JP5575885B2 - 低い表面張力、低い液体粘度および高い固体含量を有するフルオロイオノマー分散体 - Google Patents
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Description
−担体の孔に液体を浸透させる能力を最大限にし、その膜の厚さを抑えるように、液体粘度を低減し;
−低い表面張力の担体、通常ePTFEに対する湿潤性を高めるように、表面張力を低減し;
−溶媒蒸発後の多孔性担体構造に残っている、(パー)フルオロイオノマーの被覆/含浸量を最大限にするように、固体含量を増加させる
ことが重要であることが一般に理解される。
−(パー)フルオロイオノマー(I)を提供する工程と;
−前記(パー)フルオロイオノマー(I)に、以下:
(A)フッ素元素によるフッ素化;
(B)極性有機溶媒[溶媒(S)]による処理;
のうちの少なくとも1つを行い、
精製された(パー)フルオロイオノマー(I)を回収するために、前記(パー)フルオロイオノマー(I)を分離させる工程と;
−水性組成物を得るために、少なくとも150℃の温度で、有機溶媒を実質的に含まない水性媒体中に前記(パー)フルオロイオノマー(I)を分散させる工程と;
−前記組成物に、少なくとも1種の極性有機溶媒[溶媒(S’)]を添加する工程と
を含む。
−少なくとも1つのフッ素原子を含む少なくとも1つのエチレン性不飽和モノマー(以後、フッ素化モノマー)から誘導される繰返し単位;および
−少なくとも1つの陽イオン交換基またはその前駆体を含む少なくとも1つのエチレン性不飽和モノマー(以後、官能性モノマー)から誘導される実質的な量の繰返し単位
を含む任意のポリマーを表すことが意図される。
本明細書の残りの部分において、「フッ素化モノマー」という表現は、本発明の趣旨では、複数および単数で理解される。
−ヘキサフルオロプロペン、ペンタフルオロプロピレン、およびヘキサフルオロイソブチレンなどのC3〜C8フルオロ−および/またはパーフルオロオレフィン;
−フッ化ビニルなどのC2〜C8水素化モノフルオロオレフィン;
−1,2−ジフルオロエチレン、フッ化ビニリデンおよびトリフルオロエチレン;
−式CH2=CH−Rf0(式中、Rf0がC1〜C6パーフルオロアルキルである)で表されるパーフルオロアルキルエチレン;
−クロロトリフルオロエチレンのような、クロロ−および/またはブロモ−および/またはヨード−C2〜C6フルオロオレフィン;
−式CF2=CFORf1(式中、Rf1がC1〜C6フルオロ−またはパーフルオロアルキル、例えば−CF3、−C2F5、−C3F7である)で表されるフルオロアルキルビニルエーテル;
−式CF2=CFOX0(式中、X0が、パーフルオロ−2−プロポキシ−プロピルのような、1つ以上のエーテル基を有するC1〜C12オキシアルキル、またはC1〜C12(パー)フルオロオキシアルキルである)で表されるフルオロ−オキシアルキルビニルエーテル;
−式CF2=CFOCF2ORf2(式中、Rf2が、C1〜C6フルオロ−またはパーフルオロアルキル、例えば−CF3、−C2F5、−C3F7または−C2F5−O−CF3のような、1つ以上のエーテル基を有するC1〜C6(パー)フルオロオキシアルキルである)で表されるフルオロアルキル−メトキシ−ビニルエーテル;
−式のフルオロジオキソール:
− −SO2X(式中、Xが、ハロゲン(Cl、F、Br、I)、−O−M+(ここで、M+が、H+、NH4 +、K+、Li+、Na+の中から選択される陽イオンである)、またはそれらの混合物の中から選択される);
− −COY(式中、Yが、ハロゲン(Cl、F、Br、I);−O−M+(ここで、M+が、H+、NH4 +、K+、Li+、Na+の中から選択される陽イオンである);−ORHy(ここで、RHyがC1〜C6炭化水素基である);−ORHf(ここで、RHfが、C1〜C6フッ化炭素またはパー(ハロ)フッ化炭素基である);−N(RHy*)2(ここで、RHy *が、出現するごとに等しいかまたは異なっており、水素またはC1〜C6炭化水素基である)、またはそれらの混合物の中から選択される);
− −PO2Z(式中、Zが、ハロゲン(Cl、F、Br、I);−O−M+(ここで、M+が、H+、NH4 +、K+、Li+、Na+の中から選択される陽イオンである);−ORHy(ここで、RHyがC1〜C6炭化水素基である)、および−ORHf’(ここで、RHf’が、C1〜C6フッ化炭素またはパー(ハロ)フッ化炭素基である)、またはそれらの混合物の中から選択される)。
(M1)式(M1)のスルホン化パーフルオロオレフィン:
