JPH0585575B2 - - Google Patents
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- JPH0585575B2 JPH0585575B2 JP5934586A JP5934586A JPH0585575B2 JP H0585575 B2 JPH0585575 B2 JP H0585575B2 JP 5934586 A JP5934586 A JP 5934586A JP 5934586 A JP5934586 A JP 5934586A JP H0585575 B2 JPH0585575 B2 JP H0585575B2
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Description
〔本発明の分野〕
本発明は、新規な含フツ素系三層構造イオン交
換膜に関する。
更に詳しくは、三層構造をもち両側の層にカチ
オン交換基を有し、中央の層にアニオン交換基を
有する含フツ素系三層構造イオン交換膜に関する
ものである。
本発明の含フツ素系三層構造イオン交換膜は電
池のセパレーター、1価、多価イオンの選択膜等
に使用することができる。
〔従来技術〕
従来、このような多層構造イオン交換膜として
は炭化水素系の重合体が使用されてきた。
これらの方法としては、イオン交換膜の表面を
高分子電解質で処理する方法、あるいは両側にモ
ノマーを含浸し、重合する方法とが提案されてき
た。
しかし、乾燥−膨潤の繰り返しで膜が破壊され
たり、耐薬品性を向上する等の問題は解決できて
いない。
〔発明が解決しようとする問題点〕
本発明は上記問題点を解決するものである。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明者らは、乾燥−膨潤の繰り返しで膜が破
壊されず、耐薬品性、特に耐酸化性にも耐える膜
について鋭意検討を重ねた結果、三層構造をも
ち、両側の層のペンダント鎖にカチオン交換基を
有し、中央の層のペンダント鎖にカチオン交換基
を有し、中央の層のペンダント鎖にアニオン交換
基を有し、かつ主鎖がペルフルオロカーボン重合
体からなる非架橋型含フツ素系イオン交換膜を見
い出し本発明を完成した。
本発明の三層構造膜は、好ましくはそのカチオ
ン交換基がスルホン酸基であり、アニオン交換基
が四級アンモニウム基である。本発明の三層構造
イオン交換膜は、更に好ましくは、ペンダント鎖
にカチオン交換基を有する層が下記の一般式
[Field of the Invention] The present invention relates to a novel fluorine-containing three-layer ion exchange membrane. More specifically, the present invention relates to a fluorine-containing three-layer ion exchange membrane having a three-layer structure, with cation exchange groups in both layers and an anion exchange group in the center layer. The fluorine-containing three-layer ion exchange membrane of the present invention can be used as a battery separator, a selective membrane for monovalent and multivalent ions, and the like. [Prior Art] Conventionally, hydrocarbon polymers have been used as such multilayer ion exchange membranes. As these methods, a method has been proposed in which the surface of the ion exchange membrane is treated with a polymer electrolyte, or a method in which both sides are impregnated with a monomer and polymerized. However, problems such as membrane destruction due to repeated drying and swelling and improvements in chemical resistance have not been solved. [Problems to be Solved by the Invention] The present invention solves the above problems. [Means for Solving the Problems] The present inventors have conducted intensive studies on a membrane that will not be destroyed by repeated drying and swelling and has chemical resistance, especially oxidation resistance. structure, the pendant chains on both sides have cation exchange groups, the pendant chains in the middle layer have cation exchange groups, the pendant chains in the middle layer have anion exchange groups, and the main chain is A non-crosslinked fluorine-containing ion exchange membrane made of a perfluorocarbon polymer was discovered and the present invention was completed. In the three-layer membrane of the present invention, preferably the cation exchange group is a sulfonic acid group and the anion exchange group is a quaternary ammonium group. More preferably, in the three-layer ion exchange membrane of the present invention, the layer having a cation exchange group in the pendant chain has the following general formula:
【化】
X=FまたはCF3、YはSO3M(Mはアルカリ金
属)、l=0または1〜5の整数、m=0または
1、n=1または2〜5の整数、p及びqは正の
数であつて、その比p/qは2〜16である。
で表わされる繰り返し単位よりなり、ペンダント
鎖にアニオン交換基を有する層が一般式[Chemical formula ] q is a positive number and its ratio p/q is 2-16. The layer consisting of repeating units represented by the general formula
【化】
x、l、m、n、pおよびqは上記と同一、
zは第四級アンモニウム基を含む基
で表わされる繰り返し単位よりなる含フツ素系三
層構造イオン交換膜である。
なお、両式中l、mおよびnは同一主鎖上にお
いてもペンダント鎖毎に異なる数をとることがで
きる。さらに、p/qの値は共重合体中の平均値
を意味し、個々の繰り返し単位において異なる値
をとる場合を含むことは当然である。
本発明の三層構造イオン交換膜の両側の層を形
成する層状カチオン交換基は具体的には以下のよ
うな構造の重合体を例示することができる。[Image Omitted] This is a fluorine-containing three-layer ion exchange membrane consisting of repeating units where x, l, m, n, p and q are the same as above, and z is a group containing a quaternary ammonium group. In both formulas, l, m and n can take different numbers for each pendant chain even on the same main chain. Furthermore, the value of p/q means an average value in the copolymer, and it goes without saying that the value of p/q includes cases in which each repeating unit takes a different value. Specifically, the layered cation exchange groups forming the layers on both sides of the three-layer structure ion exchange membrane of the present invention can be exemplified by polymers having the following structures.
【化】[ka]
【化】[ka]
【化】[ka]
【化】
これらのカチオン交換基の対イオンは水素イオ
ン又はナトリウムイオン、カリウムイオン等のア
ルカリ金属イオンであつてよい。
本発明の三層構造イオン交換膜の中央の層を形
成する層状アニオン交換基は、具体的には前述し
た一般式中のZとして、下記のような基をもつ重
合体を例示することができる。embedded image The counter ion of these cation exchange groups may be a hydrogen ion or an alkali metal ion such as a sodium ion or a potassium ion. Specifically, the layered anion exchange group forming the central layer of the three-layer structure ion exchange membrane of the present invention can be exemplified by a polymer having the following group as Z in the above general formula. .
