WO2012163782A1 - Polyazole-based polymer films - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to polymer films based on polyazoles with amorphous polysilicic acids, processes for their preparation and their use, in particular for the preparation of polymer electrolyte membranes.
- Polyazoles especially polybenzimidazole ⁇ PBI), as well as membranes and fibers made therefrom, have long been known.
- Polybenzimidazole is characterized by a high thermal and chemical resistance. Fibers from PBI are therefore u.a. used for fireproof fabrics.
- Crosslinked polymer films made of PBI are used, for example, as semipermeable membranes or as polymer electrolyte membranes for fuel cells.
- a fuel such as hydrogen gas
- the fuel and an oxidizing agent, such as oxygen, at two opposite electrodes, which by an electronically isolate separating membrane are supplied.
- the membrane contains an electrolyte which is permeable to protons but not to the reactive gases.
- Materials used for this purpose are, for example, perfluorosulfonic acid polymers which have been swollen with water or basic polymers which contain strong acids as the liquid electrolyte.
- EP-A 787 369 describes a process for the preparation of proton-conducting polymer electrolyte membranes in which a basic polymer such as polybenzimidazole is doped with a strong acid such as phosphoric acid or sulfuric acid. Since then, numerous similar membranes of various polyazoles or polyazines have been developed for this application.
- the advantage of a fuel cell with such a membrane is that it can ⁇ be operated at temperatures above 100 ° C to about 200 ° C, because the polymer is sufficiently stable and the boiling point of the acid is well above 100 ° C.
- the catalyst activity is increased at the electrodes, reduces the sensitivity of the catalysts against carbon monoxide contamination in the fuel gas and made the waste heat with higher temperature technically better usable.
- the disadvantage of doping the polymer with a liquid electrolyte is that the mechanical stability of the membrane is considerably reduced.
- Polymer electrolyte membranes from PBI are therefore commonly used as described, for example, in Q. Li et al., "High temperature proton exchange membranes based on polybenzimidazoles for fuel cells", Progress in Polymer Science, 34 (2009) pp. 459-460 using bifunctionally reactive additives covalently or ionically crosslinked by additives with polar groups
- a solution containing the basic polymer and a bridging reagent is used, followed by the bridging.
- the NH groups of the imidazole are mainly used as targets for the bridging reagents.
- Preferred bridging reagents for a covalent bond are diglycidyl ethers, polyfunctional organic acids or their halides and anhydrides, polyhalogenated organic compounds, dialdehydes or divinyl compounds.
- the optimum operating temperature of such fuel cells based on PBI doped with phosphoric acid is about 160 ° C, and it is recommended to keep the operating temperatures always above 120 ° C and to keep the cells de-energized at lower temperatures.
- a broad temperature window is desirable, which starts at minus temperatures and reaches temperatures well above 100 ° C.
- the liquid electrolyte always contains a small amount of water and does not completely dry out even at high operating temperatures above the boiling point to 200 ° C. This improves in particular the proton conductivity at low operating temperatures and thus influences the cold start of the
- WO-A-07101537 describes phosphoric acid-doped hybrid membranes containing a basic organic polymer such as polybenzimidazole and a silicate polymer intermixed at the molecular level.
- the silicate polymer is formed from a precursor monomer during membrane production.
- tetraethoxysilane is used for this purpose.
- the membranes are covalently crosslinked by an additional reactive additive, which is evidenced by measurements of the solubility in N, N-dimethylacetamide.
- the invention relates to polymer films based on polyazoles and amorphous polysilicic acids, which are 0 to 20 wt.% Soluble in terms of their Polyazolgehalt at 130 ° C and 1000 hPa in N, N-dimethylacetamide.
- the polymer films according to the invention are preferably 0 to 10% by weight, particularly preferably 0 to 5% by weight, soluble.
- the polymer films according to the invention are preferably solids of any desired color.
- the glass transition point of the polymer films according to the invention is preferably above 150 ° C., more preferably above 200 ° C., in particular in the range from 250 to 500 ° C.
- the polymer films of the present invention have the advantage that they are characterized by excellent hydrolysis stability and retain their structural integrity, even when stored in strong acids.
- the polymer films according to the invention have the advantage that they have good mechanical stability even at high temperatures.
- the polymer films according to the invention have the advantage that they are long-lasting under the usual conditions for the applications described. After doping with a strong acid, the polymer films according to the invention surprisingly have a significantly higher proton conductivity in the range from 0 to 100 ° C. than polymer films based on polyazoles without amorphous polysilicic acids but with the same acid content relative to the total mass of the film.
- the polymer films according to the invention can be prepared by any desired method by mixing together the individual components and crosslinking of the mixture, the preparation preferably being carried out in several steps.
- the mixture obtained in the first step is applied to a support
- the coating obtained in the second step is brought into contact with bridging reagent (D) and allowed to crosslink, the solvent component being optionally completely or partially removed.
- the polyazoles (A) used in accordance with the invention may be any and all known polyazoles which contain at least one other aromatic or heteroaromatic compounds in addition to the azole building block.
- polyazoles (A) used according to the invention are those which are based on building blocks selected from pyrrole, pyrazole, benzpyrazole, oxazole, benzoxazole, thiazole, benzothiazole, imidazole and benzimidazole and additionally aromatic or heteroaromatic groups, such as benzene, naphthalene, Pyridin, pyrimidine or pyrazine, may contain, wherein the building blocks may be substituted, such as by sulfonic acid, alkyl, alkenyl and fluoroalkyl radicals.
- the different groups may also be linked via imide, ether, thioether, sulfone or direct C-C bonds.
- polyazoles (A) are all described in Q. Li et al. Progress in Polymer Science, 34, p. 453 (Scheme 1), 455 (Scheme 5, 6), 456 (Scheme 7) and 457 (Scheme 8) "High temperature proton exchange membranes based on polybenzimidazoles for fuel cells". (2009) mentioned polymers, which are to be included in the disclosure of the present invention.
- the polyazoles (A) used according to the invention are particularly preferably those which are built up from components selected from imidazole, benzimidazole, pyridine, benzene and naphthalene, the different groups being bonded via imide, ether, sulfone or Bindings are linked and wherein the blocks may be substituted, such as by sulfonic acid, alkyl, alkenyl and fluoroalkyl radicals.
- the polyazoles (A) used according to the invention and processes for their preparation are known. For example, see Q. Li et al. "High temperature proton exchange membranes based on polybenzimidazoles for fuel cells", Progress in Polymer Science, 34, pp. 449-477 (2009).
- the polyazoles (A) carry as end groups usually those of the monomers used for the preparation, such as amino and / or carboxylic acid groups and / or their esters, or by subsequent chemical reaction any introduced end groups, such as alkyl, aryl , Alkenyl, OH, epoxide, keto, aldehyde, ester, thiol, thioester, silyl, oxime, amide, imide, urethane, and urea groups.
- end groups usually those of the monomers used for the preparation, such as amino and / or carboxylic acid groups and / or their esters, or by subsequent chemical reaction any introduced end groups, such as alkyl, aryl , Alkenyl, OH, epoxide, keto, aldehyde, ester, thiol, thioester, silyl, oxime, amide, imide, urethane, and urea groups.
- polyazoles (A) are preferably those having a primary amino and / or carboxylic acid end groups, particularly preferably NH 2 - and / or C00H- end group.
- the polyazoles (A) used according to the invention are polybenzimidazoles, as described, for example, in Q. Li et al. Progress in Polymer Science, 34, p. 453 (Scheme 1), 455 (Scheme 5, 6), 456 (Scheme 7), 457 (Scheme 8) (2009, "High temperature proton exchange membranes based on polybenzimidazoles for fuel cells”) ), very particularly preferably poly-2, 2 '- (m-phenylene) -5,5'-dibenzimidazole having primary amino and / or carboxylic acid end groups, more preferably having NH 2 and / or COOH end groups.
- A) can be prepared in various known ways, for example by polymerization of diaminobenzidine and isophthalic acid and / or esters thereof
- Polybenzimidazoles (A) can contain amino and / or carboxylic acid groups and / or their esters as terminal groups, or any end groups introduced by subsequent chemical reaction, such as, for example, alkyl, aryl, alkenyl, OH, epoxide, keto, aldehyde, Ester, thiol, thioester, silyl, oxime, amide, imide, urethane and urea groups.
- the polyazoles (A) used according to the invention have an inherent viscosity of preferably> 0.1 dl / g, particularly preferably from 0.1 to 2.5 dl / g, in particular from 0.3 to 1.5 dl / g, in each case measured on a 0.4% (w / v) solution, ie 0.4 g / 100 ml, of polyazole in H 2 S0 4 (95-97% by weight) with an Ubbelohde viscometer at a temperature of 25 ° C. and a pressure of 1000 hPa.
- the component (A) used according to the invention has a molecular weight M w of preferably 1,000 to 300,000 g / mol, particularly preferably 4,000 to 150,000 g / mol, in each case measured as absolute molar mass by GPC coupled with static light scattering (mobile phase: DMAc mixed with 1 wt.% LiBr).
- (A) is poly-2,2'- (m-phenylene) -5,5'-dibenzimidazole having an inherent viscosity of 0.3 to 1.5 dl / g measured on a 0.4 % (w / v) solution, ie 0.4 g / 100 ml of polyazole in H 2 S0 4 (95-97 wt.%) With an Ubbelohde viscometer at a temperature of 25 ° C and a pressure of 1000 hPa ,
- the mixture according to the first step of the process according to the invention preferably contains at least 1% by weight, more preferably at least 5% by weight, in particular at least 10% by weight, of polyazole (A).
- the mixture preferably contains at most
- amorphous polysilicic acid (B) used according to the invention can be of natural origin or can be produced synthetically, with synthetically prepared polysilicic acids being preferred as component (B).
- Preferred natural polysilicic acids (B) which contain additional metal ions, such as, for example, Al, Na, K, Mg and / or Ca, are phyllosilicates, in particular from the group of montmorillonites, mica, steatites, bentonites, smectites, kaolinites, pyrophyllites , Vermiculites and chlorites, more preferably from the group of montmorillonites or bentonites.
- Preferred synthetically produced polysilicic acids (B) are pyrogenic silicas, such as HDK * from Wacker Chemie AG, Aerosil 8 from Evonik and Cab-o-Sil * from Cabot, or precipitated silicas, such as, for example, SIPERNAT 8 from Evonik, Vulkasil ' 5 '. from Lanxess and HiSil TM from PPG Silica Products, fumed silicas being particularly preferred.
- Pyrogenic silicic acids (B) preferably have a specific
- Surfaces according to BET of 100 to 500 m 2 / g are acidic with a pH in the range of preferably 2 to 4 and preferably have a low moisture of 0 to 2 wt.%.
- Pyrogenic silicic acids (B) are preferably prepared by reacting volatile chlorosilane, such as tetrachlorosilane or methylchlorosilane, is introduced into a hydrogen flame. Hydrolysis at high temperatures of more than 1000 ° C with formed in situ water, silica and hydrogen chloride.
- the spherical primary silica particles have a smooth surface and an average particle size of about 5 to 50 nm. In the flame, the primary particles fuse tightly into larger units, the aggregates, having a size of preferably about 100-500 nm. The isolated primary particles therefore only exist for a short time in the actual reaction zone.
- these aggregates form flaky agglomerates with a size of preferably 1-250 pm, which are also referred to as tertiary structures. These are open structured and therefore mesoporous.
- the high surface-to-mass ratio causes strong interparticle interactions based on attractive dispersion and dipole forces (see description according to DIN 53206 Part 1 (08/72)).
- fumed silica consists of highly pure amorphous silica and has the appearance of a loose white powder. It is made up of Si0 4/2 tetrahedra. These tetrahedra are connected by siloxane bridges ⁇ Si-O-Si bonds). On average, every second Si atom on the surface carries a hydroxyl group and thus forms a silanol group.
- the fumed silica so produced is hydrophilic and typically has an average of 1.5 to 2 silanol groups per 1 nm 2 , is wetted by water, and can be dispersed in water. More difficult is the dispersion in nonpolar organic Solvents or polymers.
- the agglomerates are completely broken up and the aggregates are evenly distributed throughout the polymer matrix.
- the energy required for this is usually introduced in the technical process in the form of mechanical energy, for example by the shearing forces in a kneader or by extrusion,
- hydrophilic fumed silica can now be prepared by chemical reaction with reactive silanes, e.g. Chlorosilanes or hexamethyldisilazane be rendered hydrophobic.
- Hydrophobic silicic acid has water-repellent properties and is no longer dispersible in water.
- the precipitated silicas (B) have a different surface chemistry than the pyrogenic silicas, in particular more hydroxyl groups, due to the preparation in a solution. They have BET specific surface areas of preferably 50 to 300 m 2 / g, are preferably neutral to alkaline in aqueous solution with a pH in the range of preferably 6 to 10 and, after drying, have a higher residual moisture content of preferably 3 to 8 wt .%). Precipitated silicas are hydrophilic and typically carry on average 4 to 6 silanol groups per 1 nm 2 on the surface.
- the production of precipitated silicic acids is based on the monosilicic acid Si (OH) 4 , which is stable for a long time at room temperature only in high dilution and tends to form with elimination of water amorphous silicon dioxide.
- the condensation of monosilicic acid proceeds via diciesilicic acid molecules, cyclic silicic acids, to form caged silicas, from which spherical polysilicic acids form, which serve as primary particles. be referred to.
- the solution thus obtained is referred to as silica sol.
- the formation of the primary particles varies at room temperature from seconds to minutes at pH values between 8 and 9, up to hours or days at pH values between 2 and 3.
- the particle diameter is dependent on the pH value of the reaction and can be 2 nm to 150 nm.
- the Si0 2 skeleton is essentially composed of irregularly linked Si0 4 tetrahedra and is bounded by a layer of hydroxyl-group-containing silicic acid units. This polysilicic acid is unstable against further condensation.
- the primary particles combine in the solution by forming oxygen bridge bonds to form a wide-meshed amorphous silica, the so-called silica gel. If the reaction takes place in an alkaline environment, gel formation is prevented and instead precipitated silica is formed. In this case, porous agglomerates with a size of a few ⁇ to about 40 ⁇ arise from the primary particles. At a high silica concentration in the solution, these can grow into even larger porous structures, the agglomerates themselves being the basic building blocks of the larger objects.
- the amorphous polysilicic acids (B) used according to the invention preferably have fractal silicate structures with an average aggregate diameter of preferably 50 to 500 nm, particularly preferably 50 to 200 nm.
- the amorphous polysilicic acids (B) used according to the invention preferably have a BET surface area of preferably 20 to 800 m 2 / g, more preferably 100 to 500 m 2 / g, in particular 200 to 400 m 2 / g.
- the amorphous polysilicic acid (B) may be formed on the surface by organic groups such as from the group of the C 1 to C 20 alkyl, C 2 to C 3 alkenyl, C 1 to C 20 alkylamine and C 1 to C 20 alkylenediamine groups, C 1 to C 20 quaternary ammonium salts and nitrogen containing heterocyclic Compounds may be modified.
- organosilanes preferably Aminosila- ne, such as (3-aminopropyl) trimethoxysilane or N- (2-aminoethyl) (3-aminopropyl) trimethoxysilane be connected by a condensation reaction to the surface of the amorphous polysilicic acid.
- the amorphous polysilicic acids (B) are preferably those having hydrophilic surfaces, which are preferably provided with hydroxyl groups and / or amino groups, which are preferably attached via an organic spacer.
- the amount of these functional groups corresponds to the BET surface area of the polysilicic acids. It is preferably in the range from 0.1 to 3 mmol / g, particularly preferably in the range from 0.3 to
- the amorphous polysilicic acids (B) are preferably pyrogenic silicas, particularly preferably pyrogenic silicic acids. acids with hydrophilic surfaces, in particular hydrophilic pyrogenic silicas whose surfaces are provided with hydroxyl groups and / or amino groups.
- the amorphous polysilicic acid (B) is in the first step of the process according to the invention in an amount of preferably 1 to 50 wt.%, Particularly preferably 2 to 35 wt.%, In particular 5 to 25 wt.%, Each based on the weight of the polyazole ( A).
- the amorphous polysilicic acid (B) used according to the invention can be used in the form of a powder or a suspension having a liquid which is also used, for example, for the solvent component (C), the use in the form of a powder being preferred.
- the solvent component (C) used in accordance with the invention may be any polar aprotic solvent which does not react with the further mixing constituents (A), (B), (D) and (E) under the process conditions, acids and in particular polyacids, if they solve the polyazole (A) in sufficient amount for the process, as well as their mixtures with rheological additives act.
- the solvent components (C) used according to the invention preferably contain rheological additives,
- solvent component (C) are N, N-dimethylacetamide, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone, polyphosphoric acid and mixtures thereof with rheological additives, where N, N-dimethylacetamide and phosphoric acid and mixtures thereof with rheological additives are particularly preferred.
- the rheological additives which may be present in the solvent component (C) are preferably those which dissolve in (C) and adjust the viscosity of the mixture. If polar aprotic solvents are used, the rheological additives are preferably phosphates and phosphites, particularly preferably organic phosphates and phosphites, for example diethylhexyl phosphate (DEHPA) or dibutylphosphite, in particular diethylhexyl phosphate. When polyphosphoric acid is used as a solvent, the rheological additives are preferably water or ortho-phosphoric acid. These additives may be removed from the film along with the solvent in the third step, or they may remain in the film, which is preferred. Additives that remain in the film can have additional functions, for example, as a plasticizer or as a component of the liquid electrolyte.
- Polyphosphoric acid is often used as solvent already in the production of polyazoles, so that polyazole (A) in the process according to the invention may optionally be used already in admixture with polyphosphoric acid, if this was not previously separated in the preparation of the polyazole, in which case the polyphosphoric optionally in Mixture with additives of component (C) corresponds.
- the term solvent does not mean that all components of the mixture must dissolve completely in it.
- the solvent component (C) used according to the invention contains additives in amounts of preferably 0 to 60% by weight, more preferably 1 to 50% by weight, in particular 5 to 40% by weight.
- the mixture according to the first step of the invention contains solvent component (C) in amounts of preferably 10 to 99% by weight, more preferably 30 to 95% by weight, in particular 50 to 90% by weight.
- the mixtures according to the first step of the invention may contain bridging agents (D) which react with component (A) after the second step and thus crosslink the component (A). cause.
- bridging agents (D) are already known and may be, for example, compounds which bear reactive groups towards ring nitrogen atoms and / or end groups of the polymer (A),
- bridging agents (D) which may be used according to the invention are compounds having at least two reactive groups, such as diglycidyl ether, polyfunctional organic acids or their halides and anhydrides, polyhalogenated organic compounds, dialdehydes or di-inyl compounds, and also reactive compounds, such as aldehyde reagents which can form methylol bridges with primary or secondary amino groups on the polymer.
- Component (D) is preferably bisphenol A di-glycidyl ether, 1-butyldiglycidyl ether, ethylene glycol diglycidyl ether, terephthalic aldehyde, divinyl sulphone, dibromo-p-xylene, 3, 4-dichlorotetrahydrothiophene-l, 1-dioxide, dichloromethylphosphonic acid, paraformaldehyde and formaldehyde.
- the amounts are preferably at least 0.1 mol, particularly preferably at least 1 mol, and preferably at most 10 mol, particularly preferably at most 5 mol , in each case based on 1 mol of polymer (A) used.
- an aldehyde reagent is used as the bridging reagent (D) in the first step according to the invention, this is used in an amount such that the molar ratio of aldehyde groups in (D) to primary or secondary amino groups in component (A) is between 0.1 and 10 , more preferably between 0.5 and 8, in particular between 1 and 5.
- bridging reagent (D) is used in the third step according to the invention, this is preferably carried out in the form of solutions or gases which preferably contain the bridging reagent in a concentration of from 1 to 50% by weight and which are brought into contact with the film.
- Bridging reagents (D) are commercially available products or can be prepared by methods commonly used in chemistry.
- further constituents (E) can now be used in the process according to the invention.
- further constituents (E) may be any and hitherto known substances act as they have been used for example in connection with polyazoles.
- examples of such substances (E) are additives which increase the crosslinking density; Low concentration additives that can serve to modify the properties of the surface of the polymer film, such as surface tension; Additives that improve the durability of the mixture or the film; or additives that serve process optimization.
- additives (E) which increase the crosslinking density are low molecular weight or polymeric crosslinker building blocks or particles which are not based on polyazoles and which carry more than one reactive group which can be incorporated into the network in the third step.
- Examples of preferred low molecular weight crosslinker units (E) are di-, tri- and tetrahydroxy compounds, such as ethyleneglycol, dihydroxybenzene, glycerol, trihydroxybenzene and pentaerythritol, or compounds with more than two amino groups, such as diaminobenzidine or melamine.
- An example of a compound having NH and OH groups is hydroxyaniline.
- additives (E) are surfactants, adhesion promoters or preservatives.
- additives (E) which serve for process optimization are catalysts, initiators or free-radical formers or stabilizers.
- the type and amount of further constituents (E) which may be used depend primarily on the specific applications or conditions of the polymers according to the invention or those prepared according to the invention.
- the mixture according to the first step of the invention contains further constituents ⁇ E) in amounts of preferably 0 to 30% by weight, particularly preferably 0 to 10% by weight.
- ⁇ E further constituents
- the components used according to the invention may each be one type of such a component as well as a mixture of at least two types of a respective component.
- variant 1 A preferred variant of the method according to the invention (variant 1) is characterized in that
- the mixture obtained in the first step is applied to a support
- Polyazole (A) is reacted with the bridging reagent (D), wherein any solvent component is partially or completely removed.
- D bridging reagent
- the mixture obtained in the first step is applied to a support
- the film obtained in the second step is brought into contact with the bridging reagent (D) and polyazole (A) is reacted with bridging reagent (D), with any solvent component being wholly or partly removed.
- a further preferred variant of the method according to the invention (variant 3) is characterized in that
- the mixture obtained in the first step is applied to a support
- the solvent component (C) is completely or partially removed and the resulting polymer film is heated in the presence of oxygen to a temperature in the range of 200 to 500 ° C.
- the mixture according to the first step of variants 1 to 3 according to the invention can be prepared by methods known per se are mixed, for example by simply mixing the individual constituents and, if appropriate, stirring., Whereby preferably polyazole (A) with solvent component (C) or the solvent from component (C) is mixed to form a premix (10) into which the amorphous polysilicic acid ( B), for example, as homogeneously as possible incorporated as a powder or as a suspension.
- solvent component (C) contains rheological additives, these may be used together with the solvent or separately in the preparation of the premix (16).
- the remaining ingredients are preferably added in any order after homogenization.
- the further constituents such as the bridging reagent (D) used in variant 1 or optionally used further substances (E), can be dissolved separately in a part of the solvent component (C) or the solvent from component (C) and then Mixture of (M) and (B) are added.
- the mixture is preferably stirred until the polyazole (A) is preferably more than 90% by weight, particularly preferably completely, in the solvent component ( C) or the solvent from component (C) has dissolved.
- the preparation of this premix (M) in the first step according to the invention is carried out at temperatures of preferably from 50 to 350.degree. C., more preferably from 100 to 300.degree. C., in particular from 150 to 250.degree. If polyazole was mixed only with solvent, the rheological additives can be used after the dissolution process, which are then stirred in preferably after cooling to room temperature.
- the amorphous polysilicic acid (B) is incorporated as homogeneously as possible into the premix (M). If necessary, the agglomerates of the amorphous polysilicic acids must be broken up.
- an evacuable mixing unit is preferably used, in which the mixture is mixed under reduced pressure of preferably 10 to 800 mbar, more preferably 50 to 500 mbar, with a sufficiently high energy input, which is to be determined experimentally.
- the mixing can also be carried out by means of batchwise and / or continuous mixing units, such as kneaders, dissolvers or planetary mixers.
- An increased viscosity of the premixture (M) with amorphous polysilicic acid (B) facilitates the breaking up of the agglomerates of the amorphous polysilicic acid.
- Preference is given to viscosities of (M) + (B) in the range from 0.1 Pas to a few hundred Pas, which must be adapted to the particular mixing process.
- the viscosity is preferably adjusted via the solvent content of the premix (M), suitable additives for the solvent and the temperature during the mixing process.
- the incorporation of the amorphous polysilicic acid (B) into the premix (M) is preferably carried out in the temperature range from 0 to 100 ° C, if in this range a suitable viscosity of the mixture can be achieved.
- the addition of the optionally remaining constituents to the mixture of (M) with (B) in the first step of variants 1 to 3 according to the invention can be carried out at the temperatures at which the premix (M) was prepared or at higher or lower temperatures, the optionally used bridging reagent (D) preferably at low temperature acids, such as 10 to 40 ° C, to avoid premature reactions.
- the optionally used bridging reagent (D) preferably at low temperature acids, such as 10 to 40 ° C, to avoid premature reactions.
- B amorphous polysilicic acid
- the partial steps of the first step of the inventive variants 1 to 3 carried out at 900 to 1100 hPa are preferably carried out in an inert gas atmosphere, such as under argon or nitrogen purge.
