JP4447007B2 - Polymer electrolyte composition containing aromatic hydrocarbon resin - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高分子電解質組成物及びそれからなる固体高分子型燃料電池用のプロトン交換膜に関するものである。 The present invention relates to a polymer electrolyte composition and a proton exchange membrane for a polymer electrolyte fuel cell comprising the same.
燃料電池は、電池内で、水素、メタノール等を電気化学的に酸化することにより、燃料の化学エネルギーを、直接、電気エネルギーに変換して取り出すものであり、クリーンな電気エネルギー供給源として注目されている。特に、固体高分子形燃料電池は、他と比較して低温で作動することから、自動車代替動力源、家庭用コジェネレーションシステム、携帯用発電機等として期待されている。 A fuel cell is one that converts the chemical energy of fuel directly into electrical energy by electrochemically oxidizing hydrogen, methanol, etc. in the battery, and is attracting attention as a clean electrical energy supply source. ing. In particular, polymer electrolyte fuel cells are expected to be used as alternative power sources for automobiles, home cogeneration systems, portable generators, and the like because they operate at a lower temperature than others.
このような固体高分子形燃料電池は、電極触媒層とガス拡散層とが積層されたガス拡散電極がプロトン交換膜の両面に接合された膜電極接合体を少なくとも備えている。ここでいうプロトン交換膜は、高分子鎖中にスルホン酸基、カルボン酸基等の強酸性基を有し、プロトンを選択的に透過する性質を有する材料である。このようなプロトン交換膜としては、化学的安定性の高いナフィオン(登録商標、デュポン社製)に代表されるパーフルオロ系プロトン交換膜が好適に用いられる。 Such a polymer electrolyte fuel cell includes at least a membrane electrode assembly in which a gas diffusion electrode in which an electrode catalyst layer and a gas diffusion layer are laminated is bonded to both surfaces of a proton exchange membrane. The proton exchange membrane here is a material having a strong acidic group such as a sulfonic acid group and a carboxylic acid group in the polymer chain and a property of selectively transmitting protons. As such a proton exchange membrane, a perfluoro proton exchange membrane represented by Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont) having high chemical stability is preferably used.
燃料電池の運転時においては、アノード側のガス拡散電極に燃料(例えば、水素)、カソード側のガス拡散電極に酸化剤(例えば、酸素や空気)をそれぞれ供給し、両電極間を外部回路で接続することにより作動する。具体的には、水素を燃料とした場合、アノード触媒上で水素が酸化されてプロトンが生じ、このプロトンがアノード触媒層内のプロトン伝導性ポリマーを通った後、プロトン交換膜内を移動し、カソード触媒層内のプロトン伝導性ポリマーを通ってカソード触媒上に達する。一方、水素の酸化によりプロトンと同時に生じた電子は、外部回路を通ってカソード側ガス拡散電極に到達し、カソード触媒上にて上記プロトンと酸化剤中の酸素と反応して水が生成され、このとき電気エネルギーを取り出すことができる。 During operation of the fuel cell, fuel (for example, hydrogen) is supplied to the gas diffusion electrode on the anode side, and an oxidant (for example, oxygen or air) is supplied to the gas diffusion electrode on the cathode side. Operates by connecting. Specifically, when hydrogen is used as a fuel, hydrogen is oxidized on the anode catalyst to generate protons, and after passing through the proton conductive polymer in the anode catalyst layer, the protons move in the proton exchange membrane, It reaches the cathode catalyst through the proton conducting polymer in the cathode catalyst layer. On the other hand, electrons generated simultaneously with protons by oxidation of hydrogen reach the cathode side gas diffusion electrode through an external circuit, and react with the protons and oxygen in the oxidant on the cathode catalyst to generate water, At this time, electric energy can be taken out.
この際、プロトン交換膜は、ガスバリアとしての役割も果たす必要があり、プロトン交換膜のガス透過率が高いと、アノード側水素のカソード側へのリークおよびカソード側酸素のアノード側へのリーク、すなわち、クロスリークが発生して、いわゆるケミカルショートの状態となって良好な電圧を取り出せなくなる。 At this time, the proton exchange membrane also needs to play a role as a gas barrier. When the gas permeability of the proton exchange membrane is high, leakage of anode-side hydrogen to the cathode side and leakage of cathode-side oxygen to the anode side, that is, A cross leak occurs, so that a so-called chemical short circuit occurs and a good voltage cannot be taken out.
このような固体高分子型燃料電池は、高出力特性を得るために80℃近辺で運転するのが通常である。しかしながら、自動車用途として用いる場合には、夏場の自動車走行を想定して、高温低加湿条件下(運転温度100℃付近で、50℃加湿(湿度12RH%に相当))でも燃料電池を運転できることが望まれている。ところが、従来のパーフルオロ系プロトン交換膜を用いて高温低加湿条件下で燃料電池を長時間運転すると、プロトン交換膜にピンホールが生じ、クロスリークが発生するという問題があり、十分な耐久性が得られていない。 Such a polymer electrolyte fuel cell is usually operated near 80 ° C. in order to obtain high output characteristics. However, when used for automobiles, the fuel cell can be operated even under high-temperature and low-humidification conditions (operating temperature near 100 ° C., 50 ° C. humidification (corresponding to a humidity of 12 RH%)) assuming that the vehicle is driven in summer. It is desired. However, when a fuel cell is operated for a long time under a high temperature and low humidity condition using a conventional perfluoro proton exchange membrane, there is a problem that pinholes are generated in the proton exchange membrane, and cross leaks occur. Is not obtained.
パーフルオロ系プロトン交換膜の耐久性を向上させる方法として、フィブリル状のポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を用いた補強(特開昭53−149881号公報および特公昭63−61337号公報)、延伸処理したPTFE多孔膜を用いた補強(特開平8−162132号公報)、無機粒子を添加した補強(特開平6−111827号公報、特開平9−219206号公報および米国特許第5523181号明細書)、および芳香族環含有樹脂からなる多孔質体を用いた補強(特開2001−514431号公報および特開2003−297393号公報)による検討が報告されている。しかしながら、これらの方法では、上記問題を解決するに充分な耐久性を得ることは達成されていない。 As a method for improving the durability of the perfluoro proton exchange membrane, reinforcement using fibrillar polytetrafluoroethylene (PTFE) (Japanese Patent Laid-Open No. 53-149881 and Japanese Patent Publication No. 63-61337), stretching treatment Reinforcement using a porous PTFE membrane (JP-A-8-162132), reinforcement added with inorganic particles (JP-A-6-1111827, JP-A-9-219206 and US Pat. No. 5,523,181), In addition, studies have been reported on reinforcement using a porous body made of an aromatic ring-containing resin (Japanese Patent Laid-Open Nos. 2001-514431 and 2003-293393). However, in these methods, it has not been achieved to obtain a durability sufficient to solve the above problems.
本発明の目的は、高温低加湿条件下(例えば、運転温度100℃で、50℃加湿(湿度12RH%に相当))でも高耐久性を有する高分子電解質組成物およびこの高分子電解質組成物からなるプロトン交換膜を提供することである。 An object of the present invention is to provide a polymer electrolyte composition having high durability even under high-temperature and low-humidity conditions (for example, at an operating temperature of 100 ° C. and 50 ° C. humidification (corresponding to a humidity of 12 RH%)), and the polymer electrolyte composition. It is providing the proton exchange membrane which becomes.
本発明者等は、前記課題を解決するため鋭意検討した結果、イオン交換基を有する高分子化合物(A)、ポリフェニレンスルフィド樹脂(B)、並びにポリフェニレンエーテル樹脂(C)および/またはポリスルホン樹脂(D)からなる高分子電解質組成物が、高い酸化安定性を示し、さらにその高分子電解質組成物からなるプロトン交換膜が高温低加湿下でも非常に良好な高耐久性を有することを見出した。 As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have found that a polymer compound (A) having an ion exchange group, a polyphenylene sulfide resin (B), a polyphenylene ether resin (C) and / or a polysulfone resin (D It has been found that the proton exchange membrane comprising the polymer electrolyte composition has very good high durability even under high temperature and low humidity.
すなわち、本発明は以下のとおりである。
[1]イオン交換基を有する高分子化合物(A)、ポリフェニレンスルフィド樹脂(B)、並びにポリフェニレンエーテル樹脂(C)および/またはポリスルホン樹脂(D)からなる高分子電解質組成物。
[2]ポリフェニレンエーテル樹脂(C)がエポキシ変性ポリフェニレンエーテル(E)である上記[1]に記載の高分子電解質組成物。
[3]イオン交換基を有する高分子化合物(A)、ポリフェニレンスルフィド樹脂(B)、ポリフェニレンエーテル樹脂(C)およびエポキシ基含有化合物(F)からなる上記[1]または[2]に記載の高分子電解質組成物。
[4]エポキシ基含有化合物(F)がエポキシ基を有する不飽和モノマーの単独重合体または共重合体(G)である上記[3]に記載の高分子電解質組成物。
[5]エポキシ基含有化合物(F)がエポキシ基を有する不飽和モノマーとスチレンモノマーとを含む共重合体(G)である上記[4]に記載の高分子電解組成物。
[6]エポキシ基含有化合物(F)がエポキシ樹脂(H)である上記[3]に記載の高分子電解組成物。
[7]上記[6]に記載の高分子電解質組成物であって、該高分子電解質組成物中のポリフェニレンエーテル樹脂(C)とエポキシ樹脂(H)との少なくとも一部が反応してなるエポキシ変性ポリフェニレンエーテル(E)を含有している高分子電解質組成物。
[8]イオン交換基を有する高分子化合物(A)が、イオン交換基を有するパーフルオロカーボン高分子化合物である上記[1]〜[7]のいずれか一項に記載の高分子電解質組成物。
[9]イオン交換基を有するパーフルオロカーボン高分子化合物が下記一般式(1)で表される構造単位を有する上記[8]に記載の高分子電解質組成物。
-[CF2CX1X2]a-[CF2-CF(-O-(CF2-CF(CF2X3))b-Oc-(CFR1)d-(CFR2)e-(CF2)f-X4)]g- (1)
式中、X1、X2およびX3はそれぞれ独立にハロゲン元素または炭素数1以上3以下のパーフルオロアルキル基であり、aおよびgは0≦a<1、0<g≦1、a+g=1であり、bは0以上8以下の整数であり、cは0または1であり、d、eおよびfはそれぞれ独立に0以上6以下の整数(ただし、d+e+fは0に等しくない)であり、R1およびR2はそれぞれ独立にハロゲン元素、炭素数1以上10以下のパーフルオロアルキル基またはフルオロクロロアルキル基であり、X4はCOOZ、SO3Z、PO3Z2またはPO3HZである。ここでZは水素原子、アルカリ金属原子、アルカリ土類金属原子またはアミン類(NH4、NH3R1、NH2R1R2、NHR1R2R3、NR1R2R3R4)であり、R1、R2、R3およびR4はアルキル基またはアレーン基である。
[10]イオン交換基を有するパーフルオロカーボン高分子化合物(A)中に、ポリフェニレンスルフィド樹脂(B)、ポリフェニレンエーテル樹脂(C)およびポリスルホン樹脂(D)から選ばれる1種以上の樹脂を含有する粒子が分散しており、該粒子の円換算平均粒子径が1μm以下である上記[1]〜[9]のいずれか一項に記載の高分子電解質組成物。
[11]イオン交換基を有する高分子化合物(A)中に、ポリフェニレンスルフィド樹脂(B)、ポリフェニレンエーテル樹脂(C)およびエポキシ基含有化合物(F)から選ばれる1種以上の樹脂を含有する粒子が分散しており、該粒子の円換算平均粒子径が1μm以下である上記[3]〜[9]のいずれか一項に記載の高分子電解質組成物。
[12]粒子が分散している領域が、高分子電解質組成物の全体領域に対し、50〜100%である上記[10]または[11]に記載の高分子電解質組成物。
[13]上記[1]〜[12]のいずれか一項に記載の高分子電解質組成物からなるプロトン交換膜。
[14]イオン交換基を有する高分子化合物(A)がイオン交換基を有するパーフルオロカーボン高分子化合物であり、該イオン交換基を有するパーフルオロカーボン高分子化合物の前駆体にポリフェニレンスルフィド樹脂(B)並びにポリフェニレンエーテル樹脂(C)および/またはポリスルホン樹脂(D)を加熱溶融混合した後押出成形して得られた膜を、アルカリで鹸化した後、酸処理することにより製造された、膜厚が5〜200μmの上記[13]に記載のプロトン交換膜。
[15]イオン交換基を有する高分子化合物(A)がイオン交換基を有するパーフルオロカーボン高分子化合物であり、該イオン交換基を有するパーフルオロカーボン高分子化合物の前駆体にポリフェニレンスルフィド樹脂(B)、ポリフェニレンエーテル樹脂(C)およびエポキシ基含有化合物(F)を加熱溶融混合した後押出成形して得られた膜を、アルカリで鹸化した後、酸処理することにより製造された、膜厚が5〜200μmの上記[13]に記載のプロトン交換膜。
[16]押出成形が、インフレーション成形である上記[14]または[15]に記載のプロトン交換膜。
[17]横(TD)方向に1.1〜6.0倍、縦(MD)方向に1.0〜6.0倍および面積延伸倍率で1.1〜36倍に延伸処理された上記[13]〜[16]のいずれか一項に記載のプロトン交換膜。
[18]組成比が異なる高分子電解質組成物からなる少なくとも2種類のプロトン交換膜が積層されてなる上記[13]〜[17]のいずれか一項に記載のプロトン交換膜。
[19]高分子電解質組成物がイオン交換基を有する高分子化合物(A)、ポリフェニレンスルフィド樹脂(B)、ポリフェニレンエーテル樹脂(C)およびエポキシ基含有化合物(F)からなる上記[18]に記載のプロトン交換膜。
[20]イオン交換基を有する高分子化合物(A)の含有率が異なる少なくとも2種類の高分子電解質組成物からなるプロトン交換膜が少なくとも3層積層されており、少なくともいずれか一方の表面層よりも該Aの含有率の少ない内部層を全体層厚みの5〜90%比で有する上記[18]または[19]に記載のプロトン交換膜。
[21]イオン交換基を有する高分子化合物(A)の含有率が異なる少なくとも2種類の高分子電解質組成物からなるプロトン交換膜が少なくとも3層積層されており、表面層の該Aの含有率は内部層よりも少なく、該表面層の厚みは全体層厚みの5〜50%比である上記[18]または[19]に記載のプロトン交換膜。
[22]無機材または有機材からなる補強材料を含有する上記[13]〜[21]のいずれか一項に記載のプロトン交換膜。
[23]補強材料が短繊維物質である上記[22]に記載のプロトン交換膜。
[24]補強材料が連続した支持体である上記[22]に記載のプロトン交換膜。
[25]上記[13]〜[24]に記載のプロトン交換膜からなる膜電極接合体。
[26]上記[25]に記載の膜電極接合体からなる固体高分子型燃料電池。That is, the present invention is as follows.
[1] A polymer electrolyte composition comprising a polymer compound (A) having an ion exchange group, a polyphenylene sulfide resin (B), and a polyphenylene ether resin (C) and / or a polysulfone resin (D).
[2] The polymer electrolyte composition according to the above [1], wherein the polyphenylene ether resin (C) is an epoxy-modified polyphenylene ether (E).
[3] The high molecular structure according to [1] or [2], comprising the polymer compound (A) having an ion exchange group, the polyphenylene sulfide resin (B), the polyphenylene ether resin (C), and the epoxy group-containing compound (F). Molecular electrolyte composition.
[4] The polymer electrolyte composition according to the above [3], wherein the epoxy group-containing compound (F) is a homopolymer or copolymer (G) of an unsaturated monomer having an epoxy group.
[5] The polymer electrolyte composition according to the above [4], wherein the epoxy group-containing compound (F) is a copolymer (G) containing an unsaturated monomer having an epoxy group and a styrene monomer.
[6] The polymer electrolyte composition according to the above [3], wherein the epoxy group-containing compound (F) is an epoxy resin (H).
[7] The polymer electrolyte composition as described in [6] above, wherein an epoxy formed by reacting at least a part of the polyphenylene ether resin (C) and the epoxy resin (H) in the polymer electrolyte composition A polymer electrolyte composition containing a modified polyphenylene ether (E).
[8] The polymer electrolyte composition according to any one of [1] to [7], wherein the polymer compound (A) having an ion exchange group is a perfluorocarbon polymer compound having an ion exchange group.
[9] The polymer electrolyte composition according to the above [8], wherein the perfluorocarbon polymer compound having an ion exchange group has a structural unit represented by the following general formula (1).
-[CF 2 CX 1 X 2 ] a- [CF 2 -CF (-O- (CF 2 -CF (CF 2 X 3 )) b -O c- (CFR 1 ) d- (CFR 2 ) e- ( CF 2 ) f -X 4 )] g- (1)
In the formula, X 1 , X 2 and X 3 are each independently a halogen element or a perfluoroalkyl group having 1 to 3 carbon atoms, and a and g are 0 ≦ a <1, 0 <g ≦ 1, a + g = 1, b is an integer of 0 or more and 8 or less, c is 0 or 1, d, e and f are each independently an integer of 0 or more and 6 or less (however, d + e + f is not equal to 0) , R 1 and R 2 are each independently a halogen element, a perfluoroalkyl group or a fluorochloroalkyl group having 1 to 10 carbon atoms, and X 4 is COOZ, SO 3 Z, PO 3 Z 2 or PO 3 HZ. is there. Here, Z is a hydrogen atom, an alkali metal atom, an alkaline earth metal atom or an amine (NH 4 , NH 3 R 1 , NH 2 R 1 R 2 , NHR 1 R 2 R 3 , NR 1 R 2 R 3 R 4 R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are alkyl groups or arene groups.
[10] Particles containing at least one resin selected from polyphenylene sulfide resin (B), polyphenylene ether resin (C) and polysulfone resin (D) in perfluorocarbon polymer compound (A) having an ion exchange group The polymer electrolyte composition according to any one of the above [1] to [9], wherein the particles have an average particle diameter in terms of a circle of 1 μm or less.
[11] Particles containing at least one resin selected from polyphenylene sulfide resin (B), polyphenylene ether resin (C) and epoxy group-containing compound (F) in polymer compound (A) having an ion exchange group The polymer electrolyte composition according to any one of the above [3] to [9], wherein the particles are dispersed and the average particle diameter in terms of a circle is 1 μm or less.
[12] The polymer electrolyte composition according to the above [10] or [11], wherein the region in which the particles are dispersed is 50 to 100% with respect to the entire region of the polymer electrolyte composition.
[13] A proton exchange membrane comprising the polymer electrolyte composition according to any one of [1] to [12] above.
[14] The polymer compound (A) having an ion exchange group is a perfluorocarbon polymer compound having an ion exchange group, and a polyphenylene sulfide resin (B) and a precursor of the perfluorocarbon polymer compound having an ion exchange group A film obtained by heat-melting and mixing the polyphenylene ether resin (C) and / or the polysulfone resin (D) and then extrusion-molding the film was saponified with an alkali and then acid-treated. The proton exchange membrane according to [13], which is 200 μm.
[15] The polymer compound (A) having an ion exchange group is a perfluorocarbon polymer compound having an ion exchange group, and a polyphenylene sulfide resin (B) is used as a precursor of the perfluorocarbon polymer compound having an ion exchange group, The film obtained by heat-melting and mixing the polyphenylene ether resin (C) and the epoxy group-containing compound (F) and then extrusion molding was saponified with alkali, and then manufactured by acid treatment. The proton exchange membrane according to [13], which is 200 μm.
[16] The proton exchange membrane according to the above [14] or [15], wherein the extrusion molding is inflation molding.
[17] The above-mentioned stretch-treated film of 1.1 to 6.0 times in the transverse (TD) direction, 1.0 to 6.0 times in the longitudinal (MD) direction, and 1.1 to 36 times in area stretch ratio [ The proton exchange membrane according to any one of [13] to [16].
[18] The proton exchange membrane according to any one of [13] to [17], wherein at least two types of proton exchange membranes made of polymer electrolyte compositions having different composition ratios are laminated.
[19] The above [18], wherein the polymer electrolyte composition comprises a polymer compound (A) having an ion exchange group, a polyphenylene sulfide resin (B), a polyphenylene ether resin (C), and an epoxy group-containing compound (F). Proton exchange membrane.
[20] At least three proton exchange membranes composed of at least two types of polymer electrolyte compositions having different contents of the polymer compound (A) having an ion exchange group are laminated, and from at least one of the surface layers The proton exchange membrane as described in [18] or [19] above, wherein the inner layer having a low A content is 5 to 90% of the total layer thickness.
[21] At least three proton exchange membranes composed of at least two types of polymer electrolyte compositions having different content of the polymer compound (A) having an ion exchange group are laminated, and the content of A in the surface layer Is less than the inner layer, and the thickness of the surface layer is 5 to 50% of the total layer thickness.
[22] The proton exchange membrane according to any one of [13] to [21], which contains a reinforcing material made of an inorganic material or an organic material.
[23] The proton exchange membrane according to [22], wherein the reinforcing material is a short fiber substance.
[24] The proton exchange membrane according to [22], wherein the reinforcing material is a continuous support.
[25] A membrane electrode assembly comprising the proton exchange membrane according to the above [13] to [24].
[26] A polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to [25].