【化】[ka]
【化】[ka]
【化】[ka]
【化】[ka]
【化】[ka]
【化】[ka]
【化】
これらアニオン交換基の対イオンとしては、水
酸イオン;塩素イオン、臭素イオン、ヨウ素イオ
ン等のハロゲンイオン;トリフルオロメタンスル
ホン酸イオン等を例示することができる。
本発明の層状カチオン交換基及び層状アニオン
交換基の厚さは、好ましくは約1μmないし約
200μmの範囲である。本発明の含フツ素系三層構
造イオン交換膜は、平膜状の膜あるいはチユーブ
状の形態であつてもよい。
本発明の含フツ素系三層構造イオン交換膜は、
例えば下記一般式で表わされる繰り返し単位より
なる共重合体膜を原料として製造することができ
る。[Image Omitted] Examples of counter ions for these anion exchange groups include hydroxide ions; halogen ions such as chloride ions, bromide ions, and iodine ions; and trifluoromethanesulfonate ions. The thickness of the layered cation exchange groups and layered anion exchange groups of the present invention is preferably from about 1 μm to about 1 μm.
It is in the range of 200μm. The fluorine-containing three-layer ion exchange membrane of the present invention may be in the form of a flat membrane or a tube. The fluorine-containing three-layer ion exchange membrane of the present invention is
For example, it can be produced using a copolymer film composed of repeating units represented by the following general formula as a raw material.
【化】
Y′は式SO2Qで表わされる基であつて、その式
中Qはハロゲン原子または式OA(式中Aは水素、
アルカル金属または低級アルキル基を表わす)で
表わされる基であり、x、l、m、n、p及びq
は、いずれも前記同様の意味である。
l、m及びnは同一主鎖上においてもペンダン
ト鎖毎に異なる数をとることができること及び
p/qの値が共重合体中の平均値を意味し、個々
の繰り返し単位において異なる値をとる場合を含
むことも同じである。
具体的には、[Chemical formula] Y' is a group represented by the formula SO 2 Q, where Q is a halogen atom or a group of the formula OA (where A is hydrogen,
(representing an alkal metal or lower alkyl group), x, l, m, n, p and q
have the same meanings as above. l, m and n can take different numbers for each pendant chain even on the same main chain, and the value of p/q means the average value in the copolymer, and takes different values for individual repeating units. The same applies to cases. in particular,
【化】[ka]
【化】[ka]
【化】[ka]
【化】[ka]
【化】[ka]
【化】[ka]
【化】[ka]
【化】
原料として使用される上記共重合体膜の厚さは
約10μmないし約500μmの範囲のものが好ましい。
交換基濃度は0.3ミリ当量/g・乾燥樹脂〜1.2ミ
リ当量/g・乾燥樹脂の範囲のものを使用でき
る。
形状は目的とする本発明の含フツ素系三層構造
イオン交換膜の形状に合せて平膜状の膜、あるい
はチユーブ状の形態のものを使用するのが好まし
い。
本発明の含フツ素系三層構造イオン交換膜は、
このような原料共重合体膜の中央の層に、例えば
次のルートで第四級アンモニウム基を化学変性に
よつて導入する方法で得ることができる。
ルート 1
このルートは均質スルホン酸膜より両側の層に
スルホン酸、中央にカルボン酸の三層膜を経由し
て、そのカルボン酸層を四級アンモニウム基を含
む層に変換することにより含フツ素系三層構造イ
オン交換膜を得るものである。
末端基の交換を末端基のみの化学式で示すと以
下の通りである。embedded image The thickness of the copolymer film used as a raw material is preferably in the range of about 10 μm to about 500 μm.
The exchange group concentration can range from 0.3 meq/g dry resin to 1.2 meq/g dry resin. As for the shape, it is preferable to use a flat membrane or a tube-shaped membrane depending on the shape of the intended fluorine-containing three-layer ion exchange membrane of the present invention. The fluorine-containing three-layer ion exchange membrane of the present invention is
It can be obtained by introducing a quaternary ammonium group into the central layer of such a raw material copolymer film by chemical modification, for example, using the following route. Route 1 This route passes through a homogeneous sulfonic acid film, passes through a three-layer film with sulfonic acid on both sides and carboxylic acid in the center, and converts the carboxylic acid layer into a layer containing quaternary ammonium groups. A system three-layer structure ion exchange membrane is obtained. The exchange of terminal groups is shown below using a chemical formula containing only the terminal groups.
