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JP4512843B2 - Acid-base composite polymer electrolyte membrane - Google Patents

Acid-base composite polymer electrolyte membrane Download PDF

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JP4512843B2
JP4512843B2 JP2003386859A JP2003386859A JP4512843B2 JP 4512843 B2 JP4512843 B2 JP 4512843B2 JP 2003386859 A JP2003386859 A JP 2003386859A JP 2003386859 A JP2003386859 A JP 2003386859A JP 4512843 B2 JP4512843 B2 JP 4512843B2
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Description

本発明は、スルホン酸基を有するポリアリーレンと、スルホン酸基と相互作用し得る官能基を有するポリマーとからなる酸塩基複合型高分子電解質膜に関する。   The present invention relates to an acid-base composite polymer electrolyte membrane comprising a polyarylene having a sulfonic acid group and a polymer having a functional group capable of interacting with the sulfonic acid group.

高分子電解質膜は、燃料電池を構成する主要な材料であり、優れた発電性能を有することが要求される。そのため、燃料電池が使用される幅広い環境下で、優れたプロトン伝導性を示す膜が求められている。   The polymer electrolyte membrane is a main material constituting the fuel cell and is required to have excellent power generation performance. Therefore, there is a need for a membrane that exhibits excellent proton conductivity in a wide range of environments where fuel cells are used.

高分子電解質膜として、スルホン酸基を有するポリマーが通常用いられており、高分子電解質膜のプロトン伝導度を上げるためには、ポリマー中のスルホン酸濃度をできるだけ高くすることが好ましい。   As the polymer electrolyte membrane, a polymer having a sulfonic acid group is usually used. In order to increase the proton conductivity of the polymer electrolyte membrane, it is preferable to increase the sulfonic acid concentration in the polymer as much as possible.

特許文献1(米国特許第5,403,675号公報)には、スルホン化された剛直ポリフェニレンからなる固体高分子電解質が開示されている。このポリマーは、フェニレン連鎖からなる芳香族化合物を重合して得られるポリマーを主成分とし、これをスルホン化剤と反応させてスルホン酸基を導入している。   Patent Document 1 (US Pat. No. 5,403,675) discloses a solid polymer electrolyte made of sulfonated rigid polyphenylene. This polymer is mainly composed of a polymer obtained by polymerizing an aromatic compound comprising a phenylene chain, and this is reacted with a sulfonating agent to introduce a sulfonic acid group.

しかしながら、スルホン酸基の導入量を増加することにより、プロトン伝導度は向上するものの、一定の濃度を上回ると、耐水性が低下して含水時に溶解したり、著しく膨潤して強度が低下する問題がある。   However, although the proton conductivity is improved by increasing the amount of sulfonic acid groups introduced, if the concentration exceeds a certain level, the water resistance is lowered and dissolved when containing water, or the strength is reduced due to significant swelling. There is.

また、携帯機器に用いられる燃料電池の場合には、燃料として水素の代わりにメタノール水溶液を用いることが、取扱い上有利である。しかし、この場合にもプロトン伝導度を上げるためにスルホン酸濃度を高くすると、燃料として用いられるメタノールの透過性が高くなり、発電効率が低下する。また、膜の膨潤による強度の低下を引き起こすという問題がある。
米国特許第5,403,675号公報
In the case of a fuel cell used for a portable device, it is advantageous in handling to use a methanol aqueous solution instead of hydrogen as a fuel. However, in this case as well, if the sulfonic acid concentration is increased in order to increase proton conductivity, the permeability of methanol used as a fuel increases and power generation efficiency decreases. In addition, there is a problem that the strength is reduced due to swelling of the film.
US Pat. No. 5,403,675

本発明の課題は、幅広い温度領域で優れたプロトン伝導性および機械的特性を示し、かつメタノール透過性の低い高分子電解質膜を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a polymer electrolyte membrane that exhibits excellent proton conductivity and mechanical properties in a wide temperature range and has low methanol permeability.

本発明者らは、上記問題点を鑑み鋭意検討した結果、本来耐水性および耐メタノール性に優れるとともに高いスルホン酸濃度を達成できるスルホン化ポリアリーレンと、スルホン酸基と相互作用し得る官能基を有するポリマーとが、ポリイオンコンプレックスを形成することにより、上記課題を解決することができることを見出した。   As a result of intensive studies in view of the above problems, the present inventors have found that a sulfonated polyarylene that is originally excellent in water resistance and methanol resistance and can achieve a high sulfonic acid concentration, and a functional group that can interact with the sulfonic acid group. It has been found that the above-mentioned problems can be solved by forming a polyion complex with a polymer having the same.

すなわち、本発明の高分子電解質膜は、スルホン酸基を有するポリアリーレンと、該スルホン酸基と相互作用し得る官能基を有するポリマーとからなることを特徴とする。   That is, the polymer electrolyte membrane of the present invention is characterized by comprising a polyarylene having a sulfonic acid group and a polymer having a functional group capable of interacting with the sulfonic acid group.

上記スルホン酸基を有するポリアリーレンは、下記一般式(A)で表される構成単位と、下記一般式(B)で表される構成単位とからなることが好ましい。   The polyarylene having a sulfonic acid group is preferably composed of a structural unit represented by the following general formula (A) and a structural unit represented by the following general formula (B).

Figure 0004512843
Figure 0004512843

(式中、Yは2価の電子吸引性基を示し、Zは2価の電子供与性基または直接結合を示し、Arは−SO3Hで表される置換基を有する芳香族基を示し、mは0〜10の整数を示
し、nは0〜10の整数を示し、kは1〜4の整数を示す。)
(In the formula, Y represents a divalent electron-withdrawing group, Z represents a divalent electron-donating group or a direct bond, and Ar represents an aromatic group having a substituent represented by —SO 3 H. M represents an integer of 0 to 10, n represents an integer of 0 to 10, and k represents an integer of 1 to 4.)

Figure 0004512843
Figure 0004512843

(式中、R1〜R8は互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子、アルキル基、フッ素置換アルキル基、アリル基、アリール基およびシアノ基からなる群より選ばれる少なくとも1種の原子または基を示し、Wは2価の電子吸引性基または単結合を示し、Tは単結合または2価の有機基を示し、pは0または正の整数を示す。)
上記スルホン酸基と相互作用し得る官能基は、窒素原子を含む塩基性官能基であることが好ましい。
(Wherein R 1 to R 8 may be the same as or different from each other, and are at least one selected from the group consisting of a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group, an allyl group, an aryl group, and a cyano group) W represents a divalent electron-withdrawing group or a single bond, T represents a single bond or a divalent organic group, and p represents 0 or a positive integer.)
The functional group capable of interacting with the sulfonic acid group is preferably a basic functional group containing a nitrogen atom.

以下、本発明に係る高分子電解質膜について詳細に説明する。   Hereinafter, the polymer electrolyte membrane according to the present invention will be described in detail.

本発明に係る高分子電解質膜は、スルホン酸基を有するポリアリーレンと、該スルホン酸基と相互作用し得る官能基を有するポリマーとからなる。   The polymer electrolyte membrane according to the present invention comprises a polyarylene having a sulfonic acid group and a polymer having a functional group capable of interacting with the sulfonic acid group.

<スルホン酸基を有するポリアリーレン>
本発明で用いられるスルホン酸基を有するポリアリーレン(以下、スルホン化ポリアリーレンともいう。)は、下記一般式(A)で表される構成単位と、下記一般式(B)で表される構成単位とを含む下記一般式(C)で表される重合体である。
<Polyarylene having a sulfonic acid group>
The polyarylene having a sulfonic acid group used in the present invention (hereinafter also referred to as a sulfonated polyarylene) is composed of a structural unit represented by the following general formula (A) and a structure represented by the following general formula (B). It is a polymer represented by the following general formula (C) containing a unit.

Figure 0004512843
Figure 0004512843

式(A)中、Yは2価の電子吸引性基を示し、具体的には−CO−、−SO2−、
−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2)l−(ここで、lは1〜10の整数である)、−C(CF32−などが挙げられる。
In the formula (A), Y represents a divalent electron-withdrawing group, specifically, —CO—, —SO 2 —,
—SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) 1 — (wherein l is an integer of 1 to 10), —C (CF 3 ) 2 — and the like can be mentioned.

Zは2価の電子供与性基または直接結合を示し、電子供与性基の具体例としては、
−(CH2)−、−C(CH32−、−O−、−S−、−CH=CH−、−C≡C―およ
Z represents a divalent electron donating group or a direct bond, and specific examples of the electron donating group include:
— (CH 2 ) —, —C (CH 3 ) 2 —, —O—, —S—, —CH═CH—, —C≡C— and

Figure 0004512843
Figure 0004512843

などが挙げられる。なお、電子吸引性基とは、ハメット(Hammett)置換基常数がフェニ
ル基のm位の場合0.06以上、p位の場合0.01以上の値となる基をいう。
Etc. The electron-withdrawing group refers to a group having a Hammett substituent constant of 0.06 or more when the phenyl group is in the m-position and 0.01 or more when it is in the p-position.

Arは−SO3Hで表される置換基を有する芳香族基を示し、芳香族基として具体的に
はフェニル基、ナフチル基、アントラセニル基、フェナンチル基などが挙げられる。これらの基のうち、フェニル基、ナフチル基が好ましい。
Ar represents an aromatic group having a substituent represented by —SO 3 H, and specific examples of the aromatic group include a phenyl group, a naphthyl group, an anthracenyl group, and a phenanthyl group. Of these groups, a phenyl group and a naphthyl group are preferable.

mは0〜10、好ましくは0〜2の整数、nは0〜10、好ましくは0〜2の整数を示し、kは1〜4の整数を示す。   m represents an integer of 0 to 10, preferably 0 to 2, n represents an integer of 0 to 10, preferably 0 to 2, and k represents an integer of 1 to 4.

Figure 0004512843
Figure 0004512843

式(B)中、R1〜R8は互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子、アルキル基、フッ素置換アルキル基、アリル基、アリール基およびシアノ基からなる群より選ばれる少なくとも1種の原子または基を示す。 In the formula (B), R 1 to R 8 may be the same or different from each other, and at least selected from the group consisting of a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group, an allyl group, an aryl group, and a cyano group. One atom or group is shown.

アルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、アミル基、ヘキシル基などが挙げられ、メチル基、エチル基などが好ましい。
フッ素置換アルキル基としては、トリフルオロメチル基、パーフルオロエチル基、
パーフルオロプロピル基、パーフルオロブチル基、パーフルオロペンチル基、パーフルオロヘキシル基などが挙げられ、トリフルオロメチル基、ペンタフルオロエチル基などが好ましい。
アリル基としては、プロペニル基などが挙げられ、
アリール基としては、フェニル基、ペンタフルオロフェニル基などが挙げられる。
Examples of the alkyl group include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, an amyl group, and a hexyl group, and a methyl group and an ethyl group are preferable.
As the fluorine-substituted alkyl group, a trifluoromethyl group, a perfluoroethyl group,
Examples include a perfluoropropyl group, a perfluorobutyl group, a perfluoropentyl group, and a perfluorohexyl group, and a trifluoromethyl group, a pentafluoroethyl group, and the like are preferable.
Examples of allyl groups include propenyl groups,
Examples of the aryl group include a phenyl group and a pentafluorophenyl group.

Wは2価の電子吸引性基または単結合を示し、Tは2価の有機基または単結合を示す。pは0または正の整数であり、上限は通常100、好ましくは10〜80である。   W represents a divalent electron-withdrawing group or single bond, and T represents a divalent organic group or single bond. p is 0 or a positive integer, and the upper limit is usually 100, preferably 10-80.

Figure 0004512843
Figure 0004512843

式(C)中、W、T、Y、Z、Ar、m、n、k、pおよびR1〜R8は、それぞれ上記一般式(A)および(B)中のW、T、Y、Z、Ar、m、n、k、pおよびR1〜R8と同義である。 In the formula (C), W, T, Y, Z, Ar, m, n, k, p and R 1 to R 8 are respectively W, T, Y in the general formulas (A) and (B). It is synonymous with Z, Ar, m, n, k, p and R 1 to R 8 .

