JP5266086B2 - Manufacturing method of electrolyte membrane for fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池用電解質膜の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing an electrolyte membrane for a fuel cell.
電解質に固体のプロトン交換膜を用いる固体高分子形燃料電池(PEFC)のうち、メタノール燃料を電池内で直接改質し水素を得るタイプのものは小型化が容易であるため、携帯機器用電源としての期待が高まっているが、メタノールに対する耐久性が高く、イオン(プロトン)選択性の高い高分子電解質膜の開発が求められている。 Among polymer electrolyte fuel cells (PEFC) that use a solid proton exchange membrane as the electrolyte, the type that obtains hydrogen by directly reforming methanol fuel in the cell is easy to downsize, so power supplies for portable devices However, development of a polymer electrolyte membrane having high durability against methanol and high ion (proton) selectivity is demanded.
例えば、特許文献1には、「燃料電池の電解質膜用プロトン伝導性膜であって、プロトン伝導性ポリマーと、下記一般式(1)で表わされる重合体との複合体であることを特徴とするプロトン伝導性膜。
(上記一般式(1)中、Xは窒素原子を含む官能基であり、Aは置換または無置換の2価の有機基であり、nは整数である。)」が記載されている。
For example, Patent Document 1 states that “a proton conductive membrane for an electrolyte membrane of a fuel cell, which is a composite of a proton conductive polymer and a polymer represented by the following general formula (1): Proton conducting membrane.
(In the above general formula (1), X is a functional group containing a nitrogen atom, A is a substituted or unsubstituted divalent organic group, and n is an integer).
また、特許文献2には、「金属膜またはケイ素膜を陽極酸化することにより設けられた直径0.01〜150μm貫通孔を有し、該貫通孔の内壁にプロトン伝導性の官能基を修飾したことを燃料電池用電解質膜。」が記載されている。 Patent Document 2 states that “the metal film or silicon film has a 0.01 to 150 μm diameter through hole provided by anodizing, and a proton conductive functional group is modified on the inner wall of the through hole. This is described as an electrolyte membrane for fuel cells.
更に、特許文献3には、「メタノールを含む有機溶媒および水に対して実質的に膨潤しない多孔性基材の細孔にプロトン伝導性を有する第1ポリマーを充填してなる電解質膜であって、前記第1ポリマーが2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸由来のポリマーであることを特徴とする電解質膜。」が記載されている。 Further, Patent Document 3 discloses an electrolyte membrane in which a pore of a porous substrate that does not substantially swell with an organic solvent containing methanol and water is filled with a first polymer having proton conductivity. The electrolyte membrane is characterized in that the first polymer is a polymer derived from 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid. "
しかしながら、特許文献1〜3に記載のプロトン伝導性膜(電解質膜)は、高温(例えば、100〜180℃程度)で使用した場合に、膜の劣化によりメタノールに対する耐久性やプロトン選択性が劣る場合があることが分かった。
したがって、本発明は、高温での使用においてもメタノールに対する耐久性およびプロトン選択性に優れる燃料電池用電解質膜の製造方法を提供することを目的とする。
However, when the proton conductive membranes (electrolyte membranes) described in Patent Documents 1 to 3 are used at high temperatures (for example, about 100 to 180 ° C.), durability against protons and proton selectivity are inferior due to membrane deterioration. I found out that there was a case.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for producing an electrolyte membrane for a fuel cell that is excellent in methanol durability and proton selectivity even when used at high temperatures.
本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討した結果、陽極酸化皮膜が有する所定の平均開孔径の貫通孔に所定の金属水和物を形成させた微細構造体を用いた燃料電池用電解質膜が、高温での使用においてもメタノールに対する耐久性およびプロトン選択性に優れることを見出し、本発明を完成させた。
即ち、本発明は、以下の(1)〜(3)を提供する。
The present inventor has intensely studied to achieve the above object, using a fine structure obtained by forming a predetermined metal hydrate into the through hole of the average opening diameter of that Jo Tokoro Yusuke is anodized film fuel The present inventors have found that the battery electrolyte membrane has excellent durability against methanol and proton selectivity even when used at a high temperature, and completed the present invention.
That is, the present invention provides the following (1) to ( 3 ).
(1)アルミニウムを陽極酸化して得られる陽極酸化皮膜を用いた燃料電池用電解質膜の製造方法であって、
上記陽極酸化皮膜が、上記陽極酸化皮膜の深さ方向に平均開孔径が20〜200nmの貫通孔を有し、
上記貫通孔の少なくとも一部にpH9〜13に調整したアルカリ水溶液を供給して上記アルミニウムの水和物を形成し、
前記水和物を形成させた前記貫通孔を有する前記陽極酸化皮膜を焼成し、前記水和物を酸化する燃料電池用電解質膜の製造方法。
(1) A method for producing an electrolyte membrane for a fuel cell using an anodized film obtained by anodizing aluminum ,
The anodic oxide film has through holes with an average pore diameter of 20 to 200 nm in the depth direction of the anodic oxide film,
Supplying an alkaline aqueous solution adjusted to pH 9 to 13 to at least a part of the through hole to form the aluminum hydrate ,
A method for producing an electrolyte membrane for a fuel cell , wherein the anodic oxide film having the through-hole formed with the hydrate is fired to oxidize the hydrate .
(2)更に、上記貫通孔の一部にプロトン伝導性を有する親水性ポリマーを充填する上記(1)に記載の燃料電池用電解質膜の製造方法。
(3)上記アルミニウムの水和物を酸化して、γ‐アルミナ、Δ‐アルミナ、θ‐アルミナ、α‐アルミナおよびη−アルミナから選択される少なくとも1つに転移させる(1)または(2)に記載の燃料電池用電解質膜の製造方法。
(2) Further, the manufacturing method of the electrolyte membrane according to the above (1) to fill the hydrophilic polymer having proton conductivity on a part of the through hole.
(3) Oxidizing the aluminum hydrate and transferring it to at least one selected from γ-alumina, Δ-alumina, θ-alumina, α-alumina and η-alumina (1) or (2) The manufacturing method of the electrolyte membrane for fuel cells as described in any one of.
以下に説明するように、本発明によれば、高温での使用においてもメタノールに対する耐久性およびプロトン選択性に優れる燃料電池用電解質膜を提供することができる。 As will be described below, according to the present invention, it is possible to provide an electrolyte membrane for a fuel cell that is excellent in durability against methanol and proton selectivity even when used at high temperatures.
以下に、本発明を詳細に説明する。
本発明の燃料電池用電解質膜の製造方法は、アルミニウムを陽極酸化して得られる陽極酸化皮膜を用いた燃料電池用電解質膜の製造方法であって、
上記陽極酸化皮膜が、上記陽極酸化皮膜の深さ方向に平均開孔径が20〜200nmの貫通孔を有し、
上記貫通孔の少なくとも一部にpH9〜13に調整したアルカリ水溶液を供給して前記アルミニウムの水和物を形成し、
上記水和物を形成させた上記貫通孔を有する上記陽極酸化皮膜を焼成し、上記水和物を酸化する燃料電池用電解質膜の製造方法である。
次に、本発明の燃料電池用電解質膜の製造方法について、図1を用いて説明する。
The present invention is described in detail below.
The method for producing an electrolyte membrane for a fuel cell of the present invention is a method for producing an electrolyte membrane for a fuel cell using an anodized film obtained by anodizing aluminum ,
The anodic oxide film has through holes with an average pore diameter of 20 to 200 nm in the depth direction of the anodic oxide film,
Supplying an alkaline aqueous solution adjusted to pH 9 to 13 to at least a part of the through-hole to form the aluminum hydrate ,
It is a method for producing an electrolyte membrane for a fuel cell , in which the anodic oxide film having the through holes formed with the hydrate is fired to oxidize the hydrate .
Next, the manufacturing method of the electrolyte membrane for fuel cells of this invention is demonstrated using FIG.
図1は、本発明の燃料電池用電解質膜の断面を説明する模式図である。
図1に示すように、本発明の燃料電池用電解質膜1は、陽極酸化皮膜2が有する貫通孔3に水和物4を形成させたものである。
ここで、上記水和物4は、図1(A)および(B)に示すように、貫通孔3の一部に形成されるものであってもよく、図1(C)に示すように、貫通孔3の全体に形成されるものであってもよい。
以下に、陽極酸化皮膜および水和物のそれぞれについて、材料、寸法、形成方法等について詳述する。
FIG. 1 is a schematic view for explaining a cross section of an electrolyte membrane for a fuel cell according to the present invention.
As shown in FIG. 1, an electrolyte membrane 1 for a fuel cell according to the present invention is obtained by forming a hydrate 4 in a through hole 3 of an anodized film 2.
Here, the hydrate 4 may be formed in a part of the through hole 3 as shown in FIGS. 1 (A) and 1 (B), as shown in FIG. 1 (C). Alternatively, it may be formed in the entire through hole 3.
Below, material, a dimension, a formation method, etc. are explained in full detail about each of an anodized film and a hydrate.
[陽極酸化皮膜]
上記陽極酸化皮膜は、バルブ金属を陽極酸化して得られる陽極酸化皮膜であり、深さ方向に平均開孔径が20〜200nmの貫通孔を有するものである。
[Anodized film]
The anodized film is an anodized film obtained by anodizing a valve metal, and has through holes having an average pore diameter of 20 to 200 nm in the depth direction.
〔バルブ金属〕
上記バルブ金属とは、陽極酸化により金属表面がその金属の酸化物の皮膜で覆われる特性を有し、更にその酸化皮膜が、電流を一方方向にのみ流して逆方向には非常に流しにくい特性を有する金属のことであり、その具体例としては、アルミニウム、タンタル、ニオブ、チタン、ハフニウム、ジルコニウム、亜鉛、タングステン、ビスマス、アンチモン等が挙げられる。
これらのうち、陽極酸化処理を施して形成される陽極酸化皮膜に存在するマイクロポアの配列(ポア配列)の規則性が向上し、また、このマイクロポアを利用して形成することができる上記貫通孔の配列の規則性も向上し、その結果、本発明の燃料電池用電解質膜のプロトン選択性がより向上する理由から、アルミニウムであるのが好ましい。
[Valve metal]
The above valve metal has the property that the metal surface is covered with an oxide film of the metal by anodic oxidation, and the oxide film has the property that current flows only in one direction and is very difficult to flow in the reverse direction. Specific examples of the metal include aluminum, tantalum, niobium, titanium, hafnium, zirconium, zinc, tungsten, bismuth, and antimony.
Among these, the regularity of the arrangement of micropores (pore arrangement) existing in the anodized film formed by anodizing treatment is improved, and the above-described penetration that can be formed using this micropore Aluminum is preferable because the regularity of the arrangement of the holes is improved, and as a result, the proton selectivity of the electrolyte membrane for a fuel cell of the present invention is further improved.
〔貫通孔〕
上記陽極酸化皮膜が有する上記貫通孔の平均開孔径は、20〜200nmであり、25〜180nmであるのが好ましく、30〜150nmであるのがより好ましい。
上記貫通孔の平均開孔径が上記範囲であると、本発明の燃料電池用電解質膜のプロトン選択性がより向上する。
[Through hole]
The average opening diameter of the through holes of the anodic oxide film is 20 to 200 nm, preferably 25 to 180 nm, and more preferably 30 to 150 nm.
When the average opening diameter of the through holes is within the above range, the proton selectivity of the fuel cell electrolyte membrane of the present invention is further improved.
同様に、上記貫通孔の密度は、150万個/mm2以上であるのが好ましく、180万個〜4000万個/mm2であるのがより好ましく、200万個〜3000万個/mm2であるのが更に好ましい。
上記貫通孔の平均開孔径と密度が上記範囲であると、本発明の燃料電池用電解質膜のプロトン選択性がより向上する。
Similarly, the density of the through holes is preferably 1.5 million pieces / mm 2 or more, more preferably 1.8 million to 40 million pieces / mm 2 , and 2 million to 30 million pieces / mm 2. More preferably.
When the average pore diameter and density of the through holes are within the above ranges, the proton selectivity of the fuel cell electrolyte membrane of the present invention is further improved.
上記陽極酸化皮膜の形成方法は、上記バルブ金属に少なくとも後述する陽極酸化処理および貫通化処理を施して上記孔径の貫通孔を形成できるものであれば特に限定されないが、以下に示す各処理を施して形成するのが好ましい。
なお、以下に示す各処理においては、上記バルブ金属としてアルミニウム(基板)を用いた場合を例に挙げて説明する。
The method for forming the anodic oxide film is not particularly limited as long as it can form at least the later-described anodic oxidation treatment and penetration treatment on the valve metal to form a through-hole having the above-mentioned pore diameter, but the following treatments are performed. Is preferably formed.
In addition, in each process shown below, the case where aluminum (board | substrate) is used as said valve | bulb metal is mentioned as an example, and is demonstrated.
〔アルミニウム(基板)〕
アルミニウム基板は、特に限定されず、その具体例としては、純アルミニウム板;アルミニウムを主成分とし微量の異元素を含む合金板;低純度のアルミニウム(例えば、リサイクル材料)に高純度アルミニウムを蒸着させた基板;シリコンウエハー、石英、ガラス等の表面に蒸着、スパッタ等の方法により高純度アルミニウムを被覆させた基板;アルミニウムをラミネートした樹脂基板;等が挙げられる。
[Aluminum (substrate)]
The aluminum substrate is not particularly limited, and specific examples thereof include a pure aluminum plate; an alloy plate containing aluminum as a main component and containing a trace amount of foreign elements; and depositing high-purity aluminum on low-purity aluminum (for example, recycled material). Examples of the substrate include: a substrate in which high purity aluminum is coated on the surface of a silicon wafer, quartz, glass or the like by a method such as vapor deposition or sputtering; a resin substrate in which aluminum is laminated;
本発明においては、アルミニウム基板のうち、後述する陽極酸化処理を施す表面は、アルミニウム純度が、99.5質量%以上であるのが好ましく、99.9質量%以上であるのがより好ましく、99.99質量%以上であるのが更に好ましい。アルミニウム純度が上記範囲であると、ポア配列の規則性が十分となる。 In the present invention, of the aluminum substrate, the surface to be anodized, which will be described later, preferably has an aluminum purity of 99.5% by mass or more, more preferably 99.9% by mass or more, 99 More preferably, it is at least 99 mass%. When the aluminum purity is in the above range, the regularity of the pore arrangement is sufficient.
また、本発明においては、アルミニウム基板のうち、後述する陽極酸化処理を施す表面は、あらかじめ脱脂処理および鏡面仕上げ処理が施されるのが好ましく、特に、ポア配列の規則性を向上させる観点から、熱処理が施されるのが好ましい。 Further, in the present invention, the surface of the aluminum substrate to be subjected to anodization described later is preferably subjected to degreasing and mirror finishing in advance, particularly from the viewpoint of improving the regularity of the pore arrangement, Heat treatment is preferably performed.
〔熱処理〕
熱処理を施す場合は、200〜350℃で30秒〜2分程度施すのが好ましい。具体的には、例えば、アルミニウム基板を加熱オーブンに入れる方法等が挙げられる。
〔Heat treatment〕
When heat treatment is performed, it is preferably performed at 200 to 350 ° C. for about 30 seconds to 2 minutes. Specifically, for example, a method of placing an aluminum substrate in a heating oven can be used.
〔脱脂処理〕
脱脂処理は、酸、アルカリ、有機溶剤等を用いて、アルミニウム基板表面に付着した、ほこり、脂、樹脂等の有機成分等を溶解させて除去し、有機成分を原因とする後述の各処理における欠陥の発生を防止することを目的として行われる。
[Degreasing]
The degreasing treatment uses acid, alkali, organic solvent, etc. to dissolve and remove the organic components such as dust, fat, and resin adhered to the surface of the aluminum substrate, and in each treatment described later due to the organic components. This is done for the purpose of preventing the occurrence of defects.
脱脂処理としては、具体的には、例えば、各種アルコール(例えば、メタノール等)、各種ケトン(例えば、メチルエチルケトン等)、ベンジン、揮発油等の有機溶剤を常温でアルミニウム基板表面に接触させる方法(有機溶剤法);石けん、中性洗剤等の界面活性剤を含有する液を常温から80℃までの温度でアルミニウム基板表面に接触させ、その後、水洗する方法(界面活性剤法);濃度10〜200g/Lの硫酸水溶液を常温から70℃までの温度でアルミニウム基板表面に30〜80秒間接触させ、その後、水洗する方法;濃度5〜20g/Lの水酸化ナトリウム水溶液を常温でアルミニウム基板表面に30秒間程度接触させつつ、アルミニウム基板表面を陰極にして電流密度1〜10A/dm2の直流電流を流して電解し、その後、濃度100〜500g/Lの硝酸水溶液を接触させて中和する方法;各種公知の陽極酸化処理用電解液を常温でアルミニウム基板表面に接触させつつ、アルミニウム基板表面を陰極にして電流密度1〜10A/dm2の直流電流を流して、または、交流電流を流して電解する方法;濃度10〜200g/Lのアルカリ水溶液を40〜50℃でアルミニウム基板表面に15〜60秒間接触させ、その後、濃度100〜500g/Lの硝酸水溶液を接触させて中和する方法;軽油、灯油等に界面活性剤、水等を混合させた乳化液を常温から50℃までの温度でアルミニウム基板表面に接触させ、その後、水洗する方法(乳化脱脂法);炭酸ナトリウム、リン酸塩類、界面活性剤等の混合液を常温から50℃までの温度でアルミニウム基板表面に30〜180秒間接触させ、その後、水洗する方法(リン酸塩法);等が挙げられる。 Specifically, as the degreasing treatment, for example, a method in which an organic solvent such as various alcohols (for example, methanol), various ketones (for example, methyl ethyl ketone), benzine, volatile oil or the like is brought into contact with the aluminum substrate surface at room temperature (organic Solvent method); a method of bringing a liquid containing a surfactant such as soap or neutral detergent into contact with the aluminum substrate surface at a temperature from room temperature to 80 ° C., and then washing with water (surfactant method); concentration of 10 to 200 g A method in which an aqueous solution of sulfuric acid / L is brought into contact with the aluminum substrate surface at a temperature from room temperature to 70 ° C. for 30 to 80 seconds and then washed with water; while contacting about seconds, the aluminum substrate surface and the electrolyte by passing a direct current of a current density of 1 to 10 a / dm 2 in the cathode, the , A method of neutralizing by bringing a nitric acid aqueous solution having a concentration of 100 to 500 g / L into contact; while bringing various known anodizing electrolytes into contact with the aluminum substrate surface at room temperature, the aluminum substrate surface is used as a cathode and a current density of 1 to A method in which a 10 A / dm 2 direct current is applied or an alternating current is applied for electrolysis; an alkaline aqueous solution having a concentration of 10 to 200 g / L is brought into contact with the aluminum substrate surface at 40 to 50 ° C. for 15 to 60 seconds; A method of neutralizing by bringing a nitric acid aqueous solution having a concentration of 100 to 500 g / L into contact; an emulsion obtained by mixing light oil, kerosene, etc. with a surfactant, water, etc. is brought into contact with the aluminum substrate surface at a temperature from room temperature to 50 ° C. Then, a method of washing with water (emulsification and degreasing method); a mixed solution of sodium carbonate, phosphates, surfactant and the like on the surface of the aluminum substrate at a temperature from room temperature to 50 ° C. Contacting 0-180 seconds, then, a method of washing with water (phosphate method); and the like.
これらのうち、アルミニウム表面の脂分を除去しうる一方で、アルミニウムの溶解がほとんど起こらない観点から、有機溶剤法、界面活性剤法、乳化脱脂法、リン酸塩法が好ましい。 Among these, the organic solvent method, the surfactant method, the emulsion degreasing method, and the phosphate method are preferable from the viewpoint that the fat content on the aluminum surface can be removed while the aluminum hardly dissolves.