- the first step of variants 1 to 3 according to the invention can be carried out continuously or batchwise.
- the mixture according to the first step of Va ⁇ variants 1 to 3 according to the invention is preferably a suspension or a paste.
- the suspension preferably the polyazole (A) and optionally used bridging reagents (D) and / or further substances (E) are dissolved in the solvent component (C) and the amorphous polysilicic acid (B) is in the continuous phase serving solvent dispersed.
- the mixture of the first step is particularly preferably a suspension having a honey-type viscosity in the range from 1 to 100 Pas.
- the application is carried out by pouring the mixture on a planar substrate, by application with a roller or slot die or by the doctor blade method.
- the chosen application method also depends on the desired layer thickness of the dry polymer film according to the third step of variants 1 to 3 according to the invention.
- Examples of carriers which can be used in the second step of variants 1 to 3 according to the invention are all previously known carriers which are well wetted by the mixtures according to the invention, are largely resistant to the components contained in the mixtures and dimensional stability in the temperature range used exhibit.
- Examples of such carriers are polymer films such as poly (ethylene terephthalate), polyimide, polyethyleneimide, polytetrafluoroethylene and polyvinylidene fluoride films, metal surfaces such as stainless steel strips, glass surfaces and siliconized papers.
- carriers are preferred which are chemically inert to the mixture according to the first step of variants 1 to 3 according to the invention.
- a carrier which is not removed after the third step according to the invention, for example a woven, nonwoven or textile, a coating is obtained.
- substrates which, owing to the presence of reactive groups, such as, for example, hydroxyl or amino groups, allow covalent attachment of the coating to the substrate by the bridging reagent (D).
- the carrier may have a function which is part of the application of the polymer film of the invention.
- the mixture may be applied to an open-pored film or backing fabric.
- Fuel cell membrane the mixture can be applied directly to the gas diffusion layer or the electrode thereon,
- the carriers used are preferably those which are wetted by the mixture according to the first step of the inventive variants 1 to 3, wherein the contact angle of the mixture on the carrier is preferably less than 90 °, particularly preferably less than 30 ° , each measured with inert gas as the surrounding phase.
- the second step according to the invention can be carried out continuously or discontinuously in variants 1 to 3.
- the second step of variants 1 to 3 according to the invention is preferably carried out at the pressure of the surrounding atmosphere, ie 900 to 1100 hPa. It can also be performed at lower or higher pressures.
- the second step of variants 1 to 3 according to the invention is preferably carried out at temperatures below the boiling point of the solvent (C), particularly preferably in the temperature range from 10 to 80 ° C., in particular 15 to 40 ° C. If a polyacid is used as the solvent component (C), the application of the mixture to the support is preferably carried out in the temperature range of 150 to 200 ° C.
- the second step of variants 1 to 3 according to the invention is preferably carried out in air in a low-dust environment or in a
- component (C) contains a polar aprotic solvent in the mixture from the first step, this is preferably completely or partially removed in the third step of variants 1 to 3 according to the invention. If component (C) in the mixture of the first step contains a polyacid as solvent, it preferably remains in the film and, if appropriate, is later converted into an acid by hydrolysis.
- the customary processes known from the prior art for drying can be used.
- the polymer film is preferably used as far as heats the solvent or solvent mixture escapes without forming gas bubbles in the film.
- the drying of the film in the third step of variant 1 according to the invention is preferably carried out at temperatures below the
- Boiling point of the solvent (C) carried out preferably at 40 to 150 ° C, more preferably at 60 to 130 ° C, especially at temperatures at which a crosslinking reaction is not or only delayed takes place. Drying can be accelerated by reducing the ambient pressure below 900 hPa. By subsequently increasing the temperature to preferably not more than 250 ° C., more preferably not more than 200 ° C., the reaction of the polyazole (A) with the bridging reagent (D) can be started or accelerated.
- bridging reagent (D) is added in order to allow the reaction of the polyazole (A) with the bridging reagent (D), wherein the optionally carried out drying can be carried out before or after addition of the component (D).
- Step of the process variant 2 solvent is to be removed wholly or partially, this is preferably done before addition of bridging reagent (D).
- Variant 2 is preferably carried out at temperatures of 40 to 250 ° C, particularly preferably at 80 to 200 ° C, in particular at 80 to 150 ° C.
- drying can be accelerated. If the film is to be dried only after addition of component (D), which is not preferred, rather lower chosen in which a crosslinking reaction is not or only delayed takes place.
- bridging reagent (D) is added, for example by immersion, spraying or by gassing in the second
- Step optionally after prior drying, polymer film obtained.
- the crosslinking reaction can be accelerated by raising the temperature to preferably not more than 250 ° C., more preferably not more than 200 ° C.
- the optionally completely or partially dried film is immersed on the support or as a self-supporting film in a bath containing a bridging reagent (D).
- the bath is preferably a polar liquid, such as, for example, water or an acid, for example orthophosphoric acid, in which preferably 1 to 50% by weight, particularly preferably 2 to 40% by weight, of bridging reagent (D) are dissolved.
- the bath may contain further additives, such as, for example, alcohols, in amounts of preferably 0 to 50% by weight, particularly preferably 0 to 20% by weight, which may serve to improve the stability of the solution.
- the bath may also contain radical formers or initiators (E) which initiate the crosslinking reaction in amounts of preferably from 1 to 40% by weight, particularly preferably from 2 to 20% by weight. Particular preference is given to baths which contain an alcohol-stabilized formaldehyde solution or an aqueous solution of 85% by weight orthophosphoric acid with paraformaldehyde.
- the bath used according to the invention has a temperature of preferably below 200 ° C., particularly preferably 20 to 160 ° C., in particular 35 to 130 ° C, wherein higher temperatures accelerate both the diffusion of the bridging reagent (D) or the radical initiators (E) in the film and the crosslinking reaction.
- Immersion in the bath may be carried out in an inert gas atmosphere, such as under argon or nitrogen purge, or even in the presence of oxygen, for example in air.
- an inert gas atmosphere such as under argon or nitrogen purge, or even in the presence of oxygen, for example in air.
- variablean ⁇ te 2 is formed by the diffusion rate of the bridging reagent (D) is determined in the film and can not be sweepingly.
- the optimum duration can be determined experimentally depending on the temperature, the concentration of the bridging reagent in the bath and the material composition and thickness of the film.
- the reaction of the invention in the third step of the variants 1 and 2 is preferably carried out in an inert gas atmosphere, such as under argon or nitrogen purge, but can optionally also in the presence of oxygen at ⁇ play, in air, to be performed.
- an inert gas atmosphere such as under argon or nitrogen purge, but can optionally also in the presence of oxygen at ⁇ play, in air, to be performed.
- the drying of the film in the third step of variant 3 according to the invention is preferably carried out at temperatures of 40 to 250 ° C, more preferably at 80 to 200 ° C, in particular at 80 to 150 ° C.
- drying can be accelerated.
- the dried film can be detached from the carrier or, if the carrier has sufficient thermal stability to remain on this.
- the heating of the polymer film at 200 ° C. to 500 ° C. in the third step of variant 3 according to the invention can be carried out by any desired methods known hitherto, for example in a hot-air oven or by contact with hot surfaces.
- the maximum temperature in the third step of variant 3 according to the invention is limited primarily by the stability of the polymer and the economy of the process. It is preferably in the range of 250 and 400 ° C, particularly preferably 300 to 400 ° C.
- the maximum duration of the heating in the third step of variant 3 according to the invention is limited primarily by economic aspects. Annealing takes place over a period of preferably 1 second to 24 hours, more preferably 1 minute to 10 hours, in particular 1 to 4 hours.
- the heating of the polymer film to the maximum temperature in the third step of variant 3 according to the invention is carried out in the presence of oxygen, preferably using a gas mixture which contains more than 1% by weight of oxygen, more preferably more than 5% by weight of oxygen, in particular more than 10% by weight of oxygen.
- the heating of the polymer film to the maximum temperature in the third step of the inventive variant 3 is most preferably carried out in the presence of air.
- the desired thickness of the polymer film after the third step of process variants 1 to 3 depends on the requirements of the particular application. As semipermeable membranes, thin layers between 1 and 20 are preferred, especially when the film is mechanically supported by a porous support.
- the thickness of the dry polymer film is preferably between 20 and 200 pm. If the polymer film contains polyphosphoric acid after the third step, the film thickness is preferably between 30 and 500 ⁇ m.
- the polymer film As soon as the polymer film has sufficient mechanical stability, it can be detached from the carrier. This may be done after the third step or after the optional drying in the third step.
- the polymer film can also remain on the support, if this is for the
- the heating of the polymer film in the third step of process variants 1 to 3 according to the invention can be carried out by any desired and heretofore known methods, for example in a hot-air oven or by contact with hot surfaces,
- the third step of variants 1 to 3 according to the invention can be carried out at different pressures, preferably at the pressure of the surrounding atmosphere, ie at 900 to 1100 hPa.
- the partial steps carried out in air in the third step of the process variants 1 to 3 according to the invention are preferably carried out in a low-dust environment or in a clean room environment, which contributes to ensuring a constant film quality.
- the third step according to the invention can be carried out continuously or discontinuously. If the third step of the invention is to be carried out continuously, for example, a drying oven or heated rolls / belts, e.g. made of stainless steel or sintered metal, or a floating dryer can be used.
- polymer films are now obtained which, in addition to the polyazoles, optionally have a residual amount of solvent and optionally further substances.
- the quality of the crosslinking of the polymer films obtained can be assessed by determining the N, N-dimethylacetamide-soluble fractions of polyazole in the polymer film.
- the bridging reagent (D) is preferably introduced in the first step into a mixture with the polyazole (A), that is to say variant 1 according to the invention is preferably carried out. If thin films are to be prepared from the polyazole, then the bridging reagent (D) can be prepared according to method Variant 2 are also supplied in the third step, for example by immersion or spraying with a solution containing a bridging reagent, or by gassing, for example with formaldehyde.
- process variant 3 has proven to be particularly simple to carry out
- the process according to the invention in variants 1 and 2 has the advantage that it can be carried out under mild temperature conditions and thus subsequent embrittlement of the polymer films is avoided. Also, the choice of other materials (E) for modifying the film properties is less limited than in a process in which the films are exposed to high thermal stress.
- the procedure can be customized depending on the desired end product and preferred production management.
- polymer films according to the invention or produced according to the invention can now be used for many purposes for which polymer films have hitherto also been used. Particularly preferred applications are polymer electrolyte membranes and semipermeable films.
- the polymer film according to the invention can be modified in further process steps by methods known per se.
- the polymer film according to the invention can be modified in further process steps by methods known per se.
- Polymer electrolyte membrane can be in the third step of Variant variants 1 to 3 polymer obtained in a further step optionally carried out with a strong acid dope, unless this was not already used in a previous process step as a solvent.
- strong acids should here acids with a pKs of preferably less than 4 are understood. It is also possible to combine such a further process step with the third step of process variant 2 and thus, for example, to introduce the bridging reagent (D) together with a strong acid into the polymer film.
- Another object of the present invention are polymer electrolyte membranes based on polyazoles and amorphous polysilicic acids, which are soluble in terms of their Polyazolgehalt at 130 ° C and 1000 hPa in N, N-dimethylacetamide 0 to 20 wt.% That with a strong acid are doped.
- Another object of the present invention is a process for the preparation of polymer electrolyte membranes
- the mixture obtained in the first step is applied to a support
- bridging reagent (D) optionally, contacting and crosslinking the coating obtained in the second step with bridging reagent (D) is left, wherein the solvent component is optionally completely or partially removed, and
- the film obtained in the third step is doped with a strong acid (F).
- the third and fourth steps may coincide if in the third step bridging agent (D) is used and this is mixed with the strong acid (F) and the film is brought into contact with this mixture ,
- the solvent component (C) in the first step already contains a precursor of the strong acid.
- a precursor of the strong acid is polyphosphoric acid, which can also be used, for example, as a solvent for the production of polybenzimidazole.
- the precursor already contained in the film can be converted into a strong acid, for example, by contact with water.
- the doping in the doping step carried out according to the invention is preferably carried out below 200 ° C., more preferably at 20 to 160 ° C., in particular at 35 to 130 ° C.
- the polymer film according to the invention is immersed in a highly concentrated strong acid over a period of preferably at most 5 hours and more preferably 1 minute to 1 hour, wherein a higher temperature shortens the immersion time.
- the amount of acid used in the doping step optionally carried out in this variant is usually from 5 to 10,000 times, preferably from 6 to 5000 times, more preferably from 6 to 1000 times, in each case based on weight the polymer (A) in the polymer film,
- a strong acid can be applied in a metered manner to the polymer film and the film is heated until the film has completely absorbed the acid.
- the amount of acid used in the doping step according to the invention is usually from 2 to 10 times the amount, preferably from 3 to 8 times, in each case based on the weight of the polymer film.
- the polymer film is pressed between two acid-impregnated gas diffusion electrodes for the production of a membrane electrode assembly.
- the amount of acid used in the doping step optionally carried out according to the invention in this variant is usually 2 to 10 times the amount, preferably 3 to 8 times the amount, in each case based on the weight of the polymer film.
- strong acids in the doping step according to the invention are protic strong acids, such as phosphorus-containing acids and sulfuric acid.
- phosphorus-containing acids is understood as meaning polyphosphoric acid, phosphonic acid (H 3 PO 3 ), ortho-phosphoric acid (H 3 PO 4), pyrophosphoric acid (H 4 P 2 O 7 ), triphosphoric acid (H 5 P 3 Oi 0 ) and metaphosphoric acid.
- the polymer in the film according to the invention can be impregnated with a larger number of molecules of strong acid with increasing concentration of the strong acid
- the phosphorus-containing acid in particular orthophosphoric acid, preferably has a concentration of at least 70% by weight and is particularly preferred at least 85% by weight in water.
- the optionally performed doping step according to the invention is carried out at the pressure of the surrounding atmosphere, ie 900 to 1100 hPa. It can also be performed at lower or higher pressures.
- the polymer electrolyte membrane obtained according to the invention in the doping step is proton-conducting and can therefore be used preferably as an electrolyte for fuel cells or electrolysis cells.
- the polymer electrolyte is not limited to the use for cells, but may for example also be used as the electrolyte for a display element, an electrochromic element or various sensors.
- the polymer films according to the invention advantageously have a markedly higher here proton conductivity in the range of 0 to 100 ° C as polymer films based on polyazoles without amorphous polysilicic acids but the same acid content based on the total mass of the film.
- Each individual cell in a fuel cell typically contains a polymer electrolyte membrane according to the invention and two electrodes between which the polymer electrolyte membrane is sandwiched.
- the electrodes each have a catalytically active layer and a porous gas diffusion layer.
- Another object of the invention is the use of the invention or inventively produced polymer electrolyte membranes for the production of membrane electrode assemblies for fuel cells or electrolysis cells.
- Another object of the invention is a membrane-electrode assembly containing at least one electrode and at least one inventive or inventively prepared polymer electrolyte membrane.
- the polymer electrolyte membranes according to the invention have the advantage that when used in a high-temperature PEM fuel cell in a cold start at temperatures below 100 ° C, a higher electrical power is made possible.
- polyazole content of the membranes is low, they have high mechanical stability and excellent long-term thermal and chemical stability.
- polyazoles having predominantly amino groups as terminal groups that are cross-linked via these end groups surprisingly, homogeneous and flexible films are obtained,
- the invention therefore also relates to the use of the polymer according to the invention or of the polymer produced according to the invention) as a semipermeable membrane for the separation of liquids and gases.
- the following examples are air at a pressure of the surrounding atmosphere, ie at about 1000 hPa, and at room temperature, ie about 20 ° C or a temperature, the reactants when combined at room temperature without additional heating or üh-
- the polymer is first dried at 160 ° C for 2 h. 400 mg of the polymer thus dried are then dissolved for 4 hours at 80 ° C. in 100 ml of concentrated sulfuric acid (concentration 95-097% by weight). The inherent viscosity becomes from this 0.4% (w / v) solution according to ISO 3105 with an Ubbelohde viscometer at a temperature of 25 ° C determined.
- a membrane piece of about 1 to 2 cm s is dried at 150 ° C to constant weight, weighed and then extracted for one hour at 130 ° C and 1000 hPa in about 10 g of N, -Dimethylacetamid. Thereafter, the membrane is again dried at 150 ° C to constant weight and then weighed.
- the specific surface of the silicas used was measured by the BET method according to DIN 66131 and DIN 66132.
- the polybenzimidazole thus prepared had an inherent viscosity of 0.70 dl / g. b) Preparation of a polymer solution of polybenzimidazole with 10% aminopropylsilyl-functionalized fumed silica
- An aminopropylsilyl-functional fumed silica (BET: 300 m 2 / g, functional group density: 1 mmol / g) was prepared according to Example 1 described in EP-B 1304332 on page 11, lines 10-21 with the modification that a hydrophilic silica having a specific surface area of 300 m * / g (available under the name Wacker HDK® T30 from Wacker Chemie AG, Germany) was used.
- Example 1b The polymer solution from Example 1b was applied at room temperature by means of a film-drawing apparatus (0.6 mm gap height) to a polyethylene terephthalate support film having a thickness of 0.175 mm (commercially available under the trade name "Melinex 0" from Pütz GmbH, Germany) The film was separated from the support film for 10 minutes at 80 ° C., 100 ° C. and 30 minutes at 150 ° C. The film was then immersed in a 70 ° C. methanol-stabilized formalin solution (37% by weight of formaldehyde, 12% by weight of methanol, 51% by weight of water) was then placed in a circulating air drying cabinet for 1 h
- the thickness of the film thus obtained was 50 to 55 ⁇ .
- the film thus obtained is hereinafter called film lc.
- the weight and the thickness were determined. Subsequently, the film piece was placed in a Petri dish, covered with 85 wt.% Phosphoric acid in water in the Petri dish and heated for 45 min at 130 ° C in a drying oven. The film was cooled to room temperature and wiped with paper towels. From the swollen film, the weight and the thickness were again determined. He had taken about 6 times his weight. The degree of doping ⁇ Mass increase based on the weight of the swollen membrane) was 85% by weight. The thickness was 94 ⁇ .
- the 6 ⁇ 6 cm 2 piece of the phosphoric acid-swollen membrane from Example 1d was thus between two commercially available gas diffusion electrodes, each with 4.0 mg / cm 2 platinum loading (Johnson Matthey, type 4 mg Pt Blk, no Electrolysis, on Toray TGP-H-060, UK) that the platinum catalyst layers contacted the membrane.
- This membrane-electrode assembly was compressed for 4 hours between plane-parallel plates at a temperature of 160 ° C and a force of 1.3 kftf to a membrane-electrode assembly.
- the membrane-electrode unit from Example 1e was usually installed in a test cell (quickCONNECT F25 from Balic-FuelCells GmbH, Germany) and fitted with a press cell. closed by force of 3.5 kN.
- the operation of the test cell was carried out on a MILAN test rig from Magnum Fuel Cell AG.
- Figure 1 shows the course of the current-voltage curve at 160 ° C.
- the gas flow for hydrogen was 196 nml / min and for air 748 nml / min. Unhumidified gases with atmospheric pressure were used.
- a cell voltage of 0.500 mV was measured.
- the MEA Under the test conditions indicated, the MEA exhibited an impedance of 7.2 mQ over an area of 25 cm 2 at a measurement frequency of 16 kHz.
- Figure 1 Polarization curve of a membrane-electrode assembly according to the invention from Example le
- the polybenzimidazole thus prepared had an inherent viscosity of 0.43 dl / g. b) Preparation of a polymer solution of carboxy-terminated polybenzimidazole with 20% hydrophilic fumed silica
- the pressure during the mixing process was 50 mbar.
- the polymer solution from Example 2b was applied to a polyethylene terephthalate support film having a thickness of 0.175 mm at room temperature by means of a film-drawing apparatus (0.6 mm gap height) (commercially available under the trade name "Melinex O” from Pütz GmbH, Germany) After drying (10 minutes each at 80 ° C., 100 ° C. and 30 minutes at 150 ° C.), the film was separated from the carrier film the film was heated in air in a circulating drying oven for 240 minutes at 300 ° C. The thickness of the film thus obtained was 60 to 65 ⁇ m The film thus obtained is referred to below as film 2.
- the 6 ⁇ 6 cm 2 piece of the phosphoric acid-swollen membrane from Example 2d was so between two commercially available gas diffusion electrodes, each with 4.0 mg / cm 2 platinum loading (Johnson Matthey, type 4 mg Pt Blk, no electro lyte on Toray TGP-H-060, UK) that the platinum catalyst layers contacted the membrane.
- This membrane-electrode assembly was compressed for 4 hours between plane-parallel plates at a temperature of 160 ° C and a force of 1.3 kN to a membrane-electrode assembly.
- the membrane-electrode unit from Example 2e was installed in a conventional arrangement in a test cell (quickCONNECT F25 from the company Balastic-FuelCells GmbH, Germany) and sealed with a pressing force of 3.5 kN.
- the operation of the test cell was carried out on a MILAN test rig from Magnum Fuel Cell AG.
- Figure 2 shows the course of the current-voltage curve at 160 ° C.
- the gas flow for hydrogen was 196 nml / min and for air 748 nml / min. Unhumidified gases with atmospheric pressure were used.
- a cell voltage of 0.522 mV was measured.
- the MEA Under the test conditions indicated, the MEA exhibited an impedance of 4.2 mQ over an area of 25 cm 2 at a measurement frequency of 16 kHz.
- Figure 2 Polarization curve of a membrane electrode assembly of Example 2e according to the invention
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Abstract
Description
Polymerfilme auf der Basis von Polyazolen Polymer films based on polyazoles
Die Erfindung betrifft Polymerfilme auf der Basis von Polyazo- len mit amorphen Polykieselsäuren, Verfahren zu deren Herstel- lung und deren Verwendung, insbesondere zur Darstellung von Polymerelektrolytmembranen . The invention relates to polymer films based on polyazoles with amorphous polysilicic acids, processes for their preparation and their use, in particular for the preparation of polymer electrolyte membranes.
Polyazole, insbesondere Polybenzimidazol {PBI) , sowie daraus hergestellte Membranen und Fasern sind seit langem bekannt. Po- lybenzimidazol zeichnet sich durch eine hohe thermische und chemische Beständigkeit aus. Fasern aus PBI werden deshalb u.a. für feuerfeste Gewebe verwendet. Vernetzte Polymerfilme aus PBI werden beispielsweise verwendet als semipermeable Membranen o- der als Polymerelektrolytmembranen für Brennstoffzellen. Polyazoles, especially polybenzimidazole {PBI), as well as membranes and fibers made therefrom, have long been known. Polybenzimidazole is characterized by a high thermal and chemical resistance. Fibers from PBI are therefore u.a. used for fireproof fabrics. Crosslinked polymer films made of PBI are used, for example, as semipermeable membranes or as polymer electrolyte membranes for fuel cells.
Bei Polymermembranen zur Gastrennung führt eine Vernetzung häufig zu einer Verbesserung der Selektivität bei gleichzeitig reduzierter Permeabilität. In US-BB 6,946,015 wird jedoch gezeigt, dass sich die Vernetzung von PBI nicht nachteilig auf das Verhältnis von Selektivität zur Permeabilität auswirkt. Die CO2/CH4-Selektivität nimmt in diesem Fall bei der vernetzten PBI-Membran mit zunehmender Permeabilität sogar weniger ab als bei der unvernetzten Membran. Durch Zugabe von Silica-Nanopar- tikeln kann die Selektivität der PBI-Membranen für C02 oder CH4 gegenüber N2 gesteigert werden (M. Sadeghi et al . , Journal of Membrane Science, Vol. 331, S.21-30, 2009). In polymer membranes for gas separation, crosslinking often leads to an improvement in the selectivity with simultaneously reduced permeability. However, US Pat. No. 6,946,015 shows that cross-linking of PBI does not adversely affect the ratio of selectivity to permeability. In this case, the CO 2 / CH 4 selectivity in the crosslinked PBI membrane decreases even less with increasing permeability than with the uncrosslinked membrane. Addition of silica nanoparticles can increase the selectivity of the PBI membranes for CO 2 or CH 4 over N 2 (Sadeghi, M. et al., Journal of Membrane Science, Vol. 331, pp. 30-30, 2009) ).
In einer Brennstoffzelle wird durch kontrollierte Oxidation eines Brennstoffs, wie Wasserstoffgas, chemische Energie in elek- trische Energie umgewandelt. Dazu werden der Brennstoff und ein Oxydationsmittel, wie beispielsweise Sauerstoff, an zwei gegenüberliegenden Elektroden, die durch eine elektronisch isolie- rende Membran getrennt sind, zugeführt. Die Membran enthält einen Elektrolyten, der für Protonen, aber nicht für die reaktiven Gase durchlässig ist. Dafür verwendete Materialien sind beispielsweise Perfluorsulfonsäurepolymere, die mit Wasser ge- quollen sind, oder basische Polymere, die starke Säuren als Flüssigelektrolyt enthalten. In a fuel cell, controlled oxidation of a fuel, such as hydrogen gas, converts chemical energy into electrical energy. For this purpose, the fuel and an oxidizing agent, such as oxygen, at two opposite electrodes, which by an electronically isolate separating membrane are supplied. The membrane contains an electrolyte which is permeable to protons but not to the reactive gases. Materials used for this purpose are, for example, perfluorosulfonic acid polymers which have been swollen with water or basic polymers which contain strong acids as the liquid electrolyte.