【化】
ただし、
R1、R2、R3=低級アルキル基、ただしR1とR2
が一体となつてテトラメチレン鎖、ペンタメ
チレン鎖を形成してもよい。
R4=ハロゲン原子または低級アルコキシ基。
D=ハロゲン原子、−O−(R3)2BF4、
−O−(R3)2SbCl6、[Chemical formula] However, R 1 , R 2 , R 3 = lower alkyl group, however, R 1 and R 2
may be combined to form a tetramethylene chain or a pentamethylene chain. R 4 = halogen atom or lower alkoxy group. D=halogen atom, -O- ( R3 ) 2BF4 , -O-( R3 ) 2SbCl6 ,
【式】または[expression] or
【式】 Z =ハロゲン陰イオン、BF4 、SbCl6 [Formula] Z = halogen anion, BF 4 , SbCl 6
【式】または[expression] or
【式】
R5=低級アルキル基、置換または無置換フエ
ニル基または低級ペルフルオロアルキル基、
Q=前記と同一。
ルート1を以下に説明する。
このルートにおいて原料膜として使用するスル
ホン酸/カルボン酸/スルホン酸の三層膜は、例
えば均質スルホン酸をスルホニルクロリド化し、
中央にスルホニルクロリド基が残るように両側を
加水分解し、両側にスルホン酸を導入し、さらに
中央に存在するスルホニルクロリド基をカルボン
酸化することにより得ることができる(実施例1
参照)。
得られた三層膜のカルボン酸層を酸存在下アル
コールと反応させるか、あるいはオルトギ酸エス
テルとの反応によりカルボン酸エステルに変換す
る。次いでこの膜を乾燥後、下記一般式
HNR1R2 ……(1)
で表わされる低級ジアルキルアミンと反応させる
ことにより、カルボン酸アミドに変換する。
上記一般式(1)で表わされる低級ジアルキルアミ
ンとしては、ジメチルアミン、ジエチルアミン、
ジプロピルアミン、メチルエチルアミン、ピロリ
ドン、ピペリジン等を例示することができる。ま
たこれらのアミンとの反応は気体状のアミンを膜
と接触させるか、液状のアミン中、あるいは溶媒
を用いて行うことができる。この際、溶媒として
はジエチルエーテル、ジメトキシエタン、テトラ
ヒドロフラン、ジオキサン等のエーテル類、ベン
ゼン、トルエン、ヘキサン等の炭化水素類等を用
いることができる。
なお、同じカルボン酸アミドは、対応するカル
ボン酸クロリドに一般式(1)で表わされる低級ジア
ルキルアミンを作用させることによつても同様に
得ることができる。
このようにして得られたカルボン酸アミドは、
還元剤を作用させることにより、アミンに変換し
うる。還元剤としては、水素化リチウムアルミニ
ウム、ジボラン等を用いることができるが、反応
効率の点でジボランの使用が優れている。用いる
ジボランは、例えば、水素化ホウ素ナトリウムに
三フツ化ホウ素エーテル錯体を作用させることに
より発生させて用いるか、あるいはボランの種々
の錯体(ジメチルスルフイド錯体など)を用いる
ことができる。
反応はテトラヒドロフラン、ジオキサン、ジエ
チレングリコールジメチルエーテル等のエーテル
系溶媒中で円滑に進行する。また、反応初期にお
いては、氷冷温度〜室温の範囲に保ち、その後、
還流温度〜100℃に加熱することが反応を完結さ
せる上で好ましい。
得られたアミンにアルキル化剤(R3D)を作
用させてアルキル化(四級化)することにより本
発明の含フツ素系三層構造イオン交換膜に変換し
うる。
アルキル化剤としては、例えば、ヨウ化メチ
ル、臭化メチル、臭化n−プロピル、トリメチル
オキソニウムフルオロボレート((CH3)3OBF4)、
トリエチルオキソニウムフルオロボレート((C2
H5)3OBF4)、トリメチルオキソニウムヘキサク
ロロアンチモネート((CH3)3OSbCl6)、トリフ
ルオロメタンスルホン酸メチル等を用いることが
できる。この際、メタノール、エタノール、塩化
メチレン、クロロホルム、四塩化炭素等を溶媒と
して使用しうる。ここで得られた上記含フツ素系
三層構造イオン交換膜の対イオンを交換する必要
がある場合は、常法によりアルカリ金属塩で処理
することにより行うことができる。
ルート 2
このルートは均質スルホン酸膜よりスルホン
酸/カルボン酸/スルホン酸三層膜を経由して、
そのカルボン酸層を四級アンモニウム基を含む層
に変換することにより含フツ素系三層構造イオン
交換膜を得るものである。
末端基の変換を末端基のみの化学式で示すと以
下の通りである。[Formula] R 5 = lower alkyl group, substituted or unsubstituted phenyl group, or lower perfluoroalkyl group, Q = the same as above. Route 1 will be explained below. The three-layer membrane of sulfonic acid/carboxylic acid/sulfonic acid used as a raw material membrane in this route is, for example, made by converting homogeneous sulfonic acid into sulfonyl chloride,
It can be obtained by hydrolyzing both sides so that a sulfonyl chloride group remains in the center, introducing sulfonic acid on both sides, and further carboxylating the sulfonyl chloride group present in the center (Example 1
reference). The carboxylic acid layer of the resulting three-layer film is converted into a carboxylic ester by reacting with an alcohol in the presence of an acid or by reacting with an orthoformic acid ester. Next, after drying this membrane, it is converted into a carboxylic acid amide by reacting it with a lower dialkylamine represented by the following general formula HNR 1 R 2 (1). Examples of the lower dialkylamine represented by the above general formula (1) include dimethylamine, diethylamine,
Examples include dipropylamine, methylethylamine, pyrrolidone, and piperidine. The reaction with these amines can be carried out by bringing the gaseous amine into contact with the membrane, in a liquid amine, or using a solvent. In this case, ethers such as diethyl ether, dimethoxyethane, tetrahydrofuran, and dioxane, and hydrocarbons such as benzene, toluene, and hexane can be used as the solvent. Note that the same carboxylic acid amide can also be similarly obtained by reacting a lower dialkylamine represented by the general formula (1) with the corresponding carboxylic acid chloride. The carboxylic acid amide thus obtained is
It can be converted into an amine by the action of a reducing agent. As the reducing agent, lithium aluminum hydride, diborane, etc. can be used, but diborane is superior in terms of reaction efficiency. The diborane used can be generated by, for example, reacting a boron trifluoride ether complex with sodium borohydride, or various complexes of borane (such as dimethyl sulfide complex) can be used. The reaction proceeds smoothly in an ether solvent such as tetrahydrofuran, dioxane, or diethylene glycol dimethyl ether. In addition, in the early stage of the reaction, the temperature is kept in the range of ice-cold temperature to room temperature, and then,
Heating to reflux temperature to 100°C is preferred in order to complete the reaction. The obtained amine can be converted into the fluorine-containing three-layer structure ion exchange membrane of the present invention by alkylating (quaternizing) it with an alkylating agent (R 3 D). Examples of the alkylating agent include methyl iodide, methyl bromide, n-propyl bromide, trimethyloxonium fluoroborate ((CH 3 ) 3 OBF 4 ),
Triethyloxonium fluoroborate ((C 2
H 5 ) 3 OBF 4 ), trimethyloxonium hexachloroantimonate ((CH 3 ) 3 OSbCl 6 ), methyl trifluoromethanesulfonate, etc. can be used. At this time, methanol, ethanol, methylene chloride, chloroform, carbon tetrachloride, etc. may be used as a solvent. If it is necessary to exchange the counter ion of the above-obtained fluorine-containing three-layer ion exchange membrane, this can be done by treating it with an alkali metal salt by a conventional method. Route 2 This route passes from a homogeneous sulfonic acid membrane to a sulfonic acid/carboxylic acid/sulfonic acid trilayer membrane.