本発明の高分子電解質組成物からなるプロトン交換膜は、運転温度100℃で、50℃加湿(湿度12RH%に相当)において、燃料電池運転を長期間行ってもクロスリークが発生せず、優れた耐久性を示すことから、高温低加湿条件下(例えば、運転温度100℃で、50℃加湿(湿度12RH%に相当))でも高耐久性を有するプロトン交換膜を得ることが可能となった。 The proton exchange membrane comprising the polymer electrolyte composition of the present invention is excellent in that no cross leak occurs even when the fuel cell is operated for a long period of time at an operating temperature of 100 ° C. and humidified at 50 ° C. (equivalent to a humidity of 12 RH%). Because of its high durability, it has become possible to obtain a proton exchange membrane having high durability even under high temperature and low humidification conditions (for example, at an operating temperature of 100 ° C. and 50 ° C. humidification (equivalent to a humidity of 12 RH%)). .
本発明により得られるプロトン交換膜は、ダイレクトメタノール型燃料電池を含めた各種燃料電池、水電解、ハロゲン化水素酸電解、食塩電解、酸素濃縮器、湿度センサー、ガスセンサー等に用いることも可能である。 The proton exchange membrane obtained by the present invention can also be used in various fuel cells including direct methanol fuel cells, water electrolysis, hydrohalic acid electrolysis, salt electrolysis, oxygen concentrators, humidity sensors, gas sensors, etc. is there.
以下に、本発明について詳細に説明する。 The present invention is described in detail below.
本発明で用いられるイオン交換基を有する高分子化合物(A)としては、例えば、イオン交換基を有するパーフルオロカーボン高分子化合物や、分子内に芳香環を有する炭化水素系高分子化合物にイオン交換基を導入したものなどが好ましい。分子内に芳香環を有する炭化水素系高分子化合物としては、具体的には、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンエーテル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリチオエーテルエーテルスルホン、ポリチオエーテルケトン、ポリチオエーテルエーテルケトン、ポリベンゾイミダゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリオキサジアゾール、ポリベンゾオキサジノン、ポリキシリレン、ポリフェニレン、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアニリン、ポリアセン、ポリシアノゲン、ポリナフチリジン、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリフェニレンスルホン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリエステルイミド、ポリアミドイミド、ポリアリレート、芳香族ポリアミド、ポリスチレン、ポリエステル、ポリカーボネートなどが挙げられる。耐熱性や耐酸化性、耐加水分解性の観点からポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンエーテル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリチオエーテルエーテルスルホン、ポリチオエーテルケトン、ポリチオエーテルエーテルケトン、ポリベンゾイミダゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリオキサジアゾール、ポリベンゾオキサジノン、ポリキシリレン、ポリフェニレン、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアニリン、ポリアセン、ポリシアノゲン、ポリナフチリジン、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリフェニレンスルホン、ポリイミド、ポリエーテルイミドが好ましい。これらに導入するイオン交換基は、例えば、スルホン酸基、スルホンイミド基、スルホンアミド基、カルボン酸基、リン酸基などが好ましく、特にスルホン酸基が好ましい。 Examples of the polymer compound (A) having an ion exchange group used in the present invention include an ion exchange group in a perfluorocarbon polymer compound having an ion exchange group or a hydrocarbon polymer compound having an aromatic ring in the molecule. Those into which are introduced are preferred. Specific examples of the hydrocarbon polymer compound having an aromatic ring in the molecule include polyphenylene sulfide, polyphenylene ether, polysulfone, polyether sulfone, polyether ether sulfone, polyether ketone, polyether ether ketone, and polythioether ether. Sulfone, polythioetherketone, polythioetheretherketone, polybenzimidazole, polybenzoxazole, polyoxadiazole, polybenzoxazinone, polyxylylene, polyphenylene, polythiophene, polypyrrole, polyaniline, polyacene, polycyanogen, polynaphthyridine, polyphenylene sulfide sulfone, Polyphenylenesulfone, polyimide, polyetherimide, polyesterimide, polyamideimide, polyester Arylate, aromatic polyamide, polystyrene, polyester, and polycarbonate. From the viewpoint of heat resistance, oxidation resistance and hydrolysis resistance, polyphenylene sulfide, polyphenylene ether, polysulfone, polyether sulfone, polyether ether sulfone, polyether ketone, polyether ether ketone, polythioether ether sulfone, polythioether ketone, poly Thioether ether ketone, polybenzimidazole, polybenzoxazole, polyoxadiazole, polybenzoxazinone, polyxylylene, polyphenylene, polythiophene, polypyrrole, polyaniline, polyacene, polycyanogen, polynaphthyridine, polyphenylene sulfide sulfone, polyphenylene sulfone, polyimide, polyether An imide is preferred. The ion exchange group introduced into these is preferably, for example, a sulfonic acid group, a sulfonimide group, a sulfonamide group, a carboxylic acid group, or a phosphoric acid group, and particularly preferably a sulfonic acid group.
本発明で用いられるイオン交換基を有する高分子化合物(A)としては、イオン交換基を有するパーフルオロカーボン高分子化合物が特に好適である。 As the polymer compound (A) having an ion exchange group used in the present invention, a perfluorocarbon polymer compound having an ion exchange group is particularly suitable.
イオン交換基を有するパーフルオロカーボン高分子化合物としては、パーフルオロカーボンのスルホン酸ポリマーをはじめカルボン酸ポリマー、スルホンイミドポリマー、スルホンアミドポリマー、リン酸ポリマー、もしくはこれらのアミン塩、金属塩等が好適に用いられ、具体例としては下記一般式(1)で表される重合体が挙げられる。
-[CF2CX1X2]a-[CF2-CF(-O-(CF2-CF(CF2X3))b-Oc-(CFR1)d-(CFR2)e-(CF2)f-X4)]g-(1)
式中、X1、X2およびX3はそれぞれ独立にハロゲン元素または炭素数1以上3以下のパーフルオロアルキル基であり、aおよびgは0≦a<1、0<g≦1、a+g=1であり、bは0以上8以下の整数であり、cは0または1であり、d、eおよびfはそれぞれ独立に0以上6以下の整数(ただし、d+e+fは0に等しくない)であり、R1およびR2はそれぞれ独立にハロゲン元素、炭素数1以上10以下のパーフルオロアルキル基またはフルオロクロロアルキル基であり、X4はCOOZ、SO3Z、PO3Z2またはPO3HZである。ここでZは水素原子、アルカリ金属原子、アルカリ土類金属原子またはアミン類(NH4、NH3R1、NH2R1R2、NHR1R2R3、NR1R2R3R4)であり、R1、R2、R3およびR4はアルキル基またはアレーン基である。As the perfluorocarbon polymer compound having an ion exchange group, a sulfonic acid polymer of perfluorocarbon, a carboxylic acid polymer, a sulfonimide polymer, a sulfonamide polymer, a phosphoric acid polymer, or an amine salt or a metal salt thereof is preferably used. Specific examples thereof include a polymer represented by the following general formula (1).
-[CF 2 CX 1 X 2 ] a- [CF 2 -CF (-O- (CF 2 -CF (CF 2 X 3 )) b -O c- (CFR 1 ) d- (CFR 2 ) e- ( CF 2 ) f -X 4 )] g- (1)
In the formula, X 1 , X 2 and X 3 are each independently a halogen element or a perfluoroalkyl group having 1 to 3 carbon atoms, and a and g are 0 ≦ a <1, 0 <g ≦ 1, a + g = 1, b is an integer of 0 or more and 8 or less, c is 0 or 1, d, e and f are each independently an integer of 0 or more and 6 or less (however, d + e + f is not equal to 0) , R 1 and R 2 are each independently a halogen element, a perfluoroalkyl group or a fluorochloroalkyl group having 1 to 10 carbon atoms, and X 4 is COOZ, SO 3 Z, PO 3 Z 2 or PO 3 HZ. is there. Here, Z is a hydrogen atom, an alkali metal atom, an alkaline earth metal atom or an amine (NH 4 , NH 3 R 1 , NH 2 R 1 R 2 , NHR 1 R 2 R 3 , NR 1 R 2 R 3 R 4 R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are alkyl groups or arene groups.
中でも、下記一般式(2)または(3)で表されるパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーもしくはその金属塩が特に好ましい。 Among these, a perfluorocarbon sulfonic acid polymer represented by the following general formula (2) or (3) or a metal salt thereof is particularly preferable.
-[CF2CF2]a-[CF2-CF(-O-CF2-CF(CF3))b-O-(CF2)c-SO3X]]d- (2)
式中、aおよびdは0≦a<1、0≦d<1、a+d=1であり、bは1以上8以下の整数であり、cは0以上10以下の整数であり、Xは水素原子またはアルカリ金属原子である。-[CF 2 CF 2 ] a- [CF 2 -CF (-O-CF 2 -CF (CF 3 )) b -O- (CF 2 ) c -SO 3 X]] d- (2)
In the formula, a and d are 0 ≦ a <1, 0 ≦ d <1, a + d = 1, b is an integer of 1 to 8, c is an integer of 0 to 10, and X is hydrogen An atom or an alkali metal atom.
-[CF2CF2]e-[CF2-CF(-O-(CF2)f-SO3Y)]g- (3)
式中、eおよびgは0≦e<1、0≦g<1、e+g=1であり、fは0以上10以下の整数であり、Yは水素原子またはアルカリ金属原子である。-[CF 2 CF 2 ] e- [CF 2 -CF (-O- (CF 2 ) f -SO 3 Y)] g- (3)
In the formula, e and g are 0 ≦ e <1, 0 ≦ g <1, e + g = 1, f is an integer of 0 or more and 10 or less, and Y is a hydrogen atom or an alkali metal atom.
本発明に用いるイオン交換基を有するパーフルオロカーボン高分子化合物は、例えば、下記一般式(4)に示される前駆体ポリマーを重合した後、アルカリ加水分解、酸処理等を行って製造することができる。
-[CF2CX1X2]a-[CF2-CF(-O-(CF2-CF(CF2X3))b-Oc-(CFR1)d-(CFR2)e-(CF2)f-X5)]g-(4)
式中、X1、X2およびX3はそれぞれ独立にハロゲン元素または炭素数1以上3以下のパーフルオロアルキル基であり、aおよびgは0≦a<1、0<g≦1、a+g=1であり、bは0以上8以下の整数であり、cは0または1であり、d、eおよびfはそれぞれ独立に0以上6以下の整数(ただし、d+e+fは0に等しくない)であり、R1およびR2はそれぞれ独立にハロゲン元素、炭素数1以上10以下のパーフルオロアルキル基またはフルオロクロロアルキル基であり、X5はCOOR3、COR4またはSO2R4である。ここで、R3は炭素数1〜3の炭化水素系アルキル基であり、R4はハロゲン元素である。The perfluorocarbon polymer compound having an ion exchange group used in the present invention can be produced, for example, by polymerizing a precursor polymer represented by the following general formula (4), followed by alkali hydrolysis, acid treatment and the like. .
-[CF 2 CX 1 X 2 ] a- [CF 2 -CF (-O- (CF 2 -CF (CF 2 X 3 )) b -O c- (CFR 1 ) d- (CFR 2 ) e- ( CF 2 ) f -X 5 )] g- (4)
In the formula, X 1 , X 2 and X 3 are each independently a halogen element or a perfluoroalkyl group having 1 to 3 carbon atoms, and a and g are 0 ≦ a <1, 0 <g ≦ 1, a + g = 1, b is an integer of 0 or more and 8 or less, c is 0 or 1, d, e and f are each independently an integer of 0 or more and 6 or less (however, d + e + f is not equal to 0) , R 1 and R 2 are each independently a halogen element, a perfluoroalkyl group or a fluorochloroalkyl group having 1 to 10 carbon atoms, and X 5 is COOR 3 , COR 4 or SO 2 R 4 . Here, R 3 is a hydrocarbon alkyl group having 1 to 3 carbon atoms, and R 4 is a halogen element.
本発明に用いることが可能な前駆体ポリマーは、フッ化オレフィン化合物とフッ化ビニル化合物とを共重合させることにより製造される。 The precursor polymer that can be used in the present invention is produced by copolymerizing a fluorinated olefin compound and a vinyl fluoride compound.
具体的なフッ化オレフィン化合物としては、CF2=CF2,CF2=CFCl,CF2=CCl2等が挙げられる。Specific examples of the fluorinated olefin compound include CF 2 = CF 2 , CF 2 = CFCl, CF 2 = CCl 2 and the like.
また、具体的なフッ化ビニル化合物としては、CF2=CFO(CF2)z−SO2F,CF2=CFOCF2CF(CF3)O(CF2)z−SO2F,CF2=CF(CF2)z−SO2F,CF2=CF(OCF2CF(CF3))z−(CF2)z-1−SO2F,CF2=CFO(CF2)z−CO2R,CF2=CFOCF2CF(CF3)O(CF2)z−CO2R,CF2=CF(CF2)z−CO2R,CF2=CF(OCF2CF(CF3))z−(CF2)2−CO2R(Zは1〜8の整数を、Rは炭素数1〜3の炭化水素系アルキル基を表す)等が挙げられる。Further, as a specific fluorinated vinyl compounds, CF 2 = CFO (CF 2 ) z -SO 2 F, CF 2 = CFOCF 2 CF (CF 3) O (CF 2) z -SO 2 F, CF 2 = CF (CF 2) z -SO 2 F, CF 2 = CF (OCF 2 CF (CF 3)) z - (CF 2) z-1 -SO 2 F, CF 2 = CFO (CF 2) z -CO 2 R, CF2 = CFOCF 2 CF ( CF 3) O (CF 2) z -CO 2 R, CF 2 = CF (CF 2) z -CO 2 R, CF 2 = CF (OCF 2 CF (CF 3)) z - (CF 2) 2 -CO 2 R ( an integer of Z is 1 to 8, R represents a hydrocarbon-based alkyl group having 1 to 3 carbon atoms) and the like.
前駆体ポリマーの重合方法としては、フッ化ビニル化合物をフロン等の溶媒に溶解した後、フッ化オレフィン化合物のガスと反応させ重合する溶液重合法、フロン等の溶媒を使用せずに重合する塊状重合法、フッ化ビニル化合物を界面活性剤とともに水中に仕込んで乳化させた後、フッ化オレフィン化合物のガスと反応させ重合する乳化重合法等の一般的な重合方法が挙げられる。 As a polymerization method of the precursor polymer, a solution polymerization method in which a vinyl fluoride compound is dissolved in a solvent such as chlorofluorocarbon and then reacted with a gas of a fluorinated olefin compound to perform polymerization, or a block shape in which polymerization is performed without using a solvent such as chlorofluorocarbon General polymerization methods such as a polymerization method, an emulsion polymerization method in which a vinyl fluoride compound is mixed with a surfactant in water and emulsified, and then reacted with a gas of a fluorinated olefin compound for polymerization.
なお、本発明では、フッ化ビニル化合物、フッ化オレフィン化合物に加え、ヘキサフルオロプロピレン、クロロトリフルオロエチレン等のパーフルオロオレフィンおよびパーフルオロアルキルビニルエーテル等の第3成分を含む共重合体であってもよい。 In the present invention, in addition to a vinyl fluoride compound and a fluorinated olefin compound, a copolymer containing a third component such as a perfluoroolefin such as hexafluoropropylene or chlorotrifluoroethylene and a perfluoroalkyl vinyl ether may be used. Good.
本発明に用いることが可能な前駆体ポリマーの、JIS K−7210に基づいた270℃、荷重21.2N、オリフィス内径2.09mmで測定されるメルトインデックスMI(g/10分)は、0.001以上1000以下が好ましく、より好ましくは0.01以上100以下、最も好ましくは0.1以上10以下である。 The melt index MI (g / 10 min) of the precursor polymer that can be used in the present invention, measured at 270 ° C., load 21.2 N, orifice inner diameter 2.09 mm based on JIS K-7210 is 0.00. 001 or more and 1000 or less are preferable, more preferably 0.01 or more and 100 or less, and most preferably 0.1 or more and 10 or less.
本発明に用いることが可能な前駆体ポリマーは、次に、塩基性反応液体に浸漬させてアルカリ加水分解処理を行う。反応液体は、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム等のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の水酸化物の水溶液が好ましい。アルカリ金属またはアルカリ土類金属の水酸化物の含有率は、10質量%以上30質量%以下であることが好ましい。上記反応液体は、ジメチルスルホキシド、メタノール等の膨潤性有機化合物を含有するのが好ましい。膨潤性有機化合物の含有率としては、1質量%以上30質量%以下であることが好ましい。 Next, the precursor polymer that can be used in the present invention is immersed in a basic reaction liquid and subjected to an alkali hydrolysis treatment. The reaction liquid is preferably an aqueous solution of an alkali metal or alkaline earth metal hydroxide such as potassium hydroxide or sodium hydroxide. The content of alkali metal or alkaline earth metal hydroxide is preferably 10% by mass or more and 30% by mass or less. The reaction liquid preferably contains a swellable organic compound such as dimethyl sulfoxide or methanol. The content of the swellable organic compound is preferably 1% by mass or more and 30% by mass or less.
前駆体ポリマーをアルカリ加水分解処理した後、さらに必要に応じて塩酸等で酸処理を行うことにより、イオン交換基を有するパーフルオロカーボン高分子化合物が製造される。 After the precursor polymer is subjected to an alkali hydrolysis treatment, and further subjected to an acid treatment with hydrochloric acid or the like as necessary, a perfluorocarbon polymer compound having an ion exchange group is produced.
本発明で用いられるポリフェニレンスルフィド樹脂(B)(以下PPSと略記することもある)は、所謂ポリフェニレンスルフィド樹脂であれば特に限定されないが、好ましくはパラフェニレンスルフィド骨格が70モル%以上、さらに好ましくは90モル%以上からなるポリフェニレンスルフィド樹脂である。 The polyphenylene sulfide resin (B) used in the present invention (hereinafter sometimes abbreviated as PPS) is not particularly limited as long as it is a so-called polyphenylene sulfide resin, but preferably has a paraphenylene sulfide skeleton of 70 mol% or more, more preferably It is a polyphenylene sulfide resin comprising 90 mol% or more.
PPSの製造方法は、特に限定するものではなく、通常、ハロゲン置換芳香族化合物、例えばp-ジクロルベンゼンを硫黄と炭酸ソーダの存在下で重合させる方法、極性溶媒中でp-ジクロルベンゼンを硫化ナトリウムあるいは硫化水素ナトリウムと水酸化ナトリウムの存在下で重合させる方法、または極性溶媒中でp-ジクロルベンゼンを硫化水素と水酸化ナトリウムまたはナトリウムアミノアルカノエートの存在下で重合させる方法、p-クロルチオフェノールの自己縮合等が挙げられる。これらの中でもN-メチルピロリドン、ジメチルアセトアミド等のアミド系溶媒やスルホラン等のスルホン系溶媒中で硫化ナトリウムとp-ジクロルベンゼンを反応させる方法が適当である。具体的には、米国特許第2513188号明細書、特公昭44-27671号公報、特公昭45-3368号公報、特公昭52-12240号公報、特開昭61-225217号公報、米国特許第3274165号明細書、英国特許第1160660号明細書、特公昭46-27255号公報、ベルギー特許第29437号明細書および特開平5-222196号公報等に記載された方法やこれら特許等に例示された先行技術の方法で得ることが出来る。 The production method of PPS is not particularly limited. Usually, a halogen-substituted aromatic compound such as p-dichlorobenzene is polymerized in the presence of sulfur and sodium carbonate, and p-dichlorobenzene is reacted in a polar solvent. A method of polymerizing in the presence of sodium sulfide or sodium hydrogen sulfide and sodium hydroxide, or a method of polymerizing p-dichlorobenzene in a polar solvent in the presence of hydrogen sulfide and sodium hydroxide or sodium aminoalkanoate, p- Examples include self-condensation of chlorothiophenol. Among these, a method of reacting sodium sulfide and p-dichlorobenzene in an amide solvent such as N-methylpyrrolidone or dimethylacetamide or a sulfone solvent such as sulfolane is suitable. Specifically, U.S. Pat. No. 2,513,188, JP-B-44-27671, JP-B-45-3368, JP-B-52-12240, JP-A-61-225217, U.S. Pat. No. 3,274,165. No. 1, British Patent No. 1160660, Japanese Patent Publication No. Sho 46-27255, Belgian Patent No. 29437, and Japanese Patent Laid-Open No. 5-222196, etc. It can be obtained by technical methods.
本発明に用いられるポリフェニレンスルフィド樹脂(B)は、塩化メチレンによるオリゴマー抽出量が0.001重量%以上0.9重量%以下であり、かつ-SX基(Sはイオウ原子であり、Xはアルカリ金属または水素原子である)が10μmol/g以上10,000μmol/g以下であるポリフェニレンスルフィド樹脂が好ましい。 In the polyphenylene sulfide resin (B) used in the present invention, the amount of oligomer extracted with methylene chloride is 0.001 wt% or more and 0.9 wt% or less, and the —SX group (S is a sulfur atom, X is an alkali A polyphenylene sulfide resin having a metal or hydrogen atom of 10 μmol / g or more and 10,000 μmol / g or less is preferable.
塩化メチレンによるオリゴマー抽出量に関しては、0.001重量%以上0.8重量%以下がさらに好ましく、0.001重量%以上0.7重量%以下が特に好ましい。塩化メチレンによるオリゴマー抽出量が上記範囲にあるということは、PPS中におけるオリゴマー(約10〜30量体)の量が少ないことを意味する。オリゴマー抽出量が上記範囲を超えると製膜時にブリードアウトが発生しやすくなるので好ましくない。 The amount of oligomer extracted with methylene chloride is more preferably 0.001 wt% or more and 0.8 wt% or less, and particularly preferably 0.001 wt% or more and 0.7 wt% or less. That the amount of oligomer extracted with methylene chloride is in the above range means that the amount of oligomer (about 10 to 30 mer) in PPS is small. If the amount of oligomer extraction exceeds the above range, bleeding out tends to occur during film formation, which is not preferable.