また、脱脂処理には、従来公知の脱脂剤を用いることができる。具体的には、例えば、市販されている各種脱脂剤を所定の方法で用いることにより行うことができる。 Moreover, a conventionally well-known degreasing agent can be used for a degreasing process. Specifically, for example, various commercially available degreasing agents can be used by a predetermined method.
〔鏡面仕上げ処理〕
鏡面仕上げ処理は、アルミニウム基板の表面の凹凸、例えば、アルミニウム基板の圧延時に発生した圧延筋等をなくして、電着法等による封孔処理の均一性や再現性を向上させるために行われる。
本発明において、鏡面仕上げ処理は、特に限定されず、従来公知の方法を用いることができる。例えば、機械研磨、化学研磨、電解研磨が挙げられる。
[Mirror finish processing]
The mirror finishing process is performed in order to eliminate unevenness on the surface of the aluminum substrate, for example, rolling streaks generated during the rolling of the aluminum substrate, and improve the uniformity and reproducibility of the sealing process by an electrodeposition method or the like.
In the present invention, the mirror finish is not particularly limited, and a conventionally known method can be used. Examples thereof include mechanical polishing, chemical polishing, and electrolytic polishing.
機械研磨としては、例えば、各種市販の研磨布で研磨する方法、市販の各種研磨剤(例えば、ダイヤ、アルミナ)とバフとを組み合わせた方法等が挙げられる。具体的には、研磨剤を用いる場合、使用する研磨剤を粗い粒子から細かい粒子へと経時的に変更して行う方法が好適に例示される。この場合、最終的に用いる研磨剤としては、#1500のものが好ましい。これにより、光沢度を50%以上(圧延アルミニウムである場合、その圧延方向および幅方向ともに50%以上)とすることができる。 Examples of the mechanical polishing include a method of polishing with various commercially available polishing cloths, a method of combining various commercially available abrasives (for example, diamond, alumina) and a buff. Specifically, when an abrasive is used, a method in which the abrasive used is changed from coarse particles to fine particles over time is preferably exemplified. In this case, the final polishing agent is preferably # 1500. Thereby, the glossiness can be 50% or more (in the case of rolled aluminum, both the rolling direction and the width direction are 50% or more).
化学研磨としては、例えば、「アルミニウムハンドブック」,第6版,(社)日本アルミニウム協会編,2001年,p.164−165に記載されている各種の方法等が挙げられる。
また、リン酸−硝酸法、Alupol I法、Alupol V法、Alcoa R5法、H3PO4−CH3COOH−Cu法、H3PO4−HNO3−CH3COOH法が好適に挙げられる。中でも、リン酸−硝酸法、H3PO4−CH3COOH−Cu法、H3PO4−HNO3−CH3COOH法が好ましい。
化学研磨により、光沢度を70%以上(圧延アルミニウムである場合、その圧延方向および幅方向ともに70%以上)とすることができる。
As chemical polishing, for example, “Aluminum Handbook”, 6th edition, edited by Japan Aluminum Association, 2001, p. Examples thereof include various methods described in 164 to 165.
Further, phosphoric acid - nitric acid method, Alupol I method, Alupol V method, Alcoa R5 method, H 3 PO 4 -CH 3 COOH -Cu method, H 3 PO 4 -HNO 3 -CH 3 COOH method are preferable. Among these, the phosphoric acid-nitric acid method, the H 3 PO 4 —CH 3 COOH—Cu method, and the H 3 PO 4 —HNO 3 —CH 3 COOH method are preferable.
By chemical polishing, the glossiness can be made 70% or more (in the case of rolled aluminum, both the rolling direction and the width direction are 70% or more).
電解研磨としては、例えば、「アルミニウムハンドブック」,第6版,(社)日本アルミニウム協会編,2001年,p.164−165に記載されている各種の方法;米国特許第2708655号明細書に記載されている方法;「実務表面技術」,vol.33,No.3,1986年,p.32−38に記載されている方法;等が好適に挙げられる。
電解研磨により、光沢度を70%以上(圧延アルミニウムである場合、その圧延方向および幅方向ともに70%以上)とすることができる。
As electrolytic polishing, for example, “Aluminum Handbook”, 6th edition, edited by Japan Aluminum Association, 2001, p. 164-165; various methods described in US Pat. No. 2,708,655; “Practical Surface Technology”, vol. 33, no. 3, 1986, p. The method described in 32-38;
By electropolishing, the gloss can be 70% or more (in the case of rolled aluminum, both the rolling direction and the width direction are 70% or more).
これらの方法は、適宜組み合わせて用いることができる。具体的には、例えば、研磨剤を粗い粒子から細かい粒子へと経時的に変更する機械研磨を施し、その後、電解研磨を施す方法が好適に挙げられる。 These methods can be used in appropriate combination. Specifically, for example, a method of performing mechanical polishing in which the abrasive is changed from coarse particles to fine particles with time, and then performing electrolytic polishing is preferable.
鏡面仕上げ処理により、例えば、平均表面粗さRa0.1μm以下、光沢度50%以上の表面を得ることができる。平均表面粗さRaは、0.03μm以下であるのが好ましく、0.02μm以下であるのがより好ましい。また、光沢度は70%以上であるのが好ましく、80%以上であるのがより好ましい。
なお、光沢度は、圧延方向に垂直な方向において、JIS Z8741−1997の「方法3 60度鏡面光沢」の規定に準じて求められる正反射率である。具体的には、変角光沢度計(例えば、VG−1D、日本電色工業社製)を用いて、正反射率70%以下の場合には入反射角度60度で、正反射率70%を超える場合には入反射角度20度で、測定する。
By mirror finishing, for example, a surface having an average surface roughness R a of 0.1 μm or less and a glossiness of 50% or more can be obtained. The average surface roughness Ra is preferably 0.03 μm or less, and more preferably 0.02 μm or less. Further, the glossiness is preferably 70% or more, and more preferably 80% or more.
The glossiness is a regular reflectance obtained in accordance with JIS Z8741-1997 “Method 3 60 ° Specular Gloss” in the direction perpendicular to the rolling direction. Specifically, using a variable angle gloss meter (for example, VG-1D, manufactured by Nippon Denshoku Industries Co., Ltd.), when the regular reflectance is 70% or less, the incident reflection angle is 60 degrees and the regular reflectance is 70%. In the case of exceeding, the incident / reflection angle is 20 degrees.
〔陽極酸化処理〕
陽極酸化処理は、アルミニウム基板を陽極酸化することにより、該アルミニウム基板表面にマイクロポアを有する陽極酸化皮膜を形成する処理である。
陽極酸化処理としては、従来公知の方法を用いることができる。具体的には、後述する自己規則化法、定電圧処理、定電流処理を用いるのが好ましい。
[Anodizing treatment]
The anodizing treatment is a treatment for forming an anodized film having micropores on the surface of the aluminum substrate by anodizing the aluminum substrate.
As the anodizing treatment, a conventionally known method can be used. Specifically, it is preferable to use a self-ordering method, a constant voltage process, and a constant current process, which will be described later.
自己規則化法は、陽極酸化皮膜のマイクロポアが規則的に配列する性質を利用し、規則的な配列をかく乱する要因を取り除くことで、規則性を向上させる方法である。具体的には、高純度のアルミニウムを使用し、電解液の種類に応じた電圧で、長時間(例えば、数時間から十数時間)かけて、低速で陽極酸化皮膜を形成させる。
この方法においては、マイクロポアの径(ポア径)は電圧に依存するので、電圧を制御することにより、ある程度所望のポア径を得ることができる。
The self-ordering method is a method of improving the regularity by utilizing the property that the micropores of the anodized film are regularly arranged and removing the factors that disturb the regular arrangement. Specifically, high-purity aluminum is used, and an anodized film is formed at a low speed over a long period of time (for example, several hours to several tens of hours) at a voltage according to the type of the electrolytic solution.
In this method, since the diameter of the micropore (pore diameter) depends on the voltage, a desired pore diameter can be obtained to some extent by controlling the voltage.
自己規則化法によりマイクロポアを形成するには、少なくとも後述する陽極酸化処理(A)を施せばよいが、後述する陽極酸化処理(A)、脱膜処理(B)および再陽極酸化処理(C)をこの順に施す方法(自己規則化方法I)や、後述する陽極酸化処理(D)と酸化皮膜溶解処理(E)とをこの順に少なくとも1回施す方法(自己規則化方法II)等により形成するのが好ましい。
次に、好適態様である自己規則化方法Iおよび自己規則化方法IIの各処理について詳述する。
In order to form micropores by the self-ordering method, at least an anodic oxidation process (A) described later may be performed, but an anodic oxidation process (A), a film removal process (B), and a re-anodizing process (C) described later. ) In this order (self-ordering method I), a method in which an anodic oxidation process (D) and an oxide film dissolution process (E) described later are performed at least once in this order (self-ordering method II), etc. It is preferable to do this.
Next, each process of the self-ordering method I and the self-ordering method II, which are preferred embodiments, will be described in detail.
<自己規則化方法I>
(陽極酸化処理(A))
陽極酸化処理(A)における電解液の平均流速は、0.5〜20.0m/minであるのが好ましく、1.0〜15.0m/minであるのがより好ましく、2.0〜10.0m/minであるのが更に好ましい。上記範囲の流速で陽極酸化処理(A)を行うことにより、均一かつ高い規則性を有することができる。
また、電解液を上記条件で流動させる方法は、特に限定されないが、例えば、スターラーのような一般的なかくはん装置を使用する方法が用いられる。特に、かくはん速度をデジタル表示でコントロールできるようなスターラーを用いると、平均流速が制御できるため好ましい。このようなかくはん装置としては、例えば、「マグネティックスターラーHS−50D(AS ONE製)」等が挙げられる。
<Self-ordering method I>
(Anodizing treatment (A))
The average flow rate of the electrolytic solution in the anodizing treatment (A) is preferably 0.5 to 20.0 m / min, more preferably 1.0 to 15.0 m / min, and 2.0 to 10 More preferably, it is 0.0 m / min. By performing the anodizing treatment (A) at a flow rate in the above range, uniform and high regularity can be obtained.
Moreover, the method of flowing the electrolytic solution under the above-mentioned conditions is not particularly limited, but, for example, a method using a general stirring device such as a stirrer is used. In particular, it is preferable to use a stirrer that can control the stirring speed by digital display because the average flow velocity can be controlled. Examples of such a stirring apparatus include “Magnetic Stirrer HS-50D (manufactured by AS ONE)” and the like.
陽極酸化処理(A)は、例えば、酸濃度1〜10質量%の溶液中で、アルミニウム基板を陽極として通電する方法を用いることができる。
陽極酸化処理(A)に用いられる溶液としては、酸溶液であることが好ましく、塩酸、硫酸、リン酸、クロム酸、シュウ酸、スルファミン酸、ベンゼンスルホン酸、アミドスルホン酸、グリコール酸、酒石酸、りんご酸、クエン酸等がより好ましく、中でも硫酸、リン酸、シュウ酸が特に好ましい。これらの酸は単独でまたは2種以上を組み合わせて用いることができる。
For the anodizing treatment (A), for example, a method of energizing an aluminum substrate as an anode in a solution having an acid concentration of 1 to 10% by mass can be used.
The solution used for the anodizing treatment (A) is preferably an acid solution, and hydrochloric acid, sulfuric acid, phosphoric acid, chromic acid, oxalic acid, sulfamic acid, benzenesulfonic acid, amidosulfonic acid, glycolic acid, tartaric acid, Malic acid, citric acid, and the like are more preferable, and sulfuric acid, phosphoric acid, and oxalic acid are particularly preferable. These acids can be used alone or in combination of two or more.
陽極酸化処理(A)の条件は、使用される電解液によって種々変化するので一概に決定され得ないが、一般には電解液濃度0.1〜5.0M/L、液温−10〜30℃であるのが好ましく、電解液濃度0.5〜5.0M/L、液温0〜20℃であるのがより好ましい。 The conditions of the anodizing treatment (A) vary depending on the electrolyte used, and thus cannot be determined unconditionally. In general, however, the electrolyte concentration is 0.1 to 5.0 M / L, and the solution temperature is −10 to 30 ° C. The electrolyte solution concentration is preferably 0.5 to 5.0 M / L, and the solution temperature is more preferably 0 to 20 ° C.
陽極酸化処理(A)の処理時間は、0.5分〜16時間であるのが好ましく、1分〜12時間であるのがより好ましく、2分〜8時間であるのが更に好ましい。 The treatment time for the anodizing treatment (A) is preferably 0.5 minutes to 16 hours, more preferably 1 minute to 12 hours, and even more preferably 2 minutes to 8 hours.
陽極酸化処理(A)は、一定電圧で行うのが好ましく、その処理電圧は10〜300Vであるのが好ましく、15〜260Vであるのがより好ましく、20〜250Vであるのが更に好ましい。
また、一定電圧下で行う以外に、処理の最終段階で、電圧を断続的または連続的に変化させる方法も用いることができる。この場合は電圧を順次低くしていくのが好ましい。これにより、陽極酸化皮膜の抵抗を下げることが可能になり、陽極酸化皮膜に微細なマイクロポアが生成するため、特に電着処理により封孔処理する際に、均一性が向上する点で、好ましい。
The anodizing treatment (A) is preferably performed at a constant voltage, and the treatment voltage is preferably 10 to 300V, more preferably 15 to 260V, and still more preferably 20 to 250V.
In addition to performing under a constant voltage, a method of changing the voltage intermittently or continuously at the final stage of processing can also be used. In this case, it is preferable to decrease the voltage sequentially. This makes it possible to reduce the resistance of the anodized film, and fine micropores are formed in the anodized film, which is preferable in terms of improving uniformity, particularly when sealing treatment is performed by electrodeposition. .
本発明においては、このような陽極酸化処理(A)により形成される陽極酸化皮膜の膜厚は、1〜300μmであるのが好ましく、10〜250μmであるのがより好ましく、30〜200μmであるのが更に好ましい。 In the present invention, the film thickness of the anodized film formed by such anodizing treatment (A) is preferably 1 to 300 μm, more preferably 10 to 250 μm, and 30 to 200 μm. Is more preferable.
また、本発明においては、このような陽極酸化処理(A)により形成されるマイクロポアの平均ポア径は、0.02〜0.2μmであるのが好ましく、0.025〜0.18μmであるのがより好ましく、0.03〜0.15μmであるのが更に好ましい。
また、このような陽極酸化処理(A)により形成されるマイクロポアは、1μm2の範囲において、ポア径の分散が平均径の3%以内であることが好ましく、2%以内であることがより好ましい。なお、ポア径の平均径および分散はそれぞれ下記式で求めることができる。
平均径:μx=(1/n)ΣXi
分散:σ2=(1/n)(ΣXi2)−μx 2
分散/平均径=σ/μx≦0.03
ここで、Xiは、1μm2の範囲で測定された1個のマイクロポアのポア径である。
In the present invention, the average pore diameter of the micropores formed by such anodizing treatment (A) is preferably 0.02 to 0.2 μm, and preferably 0.025 to 0.18 μm. Is more preferable, and it is still more preferable that it is 0.03-0.15 micrometer.
Further, in the micropore formed by such anodizing treatment (A), in the range of 1 μm 2 , the dispersion of the pore diameter is preferably within 3% of the average diameter, and more preferably within 2%. preferable. In addition, the average diameter and dispersion | distribution of a pore diameter can each be calculated | required by a following formula.
Average diameter: μ x = (1 / n) ΣXi
Dispersion: σ 2 = (1 / n) (ΣXi 2 ) −μ x 2
Dispersion / average diameter = σ / μ x ≦ 0.03
Here, Xi is the pore diameter of one micropore measured in the range of 1 μm 2 .
更に、本発明においては、このような陽極酸化処理(A)により形成される陽極酸化皮膜のマイクロポアの平均ポア密度は150万個/mm2以上であるのが好ましく、180万個〜4000万個/mm2であるのがより好ましく、200万個〜3000万個/mm2であるのが更に好ましい。
更に、このような陽極酸化処理(A)により形成されるマイクロポアの占める面積率は、3〜50%であるのが好ましく、5〜50%であるのがより好ましい。
ここで、マイクロポアの占める面積率は、アルミニウム表面の面積に対するマイクロポアの開口部の面積の合計の割合で定義される。
Furthermore, in the present invention, the average pore density of micropores in the anodized film formed by such anodizing treatment (A) is preferably 1.5 million pieces / mm 2 or more, and 1.8 million to 40 million. more preferably from pieces / mm 2, and even more preferably from 2,000,000 to 30,000,000 pieces / mm 2.
Furthermore, the area ratio occupied by the micropores formed by such anodizing treatment (A) is preferably 3 to 50%, and more preferably 5 to 50%.
Here, the area ratio occupied by the micropores is defined by the ratio of the total area of the openings of the micropores to the area of the aluminum surface.
(脱膜処理(B))
脱膜処理(B)は、上記陽極酸化処理(A)によりアルミニウム基板表面に形成した陽極酸化皮膜を溶解させて除去する処理である。
上記陽極酸化処理(A)によりアルミニウム基板表面に陽極酸化皮膜を形成した後、後述する貫通化処理を直ちに施してもよいが、上記陽極酸化処理(A)の後、更に脱膜処理(B)および後述する再陽極酸化処理(C)をこの順で施した後に、後述する貫通化処理を施すのが好ましい。
(Film removal treatment (B))
The film removal process (B) is a process for dissolving and removing the anodized film formed on the surface of the aluminum substrate by the anodizing process (A).
After forming the anodized film on the surface of the aluminum substrate by the anodizing treatment (A), the penetration treatment described later may be performed immediately, but after the anodizing treatment (A), the film removal treatment (B) is further performed. In addition, after the re-anodizing treatment (C) described later is performed in this order, it is preferable to perform a penetration treatment described later.
陽極酸化皮膜は、アルミニウム基板に近くなるほど規則性が高くなっているので、この脱膜処理(B)により、一度陽極酸化皮膜を除去して、アルミニウム基板の表面に残存した陽極酸化皮膜の底部分を表面に露出させて、規則的な窪みを得ることができる。したがって、脱膜処理(B)では、アルミニウムは溶解させず、アルミナ(酸化アルミニウム)からなる陽極酸化皮膜のみを溶解させる。 Since the anodized film becomes more regular as it gets closer to the aluminum substrate, the bottom part of the anodized film remaining on the surface of the aluminum substrate is removed once by this film removal treatment (B). Can be exposed to the surface to obtain regular depressions. Therefore, in the film removal treatment (B), aluminum is not dissolved, but only the anodized film made of alumina (aluminum oxide) is dissolved.
アルミナ溶解液は、クロム化合物、硝酸、リン酸、ジルコニウム系化合物、チタン系化合物、リチウム塩、セリウム塩、マグネシウム塩、ケイフッ化ナトリウム、フッ化亜鉛、マンガン化合物、モリブデン化合物、マグネシウム化合物、バリウム化合物およびハロゲン単体からなる群から選ばれる少なくとも1種を含有した水溶液が好ましい。 Alumina solution includes chromium compound, nitric acid, phosphoric acid, zirconium compound, titanium compound, lithium salt, cerium salt, magnesium salt, sodium fluorosilicate, zinc fluoride, manganese compound, molybdenum compound, magnesium compound, barium compound and An aqueous solution containing at least one selected from the group consisting of simple halogens is preferred.