A fluorine-containing three-layer ion exchange membrane is obtained by converting the carboxylic acid layer into a layer containing a quaternary ammonium group. The conversion of the terminal group is shown below using the chemical formula of only the terminal group.
【化】
R6は水素原子または低級アルキル基、
R7、R8は低級アルキル基あるいはR6,R7が一
体となつてポリメチレン鎖〔(CH2)b〕を形成し
てもよい。
aは2〜4の整数、bは2〜3の整数、
R4、Z
およびDは上記と同一
ルート2を以下に説明する。
ルート1と同様にして得たカルボン酸エステル
を下記一般式embedded image R 6 may be a hydrogen atom or a lower alkyl group, R 7 and R 8 may be lower alkyl groups, or R 6 and R 7 may be combined to form a polymethylene chain [(CH 2 ) b ]. a is an integer of 2 to 4, b is an integer of 2 to 3, R 4 , Z and D are the same as above. Route 2 will be explained below. The carboxylic acid ester obtained in the same manner as route 1 is expressed by the following general formula:
【化】
で表わされるジアミンと反応させることにより、
アミノカルボン酸アミドに変換する。
上記一般式(2)で表わされるジアミンとしては、
N,N−ジメチルエチレンジアミン、N,N,
N′−トリメチルエチレンジアミン、N,N−ジ
メチルトリメチレンジアミン、N,N,N′−ト
リメチルトリメチレンジアミン、N−メチルピペ
ラジン、N,N−ジエチルトリメチレンジアミ
ン、N−エチルピペラジン及びN−プロピルピペ
ラジン等を例示することができる。この際、上記
一般式(2)における窒素原子上の水素原子をトリメ
チルシリル基で置き換えた対応するシリルアミン
を上記ジアミンに代えて用いることもできる。
また、これらのジアミン類との反応は、液状の
アミン中あるいは溶媒を用いて行うことができ
る。この際、溶媒としては、ジエチルエーテル、
テトラヒドロフラン、ジオキサン等のエーテル
類、ベンゼン、トルエン、ヘキサン等の炭化水素
類等を用いることができる。
還元剤としては、水素化リチウムアルミニウ
ム、ジボラン等を用いることができるが、反応効
率の点でジボランの使用が優れている。用いるジ
ボランは、例えば水素化ホウ素ナトリウムに三フ
ツ化ホウ素エーテル錯体を作用させることにより
発生させて用いるか、あるいはボランの種々の錯
体(ジメチルスルフイド錯体等)を用いることが
できる。
反応は、テトラヒドロフラン、ジオキサン、ジ
エチレングリコールジメチルエーテル等のエーテ
ル系溶媒中で円滑に進行する。また、反応初期に
おいては、氷冷温度〜室温の範囲に保ち、その後
還流温度〜100℃に加熱することが反応を完結さ
せる上で好ましい。
得られたジアミンにアルキル化剤を作用させて
アルキル化することにより含フツ素系三層構造イ
オン交換膜に変換しうる。
アルキル化剤としては、例えば、ヨウ化メチ
ル、臭化メチル、臭化n−プロピル、トリメチル
オキソニウムフルオロボレート((CH3)3OBF4)、
トリエチルオキソニウムフルオロボレート((C2
H5)3OBF4)、トリメチルオキソニウムヘキサク
ロロアンチモネート((CH3)3OSbCl6)、トリフ
ルオロメタンスルホン酸メチル等を用いることが
できる。この際、メタノール、エタノール、塩化
メチレン、クロロホルム、四塩化炭素等を溶媒と
して使用しうる。
ここで得られた上記の含フツ素系三層構造イオ
ン交換膜の対イオンを交換する必要がある場合
は、常法によりアルカリ金属塩で処理することに
より行うことができる。
ルート 3
このルートは均質スルホニルフロリド膜の中央
にスルホニルフロリド基が残るように、両側を加
水分解しスルホン酸を導入し、次に中央のスルホ
ニルフロリド基とジアミンを反応させ、更に四級
化することにより含フツ素系三層構造イオン交換
膜を得るものである。
末端基の変換を末端基のみの化学式で示すと以
下の通りである。By reacting with the diamine represented by
Converts to aminocarboxylic acid amide. As the diamine represented by the above general formula (2),
N,N-dimethylethylenediamine, N,N,
N'-trimethylethylenediamine, N,N-dimethyltrimethylenediamine, N,N,N'-trimethyltrimethylenediamine, N-methylpiperazine, N,N-diethyltrimethylenediamine, N-ethylpiperazine and N-propylpiperazine etc. can be exemplified. At this time, a corresponding silylamine in which the hydrogen atom on the nitrogen atom in the above general formula (2) is replaced with a trimethylsilyl group can also be used in place of the above diamine. Further, the reaction with these diamines can be carried out in a liquid amine or using a solvent. At this time, as a solvent, diethyl ether,
Ethers such as tetrahydrofuran and dioxane, hydrocarbons such as benzene, toluene, hexane, etc. can be used. As the reducing agent, lithium aluminum hydride, diborane, etc. can be used, but diborane is superior in terms of reaction efficiency. The diborane used can be generated by, for example, reacting a boron trifluoride ether complex with sodium borohydride, or various complexes of borane (dimethyl sulfide complex, etc.) can be used. The reaction proceeds smoothly in an ether solvent such as tetrahydrofuran, dioxane, diethylene glycol dimethyl ether, or the like. In addition, in the initial stage of the reaction, it is preferable to maintain the temperature between ice-cooling temperature and room temperature, and then to heat the temperature between the reflux temperature and 100° C. in order to complete the reaction. By alkylating the obtained diamine with an alkylating agent, it can be converted into a fluorine-containing three-layer ion exchange membrane. Examples of the alkylating agent include methyl iodide, methyl bromide, n-propyl bromide, trimethyloxonium fluoroborate ((CH 3 ) 3 OBF 4 ),
Triethyloxonium fluoroborate ((C 2
H 5 ) 3 OBF 4 ), trimethyloxonium hexachloroantimonate ((CH 3 ) 3 OSbCl 6 ), methyl trifluoromethanesulfonate, etc. can be used. At this time, methanol, ethanol, methylene chloride, chloroform, carbon tetrachloride, etc. may be used as a solvent. If it is necessary to exchange the counter ion of the above-obtained fluorine-containing three-layer ion exchange membrane, it can be carried out by treatment with an alkali metal salt by a conventional method. Route 3 This route involves hydrolyzing both sides of the homogeneous sulfonyl fluoride membrane to introduce a sulfonic acid so that a sulfonyl fluoride group remains in the center, then reacting the central sulfonyl fluoride group with a diamine, and then forming a quaternary fluoride membrane. By this process, a fluorine-containing three-layer ion exchange membrane is obtained. The conversion of the terminal group is shown below using the chemical formula of only the terminal group.