ここで、塩化メチレンによるオリゴマー抽出量の測定は以下の方法により行うことができる。すなわち、PPS粉末5gを塩化メチレン80mlに加え、4時間ソクスレー抽出を実施した後、室温まで冷却し、抽出後の塩化メチレン溶液を秤量瓶に移す。更に、上記の抽出に使用した容器を塩化メチレン合計60mlを用いて、3回に分けて洗浄し、該洗浄液を上記秤量瓶中に回収する。次に、約80℃に加熱して、該秤量瓶中の塩化メチレンを蒸発させて除去し、残渣を秤量し、この残渣量よりPPS中に存在するオリゴマー量の割合を求めることができる。 Here, the amount of oligomer extracted with methylene chloride can be measured by the following method. That is, 5 g of PPS powder is added to 80 ml of methylene chloride, Soxhlet extraction is performed for 4 hours, and then cooled to room temperature, and the methylene chloride solution after extraction is transferred to a weighing bottle. Further, the container used for the above extraction is washed in three portions with a total of 60 ml of methylene chloride, and the washing liquid is collected in the weighing bottle. Next, the methylene chloride in the weighing bottle is evaporated and removed by heating to about 80 ° C., the residue is weighed, and the ratio of the amount of oligomer present in the PPS can be determined from the amount of the residue.
また、-SX基の含有量に関しては、15μmol/g以上10,000μmol/g以下がさらに好ましく、20μmol/g以上10,000μmol/g以下が特に好ましい。-SX基濃度が上記範囲にあるということは、ポリフェニレンスルフィド樹脂の反応活性点が多いことを意味する。−SX基濃度が上記範囲を満たすポリフェニレンスルフィド樹脂を用いることで、本発明の高分子電解質組成物においてイオン交換基を有する高分子化合物(A)とポリフェニレンスルフィド樹脂(B)との混和性が向上し、イオン交換基を有する高分子化合物(A)中へのポリフェニレンスルフィド樹脂(B)の分散性が向上すると考えられる。 In addition, the content of the —SX group is more preferably 15 μmol / g or more and 10,000 μmol / g or less, particularly preferably 20 μmol / g or more and 10,000 μmol / g or less. The fact that the -SX group concentration is in the above range means that there are many reaction active sites of the polyphenylene sulfide resin. -By using a polyphenylene sulfide resin in which the SX group concentration satisfies the above range, the miscibility between the polymer compound (A) having an ion exchange group and the polyphenylene sulfide resin (B) is improved in the polymer electrolyte composition of the present invention. It is considered that the dispersibility of the polyphenylene sulfide resin (B) in the polymer compound (A) having an ion exchange group is improved.
ここで、-SX基の定量は以下の方法により行うことができる。すなわち、PPS粉末を予め120℃で4時間乾燥した後、この乾燥PPS粉末20gをN-メチル-2-ピロリドン150gに加えて粉末凝集塊がなくなるように室温で30分間激しく撹拌混合しスラリー状態にする。得られたスラリーを濾過した後、毎回約80℃の温水1リットルを用いて7回洗浄を繰り返す。得た濾過ケーキを純水200g中に再度スラリー化した後、1Nの塩酸を加えて該スラリーのPHを4.5に調整する。次に、25℃で30分間撹拌して、濾過した後、約80℃の温水1リットルを用いて6回洗浄を繰り返す。得られた濾過ケーキを純水200g中に再度スラリー化し、次いで、1Nの水酸化ナトリウムにより滴定し、消費した水酸化ナトリウム量よりPPS中に存在する-SX基の量を求める。 Here, quantification of the —SX group can be performed by the following method. That is, after the PPS powder was previously dried at 120 ° C. for 4 hours, 20 g of this dried PPS powder was added to 150 g of N-methyl-2-pyrrolidone, and the mixture was vigorously stirred and mixed at room temperature for 30 minutes so as to eliminate powder agglomerates. To do. After the obtained slurry is filtered, washing is repeated 7 times using 1 liter of warm water of about 80 ° C. each time. The obtained filter cake is slurried again in 200 g of pure water, and 1N hydrochloric acid is added to adjust the pH of the slurry to 4.5. Next, after stirring at 25 ° C. for 30 minutes and filtering, washing is repeated 6 times using 1 liter of hot water at about 80 ° C. The obtained filter cake is slurried again in 200 g of pure water, then titrated with 1N sodium hydroxide, and the amount of -SX groups present in the PPS is determined from the amount of sodium hydroxide consumed.
なお、塩化メチレンによるオリゴマー抽出量が0.001重量%以上0.9重量%以下であり、かつ-SX基が10μmol/g以上10,000μmol/g以下であるPPSの具体的な製造方法としては、特開平8-253587号公報の実施例1および2に記載された製造方法(段落番号0041〜0044)や特開平11-106656号公報の合成例1および2に記載された製造方法(段落番号0046〜0048)等が挙げられる。 As a specific method for producing PPS, the amount of oligomer extracted with methylene chloride is 0.001 wt% or more and 0.9 wt% or less, and the —SX group is 10 μmol / g or more and 10,000 μmol / g or less. The production methods (paragraph numbers 0041 to 0044) described in Examples 1 and 2 of JP-A-8-253687 and the production methods (paragraph numbers) described in synthesis examples 1 and 2 of JP-A-11-106656 0046 to 0048).
さらに、本発明で用いるPPSは、320℃における溶融粘度(フローテスターを用いて、300℃、荷重196N、L/D(L:オリフィス長、D:オリフィス内径)=10/1で6分間保持した値)が1〜10,000ポイズであることが好ましく、100〜10,000ポイズであることがさらに好ましい。 Furthermore, the PPS used in the present invention was held for 6 minutes at a melt viscosity at 320 ° C. (300 ° C., load 196 N, L / D (L: orifice length, D: orifice inner diameter) = 10/1 using a flow tester). Value) is preferably 1 to 10,000 poise, more preferably 100 to 10,000 poise.
また、本発明では、ポリフェニレンスルフィド樹脂(B)として、ポリフェニレンスルフィド樹脂に酸性官能基や反応性官能基を導入したものも好適に用いることが出来る。このような官能基を導入することで、本発明の高分子電解質組成物においてイオン交換基を有する高分子化合物(A)とポリフェニレンスルフィド樹脂(B)との混和性が向上し、イオン交換基を有する高分子化合物(A)中へのポリフェニレンスルフィド樹脂(B)の分散性が向上すると考えられる。また、特に酸性官能基を導入した場合、本発明の高分子電解質からなるプロトン交換膜においてプロトン伝導度に関与する官能基が増加することを意味し、高いプロトン伝導度が発現できるので好ましい。導入する酸性官能基としては、例えば、スルホン酸基、リン酸基、スルホンイミド基、カルボン酸基、マレイン酸基、無水マレイン酸基、フマル酸基、イタコン酸基、アクリル酸基およびメタクリル酸基が好ましく、強酸基であるスルホン酸基およびリン酸基がさらに好ましく、スルホン酸基が最も好ましい。導入する反応性官能基としては、エポキシ基、オキサゾニル基、アミノ基、イソシアネート基およびカルボジイミド基などが好ましく、エポキシ基が特に好ましい。さらに、上記各種官能基を2種以上導入してもよい。 Moreover, in this invention, what introduce | transduced the acidic functional group and the reactive functional group into polyphenylene sulfide resin can be used suitably as polyphenylene sulfide resin (B). By introducing such a functional group, the miscibility between the polymer compound (A) having an ion exchange group and the polyphenylene sulfide resin (B) in the polymer electrolyte composition of the present invention is improved, and the ion exchange group is reduced. It is considered that the dispersibility of the polyphenylene sulfide resin (B) in the polymer compound (A) is improved. In particular, when an acidic functional group is introduced, it means that the functional group involved in proton conductivity is increased in the proton exchange membrane made of the polymer electrolyte of the present invention, and it is preferable because high proton conductivity can be expressed. Examples of acidic functional groups to be introduced include sulfonic acid groups, phosphoric acid groups, sulfonimide groups, carboxylic acid groups, maleic acid groups, maleic anhydride groups, fumaric acid groups, itaconic acid groups, acrylic acid groups, and methacrylic acid groups. Are preferred, sulfonic acid groups and phosphoric acid groups which are strong acid groups are more preferred, and sulfonic acid groups are most preferred. As the reactive functional group to be introduced, an epoxy group, an oxazonyl group, an amino group, an isocyanate group, a carbodiimide group, and the like are preferable, and an epoxy group is particularly preferable. Further, two or more of the above various functional groups may be introduced.
酸性官能基や反応性官能基の導入方法は特に限定されず、一般的な方法を用いて導入できる。例えばスルホン酸基の導入については、無水硫酸、発煙硫酸などのスルホン化剤を用いて公知の条件で実施することが出来る。例えば、K.Hu,T.Xu, W.Yang,Y.Fu,Journal of Applied Polymer Science,Vol.91およびE.Montoneri,Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry,Vol.27,3043−3051(1989)に記載の条件で実施できる。 The method for introducing an acidic functional group or a reactive functional group is not particularly limited, and can be introduced using a general method. For example, introduction of a sulfonic acid group can be carried out under known conditions using a sulfonating agent such as sulfuric anhydride or fuming sulfuric acid. For example, K.K. Hu, T .; Xu, W .; Yang, Y. et al. Fu, Journal of Applied Polymer Science, Vol. 91 and E.I. Montoneri, Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry, Vol. 27, 3043-3051 (1989).
また、導入した酸性官能基を金属塩またはアミン塩に置換したものも好適に用いられる。金属塩としてはナトリウム塩、カリウム塩等のアルカリ金属塩、カルシウム塩等のアルカリ土類金属塩が好ましい。 Further, those in which the introduced acidic functional group is substituted with a metal salt or an amine salt are also preferably used. The metal salt is preferably an alkali metal salt such as sodium salt or potassium salt, or an alkaline earth metal salt such as calcium salt.
本発明で用いられるポリフェニレンエーテル樹脂(以下、単にPPEと略記することもある。)(C)は、所謂ポリフェニレンエーテル樹脂であれば特に限定されないが、下記一般式(5)であらわされる構造単位を70モル%以上、好ましくは90モル%以上含有するフェノール単独重合体または共重合体が好ましい。 The polyphenylene ether resin (hereinafter sometimes simply referred to as PPE) (C) used in the present invention is not particularly limited as long as it is a so-called polyphenylene ether resin, but a structural unit represented by the following general formula (5) is used. A phenol homopolymer or copolymer containing 70 mol% or more, preferably 90 mol% or more is preferred.
ここで、R1、R2、R3およびR4はそれぞれ、水素、ハロゲン、炭素数が1〜7の直鎖または分岐鎖状低級アルキル基、フェニル基、ハロアルキル基、アミノアルキル基、炭化水素オキシ基または少なくとも2個の炭素原子がハロゲン原子と酸素原子とを隔てているハロ炭化水素オキシ基からなる群から選択されるものであり、互いに同一でも異なっていてもよい。 Here, R1, R2, R3 and R4 are each hydrogen, halogen, a linear or branched lower alkyl group having 1 to 7 carbon atoms, a phenyl group, a haloalkyl group, an aminoalkyl group, a hydrocarbonoxy group, or at least The two carbon atoms are selected from the group consisting of a halohydrocarbonoxy group separating a halogen atom and an oxygen atom, and may be the same or different from each other.
このPPEの具体的な例としては、例えばポリ(2,6-ジメチル-1,4-フェニレンエーテル)、ポリ(2-メチル-6-エチル-1,4-フェニレンエーテル)、ポリ(2-メチル-6-フェニル-1,4-フェニレンエーテル)、ポリ(2,6-ジクロロ-1,4-フェニレンエーテル)等が挙げられ、さらに2,6-ジメチルフェノールと他の1価フェノール類(例えば、2,3,6-トリメチルフェノールや2-メチル-6-ブチルフェノール)、2,6−ジメチルフェノールと2価のフェノール類(例えば、3,3’,5,5’−テトラメチルビスフェノールA)との共重合体等が挙げられる。これらの中でもポリ(2,6-ジメチル-1,4-フェニレンエーテル)、2,6-ジメチルフェノールと2,3,6-トリメチルフェノールとの共重合体、2,6−ジメチルフェノールと3,3’,5,5’−テトラメチルビスフェノールAとの共重合体が好ましい。 Specific examples of the PPE include poly (2,6-dimethyl-1,4-phenylene ether), poly (2-methyl-6-ethyl-1,4-phenylene ether), and poly (2-methyl). -6-phenyl-1,4-phenylene ether), poly (2,6-dichloro-1,4-phenylene ether) and the like, and 2,6-dimethylphenol and other monohydric phenols (for example, 2,3,6-trimethylphenol and 2-methyl-6-butylphenol), 2,6-dimethylphenol and divalent phenols (for example, 3,3 ′, 5,5′-tetramethylbisphenol A) A copolymer etc. are mentioned. Among these, poly (2,6-dimethyl-1,4-phenylene ether), a copolymer of 2,6-dimethylphenol and 2,3,6-trimethylphenol, 2,6-dimethylphenol and 3,3 A copolymer with ', 5,5'-tetramethylbisphenol A is preferred.
本発明で用いられるポリフェニレンエーテル樹脂(C)は分子鎖末端にフェノール性水酸基を有していることが好ましく、その位置は片末端であっても両末端であってもよい。 The polyphenylene ether resin (C) used in the present invention preferably has a phenolic hydroxyl group at the molecular chain end, and the position may be one end or both ends.
本発明で用いられるポリフェニレンエーテル樹脂(C)の還元粘度(0.5g/dl,クロロホルム溶液,30℃測定)は0.05〜2.0dl/gの範囲であることが好ましく、0.10〜0.8dl/gの範囲であることがさらに好ましい。 The reduced viscosity (0.5 g / dl, chloroform solution, measured at 30 ° C.) of the polyphenylene ether resin (C) used in the present invention is preferably in the range of 0.05 to 2.0 dl / g. More preferably, it is in the range of 0.8 dl / g.
本発明で用いられるポリフェニレンエーテル樹脂(C)は、その製造方法については特に限定されず、例えば、米国特許第3306874号明細書に記載されているような、第一銅塩とアミンのコンプレックスを触媒として用い、例えば2,6-キシレノールを酸化重合することにより容易に製造できる。そのほかにも米国特許第3306875号明細書、同第3257357号明細書、同第3257358号明細書、特公昭52-17880号公報、特開昭50-51197号公報および特開昭63-152628号公報等に記載された方法で容易に製造できる。 The production method of the polyphenylene ether resin (C) used in the present invention is not particularly limited. For example, as described in US Pat. No. 3,306,874, a complex of cuprous salt and amine is used as a catalyst. For example, it can be easily produced by oxidative polymerization of 2,6-xylenol. In addition, U.S. Pat. Nos. 3,306,875, 3,257,357, 3,257,358, JP-B-52-17880, JP-A-50-51197, and JP-A-63-152628 are disclosed. Can be easily produced by the method described in the above.
また、本発明では、ポリフェニレンエーテル樹脂(C)として、ポリフェニレンエーテル樹脂に酸性官能基や反応性官能基を導入したものも好適に用いることが出来る。このような官能基を導入することで、本発明の高分子電解質組成物においてイオン交換基を有する高分子化合物(A)とポリフェニレンエーテル樹脂(C)との混和性が向上し、イオン交換基を有する高分子化合物(A)中へのポリフェニレンエーテル樹脂(C)の分散性が向上すると考えられる。また、特に酸性官能基を導入した場合、本発明の高分子電解質からなるプロトン交換膜においてプロトン伝導度に関与する官能基が増加することを意味し、高いプロトン伝導度が発現できるので好ましい。導入する酸性官能基としては、例えば、スルホン酸基、リン酸基、スルホンイミド基、カルボン酸基、マレイン酸基、無水マレイン酸基、フマル酸基、イタコン酸基、アクリル酸基およびメタクリル酸基が好ましく、強酸基であるスルホン酸基およびリン酸基がさらに好ましく、スルホン酸基が最も好ましい。導入する反応性官能基としては、エポキシ基、オキサゾニル基、アミノ基、イソシアネート基およびカルボジイミド基などが好ましく、エポキシ基が特に好ましい。さらに、上記各種官能基を2種以上導入してもよい。 Moreover, in this invention, what introduce | transduced the acidic functional group and the reactive functional group into polyphenylene ether resin can be used suitably as polyphenylene ether resin (C). By introducing such a functional group, the miscibility between the polymer compound (A) having an ion exchange group and the polyphenylene ether resin (C) in the polymer electrolyte composition of the present invention is improved, and the ion exchange group is reduced. It is considered that the dispersibility of the polyphenylene ether resin (C) in the polymer compound (A) is improved. In particular, when an acidic functional group is introduced, it means that the functional group involved in proton conductivity is increased in the proton exchange membrane made of the polymer electrolyte of the present invention, and it is preferable because high proton conductivity can be expressed. Examples of acidic functional groups to be introduced include sulfonic acid groups, phosphoric acid groups, sulfonimide groups, carboxylic acid groups, maleic acid groups, maleic anhydride groups, fumaric acid groups, itaconic acid groups, acrylic acid groups, and methacrylic acid groups. Are preferred, sulfonic acid groups and phosphoric acid groups which are strong acid groups are more preferred, and sulfonic acid groups are most preferred. As the reactive functional group to be introduced, an epoxy group, an oxazonyl group, an amino group, an isocyanate group, a carbodiimide group, and the like are preferable, and an epoxy group is particularly preferable. Further, two or more of the above various functional groups may be introduced.
酸性官能基や反応性官能基の導入方法は特に限定されず、一般的な方法を用いて導入できる。例えばスルホン酸基の導入については、無水硫酸、発煙硫酸などのスルホン化剤を用いて公知の条件で実施することが出来る。例えば、C.Wang,Y.Huang,G.Cong,Polymer Journal,Vol.27,No.2,173−178(1995)およびJ.Schauer,W.Albrecht, T.Weigel,Journal of Applied Polymer Science,Vol.73,161−167(1999)に記載の条件で実施できる。 The method for introducing an acidic functional group or a reactive functional group is not particularly limited, and can be introduced using a general method. For example, introduction of a sulfonic acid group can be carried out under known conditions using a sulfonating agent such as sulfuric anhydride or fuming sulfuric acid. For example, C.I. Wang, Y .; Huang, G .; Cong, Polymer Journal, Vol. 27, no. 2, 173-178 (1995) and J. Am. Schauer, W. et al. Albrecht, T .; Weigel, Journal of Applied Polymer Science, Vol. 73, 161-167 (1999).
また、導入した酸性官能基を金属塩またはアミン塩に置換したものも好適に用いられる。金属塩としてはナトリウム塩、カリウム塩等のアルカリ金属塩、カルシウム塩等のアルカリ土類金属塩が好ましい。 Further, those in which the introduced acidic functional group is substituted with a metal salt or an amine salt are also preferably used. The metal salt is preferably an alkali metal salt such as sodium salt or potassium salt, or an alkaline earth metal salt such as calcium salt.
本発明で用いられるポリスルホン樹脂(D)は、所謂ポリスルホン樹脂であれば特に限定されないが、下記一般式(6)であらわされる構造が80モル%以上、好ましくは90モル%以上からなるポリスルホン樹脂が好ましい。 The polysulfone resin (D) used in the present invention is not particularly limited as long as it is a so-called polysulfone resin, but a polysulfone resin having a structure represented by the following general formula (6) of 80 mol% or more, preferably 90 mol% or more is used. preferable.
本発明で用いられるポリスルホン樹脂(D)は、その製造方法については特に限定されず、例えば、ビスフェノールAのナトリウム塩と4,4‘−ジクロロジフェニルスルホンとを反応させることにより容易に製造できる。 The production method of the polysulfone resin (D) used in the present invention is not particularly limited. For example, the polysulfone resin (D) can be easily produced by reacting a sodium salt of bisphenol A with 4,4′-dichlorodiphenylsulfone.
また、本発明では、ポリスルホン樹脂(D)として、ポリスルホン樹脂に酸性官能基や反応性官能基を導入したものも好適に用いることが出来る。このような官能基を導入することで、本発明の高分子電解質組成物においてイオン交換基を有する高分子化合物(A)とポリスルホン樹脂(D)との混和性が向上し、イオン交換基を有する高分子化合物(A)中へのポリスルホン樹脂(D)の分散性が向上すると考えられる。また、特に酸性官能基を導入した場合、本発明の高分子電解質からなるプロトン交換膜においてプロトン伝導度に関与する官能基が増加することを意味し、高いプロトン伝導度が発現できるので好ましい。導入する酸性官能基としては、例えば、スルホン酸基、リン酸基、スルホンイミド基、カルボン酸基、マレイン酸基、無水マレイン酸基、フマル酸基、イタコン酸基、アクリル酸基およびメタクリル酸基が好ましく、強酸基であるスルホン酸基およびリン酸基がさらに好ましく、スルホン酸基が最も好ましい。導入する反応性官能基としては、エポキシ基、オキサゾニル基、アミノ基、イソシアネート基およびカルボジイミド基などが好ましく、エポキシ基が特に好ましい。さらに、上記各種官能基を2種以上導入してもよい。 Moreover, in this invention, what introduce | transduced the acidic functional group and the reactive functional group into polysulfone resin can be used suitably as polysulfone resin (D). By introducing such a functional group, the miscibility between the polymer compound (A) having an ion exchange group and the polysulfone resin (D) is improved in the polymer electrolyte composition of the present invention, and the ion exchange group is contained. It is considered that the dispersibility of the polysulfone resin (D) in the polymer compound (A) is improved. In particular, when an acidic functional group is introduced, it means that the functional group involved in proton conductivity is increased in the proton exchange membrane made of the polymer electrolyte of the present invention, and it is preferable because high proton conductivity can be expressed. Examples of acidic functional groups to be introduced include sulfonic acid groups, phosphoric acid groups, sulfonimide groups, carboxylic acid groups, maleic acid groups, maleic anhydride groups, fumaric acid groups, itaconic acid groups, acrylic acid groups, and methacrylic acid groups. Are preferred, sulfonic acid groups and phosphoric acid groups which are strong acid groups are more preferred, and sulfonic acid groups are most preferred. As the reactive functional group to be introduced, an epoxy group, an oxazonyl group, an amino group, an isocyanate group, a carbodiimide group, and the like are preferable, and an epoxy group is particularly preferable. Further, two or more of the above various functional groups may be introduced.