(M2)式(M2)のスルホン化パーフルオロビニルエーテル:
(M3)式(M3)のスルホン化パーフルオロアルコキシビニルエーテル:
(M4)式(M4)のパーフルオロアルコキシビニルエーテルカルボキシレート:
(M5)式(M5)のスルホン化芳香族(パー)フルオロオレフィン:
および
(M6)それらの混合物
の中から選択される少なくとも1つのフッ素化官能性モノマーから誘導される繰返し単位を含む。
(OF−1)
(OF−2)
(OF−3)
で表されるものの中から選択される少なくとも1つのビス−オレフィンから誘導される繰返し単位をさらに含むことができる。
−少なくとも1つのフッ素原子を含み、水素原子を含まない1つまたは2つ以上のエチレン性不飽和モノマー(以後、パー(ハロ)フルオロモノマー)から誘導される繰返し単位;および
−少なくとも1つのフッ素原子および少なくとも1つのイオン交換基を含み、水素原子(任意選択的にイオン交換基に含まれるものを除く)を含まない1つまたは2つ以上のエチレン性不飽和モノマー(以後、官能性パー(ハロ)フルオロモノマー)から誘導される繰返し単位
から本質的になることを意味することが理解される。
−C3〜C8パーフルオロオレフィン、好ましくはテトラフルオロエチレン(TFE)および/またはヘキサフルオロプロピレン(HFP);
−クロロトリフルオロエチレン(CTFE)および/またはブロモトリフルオロエチレンのような、クロロ−および/またはブロモ−および/またはヨード−C2〜C6パー(ハロ)フルオロオレフィン;
−式CF2=CFORf1(式中、Rf1が、C1〜C6パーフルオロアルキル、例えば−CF3、−C2F5、−C3F7である)で表されるパーフルオロアルキルビニルエーテル(PAVE);
−式CF2=CFOX0(式中、X0が、パーフルオロ−2−プロポキシ−プロピルのような、1つ以上のエーテル基を有するC1〜C12パーフルオロオキシアルキルである)で表されるパーフルオロ−オキシアルキルビニルエーテル
の中から選択される少なくとも1つの官能性パー(ハロ)フルオロモノマーおよび少なくとも1つのパー(ハロ)フルオロモノマーから誘導される繰返し単位を含む(この繰返し単位から本質的になるのが好ましい)パー(ハロ)フルオロイオノマーの中から選択される。
− −SO2Fまたは−SO2X”形態(ここで、X”が、ハロゲン(Cl、Br、I)、−O−M+(ここで、M+が、H+、NH4 +、K+、Li+、Na+の中から選択される陽イオンである)、またはそれらの混合物の中から選択される)における、PSEPVEおよび/またはSFVEから誘導される5〜30モル%の繰返し単位;および
− TFEから誘導される95〜70モル%の繰返し単位
を含む(これらの繰返し単位から本質的になるのが好ましい)TFEコポリマーの中から選択される。
(A)フッ素元素によるフッ素化;
(B)極性有機溶媒[溶媒(S)]による処理;
のうちの少なくとも1つを行い、
精製された(パー)フルオロイオノマー(I)を通常は乾燥形態で回収するために、前記(パー)フルオロイオノマー(I)を分離させる工程
を含む。
−液体組成物の総重量に対して少なくとも9重量%の量における、上記の少なくとも1つの(パー)フルオロイオノマー(I);
−上記の少なくとも1種の極性有機溶媒[溶媒(S’)];および
−水
を含み、
ここで、前記分散体は、100秒−1のせん断速度で25℃で測定される際に:
−(パー)フルオロイオノマー(I)の濃度が、液体組成物の総重量に対して15重量%以下であるとき、100センチポアズ未満;
−(パー)フルオロイオノマー(I)の濃度が、液体組成物の総重量に対して15重量%より高く30重量%以下であるとき、150センチポアズ未満;
−(パー)フルオロイオノマー(I)の濃度が、液体組成物の総重量に対して30重量%より高いとき、200センチポアズ未満
の液体粘度を有する。
−多孔性担体(上で詳述した)と;
−その中に含浸された(パー)フルオロイオノマー(I)(上で定義した)と
を含む複合膜にも関し、前記(パー)フルオロイオノマーは、式−SO2X(式中、Xが、ハロゲン(Cl、F、Br、I)、−O−M+(ここで、M+が、H+、NH4 +、K+、Li+、Na+の中から選択される陽イオンである)、またはそれらの混合物の中から選択される)の陽イオン交換基を有し、
ここで、前記複合膜は、多孔性担体を実質的に含まない2つの外部周辺領域と、多孔性担体および(パー)フルオロイオノマー(I)の両方を実質的に含む内部領域とを含み、前記周辺領域の各々は、第1の平均厚さ(Tout)を有し、エネルギー分散型X線分光法(EDS)によって分析される際、硫黄に対する信号の第1の平均強度(IS out)をもたらし、前記内部領域は、第2の平均厚さ(Tin)を有し、EDSによって分析される際、硫黄に対する信号の第2の平均強度(IS in)をもたらし、
