking group. And a block copolymer in which each segment is randomly connected and the hydrophilic segment and the hydrophobic segment are connected via a connecting group.
親水性セグメントは水溶性が高いため、親水性セグメントのみからなるブロック(共)重合体は、高分子電解質膜として使用する際に溶出するなどの問題を起こす可能性がある。このため、本発明のブロック共重合体は、分子中に、親水性セグメントと疎水性セグメントとを含んでいることを必要とする。ブロック共重合体中の親水性セグメントの含有率は10質量%〜70質量%であることが好ましく、30質量%〜60質量%であることがより好ましい。親水性セグメントの含有率が10質量%未満である場合には、プロトン伝導性が著しく低下する場合がある。親水性セグメントの含有率が70質量%を超える場合には、水に対する膨潤性が大きくなり、膜強度が著しく低下する場合がある。 Since the hydrophilic segment is highly water-soluble, a block (co) polymer consisting only of the hydrophilic segment may cause problems such as elution when used as a polymer electrolyte membrane. For this reason, the block copolymer of this invention needs to contain the hydrophilic segment and the hydrophobic segment in a molecule | numerator. The content of the hydrophilic segment in the block copolymer is preferably 10% by mass to 70% by mass, and more preferably 30% by mass to 60% by mass. When the content of the hydrophilic segment is less than 10% by mass, proton conductivity may be significantly reduced. When the content of the hydrophilic segment exceeds 70% by mass, the swellability with respect to water increases, and the film strength may be significantly reduced.
ブロック共重合体において、親水性セグメントと疎水性セグメントのモル比であるm/nの値は0.4〜1.5(より好ましくは0.6〜1.3)であることが好ましい。かかる範囲にあると、プロトン伝導膜に好適な重合体となる。m/nの値が0.4より小さいと、燃料電池の出力が著しく低下する場合があり、m/nの値が1.5を超えると電解質膜の膨潤が著しく大きくなる場合がある。 In the block copolymer, the value of m / n, which is the molar ratio of the hydrophilic segment to the hydrophobic segment, is preferably 0.4 to 1.5 (more preferably 0.6 to 1.3). When in this range, the polymer is suitable for a proton conducting membrane. When the value of m / n is less than 0.4, the output of the fuel cell may be significantly reduced, and when the value of m / n is more than 1.5, the swelling of the electrolyte membrane may be significantly increased.
なお、各セグメント(オリゴマー)の分子量はゲルパーミエーションクロマトグラフィー法などの公知の任意の方法で求めることができるが、末端基を定量して数平均分子量を求めることが好ましい。末端基の定量は、滴定法、比色法、ラベル法、NMR法、元素分析など公知の任意の方法を用いることができるが、NMR法が簡便で正確性に優れるため好ましく、1H−NMR法がより好ましい。 In addition, although the molecular weight of each segment (oligomer) can be calculated | required by well-known arbitrary methods, such as a gel permeation chromatography method, it is preferable to quantitate a terminal group and to obtain | require a number average molecular weight. The end group can be quantified by any known method such as titration, colorimetric method, labeling method, NMR method, elemental analysis, but is preferable because the NMR method is simple and excellent in accuracy. 1 H-NMR The method is more preferred.
ブロック共重合体を構成する疎水性オリゴマーは、ベンゾニトリル構造を有することを特徴とするが、その構造ゆえに溶媒への溶解性が乏しい。よって、NMR測定の際に、適当な重水素化溶媒に溶解しない場合には、N−メチル−2−ピロリドンなど、疎水性オリゴマーが溶解する通常の溶媒に溶解した溶液に、重水素化ジメチルスルホキシドなどの重水素化溶媒を加えて測定することが好ましい。 The hydrophobic oligomer constituting the block copolymer is characterized by having a benzonitrile structure, but due to its structure, the solubility in a solvent is poor. Therefore, in the case of NMR measurement, if it is not dissolved in a suitable deuterated solvent, deuterated dimethyl sulfoxide is added to a solution dissolved in a normal solvent in which a hydrophobic oligomer is dissolved, such as N-methyl-2-pyrrolidone. It is preferable to measure by adding a deuterated solvent such as
ブロック共重合体のスルホン酸基は、酸でも陽イオンとの塩であってもよいが、スルホン酸基の安定性の面からは陽イオンとの塩であることが好ましい。スルホン酸基が塩である場合の酸への変換は、例えば、成形後に酸処理することで行うことができる。 The sulfonic acid group of the block copolymer may be an acid or a salt with a cation, but is preferably a salt with a cation from the viewpoint of the stability of the sulfonic acid group. Conversion to an acid when the sulfonic acid group is a salt can be performed, for example, by acid treatment after molding.
(ブロック共重合体の特性)
ブロック共重合体は、N−メチル−2−ピロリドンを溶媒とした0.5g/dLの溶液について30℃で測定される対数粘度が、0.5〜5.0dL/gの範囲であることが好ましい。対数粘度が0.5dL/g未満であると、成形性に乏しく膜に成形することが困難になる場合がある。また、対数粘度が5.0dL/gを超えると、ブロック共重合体を溶解した溶液の粘度が高くなり過ぎて、加工性に悪影響を及ぼすため好ましくない。対数粘度は1.0〜4.0dL/gの範囲であることがより好ましく、1.5〜3.5dL/gの範囲であることがさらに好ましい。
(Characteristics of block copolymer)
The block copolymer has a logarithmic viscosity measured at 30 ° C. of a 0.5 g / dL solution using N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent in a range of 0.5 to 5.0 dL / g. preferable. When the logarithmic viscosity is less than 0.5 dL / g, it may be difficult to mold into a film due to poor moldability. On the other hand, when the logarithmic viscosity exceeds 5.0 dL / g, the viscosity of the solution in which the block copolymer is dissolved becomes too high, which adversely affects workability. The logarithmic viscosity is more preferably in the range of 1.0 to 4.0 dL / g, and still more preferably in the range of 1.5 to 3.5 dL / g.
(ブロック共重合体の製造方法)
ブロック共重合体は、公知の任意の方法で合成することができる。例えば、予め合成しておいた親水性オリゴマー及び疎水性オリゴマーを、連結剤で結合することによって製造できる。連結剤と両オリゴマーの合計とのモル比は、1付近になるようにすることが好ましい。
(Method for producing block copolymer)
The block copolymer can be synthesized by any known method. For example, it can be produced by combining a previously synthesized hydrophilic oligomer and hydrophobic oligomer with a linking agent. The molar ratio of the linking agent to the sum of both oligomers is preferably close to 1.
また、予め合成しておいた親水性オリゴマー及び疎水性オリゴマーのいずれかの末端基を連結剤で修飾しておき、その後、もう一方のオリゴマーを反応させることによっても製造することができる。この場合、修飾したオリゴマーと、もう一方のオリゴマーは等モルで反応させることが好ましいが、反応中の副反応によるゲル化を防ぐためには、修飾したオリゴマーをわずかに過剰にするのが好ましい。過剰の度合いは、オリゴマー分子量や目的とする共重合体の分子量によっても異なるが、0.1モル%〜50モル%の範囲であることが好ましく、0.5モル%〜10モル%の範囲であることがより好ましい。また、連結剤で末端を修飾するのは、疎水性オリゴマーのほうが好ましい。親水性オリゴマーの構造によっては修飾反応がうまく進行しない場合がある。 It can also be produced by modifying one end group of a previously synthesized hydrophilic oligomer or hydrophobic oligomer with a linking agent and then reacting the other oligomer. In this case, the modified oligomer and the other oligomer are preferably reacted in an equimolar amount. However, in order to prevent gelation due to a side reaction during the reaction, it is preferable that the modified oligomer is slightly excessive. The degree of excess varies depending on the molecular weight of the oligomer and the molecular weight of the target copolymer, but is preferably in the range of 0.1 mol% to 50 mol%, and in the range of 0.5 mol% to 10 mol%. More preferably. In addition, the hydrophobic oligomer is preferably modified with the linking agent. Depending on the structure of the hydrophilic oligomer, the modification reaction may not proceed well.