【化】
(R3、R6、R7、R8、D、aおよびZ
は上記
と同一)
ルート3を以下に説明する。
中央にスルホンアミド基を有する膜の合成は、
両側にスルホン酸を有し、中央にスルホニルフロ
リド基を有する膜に一般式(2)で表わされるジアミ
ンあるいは上記の対応するシリルアミンを作用さ
せることにより達成される。この際、大過剰のジ
アミン類を用いるか、あるいは三級アミンを共存
させることが好ましい。
反応にあたつては溶媒を用いることができ、例
えばジエチルエーテル(エーテル)、テトラヒド
ロフラン等のエーテル類、ベンゼン、トルエン、
ヘキサン等の炭化水素類等を使用しうる。
反応は0℃〜150℃の範囲で通常行なわれる。
得られたスルホンアミド膜にアルキル化剤を作
用させてアルキル化することにより含フツ素系三
層構造イオン交換膜に変換しうる。
アルキル化剤としては、例えば、ヨウ化メチ
ル、臭化メチル、臭化n−プロピル、トリメチル
オキソニウムフロオロボレート(Me3OBF4)、ト
リエチルオキソニウムフルオロボレート(Et3
OBF4)、トリメチルオキソニウムヘキサクロロ
アンチモネート(Me3OSbCl6)、トリフルオロメ
タンスルホン酸メチル等を用いることができる。
この際、メタノール、エタノール、塩化メチレ
ン、クロロホルム、四塩化炭素等を溶媒として使
用しうる。
ここで得られた含フツ素系三層構造イオン交換
膜の対イオンを交換する必要がある場合は、常法
によりアルカリ金属塩で処理することにより行う
ことができる。
本発明の含フツ素系三層構造イオン交換膜は、
ペンダント鎖の一部に炭化水素基を含むが、意外
にも塩素雰囲気下のような過酷な酸化的雰囲気下
で極めてよい耐久性を示す。特に非架橋型であ
り、乾燥−膨潤の繰り返しに耐える、はく離
がない、耐薬品性、耐溶媒性に優れている等の
特徴がある。従つて、例えば電池用の隔膜あるい
は一価イオンと多価イオンの分離膜として使用し
た場合、その耐久性には著しいものがあるのみな
らず、従来、使用不可能とされてきた乾燥−膨潤
を伴う装置への適用、溶媒を含む系への使用、酸
化条件での使用等において極めて優れた性能を発
揮する。さらにもう一つの大きな利点は、乾燥状
態で取り扱うことができることである。これは工
業規模での使用に当つては重要なポイントにな
る。〔実施例〕
次に実施例中での得られた膜の評価方法を記
す。
1 乾燥−膨潤の繰り返し…検討項目A
メタノール中65℃、48時間処理した後、この溶
媒を40℃で真空除去する工程を5回繰り返した膜
を用いて含水率を測定する。
2 はく離状態…検討項目B
上記1の膜の断面写真を撮影して判断する。
3 耐薬品性…検討項目C
水中60℃、10〜40ml/分でCl2ガスを50時間導
入した膜の含水率、交換容量(NMRおよび滴定
方法、Sの定量)を測定する。
実施例 1[Chemical formula] (R 3 , R 6 , R 7 , R 8 , D, a and Z are the same as above) Route 3 will be explained below. The synthesis of a membrane with a sulfonamide group in the center is
This is achieved by reacting a diamine represented by the general formula (2) or the corresponding silylamine described above with a membrane having sulfonic acid on both sides and a sulfonyl fluoride group in the center. At this time, it is preferable to use a large excess of diamines or to coexist a tertiary amine. A solvent can be used in the reaction, such as diethyl ether (ether), ethers such as tetrahydrofuran, benzene, toluene,
Hydrocarbons such as hexane can be used. The reaction is usually carried out at a temperature ranging from 0°C to 150°C. The resulting sulfonamide membrane can be converted into a fluorine-containing three-layer ion exchange membrane by alkylating it with an alkylating agent. Examples of the alkylating agent include methyl iodide, methyl bromide, n-propyl bromide, trimethyloxonium fluoroborate (Me 3 OBF 4 ), triethyloxonium fluoroborate (Et 3
OBF 4 ), trimethyloxonium hexachloroantimonate (Me 3 OSbCl 6 ), methyl trifluoromethanesulfonate, and the like can be used.