酸性官能基や反応性官能基の導入方法は特に限定されず、一般的な方法を用いて導入できる。例えばスルホン酸基の導入については、無水硫酸、発煙硫酸などのスルホン化剤を用いて公知の条件で実施することが出来る。 The method for introducing an acidic functional group or a reactive functional group is not particularly limited, and can be introduced using a general method. For example, introduction of a sulfonic acid group can be carried out under known conditions using a sulfonating agent such as sulfuric anhydride or fuming sulfuric acid.
また、導入した酸性官能基を金属塩またはアミン塩に置換したものも好適に用いられる。金属塩としてはナトリウム塩、カリウム塩等のアルカリ金属塩、カルシウム塩等のアルカリ土類金属塩が好ましい。 Further, those in which the introduced acidic functional group is substituted with a metal salt or an amine salt are also preferably used. The metal salt is preferably an alkali metal salt such as sodium salt or potassium salt, or an alkaline earth metal salt such as calcium salt.
本発明の高分子電解質組成物は、上述した、イオン交換基を有する高分子化合物(A)、ポリフェニレンスルフィド樹脂(B)、並びにポリフェニレンエーテル樹脂(C)および/またはポリスルホン樹脂(D)からなる組成物である。このような本発明の高分子電解質組成物およびこの組成物からなるプロトン交換膜は、イオン交換基を有する高分子化合物(A)単独の場合と比べても、ポリフェニレンスルフィド樹脂(B)、ポリフェニレンエーテル樹脂(C)およびポリスルホン樹脂(D)をそれぞれ単独にイオン交換基を有する高分子化合物(A)に含有させた場合に比べても、その耐久性が著しく向上する。さらに驚くべきことに、本発明の高分子電解質組成物は、イオン交換基を有する高分子化合物(A)に本発明で用いた樹脂を含めた多くの樹脂を本発明以外の様々な組み合わせで含有させた場合と比べても、その耐久性が著しく向上する。 The polymer electrolyte composition of the present invention comprises the above-described polymer compound (A) having an ion exchange group, polyphenylene sulfide resin (B), polyphenylene ether resin (C) and / or polysulfone resin (D). It is a thing. Such a polyelectrolyte composition of the present invention and a proton exchange membrane comprising the composition include a polyphenylene sulfide resin (B), a polyphenylene ether, as compared with the polymer compound (A) having an ion exchange group alone. Even when the resin (C) and the polysulfone resin (D) are each contained alone in the polymer compound (A) having an ion exchange group, the durability is remarkably improved. Surprisingly, the polymer electrolyte composition of the present invention contains many resins including the resin used in the present invention in the polymer compound (A) having an ion exchange group in various combinations other than the present invention. The durability is remarkably improved as compared with the case of making them.
次に、本発明の高分子電解質組成物中のイオン交換基を有する高分子化合物(A)、ポリフェニレンスルフィド樹脂(B)、ポリフェニレンエーテル樹脂(C)およびポリスルホン樹脂(D)の組成比について説明する。 Next, the composition ratio of the polymer compound (A) having an ion exchange group, the polyphenylene sulfide resin (B), the polyphenylene ether resin (C) and the polysulfone resin (D) in the polymer electrolyte composition of the present invention will be described. .
本発明の高分子電解質組成物は、上記した、ポリフェニレンスルフィド樹脂(B)とポリフェニレンエーテル樹脂(C)および/またはポリスルホン樹脂(D)との質量比がB/(C+D)=1/99〜99/1であることが好ましい。さらに好ましくは、B/(C+D)=20/80〜95/5、最も好ましくはB/(C+D)=30/70〜90/10の質量比である。 In the polymer electrolyte composition of the present invention, the mass ratio of the polyphenylene sulfide resin (B) to the polyphenylene ether resin (C) and / or the polysulfone resin (D) is B / (C + D) = 1/99 to 99. / 1 is preferable. More preferably, B / (C + D) = 20/80 to 95/5, and most preferably B / (C + D) = 30/70 to 90/10.
また、ポリフェニレンスルフィド樹脂(B)、ポリフェニレンエーテル樹脂(C)およびポリスルホン樹脂(D)とイオン交換基を有する高分子化合物(A)との質量比((B+C+D)/A)は99/1〜0.01/99.99であることが好ましい。プロトン導電性と耐久性のバランスから、(B+C+D)/Aは90/10〜0.05/99.95がより好ましく、70/30〜0.1/99.9がさらに好ましく、50/50〜1/99が特に好ましく、30/70〜5/95が最も好ましい。 The mass ratio ((B + C + D) / A) of the polyphenylene sulfide resin (B), the polyphenylene ether resin (C) and the polysulfone resin (D) to the polymer compound (A) having an ion exchange group is 99/1 to 0. 0.01 / 99.99 is preferred. From the balance between proton conductivity and durability, (B + C + D) / A is more preferably 90/10 to 0.05 / 99.95, further preferably 70/30 to 0.1 / 99.9, and 50/50 to 1/99 is particularly preferable, and 30/70 to 5/95 is most preferable.
本発明の高分子電解質組成物がポリフェニレンエーテル樹脂(C)を含有する場合、エポキシ基含有化合物(F)を含有することが好ましい。イオン交換基を有する高分子化合物(A)、ポリフェニレンスルフィド樹脂(B)およびポリフェニレンエーテル樹脂(C)を少なくとも含有する高分子電解質組成物がエポキシ基含有化合物(F)を含有することで、高分子電解質組成物中の粒子分散性が向上し、その結果、高分子電解質組成物およびこの組成物からなるプロトン交換膜のさらなる耐久性向上が実現される。 When the polymer electrolyte composition of the present invention contains a polyphenylene ether resin (C), it is preferable to contain an epoxy group-containing compound (F). When the polymer electrolyte composition containing at least the polymer compound (A) having an ion exchange group, the polyphenylene sulfide resin (B) and the polyphenylene ether resin (C) contains the epoxy group-containing compound (F), the polymer The particle dispersibility in the electrolyte composition is improved, and as a result, the durability of the polymer electrolyte composition and the proton exchange membrane made of the composition is further improved.
本発明で用いられるエポキシ基含有化合物(F)は、エポキシ基を有する化合物であれば特に限定されず、例えば、エポキシ基を含有する低分子化合物、エポキシ基を有する不飽和モノマーの単独重合体または共重合体(G)、およびエポキシ樹脂(H)などが挙げられる。高分子化合物の方が高温での取り扱いが容易なことから、エポキシ基を有する不飽和モノマーの単独重合体または共重合体(G)およびエポキシ樹脂(H)が好ましい。 The epoxy group-containing compound (F) used in the present invention is not particularly limited as long as it is a compound having an epoxy group. For example, a low molecular compound containing an epoxy group, a homopolymer of an unsaturated monomer having an epoxy group, or A copolymer (G), an epoxy resin (H), etc. are mentioned. Since the polymer compound is easier to handle at high temperatures, a homopolymer or copolymer (G) of an unsaturated monomer having an epoxy group and an epoxy resin (H) are preferred.
上記のエポキシ基を含有する低分子化合物としては、200℃で固体か液体であるものが好ましく、具体的には、1,2−エポキシ−3−フェノキシプロパン、N−(2,3−エポキシプロピル)フタルイミド、3,4−エポキシテトラヒドロチオフェン−1,1−ジオキサイド、グリシジル4−ノニルフェニルエーテル、グリシジルトシレート、グリシジルトリチルエーテルなどが挙げられる。 The low molecular weight compound containing an epoxy group is preferably a solid or liquid at 200 ° C., specifically, 1,2-epoxy-3-phenoxypropane, N- (2,3-epoxypropyl). ) Phthalimide, 3,4-epoxytetrahydrothiophene-1,1-dioxide, glycidyl 4-nonylphenyl ether, glycidyl tosylate, glycidyl trityl ether, and the like.
エポキシ基含有化合物(F)の含有量は、ポリフェニレンスルフィド樹脂(B)とポリフェニレンエーテル樹脂(C)の合計質量に対して、F/(B+C)=1/100〜200/100が好ましく、F/(B+C)=2/100〜100/100がさらに好ましく、F/(B+C)=3/100〜50/100が特に好ましい。 The content of the epoxy group-containing compound (F) is preferably F / (B + C) = 1/100 to 200/100 with respect to the total mass of the polyphenylene sulfide resin (B) and the polyphenylene ether resin (C). (B + C) = 2/100 to 100/100 is more preferable, and F / (B + C) = 3/100 to 50/100 is particularly preferable.
本発明で用いられるエポキシ基を有する不飽和モノマーの単独重合体または共重合体(G)を構成するエポキシ基を有する不飽和モノマーとしては、エポキシ基を有する不飽和モノマーであれば別に制限されず、例えば、グリシジルメタアクリレート、グリシジルアクリレート、ビニルグリシジルエーテル、ヒドロキシアルキル(メタ)アクリレートのグリシジルエーテル、ポリアルキレングリコール(メタ)アクリレートのグリシジルエーテル、グリシジルイタコネート等が挙げられる。これらの中でもグリシジルメタアクリレートが好ましい。 The unsaturated monomer having an epoxy group constituting the homopolymer or copolymer (G) of the unsaturated monomer having an epoxy group used in the present invention is not limited as long as it is an unsaturated monomer having an epoxy group. Examples thereof include glycidyl methacrylate, glycidyl acrylate, vinyl glycidyl ether, glycidyl ether of hydroxyalkyl (meth) acrylate, glycidyl ether of polyalkylene glycol (meth) acrylate, glycidyl itaconate and the like. Among these, glycidyl methacrylate is preferable.
エポキシ基を有する不飽和モノマーの共重合体の場合、上記エポキシ基を有する不飽和モノマーと共重合する他の不飽和モノマーとしては、スチレン等のビニル芳香族化合物、アクリロニトリル等のシアン化ビニルモノマー、酢酸ビニル、(メタ)アクリル酸エステル等が好ましい。これら共重合可能な不飽和モノマーを共重合して得られる共重合体の例として、例えば、スチレン-グリシジルメタクリレート共重合体、スチレン-グリシジルメタクリレート-メチルメタクリレート共重合体、スチレン-グリシジルメタクリレート-アクリロニトリル共重合体等が挙げられる。 In the case of a copolymer of an unsaturated monomer having an epoxy group, other unsaturated monomers copolymerized with the unsaturated monomer having an epoxy group include vinyl aromatic compounds such as styrene, vinyl cyanide monomers such as acrylonitrile, Vinyl acetate, (meth) acrylic acid ester and the like are preferable. Examples of copolymers obtained by copolymerizing these copolymerizable unsaturated monomers include, for example, styrene-glycidyl methacrylate copolymer, styrene-glycidyl methacrylate-methyl methacrylate copolymer, styrene-glycidyl methacrylate-acrylonitrile copolymer. A polymer etc. are mentioned.
これらの共重合体の中でも、エポキシ基を有する不飽和モノマーとスチレンモノマーとを含む共重合体は、ポリフェニレンエーテル樹脂(C)との親和性に特に優れ、ポリフェニレンエーテル樹脂(C)の分散性を特に向上させるので好ましい。分散性向上の観点から、スチレンモノマーを少なくとも65質量%以上含むことが好ましい。また、エポキシ基を有する不飽和モノマーを0.3〜20質量%含むことが好ましく、1〜15質量%含むことがさらに好ましくは、3〜10質量%含むことが特に好ましくい。 Among these copolymers, a copolymer containing an unsaturated monomer having an epoxy group and a styrene monomer is particularly excellent in affinity with the polyphenylene ether resin (C), and the dispersibility of the polyphenylene ether resin (C) is excellent. Since it improves especially, it is preferable. From the viewpoint of improving dispersibility, it is preferable to contain at least 65% by mass of a styrene monomer. Moreover, it is preferable to contain 0.3-20 mass% of unsaturated monomers which have an epoxy group, It is more preferable to include 1-15 mass%, It is especially preferable that 3-10 mass% is included.
本発明で用いられるエポキシ樹脂(H)は、例えば、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、ビスフェノールS型エポキシ樹脂、ヒンダトイン型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂、トリフェニルメタン型エポキシ樹脂およびフェノールノボラック型エポキシ樹脂が挙げられる。これらから選ばれる1種または2種以上を混合して用いることもできる。その中でもクレゾールノボラック型エポキシ樹脂およびビスフェノールA型エポキシ樹脂が好ましく、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂が特に好ましい。 Examples of the epoxy resin (H) used in the present invention include a cresol novolac type epoxy resin, a bisphenol A type epoxy resin, a bisphenol F type epoxy resin, a bisphenol S type epoxy resin, a hindered type epoxy resin, a biphenyl type epoxy resin, and an alicyclic ring. And epoxy epoxy resin, triphenylmethane type epoxy resin and phenol novolac type epoxy resin. One or more selected from these may be used in combination. Among them, cresol novolac type epoxy resins and bisphenol A type epoxy resins are preferable, and cresol novolac type epoxy resins are particularly preferable.
本発明では、ポリフェニレンエーテル樹脂(C)とエポキシ樹脂(H)をあらかじめ混合、反応させて添加することができる。即ち、ポリフェニレンエーテル樹脂(C)として、ポリフェニレンエーテル樹脂とエポキシ樹脂とが反応して得られたエポキシ変性ポリフェニレンエーテル樹脂(E)を用いることができる。勿論、(A)成分および(B)成分と共にポリフェニレンエーテル樹脂(C)とエポキシ樹脂(H)を混合して本発明の組成物とした後に、後述するような条件下でポリフェニレンエーテル樹脂(C)とエポキシ樹脂(H)とを反応させてもよい。 In the present invention, the polyphenylene ether resin (C) and the epoxy resin (H) can be added by mixing and reacting in advance. That is, as the polyphenylene ether resin (C), an epoxy-modified polyphenylene ether resin (E) obtained by reacting a polyphenylene ether resin and an epoxy resin can be used. Of course, after the polyphenylene ether resin (C) and the epoxy resin (H) are mixed together with the components (A) and (B) to obtain the composition of the present invention, the polyphenylene ether resin (C) is used under the conditions described later. And epoxy resin (H) may be reacted.
ポリフェニレンエーテル樹脂(C)としてエポキシ変性ポリフェニレンエーテル樹脂(E)を用いることにより、得られた高分子電解質組成物の分散性が向上し、その結果、高分子電解質組成物およびこの組成物からなるプロトン交換膜の耐久性はさらに向上する。 By using the epoxy-modified polyphenylene ether resin (E) as the polyphenylene ether resin (C), the dispersibility of the obtained polymer electrolyte composition is improved. As a result, the polymer electrolyte composition and the protons comprising this composition are improved. The durability of the exchange membrane is further improved.
エポキシ変性ポリフェニレンエーテル樹脂(E)の製造方法は、反応温度が100〜250℃であることが好ましい。より好ましくは120〜195℃、さらに好ましくは140〜190℃の範囲である。また反応時間は3時間未満が好ましく、より好ましくは2時間以内、特に好ましくは40分以内である。 In the method for producing the epoxy-modified polyphenylene ether resin (E), the reaction temperature is preferably 100 to 250 ° C. More preferably, it is 120-195 degreeC, More preferably, it is the range of 140-190 degreeC. The reaction time is preferably less than 3 hours, more preferably within 2 hours, particularly preferably within 40 minutes.
エポキシ変性ポリフェニレンエーテル樹脂(E)の製造に用いる反応器は、ポリフェニレンエーテル樹脂とエポキシ樹脂を均一に混合、攪拌または混練できるものが好ましく、粘度が高い場合は二軸押出機、ニーダー等の混練機を用いることができる。その製造方法は連続反応プロセス、バッチ反応プロセス、セミバッチ反応プロセスのいずれのプロセス形態を用いることができる。 The reactor used for the production of the epoxy-modified polyphenylene ether resin (E) is preferably one that can uniformly mix, stir or knead the polyphenylene ether resin and the epoxy resin. If the viscosity is high, a kneader such as a twin screw extruder or kneader Can be used. The manufacturing method can use any process form of a continuous reaction process, a batch reaction process, and a semi-batch reaction process.
エポキシ変性ポリフェニレンエーテル樹脂(E)の製造方法では、反応速度の向上や副反応抑制、反応組成物Eの構造制御の観点から、反応系に塩基性化合物を添加することができる。塩基性化合物の具体例としては、リチウム、ナトリウム、カリウム、ナトリウムメチラート、ナトリウムエチラート、トリエチルアミンやトリブチルアミン等の3級アミン、イミダゾール、ナトリウムフェノキシド、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸カリウム、炭酸ナトリウム等が挙げられる。これらの中でもナトリウムメチラート、トリエチルアミン、トリブチルアミン、水酸化ナトリウム等が好ましい。上記塩基性化合物の他にも4級アンモニウム塩も触媒として用いることができる。
なお、本発明では(A)〜(H)の各成分は、いずれも2種類以上の化合物で構成されていてもよい。例えば、ポリフェニレンエーテル樹脂(C)として、ポリ(2,6-ジメチル-1,4-フェニレンエーテル)とポリ(2-メチル-6-エチル-1,4-フェニレンエーテル)との混合物を用いる例や、ポリ(2,6-ジメチル-1,4-フェニレンエーテル)とスルホン酸基を導入したポリ(2,6-ジメチル-1,4-フェニレンエーテル)の混合物を用いる例などが挙げられる。また、ポリフェニレンスルフィド樹脂(B)として、ポリフェニレンスルフィドとスルホン化したポリフェニレンスルフィドの混合物を用いる例などが挙げられる。In the production method of the epoxy-modified polyphenylene ether resin (E), a basic compound can be added to the reaction system from the viewpoint of improving the reaction rate, suppressing side reactions, and controlling the structure of the reaction composition E. Specific examples of basic compounds include lithium, sodium, potassium, sodium methylate, sodium ethylate, tertiary amines such as triethylamine and tributylamine, imidazole, sodium phenoxide, lithium hydroxide, sodium hydroxide, potassium hydroxide, Examples include potassium carbonate and sodium carbonate. Among these, sodium methylate, triethylamine, tributylamine, sodium hydroxide and the like are preferable. In addition to the above basic compounds, quaternary ammonium salts can also be used as catalysts.
In the present invention, each of the components (A) to (H) may be composed of two or more kinds of compounds. For example, as the polyphenylene ether resin (C), a mixture of poly (2,6-dimethyl-1,4-phenylene ether) and poly (2-methyl-6-ethyl-1,4-phenylene ether) is used. Examples include using a mixture of poly (2,6-dimethyl-1,4-phenylene ether) and poly (2,6-dimethyl-1,4-phenylene ether) into which a sulfonic acid group is introduced. Examples of the polyphenylene sulfide resin (B) include a mixture of polyphenylene sulfide and sulfonated polyphenylene sulfide.
本発明の高分子電解質組成物については、必要に応じて酸化防止剤や老化防止剤、重金属不活性化剤、難燃剤等の各種添加剤を添加することが出来る。本発明の高分子電解質組成物と添加剤との重量比(電解質組成物/添加剤)は80/20〜99.999/0.001であることが好ましく、より好ましくは90/10〜99.99/0.01、さらに好ましくは95/5〜99.9/0.1である。 About the polymer electrolyte composition of this invention, various additives, such as antioxidant, antioxidant, a heavy metal deactivator, a flame retardant, can be added as needed. The weight ratio of the polymer electrolyte composition of the present invention to the additive (electrolyte composition / additive) is preferably 80/20 to 99.999 / 0.001, more preferably 90/10 to 99.99. 99 / 0.01, more preferably 95/5 to 99.9 / 0.1.
次に、本発明の高分子電解質組成物の作製方法について説明する。前述の成分(A)〜(H)の中から選ばれた成分を混合して本発明の高分子電解質組成物を得るわけであるが、その方法は特に限定されず、一般的な高分子組成物の混合方法が好適に適用できる。 Next, a method for producing the polymer electrolyte composition of the present invention will be described. The polymer electrolyte composition of the present invention is obtained by mixing the components selected from the aforementioned components (A) to (H), but the method is not particularly limited, and a general polymer composition The mixing method of the product can be suitably applied.