オリゴマー同士を結合、あるいは片方のオリゴマーの末端を修飾する連結剤としては、下記化学式9A〜9Dで表される構造の化合物を挙げることができ、中でも化学式9A及び9Bの化合物が好ましく、化学式9Aの化合物がさらに好ましい。 Examples of the linking agent that bonds oligomers or modifies the end of one oligomer include compounds having structures represented by the following chemical formulas 9A to 9D. Among them, compounds of chemical formulas 9A and 9B are preferred, More preferred are compounds.
疎水性オリゴマー及び親水性オリゴマーは、それぞれ独立して、構造、分子量、及び分子量分布の異なるオリゴマーからなる群より選ばれる1種以上のオリゴマーを用いることができる。 As the hydrophobic oligomer and the hydrophilic oligomer, one or more kinds of oligomers selected from the group consisting of oligomers having different structures, molecular weights, and molecular weight distributions can be used.
ブロック共重合体の製造は、オリゴマー合成後に精製、単離したオリゴマーを用いて行っても、このオリゴマーの溶液を用いて行ってもよい。また、未精製のもの(オリゴマー合成後の反応溶液)を用いてブロック共重合体を製造してもよい。いずれのオリゴマーを精製、単離してもよいが、疎水性オリゴマーのほうが容易である点で好ましい。 The block copolymer may be produced using an oligomer purified and isolated after oligomer synthesis or using a solution of this oligomer. Moreover, you may manufacture a block copolymer using an unpurified thing (reaction solution after oligomer synthesis | combination). Any oligomer may be purified and isolated, but a hydrophobic oligomer is preferred because it is easier.
ブロック共重合の製造の際、親水性オリゴマー中のスルホン酸基はアルカリ金属塩であることが好ましく、NaかKであることがより好ましい。スルホン酸基と塩を形成するイオンが複数の種類からなる場合は、前もって、元素分析で組成を分析しておくと、正確な分子量を求めることができる。また、親水性オリゴマーをいったん過剰の酸で処理した後、金属塩やアルカリ金属水酸化物で処理して、スルホン酸基と塩を形成するイオンを一種にしてもよい。親水性オリゴマーは、ブロック共重合体合成の直前に乾燥して、吸着した水分を除去しておくことが好ましい。乾燥は親水性オリゴマーを100℃以上に加熱して行えばよく、減圧乾燥するのがより好ましい。 In the production of the block copolymer, the sulfonic acid group in the hydrophilic oligomer is preferably an alkali metal salt, more preferably Na or K. When ions forming a salt with a sulfonic acid group are of a plurality of types, an accurate molecular weight can be obtained by analyzing the composition in advance by elemental analysis. Alternatively, the hydrophilic oligomer may be once treated with an excess of acid and then treated with a metal salt or an alkali metal hydroxide to form one kind of ion that forms a salt with a sulfonic acid group. The hydrophilic oligomer is preferably dried immediately before the synthesis of the block copolymer to remove the adsorbed moisture. Drying may be performed by heating the hydrophilic oligomer to 100 ° C. or higher, and it is more preferable to dry under reduced pressure.
ブロック共重合体の製造に用いる連結剤としては、フッ素で置換された芳香族系連結剤であることが好ましい。フッ素は反応性が高く、セグメント長の低下などの副反応を抑制できるからである。当該芳香族系連結剤は、1分子中に3個以上のフッ素原子を有していることが好ましく、2個以上のフッ素原子が隣接していることがより好ましく、パーフルオロ化合物であることがより好ましい。反応性がより高いからである。 The linking agent used for the production of the block copolymer is preferably an aromatic linking agent substituted with fluorine. This is because fluorine is highly reactive and can suppress side reactions such as a decrease in segment length. The aromatic linking agent preferably has 3 or more fluorine atoms in one molecule, more preferably 2 or more fluorine atoms are adjacent to each other, and is a perfluoro compound. More preferred. This is because the reactivity is higher.
当該芳香族系連結剤は電子吸引性を置換基として有していてもよく、電子吸引性基はフッ素原子に対してオルト位又はパラ位にあると好ましい。電子吸引性基としては、例えばシアノ基、スルホニル基、スルフィニル基、カルボニル基などが挙げられる。 The aromatic coupling agent may have an electron-withdrawing property as a substituent, and the electron-withdrawing group is preferably in the ortho position or the para position with respect to the fluorine atom. Examples of the electron withdrawing group include a cyano group, a sulfonyl group, a sulfinyl group, and a carbonyl group.
当該芳香族系連結剤としては、単数の芳香族環(電子吸引性基を置換基として有していてもよい)、あるいは複数の芳香族基が電子吸引性基で連結された芳香族環がパーフルオロ化された化合物を挙げることができる。具体的には、ヘキサフルオロベンゼン、デカフルオロビフェニル、デカフルオロベンゾフェノン、デカフルオロジフェニルスルホン、ペンタフルオロベンゾニトリルが挙げられ、デカフルオロビフェニルやデカフルオロジフェニルスルホンが好ましく、デカフルオロビフェニルがより好ましい。これらの連結剤は単独で用いても、2種以上を組み合わせて用いてもよい。 Examples of the aromatic linking agent include a single aromatic ring (which may have an electron-withdrawing group as a substituent), or an aromatic ring in which a plurality of aromatic groups are linked with an electron-withdrawing group. Mention may be made of perfluorinated compounds. Specific examples include hexafluorobenzene, decafluorobiphenyl, decafluorobenzophenone, decafluorodiphenyl sulfone, and pentafluorobenzonitrile. Decafluorobiphenyl and decafluorodiphenyl sulfone are preferable, and decafluorobiphenyl is more preferable. These linking agents may be used alone or in combination of two or more.
また、これらの化合物中のフッ素原子の一部が置換された化合物を連結剤として用いることもできる。フッ素原子を置換するものとしては、水素原子や、塩素、臭素、ヨウ素などの他のハロゲン原子、フェノキシ基、フェニル基、メチル基などの炭化水素基などが挙げられる。 In addition, compounds in which some of the fluorine atoms in these compounds are substituted can be used as a linking agent. Examples of the substituent for the fluorine atom include a hydrogen atom, other halogen atoms such as chlorine, bromine and iodine, hydrocarbon groups such as a phenoxy group, a phenyl group and a methyl group.
親水性オリゴマー及び疎水性オリゴマーを、連結剤で結合してブロック共重合体を製造する場合には、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ジフェニルスルホン、スルホランなどの非プロトン性極性溶媒中、オリゴマーのフェノール又はチオフェノール末端の1〜5モル倍量の炭酸カリウム、炭酸ナトリウムなどの塩基性化合物の存在下、50℃〜160℃の範囲で反応させて行うことが好ましく、70℃〜130℃の範囲がより好ましい。 When a block copolymer is produced by combining a hydrophilic oligomer and a hydrophobic oligomer with a linking agent, N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide In the presence of a basic compound such as potassium carbonate or sodium carbonate in an aprotic polar solvent such as diphenylsulfone or sulfolane in an amount of 1 to 5 moles of the oligomeric phenol or thiophenol end, potassium carbonate or sodium carbonate The reaction is preferably carried out at a temperature of 70 ° C to 130 ° C.