At this time, methanol, ethanol, methylene chloride, chloroform, carbon tetrachloride, etc. may be used as a solvent. If it is necessary to exchange the counter ion of the fluorine-containing three-layer ion exchange membrane obtained here, it can be carried out by treatment with an alkali metal salt by a conventional method. The fluorine-containing three-layer ion exchange membrane of the present invention is
Although some of the pendant chains contain hydrocarbon groups, it surprisingly shows extremely good durability under harsh oxidizing atmospheres such as chlorine atmospheres. In particular, it is a non-crosslinked type, withstands repeated drying and swelling, does not peel off, and has excellent chemical resistance and solvent resistance. Therefore, when used, for example, as a diaphragm for batteries or a membrane for separating monovalent and multivalent ions, it not only has remarkable durability, but also resists drying and swelling, which has traditionally been considered impossible. It exhibits extremely excellent performance when applied to associated equipment, used in systems containing solvents, and used under oxidizing conditions. Yet another major advantage is that it can be handled dry. This is an important point when used on an industrial scale. [Example] Next, a method for evaluating the obtained film in Examples will be described. 1 Repeated drying-swelling...Study item A After processing in methanol at 65°C for 48 hours, the moisture content is measured using a membrane in which the process of removing the solvent under vacuum at 40°C is repeated 5 times. 2. Peeling condition...Consideration item B Judgment is made by taking a cross-sectional photograph of the film in 1 above. 3 Chemical resistance...Study item C Measure the water content and exchange capacity (NMR and titration method, quantification of S) of the membrane into which Cl 2 gas was introduced at 10 to 40 ml/min for 50 hours at 60°C in water. Example 1
【化】
との共重合により得られた共重合体をフイルム化
(膜厚205μ、SO3H換算交換容量0.92ミリ当量/
g・乾燥膜)したのち、加水分解した。つぎに
2N HClで処理後、水でよく洗浄したのち、60℃
で真空下で乾燥した。次にこの膜を五塩化リンと
オキシ塩化リンの混合溶液で処理し、スルホニル
クロライド化した。次に約10μの層でスルホン酸
が形成されるように、10wt苛性ソーダ/メタノ
ール(1/1;容量比)で室温下で加水分解した
のち、水洗した。ついで酸化処理を行い、残存し
ているスルホニルクロリド層をカルボン酸化し
た。
このようにして得られたスルホン酸/カルボン
酸/スルホン酸膜をメタノール−HClでカルボン
酸層をエステル化した。乾燥エーテル中に上で得
た膜を浸漬し、氷冷下ジメチルアミンガスを通
じ、冷却下に6時間、室温にて18時間反応させ
た。1.5%重曹水−メタノール混合溶液で80℃、
5時間洗浄し、減圧下、一夜乾燥した。無色透明
の膜が得られ、表面から約12〜15μ除去した層の
表面赤外スペクトルにおいて、2930、1420cm-1に
C−H吸収、1700cm-1にアミドカルボニルによる
吸収が認められた。
ついで、アルゴン雰囲気下、乾燥ジエチレング
リコールジメチルエーテルに水素化ホウ素ナトリ
ウムを溶解してから、上で得られた膜を浸漬し
た。この中に三フツ化ホウ素エーテル錯体の乾燥
ジグライム溶液を氷冷下滴下した。冷却下に5時
間、さらに100℃で18時間反応させることにより、
赤外スペクトルにおける1700cm-1の吸収は消失
し、アミン層への還元が完全に進行していた。
得られた膜をメタノールで洗浄したのち、ヨウ
化メチルのメタノール溶液に入れ、60℃で80時間
反応させた。得られた膜をメタノールで洗浄後、
塩化リチウムのメタノール溶液中、60℃で24時間
反応させた。この膜をメタノール中で60℃に加熱
し目的の第四級アンモニウムクロリド層を有する
膜を得た。
得られた三層構造イオン交換膜は染色テストに
おいて、クレゾールレツドで中央の約180μの厚
さで赤紫色(塩基性水溶液)あるいは黄橙色(メ
タノール溶液)に着色し、第四級アンモニウム基
が中央の層に形成されたことを示した。
上記のようにして得られた三層構造イオン交換
膜を前述の評価方法に従つて処理し評価した。評
価結果を以下に示す。
一方、両側の約10μの層はクリスタルバイオレ
ツドで青色に着色された。以上の結果から、得ら
れた膜は両側に約10μの層でスルホン酸塩を含
み、中央の約185μの層で第四級アンモニウム塩
を含む三層構造イオン交換膜であることがわかつ
た。The copolymer obtained by copolymerization with
g. Dry film) and then hydrolyzed. next
After treatment with 2N HCl and thorough washing with water, heat at 60°C.
and dried under vacuum. Next, this membrane was treated with a mixed solution of phosphorus pentachloride and phosphorus oxychloride to form a sulfonyl chloride. Next, the mixture was hydrolyzed with 10 wt caustic soda/methanol (1/1; volume ratio) at room temperature so that sulfonic acid was formed in a layer of about 10 μm, and then washed with water. Then, oxidation treatment was performed to carboxylate the remaining sulfonyl chloride layer. The carboxylic acid layer of the sulfonic acid/carboxylic acid/sulfonic acid film thus obtained was esterified with methanol-HCl. The membrane obtained above was immersed in dry ether, dimethylamine gas was passed through it under ice cooling, and the mixture was reacted for 6 hours under cooling and for 18 hours at room temperature. 80℃ with 1.5% sodium bicarbonate water-methanol mixed solution.