EP-A 787 369 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von protonenleitenden Polymerelektrolytmembranen, bei dem ein basi- sches Polymer, wie Polybenzimidazol, mit einer starken Säure, wie Phosphorsäure oder Schwefelsäure, dotiert wird. Seitdem wurden zahlreiche ähnliche Membranen aus diversen Polyazolen oder Polyazinen für diese Anwendung entwickelt. Der Vorteil einer Brennstoffzelle mit einer solchen Membran ist, dass diese ■ bei Temperaturen über 100°C bis etwa 200°C betrieben werden kann, weil das Polymer ausreichend stabil ist und der Siedepunkt der Säure deutlich über 100 °C liegt. Durch die im Vergleich zu einer Brennstoffzelle mit einer Membran aus Perfluorsulfonsäurepolymer und Wasser erhöhte Betriebstemperatur wird die Katalysatoraktivität an den Elektroden erhöht, die Empfindlichkeit der Katalysatoren gegen Kohlenmonoxid- Kontaminationen im Brenngas reduziert und die Abwärme mit höherer Temperatur technisch besser nutzbar gemacht. Der Nachteil der Dotierung des Polymers mit einem flüssigen Elektrolyten ist, dass die me- chanische Stabilität der Membran erheblich reduziert wird. EP-A 787 369 describes a process for the preparation of proton-conducting polymer electrolyte membranes in which a basic polymer such as polybenzimidazole is doped with a strong acid such as phosphoric acid or sulfuric acid. Since then, numerous similar membranes of various polyazoles or polyazines have been developed for this application. The advantage of a fuel cell with such a membrane is that it can ■ be operated at temperatures above 100 ° C to about 200 ° C, because the polymer is sufficiently stable and the boiling point of the acid is well above 100 ° C. By increased compared to a fuel cell with a membrane of Perfluorsulfonsäurepolymer and water operating temperature, the catalyst activity is increased at the electrodes, reduces the sensitivity of the catalysts against carbon monoxide contamination in the fuel gas and made the waste heat with higher temperature technically better usable. The disadvantage of doping the polymer with a liquid electrolyte is that the mechanical stability of the membrane is considerably reduced.
Polymerelektrolytmembranen aus PBI werden deshalb üblicherweise wie beispielsweise in Q. Li et al , „High temperature proton exchange membranes based on polybezimidazoles for fuel cells", Progress in Polymer Science, 34 (2009) S. 459-460 beschrieben unter Verwendung von bifunktionell reaktiven Additiven kovalent oder durch Additive mit polaren Gruppen ionisch vernetzt. Dazu wird eine Lösung, die das basische Polymer und ein Verbrü- ckungsreagenz enthält, eingesetzt und anschließend die Verbrü- ckung durchgeführt. Als Angriffspunkte für die Verbrückungsrea- genzien dienen dabei hauptsächlich die NH-Gruppen des Imida- zols. Bevorzugte Verbrückungsreagenzien für eine kovalente Bindung sind Diglycidylether, mehrf chfunktionelle organische Säuren oder deren Halogenide und Anhydride, mehrfach halogenierte organische Verbindungen, Dialdehyde oder Divinylverbindungen. Polymer electrolyte membranes from PBI are therefore commonly used as described, for example, in Q. Li et al., "High temperature proton exchange membranes based on polybenzimidazoles for fuel cells", Progress in Polymer Science, 34 (2009) pp. 459-460 using bifunctionally reactive additives covalently or ionically crosslinked by additives with polar groups For example, a solution containing the basic polymer and a bridging reagent is used, followed by the bridging. The NH groups of the imidazole are mainly used as targets for the bridging reagents. Preferred bridging reagents for a covalent bond are diglycidyl ethers, polyfunctional organic acids or their halides and anhydrides, polyhalogenated organic compounds, dialdehydes or divinyl compounds.
Die optimale Betriebstemperatur solcher Brennstoffzellen auf Basis von PBI dotiert mit Phosphorsäure liegt bei etwa 160°C, und es wird empfohlen, die Betriebstemperaturen stets oberhalb von 120 °C zu halten und die Zellen bei tieferen Temperaturen stromlos zu halten. Für mobile Anwendungen, wie beispielsweise in Kraftfahrzeugen, ist aber ein breites Temperaturfenster wünschenswert, das bei Minustemperaturen beginnt und bis zu Temperaturen deutlich oberhalb von 100 °C reicht. Dafür ist es vorteilhaft, wenn der Flüssigelektrolyt stets einen geringen Wasseranteil enthält und auch bei hohen Betriebstemperaturen über dem Siedepunkt bis 200 °C nicht vollständig austrocknet. Dies verbessert insbesondere die Protonenleitfähigkeit bei niedrigen Betriebstemperaturen und beeinflusst so den Kaltstart der The optimum operating temperature of such fuel cells based on PBI doped with phosphoric acid is about 160 ° C, and it is recommended to keep the operating temperatures always above 120 ° C and to keep the cells de-energized at lower temperatures. For mobile applications, such as in motor vehicles, but a broad temperature window is desirable, which starts at minus temperatures and reaches temperatures well above 100 ° C. For this it is advantageous if the liquid electrolyte always contains a small amount of water and does not completely dry out even at high operating temperatures above the boiling point to 200 ° C. This improves in particular the proton conductivity at low operating temperatures and thus influences the cold start of the
Brennstoffzelle , Fuel cell,
In der Vergangenheit sind deshalb zahlreiche Versuche unternommen worden, das Rückhaltevermögen der Membranen für Wasser durch Zugabe von anorganischen Füllstoffen zu verbessern. Hierzu wird beispielsweise auf M. Helen et al . , Strategies for the design of membranes for fuel cells, Photo/Electrochemistry & Photobiology in the Environment, Energy and Fuel, 2006, 1 verwiesen. Dazu wurden auch Komposite aus basischen Polymeren mit einem Schicht- oder Gerüstsilikat und dotiert mit einer anorga- nischen Säure verwendet. EP-B 1 177 247 beschreibt beispielsweise Membranen, die thermoplastische lonenaustauscherpolymere, bevorzugt auf der Basis von Polysulfon, Polyetheretherketon, Polybenzimidazol oder Polyvinylpyridin, und Schichtsilikate wie beispielsweise Montmorillonit enthalten. Diese Membranen können auch Phosphorsäure enthalten. WO-A 07101537 beschreibt mit Phosphorsäure dotierte Hybridmembranen, die ein basisches organisches Polymer wie beispielsweise Polybenzimidazol und ein silikatisches Polymer, die auf molekularer Ebene durchmischt sind, enthalten. Das silikatische Polymer wird dabei aus einem Vorläufermonomer während der Membranherstellung gebildet. In den Beispielen wird dafür Tetraethoxysilan verwendet. Die Membranen werden durch ein zusätzliches reaktives Additiv kovalent vernetzt, was durch Messungen der Löslichkeit in N,N- Dimethylacetamid belegt wird. E. Quartarone et al . haben systematische Untersuchungen von mit Phosphorsäure dotierten Kompositen aus Polybenzimidazol mit kommerzieller Fällungskieselsäure (HiSil™ T700 von PPG Silica Products) , selbst hergestellten mesoporösen Silicapartikeln (SBA-15) oder selbst hergestellten imidazol-haltigen Silicapartikeln durchgeführt (Fuel Cells 09, 2009, No. 3, S. 231-236). Ihre Messungen der Protonenleitfähigkeiten zeigen, dass alle drei Füllstoffe schon bei geringer Konzentration von ca. 5% zu deutlichen Steigerungen der Leitfähigkeit gegenüber den ungefüllten Membranen führen (z.B. bei 120°C und 20% rel . Feuchte bei dem mit 5 Gew.% HiSil™ gefüllten PBI ca. 2 S/m gegenüber 0,1 S/m ungefüllt) . Höhere Konzentrationen führten bei diesen Untersuchungen jedoch zu keiner Verbesserung, sondern eher zu einer Verschlechterung der Eigenschaften. Es wurden keine Versuche in einer Brennstoffzelle durchge- führt. Weil die hergestellten Membranen nicht vernetzt waren, wäre eine ausreichende Langzeitstabilität für den Betrieb in einer Brennstoffzelle nicht gewährleistet. Gegenstand der Erfindung sind Polymerfilme auf der Basis von Polyazolen und amorphen Polykieselsäuren, die in Bezug auf ihren Polyazolgehalt bei 130°C und 1000 hPa in N, N-Dimethylacet- amid 0 bis 20 Gew.% löslich sind. In the past, therefore, numerous attempts have been made to improve the retention capacity of the membranes for water by adding inorganic fillers. For example, reference is made to M. Helen et al. , Strategies for the design of membranes for fuel cells, Photo / Electrochemistry & Photobiology in the Environment, Energy and Fuel, 2006, 1. For this purpose, composites of basic polymers with a layer or framework silicate and doped with an inorganic niche acid used. For example, EP-B 1 177 247 describes membranes containing thermoplastic ion exchange polymers, preferably based on polysulfone, polyether ether ketone, polybenzimidazole or polyvinylpyridine, and phyllosilicates such as montmorillonite. These membranes can also contain phosphoric acid. WO-A-07101537 describes phosphoric acid-doped hybrid membranes containing a basic organic polymer such as polybenzimidazole and a silicate polymer intermixed at the molecular level. The silicate polymer is formed from a precursor monomer during membrane production. In the examples, tetraethoxysilane is used for this purpose. The membranes are covalently crosslinked by an additional reactive additive, which is evidenced by measurements of the solubility in N, N-dimethylacetamide. E. Quartarone et al. have carried out systematic investigations of phosphoric acid-doped polybenzimidazole composites with commercial precipitated silica (HiSil ™ T700 from PPG Silica Products), self-made mesoporous silica particles (SBA-15) or self-made imidazole-containing silica particles (Fuel Cells 09, 2009, No. 3 , Pp. 231-236). Their measurements of the proton conductivities show that all three fillers, even at a low concentration of about 5%, lead to significant increases in conductivity compared to the unfilled membranes (eg at 120 ° C. and 20% relative humidity with 5% by weight HiSil ™ filled PBI approx. 2 S / m compared to 0.1 S / m unfilled). However, higher concentrations in these studies did not result in an improvement, but rather in a deterioration of the properties. No tests were carried out in a fuel cell. Because the membranes produced were not cross-linked, sufficient long-term stability for operation in a fuel cell would not be ensured. The invention relates to polymer films based on polyazoles and amorphous polysilicic acids, which are 0 to 20 wt.% Soluble in terms of their Polyazolgehalt at 130 ° C and 1000 hPa in N, N-dimethylacetamide.
Die erfindungsgemäßen Polymerfilme sind in Bezug auf ihren Polyazolgehalt bei 130°C und 1000 hPa in N, N-Dimethylacetamid bevorzugt 0 bis 10 Gew.%, besonders bevorzugt 0 bis 5 Gew.%, löslich. With regard to their polyazole content at 130 ° C. and 1000 hPa in N, N-dimethylacetamide, the polymer films according to the invention are preferably 0 to 10% by weight, particularly preferably 0 to 5% by weight, soluble.
Die erfindungsgemäßen Polymerfilme sind bei Raumtemperatur und dem Druck der umgebenden Atmosphäre bevorzugt Feststoffe mit beliebiger Farbe. Der Glaspunkt der erfindungsgemäßen Polymerfilme liegt bevorzugt über 150°C, besonders bevorzugt über 200°C, insbesondere im Bereich von 250 bis 500°C. At room temperature and the pressure of the surrounding atmosphere, the polymer films according to the invention are preferably solids of any desired color. The glass transition point of the polymer films according to the invention is preferably above 150 ° C., more preferably above 200 ° C., in particular in the range from 250 to 500 ° C.
Die erfindungsgemäßen Polymerfilme haben den Vorteil, dass sie sich durch eine hervorragende Hydrolyse-Stabilität auszeichnen und ihre strukturelle Integrität behalten, auch wenn sie in starken Säuren gelagert werden. The polymer films of the present invention have the advantage that they are characterized by excellent hydrolysis stability and retain their structural integrity, even when stored in strong acids.
Die erfindungsgemäßen Polymerfilme haben den Vorteil, dass sie auch bei hohen Temperaturen eine gute mechanische Stabilität aufweisen . The polymer films according to the invention have the advantage that they have good mechanical stability even at high temperatures.
Des Weiteren haben die erfindungsgemäßen Polymerfilme den Vorteil, dass sie unter den für die beschriebenen Anwendungen üblichen Bedingungen lange haltbar sind. Nach der Dotierung mit einer starken Säure haben die erfindungsgemäßen Polymerfilme überraschenderweise eine deutlich höhere Protonenleitfähigkeit im Bereich von 0 bis 100°C als Polymerfilme auf der Basis von Polyazolen ohne amorphe Polykiesel- säuren aber gleichem Säuregehalt bezogen auf die Gesamtmasse des Films . Furthermore, the polymer films according to the invention have the advantage that they are long-lasting under the usual conditions for the applications described. After doping with a strong acid, the polymer films according to the invention surprisingly have a significantly higher proton conductivity in the range from 0 to 100 ° C. than polymer films based on polyazoles without amorphous polysilicic acids but with the same acid content relative to the total mass of the film.
Die erfindungsgemäßen Polymerfilme können nach beliebigen Verfahren durch Zusammenmischen der einzelnen Komponenten und Ver- netzung der Mischung hergestellt werden, wobei die Herstellung vorzugsweise in mehreren Schritten erfolgt. The polymer films according to the invention can be prepared by any desired method by mixing together the individual components and crosslinking of the mixture, the preparation preferably being carried out in several steps.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Polymerfilme dadurch gekennzeichnet, dass Another object of the present invention is a process for the preparation of the polymer films according to the invention characterized in that
in einem ersten Schritt in a first step
eine Mischung enthaltend Polyazole (A) , amorphe Polykieselsäure (B) , Lösemittelkomponente (C) , gegebenenfalls Verbrückungsrea- genzien (D) und gegebenenfalls weitere Stoffe (E) hergestellt wird, a mixture comprising polyazoles (A), amorphous polysilicic acid (B), solvent component (C), optionally bridging reagents (D) and optionally further substances (E) is prepared,
in einem zweiten Schritt in a second step
die im ersten Schritt erhaltene Mischung auf einen Träger aufgetragen wird, the mixture obtained in the first step is applied to a support,
in einem dritten Schritt in a third step
die im zweiten Schritt erhaltene Beschichtung gebenenfalls mit Verbrückungsreagenz (D) in Kontakt gebracht und vernetzen gelassen wird, wobei die Lösemittelkomponente gegebenenfalls ganz oder teilweise entfernt wird. if necessary, the coating obtained in the second step is brought into contact with bridging reagent (D) and allowed to crosslink, the solvent component being optionally completely or partially removed.
Bei den erfindungsgemäß eingesetzten Polyazolen (A) kann es sich um beliebige und bisher bekannte Polyazole handeln, die neben dem Azol-Baustein mindestens einen weiteren Aromaten bzw. Heteroaromaten enthalten. The polyazoles (A) used in accordance with the invention may be any and all known polyazoles which contain at least one other aromatic or heteroaromatic compounds in addition to the azole building block.
Beispiele für die erfindungsgemäß eingesetzten Polyazole (A) sind solche, die auf Bausteinen ausgewählt aus Pyrrol, Pyrazol, Benzpyrazol, Oxazol, Benzoxazol, Thiazol, Benzthiazol, Imidazol und Benzimidazol basieren und zusätzlich aromatische bzw. heteroaromatische Gruppen, wie Benzol-, Naphthalin-, Pyridin-, Py- rimidin- oder Pyrazingruppen, enthalten können, wobei die Bau- steine substituiert sein können, wie z.B. durch Sulfonsäure- , Alkyl-, Alkenyl- und Fluoroalkylreste . Die unterschiedlichen Gruppen können darüber hinaus über Imid-, Ether- , Thioether-, Sulfon- oder direkte C-C-Bindungen verknüpft sein. Bevorzugte Beispiele für Polyazole (A) sind alle in Q. Li et al . „High temperature proton exchange membranes based on polybezimidazo- les for fuel cells", Progress in Polymer Science, 34, S. 453 (Scheme 1), 455 (Scheme 5, 6), 456 (Scheme 7) und 457 (Scheme 8) (2009) genannten Polymere, die zum Offenbarungsgehalt der vorliegenden Erfindung zu zählen sind. Examples of the polyazoles (A) used according to the invention are those which are based on building blocks selected from pyrrole, pyrazole, benzpyrazole, oxazole, benzoxazole, thiazole, benzothiazole, imidazole and benzimidazole and additionally aromatic or heteroaromatic groups, such as benzene, naphthalene, Pyridin, pyrimidine or pyrazine, may contain, wherein the building blocks may be substituted, such as by sulfonic acid, alkyl, alkenyl and fluoroalkyl radicals. The different groups may also be linked via imide, ether, thioether, sulfone or direct C-C bonds. Preferred examples of polyazoles (A) are all described in Q. Li et al. Progress in Polymer Science, 34, p. 453 (Scheme 1), 455 (Scheme 5, 6), 456 (Scheme 7) and 457 (Scheme 8) "High temperature proton exchange membranes based on polybenzimidazoles for fuel cells". (2009) mentioned polymers, which are to be included in the disclosure of the present invention.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei den erfindungsgemäß eingesetzten Polyazolen (A) um solche, die aus Bausteinen ausgewählt aus Imidazol, Benzimidazol, Pyridin, Benzol und Naphthalin aufgebaut sind, wobei die unterschiedlichen Gruppen über Imid-, Ether-, Sulfon- oder direkte C-C-Bindungen verknüpft sind und wobei die Bausteine substituiert sein können, wie z.B. durch Sulfonsäure- , Alkyl-, Alkenyl- und Fluoroalkylreste. The polyazoles (A) used according to the invention are particularly preferably those which are built up from components selected from imidazole, benzimidazole, pyridine, benzene and naphthalene, the different groups being bonded via imide, ether, sulfone or Bindings are linked and wherein the blocks may be substituted, such as by sulfonic acid, alkyl, alkenyl and fluoroalkyl radicals.
Die erfindungsgemäß eingesetzten Polyazole (A) sowie Verfahren zu deren Herstellung sind bekannt. Hierzu sei beispielsweise auf Q. Li et al. „High temperature proton exchange membranes based on polybezimidazoles for fuel cells", Progress in Polymer Science, 34, S. 449-477 (2009) verwiesen. Die Polyazole (A) tragen als Endgruppen in der Regel die der zur Herstellung eingesetzten Monomere, wie etwa Amino- und/oder Carbonsäuregruppen und/oder deren Ester, oder durch nachträgli- che chemische Reaktion beliebig eingeführte Endgruppen, wie z.B. Alkyl-, Aryl-, Alkenyl-, OH-, Epoxid- , Keto-, Aldehyd-, Ester-, Thiol-, Thioester-, Silyl-, Oxim-, Amid-, Imid-, Ure- than- und Harnstoffgruppen. The polyazoles (A) used according to the invention and processes for their preparation are known. For example, see Q. Li et al. "High temperature proton exchange membranes based on polybenzimidazoles for fuel cells", Progress in Polymer Science, 34, pp. 449-477 (2009). The polyazoles (A) carry as end groups usually those of the monomers used for the preparation, such as amino and / or carboxylic acid groups and / or their esters, or by subsequent chemical reaction any introduced end groups, such as alkyl, aryl , Alkenyl, OH, epoxide, keto, aldehyde, ester, thiol, thioester, silyl, oxime, amide, imide, urethane, and urea groups.
Bei den erfindungsgemäß eingesetzten Polyazolen (A) handelt es sich bevorzugt um solche mit primären Amino- und/oder Carbonsäureendgruppen, besonders bevorzugt um NH2- und/oder C00H- Endgruppe . In the inventively used polyazoles (A) are preferably those having a primary amino and / or carboxylic acid end groups, particularly preferably NH 2 - and / or C00H- end group.
Insbesondere handelt es sich bei den erfindungsgemäß eingesetzten Polyazolen (A) um Polybenzimidazole, wie beispielsweise in Q. Li et al. „High temperature proton exchange membranes based on polybezimidazoles for fuel cells", Progress in Polymer Science, 34, S. 453 (Scheme 1), 455 (Scheme 5, 6), 456 (Scheme 7), 457 (Scheme 8) (2009) beschrieben, ganz besonders bevorzugt um Poly-2 , 2 ' - (m-Phenylen) -5 , 5 ' -dibenzimidazol mit primären Amino- und/oder Carbonsäureendgruppen, besonders bevorzugt mit NH2- und/oder COOH- Endgruppen. Polybenzimidazol (A) kann auf verschiedene und bekannte Weise hergestellt werden, wie etwa durch Polymerisation von Diamino- benzidin und Isophthalsäure und/oder deren Estern. Polybenzimidazole (A) können als Endgruppen Amino- und/oder Carbonsäure- gruppen und/oder deren Ester aufweisen, oder durch nachträgli- che chemische Reaktion beliebig eingeführte Endgruppen, wie z.B. Alkyl-, Aryl-, Alkenyl-, OH-, Epoxid-, Keto-, Aldehyd-, Ester-, Thiol-, Thioester-, Silyl-, Oxim- , Amid- , Imid- , Ure- than- und Harnstoffgruppen . In particular, the polyazoles (A) used according to the invention are polybenzimidazoles, as described, for example, in Q. Li et al. Progress in Polymer Science, 34, p. 453 (Scheme 1), 455 (Scheme 5, 6), 456 (Scheme 7), 457 (Scheme 8) (2009, "High temperature proton exchange membranes based on polybenzimidazoles for fuel cells") ), very particularly preferably poly-2, 2 '- (m-phenylene) -5,5'-dibenzimidazole having primary amino and / or carboxylic acid end groups, more preferably having NH 2 and / or COOH end groups. A) can be prepared in various known ways, for example by polymerization of diaminobenzidine and isophthalic acid and / or esters thereof Polybenzimidazoles (A) can contain amino and / or carboxylic acid groups and / or their esters as terminal groups, or any end groups introduced by subsequent chemical reaction, such as, for example, alkyl, aryl, alkenyl, OH, epoxide, keto, aldehyde, Ester, thiol, thioester, silyl, oxime, amide, imide, urethane and urea groups.
Die erfindungsgemäß eingesetzten Polyazole (A) haben eine Inhä- rentvikosität von bevorzugt > 0,1 dl/g, besonders bevorzugt von 0,1 bis 2,5 dl/g, insbesondere von 0,3 bis 1,5 dl/g, jeweils gemessen an einer 0,4 %igen (w/v) Lösung, also 0,4 g/100 ml, von Polyazol in H2S04 (95-97 Gew.%) mit einem Ubbelohde Viskosimeter bei einer Temperatur von 25 °C und einem Druck von 1000 hPa. The polyazoles (A) used according to the invention have an inherent viscosity of preferably> 0.1 dl / g, particularly preferably from 0.1 to 2.5 dl / g, in particular from 0.3 to 1.5 dl / g, in each case measured on a 0.4% (w / v) solution, ie 0.4 g / 100 ml, of polyazole in H 2 S0 4 (95-97% by weight) with an Ubbelohde viscometer at a temperature of 25 ° C. and a pressure of 1000 hPa.
Die erfindungsgemäß eingesetzte Komponente (A) hat ein Molekulargewicht Mw von bevorzugt 1 000 bis 300 000 g/mol, besonders bevorzugt von 4 000 bis 150 000 g/mol, jeweils gemessen als ab- solute Molmasse mittels GPC gekoppelt mit statischer Lichtstreuung (Laufmittel: DMAc versetzt mit 1 Gew.% LiBr) . The component (A) used according to the invention has a molecular weight M w of preferably 1,000 to 300,000 g / mol, particularly preferably 4,000 to 150,000 g / mol, in each case measured as absolute molar mass by GPC coupled with static light scattering (mobile phase: DMAc mixed with 1 wt.% LiBr).