ここで、比率:
ここで、比率:
国際公開第2008/077894号パンフレット(SOLVAY SOLEXIS SPA [IT])7/03/2008の実施例1に記載されるように、当量=800g/eq(滴定によって測定される)を有するイオノマーラテックスを得た。ラテックスを16時間窒素バブリング下に保って、重合から残りのモノマーを取り除き、次にプラスチックタンク中で48時間凍らせた。水の溶融の後、凝固されたイオノマーを、脱塩水で数回洗浄し、オーブン中で80℃で48時間乾燥させて、イオノマー前駆体の乾燥粉末を得た。以下の様々な処理経路にしたがって、等量の5つの分量にポリマーを分けた:
(a)対照試料、追加の処理なし。
(b)未処理の(native)イオノマー前駆体を、閉じた反応器中で穏やかに撹拌しながら(ポリマー1Kg当たり8リットルのアセトニトリル)、周囲温度で30分間、極性溶媒(アセトニトリル)と接触させた。次に、ポリマーを、水で数回洗浄し、換気されたオーブン中で80℃で24時間乾燥させた。
(c)未処理のイオノマー前駆体を、MONEL反応器中で、80℃および大気圧で、5Nl/時のガス流量で10時間、窒素とフッ素ガスとの混合物(50/50)と接触させ、次に、80℃で24時間、換気されたオーブンに入れておいた。
(d)未処理のイオノマー前駆体を、(b)に記載されるのと同じ手順で処理し、次に、(c)に記載されるのと同じ手順で処理した。
(e)未処理のイオノマー前駆体を、溶融押出機を用いて、280℃でペレット化した。
項(a)、(b)、(c)、(d)に基づいて、実施例1に記載されるように得られたイオノマーを、NaOH溶液(10重量%のNaOH、ポリマー1Kg当たり10リットルの溶液)中80℃で10時間個々に処理し、次に、水のpHが9未満になるまで脱塩水で数回洗浄した。実施例1で得られたポリマー(e)を、同様のNaOH溶液中で100時間別個に処理して、SO2FからSO3Naへの転化を完了させた。次に、−SO3Na形態のポリマーを、換気されたオーブン中、150℃で24時間乾燥させた。各試料について、650gの量の乾燥ポリマーを、2100gの脱塩水を含むAISI316オートクレーブに入れ、240℃で3時間、穏やかな撹拌(120RPM)下に保った。冷却した後、溶解されていないポリマー画分を除去するために、得られた分散体を、10000RPM(HEMRLE Z36 HK)で遠心分離した。AISI304フィルタに、1000gのSO3H形態のパーフルオロスルホン酸ポリマー粉末(当量=870g/eq)を充填してから、フィルタを閉じ、ポリマーを湿らせるために脱塩水を供給し、最終的な漏出量を調べた。系において、2バールのゲージ(gauge)で調節されたフィルタ入口の前に逃がし弁を挿入した。フィルタに含まれるポリマー粉末が、上から下への配置で接触され得るように、蠕動ポンプ(Masterflex L/S Cole&Palmer)を用いて、50cc/分の流量で注入することによって、ポリマー(a)、(b)、(c)、(d)、(e)から得られたポリマー分散体をフィルタに供給した。各々の分散体の後、分散体の残渣をフィルタから除去するために500ccの脱塩水を供給し、2リットルの20%の硝酸溶液、次に3リットルの脱塩水をフィルタに供給することによって、含まれるポリマーを再生した。SO3H形態に転化されたポリマー分散体を、フィルタから回収すると、結果として部分的に希釈されたことが分かり;過剰な水を除去することによって、20%のポリマー濃度に達するように、撹拌されるガラス容器において、60℃で蒸発を行った。そのように得られた未処理の分散体(配合前)に、レオメータ(ロータ/カップを備えたHAAKE Viscotester 550 NVシリーズ)における粘度測定およびLauda Pt−ring張力計を用いた表面張力測定を行った。得られたデータは、表1にまとめられている。
実施例2に詳述したように得られたイオノマー(a)、(b)、(c)、(d)および(e)からの未処理の分散体に以下の処理を行った:
−過剰な水を除去することによって、25%のポリマー濃度に達するまで、撹拌されるガラス容器中60℃で蒸発させる。
−以下の基準値:
イオノマー含量:15重量%
液体媒体の組成:水:55%/1−プロパノール:23%/2−プロパノール:22%
に達するように、(大気圧で穏やかな撹拌下で)溶媒を添加する。