反応は窒素などの不活性ガス気流下で行うことが好ましい。反応溶液中の固形分濃度は、1質量%〜25質量%であればよいが、反応性および疎水性オリゴマーの溶解性が悪いことを考慮すると、5質量%〜20質量%であることが好ましい。最も好ましくは8質量%〜15質量%である。ここでの固形分濃度とは、溶液中のブロック共重合体濃度のことである。疎水性オリゴマーが溶解しているかどうかは、目視により透明であるかどうか、濁っているか否かで判断することができる。 The reaction is preferably carried out under an inert gas stream such as nitrogen. The solid concentration in the reaction solution may be 1% by mass to 25% by mass, but it is preferably 5% by mass to 20% by mass considering the poor solubility of the reactive and hydrophobic oligomers. . Most preferably, it is 8 mass%-15 mass%. The solid content concentration here is the concentration of the block copolymer in the solution. Whether or not the hydrophobic oligomer is dissolved can be determined by whether it is transparent by visual inspection or not.
ブロック共重合体の重合度、及びブロック共重合体中の親水性セグメントと疎水性セグメントの含有率は、反応に用いるオリゴマーのモル比で調整することができる。また、反応溶液の粘度から終点を判断して、冷却や末端停止などによって重合反応を停止させて重合度等を調整してもよい。 The degree of polymerization of the block copolymer and the content of the hydrophilic segment and the hydrophobic segment in the block copolymer can be adjusted by the molar ratio of the oligomer used in the reaction. Alternatively, the end point may be determined from the viscosity of the reaction solution, and the polymerization degree may be adjusted by stopping the polymerization reaction by cooling or stopping the end.
反応溶液からのブロック共重合体の単離と精製は公知の任意の方法で行うことができる。例えば、反応溶液を、水、アセトン、メタノールなどのブロック共重合体の貧溶媒に滴下することによってブロック共重合体を固化させて行う方法が挙げられる。貧溶媒としては水が取扱いやすく、無機塩を除去できるため好ましい。また、残存オリゴマー成分や、親水性の高い成分を除去するために、60℃〜100℃の熱水や、水と有機溶媒(アセトンなどのケトン系溶媒、メタノール、エタノール、イソプロパノールなどのアルコール系溶媒)の混合溶媒などで洗浄することが好ましい。 Isolation and purification of the block copolymer from the reaction solution can be performed by any known method. For example, there is a method of solidifying the block copolymer by dropping the reaction solution into a poor solvent of the block copolymer such as water, acetone or methanol. As the poor solvent, water is preferable because it is easy to handle and inorganic salts can be removed. Further, in order to remove residual oligomer components and highly hydrophilic components, hot water at 60 ° C. to 100 ° C., water and organic solvents (ketone solvents such as acetone, alcohol solvents such as methanol, ethanol, and isopropanol). It is preferable to wash with a mixed solvent or the like.
本発明のブロック共重合体は、第三成分を混合して組成物として用いることもできる。第三成分としては、例えば、繊維状物質;リンタングステン酸、リンモリブデン酸などのヘテロポリ酸;低分子のスルホン酸、ホスホン酸、リン酸誘導体などの酸性化合物;ケイ酸化合物、ジルコニウムリン酸などを挙げることができる。第三成分の含有率は、組成物中50質量%未満であることが好ましい。50質量%以上であると成形物の物理特性が損なわれる場合がある。第三成分としては、当該組成物を用いて得られる成形物の膨潤性を抑制する上で繊維状物質が好ましく、チタン酸カリウム繊維などの無機繊維状物質がより好ましい。 The block copolymer of the present invention can also be used as a composition by mixing a third component. Examples of the third component include fibrous substances; heteropolyacids such as phosphotungstic acid and phosphomolybdic acid; acidic compounds such as low-molecular sulfonic acid, phosphonic acid and phosphoric acid derivatives; silicic acid compounds and zirconium phosphoric acid. Can be mentioned. The content of the third component is preferably less than 50% by mass in the composition. If it is 50% by mass or more, the physical properties of the molded product may be impaired. As the third component, a fibrous substance is preferable in order to suppress the swellability of a molded product obtained using the composition, and an inorganic fibrous substance such as potassium titanate fiber is more preferable.
また、上記第三成分とともに、あるいは第三成分に代えて、他の重合体を混合した組成物として用いることもできる。これらの重合体としては、例えばポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレートなどのポリエステル類;ナイロン6、ナイロン6,6、ナイロン6,10、ナイロン12などのポリアミド類;ポリ(メタ)アクリル酸エステル類などのアクリレート系樹脂;ポリ(メタ)アクリル酸系樹脂;ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン等のジエン系ポリマーを含む各種ポリオレフィン;ポリウレタン系樹脂;酢酸セルロース、エチルセルロースなどのセルロース系樹脂;ポリアリレート、アラミド、ポリカーボネート、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンオキシド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリベンズイミダゾール、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾールなどの芳香族系ポリマー;エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ノボラック樹脂、ベンゾオキサジン樹脂などの熱硬化性樹脂等が挙げられる。 Moreover, it can replace with the said 3rd component or it can replace with a 3rd component, and can also be used as a composition which mixed the other polymer. Examples of these polymers include polyesters such as polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, and polyethylene naphthalate; polyamides such as nylon 6, nylon 6,6, nylon 6,10, and nylon 12; poly (meth) acrylic acid ester Acrylate resins such as polyphenols; poly (meth) acrylic acid resins; various polyolefins including diene polymers such as polyethylene, polypropylene and polystyrene; polyurethane resins; cellulose resins such as cellulose acetate and ethyl cellulose; polyarylate, aramid, Polycarbonate, polyphenylene sulfide, polyphenylene oxide, polysulfone, polyethersulfone, polyetheretherketone, polyetherimide, polyimide, polyamide , Polybenzimidazole, polybenzoxazole, aromatic polymers such as poly benzthiazole; epoxy resins, phenolic resins, novolak resins, thermosetting resins such as benzoxazine resins.
ブロック共重合体を組成物として使用する場合には、本発明のブロック共重合体は、組成物全体の50質量%以上100質量%未満含まれていることが好ましい。より好ましくは70質量%以上100質量%未満である。ブロック共重合体の含有率が組成物全体の50質量%未満の場合には、この組成物を用いて得られる高分子電解質膜のスルホン酸基濃度が低くなり良好なプロトン伝導性が得られなかったり、スルホン酸基を含有するユニットが非連続相となり伝導するイオンの移動度が低下する場合がある。 When using a block copolymer as a composition, it is preferable that the block copolymer of this invention is contained 50 to 100 mass% of the whole composition. More preferably, it is 70 mass% or more and less than 100 mass%. When the content of the block copolymer is less than 50% by mass of the entire composition, the sulfonic acid group concentration of the polymer electrolyte membrane obtained using this composition is low, and good proton conductivity cannot be obtained. In some cases, the unit containing a sulfonic acid group becomes a discontinuous phase and the mobility of ions to be conducted is lowered.