具体的なクロム化合物としては、例えば、酸化クロム(III)、無水クロム(VI)酸等が挙げられる。
ジルコニウム系化合物としては、例えば、フッ化ジルコンアンモニウム、フッ化ジルコニウム、塩化ジルコニウムが挙げられる。
チタン化合物としては、例えば、酸化チタン、硫化チタンが挙げられる。
リチウム塩としては、例えば、フッ化リチウム、塩化リチウムが挙げられる。
セリウム塩としては、例えば、フッ化セリウム、塩化セリウムが挙げられる。
マグネシウム塩としては、例えば、硫化マグネシウムが挙げられる。
マンガン化合物としては、例えば、過マンガン酸ナトリウム、過マンガン酸カルシウムが挙げられる。
モリブデン化合物としては、例えば、モリブデン酸ナトリウムが挙げられる。
マグネシウム化合物としては、例えば、フッ化マグネシウム・五水和物が挙げられる。
バリウム化合物としては、例えば、酸化バリウム、酢酸バリウム、炭酸バリウム、塩素酸バリウム、塩化バリウム、フッ化バリウム、ヨウ化バリウム、乳酸バリウム、シュウ酸バリウム、過塩素酸バリウム、セレン酸バリウム、亜セレン酸バリウム、ステアリン酸バリウム、亜硫酸バリウム、チタン酸バリウム、水酸化バリウム、硝酸バリウム、あるいはこれらの水和物等が挙げられる。
上記バリウム化合物の中でも、酸化バリウム、酢酸バリウム、炭酸バリウムが好ましく、酸化バリウムが特に好ましい。
ハロゲン単体としては、例えば、塩素、フッ素、臭素が挙げられる。
Specific examples of the chromium compound include chromium (III) oxide and anhydrous chromium (VI) acid.
Examples of the zirconium-based compound include zircon ammonium fluoride, zirconium fluoride, and zirconium chloride.
Examples of the titanium compound include titanium oxide and titanium sulfide.
Examples of the lithium salt include lithium fluoride and lithium chloride.
Examples of the cerium salt include cerium fluoride and cerium chloride.
Examples of the magnesium salt include magnesium sulfide.
Examples of the manganese compound include sodium permanganate and calcium permanganate.
Examples of the molybdenum compound include sodium molybdate.
Examples of magnesium compounds include magnesium fluoride pentahydrate.
Examples of barium compounds include barium oxide, barium acetate, barium carbonate, barium chlorate, barium chloride, barium fluoride, barium iodide, barium lactate, barium oxalate, barium perchlorate, barium selenate, selenite. Examples thereof include barium, barium stearate, barium sulfite, barium titanate, barium hydroxide, barium nitrate, and hydrates thereof.
Among the barium compounds, barium oxide, barium acetate, and barium carbonate are preferable, and barium oxide is particularly preferable.
Examples of halogen alone include chlorine, fluorine, and bromine.
中でも、上記アルミナ溶解液が、酸を含有する水溶液であるのが好ましく、酸として、硫酸、リン酸、硝酸、塩酸等が挙げられ、2種以上の酸の混合物であってもよい。
酸濃度としては、0.01mol/L以上であるのが好ましく、0.05mol/L以上であるのがより好ましく、0.1mol/L以上であるのが更に好ましい。上限は特にないが、一般的には10mol/L以下であるのが好ましく、5mol/L以下であるのがより好ましい。不要に高い濃度は経済的でないし、より高いとアルミニウム基板が溶解するおそれがある。
Among them, the alumina solution is preferably an aqueous solution containing an acid. Examples of the acid include sulfuric acid, phosphoric acid, nitric acid, hydrochloric acid, and the like, and a mixture of two or more acids may be used.
The acid concentration is preferably 0.01 mol / L or more, more preferably 0.05 mol / L or more, and still more preferably 0.1 mol / L or more. There is no particular upper limit, but generally it is preferably 10 mol / L or less, more preferably 5 mol / L or less. An unnecessarily high concentration is not economical, and if it is higher, the aluminum substrate may be dissolved.
アルミナ溶解液は、−10℃以上であるのが好ましく、−5℃以上であるのがより好ましく、0℃以上であるのが更に好ましい。なお、沸騰したアルミナ溶解液を用いて処理すると、規則化の起点が破壊され、乱れるので、沸騰させないで用いるのが好ましい。 The alumina solution is preferably −10 ° C. or higher, more preferably −5 ° C. or higher, and still more preferably 0 ° C. or higher. In addition, since the starting point of ordering will be destroyed and disturbed if it processes using the boiling alumina solution, it is preferable to use it without boiling.
アルミナ溶解液は、アルミナを溶解し、アルミニウムを溶解しない。ここで、アルミナ溶解液は、アルミニウムを実質的に溶解させなければよく、わずかに溶解させるものであってもよい。 The alumina solution dissolves alumina and does not dissolve aluminum. Here, the alumina solution may not dissolve aluminum substantially or may dissolve it slightly.
脱膜処理(B)は、陽極酸化皮膜が形成されたアルミニウム基板を上述したアルミナ溶解液に接触させることにより行う。接触させる方法は、特に限定されず、例えば、浸せき法、スプレー法が挙げられる。中でも、浸せき法が好ましい。 The film removal treatment (B) is performed by bringing the aluminum substrate on which the anodized film is formed into contact with the above-described alumina solution. The method of making it contact is not specifically limited, For example, the immersion method and the spray method are mentioned. Of these, the dipping method is preferred.
浸せき法は、陽極酸化皮膜が形成されたアルミニウム基板を上述したアルミナ溶解液に浸せきさせる処理である。浸せき処理の際にかくはんを行うと、ムラのない処理が行われるため、好ましい。
浸せき処理の時間は、10分以上であるのが好ましく、1時間以上であるのがより好ましく、3時間以上、5時間以上であるのが更に好ましい。
The dipping method is a treatment in which an aluminum substrate on which an anodized film is formed is dipped in the above-described alumina solution. Stirring during the dipping process is preferable because a uniform process is performed.
The immersion treatment time is preferably 10 minutes or more, more preferably 1 hour or more, and further preferably 3 hours or more and 5 hours or more.
(再陽極酸化処理(C))
上記脱膜処理(B)により陽極酸化皮膜を除去して、アルミニウム基板の表面に規則的な窪みを形成した後、再び陽極酸化処理を施すことで、マイクロポアの規則化度がより高い陽極酸化皮膜を形成することができる。
再陽極酸化処理(C)における陽極酸化処理は、従来公知の方法を用いることができるが、上述した陽極酸化処理(A)と同一の条件で行われるのが好ましい。
また、直流電圧を一定としつつ、断続的に電流のオンおよびオフを繰り返す方法、直流電圧を断続的に変化させつつ、電流のオンおよびオフを繰り返す方法も好適に用いることができる。これらの方法によれば、陽極酸化皮膜に微細なマイクロポアが生成するため、特に電着処理により封孔処理する際に、均一性が向上する点で、好ましい。
(Re-anodizing treatment (C))
After removing the anodic oxide film by the film removal treatment (B) and forming regular depressions on the surface of the aluminum substrate, the anodic oxidation treatment is performed again, so that the degree of ordering of the micropores is higher. A film can be formed.
The anodizing treatment in the re-anodizing treatment (C) can be performed by a conventionally known method, but is preferably performed under the same conditions as the above-described anodizing treatment (A).
Also, a method of repeatedly turning on and off the current intermittently while keeping the DC voltage constant, and a method of repeatedly turning on and off the current while intermittently changing the DC voltage can be suitably used. According to these methods, fine micropores are generated in the anodic oxide film, which is preferable in that uniformity is improved particularly when sealing treatment is performed by electrodeposition.
また、再陽極酸化処理(C)を低温で行うと、マイクロポアの配列が規則的になり、また、ポア径が均一になる。
一方、再陽極酸化処理(C)を比較的高温で行うことにより、マイクロポアの配列を乱し、また、ポア径のばらつきを所定の範囲にすることができる。また、処理時間によっても、ポア径のばらつきを制御することができる。
When the re-anodizing treatment (C) is performed at a low temperature, the arrangement of micropores becomes regular and the pore diameter becomes uniform.
On the other hand, by performing the re-anodizing treatment (C) at a relatively high temperature, the arrangement of the micropores can be disturbed, and the variation in pore diameter can be made within a predetermined range. Also, the pore diameter variation can be controlled by the processing time.
本発明においては、このような再陽極酸化処理(C)により形成される陽極酸化皮膜の膜厚は、上記陽極酸化処理(A)により形成される陽極酸化皮膜の膜厚と同様であるのが好ましい。 In the present invention, the film thickness of the anodized film formed by the re-anodizing treatment (C) is the same as the film thickness of the anodized film formed by the anodizing treatment (A). preferable.
また、本発明においては、このような陽極酸化処理(C)により形成される陽極酸化皮膜のマイクロポアの平均ポア径および分散は、上記陽極酸化処理(A)により形成される陽極酸化皮膜のマイクロポアと同様であるのが好ましい。 In the present invention, the average pore diameter and dispersion of the micropores of the anodized film formed by the anodizing treatment (C) are the same as the micropores of the anodized film formed by the anodizing treatment (A). The same as the pore is preferred.
更に、本発明においては、このような陽極酸化処理(C)により形成されるマイクロポアの平均ポア密度およびマイクロポアの占める面積率は、上記陽極酸化処理(A)により形成される陽極酸化皮膜のマイクロポアと同様であるのが好ましい。 Furthermore, in the present invention, the average pore density of the micropores formed by the anodizing treatment (C) and the area ratio occupied by the micropores are the same as those of the anodized film formed by the anodizing treatment (A). The same as the micropore is preferable.
自己規則化方法Iにおいては、上述した陽極酸化処理(A)および脱膜処理(B)に代えて、例えば、物理的方法、粒子線法、ブロックコポリマー法、レジストパターン・露光・エッチング法等により、上述した再陽極酸化処理(C)によるマイクロポア生成の起点となる窪みを形成させてもよい。 In the self-ordering method I, instead of the above-described anodizing treatment (A) and film removal treatment (B), for example, a physical method, a particle beam method, a block copolymer method, a resist pattern / exposure / etching method, etc. In addition, a recess serving as a starting point for generating micropores by the re-anodizing treatment (C) described above may be formed.
(物理的方法)
例えば、インプリント法(突起を有する基板またはロールをアルミニウム板に圧接し、凹部を形成する、転写法、プレスパターニング法)を用いる方法が挙げられる。具体的には、複数の突起を表面に有する基板をアルミニウム表面に押し付けて窪みを形成させる方法が挙げられる。例えば、特開平10−121292号公報に記載されている方法を用いることができる。
また、アルミニウム表面にポリスチレン球を稠密状態で配列させ、その上からSiO2を蒸着した後、ポリスチレン球を除去し、蒸着されたSiO2をマスクとして基板をエッチングして窪みを形成させる方法も挙げられる。
(Physical method)
For example, a method using an imprint method (a transfer method or a press patterning method in which a substrate or a roll having a protrusion is pressed against an aluminum plate to form a recess) can be used. Specifically, a method of forming a depression by pressing a substrate having a plurality of protrusions on the surface thereof against the aluminum surface can be mentioned. For example, a method described in JP-A-10-121292 can be used.
Another example is a method in which polystyrene spheres are arranged in a dense state on the aluminum surface, SiO 2 is vapor-deposited thereon, then the polystyrene spheres are removed, and the substrate is etched using the vapor-deposited SiO 2 as a mask to form depressions. It is done.
(粒子線法)
粒子線法は、アルミニウム表面に粒子線を照射して窪みを形成させる方法である。粒子線法は、窪みの位置を自由に制御することができるという利点を有する。
粒子線としては、例えば、荷電粒子ビーム、集束イオンビーム(FIB:Focused Ion Beam)、電子ビームが挙げられる。
粒子線法としては、例えば、特開2001−105400号公報に記載されている方法を用いることもできる。
(Particle beam method)
The particle beam method is a method in which a hollow is formed by irradiating the aluminum surface with a particle beam. The particle beam method has an advantage that the position of the depression can be freely controlled.
Examples of the particle beam include a charged particle beam, a focused ion beam (FIB), and an electron beam.
As the particle beam method, for example, a method described in JP-A-2001-105400 can be used.
(ブロックコポリマー法)
ブロックコポリマー法は、アルミニウム表面にブロックコポリマー層を形成させ、熱アニールによりブロックコポリマー層に海島構造を形成させた後、島部分を除去して窪みを形成させる方法である。
ブロックコポリマー法としては、例えば、特開2003−129288号公報に記載されている方法を用いることができる。
(Block copolymer method)
The block copolymer method is a method in which a block copolymer layer is formed on an aluminum surface, a sea-island structure is formed in the block copolymer layer by thermal annealing, and then an island portion is removed to form a depression.
As a block copolymer method, the method described in Unexamined-Japanese-Patent No. 2003-129288 can be used, for example.
(レジストパターン・露光・エッチング法)
レジストパターン・露光・エッチング法は、フォトリソグラフィあるいは電子ビームリソグラフィ法によりアルミニウム板表面のレジストに露光および現像を施し、レジストパタンを形成した後これをエッチングする。レジストを設け、エッチングしてアルミニウム表面まで貫通した窪みを形成させる方法である。
(Resist pattern, exposure, etching method)
In the resist pattern / exposure / etching method, the resist on the surface of the aluminum plate is exposed and developed by photolithography or electron beam lithography to form a resist pattern, which is then etched. In this method, a resist is provided and etched to form a recess penetrating to the aluminum surface.
<自己規則化方法II>
(第1の工程:陽極酸化処理(D))
陽極酸化処理(D)は、従来公知の電解液を用いることができるが、直流定電圧条件下にて、通電時の皮膜形成速度Aと、非通電時の皮膜溶解速度Bとした時、下記一般式(i)で表されるパラメータRが、160≦R≦200、好ましくは170≦R≦190、特に好ましくは175≦R≦185を満たす電解液を用いて処理を施すことで、マイクロポアの規則配列性を大幅に向上することができる。
<Self-ordering method II>
(First step: Anodizing treatment (D))
For the anodizing treatment (D), a conventionally known electrolytic solution can be used. When the film formation rate A during energization and the film dissolution rate B during non-energization are set under direct current constant voltage conditions, By performing the treatment using an electrolytic solution in which the parameter R represented by the general formula (i) satisfies 160 ≦ R ≦ 200, preferably 170 ≦ R ≦ 190, particularly preferably 175 ≦ R ≦ 185, The regular arrangement of can be greatly improved.
R=A[nm/s]÷(B[nm/s]×加電圧[V]) ・・・ (i) R = A [nm / s] ÷ (B [nm / s] × applied voltage [V]) (i)
陽極酸化処理(D)における電解液の平均流速は、上述した陽極酸化処理(A)と同様、0.5〜20.0m/minであるのが好ましく、1.0〜15.0m/minであるのがより好ましく、2.0〜10.0m/minであるのが更に好ましい。上記範囲の流速で陽極酸化処理(D)を行うことにより、均一かつ高い規則性を有することができる。
また、電解液を上記条件で流動させる方法は、上述した陽極酸化処理(A)と同様、特に限定されないが、例えば、スターラーのような一般的なかくはん装置を使用する方法が用いられる。特に、かくはん速度をデジタル表示でコントロールできるようなスターラーを用いると、平均流速が制御できるため、好ましい。そのようなかくはん装置としては、例えば、「マグネティックスターラーHS−50D(AS ONE製)」等が挙げられる。
また、陽極酸化処理液の粘度としては、25℃1気圧下における粘度が0.0001〜100.0Pa・sが好ましく、0.0005〜80.0Pa・sが更に好ましい。上記範囲の粘度を有する電解液で陽極酸化処理(D)を行うことにより、均一かつ高い規則性を有することができる。
The average flow rate of the electrolytic solution in the anodizing treatment (D) is preferably 0.5 to 20.0 m / min, similarly to the above-described anodizing treatment (A), and is 1.0 to 15.0 m / min. More preferably, it is 2.0 to 10.0 m / min. By performing anodization treatment (D) at a flow rate in the above range, uniform and high regularity can be obtained.
Moreover, the method of flowing the electrolytic solution under the above-mentioned conditions is not particularly limited as in the case of the above-described anodic oxidation treatment (A). For example, a method using a general stirring device such as a stirrer is used. In particular, it is preferable to use a stirrer that can control the stirring speed with a digital display because the average flow rate can be controlled. Examples of such a stirring apparatus include “Magnetic Stirrer HS-50D (manufactured by AS ONE)” and the like.
The viscosity of the anodizing solution is preferably 0.0001 to 100.0 Pa · s, more preferably 0.0005 to 80.0 Pa · s at 25 ° C. under 1 atm. By performing the anodic oxidation treatment (D) with an electrolytic solution having a viscosity in the above range, uniform and high regularity can be obtained.
陽極酸化処理(D)で用いる電解液には、酸性、アルカリ性いずれも使用することができるが、孔の真円性を高める観点から酸性の電解液が好適に用いられる。
具体的には、上述した陽極酸化処理(A)と同様、塩酸、硫酸、リン酸、クロム酸、シュウ酸、グリコール酸、酒石酸、りんご酸、クエン酸、スルファミン酸、ベンゼンスルホン酸、アミドスルホン酸等がより好ましく、中でも硫酸、リン酸、シュウ酸が特に好ましい。これらの酸は単独でまたは2種以上を組み合わせて、上記一般式(i)の計算式より所望のパラメータに調整して用いることができる。
Although both acidic and alkaline can be used for the electrolytic solution used in the anodizing treatment (D), an acidic electrolytic solution is preferably used from the viewpoint of enhancing the roundness of the holes.
Specifically, hydrochloric acid, sulfuric acid, phosphoric acid, chromic acid, oxalic acid, glycolic acid, tartaric acid, malic acid, citric acid, sulfamic acid, benzenesulfonic acid, amidosulfonic acid, as in the above-described anodizing treatment (A) Of these, sulfuric acid, phosphoric acid, and oxalic acid are particularly preferable. These acids can be used singly or in combination of two or more, adjusted to the desired parameters from the calculation formula of the above general formula (i).
陽極酸化処理(D)の条件は、使用される電解液によって種々変化するので一概に決定され得ないが、上述した陽極酸化処理(A)と同様、一般的には電解液濃度0.1〜20質量%、液温−10〜30℃、電流密度0.01〜20A/dm2、電圧3〜500V、電解時間0.5〜30時間であるのが好ましく、電解液濃度0.5〜15質量%、液温−5〜25℃、電流密度0.05〜15A/dm2、電圧5〜250V、電解時間1〜25時間であるのがより好ましく、電解液濃度1〜10質量%、液温0〜20℃、電流密度0.1〜10A/dm2、電圧10〜200V、電解時間2〜20時間であるのが更に好ましい。 The conditions for the anodizing treatment (D) vary depending on the electrolyte used, and cannot be determined unconditionally. However, as with the above-described anodizing treatment (A), generally, the concentration of the electrolyte is 0.1 to It is preferably 20% by mass, a liquid temperature of −10 to 30 ° C., a current density of 0.01 to 20 A / dm 2 , a voltage of 3 to 500 V, an electrolysis time of 0.5 to 30 hours, and an electrolyte concentration of 0.5 to 15 It is more preferable that the mass%, the liquid temperature −5 to 25 ° C., the current density 0.05 to 15 A / dm 2 , the voltage 5 to 250 V, the electrolysis time 1 to 25 hours, and the electrolyte concentration 1 to 10 mass%, the liquid More preferably, the temperature is 0 to 20 ° C., the current density is 0.1 to 10 A / dm 2 , the voltage is 10 to 200 V, and the electrolysis time is 2 to 20 hours.
本発明においては、このような陽極酸化処理(D)により形成される陽極酸化皮膜の膜厚は、上記陽極酸化処理(A)により形成される陽極酸化皮膜の膜厚と同様であるのが好ましい。 In the present invention, the film thickness of the anodized film formed by such anodizing treatment (D) is preferably the same as the film thickness of the anodized film formed by the anodizing treatment (A). .