Ganz besonders bevorzugt handelt es sich bei (A) um Poly-2,2'- (m-Phenylen) -5, 5 ' -dibenzimidazol mit einer Inhärentviskosität von 0,3 bis 1,5 dl/g gemessen an einer 0,4 %igen (w/v) Lösung, also 0,4 g/100 ml, von Polyazol in H2S04 (95-97 Gew.%) mit einem Ubbelohde Viskosimeter bei einer Temperatur von 25 °C und einem Druck von 1000 hPa . Most preferably, (A) is poly-2,2'- (m-phenylene) -5,5'-dibenzimidazole having an inherent viscosity of 0.3 to 1.5 dl / g measured on a 0.4 % (w / v) solution, ie 0.4 g / 100 ml of polyazole in H 2 S0 4 (95-97 wt.%) With an Ubbelohde viscometer at a temperature of 25 ° C and a pressure of 1000 hPa ,
Die Mischung gemäß erstem Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält vorzugsweise mindestens 1 Gew.%, besonders bevorzugt mindestens 5 Gew.%, insbesondere mindestens 10 Gew.%, Polyazol (A) . Die Mischung enthält vorzugsweise höchstens The mixture according to the first step of the process according to the invention preferably contains at least 1% by weight, more preferably at least 5% by weight, in particular at least 10% by weight, of polyazole (A). The mixture preferably contains at most
90 Gew.%, besonders bevorzugt höchstens 70 Gew.%, insbesondere höchstens 50 Gew.% Polyazol (A) . Die erfindungsgemäß eingesetzte amorphe Polykieselsäure (B) kann natürlichen Ursprungs sein oder synthetisch hergestellt, wobei als Komponente (B) synthetisch hergestellte Polykiesel- säuren bevorzugt sind. 90% by weight, particularly preferably at most 70% by weight, in particular at most 50% by weight, of polyazole (A). The amorphous polysilicic acid (B) used according to the invention can be of natural origin or can be produced synthetically, with synthetically prepared polysilicic acids being preferred as component (B).
Bevorzugte natürliche Polykieselsäuren (B) , die zusätzliche Metallionen wie beispielsweise AI, Na, K, Mg und/oder Ca enthalten, sind Schichtsilikate, insbesondere aus der Gruppe der Mon- tmorillonite, Glimmer, Steatite, Bentonite, Smectite, Kaolini- te, Pyrophyllite, Vermiculite und Chlorite, besonders bevorzugt aus der Gruppe der Montmorillonite oder Bentonite. Preferred natural polysilicic acids (B) which contain additional metal ions, such as, for example, Al, Na, K, Mg and / or Ca, are phyllosilicates, in particular from the group of montmorillonites, mica, steatites, bentonites, smectites, kaolinites, pyrophyllites , Vermiculites and chlorites, more preferably from the group of montmorillonites or bentonites.
Bevorzugte synthetisch hergestellte Polykieselsäuren (B) sind pyrogene Kieselsäuren, wie beispielsweise HDK* von Wacker Che- mie AG, Aerosil8 von Evonik und Cab-o-Sil* von Cabot, oder Fällungskieselsäuren, wie beispielsweise SIPERNAT8 von Evonik, Vulkasil'5' von Lanxess und HiSil™ von PPG Silica Products, wobei pyrogene Kieselsäuren besonders bevorzugt sind. Preferred synthetically produced polysilicic acids (B) are pyrogenic silicas, such as HDK * from Wacker Chemie AG, Aerosil 8 from Evonik and Cab-o-Sil * from Cabot, or precipitated silicas, such as, for example, SIPERNAT 8 from Evonik, Vulkasil ' 5 '. from Lanxess and HiSil ™ from PPG Silica Products, fumed silicas being particularly preferred.
Für die Anwendung des erfindungsgemäßen Films als Polymerelektrolytmembran oder für die Separation von Gasen oder Flüssigkeiten sind insbesondere die unterschiedlichen Oberflächeneigenschaften der eingesetzten amorphen Polykieselsäuren relevant. Pyrogene Kieselsäuren (B) haben bevorzugt eine spezifischeFor the application of the film of the invention as a polymer electrolyte membrane or for the separation of gases or liquids in particular the different surface properties of the amorphous polysilicic acids used are relevant. Pyrogenic silicic acids (B) preferably have a specific
Oberflächen nach BET von 100 bis 500 m2/g, sind sauer mit einem pH im Bereich von bevorzugt 2 bis 4 und haben bevorzugt eine geringe Feuchte von 0 bis 2 Gew.%. Surfaces according to BET of 100 to 500 m 2 / g are acidic with a pH in the range of preferably 2 to 4 and preferably have a low moisture of 0 to 2 wt.%.
Pyrogene Kieselsäuren (B) werden vorzugsweise hergestellt, indem flüchtiges Chlorsilan, wie beispielsweise Tetrachlorsilan oder Methylchlorsilan, in eine Wasserstoff -Flamme eingeleitet wird. Durch Hydrolyse entstehen bei hohen Temperaturen von mehr als 1000 °C mit in situ gebildetem Wasser Kieselsäure und Chlorwasserstoff. Die kugelförmigen Kieselsäure- Primärteilchen haben eine glatte Oberfläche und eine mittlere Teilchengröße von etwa 5 bis 50 nm. In der Flamme verschmelzen die Primärteilchen fest zu größeren Einheiten, den Aggregaten, die eine Größe von bevorzugt etwa 100-500 nm haben. Die isolierten Primärteilchen existieren daher nur kurzeitig in der eigentlichen Reaktionszo- ne. Beim Abkühlen bilden diese Aggregate flockige Agglomerate mit einer Größe von bevorzugt 1-250 pm, die man auch als Tertiärstrukturen bezeichnet. Diese sind offen strukturiert und daher mesoporös . Die kleinen Partikeldurchmesser der in den Aggregaten versinterten Primärpartikeln führen zusammen mit der großen zugänglichen Oberfläche der Aggregate und Agglomerate zu der hohen spezifischen Oberfläche nach BET. Das große Oberflächen-zu-Masse-Verhältnis bewirkt starke interpartikuläre Wechselwirkungen, die auf attraktiven Dispersions- und Dipolkräften beruhen (vgl. Beschreibung gemäß DIN 53206 Blatt 1 (08/72)). Pyrogenic silicic acids (B) are preferably prepared by reacting volatile chlorosilane, such as tetrachlorosilane or methylchlorosilane, is introduced into a hydrogen flame. Hydrolysis at high temperatures of more than 1000 ° C with formed in situ water, silica and hydrogen chloride. The spherical primary silica particles have a smooth surface and an average particle size of about 5 to 50 nm. In the flame, the primary particles fuse tightly into larger units, the aggregates, having a size of preferably about 100-500 nm. The isolated primary particles therefore only exist for a short time in the actual reaction zone. On cooling, these aggregates form flaky agglomerates with a size of preferably 1-250 pm, which are also referred to as tertiary structures. These are open structured and therefore mesoporous. The small particle diameters of the primary particles sintered in the aggregates, together with the large accessible surface of the aggregates and agglomerates, lead to the high BET specific surface area. The high surface-to-mass ratio causes strong interparticle interactions based on attractive dispersion and dipole forces (see description according to DIN 53206 Part 1 (08/72)).
Chemisch gesehen besteht pyrogene Kieselsäure aus hochreinem amorphen Siliciumdioxid und hat das Aussehen von lockerem weißem Pulver. Sie ist aus Si04/2-Tetraedern aufgebaut. Diese Tetraeder sind durch Siloxanbrücken {Si-O-Si-Bindungen) miteinan- der verbunden. Bevorzugt trägt durchschnittlich jedes zweite Si-Atom an der Oberfläche eine Hydroxygruppe und bildet damit eine Silanolgruppe aus. From a chemical point of view, fumed silica consists of highly pure amorphous silica and has the appearance of a loose white powder. It is made up of Si0 4/2 tetrahedra. These tetrahedra are connected by siloxane bridges {Si-O-Si bonds). On average, every second Si atom on the surface carries a hydroxyl group and thus forms a silanol group.
Die so hergestellte pyrogene Kieselsäure ist hydrophil und hat typischerweise durchschnittlich 1,5 bis 2 Silanolgruppen pro 1 nm2, wird von Wasser benetzt und kann in Wasser dispergiert werden. Schwieriger ist die Dispersion in unpolaren organischen Lösemitteln oder Polymeren. Bei der Herstellung eines Komposits mit einem Polymer werden im Idealfall die Agglomerate vollständig aufgebrochen und die Aggregate verteilen sich gleichmäßig in der Polymermatrix. Die dafür notwendige Energie wird in den technischen Verfahren meist in Form von mechanischer Energie eingebracht, beispielsweise durch die Scherkräfte in einem Kneter oder durch Extrudieren, The fumed silica so produced is hydrophilic and typically has an average of 1.5 to 2 silanol groups per 1 nm 2 , is wetted by water, and can be dispersed in water. More difficult is the dispersion in nonpolar organic Solvents or polymers. Ideally, when making a composite with a polymer, the agglomerates are completely broken up and the aggregates are evenly distributed throughout the polymer matrix. The energy required for this is usually introduced in the technical process in the form of mechanical energy, for example by the shearing forces in a kneader or by extrusion,
Die hydrophile pyrogene Kieselsäure kann nun durch chemische Reaktion mit reaktiven Silanen, z.B. Chlorsilanen oder Hexame- thyldisilazan hydrophobiert werden. Hydrophobe Kieselsäure hat wasserabstoßende Eigenschaf en und ist nicht mehr in Wasser dispergierbar . The hydrophilic fumed silica can now be prepared by chemical reaction with reactive silanes, e.g. Chlorosilanes or hexamethyldisilazane be rendered hydrophobic. Hydrophobic silicic acid has water-repellent properties and is no longer dispersible in water.
Die Fällungskieselsäuren (B) haben aufgrund der Herstellung in einer Lösung eine andere Oberflächenchemie als die pyrogenen Kieselsäuren, insbesondere mehr Hydroxygruppen . Sie haben spezifische Oberflächen nach BET von bevorzugt 50 bis 300 m2/g, sind in wässriger Lösung bevorzugt neutral bis alkalisch mit einem pH-Wert im Bereich von vorzugsweise 6 bis 10 und haben nach dem Trocknen eine höhere Restfeuchte von bevorzugt 3 bis 8 Gew.%). Fällungskieselsäuren sind hydrophil und tragen auf der Oberfläche typischerweise durchschnittlich 4 bis 6 Silanolgrup- pen pro 1 nm2. The precipitated silicas (B) have a different surface chemistry than the pyrogenic silicas, in particular more hydroxyl groups, due to the preparation in a solution. They have BET specific surface areas of preferably 50 to 300 m 2 / g, are preferably neutral to alkaline in aqueous solution with a pH in the range of preferably 6 to 10 and, after drying, have a higher residual moisture content of preferably 3 to 8 wt .%). Precipitated silicas are hydrophilic and typically carry on average 4 to 6 silanol groups per 1 nm 2 on the surface.
Die Herstellung von Fällungskieselsäuren geht aus von der Mono- kieselsäure Si(OH)4, Diese ist bei Raumtemperatur nur in starker Verdünnung über längere Zeit stabil und neigt dazu unter Wasserabspaltung amorphes Siliziumdioxid zu bilden. Die Konden- sation der Monokieselsäure verläuft über Dikieselsäuremoleküle, cyclischen Kieselsäuren zu käfigartigen Kieselsäuren, aus denen sich kugelförmige Polykieselsäuren bilden, die als Primärparti- kel bezeichnet werden. Die so erhaltene Lösung wird als Kie- selsol bezeichnet. Die Bildung der Primärpartikel variiert bei Raumtemperatur von Sekunden bis Minuten bei pH-Werten zwischen 8 und 9, bis hin zu Stunden oder Tagen bei pH-Werten zwischen 2 und 3. Der Partikeldurchmesser ist abhängig vom pH-Wert der Reaktion und kann 2 nm bis 150 nm betragen. Das Si02 -Gerüst ist im Wesentlichen aus unregelmäßig miteinander verknüpften Si04- Tetraedern aufgebaut und wird durch eine Schicht Hydroxygrup- pen-haltiger Kieselsäureeinheiten begrenzt. Diese Polykiesel- säure ist gegen weitere Kondensation instabil. Die Primärteilchen vereinigen sich in der Lösung durch Ausbildung von Sauerstoffbrückenbindungen zu einer weitmaschigen amorphen Kieselsäure, dem sogenannten Kieselgel. Findet die Reaktion im alkalischen Milieu statt, wird die Gelbildung verhindert und statt - dessen Fällungskieselsäure gebildet. Dabei entstehen aus den Primärteilchen poröse Agglomerate mit einer Größe von einigen μιη bis etwa 40 μηι. Diese können bei einer hohen Silicakonzen- tration in der Lösung zu noch weitaus größeren porösen Gebilden anwachsen, wobei die Agglomerate selbst die Grundbausteine der größeren Objekte sind. The production of precipitated silicic acids is based on the monosilicic acid Si (OH) 4 , which is stable for a long time at room temperature only in high dilution and tends to form with elimination of water amorphous silicon dioxide. The condensation of monosilicic acid proceeds via diciesilicic acid molecules, cyclic silicic acids, to form caged silicas, from which spherical polysilicic acids form, which serve as primary particles. be referred to. The solution thus obtained is referred to as silica sol. The formation of the primary particles varies at room temperature from seconds to minutes at pH values between 8 and 9, up to hours or days at pH values between 2 and 3. The particle diameter is dependent on the pH value of the reaction and can be 2 nm to 150 nm. The Si0 2 skeleton is essentially composed of irregularly linked Si0 4 tetrahedra and is bounded by a layer of hydroxyl-group-containing silicic acid units. This polysilicic acid is unstable against further condensation. The primary particles combine in the solution by forming oxygen bridge bonds to form a wide-meshed amorphous silica, the so-called silica gel. If the reaction takes place in an alkaline environment, gel formation is prevented and instead precipitated silica is formed. In this case, porous agglomerates with a size of a few μιη to about 40 μηι arise from the primary particles. At a high silica concentration in the solution, these can grow into even larger porous structures, the agglomerates themselves being the basic building blocks of the larger objects.
Die zur Herstellung von Fällungskieselsäuren eingesetzten Mono- kieselsäuren sind häufig mit Metallionen kontaminiert. Deshalb erreichen Fällungskieselsäuren im Allgemeinen nicht die hohe Reinheit der pyrogenen Kieselsäuren. The monosilicic acids used for the production of precipitated silicas are often contaminated with metal ions. Therefore, precipitated silicas do not generally achieve the high purity of the fumed silicas.
Bevorzugt weisen die erfindungsgemäß eingesetzten amorphen Po- lykieselsäuren (B) fraktale silikatische Strukturen mit einem mittleren Aggregatdurchmesser von bevorzugt 50 bis 500 nm, be- sonders bevorzugt von 50 bis 200 nm, auf. Bevorzugt weisen die erfindungsgemäß eingesetzten amorphen Polykieselsauren (B) eine BET-Oberfläche von bevorzugt 20 bis 800 m2/g, besonders bevorzugt 100 bis 500 m2/g, insbesondere 200 bis 400 m2/g, auf. The amorphous polysilicic acids (B) used according to the invention preferably have fractal silicate structures with an average aggregate diameter of preferably 50 to 500 nm, particularly preferably 50 to 200 nm. The amorphous polysilicic acids (B) used according to the invention preferably have a BET surface area of preferably 20 to 800 m 2 / g, more preferably 100 to 500 m 2 / g, in particular 200 to 400 m 2 / g.
Bevorzugt sind Polykieselsauren (B) , die im Wesentlichen keine zusätzlichen Metallionen, wie z.B. AI, Na, K, Mg und Ca, enthalten. Preferred are polysilicic acids (B) which substantially do not contain additional metal ions, e.g. AI, Na, K, Mg and Ca.
Die amorphe Polykieselsäure (B) kann auf der Oberfläche durch organische Gruppen wie beispielsweise aus der Gruppe der Gl bis C20 Alkyl-, C2 bis C3 Alkenyl-, Cl bis C20 Alkylamin- und Cl bis C20 Alkylendiamingruppen, Cl bis C20 quaternären Ammoniumsalze und stickstoffhaltigen heterocyclischen Verbindungen mo~ difiziert sein. Dazu können Organosilane, bevorzugt Aminosila- ne, wie beispielsweise (3-Aminopropyl) trimethoxysilan oder N- (2-Aminoethyl) (3-Aminopropyl) trimethoxysilan durch eine Kondensationsreaktion an die Oberfläche der amorphen Polykieselsäure angebunden werden. The amorphous polysilicic acid (B) may be formed on the surface by organic groups such as from the group of the C 1 to C 20 alkyl, C 2 to C 3 alkenyl, C 1 to C 20 alkylamine and C 1 to C 20 alkylenediamine groups, C 1 to C 20 quaternary ammonium salts and nitrogen containing heterocyclic Compounds may be modified. For this purpose, organosilanes, preferably Aminosila- ne, such as (3-aminopropyl) trimethoxysilane or N- (2-aminoethyl) (3-aminopropyl) trimethoxysilane be connected by a condensation reaction to the surface of the amorphous polysilicic acid.
Bevorzugt handelt es sich bei den amorphen Polykieselsäuren (B) um solche mit hydrophilen Oberflächen, die bevorzugt mit Hydro- xygruppen und/oder Aminogruppen, die bevorzugt über einen organischer Spacer angebunden sind, ausgestattet sind. Die Menge dieser funktionalen Gruppen korrespondiert zur BET-Oberfläche der Polykieselsäuren. Sie liegt bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 3 mmol/g, besonders bevorzugt im Bereich von 0,3 bis The amorphous polysilicic acids (B) are preferably those having hydrophilic surfaces, which are preferably provided with hydroxyl groups and / or amino groups, which are preferably attached via an organic spacer. The amount of these functional groups corresponds to the BET surface area of the polysilicic acids. It is preferably in the range from 0.1 to 3 mmol / g, particularly preferably in the range from 0.3 to
1,5 mmol/g, insbesondere 0,5 bis 1,2 mmol/g . 1.5 mmol / g, in particular 0.5 to 1.2 mmol / g.
Bevorzugt handelt es sich bei den amorphen Polykieselsäuren (B) um pyrogene Kieselsäuren, besonders bevorzugt um pyrogene Kie- seisäuren mit hydrophilen Oberflächen, insbesondere um hydrophile pyrogene Kieselsäuren, deren Oberflächen mit Hydroxygrup- pen und/oder Aminogruppen ausgestattet sind. The amorphous polysilicic acids (B) are preferably pyrogenic silicas, particularly preferably pyrogenic silicic acids. acids with hydrophilic surfaces, in particular hydrophilic pyrogenic silicas whose surfaces are provided with hydroxyl groups and / or amino groups.
Die amorphe Polykieselsäure (B) wird im ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Menge von bevorzugt 1 bis 50 Gew.%, besonders bevorzugt 2 bis 35 Gew.%, insbesondere 5 bis 25 Gew.%, jeweils bezogen auf des Gewicht des Polyazols (A) , eingesetzt . The amorphous polysilicic acid (B) is in the first step of the process according to the invention in an amount of preferably 1 to 50 wt.%, Particularly preferably 2 to 35 wt.%, In particular 5 to 25 wt.%, Each based on the weight of the polyazole ( A).
Die erfindungsgemäß eingesetzte amorphe Polykieselsäure (B) kann in Form eines Pulvers oder einer Suspension mit einer beispielsweise auch für die Lösemittelkomponente (C) verwendeten Flüssigkeit eingesetzt werden, wobei der Einsatz in Form eines Pulvers bevorzugt ist. The amorphous polysilicic acid (B) used according to the invention can be used in the form of a powder or a suspension having a liquid which is also used, for example, for the solvent component (C), the use in the form of a powder being preferred.
Bei der erfindungsgemäß eingesetzten Lösemittelkomponente (C) kann es sich um alle polaren aprotischen Lösemittel, die unter den Verfahrensbedingungen nicht mit den weiteren Mischungsbe- standteilen (A) , (B) , (D) und (E) reagieren, Säuren und insbesondere Polysäuren, sofern diese das Polyazol (A) in für das Verfahren ausreichender Menge lösen, sowie deren Gemische mit rheologischen Additiven handeln. The solvent component (C) used in accordance with the invention may be any polar aprotic solvent which does not react with the further mixing constituents (A), (B), (D) and (E) under the process conditions, acids and in particular polyacids, if they solve the polyazole (A) in sufficient amount for the process, as well as their mixtures with rheological additives act.
Die erfindungsgemäß eingesetzten Lösemittelkomponenten (C) enthalten bevorzugt rheologische Additive, The solvent components (C) used according to the invention preferably contain rheological additives,
Bevorzugte Beispiele für Lösemittelkomponente (C) sind N,N- Dimethylacetamid, Dimethylformamid, Dimethylsulfoxid, N- Methylpyrrolidon, Polyphosphorsäure sowie deren Gemische mit rheologischen Additiven, wobei N, N-Dimethylacetamid und Poly- phosphorsäure sowie deren Gemische mit rheologischen Additiven besonders bevorzugt sind. Preferred examples of solvent component (C) are N, N-dimethylacetamide, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone, polyphosphoric acid and mixtures thereof with rheological additives, where N, N-dimethylacetamide and phosphoric acid and mixtures thereof with rheological additives are particularly preferred.
Bei den rheologischen Additiven, die in der Lösemittelkomponen- te (C) enthalten sein können, handelt es sich bevorzugt um solche, die sich in (C) lösen und die Viskosität des Gemischs anpassen. Wenn polare aprotischen Lösemittel verwendet werden, sind die rheologischen Additive bevorzugt Phosphate und Phos- phite, besonders bevorzugt organische Phosphate und Phosphite, wie beispielsweise Diethylhexylphosphat (DEHPA) oder Dibutyl- phosphit, insbesondere Diethylhexylphosphat. Wenn Polyphosphor- säure als Lösemittel verwendet wird, sind die rheologischen Additive bevorzugt Wasser oder Ortho-Phosphorsäure . Diese Additive können im dritten Schritt zusammen mit dem Lösemittel aus dem Film entfernt werden oder sie können im Film verbleiben, was bevorzugt ist. Additive, die im Film verbleiben, können zusätzliche Funktionen haben, beispielsweise als Weichmacher oder als Komponente des Flüssigelektrolyts. The rheological additives which may be present in the solvent component (C) are preferably those which dissolve in (C) and adjust the viscosity of the mixture. If polar aprotic solvents are used, the rheological additives are preferably phosphates and phosphites, particularly preferably organic phosphates and phosphites, for example diethylhexyl phosphate (DEHPA) or dibutylphosphite, in particular diethylhexyl phosphate. When polyphosphoric acid is used as a solvent, the rheological additives are preferably water or ortho-phosphoric acid. These additives may be removed from the film along with the solvent in the third step, or they may remain in the film, which is preferred. Additives that remain in the film can have additional functions, for example, as a plasticizer or as a component of the liquid electrolyte.
Polyphosphorsäure wird häufig als Lösemittel schon bei der Herstellung von Polyazolen verwendet, so dass Polyazol (A) im erfindungsgemäßen Verfahren gegebenenfalls bereits im Gemisch mit Polyphosphorsäure eingesetzt werden kann, falls diese bei der Herstellung des Polyazols nicht vorher abgetrennt wurde, wobei dann die Polyphosphorsäure gegebenenfalls im Gemisch mit Additiven der Komponente (C) entspricht. Polyphosphoric acid is often used as solvent already in the production of polyazoles, so that polyazole (A) in the process according to the invention may optionally be used already in admixture with polyphosphoric acid, if this was not previously separated in the preparation of the polyazole, in which case the polyphosphoric optionally in Mixture with additives of component (C) corresponds.
Die Bezeichnung Lösemittel bedeutet nicht, dass sich alle Mischungskomponenten in diesem vollständig lösen müssen. Die erfindungsgemäß eingesetzte Lösemittelkomponente (C) enthält Additive in Mengen von bevorzugt 0 bis 60 Gew.%, besonders bevorzugt 1 bis 50 Gew.%, insbesondere 5 bis 40 Gew.%. The term solvent does not mean that all components of the mixture must dissolve completely in it. The solvent component (C) used according to the invention contains additives in amounts of preferably 0 to 60% by weight, more preferably 1 to 50% by weight, in particular 5 to 40% by weight.
Die Mischung gemäß erfindungsgemäßem ersten Schritt enthält Lösemittelkomponente (C) in Mengen von bevorzugt 10 bis 99 Gew.%, besonders bevorzugt 30 bis 95 Gew.%, insbesondere 50 bis 90 Gew. %. The mixture according to the first step of the invention contains solvent component (C) in amounts of preferably 10 to 99% by weight, more preferably 30 to 95% by weight, in particular 50 to 90% by weight.