本発明の組成物は、必要に応じて、例えば酸化防止剤、熱安定剤、滑剤、粘着付与剤、可塑剤、架橋剤、粘度調整剤、静電気防止剤、抗菌剤、消泡剤、分散剤、重合禁止剤などの各種添加剤を含んでもよい。 The composition of the present invention can be used as necessary, for example, antioxidants, heat stabilizers, lubricants, tackifiers, plasticizers, crosslinking agents, viscosity modifiers, antistatic agents, antibacterial agents, antifoaming agents, and dispersing agents. Various additives such as a polymerization inhibitor may be included.
(ランダム共重合体)
本発明の製造方法で用いるランダム共重合体は、ブロック共重合体の塗布膜が大気や支持体などの疎水性物質と接触することを防ぐことができれば、特に限定されるものではないが、ランダム共重合体由来の電解質膜がプロトン伝導性を有するように、スルホン酸基を有する炭化水素系重合体や、スルホン酸基を有するフッ素系重合体であることが好ましい。
(Random copolymer)
The random copolymer used in the production method of the present invention is not particularly limited as long as it can prevent the coating film of the block copolymer from coming into contact with a hydrophobic substance such as the air or a support. In order that the electrolyte membrane derived from the copolymer has proton conductivity, a hydrocarbon polymer having a sulfonic acid group or a fluorine polymer having a sulfonic acid group is preferable.
スルホン酸基を有する炭化水素系重合体としては、例えば、特許第3928611号に記載されているポリアリーレンエーテル系化合物が挙げられる。 Examples of the hydrocarbon-based polymer having a sulfonic acid group include polyarylene ether compounds described in Japanese Patent No. 3928611.
当該ポリアリーレンエーテル系化合物は、ブロック共重合体を調製する際に用いたモノマー成分を一括投入して調製することができる。 The polyarylene ether compound can be prepared by charging the monomer components used when preparing the block copolymer.
より具体的には、例えば、化学式6A又は6Bで表されるモノマーと、化学式7で表されるスルホン化モノマーとを、各種ビスフェノール類または各種ビスチオフェノール類と反応させて合成することができる。その際、4,4’−ジクロロジフェニルスルホンや2,6−ジクロロベンゾニトリルのようなジハロゲン化物を併用してもよい。 More specifically, for example, the monomer represented by Chemical Formula 6A or 6B and the sulfonated monomer represented by Chemical Formula 7 can be synthesized by reacting with various bisphenols or various bisthiophenols. At that time, a dihalide such as 4,4'-dichlorodiphenylsulfone or 2,6-dichlorobenzonitrile may be used in combination.
上記モノマー成分は、公知の任意の方法で反応させることができるが、塩基性化合物の存在下で芳香族求核置換反応によって反応させることが好ましい。 The monomer component can be reacted by any known method, but is preferably reacted by an aromatic nucleophilic substitution reaction in the presence of a basic compound.
その際の反応温度、用い得る塩基性化合物、副生物として生成する水の除去方法については、疎水性セグメントの製造において用い得る反応温度、塩基性化合物、及び除去方法を援用できる。 Regarding the reaction temperature, the basic compound that can be used, and the method for removing water produced as a by-product, the reaction temperature, basic compound, and removal method that can be used in the production of the hydrophobic segment can be used.
また、モノマー成分の仕込み量や、副生成物として生成する無機塩の除去方法、得られたポリアリーレンエーテル系化合物の単離方法や精製方法については、親水性セグメントの製造において用い得る条件や方法を援用できる。 In addition, with regard to the charged amount of monomer components, the method for removing inorganic salts produced as by-products, and the method for isolating and purifying the resulting polyarylene ether compound, conditions and methods that can be used in the production of hydrophilic segments Can be used.
スルホン酸基を有するフッ素系重合体としては、例えば、「化学One Point燃料電池 第2版(共立出版、1992年)」に記載されている化合物が挙げられる。 Examples of the fluorinated polymer having a sulfonic acid group include compounds described in “Chemical One Point Fuel Cell, Second Edition (Kyoritsu Shuppan, 1992)”.
(ランダム共重合体のスルホン酸基含有量)
本発明で用いるランダム共重合体は、スルホン酸基含有量が0.3〜3.5meq/gの範囲にあることが好ましい。0.3meq/gよりも少ない場合には、電解質膜として使用したときに十分なイオン伝導性を示さない傾向があり、3.5meq/gよりも大きい場合にはイオン伝導膜を高温高湿条件においた場合に膜膨潤が大きくなりすぎて使用に適さなくなる傾向がある。より好ましくは0.5〜3.0meq/gである。
(Sulphonic acid group content of random copolymer)
The random copolymer used in the present invention preferably has a sulfonic acid group content in the range of 0.3 to 3.5 meq / g. When it is less than 0.3 meq / g, there is a tendency that it does not show sufficient ion conductivity when used as an electrolyte membrane. When scented, the film swells so much that it tends to be unsuitable for use. More preferably, it is 0.5-3.0 meq / g.
(ランダム共重合体のポリマー対数粘度)
本発明で用いるランダム共重合体は、N−メチル−2−ピロリドンを溶媒とした0.5g/dLの溶液について30℃で測定される対数粘度が、0.5〜5.0dL/gの範囲であることが好ましい。対数粘度が0.5dL/g未満であると、成形性に乏しく膜に成形することが困難になる場合がある。また、対数粘度が5.0dL/gを超えると、ランダム共重合体を溶解した溶液の粘度が高くなり過ぎて、加工性に悪影響を及ぼすため好ましくない。対数粘度は1.0〜4.0dL/gの範囲であることがより好ましく、1.5〜3.5dL/gの範囲であることがさらに好ましい。
(Random copolymer polymer log viscosity)
The random copolymer used in the present invention has a logarithmic viscosity measured at 30 ° C. of a 0.5 g / dL solution using N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent in a range of 0.5 to 5.0 dL / g. It is preferable that When the logarithmic viscosity is less than 0.5 dL / g, it may be difficult to mold into a film due to poor moldability. On the other hand, when the logarithmic viscosity exceeds 5.0 dL / g, the viscosity of the solution in which the random copolymer is dissolved becomes excessively high, which adversely affects the workability. The logarithmic viscosity is more preferably in the range of 1.0 to 4.0 dL / g, and still more preferably in the range of 1.5 to 3.5 dL / g.
(燃料電池用電極接合体)
本発明の製造方法によって製造された高分子電解質膜を用いることにより、燃料電池用接合体を得ることができる。この接合体の作製方法としては、従来から公知の方法を用いて行うことができ、例えば、電極表面に接着剤を塗布し高分子電解質膜と電極とを接着する方法、または高分子電解質膜と電極とを加熱加圧する方法等がある。この中でも、本発明のスルホン酸基含有ブロック共重合体またはスルホン酸基含有ランダム共重合体およびその組成物を主成分とした接着剤を電極表面に塗布して接着する方法が好ましい。高分子電解質膜と電極との接着性が向上し、また、高分子電解質膜のプロトン伝導性を損なうことが少なくなると考えられるためである。
(Fuel cell electrode assembly)
By using the polymer electrolyte membrane produced by the production method of the present invention, a fuel cell assembly can be obtained. As a method for producing this joined body, a conventionally known method can be used. For example, a method of applying an adhesive to the electrode surface and bonding the polymer electrolyte membrane and the electrode, or a polymer electrolyte membrane and There is a method of heating and pressing the electrode. Among these, the method of applying and bonding the sulfonic acid group-containing block copolymer or sulfonic acid group-containing random copolymer of the present invention and an adhesive mainly comprising the composition to the electrode surface is preferable. This is because the adhesion between the polymer electrolyte membrane and the electrode is improved, and it is considered that the proton conductivity of the polymer electrolyte membrane is less impaired.