本発明で用いられるスルホン化ポリアリーレンは、式(A)で表される構成単位を0.5〜100モル%、好ましくは10〜99.999モル%の割合で、式(B)で表される構成単位を99.5〜0モル%、好ましくは90〜0.001モル%の割合で含有している。   The sulfonated polyarylene used in the present invention is represented by the formula (B) in a proportion of 0.5 to 100 mol%, preferably 10 to 99.999 mol%, of the structural unit represented by the formula (A). Are contained in a proportion of 99.5 to 0 mol%, preferably 90 to 0.001 mol%.

<スルホン酸基を有するポリアリーレンの製造方法>
本発明で用いられるスルホン酸基を有するポリアリーレンは、上記一般式(A)で表される構造単位となりうるスルホン酸エステル基を有するモノマーと、上記一般式(B)で表される構造単位となりうるオリゴマーとを共重合させ、スルホン酸エステル基を有するポリアリーレンを製造し、該スルホン酸エステル基を有するポリアリーレンを加水分解して、スルホン酸エステル基をスルホン酸基に変換することにより合成することができる。
<Method for producing polyarylene having a sulfonic acid group>
The polyarylene having a sulfonic acid group used in the present invention becomes a structural unit represented by the monomer having a sulfonic acid ester group that can be the structural unit represented by the general formula (A) and the general formula (B). And a polyarylene having a sulfonic acid ester group is produced by hydrolyzing the polyarylene having a sulfonic acid ester group and converting the sulfonic acid ester group into a sulfonic acid group. be able to.

また、スルホン酸基を有するポリアリーレンは、上記一般式(A)においてスルホン酸基およびスルホン酸エステル基を有しない構造単位と、上記一般式(B)の構造単位とからなるポリアリーレンを予め合成し、この重合体をスルホン化することにより合成することもできる。   The polyarylene having a sulfonic acid group is synthesized in advance from a polyarylene composed of a structural unit having no sulfonic acid group or sulfonic acid ester group in the general formula (A) and a structural unit of the general formula (B). The polymer can also be synthesized by sulfonation.

上記一般式(A)の構造単位となりうるモノマーとしては、例えば、下記一般式(D)で表されるスルホン酸エステル(以下、モノマー(D)ともいう。)が挙げられる。   Examples of the monomer that can be the structural unit of the general formula (A) include sulfonate esters represented by the following general formula (D) (hereinafter also referred to as monomer (D)).

Figure 0004512843
Figure 0004512843

式(D)中、Xはフッ素を除くハロゲン原子(塩素、臭素、ヨウ素)、−OSO2G(
ここで、Gはアルキル基、フッ素置換アルキル基またはアリール基を示す。)から選ばれる原子または基を示し、Y、Z、Ar、m、nおよびkは、それぞれ上記一般式(A)中のY、Z、Ar、m、nおよびkと同義である。
In the formula (D), X is a halogen atom excluding fluorine (chlorine, bromine, iodine), -OSO 2 G (
Here, G represents an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group or an aryl group. ), And Y, Z, Ar, m, n and k have the same meanings as Y, Z, Ar, m, n and k in the general formula (A), respectively.

aは炭素原子数1〜20、好ましくは4〜20の炭化水素基を示し、具体的には、メ
チル基、エチル基、n−プロピル基、iso−プロピル基、tert-ブチル基、iso-ブチル基、n−ブチル基、sec−ブチル基、ネオペンチル基、シクロペンチル基、ヘキシル基、シクロヘキシル基、シクロペンチルメチル基、シクロヘキシルメチル基、アダマンチル基、アダマンタンメチル基、2−エチルヘキシル基、ビシクロ[2.2.1]へプチル基、ビシクロ[2.2.1]へプチルメチル基、テトラヒドロフルフリル基、2−メチルブチル基、3,3−ジメチル−2,4−ジオキソランメチル基、シクロヘキシルメチル基、アダマンチルメチル基、ビシクロ[2.2.1]ヘプチルメチル基などの直鎖状炭化水素基、分岐状炭化水素基、脂環式炭化水素基、5員の複素環を有する炭化水素基などが挙げられる。これらの中では、n−ブチル基、ネオペンチル基、テトラヒドロフルフリル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、シクロヘキシルメチル基、アダマンチルメチル基、ビシクロ[2.2.1]ヘプチルメチル基が好ましく、特にネオペンチル基が好ましい。
R a represents a hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms, preferably 4 to 20 carbon atoms, specifically, methyl group, ethyl group, n-propyl group, iso-propyl group, tert-butyl group, iso- Butyl, n-butyl, sec-butyl, neopentyl, cyclopentyl, hexyl, cyclohexyl, cyclopentylmethyl, cyclohexylmethyl, adamantyl, adamantanemethyl, 2-ethylhexyl, bicyclo [2.2 .1] heptyl group, bicyclo [2.2.1] heptylmethyl group, tetrahydrofurfuryl group, 2-methylbutyl group, 3,3-dimethyl-2,4-dioxolanemethyl group, cyclohexylmethyl group, adamantylmethyl group Linear hydrocarbon groups such as bicyclo [2.2.1] heptylmethyl group, branched hydrocarbon groups, alicyclic hydrocarbons Group, such as a hydrocarbon group having 5-membered heterocycles. Among these, an n-butyl group, neopentyl group, tetrahydrofurfuryl group, cyclopentyl group, cyclohexyl group, cyclohexylmethyl group, adamantylmethyl group, and bicyclo [2.2.1] heptylmethyl group are preferable, and a neopentyl group is particularly preferable. preferable.

Arは−SO3bで表わされる置換基を有する芳香族基を示し、芳香族基として具体的にはフェニル基、ナフチル基、アントラセニル基、フェナンチル基などが挙げられる。これらの基のうち、フェニル基、ナフチル基が好ましい。 Ar represents an aromatic group having a substituent represented by —SO 3 R b , and specific examples of the aromatic group include a phenyl group, a naphthyl group, an anthracenyl group, and a phenanthyl group. Of these groups, a phenyl group and a naphthyl group are preferable.

置換基−SO3bは、芳香族基に1個または2個以上置換しており、置換基−SO3bが2個以上置換している場合には、これらの置換基は互いに同一でも異なっていてもよい。 The substituent —SO 3 R b is substituted with one or more aromatic groups, and when two or more substituents —SO 3 R b are substituted, these substituents are the same as each other. But it can be different.

ここで、Rbは炭素原子数1〜20、好ましくは4〜20の炭化水素基を示し、具体的
には上記炭素原子数1〜20の炭化水素基などが挙げられる。これらの中では、n−ブチル基、ネオペンチル基、テトラヒドロフルフリル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、シクロヘキシルメチル基、アダマンチルメチル基、ビシクロ[2.2.1]ヘプチルメチル基が好ましく、特にネオペンチル基が好ましい。
Here, R b represents a hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms, preferably 4 to 20 carbon atoms, and specific examples thereof include the hydrocarbon groups having 1 to 20 carbon atoms. Among these, an n-butyl group, neopentyl group, tetrahydrofurfuryl group, cyclopentyl group, cyclohexyl group, cyclohexylmethyl group, adamantylmethyl group, and bicyclo [2.2.1] heptylmethyl group are preferable, and a neopentyl group is particularly preferable. preferable.

mは0〜10、好ましくは0〜2の整数、nは0〜10、好ましくは0〜2の整数を示し、kは1〜4の整数を示す。   m represents an integer of 0 to 10, preferably 0 to 2, n represents an integer of 0 to 10, preferably 0 to 2, and k represents an integer of 1 to 4.

式(D)で表されるスルホン酸エステルの具体例としては、以下の様な化合物が挙げられる。   Specific examples of the sulfonic acid ester represented by the formula (D) include the following compounds.

Figure 0004512843
Figure 0004512843

Figure 0004512843
Figure 0004512843

Figure 0004512843
Figure 0004512843

Figure 0004512843
Figure 0004512843

Figure 0004512843
Figure 0004512843

Figure 0004512843
Figure 0004512843

Figure 0004512843
Figure 0004512843

Figure 0004512843
Figure 0004512843

Figure 0004512843
Figure 0004512843

また、上記化合物において塩素原子が臭素原子に置き換わった化合物、上記化合物において−CO−が−SO2−に置き換わった化合物、上記化合物において塩素原子が臭素原
子に置き換わり、かつ、−CO−が−SO2−に置き換わった化合物なども挙げられる。
In the above compound, a compound in which a chlorine atom is replaced by a bromine atom, a compound in which -CO- is replaced by -SO 2 -in the above compound, a chlorine atom in the above compound is replaced by a bromine atom, and -CO- is -SO 2 Examples include compounds in which 2- is replaced.

一般式(D)中のRb基は1級のアルコール由来で、β炭素が3級または4級炭素であ
ることが、重合工程中の安定性に優れ、脱エステル化によるスルホン酸の生成に起因する重合阻害や架橋を引き起こさない点で好ましく、さらには、これらのエステル基は1級アルコール由来でβ位が4級炭素であることが好ましい。
The R b group in the general formula (D) is derived from a primary alcohol, and the β carbon is a tertiary or quaternary carbon, which is excellent in stability during the polymerization process, and produces sulfonic acid by deesterification. It is preferable in that it does not cause polymerization inhibition and cross-linking, and it is preferable that these ester groups are derived from primary alcohols and the β-position is a quaternary carbon.

また、上記一般式(D)において、スルホン酸基およびスルホン酸エステル基を有しない化合物の具体例としては、下記の様な化合物が挙げられる。   In the above general formula (D), specific examples of the compound having no sulfonic acid group or sulfonic acid ester group include the following compounds.

Figure 0004512843
Figure 0004512843

Figure 0004512843
Figure 0004512843

上記化合物において塩素原子が臭素原子に置き換わった化合物、上記化合物において
−CO−が−SO2−に置き換わった化合物、上記化合物において塩素原子が臭素原子に
置き換わり、かつ、−CO−が−SO2−に置き換わった化合物なども挙げられる。
A compound in which the chlorine atom is replaced with a bromine atom in the above compound, a compound in which —CO— is replaced with —SO 2 — in the above compound, a chlorine atom in the above compound is replaced with a bromine atom, and —CO— is —SO 2 —. And compounds that have been replaced with.

上記一般式(B)の構造単位となりうるオリゴマーとしては、例えば下記一般式(E)で表されるオリゴマー(以下、オリゴマー(E)ともいう。)が挙げられる。   Examples of the oligomer that can be the structural unit of the general formula (B) include an oligomer represented by the following general formula (E) (hereinafter also referred to as oligomer (E)).

Figure 0004512843
Figure 0004512843

式(E)中、R'およびR''は互いに同一でも異なっていてもよく、フッ素原子を除く
ハロゲン原子または−OSO2G(ここで、Gはアルキル基、フッ素置換アルキル基また
はアリール基を示す。)で表される基を示す。Gが示すアルキル基としてはメチル基、エチル基などが挙げられ、フッ素置換アルキル基としてはトリフルオロメチル基などが挙げられ、アリール基としてはフェニル基、p−トリル基などが挙げられる。
In the formula (E), R ′ and R ″ may be the same as or different from each other, and a halogen atom or —OSO 2 G excluding a fluorine atom (where G represents an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group or an aryl group) The group represented by this is shown. Examples of the alkyl group represented by G include a methyl group and an ethyl group, examples of the fluorine-substituted alkyl group include a trifluoromethyl group, and examples of the aryl group include a phenyl group and a p-tolyl group.

1〜R8は互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子、アルキル基、フッ素置換アルキル基、アリル基、アリール基およびシアノ基からなる群より選ばれる少なくとも1種の原子または基を示す。 R 1 to R 8 may be the same or different from each other, and are at least one atom or group selected from the group consisting of a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group, an allyl group, an aryl group, and a cyano group. Indicates.

アルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、アミル基、ヘキシル基などが挙げられ、メチル基、エチル基などが好ましい。   Examples of the alkyl group include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, an amyl group, and a hexyl group, and a methyl group and an ethyl group are preferable.