例えば、イオン交換基を有する高分子化合物(A)またはその前駆体ポリマーと、(B)〜(H)成分から選ばれた成分を熱溶融して、混練押出機、ラボプラストミル、混練ロール、バンバリーミキサー等で混練する方法が挙げられる。また、あらかじめ(B)〜(H)成分から選ばれた成分を熱溶融して、混練押出機、ラボプラストミル、混練ロール、バンバリーミキサー等で混練して混合物を得てから、この混合物とイオン交換基を有する高分子化合物(A)またはその前駆体ポリマーとを同様に混練して最終的な高分子電解質組成物を得ることも出来る。混練の組み合わせや順番は任意に行なうことが出来る。なお、イオン交換基を有する高分子化合物(A)の代わりにその前駆体ポリマーを用いた場合は、混練後にアルカリ加水分解処理および酸処理を行ってイオン交換基を有する形態に変換することで本発明の高分子電解質組成物を得ることができる。 For example, a polymer compound (A) having an ion exchange group or a precursor polymer thereof, and components selected from the components (B) to (H) are thermally melted, and a kneading extruder, a lab plast mill, a kneading roll, The method of kneading with a Banbury mixer etc. is mentioned. In addition, the components selected from the components (B) to (H) are heat-melted in advance and kneaded with a kneading extruder, a lab plast mill, a kneading roll, a Banbury mixer or the like to obtain a mixture. The polymer compound (A) having an exchange group or a precursor polymer thereof can be similarly kneaded to obtain a final polymer electrolyte composition. The combination and order of kneading can be performed arbitrarily. In addition, when the precursor polymer is used in place of the polymer compound (A) having an ion exchange group, it is converted into a form having an ion exchange group by performing an alkali hydrolysis treatment and an acid treatment after kneading. The polymer electrolyte composition of the invention can be obtained.
この時の混練の方法は、ブラベンダー、ニーダー、バンバリーミキサーおよび押出機などの従来公知の技術によって達成される。特に押出機を用いると、得られた高分子電解質組成物において、イオン交換基を有する高分子化合物(A)中に他の成分を微分散させることが容易にできるので好ましい。 The kneading method at this time is achieved by a conventionally known technique such as a Brabender, a kneader, a Banbury mixer, and an extruder. In particular, it is preferable to use an extruder because the obtained polymer electrolyte composition can easily finely disperse other components in the polymer compound (A) having an ion exchange group.
本発明で用いられる高分子電解質組成物を工業的に容易に得る方法として最も好ましい実施態様としては、上記した各成分を溶融混練するための押出機が、ニーディングブロックをスクリューの任意の位置に組み込むことが可能な二軸以上の多軸押出機であり、用いるスクリューの全ニーディングブロック部分を実質的に(L/D)≧1.5、さらに好ましくは(L/D)≧5(ここで、Lはニーディングブロックの合計長さ、Dはニーディングブロックの最大外径を表す)に組み込み、かつ、(π・D・N/h)≧50〔ここで、π=3.14、D=メタリングゾーンに相当するスクリュー外径、N=スクリュー回転数(回転/秒)、h=メタリングゾーンの溝深さ〕を満たす。これらの押出機は、原料の流れ方向に対し上流側に第一原料供給口、これより下流に第二原料供給口を有し、必要に応じて、第二原料供給口より下流にさらに1つ以上の原料供給口を設けてもよく、さらに必要に応じて、これら原料供給口の間に真空ベント口を設けてもよい。 As a most preferred embodiment as a method for industrially easily obtaining the polymer electrolyte composition used in the present invention, an extruder for melting and kneading each of the above-mentioned components has a kneading block at an arbitrary position of a screw. It is a multi-screw extruder having two or more screws that can be incorporated, and the entire kneading block portion of the screw used is substantially (L / D) ≧ 1.5, more preferably (L / D) ≧ 5 (here L is the total length of the kneading block, D is the maximum outside diameter of the kneading block), and (π · D · N / h) ≧ 50 (where π = 3.14, D = screw outer diameter corresponding to the metering zone, N = screw rotation speed (rotation / second), h = groove depth of the metering zone]. These extruders have a first raw material supply port on the upstream side with respect to the flow direction of the raw material, a second raw material supply port on the downstream side, and if necessary, one more downstream on the downstream side of the second raw material supply port. The above raw material supply ports may be provided, and a vacuum vent port may be provided between these raw material supply ports as necessary.
また、イオン交換基を有する高分子化合物(A)またはその前駆体ポリマーの溶液と、(B)〜(H)成分の各溶液を混合して溶液を作成した後に、溶媒を除去する方法も挙げられる。この場合も、イオン交換基を有する高分子化合物(A)の溶液の代わりにその前駆体ポリマーの溶液を用いた場合は、溶媒を除去した後、アルカリ加水分解処理および酸処理を行ってイオン交換基を有する形態に変換することで本発明の高分子電解質組成物を得ることが出来る。 In addition, a method of removing the solvent after preparing a solution by mixing a solution of the polymer compound (A) having an ion exchange group or a precursor polymer thereof with each solution of the components (B) to (H) is also mentioned. It is done. Also in this case, when the precursor polymer solution was used in place of the polymer compound (A) solution having an ion exchange group, the solvent was removed, and then ion exchange was performed by alkali hydrolysis treatment and acid treatment. The polymer electrolyte composition of the present invention can be obtained by converting to a form having a group.
上記のような方法で本発明の高分子電解質組成物を得ることが出来るが、本発明ではイオン交換基を有する高分子化合物(A)中に、他の成分が微分散している構造を少なくとも有することにより、高寿命化等の本発明の効果が得られる。つまり、イオン交換基を有する高分子化合物(A)中に、他の成分からなる粒子が円換算平均粒子径で0.0001μm以上1μm以下、好ましくは0.0001μm以上0.8μm以下、さらに好ましくは0.0001μm以上0.5μm以下、特に好ましくは0.0001μm以上0.3μm以下で分散している構造を有することが好適である。組成物の全ての領域で上記範囲を満たすことは必ずしも必要ではなく、組成物全領域の50〜100%が上記範囲を満たしていればよい。 The polymer electrolyte composition of the present invention can be obtained by the method as described above. In the present invention, at least a structure in which other components are finely dispersed in the polymer compound (A) having an ion exchange group is used. By having it, the effects of the present invention such as a longer life can be obtained. That is, in the polymer compound (A) having an ion exchange group, the particles composed of other components have a circular average particle diameter of 0.0001 μm to 1 μm, preferably 0.0001 μm to 0.8 μm, more preferably It is preferable to have a structure in which it is dispersed in a range of 0.0001 μm to 0.5 μm, particularly preferably 0.0001 μm to 0.3 μm. It is not always necessary to satisfy the above range in all regions of the composition, as long as 50 to 100% of the entire region of the composition satisfies the above range.
また、(A)成分が他の成分からなる分散粒子の内部に入り込んでいる構造を有してもかまわない。ただし、このときも分散粒子の粒子径は円換算平均粒子径で0.0001μm以上1μm以下、好ましくは0.0001μm以上0.8μm以下、さらに好ましくは0.0001μm以上0.5μm以下、特に好ましくは0.0001μm以上0.3μm以下であることが高寿命化の観点から好適である。 Moreover, you may have a structure where (A) component has penetrated the inside of the dispersion particle which consists of another component. However, also at this time, the particle diameter of the dispersed particles is 0.0001 μm or more and 1 μm or less, preferably 0.0001 μm or more and 0.8 μm or less, more preferably 0.0001 μm or more and 0.5 μm or less, particularly preferably in terms of a circle-converted average particle diameter. The thickness is preferably 0.0001 μm or more and 0.3 μm or less from the viewpoint of extending the life.
そして、後述するプロトン交換膜中でも上記のような微分散構造を少なくとも有することが好適である。 And it is suitable to have at least the fine dispersion structure as described above even in the proton exchange membrane described later.
このような微分散構造は、材料の組成、加工時の各種条件等によりコントロールすることができる。より具体的には、材料の組成では各成分の組み合わせと量比、相溶化剤の使用、溶媒使用時には溶媒の種類等が挙げられる。また、加工時の各種条件としては温度条件、攪拌・混練条件が挙げられ、特に押出加工時にはスクリューデザイン、スクリュー回転数の影響が大きい。 Such a finely dispersed structure can be controlled by the composition of the material, various conditions during processing, and the like. More specifically, the composition of the material includes the combination and amount ratio of each component, the use of a compatibilizing agent, and the type of solvent when using the solvent. Various conditions during processing include temperature conditions and stirring / kneading conditions, and the influence of screw design and screw rotation speed is particularly large during extrusion processing.
なお、本発明における円換算平均粒子径は以下のように定義する。本発明の高分子電解質組成物またはプロトン交換膜から薄切片を作製し、常法により四酸化ルテニウム等の染色剤で染色し、透過型電子顕微鏡で観察し、染色されている相の平均粒子径をとり、この値をもって粒子径とする。このときの平均粒子径は、薄切片の任意の20×20μmの視野を直接、あるいはネガより写真に焼き付けた後、画像解析装置に読み込み、これから計算される各粒子の円換算径(面積を同じくする円の直径)の数平均値とする。ただし、写真から画像解析装置に入力する際に染色境界が不明瞭な場合には写真のトレースを行い、この図を用いて画像解析装置に入力を行う。 In addition, the circle conversion average particle diameter in this invention is defined as follows. A thin slice is prepared from the polymer electrolyte composition or proton exchange membrane of the present invention, dyed with a dye such as ruthenium tetroxide by a conventional method, observed with a transmission electron microscope, and the average particle diameter of the dyed phase And take this value as the particle size. The average particle diameter at this time is the circle-converted diameter (the same area for each particle) calculated from this, after reading an arbitrary 20 × 20 μm field of view of a thin slice directly or after printing it on a photo from a negative, and reading it into an image analyzer. Number average value). However, if the staining boundary is unclear when inputting from the photograph to the image analysis apparatus, the photograph is traced and input to the image analysis apparatus using this figure.
次に、本発明の高分子電解質組成物からなるプロトン交換膜の作製方法について説明する。本発明の高分子電解質組成物は、製膜してプロトン交換膜として用いることが出来る。製膜手段は特に限定されず、一般的な高分子組成物の製膜方法が好適に適用できる。例えば、カレンダー成形、プレス成形、Tダイ成形およびインフレーション成形などの公知の製膜方法が挙げられる。これらの中でも、Tダイ成形およびインフレーション成形は本発明の高分子電解質組成物からプロトン交換膜を工業的に容易に得る方法として好ましい。特にインフレーション成形は、異方性の小さい膜を得るという観点からも好ましい。 Next, a method for producing a proton exchange membrane made of the polymer electrolyte composition of the present invention will be described. The polymer electrolyte composition of the present invention can be formed into a membrane and used as a proton exchange membrane. The film forming means is not particularly limited, and a general polymer composition film forming method can be suitably applied. For example, known film forming methods such as calendar molding, press molding, T-die molding, and inflation molding can be used. Among these, T-die molding and inflation molding are preferable as methods for easily industrially obtaining a proton exchange membrane from the polymer electrolyte composition of the present invention. Inflation molding is particularly preferable from the viewpoint of obtaining a film having small anisotropy.
また、本発明の高分子電解質組成物の前駆体、例えばイオン交換基を有する高分子化合物(A)の前駆体ポリマーと(B)〜(H)成分から選ばれた成分とからなる高分子組成物を、前述の製膜方法を用いて製膜した後に、適当な後処理、例えばアルカリ加水分解処理や酸処理を行ってイオン交換基を有する形態に変換することで、本発明の高分子電解質組成物からなるプロトン交換膜を得ることも出来る。 Further, a polymer composition comprising a precursor of the polymer electrolyte composition of the present invention, for example, a precursor polymer of a polymer compound (A) having an ion exchange group, and a component selected from the components (B) to (H). After the product is formed using the above-described film forming method, the polymer electrolyte of the present invention is converted into a form having an ion exchange group by performing an appropriate post-treatment such as alkali hydrolysis treatment or acid treatment. A proton exchange membrane comprising the composition can also be obtained.
また、(A)〜(H)成分の各溶液を混合して溶液を作成し、その溶液をキャストした後、溶媒を除去することによってもプロトン交換膜を得ることができる。キャスト方法としては、シャーレに流し込み製造する方法をはじめ、グラビアロールコータ−、ナチュラルロールコータ、リバースロールコータ、ナイフコータ−およびディップコータ−等の公知の塗工方法を用いることができる。キャスト法に用いる基材は、一般的なポリマーフィルム、金属箔、アルミナ、ケイ素等の基板、特開平8−162132号公報に記載のPTFE膜を延伸処理した多孔質膜、および特開昭53−149881号公報ならびに特公昭63−61337号公報に示されるフィブリル化繊維等を用いることができる。溶媒の除去の方法として、室温〜200℃での熱処理および減圧処理等の方法を用いることができる。また熱処理をする場合、段階的に昇温させ溶媒を除去することも可能である。 Alternatively, the proton exchange membrane can be obtained by mixing each solution of the components (A) to (H) to prepare a solution, casting the solution, and then removing the solvent. As a casting method, a known coating method such as a method of casting into a petri dish, a gravure roll coater, a natural roll coater, a reverse roll coater, a knife coater and a dip coater can be used. The base material used for the casting method is a general polymer film, a metal foil, a substrate made of alumina, silicon or the like, a porous film obtained by stretching a PTFE film described in JP-A-8-162132, and JP-A-53- The fibrillated fibers disclosed in Japanese Patent No. 149881 and Japanese Patent Publication No. 63-61337 can be used. As a method for removing the solvent, methods such as heat treatment at room temperature to 200 ° C. and reduced pressure treatment can be used. When heat treatment is performed, the solvent can be removed by raising the temperature stepwise.
また、例えばイオン交換基を有する高分子化合物(A)の溶液の代わりにその前駆体ポリマーの溶液を用いて、(B)〜(H)成分の各溶液を混合して溶液を作成し、その溶液をキャストした後、溶媒を除去してから、適当な後処理、例えばアルカリ加水分解処理や酸処理を行ってイオン交換基を有する形態に変換することで、本発明の高分子電解質組成物からなるプロトン交換膜を得ることも出来る。 Further, for example, instead of the solution of the polymer compound (A) having an ion exchange group, the solution of the precursor polymer is used, and the solutions of the components (B) to (H) are mixed to prepare a solution. After casting the solution, the solvent is removed, and then subjected to an appropriate post-treatment such as alkaline hydrolysis treatment or acid treatment to convert it into a form having an ion-exchange group, whereby the polymer electrolyte composition of the present invention is used. A proton exchange membrane can be obtained.
本発明のプロトン交換膜の製造において、上記記載の製法と併せて、横1軸延伸、同時2軸延伸または逐次2軸延伸を実施することによって延伸配向を付与することができる。このような延伸処理により、本発明のプロトン交換膜の力学物性を向上させることができるので好ましい。この延伸処理は、プロトン交換膜の状態で実施することができるし、あるいはプロトン交換基をナトリウム塩、カリウム塩およびカルシウム塩などの金属塩やアンモニウム塩等に置換した状態でも実施することができる。また、イオン交換基を有する高分子化合物(A)の前駆体ポリマーと(B)〜(H)成分から選ばれた成分とからなる高分子組成物を製膜した場合は、製膜直後の状態でも実施することができるし、当該膜を適当な後処理、例えばアルカリ加水分解処理や酸処理を行ってイオン交換基を有する形態に変換してから実施することもできる。 In the production of the proton exchange membrane of the present invention, stretch orientation can be imparted by carrying out transverse uniaxial stretching, simultaneous biaxial stretching or sequential biaxial stretching in combination with the above-described production method. Such stretching treatment is preferable because the mechanical properties of the proton exchange membrane of the present invention can be improved. This stretching treatment can be carried out in the state of a proton exchange membrane, or can be carried out in a state in which the proton exchange group is replaced with a metal salt such as sodium salt, potassium salt and calcium salt, ammonium salt or the like. When a polymer composition comprising a precursor polymer of the polymer compound (A) having an ion exchange group and a component selected from the components (B) to (H) is formed, the state immediately after the film formation However, it can also be carried out, and it can be carried out after the membrane is converted into a form having an ion exchange group by performing an appropriate post-treatment such as alkali hydrolysis treatment or acid treatment.
上記の延伸処理は、横(TD)方向に1.1〜6.0倍、縦(MD)方向に1.0〜6.0倍で実施することが好ましく、より好ましくは横方向に1.1〜3.0倍、縦方向に1.0〜3.0倍、さらに好ましくは横方向に1.1〜2.0倍、縦方向に1.0〜2.0倍である。面積延伸倍率としては1.1〜36倍が好ましい。 The stretching treatment is preferably carried out at a magnification of 1.1 to 6.0 in the transverse (TD) direction and 1.0 to 6.0 in the longitudinal (MD) direction, more preferably 1. 1 to 3.0 times, 1.0 to 3.0 times in the vertical direction, more preferably 1.1 to 2.0 times in the horizontal direction, and 1.0 to 2.0 times in the vertical direction. The area stretch ratio is preferably 1.1 to 36 times.
本発明のプロトン交換膜は、組成比が異なる少なくとも2種類以上のプロトン交換膜を積層した構造にすることができる。本発明の高分子電解質組成物からなるプロトン交換膜では、イオン交換基を有する高分子化合物(A)以外の樹脂の含有率が高いほど力学強度および乾湿寸法変化に優れ、イオン交換基を有する高分子化合物(A)含有率が高いほどプロトン伝導度などの電気特性が優れる。この特性を利用して、組成比が異なる2種類以上のプロトン交換膜を設計し、それらを組み合わせて積層することで、力学強度、乾湿寸法変化および電気特性の全てに優れたプロトン交換膜を単層膜の場合よりも容易に実現することができる。 The proton exchange membrane of the present invention can have a structure in which at least two types of proton exchange membranes having different composition ratios are laminated. In the proton exchange membrane comprising the polymer electrolyte composition of the present invention, the higher the content of the resin other than the polymer compound (A) having an ion exchange group, the better the mechanical strength and the wet / dry dimensional change, and the higher the content of the ion exchange group. The higher the molecular compound (A) content, the better the electrical properties such as proton conductivity. By utilizing these characteristics, two or more types of proton exchange membranes with different composition ratios are designed and combined to form a single layer of a proton exchange membrane that excels in mechanical strength, wet and dry dimensional changes, and electrical properties. This can be realized more easily than in the case of a layer film.
積層させる層数に制限はないが、層数が多くなると製造コストも増大するので2〜10層程度が好ましい。さらに好ましくは2〜7層であり、3〜5層が特に好ましい。各層の、イオン交換基を有する高分子化合物(A)、ポリフェニレンスルフィド樹脂(B)、ポリフェニレンエーテル樹脂(C)、ポリスルホン樹脂(D)およびエポキシ基含有化合物(F)の組成比は前述の範囲内で任意に変化させることができる。また各層の厚さも特性を考慮して任意に変化させることができる。 Although the number of layers to be laminated is not limited, since the manufacturing cost increases as the number of layers increases, about 2 to 10 layers are preferable. More preferably, it is 2-7 layers, and 3-5 layers are especially preferable. The composition ratio of the polymer compound (A) having an ion exchange group, polyphenylene sulfide resin (B), polyphenylene ether resin (C), polysulfone resin (D) and epoxy group-containing compound (F) in each layer is within the above range. Can be changed arbitrarily. Further, the thickness of each layer can be arbitrarily changed in consideration of characteristics.
例えば3層以上の多層構造のケースにおいて、内部層のイオン交換基を有する高分子化合物(A)の含有率を少なくともいずれか一方の表面層のそれよりも少なくして、内部層で乾湿寸法変化を抑えた場合、内部層の厚さは、全体厚みの5〜90%比が好ましく、さらに好ましくは7〜80%比、特に好ましくは10〜50%比である。また、表面層のイオン交換基を有する高分子化合物(A)の含有率を内部層のそれよりも少なくして、表面層で乾湿寸法変化を抑えた場合、表面層の総厚さは、全体厚みの5〜50%比が好ましく、さらに好ましくは7〜45%比、特に好ましくは10〜40%比である。 For example, in the case of a multilayer structure of three or more layers, the content ratio of the polymer compound (A) having an ion exchange group in the inner layer is made smaller than that of at least one of the surface layers, and the wet and dry dimensional changes in the inner layer When the thickness is suppressed, the thickness of the inner layer is preferably 5 to 90% of the total thickness, more preferably 7 to 80%, and particularly preferably 10 to 50%. In addition, when the content of the polymer compound (A) having an ion exchange group in the surface layer is made smaller than that in the inner layer and the change in the wet and dry dimensions is suppressed in the surface layer, the total thickness of the surface layer is A 5 to 50% ratio of the thickness is preferable, a 7 to 45% ratio is more preferable, and a 10 to 40% ratio is particularly preferable.
本発明のプロトン交換膜の製造において、上記記載の製法と併せて、無機材ないし有機材または有機無機ハイブリッド材からなる補強材料を添加することによる補強や、架橋による補強等を施すこともできる。補強材料は短繊維物質でもよいし、粒子状物質でもよいし、薄片状物質でもよい。また、多孔膜、メッシュおよび不織布などの連続した支持体でもよい。本発明のプロトン交換膜に補強材料の添加による補強を実施することで、力学強度および乾湿寸法変化を容易に向上させることができる。特に短繊維物質または上述の連続した支持体を補強材料に用いると補強効果が高い。 In the production of the proton exchange membrane of the present invention, in addition to the above-described production method, reinforcement by adding a reinforcing material made of an inorganic material, an organic material, or an organic-inorganic hybrid material, reinforcement by crosslinking, and the like can be performed. The reinforcing material may be a short fiber material, a particulate material, or a flaky material. Further, a continuous support such as a porous film, a mesh, and a nonwoven fabric may be used. By carrying out the reinforcement by adding a reinforcing material to the proton exchange membrane of the present invention, the mechanical strength and the change in wet and dry dimensions can be easily improved. In particular, when a short fiber substance or the above-mentioned continuous support is used as a reinforcing material, the reinforcing effect is high.
補強材料は、溶融混練時に同時に添加、混合してもよいし、製膜後の膜と積層してもよい。 The reinforcing material may be added and mixed at the same time during melt-kneading, or may be laminated with the film after film formation.