上記接合体を用いて、燃料電池を作製することもできる。本発明の高分子電解質膜は、耐熱性、加工性、プロトン伝導性に優れているため、高温での運転にも耐えることができ、良好な出力を有する燃料電池を提供することができる。本発明の高分子電解質膜は、水素を燃料とする固体高分子形燃料電池(PEFC)の他にも、メタノール透過性が小さいため、メタノールを燃料とするメタノール直接型燃料電池(DMFC)にも適している。また、耐熱性やバリアー性に優れるため、メタノール、ガソリン、エーテルなどの炭化水素から改質器によって水素を取り出して用いるタイプの燃料電池にも適している。 A fuel cell can also be produced using the above-mentioned joined body. Since the polymer electrolyte membrane of the present invention is excellent in heat resistance, processability, and proton conductivity, it can withstand operation at high temperatures and can provide a fuel cell having good output. Since the polymer electrolyte membrane of the present invention has a low methanol permeability in addition to a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) using hydrogen as a fuel, it also applies to a methanol direct fuel cell (DMFC) using methanol as a fuel. Is suitable. Moreover, since it is excellent in heat resistance and barrier properties, it is also suitable for a fuel cell of a type in which hydrogen is taken out from a hydrocarbon such as methanol, gasoline, ether, etc. by a reformer.
以下、実施例および比較例によって本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではなく、前記及び後記の趣旨に適合し得る範囲で適宜変更して実施することが可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。なお下記実施例および比較例において「部」、「%」とあるのは、それぞれ質量部、質量%を意味する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples and comparative examples. However, the present invention is not limited to these examples, and can be implemented with appropriate modifications within a range that can be adapted to the above and the gist described below. These are all included in the technical scope of the present invention. In the following examples and comparative examples, “parts” and “%” mean parts by mass and mass%, respectively.
先ず、実施例および比較例によって製造したブロック共重合体やランダム共重合体の対数粘度、高分子電解質膜のイオン交換容量、積層比率、プロトン伝導性の測定方法について、以下説明する。 First, methods for measuring the logarithmic viscosity, ion exchange capacity, stacking ratio, and proton conductivity of block copolymers and random copolymers produced in Examples and Comparative Examples are described below.
(対数粘度)
ブロック共重合体、あるいはランダム共重合体の粉末を、0.5g/dLの濃度でN−メチルピロリドンに溶解し、30℃の恒温槽中でウベローデ型粘度計を用いて粘度測定を行い、対数粘度ln[ta/tb]/cで評価した(taは試料溶液の落下秒数、tbは溶剤のみの落下秒数、cは試料溶液のポリマー濃度[単位:dL/g])。
(Logarithmic viscosity)
A block copolymer or random copolymer powder is dissolved in N-methylpyrrolidone at a concentration of 0.5 g / dL, and the viscosity is measured using a Ubbelohde viscometer in a constant temperature bath at 30 ° C. Viscosity ln [ta / tb] / c was evaluated (ta is the number of seconds that the sample solution was dropped, tb was the number of seconds that the solvent was dropped, and c was the polymer concentration of the sample solution [unit: dL / g]).
(イオン交換容量)
120℃で1時間乾燥した高分子電解質膜100mgを、0.01NのNaOH水溶液50mlに浸漬し、25℃で一晩撹拌した。その後、0.05NのHCl水溶液で中和滴定した。中和滴定には、平沼産業(株)製、電位差滴定装置COMTITE−980を用いた。イオン交換容量(IEC)は下記式で計算して求めた。
イオン交換容量[meq/g]=(10−滴定量[ml])/2
(Ion exchange capacity)
100 mg of the polymer electrolyte membrane dried at 120 ° C. for 1 hour was immersed in 50 ml of 0.01N NaOH aqueous solution and stirred at 25 ° C. overnight. Then, neutralization titration with 0.05N HCl aqueous solution was performed. For neutralization titration, a potentiometric titrator COMMITE-980 manufactured by Hiranuma Sangyo Co., Ltd. was used. The ion exchange capacity (IEC) was calculated by the following formula.
Ion exchange capacity [meq / g] = (10-titration [ml]) / 2
(積層比率)
高分子電解質膜を、重金属塩を含んだ溶液中で電子染色し、エポキシ樹脂に包埋後、ミクロトームで超薄切片を切り出し、日本電子製JEM2100透過電子顕微鏡を用いて、10,000倍で観察を行うことで高分子電解質膜(積層膜)の各層厚みを求めた。
(Lamination ratio)
The polymer electrolyte membrane is electron-stained in a solution containing a heavy metal salt, embedded in an epoxy resin, and then an ultrathin section is cut out with a microtome and observed at a magnification of 10,000 using a JEM2100 transmission electron microscope manufactured by JEOL. The thickness of each layer of the polymer electrolyte membrane (laminated film) was determined.
(膜厚方向のプロトン伝導性)
ポリテトラフルオロエチレン製のプローブ上で、高分子電解質膜から切り出した短冊状膜試料の表面に白金線(直径:0.2mm)を押し当てた。その際、押し当てる白金線の一つを試料の表面に、他の白金線を試料の裏面に配した。その後、80℃90%RHの恒温・恒湿オーブン(株式会社ナガノサイエンス、LH33−12P)中に試料を保持し、白金線間のインピーダンスをSOLARTRON社の1250 FREQUENCY RESPONSE ANALYSERを用いて測定した。極間距離(試料を正面から見た場合の白金線間の距離)を変化させて測定し、極間距離とC−C(cole−cole)プロットから見積もられる抵抗測定値をプロットした勾配から、以下の式により膜と白金線間の接触抵抗をキャンセルした導電率を算出して、膜厚方向のプロトン伝導性を評価した。
導電率[S/cm]=(1/膜幅[cm])×(膜厚[cm])×(抵抗極間勾配[Ω/cm])
(Proton conductivity in film thickness direction)
A platinum wire (diameter: 0.2 mm) was pressed against the surface of a strip-shaped membrane sample cut out from the polymer electrolyte membrane on a polytetrafluoroethylene probe. At that time, one platinum wire to be pressed was disposed on the surface of the sample, and the other platinum wire was disposed on the back surface of the sample. Then, the sample was hold | maintained in 80 degreeC90% RH constant temperature and humidity oven (Nagano Science, Inc., LH33-12P), and the impedance between platinum wires was measured using 1250 FREQUENCY RESPONSE ANALYSER of SOLARTRON. Measured by changing the distance between the poles (distance between the platinum wires when the sample is viewed from the front), and from the slope plotting the resistance measurement value estimated from the distance between the poles and the C-C (core-coll) plot, The proton conductivity in the film thickness direction was evaluated by calculating the conductivity with which the contact resistance between the film and the platinum wire was canceled by the following formula.