フッ素置換アルキル基としては、トリフルオロメチル基、パーフルオロエチル基、パーフルオロプロピル基、パーフルオロブチル基、パーフルオロペンチル基、パーフルオロヘキシル基などが挙げられ、トリフルオロメチル基、ペンタフルオロエチル基などが好ましい。   Examples of the fluorine-substituted alkyl group include trifluoromethyl group, perfluoroethyl group, perfluoropropyl group, perfluorobutyl group, perfluoropentyl group, perfluorohexyl group, trifluoromethyl group, pentafluoroethyl group, and the like. Etc. are preferable.

アリル基としては、プロペニル基などが挙げられ、アリール基としては、フェニル基、ペンタフルオロフェニル基などが挙げられる。   Examples of the allyl group include a propenyl group, and examples of the aryl group include a phenyl group and a pentafluorophenyl group.

Wは2価の電子吸引性基または単結合を示し、電子吸引性基としては、上述したものと同様のものが挙げられる。   W represents a divalent electron-withdrawing group or a single bond, and examples of the electron-withdrawing group include those described above.

Tは2価の有機基または単結合であって、電子吸引性基であっても電子供与性基であってもよい。電子吸引性基および電子供与性基としては、上述したものと同様のものが挙げられる。   T is a divalent organic group or a single bond, and may be an electron-withdrawing group or an electron-donating group. Examples of the electron-withdrawing group and the electron-donating group include the same groups as described above.

pは0または正の整数であり、上限は通常100、好ましくは10〜80である。   p is 0 or a positive integer, and the upper limit is usually 100, preferably 10-80.

上記一般式(E)で表される化合物として具体的には、p=0の場合、例えば4,4'−ジクロロベンゾフェノン、4,4'−ジクロロベンズアニリド、ビス(クロロフェニル)ジフルオロメタン、2,2−ビス(4−クロロフェニル)ヘキサフルオロプロパン、4−ク
ロロ安息香酸−4−クロロフェニル、ビス(4−クロロフェニル)スルホキシド、ビス(4−クロロフェニル)スルホン、2,6−ジクロロベンゾニトリル、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレンが挙げられる。これらの化合物において塩素原子が臭素原子またはヨウ素原子に置き換わった化合物、さらにこれらの化合物において4位に置換したハロゲン原子の少なくとも1つ以上が3位に置換した化合物などが挙げられる。
Specifically, as the compound represented by the general formula (E), when p = 0, for example, 4,4′-dichlorobenzophenone, 4,4′-dichlorobenzanilide, bis (chlorophenyl) difluoromethane, 2, 2-bis (4-chlorophenyl) hexafluoropropane, 4-chlorobenzoic acid-4-chlorophenyl, bis (4-chlorophenyl) sulfoxide, bis (4-chlorophenyl) sulfone, 2,6-dichlorobenzonitrile, 9,9- Bis (4-hydroxyphenyl) fluorene is mentioned. In these compounds, compounds in which a chlorine atom is replaced with a bromine atom or an iodine atom, and compounds in which at least one of halogen atoms substituted in the 4-position in these compounds are substituted in the 3-position are exemplified.

また、p=1の場合、上記一般式(E)で表される具体的な化合物としては、例えば4,4'−ビス(4−クロロベンゾイル)ジフェニルエーテル、4,4'−ビス(4−クロロベ
ンゾイルアミノ)ジフェニルエーテル、4,4'−ビス(4−クロロフェニルスルホニル)ジフェニルエーテル、4,4'−ビス(4−クロロフェニル)ジフェニルエーテルジカルボキシレート、4,4'−ビス〔(4−クロロフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフル
オロプロピル〕ジフェニルエーテル、4,4'−ビス〔(4−クロロフェニル)テトラフルオロエチル〕ジフェニルエーテル、これらの化合物において塩素原子が臭素原子またはヨウ素原子に置き換わった化合物、さらにこれらの化合物において4位に置換したハロゲン原子が3位に置換した化合物、さらにこれらの化合物においてジフェニルエーテルの4位に置換した基の少なくとも1つが3位に置換した化合物などが挙げられる。
When p = 1, the specific compound represented by the general formula (E) is, for example, 4,4′-bis (4-chlorobenzoyl) diphenyl ether, 4,4′-bis (4-chloro). Benzoylamino) diphenyl ether, 4,4′-bis (4-chlorophenylsulfonyl) diphenyl ether, 4,4′-bis (4-chlorophenyl) diphenyl ether dicarboxylate, 4,4′-bis [(4-chlorophenyl) -1, 1,1,3,3,3-hexafluoropropyl] diphenyl ether, 4,4′-bis [(4-chlorophenyl) tetrafluoroethyl] diphenyl ether, compounds in which chlorine atoms are replaced by bromine atoms or iodine atoms in these compounds Further, in these compounds, compounds in which a halogen atom substituted at the 4-position is substituted at the 3-position, At least one group obtained by substituting at the 4-position of diphenyl ether in these compounds but include compounds substituted at the 3-position.

さらに上記一般式(E)で表される化合物としては、2,2−ビス[4−{4−(4−
クロロベンゾイル)フェノキシ}フェニル]−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロ
パン、ビス[4−{4−(4−クロロベンゾイル)フェノキシ}フェニル]スルホン、および下記式で表される化合物などが挙げられる。
Further, the compound represented by the general formula (E) is 2,2-bis [4- {4- (4-
Chlorobenzoyl) phenoxy} phenyl] -1,1,1,3,3,3-hexafluoropropane, bis [4- {4- (4-chlorobenzoyl) phenoxy} phenyl] sulfone, and the following formula Compound etc. are mentioned.

Figure 0004512843
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上記一般式(E)で表される化合物は、例えば、以下に示す方法で合成することができる。   The compound represented by the general formula (E) can be synthesized, for example, by the method shown below.

まず、電子吸引性基で連結されたビスフェノールを、対応するビスフェノールのアルカリ金属塩とするために、N−メチル−2−ピロリドン、N,N-ジメチルアセトアミド、スルホラン、ジフェニルスルホン、ジメチルスルホキサイドなどの誘電率の高い極性溶媒中でリチウム、ナトリウム、カリウムなどのアルカリ金属、水素化アルカリ金属、水酸化アルカリ金属、アルカリ金属炭酸塩などを加える。   First, N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, sulfolane, diphenylsulfone, dimethylsulfoxide, etc., in order to convert the bisphenol linked with an electron-withdrawing group to the corresponding alkali metal salt of bisphenol In a polar solvent having a high dielectric constant, an alkali metal such as lithium, sodium or potassium, an alkali metal hydride, an alkali metal hydroxide, an alkali metal carbonate or the like is added.

アルカリ金属はフェノールの水酸基に対して過剰気味で反応させ、通常、1.1〜2倍当量、好ましくは1.2〜1.5倍当量で用いる。この際、ベンゼン、トルエン、キシレン、ヘキサン、シクロヘキサン、オクタン、クロロベンゼン、ジオキサン、テトラヒドロフラン、アニソール、フェネトールなどの水と共沸する溶媒を共存させて、電子吸引性基で活性化されたフッ素、塩素等のハロゲン原子で置換された芳香族ジハライド化合物、例えば、4,4'−ジフルオロベンゾフェノン、4,4'−ジクロロベンゾフェノン、4,4'−クロロフルオロベンゾフェノン、ビス(4−クロロフェニル)スルホン、ビス(4−フルオロフェニル)スルホン、4−フルオロフェニル−4'−クロロフェニルスルホン、ビス
(3−ニトロ−4−クロロフェニル)スルホン、2,6−ジクロロベンゾニトリル、2,6−ジフルオロベンゾニトリル、ヘキサフルオロベンゼン、デカフルオロビフェニル、2,
5−ジフルオロベンゾフェノン、1,3−ビス(4−クロロベンゾイル)ベンゼンなどを
反応させる。反応性から言えば、フッ素化合物が好ましいが、次の芳香族カップリング反応を考慮した場合、末端が塩素原子となるように芳香族求核置換反応を組み立てる必要がある。
The alkali metal is reacted in excess with respect to the hydroxyl group of phenol, and is usually used in an amount of 1.1 to 2 times equivalent, preferably 1.2 to 1.5 times equivalent. In this case, fluorine, chlorine, etc. activated with an electron-withdrawing group in the presence of water and an azeotropic solvent such as benzene, toluene, xylene, hexane, cyclohexane, octane, chlorobenzene, dioxane, tetrahydrofuran, anisole, phenetole, etc. Aromatic halogen-substituted aromatic dihalide compounds such as 4,4′-difluorobenzophenone, 4,4′-dichlorobenzophenone, 4,4′-chlorofluorobenzophenone, bis (4-chlorophenyl) sulfone, bis (4 -Fluorophenyl) sulfone, 4-fluorophenyl-4'-chlorophenylsulfone, bis (3-nitro-4-chlorophenyl) sulfone, 2,6-dichlorobenzonitrile, 2,6-difluorobenzonitrile, hexafluorobenzene, deca Fluorobiphenyl, ,
5-difluorobenzophenone, 1,3-bis (4-chlorobenzoyl) benzene and the like are reacted. In terms of reactivity, a fluorine compound is preferable, but in consideration of the following aromatic coupling reaction, it is necessary to assemble an aromatic nucleophilic substitution reaction so that the terminal is a chlorine atom.

活性芳香族ジハライドはビスフェノールに対し、2〜4倍モル、好ましくは2.2〜2.8倍モルの使用である。芳香族求核置換反応の前に予め、ビスフェノールのアルカリ金属塩としていてもよい。反応温度は60℃〜300℃で、好ましくは80℃〜250℃の範囲である。反応時間は15分〜100時間、好ましくは1時間〜24時間の範囲である。最も好ましい方法としては、下記式で示される活性芳香族ジハライドとして反応性の異なるハロゲン原子を一個ずつ有するクロロフルオロ体を用いることであり、フッ素原子が優先してフェノキシドと求核置換反応が起きるので、目的の活性化された末端クロロ体を得るのに好都合である。   The active aromatic dihalide is used in an amount of 2 to 4 times mol, preferably 2.2 to 2.8 times mol, of bisphenol. Prior to the aromatic nucleophilic substitution reaction, an alkali metal salt of bisphenol may be used. The reaction temperature is 60 ° C to 300 ° C, preferably 80 ° C to 250 ° C. The reaction time ranges from 15 minutes to 100 hours, preferably from 1 hour to 24 hours. The most preferable method is to use a chlorofluoro compound having one halogen atom having a different reactivity as the active aromatic dihalide represented by the following formula, and a nucleophilic substitution reaction with phenoxide occurs preferentially by the fluorine atom. It is convenient to obtain the desired activated terminal chloro form.

Figure 0004512843
Figure 0004512843

式中、Wは一般式(E)に関して定義した通りである。   In the formula, W is as defined for the general formula (E).

また、特開平2−159号公報に記載のように求核置換反応と親電子置換反応とを組み合わせて、目的の電子吸引性基および電子供与性基からなる屈曲性化合物を合成してもよい。   Further, as described in JP-A-2-159, a flexible compound comprising a target electron-withdrawing group and electron-donating group may be synthesized by combining a nucleophilic substitution reaction and an electrophilic substitution reaction. .

具体的には、電子吸引性基で活性化された芳香族ビスハライド、例えばビス(4−クロロフェニル)スルホンをフェノールで求核置換反応させてビスフェノキシ化合物とし、次いで、このビスフェノキシ化合物と4−クロロ安息香酸クロライドとのフリーデルクラフト反応から目的の化合物を得ることができる。   Specifically, an aromatic bishalide activated with an electron-withdrawing group, such as bis (4-chlorophenyl) sulfone, is subjected to a nucleophilic substitution reaction with phenol to form a bisphenoxy compound, and then this bisphenoxy compound and 4-chloro The desired compound can be obtained from Friedel-Craft reaction with benzoic acid chloride.