また、本発明においては、このような陽極酸化処理(D)により形成されるマイクロポアの平均ポア径および分散は、上記陽極酸化処理(A)により形成される陽極酸化皮膜の膜厚と同様であるのが好ましい。 In the present invention, the average pore diameter and dispersion of the micropores formed by the anodizing treatment (D) are the same as the film thickness of the anodized film formed by the anodizing treatment (A). Preferably there is.
更に、本発明においては、このような陽極酸化処理(D)により形成される陽極酸化皮膜のマイクロポアの平均ポア密度およびマイクロポアの占める面積率は、上記陽極酸化処理(A)により形成される陽極酸化皮膜のマイクロポアと同様であるのが好ましい。 Furthermore, in the present invention, the average pore density of the micropores and the area ratio occupied by the micropores of the anodized film formed by such anodizing treatment (D) are formed by the above-mentioned anodizing treatment (A). The same as the micropore of the anodized film is preferable.
この陽極酸化処理(D)により、図2(A)に示されるように、アルミニウム基板32の表面に、マイクロポア36aを有する陽極酸化皮膜34aが形成される。なお、陽極酸化皮膜34aのアルミニウム基板32側には、バリア層38aが存在している。 By this anodizing treatment (D), as shown in FIG. 2A, an anodized film 34 a having micropores 36 a is formed on the surface of the aluminum substrate 32. A barrier layer 38a is present on the aluminum substrate 32 side of the anodized film 34a.
(第2の工程:酸化皮膜溶解処理(E))
酸化皮膜溶解処理(E)は、上記陽極酸化処理(D)により形成された陽極酸化皮膜に存在するポア径を拡大させる処理(孔径拡大処理)である。
(Second step: oxide film dissolution treatment (E))
The oxide film dissolution treatment (E) is a treatment (pore diameter enlargement treatment) for expanding the pore diameter present in the anodized film formed by the anodization treatment (D).
酸化皮膜溶解処理(E)は、上記陽極酸化処理(D)後のアルミニウム基板を酸水溶液またはアルカリ水溶液に接触させることにより行う。接触させる方法は、特に限定されず、例えば、浸せき法、スプレー法が挙げられる。中でも、浸せき法が好ましい。 The oxide film dissolution treatment (E) is performed by bringing the aluminum substrate after the anodization treatment (D) into contact with an acid aqueous solution or an alkali aqueous solution. The method of making it contact is not specifically limited, For example, the immersion method and the spray method are mentioned. Of these, the dipping method is preferred.
酸化皮膜溶解処理(E)において、酸水溶液を用いる場合は、硫酸、リン酸、硝酸、塩酸等の無機酸またはこれらの混合物の水溶液を用いることが好ましい。中でも、クロム酸を含有しない水溶液が安全性に優れる点で好ましい。酸水溶液の濃度は1〜10質量%であるのが好ましい。酸水溶液の温度は、25〜60℃であるのが好ましい。
一方、酸化皮膜溶解処理(E)において、アルカリ水溶液を用いる場合は、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムおよび水酸化リチウムからなる群から選ばれる少なくとも一つのアルカリの水溶液を用いることが好ましい。アルカリ水溶液の濃度は0.1〜5質量%であるのが好ましい。アルカリ水溶液の温度は、20〜35℃であるのが好ましい。
具体的には、例えば、50g/L、40℃のリン酸水溶液、0.5g/L、30℃の水酸化ナトリウム水溶液または0.5g/L、30℃の水酸化カリウム水溶液が好適に用いられる。
酸水溶液またはアルカリ水溶液への浸せき時間は、8〜120分であるのが好ましく、10〜90分であるのがより好ましく、15〜60分であるのが更に好ましい。
In the oxide film dissolution treatment (E), when an acid aqueous solution is used, it is preferable to use an aqueous solution of an inorganic acid such as sulfuric acid, phosphoric acid, nitric acid, hydrochloric acid, or a mixture thereof. Especially, the aqueous solution which does not contain chromic acid is preferable at the point which is excellent in safety | security. The concentration of the acid aqueous solution is preferably 1 to 10% by mass. The temperature of the acid aqueous solution is preferably 25 to 60 ° C.
On the other hand, when an alkaline aqueous solution is used in the oxide film dissolution treatment (E), it is preferable to use at least one alkaline aqueous solution selected from the group consisting of sodium hydroxide, potassium hydroxide and lithium hydroxide. The concentration of the alkaline aqueous solution is preferably 0.1 to 5% by mass. The temperature of the alkaline aqueous solution is preferably 20 to 35 ° C.
Specifically, for example, 50 g / L, 40 ° C. phosphoric acid aqueous solution, 0.5 g / L, 30 ° C. sodium hydroxide aqueous solution or 0.5 g / L, 30 ° C. potassium hydroxide aqueous solution is preferably used. .
The immersion time in the acid aqueous solution or alkali aqueous solution is preferably 8 to 120 minutes, more preferably 10 to 90 minutes, and still more preferably 15 to 60 minutes.
また、酸化皮膜溶解処理(E)において、ポア径の拡大量は陽極酸化処理(D)の条件により異なるが、処理前後の拡大比が1.05倍〜100倍が好ましく、1.1倍〜75倍がより好ましく、1.2倍〜50倍が特に好ましい。 Further, in the oxide film dissolution treatment (E), the amount of enlargement of the pore diameter varies depending on the conditions of the anodization treatment (D), but the enlargement ratio before and after the treatment is preferably 1.05 times to 100 times, and 1.1 times to 75 times is more preferable, and 1.2 times to 50 times is particularly preferable.
この酸化皮膜溶解処理(E)により、図2(B)に示されるように、図2(A)に示される陽極酸化皮膜34aの表面およびマイクロポア36aの内部(バリア層38aおよび多孔質層)が溶解し、アルミニウム基板32上に、マイクロポア36bを有する陽極酸化皮膜34bを有するアルミニウム部材が得られる。なお、図2(A)と同様、陽極酸化皮膜34bのアルミニウム基板32側には、バリア層38bが存在している。 By this oxide film dissolution treatment (E), as shown in FIG. 2 (B), the surface of the anodized film 34a and the inside of the micropores 36a (barrier layer 38a and porous layer) shown in FIG. 2 (A). The aluminum member having the anodic oxide film 34b having the micropores 36b on the aluminum substrate 32 is obtained. As in FIG. 2A, a barrier layer 38b is present on the aluminum substrate 32 side of the anodized film 34b.
(第3の工程:陽極酸化処理(D))
自己規則化方法IIにおいては、上記酸化皮膜溶解処理(E)の後に、再度上記陽極酸化処理(D)を施すのが好ましい。
(Third step: Anodizing treatment (D))
In the self-ordering method II, the anodic oxidation treatment (D) is preferably performed again after the oxide film dissolution treatment (E).
再度の陽極酸化処理(D)により、図2(C)に示されるように、図2(B)に示されるアルミニウム基板32の酸化反応が進行し、アルミニウム基板32上に、マイクロポア36bよりも深くなったマイクロポア36cを有する陽極酸化皮膜34cを有するアルミニウム部材が得られる。なお、図2(A)と同様、陽極酸化皮膜34cのアルミニウム基板32側には、バリア層38cが存在している。 By anodizing treatment (D) again, as shown in FIG. 2C, the oxidation reaction of the aluminum substrate 32 shown in FIG. 2B proceeds, and on the aluminum substrate 32, more than the micropores 36b. An aluminum member having an anodic oxide film 34c having deep micropores 36c is obtained. As in FIG. 2A, a barrier layer 38c is present on the aluminum substrate 32 side of the anodized film 34c.
(第4の工程:酸化皮膜溶解処理(E))
また、自己規則化方法IIにおいては、上記陽極酸化処理(D)、上記酸化皮膜溶解処理(E)および上記陽極酸化処理(D)をこの順に施した後に、更に上記酸化皮膜溶解処理(E)を施すのが好ましい。
(Fourth step: oxide film dissolution treatment (E))
Further, in the self-ordering method II, after the anodic oxidation treatment (D), the oxide film dissolution treatment (E) and the anodic oxidation treatment (D) are performed in this order, the oxide film dissolution treatment (E) is further performed. It is preferable to apply.
この処理により、マイクロポアの中に処理液が入るため、第3の工程で施した陽極酸化処理(D)で形成された陽極酸化皮膜を全て溶解し、第3の工程で施した陽極酸化処理(D)で形成されたマイクロポアのポア径を広げることができる。
即ち、再度の酸化皮膜溶解処理(E)により、図2(D)および図3に示されるように、図2(C)に示される陽極酸化皮膜34cの変曲点より表面側のマイクロポア36cの内部が溶解し、アルミニウム基板32上に、直管状のマイクロポア36dを有する陽極酸化皮膜34dを有するアルミニウム部材が得られる。なお、図2(A)と同様、陽極酸化皮膜34dのアルミニウム基板32側には、バリア層38dが存在している。
By this treatment, since the treatment liquid enters the micropores, all the anodized film formed in the anodizing treatment (D) performed in the third step is dissolved, and the anodizing treatment performed in the third step The pore diameter of the micropore formed in (D) can be increased.
That is, by the oxide film dissolution treatment (E) again, as shown in FIG. 2 (D) and FIG. 3, the micropores 36c on the surface side from the inflection point of the anodic oxide film 34c shown in FIG. 2 (C). Thus, an aluminum member having an anodic oxide film 34d having straight tubular micropores 36d on the aluminum substrate 32 is obtained. As in FIG. 2A, a barrier layer 38d is present on the aluminum substrate 32 side of the anodized film 34d.
ここで、マイクロポアのポア径の拡大量は、第3の工程で施した陽極酸化処理(D)の処理条件により異なるが、処理前後の拡大比が1.05倍〜100倍が好ましく、1.1倍〜75倍がより好ましく、1.2倍〜50倍が特に好ましい。 Here, the amount of expansion of the pore diameter of the micropore varies depending on the processing conditions of the anodizing treatment (D) performed in the third step, but the expansion ratio before and after the treatment is preferably 1.05 times to 100 times. 1 to 75 times is more preferable, and 1.2 to 50 times is particularly preferable.
自己規則化方法IIは、上述した陽極酸化処理(D)と酸化皮膜溶解処理(E)のサイクルを1回以上行うものである。繰り返しの回数が多いほど、上述したポアの配列の規則性が高くなる。
また、直前の陽極酸化処理(D)で形成された陽極酸化皮膜を酸化皮膜溶解処理(E)で全て溶解することにより、皮膜表面から見たマイクロポアの真円性が飛躍的に向上するため、上記サイクルを2回以上繰り返して行うのが好ましく、3回以上繰り返して行うのがより好ましく、4回以上繰り返して行うのが更に好ましい。
また、上記サイクルを2回以上繰り返して行う場合、各回の酸化皮膜溶解処理および陽極酸化処理の条件は、それぞれ同じであっても、異なっていてもよく、また、最後の処理を陽極酸化処理で終えてもよい。
In the self-ordering method II, the cycle of the above-described anodizing treatment (D) and oxide film dissolution treatment (E) is performed one or more times. The greater the number of repetitions, the higher the regularity of the pore arrangement described above.
In addition, by completely dissolving the anodized film formed by the last anodizing process (D) by the oxide film dissolving process (E), the roundness of the micropores viewed from the surface of the film is dramatically improved. The above cycle is preferably repeated twice or more, more preferably 3 times or more, and even more preferably 4 times or more.
In addition, when the above cycle is repeated twice or more, the conditions of each oxide film dissolution treatment and anodization treatment may be the same or different, respectively, and the last treatment is anodization treatment. You can finish it.
本発明においては、このような自己規則化方法IIにより形成される陽極酸化皮膜の膜厚は、上記陽極酸化処理(A)により形成される陽極酸化皮膜のマイクロポアと同様であるのが好ましい。 In the present invention, the thickness of the anodized film formed by such a self-ordering method II is preferably the same as the micropore of the anodized film formed by the anodizing treatment (A).
また、本発明においては、このような自己規則化方法IIにより形成される陽極酸化皮膜のマイクロポアおよび分散は、上記陽極酸化処理(A)により形成される陽極酸化皮膜の膜厚と同様であるのが好ましい。 In the present invention, the micropores and dispersion of the anodized film formed by such a self-ordering method II are the same as the film thickness of the anodized film formed by the anodizing process (A). Is preferred.
更に、本発明においては、このような自己規則化方法IIにより形成されるマイクロポアの平均ポア密度およびマイクロポアの占める面積率は、上記陽極酸化処理(A)により形成される陽極酸化皮膜のマイクロポアと同様であるのが好ましい。 Furthermore, in the present invention, the average pore density of the micropores formed by the self-ordering method II and the area ratio occupied by the micropores are determined by the micropores of the anodized film formed by the anodizing treatment (A). The same as the pore is preferred.
<定電圧処理>
定電圧処理は、長時間(例えば、数時間から十数時間)かけて、低速で陽極酸化皮膜を形成させる処理方法である。この処理方法においては、ポア径が電圧に依存するため、マイクロポアの分岐を防ぐ観点から、電圧を一定に制御することが必須となる。
<Constant voltage processing>
The constant voltage treatment is a treatment method in which an anodized film is formed at a low speed over a long time (for example, several hours to several tens of hours). In this processing method, since the pore diameter depends on the voltage, it is essential to control the voltage to be constant from the viewpoint of preventing branching of the micropores.
陽極酸化処理における電解液の平均流速は、0.5〜20.0m/minであるのが好ましく、1.0〜15.0m/minであるのがより好ましく、2.0〜10.0m/minであるのが更に好ましい。上記範囲の流速で陽極酸化処理を行うことにより、均一かつ高い規則性を有することができる。
また、電解液を上記条件で流動させる方法は、特に限定されないが、例えば、スターラーのような一般的なかくはん装置を使用する方法が用いられる。特に、かくはん速度をデジタル表示でコントロールできるようなスターラーを用いると、平均流速が制御できるため好ましい。このようなかくはん装置としては、例えば、「マグネティックスターラーHS−50D(AS ONE製)」等が挙げられる。
The average flow rate of the electrolytic solution in the anodizing treatment is preferably 0.5 to 20.0 m / min, more preferably 1.0 to 15.0 m / min, and 2.0 to 10.0 m / min. More preferably, it is min. By performing anodizing treatment at a flow rate in the above range, uniform and high regularity can be obtained.
Moreover, the method of flowing the electrolytic solution under the above-mentioned conditions is not particularly limited, but, for example, a method using a general stirring device such as a stirrer is used. In particular, it is preferable to use a stirrer that can control the stirring speed by digital display because the average flow velocity can be controlled. Examples of such a stirring apparatus include “Magnetic Stirrer HS-50D (manufactured by AS ONE)” and the like.
陽極酸化処理は、例えば、酸濃度1〜10質量%の溶液中で、アルミニウム基板を陽極として通電する方法を用いることができる。
陽極酸化処理に用いられる溶液としては、酸溶液であることが好ましく、硫酸、リン酸、クロム酸、シュウ酸、スルファミン酸、ベンゼンスルホン酸、アミドスルホン酸、グリコール酸、酒石酸、りんご酸、クエン酸等がより好ましく、中でも硫酸、リン酸、シュウ酸が特に好ましい。これらの酸は単独でまたは2種以上を組み合わせて用いることができる。
For the anodizing treatment, for example, a method in which an aluminum substrate is used as an anode in a solution having an acid concentration of 1 to 10% by mass can be used.
The solution used for the anodizing treatment is preferably an acid solution, sulfuric acid, phosphoric acid, chromic acid, oxalic acid, sulfamic acid, benzenesulfonic acid, amidosulfonic acid, glycolic acid, tartaric acid, malic acid, citric acid. Of these, sulfuric acid, phosphoric acid, and oxalic acid are particularly preferable. These acids can be used alone or in combination of two or more.
陽極酸化処理の条件は、使用される電解液によって種々変化するので一概に決定され得ないが、一般的には電解液濃度0.1〜20質量%、液温−10〜30℃、電流密度0.01〜20A/dm2、電圧3〜300V、電解時間0.5〜50時間であるのが好ましく、電解液濃度0.5〜15質量%、液温−5〜25℃、電流密度0.05〜15A/dm2、電圧5〜250V、電解時間1〜25時間であるのがより好ましく、電解液
濃度1〜10質量%、液温0〜20℃、電流密度0.1〜10A/dm2、電圧10〜2
00V、電解時間2〜20時間であるのが更に好ましい。
The conditions for anodizing treatment vary depending on the electrolyte used, and therefore cannot be determined unconditionally. In general, however, the electrolyte concentration is 0.1 to 20% by mass, the solution temperature is -10 to 30 ° C., and the current density. 0.01 to 20 A / dm 2 , voltage 3 to 300 V, electrolysis time 0.5 to 50 hours are preferable, electrolyte concentration 0.5 to 15% by mass, liquid temperature −5 to 25 ° C., current density 0 0.05 to 15 A / dm 2 , voltage 5 to 250 V, electrolysis time 1 to 25 hours are more preferable, electrolyte concentration 1 to 10% by mass, solution temperature 0 to 20 ° C., current density 0.1 to 10 A / dm 2 , voltage 10-2
More preferably, it is 00V and electrolysis time is 2 to 20 hours.
陽極酸化処理の処理時間は、0.5分〜16時間であるのが好ましく、1分〜12時間であるのがより好ましく、2分〜8時間であるのが更に好ましい。 The treatment time for the anodizing treatment is preferably 0.5 minutes to 16 hours, more preferably 1 minute to 12 hours, and further preferably 2 minutes to 8 hours.
本発明においては、このような定電圧処理により形成される陽極酸化皮膜の膜厚は、上記陽極酸化処理(A)により形成される陽極酸化皮膜の膜厚と同様であるのが好ましい。 In the present invention, the film thickness of the anodized film formed by such constant voltage treatment is preferably the same as the film thickness of the anodized film formed by the anodizing process (A).
また、本発明においては、このような定電圧処理により形成される陽極酸化皮膜のマイクロポアの平均ポア径および分散は、上記陽極酸化処理(A)により形成される陽極酸化皮膜の膜厚と同様であるのが好ましい。 In the present invention, the average pore diameter and dispersion of the micropores of the anodized film formed by such constant voltage treatment are the same as the film thickness of the anodized film formed by the anodizing process (A). Is preferred.
更に、本発明においては、このような定電圧処理により形成されるマイクロポアの平均ポア密度およびマイクロポアの占める面積率は、上記陽極酸化処理(A)により形成される陽極酸化皮膜のマイクロポアと同様であるのが好ましい。 Furthermore, in the present invention, the average pore density of the micropores formed by such constant voltage treatment and the area ratio occupied by the micropores are the same as the micropores of the anodized film formed by the anodizing treatment (A). The same is preferred.
<定電流処理>
定電流処理は、陽極酸化処理の最後に施すのが好ましい。これにより、ポア配列の規則化を落とすことなく、陽極酸化皮膜の膜厚を厚くし、マイクロポアの軸方向長さを長くすることが可能となる。
<Constant current processing>
The constant current treatment is preferably performed at the end of the anodizing treatment. As a result, the thickness of the anodized film can be increased and the axial length of the micropores can be increased without reducing the order of the pore arrangement.
定電流処理による陽極酸化処理は、電解時間が5分〜30時間であるのが好ましく、30分〜5時間であるのがより好ましい。
また、定電流の変動幅は、±10〜1A/m2にであるのが好ましい。
In the anodic oxidation treatment by constant current treatment, the electrolysis time is preferably 5 minutes to 30 hours, and more preferably 30 minutes to 5 hours.
Further, the fluctuation range of the constant current is preferably ± 10 to 1 A / m 2 .
定電流処理による陽極酸化処理においては、電解液、電解液濃度、温度条件等は、上述した陽極酸化処理(A)と同様であってもよいが、異なっていてもよい。
特に、電流密度は0〜10000A/m2が好ましく、0〜1000A/m2がより好ましく、0〜400A/m2が更に好ましい。
In the anodic oxidation treatment by the constant current treatment, the electrolytic solution, the electrolytic solution concentration, the temperature condition, etc. may be the same as or different from the above-described anodizing treatment (A).