補強材料として用いる無機材は補強効果のあるものであれば特に限定されず、例えばガラス繊維、炭素繊維、セルロース繊維、カオリンクレー、カオリナイト、ハロイサイト、パイロフィライト、タルク、モンモリロナイト、セリサイト、マイカ、アメサイト、ベントナイト、アスベスト、ゼオライト、炭酸カルシウム、ケイ酸カルシウム、ケイ藻土、ケイ砂、鉄フェライト、水酸化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化チタン、酸化ジルコニウム、グラファイト、フラーレン、カーボンナノチューブ、およびカーボンナノホーン等が挙げられる。補強材として用いる有機材もまた補強効果のあるものであれば特に限定されず、例えばポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンエーテル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリチオエーテルスルホン、ポリチオエーテルエーテルスルホン、ポリチオエーテルケトン、ポリチオエーテルエーテルケトン、ポリベンゾイミダゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリオキサジアゾール、ポリベンゾオキサジノン、ポリキシリレン、ポリフェニレン、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアニリン、ポリアセン、ポリシアノゲン、ポリナフチリジン、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリフェニレンスルホン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリエステルイミド、ポリアミドイミド、ポリアミド、芳香族ポリアミド、ポリスチレン、アクリロニトリル−スチレン樹脂、ポリスチレン−水素添加されたポリブタジエン−ポリスチレンブロック共重合体、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン樹脂、ポリエステル、ポリアリレート、液晶ポリエステル、ポリカーボネート、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、メタクリル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ウレタン樹脂、セルロース、ポリケトン、ポリアセタール、ポリプロピレンおよびポリエチレンなどが挙げられる。有機無機ハイブリッド材もまた補強材として用いることができ、例えば、POSS(Polyhedral Oligomeric Silsesquioxanes)やシリコーンゴム等のシルセスキオキサン構造やシロキサン構造を有した有機ケイ素高分子化合物などが挙げられる。 The inorganic material used as the reinforcing material is not particularly limited as long as it has a reinforcing effect. For example, glass fiber, carbon fiber, cellulose fiber, kaolin clay, kaolinite, halloysite, pyrophyllite, talc, montmorillonite, sericite, mica Amesite, bentonite, asbestos, zeolite, calcium carbonate, calcium silicate, diatomaceous earth, silica sand, iron ferrite, aluminum hydroxide, aluminum oxide, magnesium oxide, titanium oxide, zirconium oxide, graphite, fullerene, carbon nanotube, And carbon nanohorn. The organic material used as the reinforcing material is not particularly limited as long as it has a reinforcing effect. For example, polyphenylene sulfide, polyphenylene ether, polysulfone, polyether sulfone, polyether ether sulfone, polyether ketone, polyether ether ketone, polythioether. Sulfone, polythioether ether sulfone, polythioether ketone, polythioether ether ketone, polybenzimidazole, polybenzoxazole, polyoxadiazole, polybenzoxazinone, polyxylylene, polyphenylene, polythiophene, polypyrrole, polyaniline, polyacene, polycyanogen, polynaphthyridine , Polyphenylene sulfide sulfone, polyphenylene sulfone, polyimide, polyetherimide, poly Esterimide, polyamideimide, polyamide, aromatic polyamide, polystyrene, acrylonitrile-styrene resin, polystyrene-hydrogenated polybutadiene-polystyrene block copolymer, acrylonitrile-butadiene-styrene resin, polyester, polyarylate, liquid crystal polyester, polycarbonate, Examples thereof include polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, methacrylic resin, epoxy resin, phenol resin, melamine resin, urethane resin, cellulose, polyketone, polyacetal, polypropylene, and polyethylene. An organic-inorganic hybrid material can also be used as a reinforcing material, and examples thereof include an organic silicon polymer compound having a silsesquioxane structure or a siloxane structure such as POSS (Polyhedral Oligomeric Silsesquioxanes) or silicone rubber.
また、本発明の高分子電解質組成物については、空気中あるいは酸素雰囲気下にて例えば160℃以上で加熱処理することによって力学物性を向上させることもできる。 Moreover, about the polymer electrolyte composition of this invention, a mechanical physical property can also be improved by heat-processing in 160 degreeC or more, for example in air or oxygen atmosphere.
本発明により製造されるプロトン交換膜の当量質量EW(プロトン交換基1当量あたりのプロトン交換膜の乾燥質量グラム数)には、250以上2000以下が好ましく、より好ましくは400以上1500以下、最も好ましくは500以上1200以下である。より低いEW、つまりプロトン交換容量の大きいプロトン伝導性ポリマーを用いることにより、高温低加湿条件下においても優れたプロトン伝導性を示し、燃料電池に用いた場合、運転時に高い出力を得ることができる。 The equivalent mass EW of the proton exchange membrane produced according to the present invention (dry mass in grams of proton exchange membrane per equivalent of proton exchange groups) is preferably 250 or more and 2000 or less, more preferably 400 or more and 1500 or less, most preferably. Is 500 or more and 1200 or less. By using a proton conductive polymer with a lower EW, that is, a large proton exchange capacity, it exhibits excellent proton conductivity even under high temperature and low humidity conditions, and when used in a fuel cell, a high output can be obtained during operation. .
本発明により製造されるプロトン交換膜の厚みは、1μm以上500μm以下であることが好ましく、より好ましくは2μm以上100μm以下、最も好ましくは5μm以上50μm以下である。 The thickness of the proton exchange membrane produced according to the present invention is preferably 1 μm or more and 500 μm or less, more preferably 2 μm or more and 100 μm or less, and most preferably 5 μm or more and 50 μm or less.
本発明により製造されるプロトン交換膜の乾湿寸法変化は、好ましくは0%以上100%以下、より好ましくは0%以上50%以下、最も好ましくは0%以上10%以下である。ここでいう乾湿寸法変化とは、25℃20RH%で1時間放置した時の寸法に対する80℃水中で1時間放置した時の寸法の変化の割合のことをいう。寸法とは、プロトン交換膜の縦方向または横方向の長さのことであり、共に上記範囲を満たすことが好ましい。 The change in wet and dry dimensions of the proton exchange membrane produced according to the present invention is preferably 0% to 100%, more preferably 0% to 50%, and most preferably 0% to 10%. The term “wet and dry dimensional change” as used herein refers to the ratio of the change in dimension when left in water at 80 ° C. for 1 hour with respect to the dimension when left at 25 ° C. and 20 RH% for 1 hour. The dimension is the length in the vertical direction or the horizontal direction of the proton exchange membrane, and both preferably satisfy the above range.
本発明のプロトン交換膜を用いて以下の如く燃料電池を組み立て、耐久性の評価を行なった。 A fuel cell was assembled as follows using the proton exchange membrane of the present invention, and durability was evaluated.
(膜電極接合体)
本発明により得られるプロトン交換膜を固体高分子型燃料電池に用いる場合、膜の両面にアノードとカソード2種類の電極触媒層が接合した膜電極接合体(以下「MEA」と略称する)として使用される。電極触媒層のさらに外側に一対のガス拡散層を対向するように接合したものもMEAと呼ぶ場合がある。(Membrane electrode assembly)
When the proton exchange membrane obtained by the present invention is used for a polymer electrolyte fuel cell, it is used as a membrane electrode assembly (hereinafter abbreviated as “MEA”) in which two types of electrode catalyst layers are joined to an anode and a cathode on both sides of the membrane. Is done. A structure in which a pair of gas diffusion layers are bonded to the outer side of the electrode catalyst layer so as to face each other may be referred to as MEA.
電極触媒層は、触媒金属の微粒子とこれを担持した導電剤とから構成され、必要に応じて撥水剤が含まれる。電極に使用される触媒としては、水素の酸化反応および酸素による還元反応を促進する金属であれば良く、白金、金、銀、パラジウム、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、鉄、コバルト、ニッケル、クロム、タングステン、マンガン、バナジウム、およびこれらの合金等が挙げられ、その中では、主として白金が用いられる。 The electrode catalyst layer is composed of fine particles of a catalytic metal and a conductive agent supporting the catalyst metal, and a water repellent is included as necessary. The catalyst used for the electrode may be any metal that promotes the oxidation reaction of hydrogen and the reduction reaction by oxygen. Platinum, gold, silver, palladium, iridium, rhodium, ruthenium, iron, cobalt, nickel, chromium, tungsten , Manganese, vanadium, and alloys thereof, among which platinum is mainly used.
MEAの製造方法としては、例えば、次のような方法が行われる。まず、イオン交換樹脂をアルコールと水の混合溶液に溶解したものに、電極物質となる白金担持カーボンを分散させてペースト状にする。これをPTFEシートに一定量塗布して乾燥させる。次に、PTFEシートの塗布面を向かい合わせにして、その間に本発明のプロトン交換膜を挟み込み、100℃〜200℃で熱プレスにより転写接合してMEAを得ることができる。 As the MEA manufacturing method, for example, the following method is performed. First, a platinum-supported carbon serving as an electrode material is dispersed in a solution obtained by dissolving an ion exchange resin in a mixed solution of alcohol and water to form a paste. A certain amount of this is applied to a PTFE sheet and dried. Next, the application surface of the PTFE sheet faces each other, the proton exchange membrane of the present invention is sandwiched therebetween, and transfer bonding is performed by hot pressing at 100 ° C. to 200 ° C. to obtain an MEA.
(燃料電池)
上記で得られたMEA、場合によってはMEAを介して一対のガス拡散電極が対向した構造のものは、さらにバイポーラプレートおよびバッキングプレート等の一般的な固体高分子型燃料電池に用いる構成成分と組み合わせて固体高分子型燃料電池を構成する。(Fuel cell)
The MEA obtained above and, in some cases, a structure in which a pair of gas diffusion electrodes are opposed to each other via the MEA are further combined with components used for general solid polymer fuel cells such as a bipolar plate and a backing plate Thus, a polymer electrolyte fuel cell is constructed.
バイポーラプレートは、その表面に燃料や酸化剤等のガスを流すための溝を形成させたグラファイトと樹脂との複合材料または金属製のプレート等のことであり、電子を外部負荷回路へ伝達する他に、燃料や酸化剤を電極触媒近傍に供給する流路としての機能を持っている。こうしたバイポーラプレートの間にMEAを挿入して複数積み重ねることにより、燃料電池が製造される。 A bipolar plate is a composite plate of graphite and resin or a metal plate that has grooves on the surface for flowing gas such as fuel and oxidant. It transmits electrons to an external load circuit. In addition, it has a function as a flow path for supplying fuel and oxidant to the vicinity of the electrode catalyst. A fuel cell is manufactured by inserting and stacking a plurality of MEAs between such bipolar plates.
以下、本発明を実施例によりさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples, but the present invention is not limited to only these examples.
尚、本発明に用いられる評価法および測定法は以下のとおりである。 The evaluation method and measurement method used in the present invention are as follows.
(プロトン伝導度測定)
膜サンプルを湿潤状態にて切り出し、厚みTを測定する。これを、幅1cm、長さ5cmの膜長さ方向の伝導度を測定する2端子式の伝導度測定セルに装着する。このセルを80℃のイオン交換水中に入れ、交流インピーダンス法により、周波数10kHzにおける実数成分の抵抗値Rを測定し、以下の式からプロトン伝導度σを導出する。(Proton conductivity measurement)
A membrane sample is cut out in a wet state and the thickness T is measured. This is mounted on a two-terminal conductivity measuring cell that measures the conductivity in the film length direction having a width of 1 cm and a length of 5 cm. This cell is placed in ion exchange water at 80 ° C., and the resistance value R of the real component at a frequency of 10 kHz is measured by the AC impedance method, and the proton conductivity σ is derived from the following equation.
σ=L/(R×T×W)
σ:プロトン伝導度(S/cm)
T:厚み(cm)
R:抵抗値(Ω)
L(=5):膜長(cm)
W(=1):膜幅(cm)σ = L / (R × T × W)
σ: proton conductivity (S / cm)
T: Thickness (cm)
R: Resistance value (Ω)
L (= 5): film length (cm)
W (= 1): film width (cm)
(燃料電池評価)
(1)燃料電池の製造
まず、台紙上に塗布したガス拡散電極2枚の間にプロトン交換膜を挟み込み、180℃、圧力10MPaでホットプレスすることにより、プロトン交換膜にガス拡散電極を転写接合させてMEAを製造する。(Fuel cell evaluation)
(1) Manufacture of fuel cell First, a proton exchange membrane is sandwiched between two gas diffusion electrodes coated on a mount and hot pressed at 180 ° C. and a pressure of 10 MPa to transfer and bond the gas diffusion electrode to the proton exchange membrane. To produce an MEA.
ガス拡散電極としては、田中貴金属工業(株)製白金担持触媒TEC10E40E(白金担持率40wt%)に、パーフルオロスルホン酸ポリマー溶液SS−700x/05(旭化成(株)製、EW:720、溶媒組成(質量比):エタノール/水=50/50)を12wt%に濃縮した溶液とエタノールを添加し、混合、攪拌してインク状にしたものをPTFEシート上に塗布した後、大気雰囲気中、150℃で乾燥・固定化したものを使用する。このガス拡散電極の白金担持量は0.4 mg/cm2、ポリマー担持量は0.5mg/cm2である。As the gas diffusion electrode, a platinum supported catalyst TEC10E40E (platinum supported rate 40 wt%) manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., a perfluorosulfonic acid polymer solution SS-700x / 05 (Asahi Kasei Co., Ltd., EW: 720, solvent composition (Mass ratio): ethanol / water = 50/50) and a solution concentrated to 12 wt% and ethanol were added, mixed and stirred to form an ink, which was applied onto a PTFE sheet, and then the atmosphere was 150 Use those dried and fixed at ℃. This gas diffusion electrode has a platinum loading of 0.4 mg / cm 2 and a polymer loading of 0.5 mg / cm 2 .
このMEAの両側に撥水処理したカーボンペーパーまたはカーボンクロスを配置し、評価セルに組み込んで評価装置にセットする。燃料として水素ガス、酸化剤として空気ガスを用い、セル温度100℃、0.1MPaにて単セル特性試験を行う。ガス加湿には水バブリング方式を用い、水素ガス、空気ガスともに50℃で加湿してセルへ供給する。 Carbon paper or carbon cloth subjected to water repellent treatment is disposed on both sides of the MEA, and is incorporated into an evaluation cell and set in an evaluation apparatus. A single cell characteristic test is performed using hydrogen gas as a fuel and air gas as an oxidizing agent at a cell temperature of 100 ° C. and 0.1 MPa. A water bubbling method is used for gas humidification, and both hydrogen gas and air gas are humidified at 50 ° C. and supplied to the cell.
(2)フッ素溶出速度の測定
単セル特性試験中のアノード排ガスおよびカソード排ガスと共に排出される排水を、それぞれ所定時間捕捉回収した後、秤量する。メディトリアル(株)製ベンチトップ型pHイオンメーター920Aplusに同フッ素複合電極9609BNionplusを取り付け、アノード排水中およびカソード排水中のフッ素イオン濃度を測定し、以下の式からフッ素溶出速度Gを導出する。(2) Measurement of fluorine elution rate The waste water discharged together with the anode exhaust gas and the cathode exhaust gas during the single cell characteristic test is respectively collected for a predetermined time, and then weighed. The fluorine composite electrode 9609BNionplus is attached to a bench top type pH ion meter 920Aplus manufactured by Meditrial Co., Ltd., the fluorine ion concentration in the anode drainage and the cathode drainage is measured, and the fluorine elution rate G is derived from the following equation.
G=(Wa×Fa+Wc×Fc)/(T×A)
G:フッ素溶出速度(μg/Hr/cm2)
Wa:捕捉回収したアノード排水の重量(g)
Fa:アノード排水中のフッ素イオン濃度(ppm)
Wc:捕捉回収したカソード排水の重量(g)
Fc:カソード排水中のフッ素イオン濃度(ppm)
T:排水を捕捉回収した時間(Hr)
A:MEAの電極面積(cm2)G = (Wa × Fa + Wc × Fc) / (T × A)
G: Fluorine elution rate (μg / Hr / cm 2 )
Wa: Weight of anode wastewater collected and collected (g)
Fa: Fluorine ion concentration (ppm) in anode drainage
Wc: Weight of cathode drainage collected and collected (g)
Fc: Fluorine ion concentration in the cathode drainage (ppm)
T: Time for collecting and collecting wastewater (Hr)
A: MEA electrode area (cm 2 )
(3)クロスリーク量の測定
単セル特性試験中のカソード排ガスの一部を、ジーエルサイエンス製マイクロガスクロマトグラフMicro GC CP−4900に導入し、カソード排ガス中の水素ガス濃度を測定し、以下の式から水素ガス透過率を導出する。(3) Measurement of cross leak amount A part of the cathode exhaust gas during the single cell characteristic test is introduced into a micro gas chromatograph Micro GC CP-4900 manufactured by GL Sciences, and the hydrogen gas concentration in the cathode exhaust gas is measured. From this, the hydrogen gas permeability is derived.
L=(X×V×T)×(5−U/100)/(3×A×P)×10-8
L:水素ガス透過率(ml×cm/cm2/sec/Pa)
X:カソード排ガス中の水素ガス濃度(ppm)
V:カソードガス流量(ml/min)
T:プロトン交換膜の膜厚(cm)
U:カソードガス利用率(%)
A:プロトン交換膜の水素透過面積(cm2)
P:カソード−アノード間の水素分圧差(Pa)L = (X × V × T) × (5-U / 100) / (3 × A × P) × 10 −8
L: Hydrogen gas permeability (ml × cm / cm 2 / sec / Pa)
X: Hydrogen gas concentration (ppm) in cathode exhaust gas
V: Cathode gas flow rate (ml / min)
T: thickness of proton exchange membrane (cm)
U: Cathode gas utilization rate (%)
A: Hydrogen permeation area of proton exchange membrane (cm 2 )
P: Hydrogen partial pressure difference between the cathode and anode (Pa)
短セル特性試験中の水素ガス透過率が1.1×10-11 (ml×cm/cm2/sec/Pa)以上になった時点をセル寿命とし、そこで試験を終了した。The point in time when the hydrogen gas permeability during the short cell characteristic test reached 1.1 × 10 −11 (ml × cm / cm 2 / sec / Pa) or more was defined as the cell life, and the test was terminated there.
[実施例1]
テトラフルオロエチレンとCF2=CFO(CF2)2−SO2Fとから得られた前駆体ポリマー(MI:3.0、アルカリ加水分解・酸処理後のEw:730)99重量部と、ポリフェニレンスルフィド(シグマアルドリッチジャパン(株)製、310℃での溶融粘度275ポイズ)0.5重量部と、ポリフェニレンエーテル(2,6−キシレノールを酸化重合して得た、還元粘度0.51、ガラス転移温度(Tg)が209℃)0.5重量部とを、温度280〜310℃、スクリュー回転数200rpmに設定した二軸押出機(ZSK-40;WERNER&PFLEIDERER社製、ドイツ国)を用い、押出機の第一原料供給口より供給して溶融混練した後、Tダイ押出機を用いて溶融押出して50μm厚のフィルムに成形した。このフィルムを、水酸化カリウム(15質量%)とジメチルスルホキシド(30質量%)を溶解した水溶液中に、60℃で4時間接触させて、アルカリ加水分解処理を行った。その後、60℃水中に4時間浸漬した。次に60℃の2N塩酸水溶液に3時間浸漬した後、イオン交換水で水洗、乾燥してプロトン交換膜(Ew:736)を得た。[Example 1]
99 parts by weight of a precursor polymer (MI: 3.0, Ew after alkaline hydrolysis and acid treatment: 730) obtained from tetrafluoroethylene and CF 2 ═CFO (CF 2 ) 2 —SO 2 F, and polyphenylene 0.5 parts by weight of sulfide (Sigma Aldrich Japan Co., Ltd., melt viscosity of 275 poise at 310 ° C.) and polyphenylene ether (2,6-xylenol obtained by oxidative polymerization, reduced viscosity of 0.51, glass transition Extruder using a twin screw extruder (ZSK-40; made by WERNER & PFLIDEERER, Germany) in which 0.5 part by weight (Tg is 209 ° C.) and a temperature of 280 to 310 ° C. and a screw rotation speed of 200 rpm was set. After being supplied from the first raw material supply port and melt-kneaded, it was melt-extruded using a T-die extruder to form a film having a thickness of 50 μm. This film was contacted in an aqueous solution in which potassium hydroxide (15% by mass) and dimethyl sulfoxide (30% by mass) were dissolved at 60 ° C. for 4 hours to perform an alkali hydrolysis treatment. Then, it was immersed in 60 degreeC water for 4 hours. Next, it was immersed in a 2N hydrochloric acid aqueous solution at 60 ° C. for 3 hours, then washed with ion-exchanged water and dried to obtain a proton exchange membrane (Ew: 736).
このプロトン交換膜のプロトン伝導度は0.23(S/cm)と高かった。このプロトン交換膜の燃料電池評価を行ったところ、開始時から200時間までの排水中のフッ素溶出速度の平均値は0.038(μg/Hr/cm2)と非常に低い値を示した。セル寿命は750時間に達し、優れた耐久性を示すことが判明した。The proton conductivity of this proton exchange membrane was as high as 0.23 (S / cm). When this proton exchange membrane was evaluated for a fuel cell, the average value of the fluorine elution rate in the waste water from the start to 200 hours was as low as 0.038 (μg / Hr / cm 2 ). The cell life reached 750 hours and was found to exhibit excellent durability.