ここで用いる電子吸引性基で活性化された芳香族ビスハライドとしては、上記で例示した化合物が挙げられる。フェノール化合物は置換されていてもよいが、耐熱性や屈曲性の観点から無置換化合物が好ましい。なお、フェノールの置換反応にはアルカリ金属塩とすることが好ましく、使用可能なアルカリ金属化合物としては、上記で例示した化合物が挙げられる。使用量はフェノール1モルに対し、1.2〜2倍モルである。反応に際し、上述した極性溶媒や水との共沸溶媒を用いることができる。   Examples of the aromatic bishalide activated with the electron-withdrawing group used here include the compounds exemplified above. The phenol compound may be substituted, but an unsubstituted compound is preferable from the viewpoint of heat resistance and flexibility. In addition, it is preferable to set it as an alkali metal salt for the substitution reaction of a phenol, and the compound illustrated above is mentioned as an alkali metal compound which can be used. The amount used is 1.2 to 2 moles per mole of phenol. In the reaction, the polar solvent described above or an azeotropic solvent with water can be used.

クロロ安息香酸クロライドは、ビスフェノキシ化合物に対し2〜4倍モル、好ましくは2.2〜3倍モルで使用される。また、ビスフェノキシ化合物と、アシル化剤であるクロロ安息香酸クロライドとのフリーデルクラフト反応は、塩化アルミニウム、三フッ化ホウ素、塩化亜鉛などのフリーデルクラフト活性化剤の存在下で行うことが好ましい。フリーデルクラフト活性化剤は、アシル化剤のクロロ安息香酸などの活性ハライド化合物1モルに対し、1.1〜2倍当量使用する。反応時間は15分〜10時間の範囲で、反応温度は−20℃から80℃の範囲である。使用溶媒は、フリーデルクラフト反応に不活性な、クロロベンゼンやニトロベンゼンなどを用いることができる。   Chlorobenzoic acid chloride is used in an amount of 2 to 4 times mol, preferably 2.2 to 3 times mol of the bisphenoxy compound. Further, the Friedel-Craft reaction between the bisphenoxy compound and the acylating agent chlorobenzoic acid chloride is preferably performed in the presence of a Friedel-Craft activator such as aluminum chloride, boron trifluoride, or zinc chloride. . The Friedel-Craft activator is used in an amount of 1.1 to 2 times equivalent to 1 mol of an active halide compound such as chlorobenzoic acid as an acylating agent. The reaction time ranges from 15 minutes to 10 hours, and the reaction temperature ranges from -20 ° C to 80 ° C. As the solvent used, chlorobenzene, nitrobenzene and the like which are inert to Friedel-Craft reaction can be used.

また、一般式(E)において、pが2以上である化合物は、例えば、一般式(E)において電子供与性基Tであるエーテル性酸素の供給源となるビスフェノールと、電子吸引性基Wである、>C=O、−SO2−および>C(CF32から選ばれる少なくとも1種の
基とを組み合わせた化合物、具体的には2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ケト
ン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルホンなどのビスフェノールのアルカリ
金属塩と、過剰の4,4−ジクロロベンゾフェノン、ビス(4−クロロフェニル)スルホンなどの活性芳香族ハロゲン化合物との置換反応を、N−メチル−2−ピロリドン、N,N
−ジメチルアセトアミド、スルホランなどの極性溶媒の存在下で前記単量体の合成手法に順次重合して得られる。
Further, in the general formula (E), the compound in which p is 2 or more is, for example, a bisphenol that is a source of etheric oxygen that is the electron donating group T in the general formula (E) and an electron withdrawing group W. A compound in combination with at least one group selected from> C═O, —SO 2 — and> C (CF 3 ) 2 , specifically 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1 1,1,3,3,3-hexafluoropropane, alkali metal salts of bisphenols such as 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) ketone, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) sulfone, and excess Substitution reaction with an active aromatic halogen compound such as 4,4-dichlorobenzophenone or bis (4-chlorophenyl) sulfone is carried out with N-methyl-2-pyrrolidone, N, N
-Obtained by sequentially polymerizing the monomer in the presence of a polar solvent such as dimethylacetamide or sulfolane.

このような化合物の例示としては、下記式で表される化合物などを挙げることができる。   Examples of such compounds include compounds represented by the following formulas.

Figure 0004512843
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上記において、pは0または正の整数であり、上限は通常100、好ましくは10〜80である。   In the above, p is 0 or a positive integer, and the upper limit is usually 100, preferably 10-80.

上記スルホン酸エステル基を有するポリアリーレンは、モノマー(D)とオリゴマー
(E)とを触媒の存在下に反応させることにより合成されるが、この際使用される触媒は、遷移金属化合物を含む触媒系であり、この触媒系としては、(1)遷移金属塩および配位子となる化合物(以下、「配位子成分」という。)、または配位子が配位された遷移金属錯体(銅塩を含む)、および(2)還元剤を必須成分とし、さらに、重合速度を上げるために、「塩」を添加してもよい。
The polyarylene having a sulfonate group is synthesized by reacting the monomer (D) and the oligomer (E) in the presence of a catalyst. The catalyst used in this case is a catalyst containing a transition metal compound. This catalyst system includes (1) a transition metal salt and a compound that becomes a ligand (hereinafter referred to as “ligand component”), or a transition metal complex in which a ligand is coordinated (copper). Salt is included), and (2) a reducing agent is an essential component, and a “salt” may be added to increase the polymerization rate.

ここで、遷移金属塩としては、塩化ニッケル、臭化ニッケル、ヨウ化ニッケル、ニッケルアセチルアセトナートなどのニッケル化合物;塩化パラジウム、臭化パラジウム、ヨウ化パラジウムなどのパラジウム化合物;塩化鉄、臭化鉄、ヨウ化鉄などの鉄化合物;塩化コバルト、臭化コバルト、ヨウ化コバルトなどのコバルト化合物などが挙げられる。これらのうち特に、塩化ニッケル、臭化ニッケルなどが好ましい。   Here, as the transition metal salt, nickel compounds such as nickel chloride, nickel bromide, nickel iodide and nickel acetylacetonate; palladium compounds such as palladium chloride, palladium bromide and palladium iodide; iron chloride and iron bromide And iron compounds such as iron iodide; cobalt compounds such as cobalt chloride, cobalt bromide, and cobalt iodide. Of these, nickel chloride, nickel bromide and the like are particularly preferable.

また、配位子成分としては、トリフェニルホスフィン、2,2'−ビピリジン、1,5−
シクロオクタジエン、1,3−ビス(ジフェニルホスフィノ)プロパンなどが挙げられる
。これらのうち、トリフェニルホスフィン、2,2'−ビピリジンが好ましい。上記配位子成分である化合物は、1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
As the ligand component, triphenylphosphine, 2,2′-bipyridine, 1,5-
Examples include cyclooctadiene and 1,3-bis (diphenylphosphino) propane. Of these, triphenylphosphine and 2,2′-bipyridine are preferred. The compound which is the said ligand component may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together.

さらに、配位子が配位された遷移金属錯体としては、例えば、塩化ニッケルビス(トリフェニルホスフィン)、臭化ニッケルビス(トリフェニルホスフィン)、ヨウ化ニッケル
ビス(トリフェニルホスフィン)、硝酸ニッケルビス(トリフェニルホスフィン)、塩化ニッケル(2,2'−ビピリジン)、臭化ニッケル(2,2'−ビピリジン)、ヨウ化ニッケル(2,2'−ビピリジン)、硝酸ニッケル(2,2'−ビピリジン)、ビス(1,5−シク
ロオクタジエン)ニッケル、テトラキス(トリフェニルホスフィン)ニッケル、テトラキス(トリフェニルホスファイト)ニッケル、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウムなどが挙げられる。これらのうち、塩化ニッケルビス(トリフェニルホスフィン)、塩化ニッケル(2,2'−ビピリジン)が好ましい。
Furthermore, as the transition metal complex in which the ligand is coordinated, for example, nickel chloride bis (triphenylphosphine), nickel bromide bis (triphenylphosphine), nickel iodide bis (triphenylphosphine), nickel nitrate bis (Triphenylphosphine), nickel chloride (2,2'-bipyridine), nickel bromide (2,2'-bipyridine), nickel iodide (2,2'-bipyridine), nickel nitrate (2,2'-bipyridine) ), Bis (1,5-cyclooctadiene) nickel, tetrakis (triphenylphosphine) nickel, tetrakis (triphenylphosphite) nickel, tetrakis (triphenylphosphine) palladium and the like. Of these, nickel chloride bis (triphenylphosphine) and nickel chloride (2,2′-bipyridine) are preferred.

上記触媒系に使用することができる還元剤としては、例えば、鉄、亜鉛、マンガン、アルミニウム、マグネシウム、ナトリウム、カルシウムなどが挙げられる。これらのうち、亜鉛、マグネシウム、マンガンが好ましい。これらの還元剤は、有機酸などの酸に接触させることにより、より活性化して用いることができる。   Examples of the reducing agent that can be used in the catalyst system include iron, zinc, manganese, aluminum, magnesium, sodium, calcium, and the like. Of these, zinc, magnesium and manganese are preferred. These reducing agents can be used after being more activated by bringing them into contact with an acid such as an organic acid.

また、上記触媒系において使用することのできる「塩」としては、フッ化ナトリウム、塩化ナトリウム、臭化ナトリウム、ヨウ化ナトリウム、硫酸ナトリウムなどのナトリウム化合物;フッ化カリウム、塩化カリウム、臭化カリウム、ヨウ化カリウム、硫酸カリウムなどのカリウム化合物;フッ化テトラエチルアンモニウム、塩化テトラエチルアンモニウム、臭化テトラエチルアンモニウム、ヨウ化テトラエチルアンモニウム、硫酸テトラエチルアンモニウムなどのアンモニウム化合物などが挙げられる。これらのうち、臭化ナトリウム、ヨウ化ナトリウム、臭化カリウム、臭化テトラエチルアンモニウム、ヨウ化テトラエチルアンモニウムが好ましい。   “Salts” that can be used in the above catalyst system include sodium compounds such as sodium fluoride, sodium chloride, sodium bromide, sodium iodide, sodium sulfate; potassium fluoride, potassium chloride, potassium bromide, Examples include potassium compounds such as potassium iodide and potassium sulfate; ammonium compounds such as tetraethylammonium fluoride, tetraethylammonium chloride, tetraethylammonium bromide, tetraethylammonium iodide, and tetraethylammonium sulfate. Of these, sodium bromide, sodium iodide, potassium bromide, tetraethylammonium bromide, and tetraethylammonium iodide are preferred.

各成分の使用割合は、遷移金属塩または遷移金属錯体が、上記モノマーの総計((D)+(E)、以下同じ)1モルに対し、通常0.0001〜10モル、好ましくは0.01〜0.5モルである。0.0001モル未満では、重合反応が十分に進行しないことがあり、一方、10モルを超えると、分子量が低下することがある。   The proportion of each component used is usually from 0.0001 to 10 mol, preferably 0.01, based on 1 mol of the total amount of the above monomers ((D) + (E), hereinafter the same) of the transition metal salt or transition metal complex. -0.5 mol. When the amount is less than 0.0001 mol, the polymerization reaction may not proceed sufficiently. On the other hand, when the amount exceeds 10 mol, the molecular weight may decrease.

触媒系において、遷移金属塩および配位子成分を用いる場合、この配位子成分の使用割合は、遷移金属塩1モルに対し、通常0.1〜100モル、好ましくは1〜10モルである。0.1モル未満では、触媒活性が不十分となることがあり、一方、100モルを超えると、分子量が低下することがある。   In the catalyst system, when a transition metal salt and a ligand component are used, the ratio of the ligand component used is usually 0.1 to 100 mol, preferably 1 to 10 mol, per 1 mol of the transition metal salt. . When the amount is less than 0.1 mol, the catalytic activity may be insufficient. On the other hand, when the amount exceeds 100 mol, the molecular weight may decrease.

また、還元剤の使用割合は、上記モノマーの総計1モルに対し、通常、0.1〜100モル、好ましくは1〜10モルである。0.1モル未満では、重合が十分進行しないことがあり、100モルを超えると、得られる重合体の精製が困難になることがある。   Moreover, the usage-amount of a reducing agent is 0.1-100 mol normally with respect to the total of 1 mol of the said monomer, Preferably it is 1-10 mol. If the amount is less than 0.1 mol, polymerization may not proceed sufficiently. If the amount exceeds 100 mol, purification of the resulting polymer may be difficult.