Zusätzlich zu den Komponenten (A) , (B) und (C) können die Mischungen gemäß erfindungsgemäßem ersten Schritt Verbrückungsre- agenzien (D) enthalten, die nach dem zweiten Schritt mit Komponente (A) reagieren und so eine Vernetzung der Komponente (A) bewirken. Solche Verbrückungsreagenzien (D) sind bereits be- kannt und können beispielsweise Verbindungen sein, die gegenüber Ringstickstoffatomen und/oder Endgruppen des Polymers (A) reaktive Gruppen tragen, In addition to the components (A), (B) and (C), the mixtures according to the first step of the invention may contain bridging agents (D) which react with component (A) after the second step and thus crosslink the component (A). cause. Such bridging reagents (D) are already known and may be, for example, compounds which bear reactive groups towards ring nitrogen atoms and / or end groups of the polymer (A),
Beispiele für erfindungsgemäß gegebenenfalls eingesetzte Ver- brückungsreagenzien (D) sind Verbindungen mit mindestens zwei reaktiven Gruppen, wie Diglycidylether, mehrfachfunktionelle organische Säuren oder deren Halogenide und Anhydride, mehrfach halogenierte organische Verbindungen, Dialdehyde oder Di inyl- verbindungen, sowie reaktive Verbindungen, wie beispielsweise Aldehydreagenzien, die mit primären oder sekundären Amino- gruppen am Polymer Methylolbrücken bilden können. Examples of bridging agents (D) which may be used according to the invention are compounds having at least two reactive groups, such as diglycidyl ether, polyfunctional organic acids or their halides and anhydrides, polyhalogenated organic compounds, dialdehydes or di-inyl compounds, and also reactive compounds, such as aldehyde reagents which can form methylol bridges with primary or secondary amino groups on the polymer.
Bevorzugt handelt es sich bei Komponente (D) um Bisphenol-A-di- glycidylether, 1, -Butyldiglycidylether, Ethylenglycoldigly- cidylether, Terephthaldehyd, Divinylsulphon, -Dibrom-p-xylol, 3, 4-Dichlortetrahydrothiophene-l, 1-dioxid, Dichlormethylphos- phonsäure, Paraformaldehyd und Formaldehyd. Component (D) is preferably bisphenol A di-glycidyl ether, 1-butyldiglycidyl ether, ethylene glycol diglycidyl ether, terephthalic aldehyde, divinyl sulphone, dibromo-p-xylene, 3, 4-dichlorotetrahydrothiophene-l, 1-dioxide, dichloromethylphosphonic acid, paraformaldehyde and formaldehyde.
Falls eine Verbindung mit mindestens zwei reaktiven Gruppen als Verbruckungsreagenz (D) im erfindungsgemäßen ersten Schritt eingesetzt wird, handelt es sich um Mengen von vorzugsweise mindestens 0,1 Mol, besonders bevorzugt mindestens 1 Mol, und bevorzugt höchstens 10 Mol, besonders bevorzugt höchstens 5 Mol, jeweils bezogen auf 1 Mol an eingesetztem Polymer (A) . If a compound having at least two reactive groups is used as the bridging reagent (D) in the first step according to the invention, the amounts are preferably at least 0.1 mol, particularly preferably at least 1 mol, and preferably at most 10 mol, particularly preferably at most 5 mol , in each case based on 1 mol of polymer (A) used.
Falls ein Aldehydreagenz als Verbrückungsreagenz (D) im erfindungsgemäßen ersten Schritt eingesetzt wird, dann wird dieses in einer Menge verwendet, dass das molare Verhältnis von Aldehydgruppen in (D) zu primären oder sekundären Aminogruppen in Komponente (A) zwischen 0,1 und 10 liegt, besonders bevorzugt zwischen 0,5 und 8, insbesondere zwischen 1 und 5. If an aldehyde reagent is used as the bridging reagent (D) in the first step according to the invention, this is used in an amount such that the molar ratio of aldehyde groups in (D) to primary or secondary amino groups in component (A) is between 0.1 and 10 , more preferably between 0.5 and 8, in particular between 1 and 5.
Falls Verbrückungsreagenz (D) im erfindungsgemäßen dritten Schritt eingesetzt wird, so geschieht dies bevorzugt in Form von Lösungen oder Gasen, die das Verbrückungsreagenz bevorzugt in einer Konzentration von 1 bis 50 Gew. enthalten und die mit dem Film in Kontakt gebracht werden. If bridging reagent (D) is used in the third step according to the invention, this is preferably carried out in the form of solutions or gases which preferably contain the bridging reagent in a concentration of from 1 to 50% by weight and which are brought into contact with the film.
Verbrückungsreagenzien (D) sind handelsübliche Produkte oder können nach in der Chemie gängigen Verfahren hergestellt werden. Bridging reagents (D) are commercially available products or can be prepared by methods commonly used in chemistry.
Zusätzlich zu den Komponenten (A) , (B) , (C) und gegebenenfalls (D) können nun bei dem erfindungsgemäßen Verfahren weitere Be- standteile (E) eingesetzt werden. Bei den gegebenenfalls eingesetzten weiteren Bestandteilen (E) kann es sich um beliebige und bisher bekannte Stoffe handeln, wie sie z.B. auch bisher im Zusammenhang mit Polyazolen eingesetzt wurden. Beispiele für solche Stoffe (E) sind Zusatzstoffe, welche die Vernetzungsdichte erhöhen; Additive in geringer Konzentration, die dazu dienen können, die Eigenschaften der Oberfläche des Polymerfilms, wie beispielsweise die Oberflächenspannung zu modifizieren; Additive, die die Haltbarkeit der Mischung oder des Films verbessern; oder Zusatzstoffe, die der Prozessoptimierung dienen. In addition to the components (A), (B), (C) and optionally (D), further constituents (E) can now be used in the process according to the invention. In the optionally used further constituents (E) may be any and hitherto known substances act as they have been used for example in connection with polyazoles. Examples of such substances (E) are additives which increase the crosslinking density; Low concentration additives that can serve to modify the properties of the surface of the polymer film, such as surface tension; Additives that improve the durability of the mixture or the film; or additives that serve process optimization.
Beispiele für Zusatzstoffe (E) , die die Vernetzungsdichte erhöhen, sind niedermolekulare oder polymere Vernetzerbausteine o- der Partikel, die nicht auf Polyazolen basieren und die mehr als eine reaktive Gruppe tragen, die im dritten Schritt in das Netzwerk eingebunden werden können. Examples of additives (E) which increase the crosslinking density are low molecular weight or polymeric crosslinker building blocks or particles which are not based on polyazoles and which carry more than one reactive group which can be incorporated into the network in the third step.
Beispiele für bevorzugte niedermolekulare Vernetzerbausteine (E) sind Di-, Tri- und Tetrahydroxyverbindungen, wie Ethyl- englykol, Dihydroxybenzol , Glyzerin, Trihydroxybenzol und Pen- taerythrit, oder Verbindungen mit mehr als zwei Aminogruppen wie Diaminobenzidin oder Melamin. Ein Beispiel für eine Verbindung mit NH- und OH-Gruppen ist Hydroxyanilin . Examples of preferred low molecular weight crosslinker units (E) are di-, tri- and tetrahydroxy compounds, such as ethyleneglycol, dihydroxybenzene, glycerol, trihydroxybenzene and pentaerythritol, or compounds with more than two amino groups, such as diaminobenzidine or melamine. An example of a compound having NH and OH groups is hydroxyaniline.
Beispiele für Additive (E) sind Tenside, Haftvermittler oder Konservierungsstoffe. Examples of additives (E) are surfactants, adhesion promoters or preservatives.
Beispiele für Zusatzstoffe (E) , die der Prozessoptimierung dienen, sind Katalysatoren, Initiatoren bzw. Radikalbildner oder Stabilisatoren . Art und Menge der gegebenenfalls eingesetzten weiteren Bestandteile (E) hängen in erster Linie von den speziellen Applikationen bzw. -bedingungen der erfindungsgemäßen bzw. erfindungsgemäß hergestellten Polymere ab. Examples of additives (E) which serve for process optimization are catalysts, initiators or free-radical formers or stabilizers. The type and amount of further constituents (E) which may be used depend primarily on the specific applications or conditions of the polymers according to the invention or those prepared according to the invention.
Die Mischung gemäß erfindungsgemäßem ersten Schritt enthält weitere Bestandteile {E)in Mengen von bevorzugt 0 bis 30 Gew.%, besonders bevorzugt 0 bis 10 Gew.%. Im ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens werden außer den Zusatzstoffen (E) , die der Prozessoptimierung dienen, bevorzugt keine weitere Bestandteile (E) eingesetzt. The mixture according to the first step of the invention contains further constituents {E) in amounts of preferably 0 to 30% by weight, particularly preferably 0 to 10% by weight. In the first step of the process according to the invention, preference is given to using no further constituents (E) apart from the additives (E) which serve for process optimization.
Bei den erfindungsgemäß eingesetzten Komponenten kann es sich jeweils um eine Art einer solchen Komponente wie auch um ein Gemisch aus mindestens zwei Arten einer jeweiligen Komponente handeln. The components used according to the invention may each be one type of such a component as well as a mixture of at least two types of a respective component.
Eine bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens (Variante 1) ist dadurch gekennzeichnet, dass A preferred variant of the method according to the invention (variant 1) is characterized in that
in einem ersten Schritt in a first step
eine Mischung enthaltend Polyazole (A) , amorphe Polykieselsäure (B) , Lösemittelkomponente (C) , Verbrückungsreagenz en (D) und gegebenenfalls weitere Stoffe (E) hergestellt wird, a mixture comprising polyazoles (A), amorphous polysilicic acid (B), solvent component (C), bridging agents (D) and optionally further substances (E) is prepared,
in einem zweiten Schritt in a second step
die im ersten Schritt erhaltene Mischung auf einen Träger aufgetragen wird the mixture obtained in the first step is applied to a support
und and
in einem dritten Schritt in a third step
Polyazol (A) mit dem Verbrückungsreagenz (D) reagieren gelassen wird, wobei gegebenenfalls Lösemittelkomponente ganz oder teilweise entfernt wird. Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgetnäßen Verfahrens {Variante 2) ist dadurch gekennzeichnet, dass Polyazole (A) is reacted with the bridging reagent (D), wherein any solvent component is partially or completely removed. A further preferred variant of the process according to the invention {variant 2) is characterized in that
in einem ersten Schritt in a first step
eine Mischung enthaltend Polyazol (A) , amorphe Polykieselsäure (B) , Lösemittelkomponente (C) und gegebenenfalls weitere Stoffe (E) hergestellt wird, a mixture containing polyazole (A), amorphous polysilicic acid (B), solvent component (C) and optionally further substances (E) is prepared,
in einem zweiten Schritt in a second step
die im ersten Schritt erhaltene Mischung auf einen Träger aufgetragen wird the mixture obtained in the first step is applied to a support
und and
in einem dritten Schritt in a third step
der im zweiten Schritt erhaltene Film mit dem Verbrückungsrea- genz (D) in Kontakt gebracht und Polyazol (A) mit Verbrückungs- reagenz (D) reagieren gelassen wird, wobei gegebenenfalls Lösemittelkomponente ganz oder teilweise entfernt wird. the film obtained in the second step is brought into contact with the bridging reagent (D) and polyazole (A) is reacted with bridging reagent (D), with any solvent component being wholly or partly removed.
Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens (Variante 3) ist dadurch gekennzeichnet, dass A further preferred variant of the method according to the invention (variant 3) is characterized in that
in einem ersten Schritt in a first step
eine Mischung enthaltend Polyazol (A) , amorphe Polykieselsäure (B) , Lösemittelkomponente (C) und gegebenenfalls weitere Stoffe (E) hergestellt wird, a mixture containing polyazole (A), amorphous polysilicic acid (B), solvent component (C) and optionally further substances (E) is prepared,
in einem zweiten Schritt in a second step
die im ersten Schritt erhaltene Mischung auf einen Träger auf- getragen wird the mixture obtained in the first step is applied to a support
und and
in einem dritten Schritt in a third step
die Lösemittelkomponente (C) ganz oder teilweise entfernt wird und der so erhaltene Polymerfilm in Anwesenheit von Sauerstoff auf eine Temperatur im Bereich von 200 bis 500°C erhitzt wird. the solvent component (C) is completely or partially removed and the resulting polymer film is heated in the presence of oxygen to a temperature in the range of 200 to 500 ° C.
Die Mischung gemäß erstem Schritt der erfindungsgemäßen Varianten 1 bis 3 kann durch an sich bekannte Verfahren hergestellt werden, wie beispielsweise durch einfaches Vermischen der einzelnen Bestandteile sowie gegebenenfalls Rühren, .wobei bevorzugt Polyazol (A) mit Lösemittelkomponente (C) bzw. dem Lösemittel aus Komponente (C) zu einer Vormischung ( ) vermischt wird, in die dann die amorphe Polykieselsäure (B) , z.B. als Pulver oder als Suspension möglichst homogen eingearbeitet wird. The mixture according to the first step of variants 1 to 3 according to the invention can be prepared by methods known per se are mixed, for example by simply mixing the individual constituents and, if appropriate, stirring., Whereby preferably polyazole (A) with solvent component (C) or the solvent from component (C) is mixed to form a premix (10) into which the amorphous polysilicic acid ( B), for example, as homogeneously as possible incorporated as a powder or as a suspension.
Falls die Lösemittelkomponente (C) rheologische Additive ent- hält, können diese zusammen mit dem Lösemittel oder getrennt bei der Herstellung der Vormischung ( ) eingesetzt werden. If the solvent component (C) contains rheological additives, these may be used together with the solvent or separately in the preparation of the premix (16).
Die übrigen Bestandteile werden bevorzugt in beliebiger Reihenfolge nach dem Homogenisieren zugesetzt. Dazu können die weite- ren Bestandteile, wie das in Variante 1 eingesetzte Verbrü- ckungsreagenz (D) oder gegebenenfalls eingesetzte weitere Stoffe (E) getrennt in einem Teil der Lösemittelkomponente (C) bzw. dem Lösemittel aus Komponente (C) gelöst und dann der Mischung aus (M) und (B) zugesetzt werden. The remaining ingredients are preferably added in any order after homogenization. For this purpose, the further constituents, such as the bridging reagent (D) used in variant 1 or optionally used further substances (E), can be dissolved separately in a part of the solvent component (C) or the solvent from component (C) and then Mixture of (M) and (B) are added.
Zur Herstellung der Vormischung (M) im ersten Schritt der erfindungsgemäßen Varianten 1 bis 3 wird die Mischung bevorzugt so lange gerührt, bis sich das Polyazol (A) vorzugsweise zu mehr als 90 Gew.%, besonders bevorzugt vollständig, in der Lö- semittelkomponente (C) bzw. dem Lösemittel aus Komponente (C) gelöst hat. Die Herstellung dieser Vormischung (M) im erfindungsgemäßen ersten Schritt wird bei Temperaturen von bevorzugt 50 bis 350°C, besonders bevorzugt 100 bis 300°C, insbesondere 150 bis 250°C, durchgeführt. Falls Polyazol nur mit Lösemittel vermischt wurde, können die rheologischen Additive im Anschluss an den Lösevorgang eingesetzt werden, wobei diese dann bevorzugt nach Abkühlen auf Raumtemperatur eingerührt werden. Danach wird die amorphe Polykieselsäure (B) möglichst homogen in die Vormischung (M) eingearbeitet. Dazu müssen gegebenenfalls die Agglomerate der amorphen Polykieselsäuren aufgebro- chen werden. Zu diesem Zweck wird bevorzugt ein evakuierbares Mischaggregat verwendet, in dem die Mischung unter reduziertem Druck von bevorzugt 10 bis 800 mbar, besonders bevorzugt 50 bis 500 mbar, mit einem ausreichend hohen Energieeintrag vermengt wird, der experimentell zu ermitteln ist. Das Vermischen kann auch über diskontinuierliche und/oder kontinuierl che Mischaggregate, wie beispielsweise Kneter, Dissolver oder Planetenmischer erfolgen. To prepare the premix (M) in the first step of variants 1 to 3 according to the invention, the mixture is preferably stirred until the polyazole (A) is preferably more than 90% by weight, particularly preferably completely, in the solvent component ( C) or the solvent from component (C) has dissolved. The preparation of this premix (M) in the first step according to the invention is carried out at temperatures of preferably from 50 to 350.degree. C., more preferably from 100 to 300.degree. C., in particular from 150 to 250.degree. If polyazole was mixed only with solvent, the rheological additives can be used after the dissolution process, which are then stirred in preferably after cooling to room temperature. Thereafter, the amorphous polysilicic acid (B) is incorporated as homogeneously as possible into the premix (M). If necessary, the agglomerates of the amorphous polysilicic acids must be broken up. For this purpose, an evacuable mixing unit is preferably used, in which the mixture is mixed under reduced pressure of preferably 10 to 800 mbar, more preferably 50 to 500 mbar, with a sufficiently high energy input, which is to be determined experimentally. The mixing can also be carried out by means of batchwise and / or continuous mixing units, such as kneaders, dissolvers or planetary mixers.
Eine erhöhte Viskosität der Vormischung (M) mit amorpher Po- lykieselsäure (B) erleichtert das Aufbrechen der Agglomerate der amorphen Polykieselsäure. Bevorzugt sind Viskositäten von (M)+(B) im Bereich von 0,1 Pas bis einige hundert Pas, die auf das jeweilige Mischverfahren angepasst werden müssen. Die Anpassung der Viskosität geschieht vorzugsweise über den Lösemit- telgehalt der Vormischung (M) , geeignete Additive zum Lösemittel und die Temperatur während des Mischprozesses. Das Einarbeiten der amorphen Polykieselsäure (B) in die Vormischung (M) wird bevorzugt im Temperaturbereich von 0 bis 100 °C durchgeführt, falls in diesem Bereich eine geeignete Viskosität der Mischung erreichbar ist. An increased viscosity of the premixture (M) with amorphous polysilicic acid (B) facilitates the breaking up of the agglomerates of the amorphous polysilicic acid. Preference is given to viscosities of (M) + (B) in the range from 0.1 Pas to a few hundred Pas, which must be adapted to the particular mixing process. The viscosity is preferably adjusted via the solvent content of the premix (M), suitable additives for the solvent and the temperature during the mixing process. The incorporation of the amorphous polysilicic acid (B) into the premix (M) is preferably carried out in the temperature range from 0 to 100 ° C, if in this range a suitable viscosity of the mixture can be achieved.
Das Hinzufügen der gegebenenfalls restlichen Bestandteile zur Mischung von (M) mit (B) im ersten Schritt der erfindungsgemäßen Varianten 1 bis 3 kann bei den Temperaturen, bei denen die Vormischung (M) hergestellt wurde, erfolgen oder bei höheren oder niedrigeren Temperaturen, wobei das gegebenenfalls eingesetzte Verbrückungsreagenz (D) bevorzugt bei niedrigen Tempera- turen, wie etwa 10 bis 40°C, zugesetzt wird, um vorzeitige Reaktionen zu vermeiden. The addition of the optionally remaining constituents to the mixture of (M) with (B) in the first step of variants 1 to 3 according to the invention can be carried out at the temperatures at which the premix (M) was prepared or at higher or lower temperatures, the optionally used bridging reagent (D) preferably at low temperature acids, such as 10 to 40 ° C, to avoid premature reactions.
Der erfindungsgemäße 1, Schritt wird bei den Varianten 1 bis 3 bevorzugt beim Druck der umgebenden Atmosphäre, also 900 bis 1100 hPa, durchgeführt mit Ausnahme der Einarbeitung der amorphen Polykieselsäure (B) , die vorzugsweise bei niedrigeren Drücken von bevorzugt 10 bis 800 mbar, besonders bevorzugt 50 bis 500 mbar, geschieht. Er kann aber auch bei niedrigeren oder hö- heren Drücken durchgeführt werden. The inventive step 1, in the variants 1 to 3 preferably at the pressure of the surrounding atmosphere, ie 900 to 1100 hPa, carried out with the exception of the incorporation of amorphous polysilicic acid (B), preferably at lower pressures of preferably 10 to 800 mbar, especially preferably 50 to 500 mbar, happens. It can also be performed at lower or higher pressures.
Die bei 900 bis 1100 hPa durchgeführten Teilschritte des ersten Schritts der erfindungsgemäßen Varianten 1 bis 3 werden bevorzugt in Inertgasatmosphäre, wie etwa unter Argon- oder Stick- stoff -Spülung durchgeführt. The partial steps of the first step of the inventive variants 1 to 3 carried out at 900 to 1100 hPa are preferably carried out in an inert gas atmosphere, such as under argon or nitrogen purge.
Der erfindungsgemäße erste Schritt der Varianten 1 bis 3 kann kontinuierlich oder diskontinuierlich durchgeführt werden. The first step of variants 1 to 3 according to the invention can be carried out continuously or batchwise.
Bei der Mischung gemäß erstem Schritt der erfindungsgemäßen Va¬ rianten 1 bis 3 handelt es sich bevorzugt um eine Suspension oder eine Paste. Im Fall der Suspension sind vorzugsweise das Polyazol (A) sowie gegebenenfalls eingesetzte Verbrückungsrea- genzien (D) und/oder weitere Stoffe (E) in der Lösemittelkompo- nente (C) gelöst und die amorphe Polykieselsäure (B) ist in dem als kontinuierliche Phase dienenden Lösemittel dispergiert. Besonders bevorzugt handelt es sich bei der Mischung des ersten Schritts um eine Suspension mit einer honigartigen Viskosität im Bereich von 1 bis 100 Pas. Das Auftragen der im erfindungsgemäßen ersten Schritt erhaltenen Mischung auf einen Träger kann mit allen geeigneten, bisher bekannten diskontinuierlichen und kontinuierlichen Auftragsverfahren durchgeführt werden. Bevorzugt erfolgt das Auftragen durch Ausgießen der Mischung auf einem planaren Substrat, durch Auftrag mit einer Walze oder Breitschlitzdüse oder durch das Rakelverfahren. Das gewählte Auftragsverfahren richtet sich dabei auch nach der angestrebten Schichtdicke des trockenen Polymerfilms gemäß erfindungsgemäßem dritten Schritt der Varianten 1 bis 3. In the mixture according to the first step of Va ¬ variants 1 to 3 according to the invention is preferably a suspension or a paste. In the case of the suspension, preferably the polyazole (A) and optionally used bridging reagents (D) and / or further substances (E) are dissolved in the solvent component (C) and the amorphous polysilicic acid (B) is in the continuous phase serving solvent dispersed. The mixture of the first step is particularly preferably a suspension having a honey-type viscosity in the range from 1 to 100 Pas. The application of the mixture obtained in the first step of the invention on a support can be carried out with all suitable, previously known discontinuous and continuous application methods. Preferably, the application is carried out by pouring the mixture on a planar substrate, by application with a roller or slot die or by the doctor blade method. The chosen application method also depends on the desired layer thickness of the dry polymer film according to the third step of variants 1 to 3 according to the invention.
Beispiele für Träger, die im zweiten Schritt der erfindungsgemäßen Varianten 1 bis 3 eingesetzt werden können, sind alle bisher bekannten Träger, die von den erfindungsgemäßen Mischun- gen gut benetzt werden, weitgehend resistent gegenüber den in den Mischungen enthaltenen Komponenten sind und Formstabilität im angewendeten Temperaturbereich aufweisen. Beispiele für solche Träger sind Polymerfilme, wie Poly (ethylenterephthalat) - , Polyimid- , Polyethylenimid- , Polytetrafluorethylen- und Polyvi- nylidenfluorid-Folien, Metalloberflächen, wie beispielsweise Bänder aus rostfreiem Stahl, Glasoberflächen sowie siliconi- sierte Papiere. Examples of carriers which can be used in the second step of variants 1 to 3 according to the invention are all previously known carriers which are well wetted by the mixtures according to the invention, are largely resistant to the components contained in the mixtures and dimensional stability in the temperature range used exhibit. Examples of such carriers are polymer films such as poly (ethylene terephthalate), polyimide, polyethyleneimide, polytetrafluoroethylene and polyvinylidene fluoride films, metal surfaces such as stainless steel strips, glass surfaces and siliconized papers.
Insbesondere wenn der Polymerfilm nach der Herstellung vom Trä- ger abgelöst werden soll, sind Träger bevorzugt, die gegenüber der Mischung gemäß erstem Schritt der erfindungsgemäßen Varianten 1 bis 3 chemisch inert sind. In particular, when the polymer film is to be detached from the carrier after production, carriers are preferred which are chemically inert to the mixture according to the first step of variants 1 to 3 according to the invention.
Wird im zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Träger verwendet, welcher nach dem erfindungsgemäßen dritten Schritt nicht entfernt wird, beispielsweise ein Gewebe, Vlies oder Textil, so erhält man eine Beschichtung . Bevorzugt sind in einem solchen Fall Substrate, welche aufgrund von enthaltenen reaktiven Gruppen, wie beispielsweise Hydroxy- oder Aminogrup- pen, eine kovalente Anbindung der Beschichtung auf das Substrat durch das Verbrückungsreagenz (D) erlauben. If, in the second step of the process according to the invention, a carrier is used which is not removed after the third step according to the invention, for example a woven, nonwoven or textile, a coating is obtained. Preferred are in In such a case, substrates which, owing to the presence of reactive groups, such as, for example, hydroxyl or amino groups, allow covalent attachment of the coating to the substrate by the bridging reagent (D).