[実施例2]
ポリフェニレンエーテルの代わりにポリスルホン(シグマアルドリッチジャパン(株)製、数平均分子量26,000)を用いた以外は実施例1と同様にして、プロトン交換膜(Ew:737)を得た。[Example 2]
A proton exchange membrane (Ew: 737) was obtained in the same manner as in Example 1 except that polysulfone (manufactured by Sigma-Aldrich Japan Co., Ltd., number average molecular weight 26,000) was used instead of polyphenylene ether.
このプロトン交換膜のプロトン伝導度は0.23(S/cm)と高かった。このプロトン交換膜の燃料電池評価を行ったところ、開始時から200時間までの排水中のフッ素溶出速度の平均値は0.049(μg/Hr/cm2)と非常に低い値を示した。セル寿命は660時間に達し、優れた耐久性を示すことが判明した。The proton conductivity of this proton exchange membrane was as high as 0.23 (S / cm). When this proton exchange membrane was evaluated for a fuel cell, the average value of the fluorine elution rate in the waste water from the start to 200 hours was as low as 0.049 (μg / Hr / cm 2 ). The cell life reached 660 hours and was found to exhibit excellent durability.
[比較例1]
テトラフルオロエチレンとCF2=CFO(CF2)2−SO2Fとから得られた前駆体ポリマー(MI:3.0、アルカリ加水分解・酸処理後のEw:730)を単独で用いた以外は実施例1と同様にして、プロトン交換膜(EW:730, MI:3.0)を得た。[Comparative Example 1]
A precursor polymer obtained from tetrafluoroethylene and CF 2 ═CFO (CF 2 ) 2 —SO 2 F (MI: 3.0, Ew after alkali hydrolysis / acid treatment: 730) was used alone. Produced a proton exchange membrane (EW: 730, MI: 3.0) in the same manner as in Example 1.
このプロトン交換膜のプロトン伝導度は0.23(S/cm)と高かった。このプロトン交換膜の燃料電池評価を行ったところ、開始時からセル寿命までの排水中のフッ素溶出速度の平均値が0.506(μg/Hr/cm2)と非常に高く、しかもセル寿命は200時間未満で、十分な耐久性が得られなかった。The proton conductivity of this proton exchange membrane was as high as 0.23 (S / cm). When this proton exchange membrane was evaluated for a fuel cell, the average value of the fluorine elution rate in the waste water from the start to the cell life was 0.506 (μg / Hr / cm 2 ), and the cell life was In less than 200 hours, sufficient durability was not obtained.
[比較例2〜35]
テトラフルオロエチレンとCF2=CFO(CF2)2−SO2Fとから得られた前駆体ポリマー(MI:3.0、アルカリ加水分解・酸処理後のEw:730)99重量部と、樹脂X0.5重量部と、樹脂Y0.5重量部とを、温度280〜310℃、スクリュー回転数200rpmに設定した二軸押出機(ZSK-40;WERNER&PFLEIDERER社製、ドイツ国)を用い、押出機の第一原料供給口より供給して溶融混練した後、Tダイ押出機を用いて溶融押出して50μm厚のフィルムに成形した。ここで、樹脂Xおよび樹脂Yとして、次に挙げる樹脂を使用し、各種組み合わせにて実施した。各種組み合わせと実施例番号、比較例番号との対応を表1に示す。
・ポリフェニレンスルフィド(表中、PPSと表記):シグマアルドリッチジャパン(株)製、310℃での溶融粘度275ポイズ
・ポリフェニレンエーテル(同PPE):2,6−キシレノールを酸化重合して得た、還元粘度0.51、ガラス転移温度(Tg)が209℃
・ポリスルホン(同PSF):シグマアルドリッチジャパン(株)製、数平均分子量26,000
・ポリスチレン(同PS):シグマアルドリッチジャパン(株)製、重量平均分子量230,000
・エポキシ樹脂(同Epoxy):大日本インキ化学工業(株)製クレゾールノボラック型エポキシ樹脂N−660
・ポリエーテルスルホン(同PES):アクロス社製
・ポリエーテルエーテルスルホン(同PEES):シグマアルドリッチジャパン(株)製
・ポリテトラフルオロエチレン(同PTFE):ダイキン工業(株)製FA−500[Comparative Examples 2-35]
99 parts by weight of a precursor polymer (MI: 3.0, Ew after alkali hydrolysis / acid treatment: 730) obtained from tetrafluoroethylene and CF 2 ═CFO (CF 2 ) 2 —SO 2 F; and resin Extruder using a twin screw extruder (ZSK-40; made by WERNER & PFLEDERER, Germany) in which 0.5 parts by weight of X and 0.5 parts by weight of resin Y were set at a temperature of 280 to 310 ° C. and a screw rotation speed of 200 rpm After being supplied from the first raw material supply port and melt-kneaded, it was melt-extruded using a T-die extruder to form a film having a thickness of 50 μm. Here, as the resin X and the resin Y, the following resins were used, and various combinations were performed. Table 1 shows the correspondence between the various combinations, the example numbers, and the comparative example numbers.
Polyphenylene sulfide (indicated in the table as PPS): Sigma Aldrich Japan Co., Ltd., melt viscosity at 310 ° C. 275 poise Polyphenylene ether (same PPE): Reduction obtained by oxidative polymerization of 2,6-xylenol Viscosity 0.51, glass transition temperature (Tg) 209 ° C
Polysulfone (PSF): Sigma Aldrich Japan Co., Ltd., number average molecular weight 26,000
Polystyrene (PS): Sigma Aldrich Japan Co., Ltd., weight average molecular weight 230,000
Epoxy resin (Epoxy): Cresol novolac type epoxy resin N-660 manufactured by Dainippon Ink & Chemicals, Inc.
-Polyethersulfone (same PES): manufactured by Acros-Polyetherethersulfone (same PEES): manufactured by Sigma-Aldrich Japan Co., Ltd.-Polytetrafluoroethylene (same PTFE): FA-500 manufactured by Daikin Industries, Ltd.
これらのフィルムを、水酸化カリウム(15質量%)とジメチルスルホキシド(30質量%)を溶解した水溶液中に、60℃で4時間接触させて、アルカリ加水分解処理を行った。その後、60℃水中に4時間浸漬した。次に60℃の2N塩酸水溶液に3時間浸漬した後、イオン交換水で水洗、乾燥してプロトン交換膜を得た。 These films were contacted in an aqueous solution in which potassium hydroxide (15% by mass) and dimethyl sulfoxide (30% by mass) were dissolved at 60 ° C. for 4 hours to perform an alkali hydrolysis treatment. Then, it was immersed in 60 degreeC water for 4 hours. Next, it was immersed in a 2N hydrochloric acid aqueous solution at 60 ° C. for 3 hours, washed with ion-exchanged water and dried to obtain a proton exchange membrane.
表1に記した樹脂組み合わせの各種プロトン交換膜の燃料電池評価を行い、開始時から200時間(ただし、セル寿命が200時間未満の場合はセル寿命)までの排水中のフッ素溶出速度の平均値を求めた。結果を表2に示す。実施例1および実施例2と比較すると、いずれもフッ素溶出速度の平均値が少なくとも2倍以上大きく、良好な耐久性が得られないことが判明した。 Fuel cell evaluation of various proton exchange membranes of the resin combinations shown in Table 1 was performed, and the average value of the elution rate of fluorine in waste water from the beginning to 200 hours (when the cell life is less than 200 hours) Asked. The results are shown in Table 2. As compared with Example 1 and Example 2, it was found that the average value of the fluorine elution rate was at least twice as large and good durability could not be obtained.
[実施例3〜12]
実施例1および2の組成比等を変更した以外は、実施例1および2と同様にしてプロトン交換膜を得て、その燃料電池評価を行った。結果を表3に示すが、いずれも、開始時から200時間までの排水中のフッ素溶出速度の平均値だけでなく、約500時間でのフッ素溶出速度も非常に低い値を示した上に、セル寿命はいずれも1000時間を超え、非常に優れた耐久性を示すことが判明した。[Examples 3 to 12]
A proton exchange membrane was obtained in the same manner as in Examples 1 and 2 except that the composition ratio of Examples 1 and 2 was changed, and the fuel cell was evaluated. The results are shown in Table 3. In each case, not only the average value of the fluorine elution rate in the waste water from the start to 200 hours, but also the fluorine elution rate at about 500 hours showed a very low value, All of the cell lifetimes exceeded 1000 hours, and it was found that the cells had excellent durability.
各実施例の実施例1および2との変更点を以下に記載する。 The changes of each example from Example 1 and 2 are described below.
[実施例3]
実施例1の組成比を、テトラフルオロエチレンとCF2=CFO(CF2)2−SO2Fとから得られた前駆体ポリマー95重量部と、ポリフェニレンスルフィド3重量部と、ポリフェニレンエーテル2重量部とに変更した。[Example 3]
The composition ratio of Example 1 is 95 parts by weight of a precursor polymer obtained from tetrafluoroethylene and CF 2 ═CFO (CF 2 ) 2 —SO 2 F, 3 parts by weight of polyphenylene sulfide, and 2 parts by weight of polyphenylene ether. And changed.
[実施例4]
実施例1の組成比を、テトラフルオロエチレンとCF2=CFO(CF2)2−SO2Fとから得られた前駆体ポリマー95重量部と、ポリフェニレンスルフィド1重量部と、ポリフェニレンエーテル3重量部とに変更した。[Example 4]
The composition ratio of Example 1 is 95 parts by weight of a precursor polymer obtained from tetrafluoroethylene and CF 2 ═CFO (CF 2 ) 2 —SO 2 F, 1 part by weight of polyphenylene sulfide, and 3 parts by weight of polyphenylene ether. And changed.
[実施例5]
ポリフェニレンスルフィド(溶融粘度(フローテスターを用いて、300℃、荷重20Kgf/cm2、L/D(L:オリフィス長、D:オリフィス内径)=10/1で6分間保持した後測定した値。)が50Pa・s、塩化メチレンによる抽出量が0.7重量%、-SX基量が25μmol/g)を用い、かつ実施例1の組成比を、テトラフルオロエチレンとCF2=CFO(CF2)2−SO2Fとから得られた前駆体ポリマー90重量部と、ポリフェニレンスルフィド6重量部と、ポリフェニレンエーテル2.5重量部とに変更した。[Example 5]
Polyphenylene sulfide (melt viscosity (measured using a flow tester at 300 ° C., load 20 kgf / cm 2 , L / D (L: orifice length, D: orifice inner diameter) = 10/1 after holding for 6 minutes) Is 50 Pa · s, the amount extracted with methylene chloride is 0.7 wt%, the amount of —SX group is 25 μmol / g), and the composition ratio of Example 1 is tetrafluoroethylene and CF 2 ═CFO (CF 2 ). The amount was changed to 90 parts by weight of a precursor polymer obtained from 2- SO 2 F, 6 parts by weight of polyphenylene sulfide, and 2.5 parts by weight of polyphenylene ether.
[実施例6]
ポリフェニレンスルフィド(溶融粘度(フローテスターを用いて、300℃、荷重20Kgf/cm2、L/D(L:オリフィス長、D:オリフィス内径)=10/1で6分間保持した後測定した値。)が50Pa・s、塩化メチレンによる抽出量が0.7重量%、-SX基量が25μmol/g)を用い、かつ実施例2の組成比を、テトラフルオロエチレンとCF2=CFO(CF2)2−SO2Fとから得られた前駆体ポリマー80重量部と、ポリフェニレンスルフィド15重量部と、ポリスルホン5重量部とに変更した。[Example 6]
Polyphenylene sulfide (melt viscosity (measured using a flow tester at 300 ° C., load 20 kgf / cm 2 , L / D (L: orifice length, D: orifice inner diameter) = 10/1 after holding for 6 minutes) Is 50 Pa · s, the amount extracted with methylene chloride is 0.7 wt%, the amount of —SX group is 25 μmol / g), and the composition ratio of Example 2 is tetrafluoroethylene and CF 2 = CFO (CF 2 ). The amount was changed to 80 parts by weight of a precursor polymer obtained from 2- SO 2 F, 15 parts by weight of polyphenylene sulfide, and 5 parts by weight of polysulfone.
[実施例7]
ポリフェニレンエーテル(2,6-キシレノールと3,3’,5,5’−テトラメチルビスフェノールAを酸化重合して得た、還元粘度が0.105、ガラス転移温度が165℃)を用い、かつ実施例5の組成比を、テトラフルオロエチレンとCF2=CFO(CF2)2−SO2Fとから得られた前駆体ポリマー70重量部と、ポリフェニレンスルフィド25重量部と、ポリフェニレンエーテル5重量部とに変更した。[Example 7]
And using polyphenylene ether (reduced viscosity of 0.105, glass transition temperature of 165 ° C. obtained by oxidative polymerization of 2,6-xylenol and 3,3 ′, 5,5′-tetramethylbisphenol A) The composition ratio of Example 5 is 70 parts by weight of a precursor polymer obtained from tetrafluoroethylene and CF 2 ═CFO (CF 2 ) 2 —SO 2 F, 25 parts by weight of polyphenylene sulfide, and 5 parts by weight of polyphenylene ether. Changed to
[実施例8]
実施例5の成分に、グリシジルメタクリレートを5重量%含有するスチレン-グリシジルメタクリレート共重合体(重量平均分子量110,000)0.3重量部をさらに追加した。[Example 8]
To the component of Example 5, 0.3 part by weight of a styrene-glycidyl methacrylate copolymer (weight average molecular weight 110,000) containing 5% by weight of glycidyl methacrylate was further added.
[実施例9]
実施例8の成分に、ポリスチレン-水素添加されたポリブタジエン-ポリスチレンの構造であり、結合スチレン量が35重量%、数平均分子量が178,000、水素添加する前のポリブタジエン部の1,2-ビニル結合量が48%である水添ブロック共重合体1.5重量部をさらに追加した。[Example 9]
The component of Example 8 has a structure of polystyrene-hydrogenated polybutadiene-polystyrene, the amount of bound styrene is 35% by weight, the number average molecular weight is 178,000, and 1,2-vinyl in the polybutadiene part before hydrogenation. 1.5 parts by weight of a hydrogenated block copolymer having a binding amount of 48% was further added.
[実施例10]
実施例5の成分に、エポキシ樹脂(大日本インキ化学工業(株)製クレゾールノボラック型エポキシ樹脂N−660)をさらに追加し、かつ組成比を、テトラフルオロエチレンとCF2=CFO(CF2)2−SO2Fとから得られた前駆体ポリマー90重量部と、ポリフェニレンスルフィド7重量部と、ポリフェニレンエーテル1重量部と、エポキシ樹脂2重量部とに変更した。[Example 10]
An epoxy resin (cresol novolac type epoxy resin N-660 manufactured by Dainippon Ink and Chemicals, Inc.) was further added to the components of Example 5, and the composition ratio was tetrafluoroethylene and CF 2 = CFO (CF 2 ). The precursor polymer obtained from 2- SO 2 F was changed to 90 parts by weight, polyphenylene sulfide 7 parts by weight, polyphenylene ether 1 part by weight, and epoxy resin 2 parts by weight.
[実施例11]
実施例5で、ポリフェニレンエーテルの代わりにエポキシ変性ポリフェニレンエーテル(ポリフェニレンエーテル(2,6-キシレノールと3,3’,5,5‘−テトラメチルビスフェノールAを酸化重合して得た、還元粘度が0.105、ガラス転移温度が165℃)とエポキシ樹脂(大日本インキ化学工業(株)製クレゾールノボラック型エポキシ樹脂N−660)とをあらかじめ混合して反応させたもの)を用い、かつ組成比をテトラフルオロエチレンとCF2=CFO(CF2)2−SO2Fとから得られた前駆体ポリマー90重量部と、ポリフェニレンスルフィド7重量部と、エポキシ変性ポリフェニレンエーテル3重量部とに変更した。[Example 11]
In Example 5, instead of polyphenylene ether, epoxy-modified polyphenylene ether (polyphenylene ether (obtained by oxidative polymerization of 2,6-xylenol and 3,3 ′, 5,5′-tetramethylbisphenol A having a reduced viscosity of 0) 105, a glass transition temperature of 165 ° C.) and an epoxy resin (a cresol novolak type epoxy resin N-660 manufactured by Dainippon Ink & Chemicals, Inc.) and a composition ratio. The amount was changed to 90 parts by weight of a precursor polymer obtained from tetrafluoroethylene and CF 2 ═CFO (CF 2 ) 2 —SO 2 F, 7 parts by weight of polyphenylene sulfide, and 3 parts by weight of epoxy-modified polyphenylene ether.
[実施例12]
実施例4で、二軸押出機のスクリュー回転数を500rpmに変更した以外は実施例4と同様にして、プロトン交換膜を得た。[Example 12]
In Example 4, a proton exchange membrane was obtained in the same manner as in Example 4 except that the screw rotation speed of the twin screw extruder was changed to 500 rpm.
このプロトン交換膜中の分散粒子の円換算平均粒子径は0.9μmで、同一組成である実施例4のプロトン交換膜中の分散粒子の円換算平均粒子径2.0μmと比べると小さかった。このプロトン交換膜の燃料電池評価を行ったところ、フッ素溶出速度はいずれも実施例4のプロトン交換膜よりも小さく、さらに優れた耐久性を示すことが判明した。 The average particle diameter in terms of circle of the dispersed particles in the proton exchange membrane was 0.9 μm, which was smaller than the average diameter in terms of circle of 2.0 μm of the dispersed particles in the proton exchange membrane of Example 4 having the same composition. As a result of fuel cell evaluation of this proton exchange membrane, it was found that the fluorine elution rate was lower than that of the proton exchange membrane of Example 4 and further excellent durability was exhibited.
[実施例13]
実施例11で、Tダイ押出機を用いる代わりに、環状ダイを用いて溶融押出した後にインフレーション成形を実施し、50μm厚のフィルムに成形した。この時、環状ダイの直径は50mm、スリット開度は500μm、樹脂温度は250℃、縦ドロー比は3.3倍、横ブローアップ比は3.0倍であった。このフィルムを7cm角に切り取り、230℃で10分間、平面方向に自由に収縮させると、縦方向、横方向ともほぼ同程度の収縮が見られた。Tダイ押出機を用いて得られた実施例11のフィルムは縦方向にのみ大きな収縮が見られ、横方向はむしろ膨潤するという挙動を示したが、この挙動とは大きく異なる高温寸法変化挙動を示すことが確認された。また、このフィルムは、配向バランスも良く、縦横の異方性が少なく、強度および補強効果もより良い方向であった。[Example 13]
In Example 11, instead of using a T-die extruder, the film was melt-extruded using an annular die and then subjected to inflation molding to form a film having a thickness of 50 μm. At this time, the diameter of the annular die was 50 mm, the slit opening was 500 μm, the resin temperature was 250 ° C., the vertical draw ratio was 3.3 times, and the horizontal blow-up ratio was 3.0 times. When this film was cut into 7 cm square and freely shrunk in the plane direction at 230 ° C. for 10 minutes, shrinkage of almost the same degree was observed in both the vertical and horizontal directions. The film of Example 11 obtained using a T-die extruder showed a behavior in which a large shrinkage was observed only in the machine direction and the film was swollen in the transverse direction. It was confirmed to show. Further, this film had good orientation balance, little vertical and horizontal anisotropy, and better strength and reinforcing effect.
このフィルムを、実施例11と同様にアルカリ加水分解処理、酸処理、水洗、乾燥して50μm厚のプロトン交換膜(Ew:798)を得た。 This film was subjected to alkali hydrolysis treatment, acid treatment, water washing and drying in the same manner as in Example 11 to obtain a proton exchange membrane (Ew: 798) having a thickness of 50 μm.
このプロトン交換膜の縦方向と横方向との乾湿寸法変化の差は2%未満で、実施例11のプロトン交換膜の縦方向と横方向との乾湿寸法変化の差が約20%あるのに比べると、膜の異方性が著しく小さくなっていることが確認された。このプロトン交換膜のプロトン伝導度は0.25(S/cm)と高かった。このプロトン交換膜の燃料電池評価を行ったところ、開始時から200時間までのフッ素溶出速度の平均値は0.010(μg/Hr/cm2)と実施例11のプロトン交換膜に非常に低い値を示し、優れた耐久性を示すことが判明した。The difference in the wet and dry dimensional change between the vertical direction and the horizontal direction of the proton exchange membrane is less than 2%, and the difference in the wet and dry dimensional change between the vertical and horizontal directions of the proton exchange membrane of Example 11 is about 20%. In comparison, it was confirmed that the anisotropy of the film was remarkably reduced. The proton conductivity of this proton exchange membrane was as high as 0.25 (S / cm). When this fuel cell was evaluated for the proton exchange membrane, the average value of the fluorine elution rate from the start to 200 hours was 0.010 (μg / Hr / cm 2 ), which is very low for the proton exchange membrane of Example 11. Value, and proved to exhibit excellent durability.
[実施例14]
実施例11で、Tダイ押出機を用いて溶融押出して200μm厚のフィルムに成形し、このフィルムを2軸同時延伸装置((株)東洋精機製作所製)を用いて120℃にてMD方向に2.0倍、TD方向に2.0倍、面積延伸倍率で4倍延伸を行ってから、実施例11と同様にアルカリ加水分解処理、酸処理、水洗、乾燥して50μm厚のプロトン交換膜(Ew:798)を得た。[Example 14]
In Example 11, it was melt-extruded using a T-die extruder to form a 200 μm-thick film, and this film was formed in the MD direction at 120 ° C. using a biaxial simultaneous stretching apparatus (manufactured by Toyo Seiki Seisakusho) A proton exchange membrane having a thickness of 50 μm is obtained by performing 2.0 times, 2.0 times in the TD direction, and 4 times the area draw ratio, followed by alkali hydrolysis treatment, acid treatment, water washing and drying in the same manner as in Example 11. (Ew: 798) was obtained.