さらに、「塩」を使用する場合、その使用割合は、上記モノマーの総計1モルに対し、通常、0.001〜100モル、好ましくは0.01〜1モルである。0.001モル未満では、重合速度を上げる効果が不十分であることがあり、100モルを超えると、得られる重合体の精製が困難となることがある。   Furthermore, when using "salt", the usage-ratio is 0.001-100 mol normally with respect to the total of 1 mol of the said monomer, Preferably it is 0.01-1 mol. If it is less than 0.001 mol, the effect of increasing the polymerization rate may be insufficient, and if it exceeds 100 mol, purification of the resulting polymer may be difficult.

モノマー(D)とオリゴマー(E)とを反応させる際に使用することのできる重合溶媒としては、例えばテトラヒドロフラン、シクロヘキサノン、ジメチルスルホキシド、N,
N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリド
ン、γ−ブチロラクトン、N,N'−ジメチルイミダゾリジノンなどが挙げられる。これらのうち、テトラヒドロフラン、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、N,N'−ジメチルイミダゾリジノンが好ましい。これらの重合溶媒は、十分に乾燥してから用いることが好ましい。
Examples of the polymerization solvent that can be used when the monomer (D) and the oligomer (E) are reacted include tetrahydrofuran, cyclohexanone, dimethyl sulfoxide, N,
N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, γ-butyrolactone, N, N′-dimethylimidazolidinone and the like can be mentioned. Of these, tetrahydrofuran, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, and N, N′-dimethylimidazolidinone are preferable. These polymerization solvents are preferably used after sufficiently dried.

重合溶媒中における上記モノマーの総計の濃度は、通常1〜90重量%、好ましくは5
〜40重量%である。
The total concentration of the monomers in the polymerization solvent is usually 1 to 90% by weight, preferably 5
-40% by weight.

重合する際の重合温度は、通常0〜200℃、好ましくは50〜120℃である。また、重合時間は、通常0.5〜100時間、好ましくは1〜40時間である。   The polymerization temperature for the polymerization is usually 0 to 200 ° C, preferably 50 to 120 ° C. The polymerization time is usually 0.5 to 100 hours, preferably 1 to 40 hours.

モノマー(D)を用いて得られたスルホン酸エステル基を有するポリアリーレンは、スルホン酸エステル基を加水分解して、スルホン酸基に変換することによりスルホン酸基を有するポリアリーレンとすることができる。   The polyarylene having a sulfonic acid ester group obtained using the monomer (D) can be converted into a polyarylene having a sulfonic acid group by hydrolyzing the sulfonic acid ester group and converting it to a sulfonic acid group. .

加水分解の方法としては、
(1)少量の塩酸を含む過剰量の水またはアルコールに、上記スルホン酸エステル基を有するポリアリーレンを投入し、5分間以上撹拌する方法
(2)トリフルオロ酢酸中で、上記スルホン酸エステル基を有するポリアリーレンを80〜120℃程度の温度で5〜10時間程度反応させる方法
(3)スルホン酸エステル基を有するポリアリーレン中のスルホン酸エステル基(−SO3R)1モルに対して1〜3倍モルのリチウムブロマイドを含む溶液、例えばN−メチル
ピロリドンなどの溶液中で、上記ポリアリーレンを80〜150℃程度の温度で3〜10時間程度反応させた後、塩酸を添加する方法
などを挙げることができる。
As a hydrolysis method,
(1) A method in which polyarylene having a sulfonate group is added to an excess amount of water or alcohol containing a small amount of hydrochloric acid, and the mixture is stirred for 5 minutes or longer. (2) In trifluoroacetic acid, the sulfonate group is added. (3) Method of reacting polyarylene having a temperature of about 80 to 120 ° C. for about 5 to 10 hours (3) 1 to 1 mol of sulfonic acid ester group (—SO 3 R) in polyarylene having a sulfonic acid ester group A method of adding hydrochloric acid after reacting the polyarylene for about 3 to 10 hours at a temperature of about 80 to 150 ° C. in a solution containing 3 moles of lithium bromide such as N-methylpyrrolidone. Can be mentioned.

上記スルホン酸基を有するポリアリーレン(C)は、上記一般式(D)で表されるモノマー(D)においてスルホン酸エステル基を有しないモノマーと、上記一般式(E)で表されるオリゴマー(E)とを共重合させることにより、ポリアリーレン系共重合体を予め合成し、このポリアリーレン系共重合体をスルホン化することにより合成することもできる。この場合、上記合成方法に準じた方法によりスルホン酸基を有しないポリアリーレンを製造した後、スルホン化剤を用い、スルホン酸基を有しないポリアリーレンにスルホン酸基を導入することにより、スルホン酸基を有するポリアリーレン(C)を得ることができる。   The polyarylene (C) having a sulfonic acid group includes a monomer having no sulfonic acid ester group in the monomer (D) represented by the general formula (D), and an oligomer represented by the general formula (E) ( It is also possible to synthesize a polyarylene copolymer in advance by copolymerizing with E) and sulphonate the polyarylene copolymer. In this case, after producing a polyarylene having no sulfonic acid group by a method according to the above synthesis method, a sulfonic acid group is introduced into the polyarylene having no sulfonic acid group using a sulfonating agent. A polyarylene (C) having a group can be obtained.

スルホン酸基の導入は特に制限されず、一般的な方法で行うことができる。例えば、上記スルホン酸基を有しないポリアリーレンを、無溶剤下または溶剤存在下で、無水硫酸、発煙硫酸、クロルスルホン酸、硫酸または亜硫酸水素ナトリウムなどの公知のスルホン化剤を用いて、公知の条件でスルホン化することにより、スルホン酸基を導入することができる〔Polymer Preprints, Japan, Vol.42, No.3, p.730 (1993);Polymer Preprints, Japan, Vol.43, No.3, p.736 (1994);Polymer Preprints, Japan, Vol.42, No.7, p.2490〜2492 (1993)〕。   The introduction of the sulfonic acid group is not particularly limited, and can be performed by a general method. For example, the polyarylene having no sulfonic acid group may be prepared by using a known sulfonating agent such as sulfuric anhydride, fuming sulfuric acid, chlorosulfonic acid, sulfuric acid or sodium hydrogen sulfite in the absence of a solvent or in the presence of a solvent. Sulfonic acid groups can be introduced by sulfonation under conditions [Polymer Preprints, Japan, Vol.42, No.3, p.730 (1993); Polymer Preprints, Japan, Vol.43, No.3 , p. 736 (1994); Polymer Preprints, Japan, Vol. 42, No. 7, p. 2490-2492 (1993)].

スルホン化の際に用いられる溶剤としては、例えば、n−ヘキサンなどの炭化水素溶剤、テトラヒドロフラン、ジオキサンなどのエーテル系溶剤、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシドなどの非プロトン系極性溶剤、テトラクロロエタン、ジクロロエタン、クロロホルム、塩化メチレンなどのハロゲン化炭化水素などが挙げられる。反応温度は特に制限はないが、通常−50〜200℃、好ましくは−10〜100℃である。また、反応時間は、通常0.5〜1,000時間、好ましくは1〜200時間である。   Examples of the solvent used for sulfonation include hydrocarbon solvents such as n-hexane, ether solvents such as tetrahydrofuran and dioxane, aprotic polar solvents such as dimethylacetamide, dimethylformamide, and dimethylsulfoxide, tetrachloroethane, Halogenated hydrocarbons such as dichloroethane, chloroform, and methylene chloride. Although reaction temperature does not have a restriction | limiting in particular, Usually, -50-200 degreeC, Preferably it is -10-100 degreeC. Moreover, reaction time is 0.5 to 1,000 hours normally, Preferably it is 1 to 200 hours.

上記のような方法により製造されるスルホン酸基を有するポリアリーレン(C)中のスルホン酸基量は、通常0.3〜5meq/g、好ましくは0.5〜3meq/g、さらに好ましくは0.8〜2.8meq/gである。0.3meq/g未満では、プロトン伝導度が低く実用的ではない。一方、5meq/gを超えると、耐水性が大幅に低下することがある。   The amount of the sulfonic acid group in the polyarylene (C) having a sulfonic acid group produced by the method as described above is usually 0.3 to 5 meq / g, preferably 0.5 to 3 meq / g, more preferably 0. .8 to 2.8 meq / g. If it is less than 0.3 meq / g, the proton conductivity is low and not practical. On the other hand, if it exceeds 5 meq / g, the water resistance may be significantly lowered.

上記スルホン酸基量は、例えばモノマー(D)およびオリゴマー(E)の種類、使用割合、組み合わせを変えることにより、調整することができる。   The amount of the sulfonic acid group can be adjusted, for example, by changing the type, usage ratio, and combination of the monomer (D) and the oligomer (E).

このようにして得られるスルホン酸基を有するポリアリーレンの分子量は、ゲルパーミエションクロマトグラフィ(GPC)によるポリスチレン換算の重量平均分子量で、1万〜100万、好ましくは2万〜80万である。   The molecular weight of the polyarylene having a sulfonic acid group thus obtained is 10,000 to 1,000,000, preferably 20,000 to 800,000 in terms of polystyrene-reduced weight average molecular weight by gel permeation chromatography (GPC).

<スルホン酸基と相互作用し得る官能基を有するポリマー>
本発明に係る高分子電解質膜は、上記スルホン酸基を有するポリアリーレンと、スルホン酸基と相互作用し得る官能基を有するポリマーとからなり、これらがポリイオンコンプレックスを形成することにより、高いプロトン伝導性および低いメタノール透過性を有する高分子電解質膜を得ることができる。
<Polymer having functional group capable of interacting with sulfonic acid group>
The polymer electrolyte membrane according to the present invention comprises a polyarylene having the sulfonic acid group and a polymer having a functional group capable of interacting with the sulfonic acid group, and these form a polyion complex, whereby high proton conductivity. And a polymer electrolyte membrane having low methanol permeability can be obtained.

上記スルホン酸基と相互作用し得る官能基とは、スルホン酸基と酸−塩基複合構造を形成することができる官能基、すなわち塩基性官能基である。   The functional group capable of interacting with the sulfonic acid group is a functional group capable of forming an acid-base composite structure with the sulfonic acid group, that is, a basic functional group.

このような塩基性官能基としては、ピリジル基、イミダゾール基、ベンズイミダゾール基、ジアゾール基、ホスホニウム基、1級アミノ基、2級アミノ基、3級アミノ基、アミド基、ウレタン基、ウレア基、イミノ基などの窒素原子を有する官能基が挙げられる。   Examples of such basic functional groups include pyridyl group, imidazole group, benzimidazole group, diazole group, phosphonium group, primary amino group, secondary amino group, tertiary amino group, amide group, urethane group, urea group, A functional group having a nitrogen atom such as an imino group can be mentioned.

このような塩基性官能基を有するポリマーとしては、例えば、ポリビニルピリジン、ポリビニルピロリドン、ポリビニルイミダゾール、ポリアリルアミン、ポリアクリルアミド、ポリエチレンイミン、ポリプロピレンイミン、ポリサイラミン、ポリベンズイミダゾールなどが挙げられる。   Examples of the polymer having such a basic functional group include polyvinyl pyridine, polyvinyl pyrrolidone, polyvinyl imidazole, polyallylamine, polyacrylamide, polyethyleneimine, polypropyleneimine, polysilamine, polybenzimidazole and the like.

上記スルホン酸基と相互作用し得る官能基を有するポリマー(以下、塩基性ポリマーともいう。)は、重量平均分子量が500以上、好ましくは1000〜1,000,000、より好ましくは5000〜500,000であることが望ましい。重量平均分子量が500未満では、メタノール透過の低減効果や寸法安定性の向上に対する効果が不十分となることがある。   The polymer having a functional group capable of interacting with the sulfonic acid group (hereinafter also referred to as a basic polymer) has a weight average molecular weight of 500 or more, preferably 1000 to 1,000,000, more preferably 5000 to 500, 000 is desirable. If the weight average molecular weight is less than 500, the effect of reducing methanol permeation and the effect of improving dimensional stability may be insufficient.