In particular, the current density is preferably 0~10000A / m 2, more preferably 0~1000A / m 2, 0~400A / m 2 is more preferable.
〔貫通化処理〕
貫通化処理は、上記陽極酸化処理の後に、上記陽極酸化により生じたマイクロポアによる孔を貫通化して、上記貫通孔を有する上記陽極酸化皮膜を得る処理である。
上記貫通化処理としては、具体的には、例えば、上記陽極酸化処理の後に、アルミニウム基板(図2(D)においては符号32で表される部分)を溶解し、陽極酸化皮膜の底部(図2(D)においては符号38dで表される部分)を除去する方法;上記陽極酸化処理工程の後に、アルミニウム基板およびアルミニウム基板近傍の陽極酸化皮膜を切断する方法;等が挙げられる。
次に、好適態様である前者の方法について詳述する。
[Penetration processing]
The penetration treatment is a treatment for obtaining the anodized film having the through holes by penetrating the holes by the micropores generated by the anodization after the anodization treatment.
Specifically, as the penetration treatment, for example, after the anodizing treatment, an aluminum substrate (portion represented by reference numeral 32 in FIG. 2D) is dissolved and the bottom portion of the anodized film (see FIG. 2 (D), a method of removing a portion 38d); a method of cutting an aluminum substrate and an anodized film in the vicinity of the aluminum substrate after the anodizing treatment step; and the like.
Next, the former method which is a preferred embodiment will be described in detail.
<アルミニウム基板の溶解>
上記陽極酸化処理工程の後のアルミニウム基板の溶解は、陽極酸化皮膜(アルミナ)は溶解しにくく、アルミニウムを溶解しやすい処理液を用いる。
即ち、アルミニウム溶解速度1μm/分以上、好ましくは3μm/分以上、より好ましくは5μm/分以上、および、陽極酸化皮膜溶解速度0.1nm/分以下、好ましくは0.05nm/分以下、より好ましくは0.01nm/分以下の条件を有する処理液を用いる。
具体的には、アルミよりもイオン化傾向の低い金属化合物を少なくとも1種含み、かつ、pHが4以下8以上、好ましくは3以下9以上、より好ましくは2以下10以上の処理液を使用して浸漬処理を行う。
<Dissolution of aluminum substrate>
For the dissolution of the aluminum substrate after the anodizing treatment step, a treatment solution in which the anodized film (alumina) is difficult to dissolve and aluminum is easily dissolved is used.
That is, the aluminum dissolution rate is 1 μm / min or more, preferably 3 μm / min or more, more preferably 5 μm / min or more, and the anodic oxide film dissolution rate is 0.1 nm / min or less, preferably 0.05 nm / min or less, more preferably Uses a treatment liquid having a condition of 0.01 nm / min or less.
Specifically, a treatment liquid containing at least one metal compound having a lower ionization tendency than aluminum and having a pH of 4 or less and 8 or more, preferably 3 or less and 9 or more, more preferably 2 or less and 10 or more is used. Immerse treatment.
このような処理液としては、酸またはアルカリ水溶液をベースとし、例えば、マンガン、亜鉛、クロム、鉄、カドミウム、コバルト、ニッケル、スズ、鉛、アンチモン、ビスマス、銅、水銀、銀、パラジウム、白金、金の化合物(例えば、塩化白金酸)、これらのフッ化物、これらの塩化物等を配合したものであるのが好ましい。
中でも、酸水溶液ベースが好ましく、塩化物をブレンドするのが好ましい。
特に、塩酸水溶液に塩化水銀をブレンドした処理液(塩酸/塩化水銀)、塩酸水溶液に塩化銅をブレンドした処理液(塩酸/塩化銅)が、処理ラチチュードの観点から好ましい。
なお、このような処理液の組成は特に限定されず、例えば、臭素/メタノール混合物、臭素/エタノール混合物、王水等を用いることができる。
Such treatment liquid is based on an acid or alkaline aqueous solution, for example, manganese, zinc, chromium, iron, cadmium, cobalt, nickel, tin, lead, antimony, bismuth, copper, mercury, silver, palladium, platinum, A gold compound (for example, chloroplatinic acid), a fluoride thereof, a chloride thereof, or the like is preferably used.
Among them, an acid aqueous solution base is preferable, and it is preferable to blend a chloride.
In particular, a treatment liquid (hydrochloric acid / mercury chloride) in which mercury chloride is blended with an aqueous hydrochloric acid solution and a treatment liquid (hydrochloric acid / copper chloride) in which copper chloride is blended with an aqueous hydrochloric acid solution are preferable from the viewpoint of treatment latitude.
The composition of such a treatment liquid is not particularly limited, and for example, a bromine / methanol mixture, a bromine / ethanol mixture, aqua regia and the like can be used.
また、このような処理液の酸またはアルカリ濃度は、0.01〜10mol/Lが好ましく、0.05〜5mol/Lがより好ましい。 Moreover, 0.01-10 mol / L is preferable and, as for the acid or alkali concentration of such a processing liquid, 0.05-5 mol / L is more preferable.
更に、このような処理液を用いた処理温度は、−10℃〜80℃が好ましく、0℃〜60℃がより好ましい。 Furthermore, the processing temperature using such a processing liquid is preferably −10 ° C. to 80 ° C., more preferably 0 ° C. to 60 ° C.
本発明においては、アルミニウム基板の溶解は、上記陽極酸化処理の後のアルミニウム基板を上述した処理液に接触させることにより行う。接触させる方法は、特に限定されず、例えば、浸せき法、スプレー法が挙げられる。中でも、浸せき法が好ましい。このときの接触時間としては、10秒〜5時間が好ましく、1分〜3時間がより好ましい。 In the present invention, the aluminum substrate is dissolved by bringing the aluminum substrate after the anodizing treatment into contact with the treatment liquid described above. The method of making it contact is not specifically limited, For example, the immersion method and the spray method are mentioned. Of these, the dipping method is preferred. The contact time at this time is preferably 10 seconds to 5 hours, and more preferably 1 minute to 3 hours.
アルミニウム基板を溶解することにより、図2(D)に示されるアルミニウム基板32がなくなった状態の構造物、即ち、マイクロポア36を有する陽極酸化皮膜34からなる構造体が得られる(図4参照)。 By dissolving the aluminum substrate, a structure in which the aluminum substrate 32 shown in FIG. 2D is eliminated, that is, a structure made of the anodized film 34 having the micropores 36 is obtained (see FIG. 4). .
<陽極酸化皮膜の底部の除去>
アルミニウム基板を溶解した後の陽極酸化皮膜の底部の除去は、酸水溶液またはアルカリ水溶液に浸せきさせることにより行う。底部の陽極酸化皮膜が除去されることにより、マイクロポアによる孔が貫通する。
<Removal of the bottom of the anodized film>
The bottom part of the anodized film after the aluminum substrate is dissolved is removed by dipping in an acid aqueous solution or an alkali aqueous solution. By removing the bottom anodic oxide film, the pores by the micropores penetrate.
陽極酸化皮膜の底部の除去は、予めpH緩衝液に浸漬させてマイクロポアによる孔の開口側から孔内にpH緩衝液を充填した後に、開口部の逆面、即ち、陽極酸化皮膜の底部に酸水溶液またはアルカリ水溶液に接触させる方法により行うのが好ましい。 The bottom of the anodized film is removed by pre-soaking in a pH buffer solution and filling the hole with the pH buffer solution from the opening side of the micropore, and then on the opposite side of the opening, that is, on the bottom of the anodized film. It is preferably carried out by a method of contacting with an acid aqueous solution or an alkali aqueous solution.
酸水溶液を用いる場合は、硫酸、リン酸、硝酸、塩酸等の無機酸またはこれらの混合物の水溶液を用いることが好ましい。酸水溶液の濃度は1〜10質量%であるのが好ましい。酸水溶液の温度は、25〜40℃であるのが好ましい。
一方、アルカリ水溶液を用いる場合は、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムおよび水酸化リチウムからなる群から選ばれる少なくとも一つのアルカリの水溶液を用いることが好ましい。アルカリ水溶液の濃度は0.1〜5質量%であるのが好ましい。アルカリ水溶液の温度は、20〜35℃であるのが好ましい。
In the case of using an acid aqueous solution, it is preferable to use an aqueous solution of an inorganic acid such as sulfuric acid, phosphoric acid, nitric acid, hydrochloric acid or a mixture thereof. The concentration of the acid aqueous solution is preferably 1 to 10% by mass. The temperature of the acid aqueous solution is preferably 25 to 40 ° C.
On the other hand, when using an alkaline aqueous solution, it is preferable to use an aqueous solution of at least one alkali selected from the group consisting of sodium hydroxide, potassium hydroxide and lithium hydroxide. The concentration of the alkaline aqueous solution is preferably 0.1 to 5% by mass. The temperature of the alkaline aqueous solution is preferably 20 to 35 ° C.
具体的には、例えば、50g/L、40℃のリン酸水溶液や、0.5g/L、30℃の水酸化ナトリウム水溶液または0.5g/L、30℃の水酸化カリウム水溶液が好適に用いられる。 Specifically, for example, a 50 g / L, 40 ° C. phosphoric acid aqueous solution, a 0.5 g / L, 30 ° C. sodium hydroxide aqueous solution, or a 0.5 g / L, 30 ° C. potassium hydroxide aqueous solution is suitably used. It is done.
酸水溶液またはアルカリ水溶液への浸せき時間は、8〜120分であるのが好ましく、10〜90分であるのがより好ましく、15〜60分であるのが更に好ましい。
また、予めpH緩衝液に浸漬させる場合は、上述した酸/アルカリに適宜対応した緩衝液を使用する。
The immersion time in the acid aqueous solution or alkali aqueous solution is preferably 8 to 120 minutes, more preferably 10 to 90 minutes, and still more preferably 15 to 60 minutes.
Moreover, when immersing in a pH buffer solution beforehand, the buffer solution corresponding to the acid / alkali mentioned above is used appropriately.
陽極酸化皮膜の底部を除去することにより、図2(D)に示されるアルミニウム基板32およびバリア層38dがなくなった状態の構造物、即ち、貫通孔37を有する陽極酸化皮膜34からなる構造体が得られる(図5参照)。 By removing the bottom of the anodized film, a structure in which the aluminum substrate 32 and the barrier layer 38d shown in FIG. 2D are eliminated, that is, a structure composed of the anodized film 34 having the through holes 37 is obtained. Is obtained (see FIG. 5).
一方、後者のアルミニウム基板およびアルミニウム基板近傍の陽極酸化皮膜を切断する方法としては、アルミニウム基板(図2(D)においては符号32で表される部分)および陽極酸化皮膜の底部(図2(D)においては符号38dで表される部分)を、レーザー等による切削処理や種々の研磨処理等を用いて物理的に除去する方法が好適に例示される。これらの方法によっても、図2(D)に示されるアルミニウム基板32およびバリア層38dがなくなった状態の構造物、即ち、貫通孔37を有する陽極酸化皮膜34からなる構造体が得られる(図5参照)。 On the other hand, as a method for cutting the latter aluminum substrate and the anodic oxide film in the vicinity of the aluminum substrate, an aluminum substrate (portion represented by reference numeral 32 in FIG. 2D) and the bottom of the anodic oxide film (FIG. 2D). ) Is preferably exemplified by a method in which the portion represented by the reference numeral 38d) is physically removed using a cutting process using a laser or the like or various polishing processes. Also by these methods, a structure in which the aluminum substrate 32 and the barrier layer 38d shown in FIG. 2D are eliminated, that is, a structure including the anodic oxide film 34 having the through holes 37 is obtained (FIG. 5). reference).
[水和物]
上記水和物は、上記陽極酸化皮膜に有する上記貫通孔の少なくとも一部に形成させる上記バルブ金属の水和物である。
ここで、上記バルブ金属とは、上記陽極酸化皮膜の形成、即ち、上述した陽極酸化処理に供したバルブ金属で説明したものと同様である。
本発明においては、上記バルブ金属は、上述した陽極酸化処理に供したバルブ金属と同種の金属、即ち、例えば、アルミニウム(基板)を陽極酸化させて上記陽極酸化皮膜を形成した場合はアルミニウム、チタン(基板)を陽極酸化させて上記陽極酸化皮膜を形成した場合はチタンであるのが好ましい。
[Hydrate]
The hydrate is a hydrate of the valve metal formed in at least a part of the through-holes in the anodic oxide film.
Here, the valve metal is the same as that described for the valve metal subjected to the formation of the anodized film, that is, the above-described anodizing treatment.
In the present invention, the valve metal is the same type of metal as the valve metal subjected to the above-described anodizing treatment, that is, when anodized film is formed by anodizing aluminum (substrate), for example, aluminum or titanium. In the case where the anodic oxide film is formed by anodizing the (substrate), titanium is preferred.
上記水和物としては、例えば、アルミニウムの場合には、結晶状態でもアモルファス状態でもよく、結晶形としては、ギブサイト、ベーマイト、バイヤライト等が挙げられる。中でも、アモルファス状態、ベーマイトであるのが好ましい。具体的には、Al(OH)3、AlOOH等が挙げられる。
また、アルミニウムの水和物は、焼成処理によって、異なる結晶形の酸化物に転移できることが知られており、例えば、ベーマイトは、480〜760℃で焼成するとγ−アルミナに転移し、760〜920℃で焼成するとΔ−アルミナに転移し、920〜1020℃で焼成するとθ−アルミナに転移し、1020℃以上で焼成するとα−アルミナに転移する。また、アモルファス状態およびバイヤライトは、240〜780℃でη−アルミナに転移し、1000℃以上でα−アルミナに転移する。
このように、焼成処理によって、化学的に耐性が強い酸化物に転移できる理由から、水酸化アルミであるのが特に好ましい。
一方、水酸化チタンも同様に焼成処理によって、化学的耐食性が強い、ルチル型、アナターゼ型等の酸化物に転移できる理由から好ましい。
For example, in the case of aluminum, the hydrate may be in a crystalline state or an amorphous state, and examples of the crystalline form include gibbsite, boehmite, bayerite, and the like. Among these, an amorphous state and boehmite are preferable. Specific examples include Al (OH) 3 and AlOOH.
In addition, it is known that aluminum hydrates can be transformed into oxides of different crystal forms by firing treatment. For example, boehmite transforms to γ-alumina when calcined at 480 to 760 ° C., and 760 to 920. When it is fired at 0 ° C., it changes to Δ-alumina, when it is fired at 920 to 1020 ° C., it changes to θ-alumina, and when it is fired at 1020 ° C. or more, it changes to α-alumina. Further, the amorphous state and bayerite transition to η-alumina at 240 to 780 ° C., and transition to α-alumina at 1000 ° C. or higher.
Thus, aluminum hydroxide is particularly preferable because it can be transferred to an oxide having high chemical resistance by the baking treatment.
On the other hand, titanium hydroxide is also preferable because it can be transformed into an oxide such as a rutile type or anatase type, which has a strong chemical corrosion resistance, by firing treatment.
また、上記水和物は、上述したように、図1(A)および(B)に示すように、上記貫通孔の一部に形成されるものであってもよく、図1(C)に示すように、上記貫通孔の全体に形成されるものであってもよい。 Further, as described above, the hydrate may be formed in a part of the through hole as shown in FIGS. 1A and 1B. As shown, it may be formed over the entire through hole.
このような水和物を形成させることにより、本発明の燃料電池用電解質膜は、高温での使用においてもメタノールに対する耐久性およびプロトン選択性が良好となる。
これは、具体的では明らかではないが、上記陽極酸化皮膜自体のメタノールに対する耐久性が極めて高く、また、水和物の形成により、上記貫通孔の一部が閉塞され、メタノールを通さずプロトンのみを通す孔径0.1〜1nm程度の微細孔が形成されるためであると考えられる。
By forming such a hydrate, the fuel cell electrolyte membrane of the present invention has good durability against methanol and proton selectivity even when used at high temperatures.
Although this is not clear in detail, the durability of the anodic oxide film itself to methanol is extremely high, and the formation of a hydrate clogs a part of the through-hole so that only the proton does not pass through the methanol. This is thought to be due to the formation of fine pores with a pore diameter of about 0.1 to 1 nm.
上記水和物の形成方法は特に限定されないが、上記貫通孔を有する上記陽極酸化皮膜に対して以下に示す水和処理を施すのが好ましい。 Although the formation method of the said hydrate is not specifically limited, It is preferable to perform the hydration process shown below with respect to the said anodic oxide film which has the said through-hole.
〔水和処理〕
水和処理は、上記陽極酸化皮膜の有する上記貫通孔の内部に水和物を生成させる処理であり、上記貫通孔の内部に所定のpHに調製したアルカリ水溶液を供給することによって行う処理である。
上記アルカリ水溶液のpHは、9〜13であるのが好ましく、10〜11.5であるのがより好ましく、11〜12であるのが更に好ましい。
また、上記アルカリ水溶液のpHは、脱気処理された純粋、アンモニア、揮発性の高い薬液で調整することができる。
ここで、上記薬液としては、具体的には、例えば、シュウ酸、マロン酸、酒石酸、コハク酸などの有機酸の水溶液;りん酸、塩酸、硫酸、クロム酸などの無機酸の水溶液;が挙げられる。
[Hydration treatment]
The hydration treatment is a treatment for generating a hydrate inside the through hole of the anodic oxide film, and a treatment performed by supplying an alkaline aqueous solution adjusted to a predetermined pH inside the through hole. .
The pH of the alkaline aqueous solution is preferably 9 to 13, more preferably 10 to 11.5, and still more preferably 11 to 12.
The pH of the alkaline aqueous solution can be adjusted with degassed pure, ammonia, or a highly volatile chemical solution.
Specific examples of the chemical solution include an aqueous solution of an organic acid such as oxalic acid, malonic acid, tartaric acid, and succinic acid; and an aqueous solution of an inorganic acid such as phosphoric acid, hydrochloric acid, sulfuric acid, and chromic acid. It is done.
上記アルカリ水溶液としては、具体的には、アンモニア、トリエタノールアミンおよび珪酸ソーダからなる群から選択される少なくとも1種の化合物を含有する水溶液が好適に例示される。
これらのうち、生成する水和物の量および上記貫通孔における位置、水和物の粒子径を制御しやすい理由から、アンモニア水溶液であるのが好ましい。
Specific examples of the alkaline aqueous solution include an aqueous solution containing at least one compound selected from the group consisting of ammonia, triethanolamine and sodium silicate.
Among these, an aqueous ammonia solution is preferable because the amount of hydrate to be generated, the position in the through hole, and the particle size of the hydrate can be easily controlled.
上記アルカリ水溶液の供給方法は特に限定されないが、上記貫通孔を有する上記陽極酸化皮膜の表面全体に上記アルカリ水溶液を塗布する方法であってもよいが、上記貫通孔を有する上記陽極酸化皮膜を上記アルカリ水溶液に浸漬させる方法であるのが好ましい。 The method for supplying the alkaline aqueous solution is not particularly limited, but the alkaline aqueous solution may be applied to the entire surface of the anodic oxide film having the through holes. A method of immersing in an alkaline aqueous solution is preferable.