Wenn der Träger nicht entfernt wird, kann er eine Funktion haben, die Teil der Anwendung des erfindungsgemäßen Polymerfilms ist. Beispielsweise kann im Fall der Herstellung einer semipermeablen Membran die Mischung auf einen offenporigen Film oder ein Stützgewebe aufgetragen werden. Bei der Anwendung als If the carrier is not removed, it may have a function which is part of the application of the polymer film of the invention. For example, in the case of manufacturing a semi-permeable membrane, the mixture may be applied to an open-pored film or backing fabric. When used as
Brennstoffzellenmembran kann die Mischung direkt auf die Gas- diffusionslage bzw. die darauf vorhandene Elektrode aufgebracht werden , Fuel cell membrane, the mixture can be applied directly to the gas diffusion layer or the electrode thereon,
Bevorzugt handelt es sich bei den eingesetzten Trägern um solche, die von der Mischung gemäß erstem Schritt der erfindungs- gemäßen Varianten 1 bis 3 benetzt werden, wobei der Kontaktwinkel der Mischung auf dem Träger bevorzugt kleiner als 90° , besonders bevorzugt kleiner als 30° ist, jeweils gemessen mit Inertgas als umgebender Phase. The carriers used are preferably those which are wetted by the mixture according to the first step of the inventive variants 1 to 3, wherein the contact angle of the mixture on the carrier is preferably less than 90 °, particularly preferably less than 30 ° , each measured with inert gas as the surrounding phase.
Der erfindungsgemäße zweite Schritt kann bei den Varianten 1 bis 3 kontinuierlich oder diskontinuierlich durchgeführt werden. The second step according to the invention can be carried out continuously or discontinuously in variants 1 to 3.
Für kontinuierliche Auftragverfahren werden bevorzugt Polymerfilme, wie beispielsweise Folien aus Poly (ethylenterephthalat) , oder Metallbänder, wie beispielsweise rostfreier Stahl, verwendet. Für das diskontinuierliche Verfahren werden bevorzugt Glasplatten verwendet. Der zweite Schritt der erfindungsgemäßen Varianten 1 bis 3 wird bevorzugt beim Druck der umgebenden Atmosphäre, also 900 bis 1100 hPa, durchgeführt. Er kann aber auch bei niedrigeren oder höheren Drücken durchgeführt werden. For continuous application methods, polymer films such as poly (ethylene terephthalate) films or metal strips such as stainless steel are preferably used. For the batch process, glass plates are preferably used. The second step of variants 1 to 3 according to the invention is preferably carried out at the pressure of the surrounding atmosphere, ie 900 to 1100 hPa. It can also be performed at lower or higher pressures.
Der zweite Schritt der erfindungsgemäßen Varianten 1 bis 3 wird bevorzugt bei Temperaturen unter dem Siedepunkt des Lösemittels (C) , besonders bevorzugt im Temperaturbereich von 10 bis 80°C, insbesondere 15 bis 40°C, durchgeführt. Falls eine Polysäure als Lösemittelkomponente (C) verwendet wird, wird das Auftragen der Mischung auf den Träger bevorzugt im Temperaturbereich von 150 bis 200°C durchgeführt. The second step of variants 1 to 3 according to the invention is preferably carried out at temperatures below the boiling point of the solvent (C), particularly preferably in the temperature range from 10 to 80 ° C., in particular 15 to 40 ° C. If a polyacid is used as the solvent component (C), the application of the mixture to the support is preferably carried out in the temperature range of 150 to 200 ° C.
Der zweite Schritt der erfindungsgemäßen Varianten 1 bis 3 wird bevorzugt an Luft in einer staubarmen Umgebung oder in einerThe second step of variants 1 to 3 according to the invention is preferably carried out in air in a low-dust environment or in a
Reinraumumgebung durchgeführt, was zur Sicherung einer konstanten Filmqualität beiträgt. Clean room environment, which helps to ensure a constant film quality.
Falls Komponente (C) in der Mischung aus dem ersten Schritt ein polares aprotisches Lösemittel enthält, wird dieses vorzugsweise im dritten Schritt der erfindungsgemäßen Varianten 1 bis 3 ganz oder teilweise entfernt. Falls Komponente (C) in der Mischung aus dem ersten Schritt eine Polysäure als Lösemittel enthält, verbleibt diese vorzugsweise im Film und wird gegebe- nenfalls später durch Hydrolyse in eine Säure umgewandelt. If component (C) contains a polar aprotic solvent in the mixture from the first step, this is preferably completely or partially removed in the third step of variants 1 to 3 according to the invention. If component (C) in the mixture of the first step contains a polyacid as solvent, it preferably remains in the film and, if appropriate, is later converted into an acid by hydrolysis.
Falls im dritten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens Lösemittel entfernt werden sollen, dann können die üblichen nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Trocknung heran- gezogen werden. Dabei wird der Polymerfilm bevorzugt soweit er- wärmt, dass das Lösemittel oder Lösemittelgemisch entweicht ohne Gasblasen im Film zu bilden. If solvents are to be removed in the third step of the process according to the invention, then the customary processes known from the prior art for drying can be used. In this case, the polymer film is preferably used as far as heats the solvent or solvent mixture escapes without forming gas bubbles in the film.
Das Trocknen des Films im dritten Schritt der erfindungsgemäßen Variante 1 wird vorzugsweise bei Temperaturen unterhalb desThe drying of the film in the third step of variant 1 according to the invention is preferably carried out at temperatures below the
Siedepunktes des Lösemittels (C) durchge ührt, bevorzugt bei 40 bis 150°C, besonders bevorzugt bei 60 bis 130°C, insbesondere bei Temperaturen, bei der eine Vernetzungsreaktion nicht oder nur verzögert stattfindet. Das Trocknen kann dabei durch Redu- zierung des Umgebungsdrucks unter 900 hPa beschleunigt werden. Durch nachfolgendes Erhöhen der Temperatur bis auf vorzugsweise maximal 250°C, besonders bevorzugt maximal 200 °C, kann die Reaktion des Polyazols (A) mit dem Verbrückungsreagenz (D) gestartet bzw. beschleunigt werden. Boiling point of the solvent (C) carried out, preferably at 40 to 150 ° C, more preferably at 60 to 130 ° C, especially at temperatures at which a crosslinking reaction is not or only delayed takes place. Drying can be accelerated by reducing the ambient pressure below 900 hPa. By subsequently increasing the temperature to preferably not more than 250 ° C., more preferably not more than 200 ° C., the reaction of the polyazole (A) with the bridging reagent (D) can be started or accelerated.
Im erfindungsgemäßen dritten Schritt der Verf hrensvariante 2 wird Verbrückungsreagenz (D) zugegeben um so die Reaktion des Polyazols (A) mit dem Verbrückungsreagenz (D) zu ermöglichen, wobei die gegebenenfalls durchgeführte Trocknung vor oder nach Zugabe der Komponente (D) erfolgen kann. Falls im dritten In the third step of Inventive Variant 2 according to the invention, bridging reagent (D) is added in order to allow the reaction of the polyazole (A) with the bridging reagent (D), wherein the optionally carried out drying can be carried out before or after addition of the component (D). If in the third
Schritt der Verfahrensvariante 2 Lösungsmittel ganz oder teilweise entfernt werden soll, erfolgt dies bevorzugt vor Zugabe von Verbrückungsreagenz (D) . Step of the process variant 2 solvent is to be removed wholly or partially, this is preferably done before addition of bridging reagent (D).
Das Trocknen des Films im dritten Schritt der erfindungsgemäßenThe drying of the film in the third step of the invention
Variante 2 wird bevorzugt bei Temperaturen von 40 bis 250°C, besonders bevorzugt bei 80 bis 200°C, insbesondere bei 80 bis 150°C, durchgeführt. Durch Reduzierung des Umgebungsdrucks unter 900 hPa kann das Trocknen beschleunigt werden. Falls der Film erst nach Zugabe der Komponente (D) getrocknet werden soll, was nicht bevorzugt ist, werden eher niedrigere Tempera- turen gewählt, bei denen eine Vernetzungsreaktion noch nicht oder nur verzögert stattfindet. Variant 2 is preferably carried out at temperatures of 40 to 250 ° C, particularly preferably at 80 to 200 ° C, in particular at 80 to 150 ° C. By reducing the ambient pressure below 900 hPa, drying can be accelerated. If the film is to be dried only after addition of component (D), which is not preferred, rather lower chosen in which a crosslinking reaction is not or only delayed takes place.
Im erfindungsgemäßen dritten Schritt der Verfahrensvariante 2 wird Verbrückungsreagenz (D) zugegeben, beispielsweise durch Eintauchen, Besprühen oder durch Begasen des im zweiten In the third step of process variant 2 according to the invention, bridging reagent (D) is added, for example by immersion, spraying or by gassing in the second
Schritt, gegebenenfalls nach vorangehender Trocknung, erhaltenen Polymerfilms . Anschließend kann die Vernetzungsreaktion durch eine Temperaturerhöhung bis auf vorzugsweise maximal 250°C, besonders bevorzugt maximal 200 °C beschleunigt werden. Step, optionally after prior drying, polymer film obtained. Subsequently, the crosslinking reaction can be accelerated by raising the temperature to preferably not more than 250 ° C., more preferably not more than 200 ° C.
Bevorzugt wird dabei im erfindungsgemäßen dritten Verfahrensschritt der Variante 2 der gegebenenfalls ganz oder teilweise getrocknete Film auf dem Träger oder als selbsttragender Film in ein Bad, das ein Verbrückungsreagenz (D) enthält, eingetaucht. Das Bad ist bevorzugt eine polare Flüssigkeit, wie beispielsweise Wasser oder eine Säure wie beispielsweise Orthophosphorsäure, in der bevorzugt 1 bis 50 Gew.%, besonders bevorzugt 2 bis 40 Gew.%, Verbrückungsreagenz (D) gelöst sind. Das Bad kann weitere Additive, wie beispielsweise Alkohole, in Mengen von bevorzugt 0 bis 50 Gew.%, besonders bevorzugt 0 bis 20 Gew.%, enthalten, die dazu dienen können, die Stabilität der Lösung zu verbessern. Statt eines Verbrückungsreagenz (D) kann das Bad auch Radikalbildner bzw. Initiatoren (E) , welche die Vernetzungsreaktion starten, in Mengen von bevorzugt 1 bis 40 Gew.%, besonders bevorzugt 2 bis 20 Gew.%, enthalten. Besonders bevorzugt sind Bäder, die eine mit Alkohol stabilisierte Forma- linlösung enthalten oder eine wässrige Lösung aus 85 Gew.%iger Ortho- hosphorsäure mit Paraformaldehyd . Preferably, in the third process step of variant 2 according to the invention, the optionally completely or partially dried film is immersed on the support or as a self-supporting film in a bath containing a bridging reagent (D). The bath is preferably a polar liquid, such as, for example, water or an acid, for example orthophosphoric acid, in which preferably 1 to 50% by weight, particularly preferably 2 to 40% by weight, of bridging reagent (D) are dissolved. The bath may contain further additives, such as, for example, alcohols, in amounts of preferably 0 to 50% by weight, particularly preferably 0 to 20% by weight, which may serve to improve the stability of the solution. Instead of a bridging reagent (D), the bath may also contain radical formers or initiators (E) which initiate the crosslinking reaction in amounts of preferably from 1 to 40% by weight, particularly preferably from 2 to 20% by weight. Particular preference is given to baths which contain an alcohol-stabilized formaldehyde solution or an aqueous solution of 85% by weight orthophosphoric acid with paraformaldehyde.
Das erfindungsgemäß eingesetzte Bad hat eine Temperatur von vorzugsweise unter 200°C, besonders bevorzugt 20 bis 160°C, insbesondere 35 bis 130°C, wobei höhere Temperaturen sowohl die Diffusion des Verbrückungsreagenz (D) oder der Radikalbildner bzw. Initiatoren (E) in den Film als auch die Vernetzungsreaktion beschleunigen. The bath used according to the invention has a temperature of preferably below 200 ° C., particularly preferably 20 to 160 ° C., in particular 35 to 130 ° C, wherein higher temperatures accelerate both the diffusion of the bridging reagent (D) or the radical initiators (E) in the film and the crosslinking reaction.
Das Eintauchen in das Bad kann in Inertgasatmosphäre, wie etwa unter Argon- oder Stickstoff-Spülung, oder auch in Anwesenheit von Sauerstoff durchgeführt werden, beispielsweise an Luft. Immersion in the bath may be carried out in an inert gas atmosphere, such as under argon or nitrogen purge, or even in the presence of oxygen, for example in air.
Die notwendige Dauer der Behandlung des Films mit Verbrückungs- reagenzien (D) im erfindungsgemäßen dritten Schritt der Varian¬ te 2 ist durch die Diffusionsgeschwindigkeit des Verbrückungsreagenz (D) in den Film bestimmt und kann nicht pauschal angegeben werden. Die optimale Dauer kann abhängig von der Tempera- tur, der Konzentration des Verbrückungsreagenz im Bad und der Materialzusammensetzung und Dicke des Films jeweils experimentell bestimmt werden. The necessary duration of the treatment of the film with Verbrückungs- reagents (D) in the third step, the invention Varian ¬ te 2 is formed by the diffusion rate of the bridging reagent (D) is determined in the film and can not be sweepingly. The optimum duration can be determined experimentally depending on the temperature, the concentration of the bridging reagent in the bath and the material composition and thickness of the film.
Die erfindungsgemäße Reaktion im dritten Schritt der Varianten 1 und 2 wird bevorzugt in einer Inertgasatmosphäre, wie etwa unter Argon- oder Stickstoff -Spülung, durchgeführt, kann gegebenenfalls jedoch auch in Anwesenheit von Sauerstoff, bei¬ spielsweise an Luft, durchgeführt werden. The reaction of the invention in the third step of the variants 1 and 2 is preferably carried out in an inert gas atmosphere, such as under argon or nitrogen purge, but can optionally also in the presence of oxygen at ¬ play, in air, to be performed.
Das Trocknen des Films im dritten Schritt der erfindungsgemäßen Variante 3 wird bevorzugt bei Temperaturen von 40 bis 250°C, besonders bevorzugt bei 80 bis 200°C, insbesondere bei 80 bis 150°C, durchgeführt. Durch Reduzierung des Umgebungsdrucks unter 900 hPa kann das Trocknen beschleunigt werden. Anschließend kann der getrocknete Film vom Träger abgelöst werden oder, wenn der Träger eine ausreichende thermische Stabilität besitzt, auf diesem verbleiben. The drying of the film in the third step of variant 3 according to the invention is preferably carried out at temperatures of 40 to 250 ° C, more preferably at 80 to 200 ° C, in particular at 80 to 150 ° C. By reducing the ambient pressure below 900 hPa, drying can be accelerated. Subsequently, the dried film can be detached from the carrier or, if the carrier has sufficient thermal stability to remain on this.
Das Erhitzen des Polymerfilms auf 200°C bis 500°C im dritten Schritt der erfindungsgemäßen Variante 3 kann nach beliebigen und bisher bekannten Verfahren erfolgen, wie beispielsweise in einem Heißluftofen oder durch Kontakt mit heißen Oberflächen. The heating of the polymer film at 200 ° C. to 500 ° C. in the third step of variant 3 according to the invention can be carried out by any desired methods known hitherto, for example in a hot-air oven or by contact with hot surfaces.
Die maximale Temperatur im erfindungsgemäßen dritten Schritt der erfindungsgemäßen Variante 3 wird in erster Linie durch die Stabilität des Polymers und die Wirtscha tlichkeit des Verfahrens begrenzt. Sie liegt bevorzugt im Bereich von 250 und 400°C, besonders bevorzugt 300 bis 400°C. The maximum temperature in the third step of variant 3 according to the invention is limited primarily by the stability of the polymer and the economy of the process. It is preferably in the range of 250 and 400 ° C, particularly preferably 300 to 400 ° C.
Die maximale Dauer des Erhitzens im erfindungsgemäßen dritten Schritt der erfindungsgemäßen Variante 3 ist hauptsächlich durch wirtscha tliche Aspekte begrenzt. Das Tempern erfolgt über einen Zeitraum von bevorzugt 1 Sekunde bis 24 Stunden, besonders bevorzugt 1 Minute bis 10 Stunden, insbesondere 1 bis 4 Stunden. The maximum duration of the heating in the third step of variant 3 according to the invention is limited primarily by economic aspects. Annealing takes place over a period of preferably 1 second to 24 hours, more preferably 1 minute to 10 hours, in particular 1 to 4 hours.
Das Erhitzen des Polymerfilms auf die maximale Temperatur im dritte Schritt der erfindungsgemäßen Variante 3 wird in Anwesenheit von Sauerstoff durchgeführt, wobei bevorzugt ein Gasge- misch verwendet wird, das mehr als 1 Gew.% Sauerstoff, besonders bevorzugt mehr als 5 Gew.% Sauerstoff, insbesondere mehr als 10 Gew.% Sauerstoff, enthält. Das Erhitzen des Polymerfilms auf die maximale Temperatur im dritten Schritt der erfindungs- gemäßen Variante 3 wird ganz besonders bevorzugt in Anwesenheit von Luft durchgeführt. Die gewünschte Dicke des Polymerfilms nach dem dritten Schritt der Verfahrensvarianten 1 bis 3 hängt von den Anforderungen der jeweiligen Anwendung ab. Als semipermeable Membranen werden dünne Schichten zwischen 1 und 20 bevorzugt, insbesondere wenn der Film von einem porösen Träger mechanisch gestützt wird. Als selbsttragender Film, wie beispielsweise bei der Anwendung als Polymerelektrolytmembran, beträgt die Dicke des trockenen Polymerfilms bevorzugt zwischen 20 und 200 pm. Falls der Polymerfilm nach dem dritten Schritt Polyphosphorsäure ent- hält, beträgt die Filmdicke bevorzugt zwischen 30 und 500 μιτι. The heating of the polymer film to the maximum temperature in the third step of variant 3 according to the invention is carried out in the presence of oxygen, preferably using a gas mixture which contains more than 1% by weight of oxygen, more preferably more than 5% by weight of oxygen, in particular more than 10% by weight of oxygen. The heating of the polymer film to the maximum temperature in the third step of the inventive variant 3 is most preferably carried out in the presence of air. The desired thickness of the polymer film after the third step of process variants 1 to 3 depends on the requirements of the particular application. As semipermeable membranes, thin layers between 1 and 20 are preferred, especially when the film is mechanically supported by a porous support. As a self-supporting film, such as when used as a polymer electrolyte membrane, the thickness of the dry polymer film is preferably between 20 and 200 pm. If the polymer film contains polyphosphoric acid after the third step, the film thickness is preferably between 30 and 500 μm.
Bevorzugt werden im erfindungsgemäßen dritten Schritt der Verfahrensvarianten 1 bis 3 Polymerfilme mit einer Dicke von 1 bis 500 μιη, besonders bevorzugt von 5 bis 200 μιτι, hergestellt. 1 to 3 polymer films with a thickness of 1 to 500 μιη, more preferably from 5 to 200 μιτι, preferably produced in the third step of the process variants according to the invention.
Sobald der Polymerfilm eine ausreichende mechanische Stabilität besitzt, kann dieser vom Träger abgelöst werden. Dies kann nach Beendigung des dritten Schritts oder nach dem gegebenenf lls durchgeführten Trocknen im dritten Schritt erfolgen. Der Poly- merfilm kann auch auf dem Träger verbleiben, falls dies für dieAs soon as the polymer film has sufficient mechanical stability, it can be detached from the carrier. This may be done after the third step or after the optional drying in the third step. The polymer film can also remain on the support, if this is for the
Anwendung erwünscht ist. Application is desired.
Das Erhitzen des Polymerfilms im erfindungsgemäßen dritten Schritt der Verfahrensvarianten 1 bis 3 kann nach beliebigen und bisher bekannten Verfahren erfolgen, wie beispielsweise in einem Heißluftofen oder durch Kontakt mit heißen Oberflächen, The heating of the polymer film in the third step of process variants 1 to 3 according to the invention can be carried out by any desired and heretofore known methods, for example in a hot-air oven or by contact with hot surfaces,
Der erfindungsgemäße dritte Schritt der Varianten 1 bis 3 kann bei unterschiedlichen Drücken durchgeführt werden, bevorzugt beim Druck der umgebenden Atmosphäre, also bei 900 bis 1100 hPa. Die an Luft durchgeführten Teilschritte im erfindungsgemäßen dritten Schritt der Verfahrensvarianten 1 bis 3 werden bevorzugt in einer staubarmen Umgebung oder in einer Reinraumumge- bung durchgeführt, was zur Sicherung einer konstanten Filmqualität beiträgt. The third step of variants 1 to 3 according to the invention can be carried out at different pressures, preferably at the pressure of the surrounding atmosphere, ie at 900 to 1100 hPa. The partial steps carried out in air in the third step of the process variants 1 to 3 according to the invention are preferably carried out in a low-dust environment or in a clean room environment, which contributes to ensuring a constant film quality.
Der erfindungsgemäße dritte Schritt kann kontinuierlich oder diskontinuierlich durchgeführt werden. Falls der erfindungsge- mäße dritte Schritt kontinuierlich durchgeführt werden soll, kann beispielsweise ein Trockenofen oder beheizte Walzen/Bänder, z.B. aus Edelstahl oder Sintermetall, oder ein Schwebetrockner verwendet werden. The third step according to the invention can be carried out continuously or discontinuously. If the third step of the invention is to be carried out continuously, for example, a drying oven or heated rolls / belts, e.g. made of stainless steel or sintered metal, or a floating dryer can be used.
Im erfindungsgemäßen dritten Schritt der Varianten 1 bis 3 werden nun Polymerfilme erhalten, die neben den Polyazolen gegebenenfalls eine Restmenge von Lösemittel sowie gegebenenf lls weitere Stoffe aufweisen. Die Qualität der Vernetzung der erhaltenen Polymerfilme kann durch die Bestimmung der in N,N- Dimethylacetamid löslichen Anteile an Polyazol in der Polymerfolie beurteilt werden. In the third step of variants 1 to 3 according to the invention, polymer films are now obtained which, in addition to the polyazoles, optionally have a residual amount of solvent and optionally further substances. The quality of the crosslinking of the polymer films obtained can be assessed by determining the N, N-dimethylacetamide-soluble fractions of polyazole in the polymer film.
Die Auswahl der erfindungsgemäßen Verfahrensvariante richtet sich nach der beabsichtigten Anwendung der erfindungsgemäßen Polymerfilme und insbesondere danach, ob diese als eher dicke oder als dünne Filme verwendet werden. Beispielsweise wird für die Vernetzung eines dicken Films das Verbrückungsreagenz (D) bevorzugt im ersten Schritt in eine Mischung mit dem Polyazol (A) eingebracht, also bevorzugt erfindungsgemäße Variante 1 durchgeführt. Sollen aus dem Polyazol dünne Filme hergestellt werden, dann kann das Verbrückungsreagenz (D) gemäß Verfahrens- Variante 2 auch im dritten Schritt zugeführt werden, beispielsweise durch Eintauchen oder Besprühen mit einer Lösung, die ein Verbrückungsreagenz enthält, oder auch durch Begasen, beispielsweise mit Formaldehyd. The selection of the process variant according to the invention depends on the intended use of the polymer films according to the invention and in particular on whether they are used as rather thick or thin films. For example, for the crosslinking of a thick film, the bridging reagent (D) is preferably introduced in the first step into a mixture with the polyazole (A), that is to say variant 1 according to the invention is preferably carried out. If thin films are to be prepared from the polyazole, then the bridging reagent (D) can be prepared according to method Variant 2 are also supplied in the third step, for example by immersion or spraying with a solution containing a bridging reagent, or by gassing, for example with formaldehyde.
Speziell für dünne Filme aus Polybenzimidazol hat sich die Verfahrensvariante 3 als besonders einfach in der Durchführung erwiesen, Especially for thin films of polybenzimidazole, process variant 3 has proven to be particularly simple to carry out,
Das erfindungsgemäße Verfahren in den Varianten 1 und 2 hat den Vorteil, dass es unter schonenden Temperaturbedingungen durchgeführt werden kann und damit ein nachträgliches Verspröden der Polymerfilme vermieden wird. Auch ist die Auswahl an weiteren Stoffen (E) zur Modifikation der Filmeigenschaften weniger ein- geschränkt als bei einem Verfahren, in dem die Filme einer starken thermischen Belastung ausgesetzt sind. The process according to the invention in variants 1 and 2 has the advantage that it can be carried out under mild temperature conditions and thus subsequent embrittlement of the polymer films is avoided. Also, the choice of other materials (E) for modifying the film properties is less limited than in a process in which the films are exposed to high thermal stress.
Aufgrund der Variabilität des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Vorgehensweise je nach gewünschtem Endprodukt und bevorzug- ter Produktionsführung maßgeschneidert werden. Due to the variability of the method according to the invention, the procedure can be customized depending on the desired end product and preferred production management.
Die erfindungsgemäßen bzw. erfindungsgemäß hergestellten Polymerfilme können nun für viele Zwecke eingesetzt werden, für die auch bisher Polymerfilme eingesetzt worden sind. Besonders be- vorzugte Anwendungen sind Polymerelektrolytmembranen und semi- permeable Filme. The polymer films according to the invention or produced according to the invention can now be used for many purposes for which polymer films have hitherto also been used. Particularly preferred applications are polymer electrolyte membranes and semipermeable films.