上記塩基性ポリマーは、1種単独で用いても、2種以上を併用してもよく、上記スルホン化ポリアリーレン100重量部に対して、1〜200重量部、好ましくは10〜90重量部の割合で用いることが望ましい。上記範囲で用いることにより、コンプレックス形成による効果を充分に発現することができる。   The basic polymer may be used alone or in combination of two or more, and is 1 to 200 parts by weight, preferably 10 to 90 parts by weight, based on 100 parts by weight of the sulfonated polyarylene. It is desirable to use in proportion. By using in the said range, the effect by complex formation can fully be expressed.

<高分子電解質膜>
本発明に係る高分子電解質膜は、上記スルホン化ポリアリーレンと上記塩基性ポリマーとからなる。
<Polymer electrolyte membrane>
The polymer electrolyte membrane according to the present invention comprises the sulfonated polyarylene and the basic polymer.

本発明の高分子電解質膜を製造する方法としては、例えば、
(i)上記スルホン化ポリアリーレン、塩基性ポリマーおよび両者の複合化物のいずれ
もが溶解する有機溶媒に、上記スルホン化ポリアリーレンおよび塩基性ポリマーを溶解し、この溶液を基体上にキャストした後、溶媒を乾燥して除去することにより製膜するキャスト法、
(ii)上記スルホン化ポリアリーレンをキャスト法により製膜した後、このスルホン化ポリアリーレン膜を塩基性ポリマーの溶液に浸漬し、スルホン化ポリアリーレン膜の内部に塩基性ポリマーを含浸させる方法、および
(iii)上記スルホン化ポリアリーレンをキャスト法により製膜した後、塩基性ポリマ
ー溶液を、例えばスプレー塗布することにより、スルホン化ポリアリーレン膜の表面に塩基性ポリマーをコートする方法などが挙げられる。
As a method for producing the polymer electrolyte membrane of the present invention, for example,
(I) After dissolving the sulfonated polyarylene and the basic polymer in an organic solvent in which all of the sulfonated polyarylene, the basic polymer, and the composite of both are dissolved, and casting this solution on a substrate, Casting method to form a film by drying and removing the solvent,
(Ii) after forming the sulfonated polyarylene film by a casting method, immersing the sulfonated polyarylene film in a basic polymer solution, and impregnating the basic polymer inside the sulfonated polyarylene film; and (Iii) A method of coating the basic polymer on the surface of the sulfonated polyarylene film by, for example, spray coating a basic polymer solution after forming the film of the sulfonated polyarylene by a casting method.

上記方法(i)の場合、均一な組成の膜が得られるという特徴がある。上記方法(ii)
の場合、塩基性ポリマーの溶液には、スルホン化ポリアリーレンの膜が溶解しないことが必要であり、そのような溶媒として水が好ましい。上記方法(iii)の場合、塩基性ポリ
マーの溶媒には上記方法(ii)のような制約はなく、膜の表面近傍のみを複合化させることができる。
The method (i) is characterized in that a film having a uniform composition can be obtained. Method (ii) above
In this case, it is necessary that the sulfonated polyarylene membrane does not dissolve in the basic polymer solution, and water is preferable as such a solvent. In the case of the above method (iii), the basic polymer solvent is not limited as in the above method (ii), and only the vicinity of the surface of the membrane can be combined.

このような製膜方法において用いられる基体としては、通常の溶液キャスト法に用いられる基体であれば特に限定されず、例えば、プラスチック製または金属製などの基体が用いられ、好ましくは、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルムなどの熱可塑性樹脂からなる基体が用いられる。   The substrate used in such a film forming method is not particularly limited as long as it is a substrate used in an ordinary solution casting method. For example, a substrate made of plastic or metal is used, and preferably polyethylene terephthalate ( A substrate made of a thermoplastic resin such as PET) film is used.

これらの製膜方法で用いられる溶媒としては、具体的には、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルホルムアミド、γ−ブチロラクトン、N,N−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、ジメチル尿素、ジメチルイミダゾリジノンなどの非プロトン系極性溶剤が挙げられる。これらの中では、溶解性および溶液粘度の面から、N−メチル−2−ピロリドン(以下、「NMP」ともいう。)が特に好ましい。上記非プロトン系極性溶剤は、1種単独で用いても、2種以上を組み合わせて用いてもよい。   Specific examples of the solvent used in these film forming methods include N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylformamide, γ-butyrolactone, N, N-dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, dimethylurea, dimethyl Examples include aprotic polar solvents such as imidazolidinone. Among these, N-methyl-2-pyrrolidone (hereinafter also referred to as “NMP”) is particularly preferable in terms of solubility and solution viscosity. The aprotic polar solvents may be used singly or in combination of two or more.

また、上記溶媒として、上記非プロトン系極性溶剤とアルコールとの混合物を用いてもよい。このようなアルコールとしては、例えば、メタノール、エタノール、プロピルアルコール、iso−プロピルアルコール、sec−ブチルアルコール、tert−ブチルアルコールなどが挙げられる。これらの中では、幅広い組成範囲で溶液粘度を下げる効果があることから、メタノールが特に好ましい。アルコールは、1種単独で用いても、2種以上を組み合わせて用いてもよい。   Further, as the solvent, a mixture of the aprotic polar solvent and alcohol may be used. Examples of such alcohol include methanol, ethanol, propyl alcohol, iso-propyl alcohol, sec-butyl alcohol, tert-butyl alcohol, and the like. Among these, methanol is particularly preferable because it has an effect of lowering the solution viscosity in a wide composition range. Alcohol may be used individually by 1 type, or may be used in combination of 2 or more type.

上記非プロトン系極性溶剤とアルコールとの混合物を用いる場合には、非プロトン系極性溶剤が95〜25重量%、好ましくは90〜25重量%であり、アルコールが5〜75重量%、好ましくは10〜75重量%である(ただし、合計は100重量%)。アルコールの量が上記範囲内にあることにより、溶液粘度を下げる効果に優れる。   When a mixture of the aprotic polar solvent and the alcohol is used, the aprotic polar solvent is 95 to 25% by weight, preferably 90 to 25% by weight, and the alcohol is 5 to 75% by weight, preferably 10%. -75 wt% (however, the total is 100 wt%). When the amount of alcohol is within the above range, the effect of lowering the solution viscosity is excellent.

また、上記アルコールの他に、硫酸、リン酸などの無機酸、カルボン酸を含む有機酸、適量の水などを併用してもよい。   In addition to the alcohol, an inorganic acid such as sulfuric acid or phosphoric acid, an organic acid containing a carboxylic acid, an appropriate amount of water or the like may be used in combination.

製膜する際の溶液のポリマー濃度は、通常5〜40重量%、好ましくは7〜25重量%である。ポリマー濃度が5重量%未満では、厚膜化し難く、また、ピンホールが生成しやすい傾向にある。一方、ポリマー濃度が40重量%を超えると、溶液粘度が高すぎてフィルム化し難く、また、表面平滑性に欠けることがある。   The polymer concentration of the solution during film formation is usually 5 to 40% by weight, preferably 7 to 25% by weight. If the polymer concentration is less than 5% by weight, it is difficult to form a thick film, and pinholes tend to be generated. On the other hand, when the polymer concentration exceeds 40% by weight, the solution viscosity is so high that it is difficult to form a film, and surface smoothness may be lacking.

なお、溶液粘度は、通常2,000〜100,000mPa・s、好ましくは3,000
〜50,000mPa・sである。溶液粘度が2,000mPa・s未満では、成膜中の溶液の滞留性が悪く、基体から流れてしまうことがある。一方、溶液粘度が100,000
mPa・sを超えると、粘度が高過ぎるため、ダイからの押し出しができず、流延法によるフィルム化が困難となることがある。
The solution viscosity is usually 2,000 to 100,000 mPa · s, preferably 3,000.
˜50,000 mPa · s. When the solution viscosity is less than 2,000 mPa · s, the retention of the solution during film formation is poor and the solution may flow from the substrate. On the other hand, the solution viscosity is 100,000
If it exceeds mPa · s, the viscosity is too high, so extrusion from the die cannot be performed, and film formation by the casting method may be difficult.

上記のようにして成膜した後、得られた未乾燥フィルムを水に浸漬すると、未乾燥フィルム中の有機溶剤を水と置換することができ、得られる高分子電解質膜の残留溶媒量を低減することができる。なお、未乾燥フィルムを水に浸漬する前に、未乾燥フィルムを予備
乾燥してもよい。予備乾燥は、未乾燥フィルムを、通常50〜150℃の温度で、0.1〜10時間保持することにより行われる。
After film formation as described above, when the obtained undried film is immersed in water, the organic solvent in the undried film can be replaced with water, and the amount of residual solvent in the resulting polymer electrolyte membrane is reduced. can do. In addition, you may predry an undried film before immersing an undried film in water. The preliminary drying is performed by holding the undried film at a temperature of usually 50 to 150 ° C. for 0.1 to 10 hours.

未乾燥フィルム(予備乾燥後のフィルムも含む。以下同じ。)を水に浸漬する際は、枚葉を水に浸漬するバッチ方式でもよく、基板フィルム(たとえば、PET)上に成膜された状態の積層フィルムのまま、または基板から分離した膜を水に浸漬させて、巻き取っていく連続方式でもよい。また、バッチ方式の場合は、処理後のフィルム表面に皺が形成されるのを抑制するために、未乾燥フィルムを枠にはめるなどの方法で、水に浸漬させることが好ましい。   When immersing an undried film (including a pre-dried film; the same shall apply hereinafter) in water, a batch method in which a single wafer is immersed in water may be used, and a film is formed on a substrate film (for example, PET). A continuous system may be used in which the laminated film is left as it is, or the film separated from the substrate is immersed in water and wound up. Moreover, in the case of a batch system, in order to suppress the formation of wrinkles on the treated film surface, it is preferable to immerse the film in water by a method such as placing an undried film on a frame.

未乾燥フィルムを水に浸漬する際の水の使用量は、未乾燥フィルム1重量部に対して、10重量部以上、好ましくは30重量部以上、より好ましくは50重量部以上の割合である。水の使用量が上記範囲であれば、得られるプロトン伝導膜の残存溶媒量を少なくすることができる。また、浸漬に使用する水を交換したり、オーバーフローさせたりして、常に水中の有機溶媒濃度を一定濃度以下に維持しておくことも、得られる高分子電解質膜の残存溶媒量を低減することに有効である。さらに、高分子電解質膜中に残存する有機溶媒量の面内分布を小さく抑えるためには、水中の有機溶媒濃度を撹拌等によって均質化させることが効果的である。   The amount of water used in immersing the undried film in water is 10 parts by weight or more, preferably 30 parts by weight or more, more preferably 50 parts by weight or more with respect to 1 part by weight of the undried film. If the amount of water used is in the above range, the amount of residual solvent in the resulting proton conducting membrane can be reduced. In addition, the amount of residual solvent in the resulting polymer electrolyte membrane can be reduced by changing the water used for immersion or allowing it to overflow to always maintain the organic solvent concentration in water below a certain level. It is effective for. Furthermore, in order to suppress the in-plane distribution of the amount of the organic solvent remaining in the polymer electrolyte membrane, it is effective to homogenize the concentration of the organic solvent in water by stirring or the like.

未乾燥フィルムを水に浸漬する際の水の温度は、置換速度および取り扱いやすさの点から、通常5〜80℃、好ましくは10〜60℃の範囲である。高温ほど、有機溶媒と水との置換速度は速くなるが、フィルムの吸水量も大きくなるので、乾燥後に得られる高分子電解質膜の表面状態が悪化することがある。また、フィルムの浸漬時間は、初期の残存溶媒量、水の使用量および処理温度にもよるが、通常10分〜240時間、好ましくは30分〜100時間の範囲である。   The temperature of water when the undried film is immersed in water is usually in the range of 5 to 80 ° C., preferably 10 to 60 ° C., from the viewpoint of the replacement speed and ease of handling. The higher the temperature, the faster the substitution rate of the organic solvent and water, but the greater the amount of water absorbed by the film, so the surface state of the polymer electrolyte membrane obtained after drying may deteriorate. Further, the immersion time of the film is usually in the range of 10 minutes to 240 hours, preferably 30 minutes to 100 hours, although it depends on the initial residual solvent amount, the amount of water used and the treatment temperature.