Conductivity [S / cm] = (1 / film width [cm]) × (film thickness [cm]) × (resistance-to-resistance gradient [Ω / cm])
(合成例1 ブロック共重合体の製造)
<疎水性オリゴマーの製造>
2,6−ジクロロベンゾニトリル(略号:DCBN)49.97g(290.5mmol)、4,4’−ビフェノール(略号:BP)54.99g(295.3mmol)、炭酸カリウム46.94g(339.6mmol)、N−メチル−2−ピロリドン(略号:NMP)750mL、トルエン150mLを、窒素導入管、撹拌翼、ディーンスタークトラップ、温度計を取り付けた1000mL枝付きフラスコに入れ、オイルバス中で撹拌しつつ窒素気流下で加熱した。トルエンとの共沸による脱水を140℃で行った後、トルエンをすべて留去した。その後、200℃に昇温し、15時間加熱した。窒素導入管、撹拌翼、冷却還流管、温度計を取り付けた別の1000mL枝付きフラスコに、NMP200mLとパーフルオロビフェニル4.85gを入れ、窒素気流下、攪拌しながら、オイルバス中で110℃に加熱した。そこに、DCBNとBPの反応溶液を、滴下漏斗を用いて2時間かけて撹拌しながら投入し、投入完了後、さらに2時間撹拌した。反応溶液を室温まで冷却した後、3000mLの純水に注ぎオリゴマーを固化させ、さらに純水で3回洗浄して、NMP及び無機塩を除去した。水洗したオリゴマーは、濾別した後、100℃で2時間乾燥させた後、室温まで冷却し、3000mLのアセトンで2回洗浄し、過剰のパーフルオロビフェニルを除去した。再びオリゴマーを濾別し、120℃で16時間減圧乾燥して疎水性オリゴマーを得た。1H−NMR測定による数平均分子量は13880であった。疎水性オリゴマーの化学構造を以下に示す。
(Synthesis Example 1 Production of Block Copolymer)
<Production of hydrophobic oligomer>
2,6-dichlorobenzonitrile (abbreviation: DCBN) 49.97 g (290.5 mmol), 4,4′-biphenol (abbreviation: BP) 54.99 g (295.3 mmol), potassium carbonate 46.94 g (339.6 mmol) ), 750 mL of N-methyl-2-pyrrolidone (abbreviation: NMP) and 150 mL of toluene are placed in a 1000 mL branch flask equipped with a nitrogen introduction tube, a stirring blade, a Dean-Stark trap and a thermometer, and stirred in an oil bath. Heated under a nitrogen stream. After dehydration by azeotropy with toluene at 140 ° C., all toluene was distilled off. Then, it heated up at 200 degreeC and heated for 15 hours. In another 1000 mL branch flask equipped with a nitrogen introduction tube, a stirring blade, a cooling reflux tube, and a thermometer, NMP 200 mL and 4.85 g of perfluorobiphenyl were placed and stirred at 110 ° C. in an oil bath while stirring under a nitrogen stream. Heated. The reaction solution of DCBN and BP was added thereto with stirring over 2 hours using a dropping funnel, and the mixture was further stirred for 2 hours after completion of the addition. The reaction solution was cooled to room temperature, poured into 3000 mL of pure water to solidify the oligomer, and further washed with pure water three times to remove NMP and inorganic salts. The oligomer washed with water was separated by filtration, dried at 100 ° C. for 2 hours, cooled to room temperature, and washed twice with 3000 mL of acetone to remove excess perfluorobiphenyl. The oligomer was again filtered off and dried under reduced pressure at 120 ° C. for 16 hours to obtain a hydrophobic oligomer. The number average molecular weight determined by 1 H-NMR measurement was 13880. The chemical structure of the hydrophobic oligomer is shown below.
<親水性オリゴマーの製造>
4,4’−ジクロロジフェニルスルホン−3,3’−ジスルホン酸ソーダ(略号:S−DCDPS)250.0g(508.9mmol)、BP97.04g(520.7mmol)、炭酸ナトリウム66.23g(624.9mmol)、NMP650mL、トルエン150mLを、窒素導入管、撹拌翼、ディーンスタークトラップ、温度計を取り付けた2000mL枝付きフラスコに入れ、オイルバス中で撹拌しつつ窒素気流下で加熱した。トルエンとの共沸による脱水を140℃で行った後、トルエンをすべて留去した。その後、200℃に昇温し、16時間加熱した。続いて、NMP500mLを投入し、撹拌しながら室温まで冷却した。得られた溶液を、25G2ガラスフィルターで吸引濾過したところ、黄色の透明な溶液が得られた。得られた溶液を3Lのアセトンに滴下してオリゴマーを固化させた。オリゴマーはさらにアセトンで3回洗浄した後、濾別して減圧乾燥し親水性オリゴマーを得た。1H−NMR測定による数平均分子量は25560であった。親水性オリゴマーの化学構造を以下に示す。
<Production of hydrophilic oligomer>
4,4′-dichlorodiphenylsulfone-3,3′-sodium disulfonate (abbreviation: S-DCDPS) 250.0 g (508.9 mmol), BP 97.04 g (520.7 mmol), sodium carbonate 66.23 g (624. 9 mmol), 650 mL of NMP, and 150 mL of toluene were placed in a 2000 mL branch flask equipped with a nitrogen introduction tube, a stirring blade, a Dean-Stark trap, and a thermometer, and heated under a nitrogen stream while stirring in an oil bath. After dehydration by azeotropy with toluene at 140 ° C., all toluene was distilled off. Then, it heated up at 200 degreeC and heated for 16 hours. Subsequently, 500 mL of NMP was added and cooled to room temperature while stirring. The obtained solution was subjected to suction filtration with a 25G2 glass filter, whereby a yellow transparent solution was obtained. The obtained solution was dropped into 3 L of acetone to solidify the oligomer. The oligomer was further washed three times with acetone, then filtered and dried under reduced pressure to obtain a hydrophilic oligomer. The number average molecular weight determined by 1 H-NMR measurement was 25560. The chemical structure of the hydrophilic oligomer is shown below.
<共重合反応>
上記の親水性オリゴマー45.00g、および疎水性オリゴマー24.61g、炭酸ナトリウム0.28g、NMP400mLを、窒素導入管、撹拌翼、ディーンスタークトラップ、温度計を取り付けた1000mL枝付きフラスコに入れ、窒素気流下50℃のオイルバス中で撹拌し溶解させ、次いで110℃まで加熱し、10時間反応させた。その後、室温まで冷却し、3Lの純水中に滴下して、反応溶液中の生成物(ブロック共重合体)を固化させた。得られたブロック共重合体を純水で3回洗浄した後、純水に浸漬させたまま80℃で16時間処理し、次いでブロック共重合体を純水から取出して熱水洗浄を行った。熱水洗浄をもう一度繰り返した後、水を除去したブロック共重合体を1000mLのイソプロパノールと500mLの水との混合溶媒に室温で16時間浸漬し、その後ブロック共重合体を取り出して純水で洗浄した。同じ操作(混合溶媒への浸漬及び純水での洗浄)をもう一度行った。その後、濾過でブロック共重合体を濾別し、120℃で12時間減圧乾燥した。得られたブロック共重合体の対数粘度は、2.1dL/gであった。ブロック共重合体の化学構造式を以下に示す。
<Copolymerization reaction>
45.00 g of the above hydrophilic oligomer and 24.61 g of hydrophobic oligomer, 0.28 g of sodium carbonate, and 400 mL of NMP were put into a 1000 mL branch flask equipped with a nitrogen introduction tube, a stirring blade, a Dean-Stark trap, and a thermometer. The mixture was stirred and dissolved in an oil bath at 50 ° C. under an air flow, then heated to 110 ° C. and reacted for 10 hours. Then, it cooled to room temperature and it was dripped in 3L pure water, and the product (block copolymer) in a reaction solution was solidified. The obtained block copolymer was washed 3 times with pure water, then treated at 80 ° C. for 16 hours while immersed in pure water, and then the block copolymer was taken out from the pure water and washed with hot water. After repeating the hot water washing once more, the block copolymer from which water was removed was immersed in a mixed solvent of 1000 mL of isopropanol and 500 mL of water at room temperature for 16 hours, and then the block copolymer was taken out and washed with pure water. . The same operation (immersion in a mixed solvent and washing with pure water) was performed once more. Thereafter, the block copolymer was separated by filtration and dried under reduced pressure at 120 ° C. for 12 hours. The logarithmic viscosity of the obtained block copolymer was 2.1 dL / g. The chemical structural formula of the block copolymer is shown below.