本発明においては、図1(A)および(B)に示すように、上記水和物を上記貫通孔の一部に形成させる場合、上記水和処理の処理温度、即ち、浸漬処理する場合においては上記アルカリ水溶液の液温は、水和物による上記貫通孔の開口部の選択的な封孔(閉塞)状態が良好となる理由から、30〜100℃であるのが好ましく、40〜98℃であるのがより好ましく、50〜95℃であるのが更に好ましい。
また、上記水和処理の処理時間、即ち、浸漬処理する場合においては上記アルカリ水溶液への浸漬時間は、作業性や上記アルカリ水溶液の安定性等の観点から、10秒〜60分であるのが好ましく、20秒〜45分であるのがより好ましく、30秒〜30分であるのが更に好ましい。
なお、上記貫通孔を有する上記陽極酸化皮膜の片面のみを上記アルカリ水溶液に浸漬させると、上記貫通孔の片側のみに水和物が形成され(図1(A)参照)、上記貫通孔を有する上記陽極酸化皮膜の全体を上記アルカリ水溶液に浸漬させると、上記貫通孔の両側に水和物が形成される。
In the present invention, as shown in FIGS. 1 (A) and (B), when the hydrate is formed in a part of the through-hole, the hydration treatment temperature, that is, the immersion treatment is used. The temperature of the alkaline aqueous solution is preferably 30 to 100 ° C., preferably 40 to 98 ° C., because the selective sealing (occlusion) state of the opening of the through hole by the hydrate is good. It is more preferable that it is 50-95 degreeC.
Further, the treatment time of the hydration treatment, that is, in the case of immersion treatment, the immersion time in the alkaline aqueous solution is 10 seconds to 60 minutes from the viewpoint of workability, stability of the alkaline aqueous solution, and the like. Preferably, it is 20 seconds to 45 minutes, more preferably 30 seconds to 30 minutes.
When only one side of the anodic oxide film having the through hole is immersed in the alkaline aqueous solution, a hydrate is formed only on one side of the through hole (see FIG. 1A), and the through hole is provided. When the entire anodic oxide film is immersed in the alkaline aqueous solution, hydrates are formed on both sides of the through hole.
一方、本発明においては、図1(C)に示すように、上記水和物を上記貫通孔の全体に形成させる場合、上記水和処理の処理温度は、水和物による上記貫通孔全体の封孔(閉塞)状態が良好となる理由から、1〜40℃であるのが好ましく、3〜35℃であるのがより好ましく、5〜30℃であるのが更に好ましい。
また、上記水和処理の処理時間、即ち、浸漬処理する場合においては上記アルカリ水溶液への浸漬時間は、水和物による上記貫通孔全体の封孔(閉塞)状態が良好となる理由から、10分〜24時間であるのが好ましく、30分〜18時間であるのがより好ましく、45分〜3時間であるのが更に好ましい。
なお、上記貫通孔の全体に形成させる場合、上記貫通孔を有する上記陽極酸化皮膜の全体を上記アルカリ水溶液に浸漬させ、上記貫通孔の両側から水和物が形成させるのが好ましい。
On the other hand, in the present invention, as shown in FIG. 1 (C), when the hydrate is formed over the entire through-hole, the treatment temperature of the hydration treatment is the same as the entire through-hole due to the hydrate. It is preferably 1 to 40 ° C., more preferably 3 to 35 ° C., and still more preferably 5 to 30 ° C. for the reason that the sealed (closed) state is good.
Further, the treatment time of the hydration treatment, that is, in the case of immersion treatment, the immersion time in the alkaline aqueous solution is 10 for the reason that the sealed (closed) state of the entire through-hole by the hydrate is good. It is preferably from minutes to 24 hours, more preferably from 30 minutes to 18 hours, and even more preferably from 45 minutes to 3 hours.
In addition, when making it form in the whole said through-hole, it is preferable to immerse the whole said anodic oxide film which has the said through-hole in the said alkaline aqueous solution, and to form a hydrate from the both sides of the said through-hole.
上述した陽極酸化皮膜および水和物を有する本発明の燃料電池用電解質膜は、必要に応じて、以下の各処理を施すことができる。 The fuel cell electrolyte membrane of the present invention having the above-described anodized film and hydrate can be subjected to the following treatments as necessary.
〔貫通孔修飾処理〕
本発明においては、上記水和物を上記貫通孔の一部に形成させた場合(例えば、図1(A)または(B)参照)、本発明の燃料電池用電解質膜のプロトン選択性をより向上させる観点から、上記水和物が形成されていない上記貫通孔の内壁をプロトン伝導性の官能基(例えば、水酸基等)で修飾するのが好ましい。
ここで、プロトン伝導性の官能基による修飾は、特許文献2に記載の方法を用いることができる。
(Through hole modification treatment)
In the present invention, when the hydrate is formed in a part of the through hole (see, for example, FIG. 1 (A) or (B)), the proton selectivity of the fuel cell electrolyte membrane of the present invention is further improved. From the viewpoint of improvement, it is preferable to modify the inner wall of the through hole in which the hydrate is not formed with a proton conductive functional group (for example, a hydroxyl group).
Here, for the modification with the proton conductive functional group, the method described in Patent Document 2 can be used.
〔焼成処理〕
本発明においては、本発明の燃料電池用電解質膜のプロトン選択性をより向上させる観点から、上記水和物を形成させた上記貫通孔を有する上記陽極酸化皮膜、即ち、本発明の燃料電池用電解質膜を焼成し、上記水和物を酸化させるのが好ましい。
ここで、焼成温度は、300〜600℃であるのが好ましく、400〜580℃であるのがより好ましく、500〜580℃であるのが更に好ましい。温度範囲がこの範囲であると、例えば、アルミニウムの水和物を焼成した場合は、アルミナへの結晶変化が可能となり、メタノールを通さずプロトンのみを通す孔径0.1〜1nm程度の微細孔が形成されるやすくなる。
また、焼成する際の雰囲気は、少なくとも酸素を含有する雰囲気であるのが好ましく、空気中であるのがより好ましい。
また、焼成は、利便性の観点から大気圧で行うのが好ましい。
[Baking treatment]
In the present invention, from the viewpoint of further improving the proton selectivity of the fuel cell electrolyte membrane of the present invention, the anodic oxide film having the through-hole formed with the hydrate, ie, the fuel cell of the present invention. Preferably, the electrolyte membrane is fired to oxidize the hydrate.
Here, the firing temperature is preferably 300 to 600 ° C, more preferably 400 to 580 ° C, and still more preferably 500 to 580 ° C. When the temperature range is within this range, for example, when an aluminum hydrate is baked, crystal change to alumina becomes possible, and micropores with a pore diameter of about 0.1 to 1 nm that allow only protons to pass through without passing through methanol. It becomes easy to be formed.
In addition, the firing atmosphere is preferably an atmosphere containing at least oxygen, and more preferably in the air.
The firing is preferably performed at atmospheric pressure from the viewpoint of convenience.
〔親水化処理〕
本発明においては、本発明の燃料電池用電解質膜のプロトン選択性をより向上させる観点から、上記焼成処理を施した場合は上記焼成処理を施した後に、親水化処理を施すのが好ましい。
上記親水化処理の方法としては、具体的には、例えば、アルカリ金属ケイ酸塩の水溶液に浸漬させる方法;親水性ビニルポリマーまたは親水性化合物を塗布して親水性の下塗層を形成させる方法;等が挙げられる。
[Hydrophilic treatment]
In the present invention, from the viewpoint of further improving the proton selectivity of the fuel cell electrolyte membrane of the present invention, when the above baking treatment is performed, it is preferable to perform the hydrophilic treatment after the above baking treatment.
Specific examples of the hydrophilic treatment method include a method of immersing in an aqueous solution of an alkali metal silicate; a method of forming a hydrophilic undercoat layer by applying a hydrophilic vinyl polymer or a hydrophilic compound And the like.
ここで、アルカリ金属ケイ酸塩の水溶液を用いた親水化処理は、米国特許第2,714,066号明細書および米国特許第3,181,461号明細書に記載されている方法および手順に従って行うことができる。 Here, the hydrophilization treatment using an aqueous solution of alkali metal silicate is performed according to the method and procedure described in US Pat. No. 2,714,066 and US Pat. No. 3,181,461. It can be carried out.
上記アルカリ金属ケイ酸塩としては、具体的には、例えば、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、ケイ酸リチウム等が挙げられる。 Specific examples of the alkali metal silicate include sodium silicate, potassium silicate, and lithium silicate.
また、上記アルカリ金属ケイ酸塩の水溶液は、更に、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム等を含有してもよい。 The aqueous solution of the alkali metal silicate may further contain sodium hydroxide, potassium hydroxide, lithium hydroxide and the like.
更に、上記アルカリ金属ケイ酸塩の水溶液は、更に、アルカリ土類金属塩または4族(第IVA族)金属塩を含有してもよい。
ここで、上記アルカリ土類金属塩としては、具体的には、例えば、硝酸カルシウム、硝酸ストロンチウム、硝酸マグネシウム、硝酸バリウム等の硝酸塩;硫酸塩;塩酸塩;リン酸塩;酢酸塩;シュウ酸塩;ホウ酸塩;等が挙げられる。
また、上記4族(第IVA族)金属塩としては、具体的には、例えば、四塩化チタン、三塩化チタン、フッ化チタンカリウム、シュウ酸チタンカリウム、硫酸チタン、四ヨウ化チタン、塩化酸化ジルコニウム、二酸化ジルコニウム、オキシ塩化ジルコニウム、四塩化ジルコニウム等が挙げられる。
これらのアルカリ土類金属塩および4族(第IVA族)金属塩は、一種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
Furthermore, the aqueous solution of the alkali metal silicate may further contain an alkaline earth metal salt or a Group 4 (Group IVA) metal salt.
Here, specific examples of the alkaline earth metal salt include nitrates such as calcium nitrate, strontium nitrate, magnesium nitrate, and barium nitrate; sulfates; hydrochlorides; phosphates; acetates; Borate; and the like.
Specific examples of the Group 4 (Group IVA) metal salt include, for example, titanium tetrachloride, titanium trichloride, potassium fluoride titanium, potassium oxalate, titanium sulfate, titanium tetraiodide, and chloride oxidation. Zirconium, zirconium dioxide, zirconium oxychloride, zirconium tetrachloride and the like can be mentioned.
These alkaline earth metal salts and Group 4 (Group IVA) metal salts may be used alone or in combination of two or more.
上記親水化処理は、上記アルカリ金属ケイ酸塩の水溶液を用いた場合、上記アルカリ金属ケイ酸塩の濃度は0.1〜10質量%であるのが好ましく、0.4〜8質量%であるのがより好ましく、0.8〜4質量%であるのが更に好ましい。
また、上記アルカリ金属ケイ酸塩の水溶液の温度は、1〜70℃であるのが好ましく、2〜50℃であるのがより好ましく、3〜35℃であるの更に好ましい。
また、上記アルカリ金属ケイ酸塩の水溶液を用いた場合の処理時間は、5秒〜90分であるのが好ましく、8秒〜60分であるのが好ましく、12秒〜30分であるのが更に好ましい。
In the hydrophilization treatment, when an aqueous solution of the alkali metal silicate is used, the concentration of the alkali metal silicate is preferably 0.1 to 10% by mass, and 0.4 to 8% by mass. Is more preferable, and it is still more preferable that it is 0.8-4 mass%.
The temperature of the alkali metal silicate aqueous solution is preferably 1 to 70 ° C, more preferably 2 to 50 ° C, and further preferably 3 to 35 ° C.
Further, the treatment time in the case of using the alkali metal silicate aqueous solution is preferably 5 seconds to 90 minutes, preferably 8 seconds to 60 minutes, and preferably 12 seconds to 30 minutes. Further preferred.
〔ポリマー充填処理〕
本発明においては、上記水和物を上記貫通孔の一部に形成させた場合(例えば、図1(A)または(B)参照)、本発明の燃料電池用電解質膜のプロトン選択性をより向上させる観点から、上記水和物が形成されていない部分の上記貫通孔にプロトン伝導性を有する親水性ポリマーを充填させるのが好ましい。
[Polymer filling treatment]
In the present invention, when the hydrate is formed in a part of the through hole (see, for example, FIG. 1 (A) or (B)), the proton selectivity of the fuel cell electrolyte membrane of the present invention is further improved. From the viewpoint of improvement, it is preferable to fill a hydrophilic polymer having proton conductivity into the through hole in a portion where the hydrate is not formed.
上記親水性ポリマーは、メタノールを通さずプロトンのみを通す孔径0.1〜1nm程度の微細孔を形成するものが好ましい。
また、上記親水性ポリマーの充填は、まず、後述するモノマーおよび架橋剤を充填した後に熱、光等により重合する態様が好ましい。
The hydrophilic polymer preferably forms fine pores having a pore diameter of about 0.1 to 1 nm that allows only protons to pass through without passing through methanol.
The hydrophilic polymer is preferably filled with a monomer and a crosslinking agent described later and then polymerized by heat, light or the like.
上記モノマーとしては、例えば、1分子中に重合可能な官能基とプロトン酸または中和、加水分解等の操作によって容易にプロトン酸に変換することができる官能基とを有するプロトン酸性基含有モノマー等が挙げられる。 Examples of the monomer include a proton acidic group-containing monomer having a functional group polymerizable in one molecule and a protonic acid or a functional group that can be easily converted to a protonic acid by an operation such as neutralization or hydrolysis. Is mentioned.
上記プロトン酸性基含有モノマーとしては、具体的には、例えば、2−(メタ)アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸、スチレンスルホン酸、(メタ)アリルスルホン酸、ビニルスルホン酸、イソプレンスルホン酸、(メタ)アクリル酸、マレイン酸、クロトン酸、スルホン酸基含有ビニル化合物、リン酸基含有ビニル化合物、酸性リン酸基含有(メタ)アクリレート、これらの塩、無水物、エステル等が挙げられる。 Specific examples of the proton acidic group-containing monomer include 2- (meth) acrylamide-2-methylpropanesulfonic acid, styrenesulfonic acid, (meth) allylsulfonic acid, vinylsulfonic acid, isoprenesulfonic acid, ( Examples thereof include (meth) acrylic acid, maleic acid, crotonic acid, sulfonic acid group-containing vinyl compounds, phosphoric acid group-containing vinyl compounds, acidic phosphoric acid group-containing (meth) acrylates, salts, anhydrides and esters thereof.
ここで、上記プロトン酸性基含有モノマーの酸残基が塩、無水物、エステル等の誘導体となっている場合は、重合後にプロトン酸型にすることでプロトン伝導性を付与することができる。
また、「(メタ)アクリル」は「アクリルおよび/またはメタクリル」を、「(メタ)アリル」は「アリルおよび/またはメタリル」を、「(メタ)アクリレート」は「アクリレートおよび/またはメタクリレート」を示すものである。
Here, when the acid residue of the protonic acid group-containing monomer is a derivative such as a salt, an anhydride, or an ester, proton conductivity can be imparted by forming a protonic acid type after polymerization.
Further, “(meth) acryl” means “acryl and / or methacryl”, “(meth) allyl” means “allyl and / or methallyl”, and “(meth) acrylate” means “acrylate and / or methacrylate”. Is.
これらのうち、スルホン酸基含有ビニル化合物またはリン酸基含有ビニル化合物がプロトン伝導性に優れるため好ましく、2−(メタ)アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸が高い重合性を有しているため更に好ましい。 Of these, a sulfonic acid group-containing vinyl compound or a phosphoric acid group-containing vinyl compound is preferable because of its excellent proton conductivity, and 2- (meth) acrylamide-2-methylpropanesulfonic acid has a high polymerizability, so that preferable.
一方、上記架橋剤は、1分子中に重合可能な官能基を2個以上有するものであり、上記モノマーとともに配合して重合することによって重合体中に架橋点を形成するものである。 On the other hand, the crosslinking agent has two or more polymerizable functional groups in one molecule, and forms a crosslinking point in the polymer by blending and polymerizing with the monomer.
上記架橋剤としては、具体的には、例えば、N,N−メチレンビス(メタ)アクリルアミド、ポリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ポリプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパンジアリルエーテル、ペンタエリスリトールトリアリルエーテル、ジビニルベンゼン、ビスフェノールジ(メタ)アクリレート、イソシアヌル酸ジ(メタ)アクリレート、テトラアリルオキシエタン、トリアリルアミン、ジアリルオキシ酢酸塩等が挙げられる。 Specific examples of the crosslinking agent include N, N-methylenebis (meth) acrylamide, polyethylene glycol di (meth) acrylate, polypropylene glycol di (meth) acrylate, trimethylolpropane diallyl ether, and pentaerythritol triallyl ether. , Divinylbenzene, bisphenol di (meth) acrylate, isocyanuric acid di (meth) acrylate, tetraallyloxyethane, triallylamine, diallyloxyacetate and the like.
また、その他の架橋剤としては、重合反応速度が遅いという点で劣るものの、2官能以上のエポキシ化合物等も使用することができる。
なお、エポキシ化合物を使用する場合、ポリマー中のカルボキシル基等の酸と反応して架橋させたり、モノマーに第三成分として水酸基等を有する共重合可能な化合物を添加したりしてもよい。
In addition, as other crosslinking agents, bifunctional or higher functional epoxy compounds can be used although they are inferior in that the polymerization reaction rate is low.
When an epoxy compound is used, it may be cross-linked by reacting with an acid such as a carboxyl group in the polymer, or a copolymerizable compound having a hydroxyl group or the like as a third component may be added to the monomer.
これらの架橋剤は単独で使用することも、必要に応じて2種類以上を併用することも可能である。 These cross-linking agents can be used alone or in combination of two or more as required.
本発明においては、上記架橋剤の使用量は、上記モノマーのモル数と、上記架橋剤のモル数と上記架橋剤1分子あたりの平均官能基数との積と比が、50:2〜50:50であるのが好ましく、50:4〜50:40であるのがより好ましい。 In the present invention, the amount of the crosslinking agent used is such that the ratio of the number of moles of the monomer to the number of moles of the crosslinking agent and the average number of functional groups per molecule of the crosslinking agent is 50: 2 to 50: 50 is preferable, and 50: 4 to 50:40 is more preferable.
また、本発明においては、上述したモノマーおよび架橋剤以外に、重合体の膨潤性を調整する等の観点から、必要に応じて他の共重合成分を配合することができる。
他の共重合成分としては、上述したモノマーおよび架橋剤と共重合が可能であれば特に限定されないが、例えば、(メタ)アクリル酸エステル類、(メタ)アクリルアミド類、マレイミド類、スチレン類、有機酸ビニル類、アリル化合物等が挙げられる。
In the present invention, in addition to the above-described monomer and crosslinking agent, other copolymer components can be blended as necessary from the viewpoint of adjusting the swelling property of the polymer.
Other copolymerization components are not particularly limited as long as they can be copolymerized with the above-described monomers and crosslinking agents. For example, (meth) acrylic acid esters, (meth) acrylamides, maleimides, styrenes, organic Examples include vinyl acids and allyl compounds.
更に、本発明においては、上述したモノマーを重合させる方法としては、公知の水溶液ラジカル重合法の技術を使用することができる。
具体的には、例えば、レドックス開始重合、熱開始重合、電子線開始重合、紫外線等の光開始重合等が挙げられる。
レドックス開始重合および熱開始重合のラジカル重合開始剤としては、具体的には、例えば、2,2′−アゾビス(2−アミジノプロパン)二塩酸塩などのアゾ化合物;過硫酸アンモニウム、過硫酸カリウム、過硫酸ナトリウム、過酸化水素、過酸化ベンゾイル、クメンヒドロパーオキサイド、ジ−t−ブチルパーオキサイドなどの過酸化物;上記過酸化物と、亜硫酸塩、重亜硫酸塩、チオ硫酸塩、ホルムアミジンスルフィン酸、アスコルビン酸等の還元剤とを組み合わせたもの(レドックス開始剤);2,2′−アゾビス−(2−アミジノプロパン)二塩酸塩、アゾビスシアノ吉草酸等のアゾ系ラジカル重合開始剤;等が挙げられる。
これらラジカル重合開始剤は、1種単独で用いてもよく、2種類以上を併用してもよい。
これらのうち、過酸化物系のラジカル重合開始剤は炭素水素結合から水素を引き抜くことによってラジカルを発生することができるため、基材表面と充填した重合体との間に化学結合を形成することができるのため好ましい。
Furthermore, in the present invention, a known aqueous radical polymerization technique can be used as a method for polymerizing the above-described monomers.