上記のように未乾燥フィルムを水に浸漬した後、フィルムを30〜100℃、好ましくは50〜80℃で、10〜180分、好ましくは15〜60分乾燥し、次いで、50〜150℃で、好ましくは500mmHg〜0.1mmHgの減圧下において、0.5〜24時間真空乾燥することにより、高分子電解質膜を得ることができる。   After immersing the undried film in water as described above, the film is dried at 30-100 ° C, preferably 50-80 ° C, for 10-180 minutes, preferably 15-60 minutes, and then at 50-150 ° C. The polymer electrolyte membrane can be obtained by vacuum drying for 0.5 to 24 hours, preferably under a reduced pressure of 500 mmHg to 0.1 mmHg.

上記のようにして得られた高分子電化質膜の残存溶媒量は、通常5重量%以下、好ましくは1重量%以下にまで低減される。   The amount of residual solvent in the polymer electrolyte membrane obtained as described above is usually reduced to 5% by weight or less, preferably 1% by weight or less.

本発明の方法により得られる高分子電解質膜は、その乾燥膜厚が、通常10〜100μm、好ましくは20〜80μmである。   The polymer electrolyte membrane obtained by the method of the present invention has a dry film thickness of usually 10 to 100 μm, preferably 20 to 80 μm.

〔実施例〕
以下、実施例に基づいて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。なお、スルホン酸当量、分子量、プロトン伝導度、寸法変化率およびメタノール透過性は以下のようにして求めた。
〔Example〕
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated further more concretely based on an Example, this invention is not limited to these Examples. The sulfonic acid equivalent, molecular weight, proton conductivity, dimensional change rate and methanol permeability were determined as follows.

1.スルホン酸当量
得られたスルホン酸基を有する重合体の水洗水が中性になるまで洗浄し、フリーに残存している酸を除いて充分に水洗し、乾燥後、所定量を秤量し、THF/水の混合溶剤に溶解したフェノールフタレインを指示薬とし、NaOHの標準液を用いて滴定を行い、中和点からスルホン酸当量を求めた。
1. Sulfonic acid equivalent The polymer having the sulfonic acid group was washed with water until the water was neutral, thoroughly washed with water except for free remaining acid, dried, weighed a predetermined amount, THF / Phenolphthalein dissolved in a mixed solvent of water was used as an indicator, titration was performed using a standard solution of NaOH, and the sulfonic acid equivalent was determined from the neutralization point.

2.分子量の測定
スルホン酸基を有しないポリアリーレン重量平均分子量は、溶剤としてテトラヒドロフ
ラン(THF)を用い、GPCによってポリスチレン換算の分子量を求めた。スルホン酸基を有するポリアリーレンの分子量は、溶剤として臭化リチウムと燐酸を添加したN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を溶離液として用い、GPCによってポリスチレン換算の分子量を求めた。
2. Measurement of molecular weight The polyarylene weight-average molecular weight having no sulfonic acid group was determined by using polystyrene (THF) as a solvent and the molecular weight in terms of polystyrene by GPC. The molecular weight of polyarylene having a sulfonic acid group was determined by GPC using polystyrene as a molecular weight using N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) to which lithium bromide and phosphoric acid were added as a solvent.

3.プロトン伝導度の測定
交流抵抗は、5mm幅の短冊状膜試料の表面に、白金線(φ=0.5mm)を押し当て、恒温恒湿装置中に試料を保持し、白金線間の交流インピーダンス測定から求めた。すなわち、85℃、相対湿度90%の環境下で交流10kHzにおけるインピーダンスを測定した。抵抗測定装置として、(株)NF回路設計ブロック製のケミカルインピーダンス測定システムを用い、恒温恒湿装置には、(株)ヤマト科学製のJW241を使用した。白金線は、5mm間隔に5本押し当てて、線間距離を5〜20mmに変化させ、交流抵抗を測定した。線間距離と抵抗の勾配から、膜の比抵抗を算出し、比抵抗の逆数から交流インピーダンスを算出し、このインピーダンスからプロトン伝導率を算出した。
比抵抗R(Ω・cm)=0.5(cm)×膜厚(cm)×抵抗線間勾配(Ω/cm)
4.寸法変化率
純水100mLと3cm角のフィルムとを入れたポリ容器(容量;250mL)を、120℃に設定したプレッシャークッカー中に24時間おいた後、水中から取り出したフィルムの寸法を直ちに測定した。
3. Measurement of proton conductivity AC resistance is obtained by pressing a platinum wire (φ = 0.5 mm) on the surface of a strip-shaped membrane sample with a width of 5 mm, holding the sample in a constant temperature and humidity device, and alternating current impedance between platinum wires. Obtained from measurement. That is, the impedance at AC 10 kHz was measured in an environment of 85 ° C. and relative humidity 90%. A chemical impedance measurement system manufactured by NF Circuit Design Block Co., Ltd. was used as the resistance measurement device, and JW241 manufactured by Yamato Scientific Co., Ltd. was used as the constant temperature and humidity device. Five platinum wires were pressed at intervals of 5 mm, the distance between the wires was changed to 5 to 20 mm, and the AC resistance was measured. The specific resistance of the membrane was calculated from the line-to-line distance and the resistance gradient, the AC impedance was calculated from the reciprocal of the specific resistance, and the proton conductivity was calculated from this impedance.
Specific resistance R (Ω · cm) = 0.5 (cm) × film thickness (cm) × resistance-to-resistance gradient (Ω / cm)
4). Dimensional change rate A plastic container (capacity: 250 mL) containing 100 mL of pure water and a 3 cm square film was placed in a pressure cooker set at 120 ° C. for 24 hours, and the dimensions of the film taken out from water were immediately measured. .

5.メタノール透過性
得られたフィルム(高分子電解質膜)をパーベーパレーション膜とし、濃度10重量%のメタノール水溶液を用いて、パーベーパレーション法により25℃で測定した。
5). Methanol permeability The obtained film (polymer electrolyte membrane) was used as a pervaporation membrane and measured at 25 ° C. by a pervaporation method using an aqueous methanol solution having a concentration of 10% by weight.

[合成例1]オリゴマーの調製
撹拌機、温度計、冷却管、Dean-Stark管、窒素導入の三方コックを取り付けた1Lの三つ口のフラスコに、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン(ビスフェノールAF)67.3g(0.20mol)、4,4'−ジクロロベンゾフェノン(4,4'−DCBP)60.3g(0.24mol)、炭酸カリウム71.9g(0.52mol)、N,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)300m
L、トルエン150mLをとり、オイルバス中、窒素雰囲気下で加熱し撹拌下130℃で反応させた。反応により生成する水をトルエンと共沸させ、Dean-Stark管で系外に除去しながら反応させると、約3時間で水の生成がほとんど認められなくなった。その後、反応温度を130℃から徐々に150℃まで上げながら大部分のトルエンを除去し、150で10時間反応を続けた後、4,4'−DCBP10.0g(0.040mol)を加え、さらに5時間反応した。得られた反応液を放冷後、副生した無機化合物の沈殿物を濾過除去し、濾液を4Lのメタノール中に投入した。沈殿した生成物を濾別、回収し乾燥後、テトラヒドロフラン300mLに溶解した。これをメタノール4Lに再沈殿し、目的の化合物95g(収率85%)を得た。
[Synthesis Example 1] Preparation of Oligomer 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) was added to a 1 L three-necked flask equipped with a stirrer, thermometer, condenser, Dean-Stark tube and nitrogen-introduced three-way cock. -1,1,1,3,3,3-hexafluoropropane (bisphenol AF) 67.3 g (0.20 mol), 4,4′-dichlorobenzophenone (4,4′-DCBP) 60.3 g (0. 24 mol), potassium carbonate 71.9 g (0.52 mol), N, N-dimethylacetamide (DMAc) 300 m
L and 150 mL of toluene were taken and heated in an oil bath under a nitrogen atmosphere and reacted at 130 ° C. with stirring. When water produced by the reaction was azeotroped with toluene and reacted while being removed from the system with a Dean-Stark tube, almost no water was produced in about 3 hours. Thereafter, most of the toluene was removed while gradually raising the reaction temperature from 130 ° C. to 150 ° C., and the reaction was continued at 150 for 10 hours. Then, 10.0 g (0.040 mol) of 4,4′-DCBP was added, and further Reacted for 5 hours. The resulting reaction solution was allowed to cool, and then the by-product inorganic compound precipitate was removed by filtration, and the filtrate was put into 4 L of methanol. The precipitated product was separated by filtration, collected, dried, and dissolved in 300 mL of tetrahydrofuran. This was reprecipitated in 4 L of methanol to obtain 95 g (yield 85%) of the target compound.

得られた化合物のGPC(THF溶媒)で求めたポリスチレン換算の重量平均分子量(Mw)は11,200であった。また、得られた化合物は、THF、NMP、DMAc、
スルホランなどに可溶で、ガラス転移温度(Tg)は110℃、熱分解温度は498℃であった。
The weight average molecular weight (Mw) in terms of polystyrene determined by GPC (THF solvent) of the obtained compound was 11,200. Moreover, the obtained compound is THF, NMP, DMAc,
It was soluble in sulfolane, etc., and had a glass transition temperature (Tg) of 110 ° C. and a thermal decomposition temperature of 498 ° C.

得られた化合物は、式(I)で表されるオリゴマー(以下、「BCPAFオリゴマー」という。)であった。   The obtained compound was an oligomer represented by the formula (I) (hereinafter referred to as “BCPAF oligomer”).

Figure 0004512843
Figure 0004512843

[合成例2]スルホン酸基を有するポリアリーレンの調製
撹拌機、温度計、冷却管、Dean-Stark管、窒素導入の三方コックを取り付けた1Lの三つ口のフラスコに、4−[4−(2,5−ジクロロベンゾイル)フェノキシ]ベンゼンス
ルホン酸neo-ペンチル(A−SO3 neo-Pe)39.58g(98.64mmol)、合成例1で得られたBCPAFオリゴマー(Mw=11200)15.23g(1.36mmol)、Ni(PPh32Cl2 1.67g(2.55mmol)、PPh3 10.49g(40mmol)、NaI 0.45g(3mmol)、亜鉛末 15.69g(240mmol)および乾燥NMP 390mLを窒素下で加えた。反応系を攪拌下に加熱し
(最終的には75℃まで加温)、3時間反応させた。重合反応液をTHF 250mLで
希釈し、30分攪拌し、セライトを濾過助剤に用いて濾過し、濾液を大過剰のメタノール1500mLに注いで凝固させた。凝固物を濾集、風乾し、さらにTHF/NMP(それぞれ200/300mL)に再溶解し、大過剰のメタノール1500mLで凝固析出させた。風乾後、加熱乾燥により目的の黄色繊維状のネオペンチル基で保護されたスルホン酸誘導体からなる共重合体(PolyAB−SO3 neo-Pe)47.0g(収率99%)を得た。GPCによる分子量は、数平均分子量(Mn)が47,600、Mwが159,000であった。
[Synthesis Example 2] Preparation of polyarylene having a sulfonic acid group To a 1 L three-necked flask equipped with a stirrer, a thermometer, a condenser tube, a Dean-Stark tube and a nitrogen-introduced three-way cock, 4- [4- (2,5-dichlorobenzoyl) phenoxy] 39-58 g (98.64 mmol) of benzenesulfonate neo-pentyl (A-SO 3 neo-Pe), BCPAF oligomer obtained in Synthesis Example 1 (Mw = 11200) 15. 23 g (1.36 mmol), Ni (PPh 3 ) 2 Cl 2 1.67 g (2.55 mmol), PPh 3 10.49 g (40 mmol), NaI 0.45 g (3 mmol), zinc dust 15.69 g (240 mmol) and 390 mL dry NMP was added under nitrogen. The reaction system was heated with stirring (finally heated to 75 ° C.) and allowed to react for 3 hours. The polymerization reaction solution was diluted with 250 mL of THF, stirred for 30 minutes, filtered using Celite as a filter aid, and the filtrate was poured into a large excess of 1500 mL of methanol to coagulate. The coagulum was collected by filtration, air-dried, redissolved in THF / NMP (200/300 mL each), and coagulated with 1500 mL of a large excess of methanol. After air drying, 47.0 g (yield 99%) of a copolymer (PolyAB-SO 3 neo-Pe) composed of a sulfonic acid derivative protected with a target yellow fibrous neopentyl group was obtained by heat drying. As for the molecular weight by GPC, the number average molecular weight (Mn) was 47,600, and Mw was 159,000.