Abhängig von der beabsichtigten Verwendung kann der erfindungs- gemäße Polymerfilm in weiteren Verfahrensschritten nach an sich bekannten Verfahren modifiziert werden. Für die Anwendung alsDepending on the intended use, the polymer film according to the invention can be modified in further process steps by methods known per se. For the application as
Polymerelektrolytmembran kann man den im dritten Schritt der Verf hrensvarianten 1 bis 3 erhaltenen Polymerf lm in einem gegebenenfalls durchgeführten weiteren Schritt mit einer starken Säure dotieren, sofern diese nicht bereits in einem vorangehenden Verfahrensschritt als Lösemittel eingesetzt wurde. Als starke Säuren sollen hier Säuren mit einem pKs von bevorzugt kleiner als 4 verstanden werden. Es ist auch möglich, einen solchen weiteren Verfahrensschritt mit dem dritten Schritt der Verfahrensvariante 2 zusammenzufassen und so beispielsweise das Verbrückungsreagenz (D) gemeinsam mit einer starken Säure in den Polymerfilm einzubringen. Polymer electrolyte membrane can be in the third step of Variant variants 1 to 3 polymer obtained in a further step optionally carried out with a strong acid dope, unless this was not already used in a previous process step as a solvent. As strong acids should here acids with a pKs of preferably less than 4 are understood. It is also possible to combine such a further process step with the third step of process variant 2 and thus, for example, to introduce the bridging reagent (D) together with a strong acid into the polymer film.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Polymerelektrolytmembranen auf der Basis von Polyazolen und amorphen Polykieselsäuren, die in Bezug auf ihren Polyazolgehalt bei 130°C und 1000 hPa in N, N-Dimethylacetamid 0 bis 20 Gew.% löslich sind, die mit einer starken Säure dotiert sind. Another object of the present invention are polymer electrolyte membranes based on polyazoles and amorphous polysilicic acids, which are soluble in terms of their Polyazolgehalt at 130 ° C and 1000 hPa in N, N-dimethylacetamide 0 to 20 wt.% That with a strong acid are doped.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Polymerelektrolytmembranen Another object of the present invention is a process for the preparation of polymer electrolyte membranes
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
in einem ersten Schritt in a first step
eine Mischung enthaltend Polyazole (A) , amorphe Polykieselsäure (B) , Lösemittelkomponente (C) , gegebenenfalls Verbrückungsrea- genzien (D) und gegebenenfalls weitere Stoffe (E) hergestellt wird, a mixture comprising polyazoles (A), amorphous polysilicic acid (B), solvent component (C), optionally bridging reagents (D) and optionally further substances (E) is prepared,
in einem zweiten Schritt in a second step
die im ersten Schritt erhaltene Mischung auf einen Träger aufgetragen wird, the mixture obtained in the first step is applied to a support,
in einem dritten Schritt in a third step
die im zweiten Schritt erhaltene Beschichtung gegebenenfalls mit Verbrückungsreagenz (D) in Kontakt gebracht und vernetzen gelassen wird, wobei das Lösemittelkomponente gegebenenfalls ganz oder teilweise entfernt wird und optionally, contacting and crosslinking the coating obtained in the second step with bridging reagent (D) is left, wherein the solvent component is optionally completely or partially removed, and
in einem vierten Schritt in a fourth step
der im dritten Schritt erhaltene Film mit einer starken Säure (F) dotiert wird. the film obtained in the third step is doped with a strong acid (F).
In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Polymerelektrolytmembranen können dritter und vierter Schritt zusammenfallen, wenn im dritten Schritt Verbrückungsre- agenz (D) eingesetzt wird und dieses mit der starken Säure (F) vermischt wird und der Film mit dieser Mischung in Kontakt gebracht wird. In a variant of the process according to the invention for the preparation of polymer electrolyte membranes, the third and fourth steps may coincide if in the third step bridging agent (D) is used and this is mixed with the strong acid (F) and the film is brought into contact with this mixture ,
In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Polymerelektrolytmembranen enthält die Lösemittelkomponente (C) im ersten Schritt bereits eine Vorstufe der starken Säure. Ein Beispiel für eine solche Vorstufe ist Poly- phosphorsäure, die beispielsweise auch als Lösemittel zur Herstellung von Polybenzimidazol Anwendung finden kann. In einem solchen Fall kann im vierten Schritt die bereits im Film enthaltene Vorstufe beispielsweise durch den Kontakt mit Wasser in eine starke Säure umgewandelt werden. In a further variant of the process according to the invention for the preparation of polymer electrolyte membranes, the solvent component (C) in the first step already contains a precursor of the strong acid. An example of such a precursor is polyphosphoric acid, which can also be used, for example, as a solvent for the production of polybenzimidazole. In such a case, in the fourth step, the precursor already contained in the film can be converted into a strong acid, for example, by contact with water.
Im Hinblick auf die Stabilität des Polymerfilms und der für die Handhabung von starken Säuren bei hohen Temperaturen erforderlichen Sicherheitsvorkehrungen erfolgt das Dotieren im erfindungsgemäß gegebenenfalls durchgeführten Dotierschritt vorzugsweise unter 200°C, besonders bevorzugt bei 20 bis 160°C, insbesondere bei 35 bis 130°C. Nach einer Variante des gegebenenfalls durchgeführten Dotierschritts wird der erfindungsgemäße Polymerfilm in eine hochkonzentrierte starke Säure über einen Zeitraum von bevorzugt höchstens 5 Stunden und besonders bevorzugt 1 Minute bis 1 Stunde, eingetaucht, wobei eine höhere Temperatur die Eintauchzeit verkürzt. In view of the stability of the polymer film and the safety precautions required for the handling of strong acids at high temperatures, the doping in the doping step carried out according to the invention is preferably carried out below 200 ° C., more preferably at 20 to 160 ° C., in particular at 35 to 130 ° C. , According to a variant of the optionally performed doping step, the polymer film according to the invention is immersed in a highly concentrated strong acid over a period of preferably at most 5 hours and more preferably 1 minute to 1 hour, wherein a higher temperature shortens the immersion time.
Die Menge der eingesetzten Säure im erfindungsgemäß gegebenenfalls durchgeführten Dotierschritt beträgt bei dieser Variante üblicherweise die 5- bis 10000-fache Menge, bevorzugt die 6- bis 5000-fache Menge, besonders bevorzugt die 6- bis 1000-fache Menge, jeweils bezogen auf das Gewicht des Polymers (A) im Polymerfilm, The amount of acid used in the doping step optionally carried out in this variant is usually from 5 to 10,000 times, preferably from 6 to 5000 times, more preferably from 6 to 1000 times, in each case based on weight the polymer (A) in the polymer film,
Alternativ kann nach einer weiteren Variante des gegebenenfalls durchgeführten Dotierschritts eine starke Säure dosiert auf den Polymerfilm auftragen werden und der Film erwärmt werden bis der Film die Säure vollständig absorbiert hat. Die Menge der eingesetzten Säure im erfindungsgemäß gegebenenf lls durchge- führten Dotierschritt beträgt bei dieser Variante üblicherweise die 2- bis 10-fache Menge, bevorzugt die 3- bis 8-fache Menge, jeweils bezogen auf das Gewicht des Polymerfilms. Alternatively, according to a further variant of the optionally performed doping step, a strong acid can be applied in a metered manner to the polymer film and the film is heated until the film has completely absorbed the acid. In this variant, the amount of acid used in the doping step according to the invention is usually from 2 to 10 times the amount, preferably from 3 to 8 times, in each case based on the weight of the polymer film.
Nach einer weiteren Variante des gegebenenfalls durchgeführten Dotierschritts wird der Polymerfilm für die Herstellung einer Membran-Elektrodeneinheit zwischen zwei mit Säure getränkten Gasdiffusionselektroden gepresst. Die Menge der eingesetzten Säure im erfindungsgemäß gegebenenfalls durchgeführten Dotierschritt beträgt bei dieser Variante üblicherweise die 2- bis 10-fache Menge, bevorzugt die 3- bis 8-fache Menge, jeweils bezogen auf das Gewicht des Polymerfilms. Als starke Säuren im erfindungsgemäßen Dotierschritt kommen protische starke Säuren in Betracht, wie beispielsweise Phosphor-haltige Säuren und Schwefelsäure. Im Rahmen der vorliegen- den Erfindung versteht man unter "Phosphor-haltige Säuren" Po- lyphosphorsäure, Phosphonsäure (H3P03) , Ortho-Phosphorsäure (H3PO4) , Pyrophosphorsäure (H4P207) , Triphosphorsäure (H5P3Oi0) und Metaphosphorsäure . According to a further variant of the optional doping step, the polymer film is pressed between two acid-impregnated gas diffusion electrodes for the production of a membrane electrode assembly. The amount of acid used in the doping step optionally carried out according to the invention in this variant is usually 2 to 10 times the amount, preferably 3 to 8 times the amount, in each case based on the weight of the polymer film. As strong acids in the doping step according to the invention are protic strong acids, such as phosphorus-containing acids and sulfuric acid. In the context of the present invention, "phosphorus-containing acids" is understood as meaning polyphosphoric acid, phosphonic acid (H 3 PO 3 ), ortho-phosphoric acid (H 3 PO 4), pyrophosphoric acid (H 4 P 2 O 7 ), triphosphoric acid (H 5 P 3 Oi 0 ) and metaphosphoric acid.
Weil das Polymer im erfindungsgemäßen Film bei zunehmender Konzentration der starken Säure mit einer größeren Zahl von Molekülen starker Säure imprägniert werden kann, hat die Phosphor- haltige Säure, insbesondere Ortho- Phosphorsäure, vorzugsweise eine Konzentration von mindestens 70 Gew.% und besonders bevor- zugt mindestens 85 Gew.% in Wasser. Since the polymer in the film according to the invention can be impregnated with a larger number of molecules of strong acid with increasing concentration of the strong acid, the phosphorus-containing acid, in particular orthophosphoric acid, preferably has a concentration of at least 70% by weight and is particularly preferred at least 85% by weight in water.
Der erfindungsgemäße gegebenenfalls durchgeführte Dotierschritt wird beim Druck der umgebenden Atmosphäre, also 900 bis 1100 hPa, durchgeführt. Er kann aber auch bei niedrigeren oder höhe- ren Drücken durchgeführt werden. The optionally performed doping step according to the invention is carried out at the pressure of the surrounding atmosphere, ie 900 to 1100 hPa. It can also be performed at lower or higher pressures.
Die erfindungsgemäß im Dotierschritt erhaltene Polymerelektrolytmembran ist protonenleitend und kann daher vorzugsweise als Elektrolyt für Brennstoffzellen oder Elektrolysezellen verwen- det werden. Der Polymerelektrolyt ist dabei nicht auf die Verwendung für Zellen beschränkt, sondern kann beispielsweise auch als Elektrolyt für ein Anzeigeelement, ein elektrochromes Element oder verschiedene Sensoren verwendet werden. The polymer electrolyte membrane obtained according to the invention in the doping step is proton-conducting and can therefore be used preferably as an electrolyte for fuel cells or electrolysis cells. The polymer electrolyte is not limited to the use for cells, but may for example also be used as the electrolyte for a display element, an electrochromic element or various sensors.
Nach der Dotierung mit einer starken Säure haben die erfindungsgemäßen Polymerfilme vorteilhafterweise eine deutlich hö- here Protonenleitfähigkeit im Bereich von 0 bis 100°C als Polymerfilme auf der Basis von Polyazolen ohne amorphe Polykiesel- säuren aber gleichem Säuregehalt bezogen auf die Gesamtmasse des Films . After doping with a strong acid, the polymer films according to the invention advantageously have a markedly higher here proton conductivity in the range of 0 to 100 ° C as polymer films based on polyazoles without amorphous polysilicic acids but the same acid content based on the total mass of the film.
Jede einzelne Zelle in einer Brennstoffzelle enthält in der Regel eine erfindungsgemäße Polymerelektrolytmembran und zwei Elektroden, zwischen denen die Polymerelektrolytmembran sandwichartig angeordnet ist. Die Elektroden weisen jeweils eine katalytisch aktive Schicht und eine poröse Gasdiffusionsschicht auf . Each individual cell in a fuel cell typically contains a polymer electrolyte membrane according to the invention and two electrodes between which the polymer electrolyte membrane is sandwiched. The electrodes each have a catalytically active layer and a porous gas diffusion layer.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung der erfindungsgemäßen bzw. erfindungsgemäß hergestellten Polymer- elektrolytmembranen zur Herstellung von Membran-Elektroden- Einheiten für Brennstoffzellen oder Elektrolysezellen. Another object of the invention is the use of the invention or inventively produced polymer electrolyte membranes for the production of membrane electrode assemblies for fuel cells or electrolysis cells.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Membran-Elektroden-Einheit enthaltend mindestens eine Elektrode und mindestens einen erfindungsgemäße bzw. erfindungsgemäß hergestellte Polymerelektrolytmembran . Another object of the invention is a membrane-electrode assembly containing at least one electrode and at least one inventive or inventively prepared polymer electrolyte membrane.
Die erfindungsgemäßen Polymerelektrolytmembranen haben den Vorteil, dass bei Anwendung in einer Hochtemperatur- PEM-Brenn- stoffzelle im Kaltstart bei Temperaturen unter 100 °C eine höhere elektrische Leistung ermöglicht wird. The polymer electrolyte membranes according to the invention have the advantage that when used in a high-temperature PEM fuel cell in a cold start at temperatures below 100 ° C, a higher electrical power is made possible.
Obwohl der Polyazolgehalt der Membranen gering ist, besitzen sie eine hohe mechanische Stabilität sowie eine ausgezeichnete thermische und chemische Langzeitstabilität. Insbesondere bei Verwendung von Polyazolen mit überwiegend Aminogruppen als End- gruppen, die über diese Endgruppen vernetzt werden, erhält man überraschenderweise homogene und flexible Filme, Although the polyazole content of the membranes is low, they have high mechanical stability and excellent long-term thermal and chemical stability. In particular when using polyazoles having predominantly amino groups as terminal groups that are cross-linked via these end groups, surprisingly, homogeneous and flexible films are obtained,
Aufgrund der unterschiedlichen Permeabilitäten und Selektivitä- 5 ten der erfindungsgemäßen Polymerfilme für Flüssigkeiten und Gase eignen sie sich ausgezeichnet als semipermeable Membranen. Due to the different permeabilities and selectivities of the polymer films according to the invention for liquids and gases, they are outstandingly suitable as semipermeable membranes.
Gegenstand der Erfindung ist daher auch die Verwendung der erfindungsgemäßen bzw. der erfindungsgemäß hergestellten Polymerie) filme als semipermeable Membran zur Trennung von Flüssigkeiten und Gasen. The invention therefore also relates to the use of the polymer according to the invention or of the polymer produced according to the invention) as a semipermeable membrane for the separation of liquids and gases.
In den nachfolgenden Beispielen beziehen sich alle Angaben von Teilen und Prozentsätzen, soweit nicht anders angegeben, aufIn the following examples, all parts and percentages are by weight unless otherwise specified
15 das Gewicht, Sofern nicht anders angegeben, werden die folgenden Beispiele an Luft bei einem Druck der umgebenden Atmosphäre, also bei etwa 1000 hPa, und bei Raumtemperatur, also etwa 20 °C bzw. einer Temperatur, die sich beim Zusammengeben der Re- aktanden bei Raumtemperatur ohne zusätzliche Heizung oder üh-Unless stated otherwise, the following examples are air at a pressure of the surrounding atmosphere, ie at about 1000 hPa, and at room temperature, ie about 20 ° C or a temperature, the reactants when combined at room temperature without additional heating or üh-
20 lung einstellt, durchgeführt. Die bei den Versuchen eingesetzte Luft enthält 23 Gew.% Sauerstoff und 50 % relative Feuchte. Alle in den Beispielen angeführten Viskositätsangaben beziehen sich auf eine Temperatur von 25°C. 20 ment stops, carried out. The air used in the experiments contains 23% by weight of oxygen and 50% relative humidity. All viscosity data given in the examples refer to a temperature of 25 ° C.
25 Die Inhärentviskosität wurde in den nachfolgenden Beispielen wie folgt gemessen: The inherent viscosity was measured in the following examples as follows:
Das Polymer wird zunächst bei 160 °C für 2 h getrocknet. 400 mg des so getrockneten Polymers werden dann während 4 Stunden bei 80°C in 100 ml konzentrierter Schwefelsäure (Konzentration 95- 0 97 Gew.%) gelöst. Die inhärente Viskosität wird aus dieser 0,4 %igen (w/v) Lösung gemäß ISO 3105 mit einem Ubbelohde Vis- kosimeter bei einer Temperatur von 25°C ermittelt. The polymer is first dried at 160 ° C for 2 h. 400 mg of the polymer thus dried are then dissolved for 4 hours at 80 ° C. in 100 ml of concentrated sulfuric acid (concentration 95-097% by weight). The inherent viscosity becomes from this 0.4% (w / v) solution according to ISO 3105 with an Ubbelohde viscometer at a temperature of 25 ° C determined.
Die Löslichkeit des Polyazolanteils der hergestellten Polymer- filme wurde in den nachfolgenden Beispielen wie folgt bestimmt („Löslichkeitstest") : The solubility of the polyazole portion of the polymer films produced was determined in the following examples as follows ("solubility test"):
Ein Membranstück von ca. 1 bis 2 cms wird bei 150 °C bis zur Gewichtskonstanz getrocknet, gewogen und anschließend eine Stunde bei 130 °C und 1000 hPa in ca. 10 g N, -Dimethylacetamid extra- hiert . Danach wird die Membran erneut bei 150°C bis zur Gewichtskonstanz getrocknet und dann gewogen. A membrane piece of about 1 to 2 cm s is dried at 150 ° C to constant weight, weighed and then extracted for one hour at 130 ° C and 1000 hPa in about 10 g of N, -Dimethylacetamid. Thereafter, the membrane is again dried at 150 ° C to constant weight and then weighed.
Die spezifische Oberfläche der verwendeten Kieselsäuren wurde gemessen nach der BET-Methode gemäß DIN 66131 und DIN 66132. The specific surface of the silicas used was measured by the BET method according to DIN 66131 and DIN 66132.
Beispiel 1 example 1
a) Herstellen von Amino- terminiertem Polybenzimidazol a) Preparation of amino-terminated polybenzimidazole
107,1 g 3 , 31 -Diaminobenzidin (0,5 mol) und 79,5 g Isophthalsäu- re {0,475 mol) (Molverhältnis 1,053; Aminüberschuss) wurden in 2,0 kg Polyphosphorsäure eingerührt und in einen beheizbaren Reaktor (5 1) eingefüllt, der mit Schutzgas Argon gespült wurde. Der Ansatz wurde auf 190°C (Manteltemperatur) erhitzt und 20 Stunden gerührt. Das Reaktionsprodukt wurde in Wasser gefällt, damit gewaschen und in 550 g einer 10 Gew.%igen Natrium- hydrogencarbonat-Lösung neutralisiert. Danach wurde das Polybenzimidazol erneut mit Wasser gewaschen, abfiltriert, bei 130°C im Vakuum getrocknet und mit einer elektrischen Mühle vermählen. Die Ausbeute betrug 132,3 g. 107.1 g of 3, 3 1 -Diaminobenzidin (0.5 mol) and 79.5 g of isophthalic re {0.475 mol) (molar ratio of 1.053; excess amine) were stirred in 2.0 kg of polyphosphoric acid and heated in a reactor (5 1 ), which was purged with inert gas argon. The batch was heated to 190 ° C (jacket temperature) and stirred for 20 hours. The reaction product was precipitated in water, washed with it and neutralized in 550 g of a 10% strength by weight sodium bicarbonate solution. Thereafter, the polybenzimidazole was washed again with water, filtered off, dried at 130 ° C in vacuo and ground with an electric mill. The yield was 132.3 g.
Das so hergestellte Polybenzimidazol hatte eine inhärente Vis- kosität von 0,70 dl/g. b) Herstellen einer Polymerlösung aus Polybenzimidazol mit 10% Aminopropylsilyl -funktionalisierter pyrogener Kieselsäure The polybenzimidazole thus prepared had an inherent viscosity of 0.70 dl / g. b) Preparation of a polymer solution of polybenzimidazole with 10% aminopropylsilyl-functionalized fumed silica
Eine aminopropylsilyl -funktionelle pyrogene Kieselsäure (BET: 300 m2/g, funktionelle Gruppendichte: 1 mmol/g) wurde herge- stellt nach dem in EP-B 1304332 beschriebenen Beispiel 1 auf Seite 11, Zeilen 10-21 mit der Abwandlung, dass eine hydrophile Kieselsäure mit einer spezifischen Oberfläche von 300 m*/g (erhältlich unter der Bezeichnung Wacker HDK® T30 bei der Wacker Chemie AG, Deutschland) verwendet wurde. An aminopropylsilyl-functional fumed silica (BET: 300 m 2 / g, functional group density: 1 mmol / g) was prepared according to Example 1 described in EP-B 1304332 on page 11, lines 10-21 with the modification that a hydrophilic silica having a specific surface area of 300 m * / g (available under the name Wacker HDK® T30 from Wacker Chemie AG, Germany) was used.
8,7 g des oben hergestellten Amingruppen-terminierten Polyben- zimidazols wurden in 91,4 g N, N-Dimethylacetamid (DMAc) in einem Druckreaktor (Büchi Miniclave, 200 ml) unter Rühren bei einer Temperatur von 200°C gelöst. Nach Abkühlen auf Raumtempera- tur wurden 15,0 g dieser Lösung mit 3,0 g Diethylhexylphosphat (DEHPA) und 0,13 g der aminopropylsilyl -funktionellen pyrogenen Kieselsäure in einem evakuierbaren Mischaggregat (Speedmixer® DAC 400.1 V-DP der Fa. Hauschild, Deutschland) vermengt. 8.7 g of the amine-terminated polybenzimidazole prepared above were dissolved in 91.4 g of N, N-dimethylacetamide (DMAc) in a pressure reactor (Buchi Miniclave, 200 ml) with stirring at a temperature of 200 ° C. After cooling to Raumtempera- tur 15.0 g of this solution were Hauschild with 3.0 g of diethyl hexyl phosphate (DEHPA) and 0.13 g of the aminopropylsilyl -functional fumed silica (in an evacuable mixing unit Speedmixer DAC ® 400.1 V-DP Fa., Germany).
Folgendes Mischprogramm wurde dabei angewendet: The following mixing program was used:
Stufe t [min] U/min Stage t [min] rpm
I 1 g DEHPA 1 1000 I 1 g DEHPA 1 1000
2 2500 2 2500
II 1 g DEHPA 1 1000 II 1 g DEHPA 1 1000
2 2500 2 2500
III 1 g DEHPA 1 1000 III 1 g DEHPA 1 1000
2 2500 2 2500
IV 0,14 g aminopropylsilyl-funktionelle 1 800 pyrogene Kieselsäure IV 0.14 g of aminopropylsilyl-functional 1 800 fumed silica
1 1000 1 1000
2 2500 2 2500
Der Druck während des Mischvorgangs betrug 500 mbar. c) Herstellen und Charakterisieren eines vernetzten Films aus Polybenzimidazol mit Formalinlösung The pressure during the mixing process was 500 mbar. c) Preparation and characterization of a cross-linked polybenzimidazole film with formalin solution
Die Polymerlösung aus Beispiel lb wurde bei Raumtemperatur mit- tels eines Filmziehgeräts (0,6 mm Spalthöhe) auf eine Trägerfolie aus Polyethylenterephthalat mit einer Dicke von 0,175 mm (käuflich erhältlich unter dem Handelsnamen „Melinex 0" bei Pütz GmbH, Deutschland) aufgebracht. Nach Trocknung (jeweils 10 min bei 80°C, 100°C und 30 min bei 150°C) wurde der Film von der Trägerfolie getrennt. Anschließend wurde der Film 1 h in eine 70°C heiße methanolstabilisierte Formalinlösung (37 Gew.% Formaldehyd, 12 Gew.% Methanol, 51 Gew.% Wasser) eingelegt. Danach wurde die Folie in einem Umlufttrockenschrank 1 h in The polymer solution from Example 1b was applied at room temperature by means of a film-drawing apparatus (0.6 mm gap height) to a polyethylene terephthalate support film having a thickness of 0.175 mm (commercially available under the trade name "Melinex 0" from Pütz GmbH, Germany) The film was separated from the support film for 10 minutes at 80 ° C., 100 ° C. and 30 minutes at 150 ° C. The film was then immersed in a 70 ° C. methanol-stabilized formalin solution (37% by weight of formaldehyde, 12% by weight of methanol, 51% by weight of water) was then placed in a circulating air drying cabinet for 1 h
250° C heißer Luft erhitzt. Die Dicke des so erhaltenen Films betrug 50 bis 55 μπι. Der so erhaltene Film wird im Folgenden Film lc genannt. Heated to 250 ° C hot air. The thickness of the film thus obtained was 50 to 55 μπι. The film thus obtained is hereinafter called film lc.