Washed for 5 hours and dried under reduced pressure overnight. A colorless and transparent film was obtained, and in the surface infrared spectrum of the layer removed by about 12 to 15 microns from the surface, CH absorption was observed at 2930 and 1420 cm -1 and absorption due to amide carbonyl was observed at 1700 cm -1 . Next, sodium borohydride was dissolved in dry diethylene glycol dimethyl ether under an argon atmosphere, and then the membrane obtained above was immersed. A dry diglyme solution of boron trifluoride ether complex was added dropwise to the solution under ice cooling. By reacting under cooling for 5 hours and then at 100°C for 18 hours,
The absorption at 1700 cm -1 in the infrared spectrum disappeared, indicating that reduction to the amine layer had completely progressed. After washing the obtained membrane with methanol, it was placed in a methanol solution of methyl iodide and reacted at 60°C for 80 hours. After washing the obtained membrane with methanol,
The reaction was carried out in a methanol solution of lithium chloride at 60°C for 24 hours. This film was heated to 60°C in methanol to obtain a film having the desired quaternary ammonium chloride layer. In a dyeing test, the resulting three-layer ion exchange membrane was colored reddish-purple (basic aqueous solution) or yellow-orange (methanol solution) in the central thickness of about 180 μm with cresol red, indicating that quaternary ammonium groups were present. It was shown that it was formed in the central layer. The three-layer ion exchange membrane obtained as described above was treated and evaluated according to the evaluation method described above. The evaluation results are shown below. Meanwhile, the approximately 10μ layer on both sides was colored blue with crystal violet. From the above results, it was found that the obtained membrane was a three-layer ion exchange membrane containing a sulfonate salt in a layer of about 10 μm on both sides and a quaternary ammonium salt in a layer of about 185 μm in the center.
【表】
また、検討項目Bについても極めて良好な結果
を示した。
実施例 2[Table] Also, very good results were shown for study item B. Example 2
【化】
との共重合から得られた共重合体をフイルム化
(膜厚150μ、SO3H換算交換容量0.9ミリ当量/
g・乾燥膜)した。
約10μの層でスルホン酸が形成されるように
10wt%苛性ソーダ/メタノール(1/1;容量
比)で室温下で加水分解したのち、水洗した。
得られた乾燥エーテル中、N−メチルピペラジ
ンを反応させた。その後温水洗浄し乾燥した。
表面より約12〜15μ除去した層の表面赤外スペ
クトルにおいて2930cm-1、2850cm-1、1450〜1430
cm-1にC−Hによる吸収を示した。
得られた膜をメタノール中、50℃でヨウ化メチ
ルと48時間反応させた。その後メタノール中で洗
浄し、塩化リチウムのメタノール溶液で24時間処
理した。さらにメタノール中50℃で8時間洗浄し
た。乾燥後の膜の赤外スペクトルにおいて、上記
スルホンアミド層における3000〜2800cm1領域の
吸収が四級化により高波数側に移動していた。
得られた三層構造イオン交換膜はクレゾールレ
ツドの染色テストの結果、中央の約130μ厚さで
赤紫色に着色し、第四級アンモニウム基が中央の
層に形成されたことを示した。一方、両側の約
10μの層はクリスタルバイオレツドで青色に着色
された。以上の結果から、得られた膜は両側に約
5μの層でスルホン酸塩を含み、中央の約130μの
層で第四級アンモニウム塩を含む三層構造イオン
交換膜であることがわかつた。交換容量はスルホ
ン酸基層0.9ミリ当量/g・乾燥膜、第四級アン
モニウム基層0.7ミリ当量/g・乾燥膜であつた。
この三層構造イオン交換膜の評価は、実施例1
と同様の結果を示した。
実施例 3
実施例2中で使用したN−メチルピペラジンの
代りにN,N,N′−トリメチルエチレンジアミ
ンを用いて実施例2と同様にして反応させて三層
構造イオン交換膜を得た。交換容量はスルホン酸
基層0.9ミリ当量/g・乾燥膜、第四級アンモニ
ウム基層0.7ミリ当量/g・乾燥膜であつた。
この三層構造イオン交換膜の評価は実施例1と
同様の結果を示した。
実施例 4The copolymer obtained from the copolymerization with
g. Dry film). So that the sulfonic acid is formed in a layer of about 10μ
After hydrolyzing with 10 wt% caustic soda/methanol (1/1; volume ratio) at room temperature, it was washed with water. N-methylpiperazine was reacted in the resulting dry ether. Thereafter, it was washed with warm water and dried. In the surface infrared spectrum of the layer removed by about 12 to 15 μ from the surface, 2930 cm -1 , 2850 cm -1 , 1450 to 1430
Absorption due to C-H was observed at cm -1 . The resulting membrane was reacted with methyl iodide in methanol at 50°C for 48 hours. It was then washed in methanol and treated with a methanol solution of lithium chloride for 24 hours. It was further washed in methanol at 50°C for 8 hours. In the infrared spectrum of the film after drying, the absorption in the 3000 to 2800 cm 1 region of the sulfonamide layer was shifted to the higher wavenumber side due to quaternization. As a result of a cresol red staining test, the resulting three-layer ion exchange membrane was colored reddish-purple at a thickness of approximately 130 μm in the center, indicating that quaternary ammonium groups were formed in the center layer. Meanwhile, on both sides approx.
The 10μ layer was colored blue with crystal violet. From the above results, the obtained membrane has approximately
It was found to be a three-layer ion exchange membrane containing a sulfonate salt in the 5μ layer and a quaternary ammonium salt in the central approximately 130μ layer. The exchange capacity was 0.9 meq/g dry membrane for the sulfonic acid base layer and 0.7 meq/g dry membrane for the quaternary ammonium base layer. Evaluation of this three-layer structure ion exchange membrane was carried out in Example 1.
showed similar results. Example 3 A reaction was carried out in the same manner as in Example 2 except that N,N,N'-trimethylethylenediamine was used in place of the N-methylpiperazine used in Example 2 to obtain a three-layer structure ion exchange membrane. The exchange capacity was 0.9 meq/g dry membrane for the sulfonic acid base layer and 0.7 meq/g dry membrane for the quaternary ammonium base layer. Evaluation of this three-layer ion exchange membrane showed the same results as in Example 1. Example 4
【化】
との共重合により得られた共重合体をチユーブ化
(内径0.625mm、外径0.875mm、SO3H換算交換容量
0.92ミリ当量/g・乾燥樹脂)した。つぎに10wt
%苛性ソーダ/メタノールで処理し、両面から
7μの深さまで加水分解した。このチユーブを用
いて、実施例3と同様に反応した。
染色テストにおいてクレゾールレツドで中央の
約110μの層で赤紫色に着色し、中央の約110μの
層で第四級アンモニウムクロリド基が存在するこ
とが確認された。一方、両側の約7μの層はクリ
スタルバイオレツドで青色に着色した。以上の結
果から、得られた膜は両側の約7μの層でスルホ
ン酸塩を含み、中央の約110μの層で第四級アン
モニウム塩を含む三層構造イオン交換膜であるこ
とがわかる。
得られた三層構造イオン交換チユーブは、スル
ホン酸層の交換容量が0.92ミリ当量/g・乾燥樹
脂、第四級アンモニウムクロリド層が0.84ミリ当
量/g・乾燥樹脂であつた。得られた三層構造イ
オン交換チユーブは実施例1と同様の評価で同様
の結果を示した。The copolymer obtained by copolymerization with
0.92 meq/g dry resin). Next 10wt
% caustic soda/methanol and from both sides.