こうして得られた共重合体(PolyAB−SO3 neo-Pe)5.1gをNMP60mLに溶解し、90℃に加温した。反応系にメタノール50mLと濃塩酸8mLとの混合物を一時に加えた。懸濁状態となりながら、温和の還流条件で10時間反応させた。蒸留装置を設置し、過剰のメタノールを溜去して淡緑色の透明溶液を得た。この溶液を、大量の水/メタノール(1:1重量比)中に注いでポリマーを凝固させた後、洗浄水のpHが6以上となるまでイオン交換水でポリマーを洗浄した。こうして得られたポリマーのIRスペクトルおよびイオン交換容量の定量分析から、スルホン酸エステル基(−SO3a)は定量的にスルホン酸基(−SO3H)に転換していることがわかった。 5.1 g of the copolymer (PolyAB-SO 3 neo-Pe) thus obtained was dissolved in 60 mL of NMP and heated to 90 ° C. A mixture of 50 mL of methanol and 8 mL of concentrated hydrochloric acid was added to the reaction system at one time. While in suspension, the reaction was allowed to proceed for 10 hours under mild reflux conditions. A distillation apparatus was installed, and excess methanol was distilled off to obtain a light green transparent solution. This solution was poured into a large amount of water / methanol (1: 1 weight ratio) to solidify the polymer, and then the polymer was washed with ion exchange water until the pH of the washing water reached 6 or more. From the IR spectrum of the polymer thus obtained and the quantitative analysis of the ion exchange capacity, it was found that the sulfonic acid ester group (—SO 3 R a ) was quantitatively converted to the sulfonic acid group (—SO 3 H). .

得られたスルホン酸基を有するポリアリーレン共重合体のGPCによる分子量は、Mnが53,200、Mwが185,000であり、スルホン酸当量が1.9meq/gであった。   The obtained polyarylene copolymer having a sulfonic acid group had a molecular weight by GPC of Mn of 53,200, Mw of 185,000, and a sulfonic acid equivalent of 1.9 meq / g.

[合成例3]スルホン酸基を有するポリアリーレンの合成
合成例1で得られたBCPAFオリゴマー 28.1g(2.5mmol)、2,5−ジクロロ−4'−(4−フェノキシ)フェノキシベンゾフェノン(DCPPB)35.9g
(82.5mmol)、ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケルジクロリド 1.67
g(2.6mmol)、ヨウ化ナトリウム 1.66g(11.1mmol)、トリフェ
ニルホスフィン 8.92g(34.0mmol)および亜鉛末 13.3g(204mmol)をフラスコにとり、乾燥窒素置換した。N−メチル−2−ピロリドン160mlを加え、80℃に加熱し、4時間攪拌して重合を行った。重合溶液をTHF160mLで希釈し、これを塩酸/メタノール(それぞれ150/1500mL)に注いで凝固させた。凝固物のメタノール洗浄を繰り返し行った後、THFに溶解した溶液をメタノール1500mLに投入して再沈殿させた。得られた沈殿物を真空乾燥することにより、目的の共重
合体51.0g(90%)を得た。得られた共重合体の分子量は、Mnが38,900、
Mwが160,000であった。
[Synthesis Example 3] Synthesis of polyarylene having a sulfonic acid group 28.1 g (2.5 mmol) of BCPAF oligomer obtained in Synthesis Example 1 2,5-dichloro-4 '-(4-phenoxy) phenoxybenzophenone (DCPPB) 35.9g
(82.5 mmol), bis (triphenylphosphine) nickel dichloride 1.67
g (2.6 mmol), 1.66 g (11.1 mmol) of sodium iodide, 8.92 g (34.0 mmol) of triphenylphosphine and 13.3 g (204 mmol) of zinc dust were placed in a flask and purged with dry nitrogen. 160 ml of N-methyl-2-pyrrolidone was added, and the mixture was heated to 80 ° C. and stirred for 4 hours for polymerization. The polymerization solution was diluted with 160 mL of THF, and poured into hydrochloric acid / methanol (150/1500 mL, respectively) to solidify. After methanol washing of the solidified product was repeated, a solution dissolved in THF was added to 1500 mL of methanol to cause reprecipitation. The obtained precipitate was vacuum-dried to obtain 51.0 g (90%) of the target copolymer. The resulting copolymer has a molecular weight of 38,900 for Mn,
Mw was 160,000.

得られた共重合体50gを、攪拌装置および温度計を取り付けた1000mlのセパラブルフラスコに入れ、濃度98%硫酸500mlを加え、内温を25℃に保ちながら窒素気流下で24時間攪拌した。得られた溶液を大量のイオン交換水の中に注いで重合体を沈殿させ、洗浄水のpHが5になるまで沈殿物の洗浄を繰り返した後、乾燥することにより56g(95%)のスルホン酸基を有するポリアリーレン共重合体を得た。   50 g of the obtained copolymer was put into a 1000 ml separable flask equipped with a stirrer and a thermometer, 500 ml of sulfuric acid with a concentration of 98% was added, and the mixture was stirred for 24 hours under a nitrogen stream while keeping the internal temperature at 25 ° C. The obtained solution is poured into a large amount of ion-exchanged water to precipitate a polymer, and the precipitate is repeatedly washed until the pH of the washing water becomes 5, and then dried to obtain 56 g (95%) of sulfone. A polyarylene copolymer having an acid group was obtained.

得られたスルホン酸基を有するポリアリーレン共重合体の分子量は、Mnが45,50
0、Mwが176,000であり、スルホン酸当量は2.1meq/gであった。
The resulting polyarylene copolymer having a sulfonic acid group has a Mn of 45,50.
0, Mw was 176,000, and the sulfonic acid equivalent was 2.1 meq / g.

[実施例1]
合成例2で得られたポリアリーレン共重合体10gと、ポリビニルピロリドン2gとを、N-メチルピロリドン100mLに溶解した溶液を用いて、キャスト法によりフィルムを作成した。
[Example 1]
A film was prepared by a casting method using a solution obtained by dissolving 10 g of the polyarylene copolymer obtained in Synthesis Example 2 and 2 g of polyvinylpyrrolidone in 100 mL of N-methylpyrrolidone.

[実施例2]
合成例2で得られたポリアリーレン共重合体10gと、ポリビニルピロリドン5gとを、N-メチルピロリドン100mLに溶解した溶液を用いて、キャスト法によりフィルムを作成した。
[Example 2]
A film was prepared by a casting method using a solution obtained by dissolving 10 g of the polyarylene copolymer obtained in Synthesis Example 2 and 5 g of polyvinylpyrrolidone in 100 mL of N-methylpyrrolidone.

[実施例3]
合成例2で得られたポリアリーレン共重合体10gのかわりに、合成例3で得られたポリアリーレン共重合体10gを用いたこと以外は、実施例1と同様にしてフィルムを作成した。
[Example 3]
A film was prepared in the same manner as in Example 1 except that 10 g of the polyarylene copolymer obtained in Synthesis Example 3 was used instead of 10 g of the polyarylene copolymer obtained in Synthesis Example 2.

[比較例1]
合成例2で得られた重合体10gを、N-メチルピロリドン100mLに溶解した溶液
を用いて、キャスト法によりフィルムを作成した。
[Comparative Example 1]
A film was prepared by a casting method using a solution obtained by dissolving 10 g of the polymer obtained in Synthesis Example 2 in 100 mL of N-methylpyrrolidone.

[比較例2]
合成例3で得られた重合体10gを、N-メチルピロリドン100mLに溶解した溶液
を用いて、キャスト法によりフィルムを作成した。
[Comparative Example 2]
A film was prepared by a casting method using a solution obtained by dissolving 10 g of the polymer obtained in Synthesis Example 3 in 100 mL of N-methylpyrrolidone.

各フィルムのプロトン伝導度、寸法変化率およびメタノール透過性を測定した結果を表1に示す。   Table 1 shows the results of measurement of proton conductivity, dimensional change rate, and methanol permeability of each film.

Figure 0004512843
Figure 0004512843

実施例1〜3のプロトン伝導膜は、比較例1および2のプロトン伝導膜と比較して、プロトン伝導度が高く、熱水浸漬時の寸法変化率およびメタノール透過性が抑制されていることがわかる。   The proton conducting membranes of Examples 1 to 3 have higher proton conductivity than the proton conducting membranes of Comparative Examples 1 and 2, and the dimensional change rate and methanol permeability during immersion in hot water are suppressed. Recognize.

Claims (2)

スルホン酸基を有するポリアリーレンと、ポリビニルピロリドンとからなる高分子電解質膜であって、
上記スルホン酸基を有するポリアリーレンが、下記一般式(A)で表される構成単位と、下記一般式(B)で表される構成単位とからな
ことを特徴とする高分子電解質膜。
Figure 0004512843
(式中、Yは−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2)l−(lは1〜10の整数である)または−C(CF32−を示し、
Zは−(CH2)−、−C(CH32−、−O−、−S−、−CH=CH−、−C≡C―、
Figure 0004512843
または直接結合を示し、Arは−SO3Hで表される置換基を有する芳香族基を示し、mは0〜10の整数を示し、nは0〜10の整数を示し、kは1〜4の整数を示す。)
Figure 0004512843
(式中、R1〜R8は互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子、アルキル基、フッ素置換アルキル基、アリル基、アリール基およびシアノ基からなる群より選ばれる少なくとも1種の原子または基を示し、
Wは−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2)l−(lは1〜10の整数である)、−C(CF32−または単結合を示し、
Tは−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2)l−(lは1〜10の整数である)、−C(CF32−、−(CH2)−、−C(CH32−、−O−、−S−、−CH=CH−、−C≡C―、
Figure 0004512843
または単結合を示し、pは0または正の整数を示す。)
A polymer electrolyte membrane comprising a polyarylene having a sulfonic acid group and polyvinylpyrrolidone ,
High the polyarylene having the sulfonic acid group, and wherein the constitutional unit represented by the following general formula (A), the Ru <br/> that name and a structural unit represented by the following general formula (B) Molecular electrolyte membrane.
Figure 0004512843
Wherein Y is —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10) or —C (CF 3 ) 2
Z represents — (CH 2 ) —, —C (CH 3 ) 2 —, —O—, —S—, —CH═CH—, —C≡C—,
Figure 0004512843
Or, it represents a direct bond, Ar represents an aromatic group having a substituent represented by —SO 3 H, m represents an integer of 0 to 10, n represents an integer of 0 to 10, and k represents 1 to An integer of 4 is shown. )
Figure 0004512843
Wherein R 1 to R 8 may be the same or different from each other, and are at least one selected from the group consisting of a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group, an allyl group, an aryl group, and a cyano group. An atom or group of
W represents —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) 1 — (wherein 1 is an integer of 1 to 10), —C (CF 3 ) 2 —. Or a single bond,
T represents —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10), —C (CF 3 ) 2 —. , — (CH 2 ) —, —C (CH 3 ) 2 —, —O—, —S—, —CH═CH—, —C≡C—,
Figure 0004512843
Or it shows a single bond, p shows 0 or a positive integer. )
上記ポリビニルピロリドンの重量平均分子量が500以上であることを特徴とする請求項1に記載の高分子電解質膜。 2. The polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein the polyvinyl pyrrolidone has a weight average molecular weight of 500 or more.
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