Mit diesem Film wurde ein Löslichkeitstest nach dem oben beschriebenen Verfahren durchgeführt. Die Gewichtsabnahme nach einer Stunde in 130°C heißem N, N-Dimethylacetamid betrug 6%. With this film, a solubility test was carried out according to the method described above. The weight loss after one hour in 130 ° C hot N, N-dimethylacetamide was 6%.
d) Dotieren einer Membran mit Phosphorsäure und Bestimmung der Leitfähigkeit d) doping a membrane with phosphoric acid and determining the conductivity
Von einem Stück (6 x 6 cm2) des Films lc wurde das Gewicht und die Dicke bestimmt. Anschließend wurde das Filmstück in eine Petrischale gelegt, mit 85 Gew.%-iger Phosphorsäure in Wasser in der Petrischale überschichtet und 45 min bei 130°C in einem Trockenschrank erhitzt. Der Film wurde auf Raumtemperatur abgekühlt und mit Papiertüchern abgewischt. Von dem gequollenen Film wurden wieder das Gewicht und die Dicke bestimmt. Er hatte das ca. 6-fache seines Gewichts aufgenommen. Der Dotierungsgrad {Massenzunahme bezogen auf das Gewicht der gequollenen Membran) betrug 85 Gew.%. Die Dicke betrug 94 μηα. From a piece (6 x 6 cm 2 ) of the film lc, the weight and the thickness were determined. Subsequently, the film piece was placed in a Petri dish, covered with 85 wt.% Phosphoric acid in water in the Petri dish and heated for 45 min at 130 ° C in a drying oven. The film was cooled to room temperature and wiped with paper towels. From the swollen film, the weight and the thickness were again determined. He had taken about 6 times his weight. The degree of doping {Mass increase based on the weight of the swollen membrane) was 85% by weight. The thickness was 94 μηα.
Ein Stück (20 x 10 mm2) dieser gequollenen Membran wurde in eine 4-Punkt-Leitfähigkeitsmesszelle (erhältlich unter der Be- Zeichnung „Typ BT110" der Fa. BekkTech LLC, USA) eingelegt und in einem Klimaschrank auf 150°C aufgeheizt und anschließend auf 0°C abgekühlt. Mittels eines Impedanzanalysators (erhältlich unter der Bezeichnung „Modell IM6ex" der Fa. Zahner-Elektrik, Deutschland) wurde die Membranimpedanz bestimmt. Mit der Pro- bengeometrie (Dicke, Fläche) erhält man daraus unter nahezu trockenen Bedingungen eine Membranleitfähigkeit zwischen One piece (20 × 10 mm 2 ) of this swollen membrane was placed in a 4-point conductivity measuring cell (available under the designation "Type BT110" Fa. BekkTech LLC, USA) and heated in a cabinet to 150 ° C and then cooled to 0 ° C. The membrane impedance was determined by means of an impedance analyzer (available under the name "Model IM6ex" from Zahner-Elektrik, Germany). With the sample geometry (thickness, area), a membrane conductivity is obtained under almost dry conditions
1,0 S/m bei 0°C, 35% rel. Feuchte und 5,7 S/m bei 150°C, 1% rel . Feuchte. Befeuchtet man die Umluft im Klimaschrank, dann erreicht man bei 125 °C und 22% rel. Feuchte eine höhere Leitfä- higkeit von 10 S/m. 1.0 S / m at 0 ° C, 35% rel. Humidity and 5.7 S / m at 150 ° C, 1% rel. Humidity. Moistening the circulating air in the climatic chamber, then reached at 125 ° C and 22% rel. Moisture has a higher conductivity of 10 S / m.
e) Herstellen einer Membran-Elektroden-Einheit e) producing a membrane-electrode assembly
Das 6 x 6 cm2 große Stück der mit Phosphorsäure gequollenen Membran aus Beispiel ld wurde so zwischen zwei kommerziell er- hältliche Gasdiffusionselektroden mit jeweils 4,0 mg/cm2 Platin-Beladung (Fa. Johnson Matthey, Typ 4 mg Pt Blk, no electro- lyte, on Toray TGP-H-060, UK) gelegt, dass die Platin-Katalysatorschichten die Membran berührten. Diese Membran-Elektroden- Anordnung wurde 4 Stunden zwischen planparallelen Platten bei einer Temperatur von 160°C und einer Kraft von 1,3 kftf zu einer Membran-Elektroden-Einheit verpresst . The 6 × 6 cm 2 piece of the phosphoric acid-swollen membrane from Example 1d was thus between two commercially available gas diffusion electrodes, each with 4.0 mg / cm 2 platinum loading (Johnson Matthey, type 4 mg Pt Blk, no Electrolysis, on Toray TGP-H-060, UK) that the platinum catalyst layers contacted the membrane. This membrane-electrode assembly was compressed for 4 hours between plane-parallel plates at a temperature of 160 ° C and a force of 1.3 kftf to a membrane-electrode assembly.
f) Brennstoffzellentest der Membran-Elektroden-Einheit f) Fuel cell test of the membrane-electrode assembly
Die Membran-Elektroden-Einheit aus Beispiel le wurde in übli- eher Anordnung in eine Testzelle (quickCONNECT F25 der Fa. bal- tic-FuelCells GmbH, Deutschland) eingebaut und mit einer Press- kraft von 3,5 kN verschlossen. Der Betrieb der Testzelle erfolgte an einem MILAN- Prüfstand der Fa. Magnum Fuel Cell AG. Abbildung 1 zeigt den Verlauf der Strom-Spannungs-«kurve bei 160°C. Der Gasfluss für Wasserstoff betrug 196 nml/min und für Luft 748 nml/min. Dabei wurden unbefeuchtete Gase mit Atmosphärendruck verwendet. Bei einem Strom von 0,5 A/cm2 wurde eine Zellspannung von 0,500 mV gemessen. Unter den angegebenen Testbedingungen zeigte die MEA bei einer Messfrequenz von 16 kHz eine Impedanz von 7,2 mQ auf einer Fläche von 25 cm2. The membrane-electrode unit from Example 1e was usually installed in a test cell (quickCONNECT F25 from Balic-FuelCells GmbH, Germany) and fitted with a press cell. closed by force of 3.5 kN. The operation of the test cell was carried out on a MILAN test rig from Magnum Fuel Cell AG. Figure 1 shows the course of the current-voltage curve at 160 ° C. The gas flow for hydrogen was 196 nml / min and for air 748 nml / min. Unhumidified gases with atmospheric pressure were used. At a current of 0.5 A / cm 2, a cell voltage of 0.500 mV was measured. Under the test conditions indicated, the MEA exhibited an impedance of 7.2 mQ over an area of 25 cm 2 at a measurement frequency of 16 kHz.
Abbildung 1: Polarisationskurve einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheit aus Beispiel le Figure 1: Polarization curve of a membrane-electrode assembly according to the invention from Example le
Beispiel 2 Example 2
a) Herstellung von Polybenzimidazol mit Carbonsäure-Endgruppena) Preparation of polybenzimidazole with carboxylic acid end groups
101,8 g 3 , 31 -Diaminobenzidin {0,475 mol) (käuflich erhältlich bei Sigma-Aldrich, Deutschland) und 83,7 g Isophthalsäure 101.8 g of 3, 3 1 -Diaminobenzidin {0.475 mol) (commercially available from Sigma-Aldrich, Germany) and 83.7 g of isophthalic acid
(0,5 mol) (Molverhältnis 0,95; Säureüberschuss) wurden in (0.5 mol) (molar ratio 0.95, excess acid) were dissolved in
2,0 kg Polyphosphorsäure eingerührt und in einen beheizbaren Reaktor (5 1) eingefüllt, der mit Schutzgas Argon gespült wurde. Der Ansatz wurde auf 190 °C (Manteltemperatur) erhitzt und 20 Stunden gerührt. Das Reaktionsprodukt wurde in Wasser gefällt, damit gewaschen und in 550 g einer 10 Gew.%igen Natrium- hydrogencarbonat-Lösung neutralisiert. Danach wurde das Polyb- enzimidazol erneut mit Wasser gewaschen, abfiltriert, bei 130 °C im Vakuum getrocknet und mit einer elektrischen Mühle vermählen. Die Ausbeute betrug 132,3 g. 2.0 kg of polyphosphoric stirred and filled in a heatable reactor (5 1), which was purged with inert gas argon. The batch was heated to 190 ° C (jacket temperature) and stirred for 20 hours. The reaction product was precipitated in water, washed with it and neutralized in 550 g of a 10% strength by weight sodium bicarbonate solution. Thereafter, the polybenzimidazole was washed again with water, filtered off, dried at 130 ° C in vacuo and ground with an electric mill. The yield was 132.3 g.
Das so hergestellte Polybenzimidazol hatte eine inhärente Viskosität von 0,43 dl/g. b) Herstellen einer Polymerlösung aus carboxy- terminiertem Po- lybenzimidazol mit 20% hydrophiler pyrogener Kieselsäure The polybenzimidazole thus prepared had an inherent viscosity of 0.43 dl / g. b) Preparation of a polymer solution of carboxy-terminated polybenzimidazole with 20% hydrophilic fumed silica
9,8 g des oben hergestellten Carboxy-terminierten Polybenzim- idazols wurden in 90,2 g Ν,Ν-Dimethylacetamid (DMAc) in einem Druckreaktor (Büchi Miniclave, 200 ml) unter Rühren bei einer Temperatur von 200°C gelöst. Nach Abkühlen auf Raumtemperatur wurden 15,0 g dieser Lösung zusammen mit 3,0 g Diethylhexylp- hosphat (DEHPA) und 0,3 g hydrophiler pyrogener Kieselsäure mit einer BET-Oberflache von 200 m2/g und einer Dichte der vorhan- denen Silanolgruppen von 0,6 mmol/g (käuflich erhältlich unter der Bezeichnung HDK® N20 bei der Wacker Chemie AG, Deutschland) in einem evakuierbaren Mischaggregat (Speedmixer® DAC 400.1 V- DP der Fa. Hauschild, Deutschland) vermengt. 9.8 g of the carboxy-terminated polybenzimidazole prepared above were dissolved in 90.2 g of Ν, Ν-dimethylacetamide (DMAc) in a pressure reactor (Büchi miniclave, 200 ml) with stirring at a temperature of 200 ° C. After cooling to room temperature, 15.0 g of this solution together with 3.0 g of diethylhexyl phosphate (DEHPA) and 0.3 g of hydrophilic fumed silica having a BET surface area of 200 m 2 / g and a density of the existing silanol groups 0.6 mmol / g (commercially available under the name HDK ® N20 from Wacker Chemie AG, Germany) in an evacuable mixing unit (speed mixer ® DAC 400.1 V DP Fa. Hauschild, Germany) mixed.
Folgendes Mischprogramm wurde dabei angewendet: The following mixing program was used:
Stufe t [min] U/minStage t [min] rpm
I i g DEHPA 1 1000 I DEHPA 1 1000
2 2500 2 2500
II i g DEHPA 1 1000 II i g DEHPA 1 1000
2 2500 2 2500
III i g DEHPA 1 1000 III i g DEHPA 1 1000
2 2500 2 2500
IV 0,3 g hydrophile pyrogene Kieselsäure 0,5 800 IV 0.3 g of hydrophilic fumed silica 0.5 800
1 1000 1 1000
2 2500 2 2500
Der Druck während des Mischvorgangs betrug 50 mbar. The pressure during the mixing process was 50 mbar.
c) Herstellen und Charakterisieren eines vernetzten Films c) producing and characterizing a crosslinked film
Die Polymerlösung aus Beispiel 2b wurde bei Raumtemperatur mit- tels eines Filmziehgeräts (0,6 mm Spalthöhe) auf eine Trägerfolie aus Polyethylenterephthalat mit einer Dicke von 0,175 mm (käuflich erhältlich unter dem Handelsnamen „Melinex O" bei Pütz GmbH, Deutschland) aufgebracht. Nach Trocknung (jeweils 10 min bei 80°C, 100°C und 30 min bei 150°C) wurde der Film von der Trägerfolie getrennt. Anschließend wurde der Film an Luft in einem Umluf trockenschrank 240 min bei 300 °C erhitzt. Die Dicke des so erhaltenen Films betrug 60 bis 65 pm Der so erhaltene Film wird im Folgenden Film 2 genannt. The polymer solution from Example 2b was applied to a polyethylene terephthalate support film having a thickness of 0.175 mm at room temperature by means of a film-drawing apparatus (0.6 mm gap height) (commercially available under the trade name "Melinex O" from Pütz GmbH, Germany) After drying (10 minutes each at 80 ° C., 100 ° C. and 30 minutes at 150 ° C.), the film was separated from the carrier film the film was heated in air in a circulating drying oven for 240 minutes at 300 ° C. The thickness of the film thus obtained was 60 to 65 μm The film thus obtained is referred to below as film 2.
Mit diesem Film wurde ein Löslichkeitstest nach dem oben beschriebenen Verfahren durchgeführt. Die Gewichtsabnahme nach einer Stunde in 130 °C heißem N, N-Dimethylacetamid betrug 1%. With this film, a solubility test was carried out according to the method described above. The weight loss after one hour in 130 ° C hot N, N-dimethylacetamide was 1%.
d) Dotieren einer Membran mit Phosphorsäure und Bestimmung der Leitfähigkeit d) doping a membrane with phosphoric acid and determining the conductivity
Von einem Stück (6 x 6 cm2) des Films 2c wurde das Gewicht und die Dicke bestimmt. Anschließend wurde das Filmstück in eine Petrischale gelegt, mit 85 Gew,%-iger Phosphorsäure in Wasser in der Petrischale überschichtet und 60 min bei 130°C in einem Trockenschrank erhitzt. Der Film wurde auf Raumtemperatur abgekühlt und mit Papiertüchern abgewischt. Von dem gequollenen Film wurden wieder das Gewicht und die Dicke bestimmt. Er hatte das ca. 5 -fache seines Gewichts aufgenommen. Der Dotierungsgrad {Massenzunahme bezogen auf das Gewicht der gequollenen Membran) betrug 82,6 Gew.%, Die Dicke betrug 92 μτη. From a piece (6 x 6 cm 2 ) of the film 2c, the weight and the thickness were determined. The piece of film was then placed in a Petri dish, covered with 85% strength by weight phosphoric acid in water in the Petri dish and heated for 60 minutes at 130 ° C. in a drying oven. The film was cooled to room temperature and wiped with paper towels. From the swollen film, the weight and the thickness were again determined. He had taken about 5 times his weight. The degree of doping {mass increase based on the weight of the swollen membrane) was 82.6 wt.%, The thickness was 92 μτη.
Ein Stück (20 x 10 mm2) dieser gequollenen Membran wurde in ei- ne 4 -Punkt-Leitfähigkeitsmesszelle (erhältlich unter der Bezeichnung „Typ BTllO" der Fa. BekkTech LLC, USA) eingelegt und in einem Klimaschrank auf 150 °C aufgeheizt und anschließend auf 0°C abgekühlt. Mittels eines Impedanzanalysators (erhältlich unter der Bezeichnung „Modell IM6ex" der Fa. Zahner-Elektrik, Deutschland) wurde die Membranimpedanz bestimmt. Mit der Probengeometrie (Dicke, Fläche) erhält man daraus unter nahezu trockenen Bedingungen eine Membranleitfähigkeit zwischen 1,4 S/m bei 0°C, 31% rel. Feuchte und 7,3 S/m bei 150°C, 0% rel. Feuchte. Befeuchtet man die Umluft im Klimaschrank, dann erreicht man bei 125°C und 21% rel, Feuchte eine höhere Leitfä higkeit von 19 S/m, One piece (20 × 10 mm 2 ) of this swollen membrane was placed in a 4-point conductivity measuring cell (available under the name "BTllO type" from BekkTech LLC, USA) and heated to 150 ° C. in a climate-controlled cabinet then cooled to 0 ° C. The membrane impedance was determined by means of an impedance analyzer (available under the name "Model IM6ex" from Zahner-Elektrik, Germany). With the sample geometry (thickness, area), a membrane conductivity is obtained under almost dry conditions 1.4 S / m at 0 ° C, 31% rel. Humidity and 7.3 S / m at 150 ° C, 0% rel. Humidity. If the circulating air is humidified in the climatic chamber, a higher conductivity of 19 S / m is achieved at 125 ° C and 21% relative humidity.
e) Herstellen einer Membran-Elektroden-Einheit e) producing a membrane-electrode assembly
Das 6 x 6 cm2 große Stück der mit Phosphorsäure gequollenen Membran aus Beispiel 2d wurde so zwischen zwei kommerziell erhältliche Gasdiffusionselektroden mit jeweils 4,0 mg/cm2 Platin-Beladung (Fa. Johnson Matthey, Typ 4 mg Pt Blk, no electro lyte, on Toray TGP-H-060, UK) gelegt, dass die Platin-Katalysa torschichten die Membran berührten. Diese Membran-Elektroden- Anordnung wurde 4 Stunden zwischen planparallelen Platten bei einer Temperatur von 160°C und einer Kraft von 1,3 kN zu einer Membran-Elektroden-Einheit verpresst . The 6 × 6 cm 2 piece of the phosphoric acid-swollen membrane from Example 2d was so between two commercially available gas diffusion electrodes, each with 4.0 mg / cm 2 platinum loading (Johnson Matthey, type 4 mg Pt Blk, no electro lyte on Toray TGP-H-060, UK) that the platinum catalyst layers contacted the membrane. This membrane-electrode assembly was compressed for 4 hours between plane-parallel plates at a temperature of 160 ° C and a force of 1.3 kN to a membrane-electrode assembly.
f) Brennstoffzellentest der Membran- Elektroden-Einheit f) fuel cell test of the membrane electrode assembly
Die Membran-Elektroden-Einheit aus Beispiel 2e wurde in üblicher Anordnung in eine Testzelle (quickCONNECT F25 der Fa. bal- tic-FuelCells GmbH, Deutschland) eingebaut und mit einer Presskraft von 3,5 kN verschlossen. Der Betrieb der Testzelle erfolgte an einem MILAN- Prüfstand der Fa. Magnum Fuel Cell AG. Abbildung 2 zeigt den Verlauf der Strom-Spannungs-ikurve bei 160°C. Der Gasfluss für Wasserstoff betrug 196 nml/min und für Luft 748 nml/min. Dabei wurden unbefeuchtete Gase mit Atmosphärendruck verwendet. Bei einem Strom von 0,5 A/cm2 wurde eine Zellspannung von 0,522 mV gemessen. Unter den angegebenen Testbedingungen zeigte die MEA bei einer Messfrequenz von 16 kHz eine Impedanz von 4 , 2 mQ auf einer Fläche von 25 cm2. Abbildung 2: Polarisationskurve einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheit aus Beispiel 2e The membrane-electrode unit from Example 2e was installed in a conventional arrangement in a test cell (quickCONNECT F25 from the company Balastic-FuelCells GmbH, Germany) and sealed with a pressing force of 3.5 kN. The operation of the test cell was carried out on a MILAN test rig from Magnum Fuel Cell AG. Figure 2 shows the course of the current-voltage curve at 160 ° C. The gas flow for hydrogen was 196 nml / min and for air 748 nml / min. Unhumidified gases with atmospheric pressure were used. At a current of 0.5 A / cm 2 , a cell voltage of 0.522 mV was measured. Under the test conditions indicated, the MEA exhibited an impedance of 4.2 mQ over an area of 25 cm 2 at a measurement frequency of 16 kHz. Figure 2: Polarization curve of a membrane electrode assembly of Example 2e according to the invention
Vergleichsbeispiel 1 Comparative Example 1
Leitfähigkeit eines thermisch vernetzten Films ohne Kieselsäure a) 12,0 g Polybenzimidazol nach Beispiel la wurden in 88 0 g Ν,Ν-Dimethylacetamid (DMAc) in einem Druckreaktor (Büchi Minic- lave, 200 ml) unter Rühren bei einer Temperatur von 200°C gelöst. Nach Filtration und Entgasung wurde die Lösung mittels eines Filmziehgeräts mit 0,4 mm Spalthöhe auf eine Trägerfolie aus Polyethylenterephthalat PET mit einer Dicke von 0,175 mm (käuflich erhältlich unter dem Handelnamen „Melinex O" bei Pütz GmbH, Deutschland) aufgebracht. Nach Trocknung (10 min bei 80°C, 10 min bei 100°C und 30 min bei 150°C) wurde der Film von der Trägerfolie getrennt. Anschließend wurde er in einem Um- lufttrockenschrank 240 min in 300°C heißer Luft erhitzt. Die Filmdicke betrug 30 bis 35 μπι. Mit diesem Film wurde ein Lös- lichkeitstest nach dem oben beschriebenen Verfahren durchgeführt. Die Gewichtsabnahme nach einer Stunde in 130°C heißem N, -Dimethylacetamid betrug 1 %. Conductivity of a thermally crosslinked film without silica a) 12.0 g of polybenzimidazole according to Example 1a were dissolved in 88.0 g of Ν, Ν-dimethylacetamide (DMAc) in a pressure reactor (Buchi miniclav, 200 ml) with stirring at a temperature of 200 ° C solved. After filtration and degassing, the solution was applied by means of a film-drawing device with a gap of 0.4 mm to a carrier film of polyethylene terephthalate PET having a thickness of 0.175 mm (commercially available under the trade name "Melinex O" from Pütz GmbH, Germany) The film was separated from the base film at 80 ° C., 10 minutes at 100 ° C. and 30 minutes at 150 ° C. It was then heated in a circulating air drying oven for 240 minutes in air at 300 ° C. The film thickness was 30 With this film, a solubility test was carried out according to the method described above The weight reduction after one hour in 130 ° C. hot N, -dimethylacetamide was 1%.
b) Von einem Stück (6 x 6 cm2) des in Vergleichsbeispiel la hergestellten Films wurde das Gewicht und die Dicke bestimmt. Anschließend wurde das Filmstück in eine Petrischale gelegt, mit 85 Gew. %-iger Phosphorsäure in Wasser in der Petrischale überschichtet und 30 min bei 150 °C in einem Trockenschrank erhitzt. Nach Abkühlen auf Raumtemperatur wurde der Film entnommen und mit Papiertüchern abgewischt. Von dem gequollenen Film wurden wieder das Gewicht und die Dicke bestimmt. Er hatte das ca. 5-fache seines Gewichts aufgenommen. Der Dotierungsgrad (Massenzunahme bezogen auf das Gewicht der gequollenen Membran) betrug 82,4 Gew.%. Die Dicke betrug 45 pm. c) Ein Stück (20 x 10 mm2) der oben unter a) hergestellten, gequollenen Membran wurde in eine -Punkt-Leitfähigkeitsmesszelle (erhältlich unter der Bezeichnung „Typ BT110" der Fa. BekkTech LLC, USA) eingelegt und in einem Umluftofen auf 150°C aufge- heizt. Mittels eines Impedanzanalysators (erhältlich unter der Bezeichnung „Modell IM6ex" der Fa. Zahner-Elektrik, Deutschland) wurde die Membranimpedanz bestimmt. Mit der Probengeometrie (Dicke, Fläche) erhält man daraus unter nahezu trockenen Bedingungen eine Membranleitfähigkeit zwischen 0,67 S/m bei 0°C, 40% rel. Feuchte und 5,1 S/m bei 150°C, 1% rel . Feuchte. Befeuchtet man die Umluft im Klimaschrank, dann erreicht man bei 125 °C und 21% rel. Feuchte eine höhere Leitfähigkeit von 9 S/m. Alle Werte sind deutlich geringer als die in Beispiel 2d gemessenen Leitfähigkeiten. b) From a piece (6 x 6 cm 2) of the film prepared in Comparative Example la, the weight and the thickness were determined. Subsequently, the film piece was placed in a Petri dish, covered with 85 wt.% Phosphoric acid in water in the Petri dish and heated for 30 min at 150 ° C in a drying oven. After cooling to room temperature, the film was removed and wiped with paper towels. From the swollen film, the weight and the thickness were again determined. He had taken about 5 times his weight. The degree of doping (mass increase based on the weight of the swollen membrane) was 82.4 wt.%. The thickness was 45 pm. c) A piece (20 × 10 mm 2 ) of the swollen membrane prepared above under a) was placed in a point-conductivity measuring cell (available under the name "Type BT110" Fa. BekkTech LLC, USA) and in a convection oven on 150 ° C. The membrane impedance was determined by means of an impedance analyzer (available under the name "Model IM6ex" from Zahner-Elektrik, Germany). With the sample geometry (thickness, area) is obtained under almost dry conditions, a membrane conductivity between 0.67 S / m at 0 ° C, 40% rel. Humidity and 5.1 S / m at 150 ° C, 1% rel. Humidity. Moistening the circulating air in the climatic chamber, then reached at 125 ° C and 21% rel. Humidity a higher conductivity of 9 S / m. All values are significantly lower than the conductivities measured in Example 2d.
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| NENP | Non-entry into the national phase |
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