Specific examples include redox-initiated polymerization, heat-initiated polymerization, electron beam-initiated polymerization, and photoinitiated polymerization such as ultraviolet rays.
Specific examples of the radical polymerization initiator for redox-initiated polymerization and thermal-initiated polymerization include azo compounds such as 2,2′-azobis (2-amidinopropane) dihydrochloride; ammonium persulfate, potassium persulfate, Peroxides such as sodium sulfate, hydrogen peroxide, benzoyl peroxide, cumene hydroperoxide, di-t-butyl peroxide; the above peroxides and sulfites, bisulfites, thiosulfates, formamidine sulfinic acids In combination with a reducing agent such as ascorbic acid (redox initiator); azo radical polymerization initiators such as 2,2′-azobis- (2-amidinopropane) dihydrochloride and azobiscyanovaleric acid; It is done.
These radical polymerization initiators may be used alone or in combination of two or more.
Among these, peroxide-based radical polymerization initiators can generate radicals by extracting hydrogen from carbon-hydrogen bonds, and therefore form a chemical bond between the substrate surface and the filled polymer. Is preferable.
一方、上記重合開始手段のうち、重合反応の制御がし易く、比較的簡便なプロセスで生産性良く所望の電解質膜が得られる理由から、紫外線による光開始重合が好ましい。
また、紫外線により光開始重合させる場合には、モノマー溶液またはモノマー分散液中に、予めラジカル系光重合開始剤を溶解または分散させておくことが好ましい。
On the other hand, among the above polymerization initiation means, photoinitiated polymerization with ultraviolet rays is preferred because the polymerization reaction is easily controlled and a desired electrolyte membrane can be obtained with a relatively simple process and high productivity.
Further, when photoinitiating polymerization with ultraviolet rays, it is preferable to previously dissolve or disperse a radical photopolymerization initiator in a monomer solution or a monomer dispersion.
上記ラジカル系光重合開始剤としては、具体的には、例えば、一般に紫外線重合に利用されているベンゾイン、ベンジル、アセトフェノン、ベンゾフェノン、キノン、チオキサントン、チオアクリドンおよびこれらの誘導体等が挙げられる。
これらのうち、ベンゾフェノン、チオキサントン、キノン、チオアクリドン等の芳香族ケトン系ラジカル重合開始剤は、炭素水素結合から水素を引き抜くことによってラジカルを発生することができ、基材表面と充填した重合体との間に化学結合を形成することができるため好ましい。
Specific examples of the radical photopolymerization initiator include benzoin, benzyl, acetophenone, benzophenone, quinone, thioxanthone, thioacridone, and derivatives thereof that are generally used for ultraviolet polymerization.
Among these, aromatic ketone radical polymerization initiators such as benzophenone, thioxanthone, quinone, and thioacridone can generate radicals by extracting hydrogen from carbon-hydrogen bonds. It is preferable because a chemical bond can be formed between them.
上記光重合開始剤の使用量は、上述したモノマーの総質量に対して0.001〜1質量%が好ましく、0.001〜0.5質量%がより好ましく、0.01〜0.5質量%が更に好ましい。 The amount of the photopolymerization initiator used is preferably 0.001 to 1% by mass, more preferably 0.001 to 0.5% by mass, and 0.01 to 0.5% by mass with respect to the total mass of the monomers described above. % Is more preferable.
本発明においては、上記水和物が形成されていない部分の上記貫通孔に、上述したもモノマー等を充填する際は、上述したモノマー、架橋剤、重合開始剤等を混合し液状にした溶液または分散液を用いるのが好ましい。
この溶液または分散液における上述したモノマーの濃度は、10〜90%であるのが好ましく、20〜70%であるのがより好ましい。
また、含浸作業をより行い易くする目的で、上述した親水化処理や、上記溶液または分散液への界面活性剤の添加、充填(含浸)中に超音波の照射を行うことが好ましい。
充填は、加圧下または減圧下で行なうことが充填の欠陥が発生しない理由から好ましい。また、充填の際に、未充填部分などの欠陥がないことが、本発明の燃料電池用電解質膜のプロトン選択性を更に向上させる点で好ましい。
In the present invention, when the above-described through holes in the portion where the hydrate is not formed are filled with the above-described monomers, a solution in which the above-described monomers, crosslinking agents, polymerization initiators, etc. are mixed to form a liquid Alternatively, it is preferable to use a dispersion.
The concentration of the above-mentioned monomer in this solution or dispersion is preferably 10 to 90%, more preferably 20 to 70%.
For the purpose of facilitating the impregnation operation, it is preferable to perform ultrasonic irradiation during the above-described hydrophilization treatment, addition of a surfactant to the solution or dispersion, and filling (impregnation).
Filling is preferably performed under pressure or under reduced pressure because no filling defect occurs. In addition, it is preferable that there is no defect such as an unfilled portion at the time of filling from the viewpoint of further improving the proton selectivity of the fuel cell electrolyte membrane of the present invention.
以下に実施例を示して本発明を具体的に説明する。ただし、本発明はこれらに限定されない。 The present invention will be specifically described below with reference to examples. However, the present invention is not limited to these.
(実施例1)
1.電解質膜の作製
(1)電解研磨処理
高純度アルミニウム基板(住友軽金属社製、純度99.99質量%、厚さ0.4mm)を、10cm四方の面積で陽極酸化処理できるようカットした後、以下組成の電解研磨液を用いて、電圧10V、液温度65℃、液流速3.0m/minの条件で電解研磨処理を施した。
陰極はカーボン電極とし、電源は、GP0110−30R(高砂製作所社製)を用いた。また、電解液の流速は渦式フローモニターFLM22−10PCW(AS ONE製)を用いて計測した。
Example 1
1. Preparation of electrolyte membrane (1) Electropolishing treatment After cutting a high-purity aluminum substrate (manufactured by Sumitomo Light Metal Co., Ltd., purity 99.99 mass%, thickness 0.4 mm) so that it can be anodized in an area of 10 cm square, Using the electrolytic polishing liquid having the composition, the electrolytic polishing treatment was performed under the conditions of a voltage of 10 V, a liquid temperature of 65 ° C., and a liquid flow rate of 3.0 m / min.
The cathode was a carbon electrode, and GP0110-30R (manufactured by Takasago Seisakusho) was used as the power source. The flow rate of the electrolytic solution was measured using a vortex flow monitor FLM22-10PCW (manufactured by AS ONE).
<電解研磨液組成>
・85質量%リン酸(和光純薬社製試薬) 1320mL
・純水 80mL
・硫酸 600mL
<Electrolytic polishing liquid composition>
・ 85 mass% phosphoric acid (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) 1320mL
・ Pure water 80mL
・ 600 mL of sulfuric acid
(2)脱脂処理
上記で得られた研磨処理後のサンプルを、1.75mol/L水酸化ナトリウムおよび0.16mol/L硝酸ナトリウムの処理液に、60℃の条件で30〜90秒浸漬して脱脂処理を施した。
(2) Degreasing treatment The sample after the polishing treatment obtained above is immersed in a treatment solution of 1.75 mol / L sodium hydroxide and 0.16 mol / L sodium nitrate for 30 to 90 seconds at 60 ° C. Degreasing treatment was performed.
(3)陽極酸化処理
まず、上記で得られた脱脂処理後のサンプルに、5.00mol/Lマロン酸の電解液で、電圧130.0V、液温度3℃、液流速5.0m/minの条件で7.5分陽極酸化処理を施した。電圧はGPO−250−30R(高砂製作所社製)を用いて、130.0V(±0.1V)の定電圧設定にした。
次いで、陽極酸化処理後のサンプルに、0.52mol/Lリン酸水溶液(液温:40℃)に42.5分間浸漬させる脱膜処理を施した。
これらの処理をこの順に4回繰り返した。
(3) Anodizing treatment First, to the sample after degreasing treatment obtained above, an electrolytic solution of 5.00 mol / L malonic acid with a voltage of 130.0 V, a liquid temperature of 3 ° C., and a liquid flow rate of 5.0 m / min. Anodizing treatment was performed for 7.5 minutes under the conditions. The voltage was set to a constant voltage setting of 130.0 V (± 0.1 V) using GPO-250-30R (manufactured by Takasago Seisakusho).
Next, the sample after the anodizing treatment was subjected to a film removal treatment of dipping in a 0.52 mol / L phosphoric acid aqueous solution (liquid temperature: 40 ° C.) for 42.5 minutes.
These treatments were repeated 4 times in this order.
次いで、4回目の脱膜処理後のサンプルに、5.00mol/Lマロン酸の電解液で、電圧130.0V、液温度3℃、液流速5.0m/minの条件で7.5分間陽極酸化処理を施した。電圧はGPO−250−30R(高砂製作所社製)を用いて、130.0V(±0.1V)の定電圧設定にした。
次いで、上記で得られた陽極酸化処理後のサンプルに、5.00mol/Lマロン酸の電解液で、電流密度120A/m2、液温度3℃の条件で90分間陽極酸化処理を施した。電流はカレントトランスおよび電圧計を用いて、導線部に流れる電流を測定し、120A/m2(±10A/m2)に制御した。
Next, the sample after the fourth film removal treatment was treated with an electrolyte solution of 5.00 mol / L malonic acid for 7.5 minutes under conditions of a voltage of 130.0 V, a liquid temperature of 3 ° C., and a liquid flow rate of 5.0 m / min. Oxidation treatment was performed. The voltage was set to a constant voltage setting of 130.0 V (± 0.1 V) using GPO-250-30R (manufactured by Takasago Seisakusho).
Next, the anodized sample obtained above was anodized with an electrolyte solution of 5.00 mol / L malonic acid for 90 minutes under the conditions of a current density of 120 A / m 2 and a liquid temperature of 3 ° C. The current was measured by using a current transformer and a voltmeter, and the current flowing through the conductor was measured and controlled to 120 A / m 2 (± 10 A / m 2 ).
(4)貫通化処理
次いで、20%塩酸水溶液に0.1mol/Lの塩化銅をブレンドした処理液を用い、液温10℃で、20分間浸漬させることによりアルミニウム基板を溶解させた。
その後、得られたサンプル全体を5%のKCl緩衝液に10分間浸漬させた後、陽極酸化皮膜の底部(バリア層側)のみを0.1N−KOH水溶液に30℃、30分間浸漬させることにより陽極酸化皮膜の底部を除去し、ポア径を拡大したマイクロポア(貫通孔)を有する陽極酸化皮膜からなる構造体を作製した。
得られた貫通化処理後の構造体の表面写真および断面写真(倍率20000倍)をFE−SEMにより撮影し、以下の形状であることを確認した。
・構造体の厚さ:50μm
・貫通孔の深さ:50μm
・貫通孔の平均開孔径:80nm
・貫通孔の周期(中心間距離):280nm
・貫通孔の規則化度:78%
(4) Penetration treatment Next, an aluminum substrate was dissolved by immersion for 20 minutes at a liquid temperature of 10 ° C. using a treatment liquid in which 0.1 mol / L copper chloride was blended with 20% hydrochloric acid aqueous solution.
Thereafter, the entire sample obtained was immersed in a 5% KCl buffer solution for 10 minutes, and then only the bottom portion (barrier layer side) of the anodized film was immersed in an aqueous 0.1N-KOH solution at 30 ° C. for 30 minutes. The bottom part of the anodic oxide film was removed, and the structure which consists of an anodic oxide film which has the micropore (through-hole) which expanded the pore diameter was produced.
The surface photograph and cross-sectional photograph (magnification 20000 times) of the obtained structure after the penetration treatment were photographed with FE-SEM and confirmed to have the following shape.
-Structure thickness: 50 μm
-Depth of through hole: 50 μm
・ Average hole diameter of through-holes: 80 nm
-Period of through holes (distance between centers): 280 nm
-Ordering degree of through holes: 78%
ここで、上記貫通孔の周期は、上記貫通孔の中心間距離(ピッチ)をいい、50点測定した平均値である。
また、上記貫通孔の規則化度は、下記式(ii)により定義される規則化度を測定した値である。
Here, the period of the through hole refers to the center-to-center distance (pitch) of the through hole, and is an average value measured at 50 points.
Further, the degree of ordering of the through holes is a value obtained by measuring the degree of ordering defined by the following formula (ii).
規則化度(%)=B/A×100 (ii)
上記式(ii)中、Aは、測定範囲における貫通孔の全数を表す。Bは、一の貫通孔の重心を中心とし、他の貫通孔の縁に内接する最も半径が短い円を描いた場合に、その円の内部に上記一の貫通孔以外の貫通孔の重心を6個含むことになる上記一の貫通孔の測定範囲における数を表す。
Ordering degree (%) = B / A × 100 (ii)
In the above formula (ii), A represents the total number of through holes in the measurement range. B is centered on the center of gravity of one through-hole, and when a circle with the shortest radius inscribed in the edge of the other through-hole is drawn, the center of gravity of the through-holes other than the one through-hole is set inside the circle. The number in the measurement range of the one through-hole to be included is represented.
ここで、図6は、貫通孔の規則化度を算出する方法の説明図である。図6を用いて、上記式(ii)をより具体的に説明する。
図6(A)に示される貫通孔101は、貫通孔101の重心を中心とし、他の貫通孔の縁に内接する最も半径が短い円103(貫通孔102に内接している。)を描いた場合に、円3の内部に貫通孔101以外の貫通孔の重心を6個含んでいる。したがって、貫通孔101は、Bに算入される。
図6(B)に示される貫通孔104は、貫通孔104の重心を中心とし、他の貫通孔の縁に内接する最も半径が短い円106(貫通孔105に内接している。)を描いた場合に、円106の内部に貫通孔104以外の貫通孔の重心を5個含んでいる。したがって、貫通孔104は、Bに算入されない。
また、図6(B)に示される貫通孔107は、貫通孔107の重心を中心とし、他の貫通孔の縁に内接する最も半径が短い円109(貫通孔108に内接している。)を描いた場合に、円109の内部に貫通孔107以外の貫通孔の重心を7個含んでいる。したがって、貫通孔107は、Bに算入されない。
Here, FIG. 6 is an explanatory diagram of a method for calculating the degree of ordering of the through holes. The above formula (ii) will be described more specifically with reference to FIG.
The through-hole 101 shown in FIG. 6A draws a circle 103 (inscribed in the through-hole 102) having the shortest radius inscribed in the edge of another through-hole with the center of gravity of the through-hole 101 as the center. In such a case, the center of gravity of the through holes other than the through hole 101 is included in the circle 3. Therefore, the through hole 101 is included in B.
The through-hole 104 shown in FIG. 6 (B) draws a circle 106 (inscribed in the through-hole 105) having the shortest radius that is centered on the center of gravity of the through-hole 104 and inscribed in the edge of the other through-hole. In this case, the center of the through hole other than the through hole 104 is included in the circle 106. Therefore, the through hole 104 is not included in B.
Further, the through hole 107 shown in FIG. 6B is centered on the center of gravity of the through hole 107 and has the shortest radius 109 inscribed in the edge of the other through hole (inscribed in the through hole 108). Is drawn, the center of the through hole other than the through hole 107 is included in the circle 109. Therefore, the through hole 107 is not included in B.
(5)水和処理
上記で得られた貫通処理後の構造体の片面をpH11.4に調整したアンモニア水(液温80℃)接触させた。
30分間接触させた後、表面写真および断面写真(倍率100000倍)をFE−SEMにより撮影したところ、貫通孔の一方側が粒状の水和物で封孔された電解質膜が作製されていることが確認できた。
(5) Hydration treatment One side of the structure after penetration treatment obtained above was brought into contact with ammonia water (liquid temperature 80 ° C.) adjusted to pH 11.4.
After contacting for 30 minutes, a surface photograph and a cross-sectional photograph (magnification 100000 times) were taken with an FE-SEM. As a result, an electrolyte membrane in which one side of the through hole was sealed with granular hydrate was produced. It could be confirmed.
(6)焼成
水和処理後の電解質膜を焼成し、貫通孔内に形成した水和物をアルミナに変性させた。
焼成は、昇温速度10℃/10minで昇温させた後、550℃で3時間維持し、降温速度2℃/10minの条件で行った。
(6) Firing The electrolyte membrane after the hydration treatment was fired, and the hydrate formed in the through holes was modified to alumina.
Firing was performed at a temperature increase rate of 10 ° C./10 min, then maintained at 550 ° C. for 3 hours, and a temperature decrease rate of 2 ° C./10 min.
焼成後に得られた電解質膜について、以下に示す方法でメタノール透過性およびプロトン伝導性を評価した。その結果を下記第1表に示す。 The electrolyte membrane obtained after firing was evaluated for methanol permeability and proton conductivity by the following methods. The results are shown in Table 1 below.
<メタノール透過性>
メタノールの透過性能試験は、120℃における浸透気化実験により行った。供給液はメタノール/水(質量比)=1/9とし、透過側を減圧し、透過流速が定常になるまで行った。
具体的には、得られた電解質膜をステンレス製のセルに挟み、膜上面に上記供給液を入れ、撹拌した。ここで、供給液は、液中にヒータおよび測温抵抗体を挿入し、温度を120℃℃に保持して供給した。
次いで、膜下面、即ち透過側を減圧し、コールドトラップ中に膜を透過したメタノールおよび水蒸気を捕集した。
捕集した蒸気、即ち、コールドトラップ中で固体となった水蒸気を加熱して溶解させた後、液体として取り出し、その質量から全透過係数を測定し、また、ガスクロマトグラフ分析により透過蒸気組成を測定した。
膜透過性能が安定するまでの数時間のデータは無視し、膜透過性能が時間に対して一定となる値を定常状態の透過性として評価した。
<Methanol permeability>
The methanol permeation performance test was performed by pervaporation experiments at 120 ° C. The feed liquid was methanol / water (mass ratio) = 1/9, and the permeation side was depressurized until the permeation flow rate became steady.
Specifically, the obtained electrolyte membrane was sandwiched between stainless steel cells, and the above supply solution was placed on the upper surface of the membrane and stirred. Here, the supply liquid was supplied by inserting a heater and a resistance temperature detector in the liquid and maintaining the temperature at 120 ° C.
Next, the lower surface of the membrane, that is, the permeate side was decompressed, and methanol and water vapor that permeated the membrane were collected in a cold trap.
The collected vapor, that is, water vapor that has become solid in the cold trap is heated and dissolved, and then taken out as a liquid. The total permeation coefficient is measured from its mass, and the permeated vapor composition is measured by gas chromatographic analysis. did.
The data for several hours until the membrane permeation performance was stabilized was ignored, and the value at which the membrane permeation performance was constant with respect to time was evaluated as the steady-state permeability.
<プロトン伝導性>
得られた電解質膜を水(温度:25℃)中で膨潤させた後、2枚の白金箔電極で挟んだプロトン伝導性測定用試料を作製し、HP4192A(ヒューレット・パッカード社製)によりインピーダンス測定を行った。
<Proton conductivity>
After the obtained electrolyte membrane was swollen in water (temperature: 25 ° C.), a sample for proton conductivity measurement sandwiched between two platinum foil electrodes was prepared, and impedance measurement was performed using HP4192A (manufactured by Hewlett-Packard Company). Went.