Hydrolyzed to a depth of 7μ. Using this tube, a reaction was carried out in the same manner as in Example 3. In a staining test, the approximately 110μ central layer was colored reddish-purple with cresol red, and the presence of quaternary ammonium chloride groups was confirmed in the approximately 110μ central layer. Meanwhile, the approximately 7μ layer on both sides was colored blue with crystal violet. From the above results, it can be seen that the obtained membrane is a three-layer ion exchange membrane containing a sulfonate in the approximately 7 μm layer on both sides and a quaternary ammonium salt in the approximately 110 μm layer in the center. The resulting three-layer ion exchange tube had an exchange capacity of 0.92 meq/g dry resin for the sulfonic acid layer and 0.84 meq/g dry resin for the quaternary ammonium chloride layer. The obtained three-layer structure ion exchange tube was evaluated in the same manner as in Example 1 and showed the same results.
第1図は実施例1で得られた三層構造膜の第四
級アンモニウム基を含む層の表面赤外吸収スペク
トル、第2図は実施例1で得られた三層構造膜の
スペクトルを示す。
Figure 1 shows the surface infrared absorption spectrum of the layer containing the quaternary ammonium group of the three-layer structure film obtained in Example 1, and Figure 2 shows the spectrum of the three-layer structure film obtained in Example 1. .
Claims (1)
チオン交換基を有し、中央の層のペンダント鎖に
アニオン交換基を有し、かつ主鎖がペルフルオロ
カーボン重合体からなる非架橋型含フツ素系三層
構造イオン交換膜。 2 カチオン交換基がスルホン酸基であり、アニ
オン交換基が四級アンモニウム基である特許請求
の範囲第1項に記載の含フツ素系三層構造イオン
交換膜。 3 ペンダント鎖にカチオン交換基を有する層が
下記の一般式 【化】 X=FまたはCF3、YはSO3M(Mはアルカリ金
属)、l=0または1〜5の整数、m=0または
1、n=1または2〜5の整数、p及びqは正の
数であつて、その比p/qは2〜16である。 で表わされる繰り返し単位よりなり、ペンダント
鎖にアニオン交換基を有する層が一般式 【化】 x、l、m、n、pおよびqは上記と同一、 zは第四級アンモニウム基を含む基 で表わされる繰り返し単位よりなる特許請求の範
囲第1項に記載の含フツ素系三層構造イオン交換
膜。 4 含フツ素系三層構造イオン交換膜が平膜状で
ある特許請求の範囲第1項、第2項あるいは第3
項に記載の含フツ素系三層構造イオン交換膜。 5 含フツ素系三層構造イオン交換膜がチユーブ
状である特許請求の範囲第1項、第2項あるいは
第3項に記載の含フツ素系三層構造イオン交換
膜。[Claims] 1. Has a three-layer structure, has a cation exchange group in the pendant chains of both layers, has an anion exchange group in the pendant chain of the central layer, and has a main chain made of a perfluorocarbon polymer. Non-crosslinked fluorine-containing three-layer ion exchange membrane. 2. The fluorine-containing three-layer ion exchange membrane according to claim 1, wherein the cation exchange group is a sulfonic acid group and the anion exchange group is a quaternary ammonium group. 3 The layer having a cation exchange group on the pendant chain has the following general formula: or 1, n=1 or an integer from 2 to 5, p and q are positive numbers, and the ratio p/q is from 2 to 16. A layer consisting of repeating units represented by the following and having an anion exchange group in the pendant chain has the general formula: x, l, m, n, p and q are the same as above, z is a group containing a quaternary ammonium group The fluorine-containing three-layer structure ion exchange membrane according to claim 1, which comprises the repeating unit represented by the above formula. 4 Claims 1, 2, or 3 in which the fluorine-containing three-layer ion exchange membrane is in the form of a flat membrane.
The fluorine-containing three-layer structure ion-exchange membrane described in 2. 5. The fluorine-containing three-layer ion exchange membrane according to claim 1, 2 or 3, wherein the fluorine-containing three-layer ion exchange membrane is tube-shaped.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5934586A JPS62218424A (en) | 1986-03-19 | 1986-03-19 | Fluorine-containing ion exchange membrane having three-layered structure |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5934586A JPS62218424A (en) | 1986-03-19 | 1986-03-19 | Fluorine-containing ion exchange membrane having three-layered structure |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62218424A JPS62218424A (en) | 1987-09-25 |
| JPH0585575B2 true JPH0585575B2 (en) | 1993-12-08 |
Family
ID=13110613
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5934586A Granted JPS62218424A (en) | 1986-03-19 | 1986-03-19 | Fluorine-containing ion exchange membrane having three-layered structure |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS62218424A (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2958184A1 (en) * | 2010-04-06 | 2011-10-07 | Commissariat Energie Atomique | ORGANIC-INORGANIC HYBRID NANOFIBERS WITH MESOPOROUS INORGANIC PHASE, THEIR PREPARATION BY ELECTRO-ASSISTED EXTRUSION, MEMBRANE, ELECTRODE, AND FUEL CELL. |
-
1986
- 1986-03-19 JP JP5934586A patent/JPS62218424A/en active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS62218424A (en) | 1987-09-25 |
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