(合成例2 ランダム共重合体の製造)
S−DCDPS250.00g(508.9mmol)、DCBN49.97g(290.5mmol)、BP152.00g(816.00mmol)、炭酸カリウム133.00g(964.00mmol)、N−メチル−2−ピロリドン3000gを反応容器に入れて、窒素雰囲気下にて200℃で10時間反応させた。放冷の後、水中にストランド状に反応溶液中の生成物を沈殿させ、得られた沈殿物を10Lの水で5回洗浄した後、乾燥して、ランダム共重合体を得た。ランダム共重合体の対数粘度は1.25dL/gであった。
(Synthesis Example 2 Production of Random Copolymer)
Reaction of 250.00 g (508.9 mmol) of S-DCDPS, 49.97 g (290.5 mmol) of DCBN, 152.00 g (816.00 mmol) of BP, 133.00 g (964.00 mmol) of potassium carbonate, and 3000 g of N-methyl-2-pyrrolidone It put into the container and made it react at 200 degreeC by nitrogen atmosphere for 10 hours. After standing to cool, the product in the reaction solution was precipitated in water in the form of a strand, and the resulting precipitate was washed 5 times with 10 L of water and then dried to obtain a random copolymer. The logarithmic viscosity of the random copolymer was 1.25 dL / g.
(実施例1)
合成例1で得たブロック共重合体、及び合成例2で得たランダム共重合体を、NMPを溶剤として用いてそれぞれ溶解させ、共重合体濃度が12質量%の共重合体溶液を調製した。調製した重合体溶液をのうち、まずランダム共重合体溶液を、支持体である幅30cmのポリエチレンテレフタレートフィルム上に、ブレードコーターにて、幅22cm、厚み10μmになるよう温度25℃で連続的に塗布して、ランダム共重合体の塗布膜を形成した後、その塗布膜に、同じくブレードコーターにてブロック共重合体溶液を90μmの厚み(合わせて100μm)となるように塗布して、ブロック共重合体の塗布膜を形成し、さらにこのブロック共重合体の塗布膜に、同じくブレードコーターにてランダム共重合体溶液を10μmの厚み(合わせて110μm)となるように塗布して、ランダム共重合体の塗布膜を形成した。その後、塗布膜の積層体を温度120℃で3分間乾燥して、自己支持性を有する共重合体膜(積層高分子電解質膜)を支持体上に密着した状態で得た。引き続き、支持体から共重合体膜を剥がすことなく連続的に、30℃、20質量%硫酸水溶液に12分間浸漬し、次いで、支持体から共重合体膜を剥がすことなく30℃の純水に18分間浸漬した後、30℃純水に18分間浸漬し、さらに、支持体から共重合体膜を剥がすことなく30℃、相対湿度60±5%の環境下で30分間風乾させ、支持体のポリエチレンテレフタレートフィルムに密着した、厚さ10μmの積層高分子電解質膜を得た。得られた膜のIECは2.2であった。
Example 1
The block copolymer obtained in Synthesis Example 1 and the random copolymer obtained in Synthesis Example 2 were each dissolved using NMP as a solvent to prepare a copolymer solution having a copolymer concentration of 12% by mass. . Among the prepared polymer solutions, first, a random copolymer solution was continuously formed on a polyethylene terephthalate film having a width of 30 cm as a support with a blade coater at a temperature of 25 ° C. so as to have a width of 22 cm and a thickness of 10 μm. After coating to form a random copolymer coating film, the block copolymer solution was applied to the coating film so as to have a thickness of 90 μm (100 μm in total) using the same blade coater. A polymer coating film is formed, and further, a random copolymer solution is applied to the block copolymer coating film so as to have a thickness of 10 μm (total 110 μm) using a blade coater. A combined coating film was formed. Then, the laminated body of the coating film was dried at a temperature of 120 ° C. for 3 minutes to obtain a self-supporting copolymer film (laminated polymer electrolyte film) in a state of being in close contact with the support. Subsequently, the film is continuously immersed in a 20% by mass sulfuric acid aqueous solution at 30 ° C. for 12 minutes without peeling off the copolymer film from the support, and then in pure water at 30 ° C. without peeling off the copolymer film from the support. After dipping for 18 minutes, dipped in pure water at 30 ° C. for 18 minutes, and further air-dried for 30 minutes in an environment of 30 ° C. and relative humidity 60 ± 5% without peeling off the copolymer film from the support. A laminated polymer electrolyte membrane having a thickness of 10 μm adhered to the polyethylene terephthalate film was obtained. The IEC of the obtained film was 2.2.
また、得られた積層高分子電解質膜におけるランダム共重合体層−ブロック共重合体層−ランダム共重合体層の厚みは、支持体のポリエチレンテレフタレートフィルム側から順に、それぞれ1.1μm/7.8μm/1.1μmであり、ブロック共重合体層の両側にランダム共重合体層が配置される構造であった。 Moreover, the thickness of the random copolymer layer-block copolymer layer-random copolymer layer in the obtained laminated polymer electrolyte membrane was 1.1 μm / 7.8 μm in order from the polyethylene terephthalate film side of the support. /1.1 μm, and a random copolymer layer was disposed on both sides of the block copolymer layer.
得られた積層高分子電解質膜を支持体であるポリエチレンテレフタレートフィルムから剥離して、プロトン伝導性を測定したところ、0.28S/cmと非常に高い膜厚方向プロトン伝導度を示した。 When the obtained laminated polymer electrolyte membrane was peeled from the polyethylene terephthalate film as a support and the proton conductivity was measured, it showed a very high proton conductivity in the film thickness direction of 0.28 S / cm.