(実施例2)
焼成処理までを実施例1と同様の方法に行って電解質膜を作製し、貫通孔にプロトン伝導性を有する親水性ポリマーを充填させて電解質膜を作製した。
ここで、親水性ポリマーの充填は、以下のようにして行った。
まず、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸99mol%と架橋剤であるメチレンビスアクリルアミド1mol%との混合物を、水で50質量%まで希釈した。
次いで、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸およびメチレンビスアクリルアミドの合計量100mol%に対して、水溶性アゾ系開始剤(V−50、和光純薬社製)1mol%を添加した。
この混合液を減圧チャンバー内で、電解質膜表面に滴下した後、6分間可視光を照射した。その後、50℃のオーブン中で18時間加熱した。
次いで、電解質膜表面の余分なポリマーを除去し、大過剰の1N塩酸を用いてイオン交換した後、蒸留水で十分に洗浄し、50℃のオーブン中で乾燥させて貫通孔に親水性ポリマーを充填した電解質膜を得た。
得られた電解質膜について、上述した方法でメタノール透過性およびプロトン伝導性を評価した。その結果を下記第1表に示す。
(Example 2)
The process up to the firing treatment was performed in the same manner as in Example 1 to produce an electrolyte membrane, and a hydrophilic polymer having proton conductivity was filled in the through hole to produce an electrolyte membrane.
Here, the filling of the hydrophilic polymer was performed as follows.
First, a mixture of 99 mol% 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid and 1 mol% methylenebisacrylamide as a crosslinking agent was diluted with water to 50 mass%.
Next, 1 mol% of a water-soluble azo initiator (V-50, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added to 100 mol% of the total amount of 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid and methylenebisacrylamide.
This mixed solution was dropped on the electrolyte membrane surface in a vacuum chamber, and then irradiated with visible light for 6 minutes. Then, it heated in 50 degreeC oven for 18 hours.
Next, excess polymer on the surface of the electrolyte membrane is removed, ion exchange is performed using a large excess of 1N hydrochloric acid, and then thoroughly washed with distilled water, and dried in an oven at 50 ° C., so that the hydrophilic polymer is placed in the through holes. A filled electrolyte membrane was obtained.
About the obtained electrolyte membrane, methanol permeability and proton conductivity were evaluated by the method described above. The results are shown in Table 1 below.
(実施例3)
焼成処理までを実施例1と同様の方法に行って電解質膜を作製し、その後に親水化処理を施して電解質膜を作製した。
ここで、親水化処理は、電解質膜をシリケート処理液(3号珪酸ソーダ希釈水、Si濃度:2質量%、日本化学工業社製)に、液温35℃で1分間浸漬させて行った。
得られた電解質膜について、上述した方法でメタノール透過性およびプロトン伝導性を評価した。その結果を下記第1表に示す。
(Example 3)
The process up to the firing treatment was performed in the same manner as in Example 1 to produce an electrolyte membrane, and then a hydrophilic treatment was performed to produce an electrolyte membrane.
Here, the hydrophilization treatment was performed by immersing the electrolyte membrane in a silicate treatment solution (No. 3 sodium silicate diluted water, Si concentration: 2% by mass, manufactured by Nippon Chemical Industry Co., Ltd.) at a liquid temperature of 35 ° C. for 1 minute.
About the obtained electrolyte membrane, methanol permeability and proton conductivity were evaluated by the method described above. The results are shown in Table 1 below.
(実施例4)
実施例3と同様の方法に行って電解質膜を作製し、貫通孔にプロトン伝導性を有する親水性ポリマーを充填させて電解質膜を作製した。
ここで、親水性ポリマーの充填は、以下のようにして行った。
まず、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸99mol%と架橋剤であるメチレンビスアクリルアミド1mol%との混合物を、水で50質量%まで希釈した。
次いで、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸およびメチレンビスアクリルアミドの合計量100mol%に対して、水溶性アゾ系開始剤(V−50、和光純薬社製)1mol%を添加した。
この混合液を減圧チャンバー内で、電解質膜表面に滴下した後、6分間可視光を照射した。その後、50℃のオーブン中で18時間加熱した。
次いで、電解質膜表面の余分なポリマーを除去し、大過剰の1N塩酸を用いてイオン交換した後、蒸留水で十分に洗浄し、50℃のオーブン中で乾燥させて貫通孔に親水性ポリマーを充填した電解質膜を得た。
得られた電解質膜について、上述した方法でメタノール透過性およびプロトン伝導性を評価した。その結果を下記第1表に示す。
Example 4
An electrolyte membrane was produced in the same manner as in Example 3, and a hydrophilic polymer having proton conductivity was filled in the through hole to produce an electrolyte membrane.
Here, the filling of the hydrophilic polymer was performed as follows.
First, a mixture of 99 mol% 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid and 1 mol% methylenebisacrylamide as a crosslinking agent was diluted with water to 50 mass%.
Next, 1 mol% of a water-soluble azo initiator (V-50, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added to 100 mol% of the total amount of 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid and methylenebisacrylamide.
This mixed solution was dropped on the electrolyte membrane surface in a vacuum chamber, and then irradiated with visible light for 6 minutes. Then, it heated in 50 degreeC oven for 18 hours.
Next, excess polymer on the surface of the electrolyte membrane is removed, ion exchange is performed using a large excess of 1N hydrochloric acid, and then thoroughly washed with distilled water, and dried in an oven at 50 ° C., so that the hydrophilic polymer is placed in the through holes. A filled electrolyte membrane was obtained.
About the obtained electrolyte membrane, methanol permeability and proton conductivity were evaluated by the method described above. The results are shown in Table 1 below.
(実施例5)
(1)電解研磨処理
実施例1と同様の条件で行った。
(2)脱脂処理
実施例1と同様の条件で行った。
(Example 5)
(1) Electropolishing treatment The conditions were the same as in Example 1.
(2) Degreasing treatment The conditions were the same as in Example 1.
(3)陽極酸化処理
まず、上記で得られた脱脂処理後のサンプルに、0.1mol/Lリン酸の電解液で、電圧195.0V、液温度3℃、液流速5.0m/minの条件で240分陽極酸化処理を施した。電圧はGPO−250−30R(高砂製作所社製)を用いて、195.0V(±0.1V)の定電圧設定にした。
次いで、陽極酸化処理後のサンプルに、0.52mol/Lリン酸水溶液(液温:40℃)に42.5分間浸漬させる脱膜処理を施した。
これらの処理をこの順に4回繰り返した。
(3) Anodizing treatment First, the degreased sample obtained above was charged with an electrolyte solution of 0.1 mol / L phosphoric acid at a voltage of 195.0 V, a liquid temperature of 3 ° C., and a liquid flow rate of 5.0 m / min. Anodizing treatment was performed for 240 minutes under the conditions. The voltage was set to a constant voltage setting of 195.0 V (± 0.1 V) using GPO-250-30R (manufactured by Takasago Seisakusho).
Next, the sample after the anodizing treatment was subjected to a film removal treatment of dipping in a 0.52 mol / L phosphoric acid aqueous solution (liquid temperature: 40 ° C.) for 42.5 minutes.
These treatments were repeated 4 times in this order.
次いで、4回目の脱膜処理後のサンプルに、0.5mol/Lリン酸の電解液で、電圧195.0V、液温度3℃、液流速3.0m/minの条件で30分間陽極酸化処理を施した。電圧はGPO−250−30R(高砂製作所社製)を用いて、195.0V(±0.1V)の定電圧設定にした。
次いで、上記で得られた陽極酸化処理後のサンプルに、0.5mol/Lリン酸の電解液で、電流密度200A/m2、液温度3℃の条件で720分間陽極酸化処理を施した。電流はカレントトランスおよび電圧計を用いて、導線部に流れる電流を測定し、200A/m2(±10A/m2)に制御した。
Next, the sample after the fourth film removal treatment was anodized with an electrolyte solution of 0.5 mol / L phosphoric acid for 30 minutes under the conditions of a voltage of 195.0 V, a liquid temperature of 3 ° C., and a liquid flow rate of 3.0 m / min. Was given. The voltage was set to a constant voltage setting of 195.0 V (± 0.1 V) using GPO-250-30R (manufactured by Takasago Seisakusho).
Next, the anodized sample obtained above was anodized with an electrolyte solution of 0.5 mol / L phosphoric acid at a current density of 200 A / m 2 and a liquid temperature of 3 ° C. for 720 minutes. The current was measured using a current transformer and a voltmeter, and the current flowing through the conducting wire was measured and controlled to 200 A / m 2 (± 10 A / m 2 ).
(4)貫通化処理
次いで、20%塩酸水溶液に0.1mol/Lの塩化銅をブレンドした処理液を用い、液温10℃で、20分間浸漬させることによりアルミニウム基板を溶解させた。
その後、得られたサンプル全体を5%のKCl緩衝液に10分間浸漬させた後、陽極酸化皮膜の底部(バリア層側)のみを0.1N−KOH水溶液に25℃、50分間浸漬させることにより陽極酸化皮膜の底部を除去し、ポア径を拡大したマイクロポア(貫通孔)を有する陽極酸化皮膜からなる構造体を作製した。
得られた貫通化処理後の構造体の表面写真および断面写真(倍率20000倍)をFE−SEMにより撮影し、以下の形状であることを確認した。
・構造体の厚さ:70μm
・貫通孔の深さ:70μm
・貫通孔の平均開孔径:150nm
・貫通孔の周期(中心間距離):500nm
・貫通孔の規則化度:90%
(4) Penetration treatment Next, an aluminum substrate was dissolved by immersion for 20 minutes at a liquid temperature of 10 ° C. using a treatment liquid in which 0.1 mol / L copper chloride was blended with 20% hydrochloric acid aqueous solution.
Thereafter, the entire sample obtained was immersed in a 5% KCl buffer solution for 10 minutes, and then only the bottom (barrier layer side) of the anodized film was immersed in a 0.1N KOH aqueous solution at 25 ° C. for 50 minutes. The bottom part of the anodic oxide film was removed, and the structure which consists of an anodic oxide film which has the micropore (through-hole) which expanded the pore diameter was produced.
The surface photograph and cross-sectional photograph (magnification 20000 times) of the obtained structure after the penetration treatment were photographed with FE-SEM and confirmed to have the following shape.
・ Thickness of structure: 70 μm
-Depth of through hole: 70 μm
-Average opening diameter of through-holes: 150 nm
・ Period of through-hole (distance between centers): 500 nm
-Ordering degree of through holes: 90%
(5)水和処理
上記で得られた貫通処理後の構造体の片面をpH11.4に調整したアンモニア水(液温80℃)接触させた。
60分間接触させた後、表面写真および断面写真(倍率100000倍)をFE−SEMにより撮影したところ、貫通孔の一方側が粒状の水和物で封孔された電解質膜が作製されていることが確認できた。
(6)焼成
実施例1と同様の条件で行った。
(5) Hydration treatment One side of the structure after penetration treatment obtained above was brought into contact with ammonia water (liquid temperature 80 ° C.) adjusted to pH 11.4.
After contacting for 60 minutes, a surface photograph and a cross-sectional photograph (magnification 100000 times) were taken with an FE-SEM. As a result, an electrolyte membrane in which one side of the through hole was sealed with granular hydrate was produced. It could be confirmed.
(6) Firing This was performed under the same conditions as in Example 1.
焼成後、実施例2と同様の方法で貫通孔にプロトン伝導性を有する親水性ポリマーを充填させて電解質膜を作製した。
得られた電解質膜について、上述した方法でメタノール透過性およびプロトン伝導性を評価した。その結果を下記第1表に示す。
After firing, an electrolyte membrane was prepared by filling the through holes with a hydrophilic polymer having proton conductivity in the same manner as in Example 2.
About the obtained electrolyte membrane, methanol permeability and proton conductivity were evaluated by the method described above. The results are shown in Table 1 below.
(実施例6)
焼成処理までを実施例5と同様の方法に行って電解質膜を作製し、その後に親水化処理を施して電解質膜を作製した。
ここで、親水化処理は、電解質膜をイオン交換水に浸漬し、硝酸を添加してpHを4まで下げた。その後、イオン交換水中にアンモニア水を滴下し、pHを7まで戻し、イオン交換水を取り替えて、洗浄した。
得られた電解質膜について、上述した方法でメタノール透過性およびプロトン伝導性を評価した。その結果を下記第1表に示す。
(Example 6)
The process up to the firing treatment was carried out in the same manner as in Example 5 to produce an electrolyte membrane, followed by a hydrophilization treatment to produce an electrolyte membrane.
Here, in the hydrophilization treatment, the electrolyte membrane was immersed in ion exchange water, and nitric acid was added to lower the pH to 4. Thereafter, ammonia water was dropped into ion-exchanged water, the pH was returned to 7, and the ion-exchanged water was replaced and washed.
About the obtained electrolyte membrane, methanol permeability and proton conductivity were evaluated by the method described above. The results are shown in Table 1 below.
(実施例7)
水和処理を以下のように変更し、親水性ポリマーの充填処理を行わなかった以外は、実施例5と同様の方法で電解質膜を作製した。
貫通処理後の構造体の両面をpH11.4に調整したアンモニア水(液温80℃)接触させた。
60分間接触させた後、表面写真および断面写真(倍率100000倍)をFE−SEMにより撮影したところ、貫通孔の両方側が粒状の水和物で封孔された電解質膜が作製されていることが確認できた。
得られた電解質膜について、上述した方法でメタノール透過性およびプロトン伝導性を評価した。その結果を下記第1表に示す。
(Example 7)
An electrolyte membrane was produced in the same manner as in Example 5 except that the hydration treatment was changed as follows and the hydrophilic polymer filling treatment was not performed.
Both surfaces of the structure after the penetration treatment were brought into contact with ammonia water (liquid temperature 80 ° C.) adjusted to pH 11.4.
After contacting for 60 minutes, a surface photograph and a cross-sectional photograph (magnification 100000 times) were taken with FE-SEM, and it was found that an electrolyte membrane having both sides of the through hole sealed with granular hydrate was produced. It could be confirmed.
About the obtained electrolyte membrane, methanol permeability and proton conductivity were evaluated by the method described above. The results are shown in Table 1 below.
(実施例8)
水和処理を以下のように変更し、親水性ポリマーの充填処理を行わなかった以外は、実施例5と同様の方法で電解質膜を作製した。
貫通処理後の構造体全体をpH11.4に調整したアンモニア水(液温30℃)に浸漬させた。
8時間接触させた後、表面写真および断面写真(倍率100000倍)をFE−SEMにより撮影したところ、貫通孔の内部まで粒状の水和物で封孔された電解質膜が作製されていることが確認できた。
得られた電解質膜について、上述した方法でメタノール透過性およびプロトン伝導性を評価した。その結果を下記第1表に示す。
(Example 8)
An electrolyte membrane was produced in the same manner as in Example 5 except that the hydration treatment was changed as follows and the hydrophilic polymer filling treatment was not performed.
The entire structure after the penetration treatment was immersed in aqueous ammonia (liquid temperature 30 ° C.) adjusted to pH 11.4.
After contacting for 8 hours, a surface photograph and a cross-sectional photograph (magnification 100000 times) were taken with an FE-SEM, and it was confirmed that an electrolyte membrane sealed with granular hydrate was produced up to the inside of the through hole. It could be confirmed.
About the obtained electrolyte membrane, methanol permeability and proton conductivity were evaluated by the method described above. The results are shown in Table 1 below.
(実施例9)
焼成処理までを実施例8と同様の方法に行って電解質膜を作製し、その後に親水化処理を施して電解質膜を作製した。
ここで、親水化処理は、実施例6と同様の方法により行った。
得られた電解質膜について、上述した方法でメタノール透過性およびプロトン伝導性を評価した。その結果を下記第1表に示す。
Example 9
The process up to the firing treatment was performed in the same manner as in Example 8 to produce an electrolyte membrane, followed by a hydrophilization treatment to produce an electrolyte membrane.
Here, the hydrophilic treatment was performed in the same manner as in Example 6.
About the obtained electrolyte membrane, methanol permeability and proton conductivity were evaluated by the method described above. The results are shown in Table 1 below.
(参考例)
水和処理までを実施例1と同様の方法に行って電解質膜を作製した。
得られた電解質膜について、上述した方法でメタノール透過性およびプロトン伝導性を評価した。その結果、下記第1表に示すように、初期性能は実施例1と同じであったが、1時間後のメタノール透過率が50μm・kg/m2hまで上昇する結果となった。
( Reference example )
The electrolyte membrane was produced by performing the same process as in Example 1 until the hydration treatment.
About the obtained electrolyte membrane, methanol permeability and proton conductivity were evaluated by the method described above. As a result, as shown in Table 1 below, the initial performance was the same as in Example 1, but the methanol permeability after 1 hour increased to 50 μm · kg / m 2 h.
(比較例1)
貫通化処理までを実施例1と同様の方法に行って電解質膜を作製した。
得られた電解質膜について、上述した方法でメタノール透過性およびプロトン伝導性を評価した。その結果を下記第1表に示す。
(Comparative Example 1)
The electrolyte membrane was produced by performing the same process as in Example 1 up to the penetration treatment.
About the obtained electrolyte membrane, methanol permeability and proton conductivity were evaluated by the method described above. The results are shown in Table 1 below.
(比較例2)
固体高分子電解質(Nafion(登録商標)117)について、上述した方法でメタノール透過性およびプロトン伝導性を評価した。その結果、下記第1表に示すように、初期性能は実施例1と同じであったが、1時間後のメタノール透過率が50μm・kg/m2hまで上昇する結果となった。
(Comparative Example 2)
The solid polymer electrolyte (Nafion (registered trademark) 117) was evaluated for methanol permeability and proton conductivity by the methods described above. As a result, as shown in Table 1 below, the initial performance was the same as in Example 1, but the methanol permeability after 1 hour increased to 50 μm · kg / m 2 h.
第1表に示すように、貫通孔の水和物を形成させて焼成した電解質膜(実施例1〜9)は、水和物を形成させていない電解質膜(比較例1)に比べてメタノールに対する耐久性が高いことが分かった。
また、実施例1〜9及び参考例は、従来公知の電解質膜を用いた比較例2に比べて、高いメタノール耐久性を維持し、プロトン選択性がより良好であることが分かった。
As shown in Table 1, the electrolyte membranes (Examples 1 to 9 ) fired by forming hydrates of through-holes were more methanol than the electrolyte membranes (Comparative Example 1) in which hydrates were not formed. It was found to be highly durable.
In Examples 1-9 and Reference Examples are compared with Comparative Example 2 using the conventional electrolyte membrane, maintaining a high methanol resistance, it was found that the proton selectivity is better.
1 燃料電池用電解質膜
2 陽極酸化皮膜
3 貫通孔
4 水和物
32 アルミニウム基板
34、34a、34b、34c、34d 陽極酸化皮膜
36、36a、36b、36c、36d マイクロポア
37 貫通孔
38、38a、38b、38c、38d バリア層
101、102、104、105、107、108 貫通孔
103、106、109 円
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell electrolyte membrane 2 Anodized film 3 Through-hole 4 Hydrate 32 Aluminum substrate 34, 34a, 34b, 34c, 34d Anodized film 36, 36a, 36b, 36c, 36d Micropore 37 Through-hole 38, 38a, 38b, 38c, 38d Barrier layer 101, 102, 104, 105, 107, 108 Through hole 103, 106, 109 yen
Claims (3)
前記陽極酸化皮膜が、前記陽極酸化皮膜の深さ方向に平均開孔径が20〜200nmの貫通孔を有し、
前記貫通孔の少なくとも一部にpH9〜13に調整したアルカリ水溶液を供給して前記アルミニウムの水和物を形成し、
前記水和物を形成させた前記貫通孔を有する前記陽極酸化皮膜を焼成し、前記水和物を酸化する燃料電池用電解質膜の製造方法。 A method for producing an electrolyte membrane for a fuel cell using an anodized film obtained by anodizing aluminum ,
The anodic oxide film has through holes with an average pore diameter of 20 to 200 nm in the depth direction of the anodic oxide film,
Supplying an alkaline aqueous solution adjusted to pH 9 to 13 to at least a part of the through-hole to form the aluminum hydrate ,
A method for producing an electrolyte membrane for a fuel cell , wherein the anodic oxide film having the through-hole formed with the hydrate is fired to oxidize the hydrate .
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