このプロトン交換膜の突刺強度をハンディ圧縮試験機(カトーテック(株)製)を用いて測定(プローブ半径0.5mm、突刺速度2mm/s、25℃空気中で実施)したところ、実施例11のプロトン交換膜の約2倍に増加しており、膜強度の向上が確認された。このプロトン交換膜のプロトン伝導度は0.26(S/cm)と高かった。このプロトン交換膜の燃料電池評価を行ったところ、開始時から200時間までの排水中のフッ素溶出速度の平均値は0.009(μg/Hr/cm2)と実施例11のプロトン交換膜と同様に非常に低い値を示し、優れた耐久性を示すことが判明した。The puncture strength of this proton exchange membrane was measured using a handy compression tester (manufactured by Kato Tech Co., Ltd.) (probe radius 0.5 mm, puncture speed 2 mm / s, carried out in air at 25 ° C.). The proton exchange membrane increased approximately twice as much, confirming the improvement of membrane strength. The proton conductivity of this proton exchange membrane was as high as 0.26 (S / cm). When the fuel cell evaluation of this proton exchange membrane was performed, the average value of the fluorine elution rate in the waste water from the start to 200 hours was 0.009 (μg / Hr / cm 2 ), and the proton exchange membrane of Example 11 Similarly, it was found to show a very low value and excellent durability.
[実施例15]
実施例5で、Tダイ押出機を用いて溶融押出して40μm厚のフィルムに成形したものをフィルムAとした。また、実施例5の組成比を、テトラフルオロエチレンとCF2=CFO(CF2)2−SO2Fとから得られた前駆体ポリマー60重量部と、ポリフェニレンスルフィド30重量部と、ポリフェニレンエーテル10重量部とに変更し、Tダイ押出機を用いて溶融押出して5μm厚のフィルムに成形したものをフィルムBとした。[Example 15]
In Example 5, a film A was obtained by melt extrusion using a T-die extruder and forming into a 40 μm thick film. Further, the composition ratio of Example 5 was changed to 60 parts by weight of a precursor polymer obtained from tetrafluoroethylene and CF 2 ═CFO (CF 2 ) 2 —SO 2 F, 30 parts by weight of polyphenylene sulfide, and 10 parts of polyphenylene ether. The film was changed to parts by weight, and film B was formed by melt extrusion using a T-die extruder to form a film having a thickness of 5 μm.
フィルムB2枚の間にフィルムAを挟み込んだものを290℃、10MPaにて熱圧着して約50μm厚のフィルムに成形してから、実施例5と同様にアルカリ加水分解処理、酸処理、水洗、乾燥してプロトン交換膜(Ew:861)を得た。 The film A sandwiched between two sheets of film B was thermocompression bonded at 290 ° C. and 10 MPa to form a film having a thickness of about 50 μm, and then the alkali hydrolysis treatment, acid treatment, water washing, It dried and the proton exchange membrane (Ew: 861) was obtained.
このプロトン交換膜の乾湿寸法変化は、実施例5のプロトン交換膜の約50%に減少しており、乾湿寸法安定性の向上が確認された。このプロトン交換膜のプロトン伝導度は0.15(S/cm)と高かった。このプロトン交換膜の燃料電池評価を行ったところ、開始時から200時間までの排水中のフッ素溶出速度の平均値は0.009(μg/Hr/cm2)と実施例5のプロトン交換膜と同様に、非常に低い値を示し、優れた耐久性を示すことが判明した。The dry / wet dimensional change of the proton exchange membrane was reduced to about 50% of the proton exchange membrane of Example 5, and it was confirmed that the wet / dry dimensional stability was improved. The proton conductivity of this proton exchange membrane was as high as 0.15 (S / cm). When the fuel cell evaluation of this proton exchange membrane was performed, the average value of the fluorine elution rate in the waste water from the start to 200 hours was 0.009 (μg / Hr / cm 2 ), and the proton exchange membrane of Example 5 Similarly, it has been found that it exhibits a very low value and exhibits excellent durability.
[実施例16]
実施例11で、Tダイ押出機を用いて溶融押出して25μm厚のフィルムに成形したものをフィルムAとした。また、実施例5の組成比を、テトラフルオロエチレンとCF2=CFO(CF2)2−SO2Fとから得られた前駆体ポリマー50重量部と、ポリフェニレンスルフィド35重量部と、ポリフェニレンエーテル15重量部とに変更し、Tダイ押出機を用いて溶融押出して5μm厚のフィルムに成形したものをフィルムBとした。[Example 16]
In Example 11, a film A was formed by melt extrusion using a T-die extruder to form a film having a thickness of 25 μm. Further, the composition ratio of Example 5 was changed to 50 parts by weight of a precursor polymer obtained from tetrafluoroethylene and CF 2 ═CFO (CF 2 ) 2 —SO 2 F, 35 parts by weight of polyphenylene sulfide and 15 parts of polyphenylene ether 15 The film was changed to parts by weight, and film B was formed by melt extrusion using a T-die extruder to form a film having a thickness of 5 μm.
フィルムA2枚の間にフィルムBを挟み込んだものを290℃、10MPaにて熱圧着して約55μm厚のフィルムに成形してから、実施例11と同様にアルカリ加水分解処理、酸処理、水洗、乾燥してプロトン交換膜(Ew:847)を得た。 The film B sandwiched between two sheets of film A was thermocompression bonded at 290 ° C. and 10 MPa to form a film having a thickness of about 55 μm, and then the alkali hydrolysis treatment, acid treatment, water washing, Drying gave a proton exchange membrane (Ew: 847).
このプロトン交換膜の25℃水中での長さ方向膨潤率は、実施例11のプロトン交換膜の約45%に減少しており、乾湿条件での寸法安定性向上が確認された。このプロトン交換膜のプロトン伝導度は0.20(S/cm)と高かった。このプロトン交換膜の燃料電池評価を行ったところ、開始時から200時間までの排水中のフッ素溶出速度の平均値は0.009(μg/Hr/cm2)と実施例11のプロトン交換膜と同様に、非常に低い値を示し、優れた耐久性を示すことが判明した。The lengthwise swelling rate of this proton exchange membrane in 25 ° C. water was reduced to about 45% of the proton exchange membrane of Example 11, and it was confirmed that the dimensional stability was improved under dry and wet conditions. The proton conductivity of this proton exchange membrane was as high as 0.20 (S / cm). When the fuel cell evaluation of this proton exchange membrane was performed, the average value of the fluorine elution rate in the waste water from the start to 200 hours was 0.009 (μg / Hr / cm 2 ), and the proton exchange membrane of Example 11 Similarly, it has been found that it exhibits a very low value and exhibits excellent durability.
[実施例17]
実施例5で、Tダイ押出機を用いて溶融押出して25μm厚のフィルムに成形したものをフィルムAとした。[Example 17]
In Example 5, a film A was formed by melt extrusion using a T-die extruder to form a film having a thickness of 25 μm.
10μm厚のポリフェニレンスルフィドフィルム(東レ(株)製)を多孔化処理して開孔率70%にしたものを、フィルムA2枚の間に挟み込み、290℃、10MPaにて熱圧着して約50μm厚のフィルムに成形してから、実施例5と同様にアルカリ加水分解処理、酸処理、水洗、乾燥してプロトン交換膜(Ew:853)を得た。 A 10 μm thick polyphenylene sulfide film (manufactured by Toray Industries, Inc.) was made porous to have a porosity of 70%. The film was sandwiched between two films A and thermocompression bonded at 290 ° C. and 10 MPa to a thickness of about 50 μm. Then, in the same manner as in Example 5, alkaline hydrolysis treatment, acid treatment, water washing and drying were performed to obtain a proton exchange membrane (Ew: 853).
このプロトン交換膜の乾湿寸法変化は、実施例5のプロトン交換膜の約30%に減少しており、乾湿寸法安定性の向上が確認された。このプロトン交換膜のプロトン伝導度は0.17(S/cm)と高かった。このプロトン交換膜の燃料電池評価を行ったところ、開始時から200時間までの排水中のフッ素溶出速度の平均値は0.009(μg/Hr/cm2)と実施例5のプロトン交換膜と同様に、非常に低い値を示し、優れた耐久性を示すことが判明した。The change in dry / wet dimensions of the proton exchange membrane was reduced to about 30% of that of the proton exchange membrane of Example 5, and it was confirmed that the wet / dry dimensional stability was improved. The proton conductivity of this proton exchange membrane was as high as 0.17 (S / cm). When the fuel cell evaluation of this proton exchange membrane was performed, the average value of the fluorine elution rate in the waste water from the start to 200 hours was 0.009 (μg / Hr / cm 2 ), and the proton exchange membrane of Example 5 Similarly, it has been found that it exhibits a very low value and exhibits excellent durability.
[実施例18]
実施例5で、Tダイ押出機を用いて溶融押出して20μm厚のフィルムに成形したものをフィルムAとした。[Example 18]
In Example 5, a film A was formed by melt extrusion using a T-die extruder to form a film having a thickness of 20 μm.
また、実施例5にてポリフェニレンスルフィドの代わりにガラス繊維30%入ポリフェニレンスルフィド(大日本インキ化学工業(株)製)を用いて、その組成比を、テトラフルオロエチレンとCF2=CFO(CF2)2−SO2Fとから得られた前駆体ポリマー50重量部と、ポリフェニレンスルフィド45重量部と、ポリフェニレンエーテル5重量部とに変更し、Tダイ押出機を用いて溶融押出して10μm厚のフィルムに成形したものをフィルムBとした。Further, in Example 5, 30% glass fiber-containing polyphenylene sulfide (manufactured by Dainippon Ink & Chemicals, Inc.) was used instead of polyphenylene sulfide, and the composition ratio was changed to tetrafluoroethylene and CF 2 = CFO (CF 2 ) A film of 10 μm thickness obtained by melt extrusion using a T-die extruder by changing the precursor polymer obtained from 2- SO 2 F to 50 parts by weight, 45 parts by weight of polyphenylene sulfide, and 5 parts by weight of polyphenylene ether. Film B was formed into a film B.
フィルムA2枚の間にフィルムBを挟み込んだものを290℃、10MPaにて熱圧着して約50μm厚のフィルムに成形してから、実施例5と同様にアルカリ加水分解処理、酸処理、水洗、乾燥してプロトン交換膜(Ew:921)を得た。 The film B sandwiched between two films A was thermocompression bonded at 290 ° C. and 10 MPa to form a film having a thickness of about 50 μm, and then the alkali hydrolysis treatment, acid treatment, water washing, Drying gave a proton exchange membrane (Ew: 921).
このプロトン交換膜の乾湿寸法変化は、実施例5のプロトン交換膜の約30%に減少しており、乾湿寸法安定性の向上が確認された。このプロトン交換膜のプロトン伝導度は0.17(S/cm)と高かった。このプロトン交換膜の燃料電池評価を行ったところ、開始時から200時間までの排水中のフッ素溶出速度の平均値は0.009(μg/Hr/cm2)と実施例5のプロトン交換膜と同様に非常に低い値を示し、優れた耐久性を示すことが判明した。The change in dry / wet dimensions of the proton exchange membrane was reduced to about 30% of that of the proton exchange membrane of Example 5, and it was confirmed that the wet / dry dimensional stability was improved. The proton conductivity of this proton exchange membrane was as high as 0.17 (S / cm). When the fuel cell evaluation of this proton exchange membrane was performed, the average value of the fluorine elution rate in the waste water from the start to 200 hours was 0.009 (μg / Hr / cm 2 ), and the proton exchange membrane of Example 5 Similarly, it was found to show a very low value and excellent durability.
[比較例36〜40]
パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーを各種多孔質体に含浸して得られたプロトン交換膜について燃料電池評価を行った。結果を表3に併せて示す。パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーの含有比率が減少したためにフッ素溶出速度の低下が見られるものもあるが、セル寿命がせいぜい400時間程度で、いずれも良好な耐久性が得られないことが判明した。[Comparative Examples 36 to 40]
Fuel cell evaluation was performed on proton exchange membranes obtained by impregnating various porous materials with perfluorocarbon sulfonic acid polymer. The results are also shown in Table 3. Although some of the perfluorocarbon sulfonic acid polymer content ratios decreased, the fluorine elution rate was lowered, but the cell life was at most about 400 hours, and it was found that none of them had good durability.
各比較例のプロトン交換膜の作成法を以下、簡単に記載する。 A method for producing the proton exchange membrane of each comparative example will be briefly described below.
[比較例36]
テトラフルオロエチレンとCF2=CFO(CF2)2−SO2Fとから得られた前駆体ポリマー(MI:3.0、アルカリ加水分解・酸処理後のEw:730)を、水酸化カリウム(15質量%)とジメチルスルホキシド(30質量%)を溶解した水溶液中に、60℃で4時間接触させて、アルカリ加水分解処理を行った。その後、60℃水中に4時間浸漬した。次に60℃の2N塩酸水溶液に3時間浸漬した後、イオン交換水で水洗、乾燥してパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマー(Ew:730)を得た。得られたパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーをエタノール水溶液(水:エタノール=50.0:50.0(重量比))と共にオートクレーブに入れて密閉し、180℃まで昇温して5時間保持した。その後オートクレーブを自然冷却して、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマー:水:エタノール=5.0:47.5:47.5(重量比)の組成のポリマー溶液Cを得た。[Comparative Example 36]
A precursor polymer (MI: 3.0, Ew after alkaline hydrolysis and acid treatment: 730) obtained from tetrafluoroethylene and CF 2 ═CFO (CF 2 ) 2 —SO 2 F was converted to potassium hydroxide ( 15 mass%) and dimethyl sulfoxide (30 mass%) were dissolved in an aqueous solution at 60 ° C. for 4 hours for alkali hydrolysis treatment. Then, it was immersed in 60 degreeC water for 4 hours. Next, it was immersed in a 2N hydrochloric acid aqueous solution at 60 ° C. for 3 hours, washed with ion-exchanged water and dried to obtain a perfluorocarbon sulfonic acid polymer (Ew: 730). The obtained perfluorocarbonsulfonic acid polymer was placed in an autoclave together with an aqueous ethanol solution (water: ethanol = 50.0: 50.0 (weight ratio)), sealed, heated to 180 ° C. and held for 5 hours. Thereafter, the autoclave was naturally cooled to obtain a polymer solution C having a composition of perfluorocarbon sulfonic acid polymer: water: ethanol = 5.0: 47.5: 47.5 (weight ratio).
多孔化ポリフェニレンスルフィドフィルム(50μm厚のポリフェニレンスルフィドフィルム(東レ(株)製)を多孔化処理して開孔率60%にしたもの)にポリマー溶液Cを十分含浸させた後、オーブンに入れて80℃で1時間乾燥させ、その後160℃に昇温してからさらに1時間熱処理を実施してプロトン交換膜(Ew:1153)を得た。 A porous polyphenylene sulfide film (a 50 μm thick polyphenylene sulfide film (Toray Industries, Inc.) was made porous to a porosity of 60%) was sufficiently impregnated with the polymer solution C, and then placed in an oven. After drying at 1 ° C. for 1 hour, the temperature was raised to 160 ° C., and then heat treatment was further performed for 1 hour to obtain a proton exchange membrane (Ew: 1153).
[比較例37]
多孔化ポリフェニレンスルフィドフィルムの代わりに、ポリイミド多孔体(宇部興産(株)製)を用いた以外は、比較例36と同様に実施してプロトン交換膜(Ew:1225)を得た。[Comparative Example 37]
A proton exchange membrane (Ew: 1225) was obtained in the same manner as in Comparative Example 36, except that a polyimide porous body (manufactured by Ube Industries) was used instead of the porous polyphenylene sulfide film.
[比較例38]
ポリスルホン(シグマアルドリッチジャパン(株)製、数平均分子量26,000)をジメチルホルムアミド中に加え、80℃で24時間撹拌してポリスルホン溶液を得た。この溶液をガラス板上にバーコーターを用いて約50μm厚になるようにキャストし、その後直ちに貧溶媒である水に30分間浸漬してポリスルホンを析出させることにより多孔化した。得られた多孔質体の四辺を固定して、オーブンに入れて120℃で24時間乾燥させることにより、多孔化ポリスルホンフィルムを得た。[Comparative Example 38]
Polysulfone (manufactured by Sigma-Aldrich Japan Co., Ltd., number average molecular weight 26,000) was added to dimethylformamide and stirred at 80 ° C. for 24 hours to obtain a polysulfone solution. This solution was cast on a glass plate to a thickness of about 50 μm using a bar coater, and then immediately immersed in water, which is a poor solvent, for 30 minutes to precipitate polysulfone to make it porous. Four sides of the obtained porous body were fixed, put in an oven, and dried at 120 ° C. for 24 hours to obtain a porous polysulfone film.
この多孔化ポリスルホンフィルムを、多孔化ポリフェニレンスルフィドフィルムの代わりに用いた以外は、比較例36と同様に実施してプロトン交換膜(Ew:1010)を得た。 A proton exchange membrane (Ew: 1010) was obtained in the same manner as in Comparative Example 36 except that this porous polysulfone film was used instead of the porous polyphenylene sulfide film.
[比較例39]
ポリスルホンの代わりに、ポリエーテルスルホン(アクロス社製)を用いた以外は比較例38と同様に実施して多孔化ポリエーテルスルホンフィルムを得た。このフィルムを、多孔化ポリフェニレンスルフィドフィルムの代わりに用いた以外は、比較例36と同様に実施してプロトン交換膜(Ew:1189)を得た。[Comparative Example 39]
A porous polyethersulfone film was obtained in the same manner as in Comparative Example 38 except that polyethersulfone (manufactured by Across) was used instead of polysulfone. A proton exchange membrane (Ew: 1189) was obtained in the same manner as in Comparative Example 36 except that this film was used instead of the porous polyphenylene sulfide film.
[比較例40]
多孔化ポリフェニレンスルフィドフィルムの代わりに、ポリテトラエチレン多孔質体(住友電工(株)製WP500−100)を用いた以外は、比較例36と同様に実施してプロトン交換膜(Ew:1110)を得た。[Comparative Example 40]
A proton exchange membrane (Ew: 1110) was carried out in the same manner as in Comparative Example 36 except that a polytetraethylene porous body (WP500-100 manufactured by Sumitomo Electric Industries, Ltd.) was used instead of the porous polyphenylene sulfide film. Obtained.
本発明の高分子電解質組成物から得られるプロトン交換膜は、高温下でも高耐久性を有するプロトン交換膜であり、イオン交換膜および燃料電池の分野で好適に用いられる。本発明により得られるプロトン交換膜は、ダイレクトメタノール型燃料電池を含めた各種燃料電池、水電解、ハロゲン化水素酸電解、食塩電解、酸素濃縮器、湿度センサー、ガスセンサー等に用いることが可能である。 The proton exchange membrane obtained from the polymer electrolyte composition of the present invention is a proton exchange membrane having high durability even at high temperatures, and is suitably used in the fields of ion exchange membranes and fuel cells. The proton exchange membrane obtained by the present invention can be used in various fuel cells including direct methanol fuel cells, water electrolysis, hydrohalic acid electrolysis, salt electrolysis, oxygen concentrators, humidity sensors, gas sensors and the like. is there.
Claims (26)
-[CF2CX1X2]a-[CF2-CF(-O-(CF2-CF(CF2X3))b-Oc-(CFR1)d-(CFR2)e-(CF2)f-X4)]g- (1)
式中、X1、X2およびX3はそれぞれ独立にハロゲン元素または炭素数1以上3以下のパーフルオロアルキル基であり、aおよびgは0≦a<1、0<g≦1、a+g=1であり、bは0以上8以下の整数であり、cは0または1であり、d、eおよびfはそれぞれ独立に0以上6以下の整数(ただし、d+e+fは0に等しくない)であり、R1およびR2はそれぞれ独立にハロゲン元素、炭素数1以上10以下のパーフルオロアルキル基またはフルオロクロロアルキル基であり、X4はCOOZ、SO3Z、PO3Z2またはPO3HZである。ここでZは水素原子、アルカリ金属原子、アルカリ土類金属原子またはアミン類(NH4、NH3R1、NH2R1R2、NHR1R2R3、NR1R2R3R4)であり、R1、R2、R3およびR4はアルキル基またはアレーン基である。The polymer electrolyte composition according to claim 8, wherein the perfluorocarbon polymer compound having an ion exchange group has a structural unit represented by the following general formula (1).
-[CF 2 CX 1 X 2 ] a- [CF 2 -CF (-O- (CF 2 -CF (CF 2 X 3 )) b -O c- (CFR 1 ) d- (CFR 2 ) e- ( CF 2 ) f -X 4 )] g- (1)
In the formula, X 1 , X 2 and X 3 are each independently a halogen element or a perfluoroalkyl group having 1 to 3 carbon atoms, and a and g are 0 ≦ a <1, 0 <g ≦ 1, a + g = 1, b is an integer of 0 or more and 8 or less, c is 0 or 1, d, e and f are each independently an integer of 0 or more and 6 or less (however, d + e + f is not equal to 0) , R 1 and R 2 are each independently a halogen element, a perfluoroalkyl group or a fluorochloroalkyl group having 1 to 10 carbon atoms, and X 4 is COOZ, SO 3 Z, PO 3 Z 2 or PO 3 HZ. is there. Here, Z is a hydrogen atom, an alkali metal atom, an alkaline earth metal atom or an amine (NH 4 , NH 3 R 1 , NH 2 R 1 R 2 , NHR 1 R 2 R 3 , NR 1 R 2 R 3 R 4 R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are alkyl groups or arene groups.
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