(比較例1)
合成例1で得られたブロック共重合体を、NMPを溶剤として用いて溶解させ、共重合体濃度が12質量%の共重合体溶液を調製した。調製した共重合体溶液を、支持体である幅30cmのポリエチレンテレフタレートフィルム上に、ブレードコーターにて、幅22cm、厚み110μmになるよう温度25℃で連続的に塗布後、温度120℃で3分間乾燥して、自己支持性を有する共重合体膜(高分子電解質膜)を支持体上に密着した状態で得た。引き続き、支持体から共重合体膜を剥がすことなく連続的に、30℃、20質量%硫酸水溶液に12分間浸漬し、次いで、支持体から共重合体膜を剥がすことなく30℃の純水に18分間浸漬し、その後、30℃純水に18分間浸漬し、さらに、支持体から共重合体膜を剥がすことなく30℃、相対湿度60±5%の環境下で30分間風乾させ、支持体のポリエチレンテレフタレートフィルムに密着した、厚さ10μmの高分子電解質膜を得た。得られた膜のIECは2.2であり、実施例1の膜と同じであった。
(Comparative Example 1)
The block copolymer obtained in Synthesis Example 1 was dissolved using NMP as a solvent to prepare a copolymer solution having a copolymer concentration of 12% by mass. The prepared copolymer solution was continuously applied on a 30 cm wide polyethylene terephthalate film as a support with a blade coater to a width of 22 cm and a thickness of 110 μm at a temperature of 25 ° C., and then at a temperature of 120 ° C. for 3 minutes. It dried and obtained the copolymer film (polymer electrolyte membrane) which has self-supporting property in the state closely_contact | adhered on the support body. Subsequently, the film is continuously immersed in a 20% by mass sulfuric acid aqueous solution at 30 ° C. for 12 minutes without peeling off the copolymer film from the support, and then in pure water at 30 ° C. without peeling off the copolymer film from the support. Immersion for 18 minutes, then immersion in pure water at 30 ° C. for 18 minutes, and further air drying for 30 minutes in an environment of 30 ° C. and relative humidity 60 ± 5% without peeling off the copolymer film from the support. A polymer electrolyte membrane having a thickness of 10 μm, which was in close contact with the polyethylene terephthalate film was obtained. The IEC of the obtained film was 2.2, which was the same as the film of Example 1.
得られた10μmの高分子電解質膜をポリエチレンテレフタレートフィルムから剥離して、プロトン伝導性を測定したところ、0.22S/cmを示し、実施例1に対して膜厚方向のプロトン伝導性に劣るものであった。 When the obtained 10 μm polymer electrolyte membrane was peeled from the polyethylene terephthalate film and measured for proton conductivity, it showed 0.22 S / cm, which was inferior to Example 1 in proton conductivity in the film thickness direction. Met.
(比較例2)
合成例2で得られたランダム共重合体を、N−メチル−2−ピロリドンを溶剤として用いて溶解させ、共重合体濃度が12質量%の共重合体溶液を調製した。当該共重合体液を用いた以外は比較例1と同様にして、厚さ10μmの高分子固体電解質膜を得た。得られた膜のIECは2.2であり、実施例1の膜と同じであった。
(Comparative Example 2)
The random copolymer obtained in Synthesis Example 2 was dissolved using N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent to prepare a copolymer solution having a copolymer concentration of 12% by mass. A polymer solid electrolyte membrane having a thickness of 10 μm was obtained in the same manner as in Comparative Example 1 except that the copolymer solution was used. The IEC of the obtained film was 2.2, which was the same as the film of Example 1.
得られた10μmの高分子電解質膜をポリエチレンテレフタレートフィルムから剥離して、プロトン伝導性を測定したところ、0.18S/cmを示し、実施例1に対して膜厚方向のプロトン伝導性に劣るものであった。 When the obtained 10 μm polymer electrolyte membrane was peeled from the polyethylene terephthalate film and measured for proton conductivity, it showed 0.18 S / cm, which was inferior to Example 1 in proton conductivity in the film thickness direction. Met.
本発明の製造方法によれば、膜厚方向のプロトン伝導性に優れる高分子電解質膜を製造することができることから、ダイレクトメタノール燃料電池(DMFC)や固体高分子形燃料電池(PEFC)などに用いる高分子電解質膜を提供する手段として、産業界に大きく寄与するものである。 According to the production method of the present invention, a polymer electrolyte membrane having excellent proton conductivity in the film thickness direction can be produced. Therefore, it is used for a direct methanol fuel cell (DMFC), a solid polymer fuel cell (PEFC), and the like. As a means for providing a polymer electrolyte membrane, it greatly contributes to the industry.
Claims (11)
前記ブロック共重合体の塗布膜に、ランダム共重合体が溶剤に溶解してなる溶液を塗布して、前記ランダム共重合体の塗布膜を形成する工程と、
前記溶剤を除去する工程と、
をこの順で含むことを特徴とする炭化水素系高分子電解質膜の製造方法。 Applying a solution obtained by dissolving a block copolymer having a hydrophobic segment and a hydrophilic segment in a solvent on a support to form a coating film of the block copolymer;
Applying a solution obtained by dissolving a random copolymer in a solvent to the coating film of the block copolymer to form the coating film of the random copolymer;
Removing the solvent;
In this order, a method for producing a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane.
前記支持体に、ランダム共重合体が溶剤に溶解してなる溶液を塗布して、ランダム共重合体の塗布膜を形成した後、前記ランダム共重合体の塗布膜に、前記ブロック共重合体の溶液を塗布して行われる請求項1に記載の炭化水素系高分子電解質膜の製造方法。 The step of forming a coating film of the block copolymer,
After applying a solution in which a random copolymer is dissolved in a solvent to the support to form a coating film of the random copolymer, the block copolymer is coated on the coating film of the random copolymer. The method for producing a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane according to claim 1, which is carried out by applying a solution.
前記支持体に、ランダム共重合体が溶剤に溶解してなる溶液を塗布し、次いで前記溶剤を除去して、ランダム共重合体膜を形成した後、前記ランダム共重合体膜に、前記ブロック共重合体の溶液を塗布して行われる請求項1に記載の炭化水素系高分子電解質膜の製造方法。 The step of forming a coating film of the block copolymer,
A solution in which a random copolymer is dissolved in a solvent is applied to the support, and then the solvent is removed to form a random copolymer film. Then, the block copolymer is applied to the random copolymer film. The method for producing a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane according to claim 1, which is carried out by applying a polymer solution.
化学式1
(式中、Zはそれぞれ独立してO原子又はS原子を、Ar1はそれぞれ独立して2価の芳香族基を、nは1〜100の数を、それぞれ表す。)
で表され、
前記親水性セグメントが化学式2
(式中、Xはそれぞれ独立してH又は1価の陽イオンを、Yはスルホニル基又はカルボニル基を、Ar2はそれぞれ独立して2価の芳香族基を、Lはそれぞれ独立してO原子又はS原子を、mは1〜100の数をそれぞれ表す。)で表され、
前記疎水性セグメントと前記親水性セグメントとが、化学式3
(式中、pは0又は1を表し、pが1の場合、Wは直接結合、スルホニル基、カルボニル基からなる群より選ばれる1種以上を表す。)
で表される基で結合される請求項1から3のいずれか一項に記載の炭化水素系高分子電解質膜の製造方法。 The hydrophobic segment of the block copolymer is represented by Formula 1
(In the formula, each Z independently represents an O atom or an S atom, Ar 1 independently represents a divalent aromatic group, and n represents a number of 1 to 100, respectively.)
Represented by
The hydrophilic segment is represented by chemical formula 2
Wherein X is independently H or a monovalent cation, Y is a sulfonyl group or carbonyl group, Ar 2 is independently a divalent aromatic group, and L is independently O. An atom or an S atom, m represents a number of 1 to 100, respectively)
The hydrophobic segment and the hydrophilic segment are represented by the chemical formula 3
(In the formula, p represents 0 or 1, and when p is 1, W represents one or more selected from the group consisting of a direct bond, a sulfonyl group, and a carbonyl group.)
The manufacturing method of the hydrocarbon type polymer electrolyte membrane as described in any one of Claim 1 to 3 couple | bonded by group represented by these.
で表される請求項4に記載の炭化水素系高分子電解質膜の製造方法。 Ar 2 is represented by the chemical formula 4
The manufacturing method of the hydrocarbon type polymer electrolyte membrane of Claim 4 represented by these.
A fuel cell using the membrane electrode assembly according to claim 10.
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