実施例3から得られた分散体(a)および(c)(膜MaおよびMcのそれぞれが得られる分散体)、ならびに、7重量%のイオノマー含量、62センチポアズの粘度、および25.9mN/mの表面張力が得られるまで同じ溶媒系(55%の水、23%の1−プロパノール、22%の2−プロパノール)で希釈した(a)から得られたさらなる分散体(a*)(Ma*が得られる分散体)を用い、38μmの厚さを有する、Donaldson製のTETRATEX(登録商標)#3101延伸PTFE多孔性担体を用いて、単一工程の含浸プロセスによって複合膜を製造した。
−ePTFE多孔性担体の層(10×10cm)をPTFEフレームに装着し;
−多孔性担体/フレーム組立体を、垂直位置に保ちながら、分散体中に120秒間浸漬し;
−次に、過剰な液体分散体を重力によって除去するために、前記含浸された組立体を、周囲温度で5分間、垂直位置に保ち、
−次に、前記組立体を、換気されたオーブン中、まず80℃で30分間(溶媒蒸発工程)、次に170℃で30分間(アニーリング工程)保ち、
−組立体を最後にオーブンから取り出し、冷却し、組立体から複合膜を切り取った。
膜の全厚、内部層(含浸された多孔性担体)の厚さおよび2つの周辺層の厚さを測定するために、膜の断面(液体窒素中で低温破断)をSEM顕微鏡で分析した。ここで、RT値を、内部領域の平均厚さと複合膜の全厚との間の比率として求めた。Oxford製のINCA EDS Microanalysis Systemを備えた走査型電子顕微鏡(SEM)(従来のWフィラメントを備えたモデルCambridge S200)を用いた微量分析によってRSの測定を行った。EDSスペクトル中の硫黄最大ピーク強度を記録し、背景を補正した。周辺領域の平均値および内部領域の平均値を求め、RS値を評価するのに用いた。膜(Ma)、(Mc)、(Ma*)および(Ma**)について得られた結果は、本明細書において以下にまとめられている。
実施例3から得られたように、分散体(c)を用いた単一工程の含浸プロセスによって複合膜を製造するのに、38μmの厚さを有する、Donaldson製のTETRATEX(登録商標)#3101延伸PTFE多孔性担体を用いた。ここで、多孔性ePTFE(幅400mm)のロールをほどいて、15リットルのイオノマー分散体を含む容器中に移した。含浸容器に含まれる分散体を、周囲温度で、再循環ポンプによって、プロセスの際に十分に混合された状態を保った。キャリアフィルム(幅500mm)、すなわち、Taconic International(アイルランド)製のTac Cast 10,600g/m2、公称厚さ0.275mmを、含浸された多孔性担体に付着させ、組立体を4cm/分の一定の速度で移動させた。2つのエンジン(キャリアフィルムをほどいたラインの始めにおいては前者、オーブンの後のラインの最後においては後者)が、キャリアフィルム/含浸された担体の組立体を4cm/分という所要の速度および所望の張力に保った。次に、組立体をオーブン中に移動し、2つの部分に分割し、第1の部分を空気再循環しながら80℃に保ち(溶媒の蒸発のため)、第2の部分を190℃に保った(膜のアニーリングのため)。次に、膜を担体から分割し、測定された平均厚さは22μmであった。膜は完全に透明に見え、可視欠陥はなかった。100リニアメートルの強化された膜のロールを製造した。
Claims (9)
- 組成物の総重量に対して少なくとも9重量%の(パー)フルオロイオノマー含量を有する(パー)フルオロイオノマー液体組成物の製造方法であって:
−(パー)フルオロイオノマー(I)を提供する工程と;
−前記(パー)フルオロイオノマー(I)に、以下:
(A)フッ素元素によるフッ素化;
(B)極性有機溶媒[溶媒(S)]による処理;
のうちの少なくとも1つを行い、前記(パー)フルオロイオノマー(I)を分離して、精製された(パー)フルオロイオノマー(I)を得る工程と;
−少なくとも150℃の温度で、有機溶媒を含まない水性媒体中に前記(パー)フルオロイオノマー(I)を分散させて、水性組成物を得る工程と;
−前記組成物に、少なくとも1種の極性有機溶媒[溶媒(S’)]を添加する工程と
を含み、
前記処理(A)および/または(B)に供される(パー)フルオロイオノマー(I)が、
−少なくとも1つのフッ素原子を有する少なくとも1つのエチレン性不飽和モノマー(フッ素化モノマー)から誘導される繰り返し単位;および
−繰返し単位の総モル数を基準にして少なくとも1モル%の、少なくとも1つの陽イオン交換基またはその前駆体を有する少なくとも1つのエチレン性不飽和モノマー(官能性モノマー)から誘導される繰り返し単位
を含み、
前記陽イオン交換基およびその前駆体が、以下:
− −SO 2 X〔式中、Xは、ハロゲン(Cl、F、Br、I)、−O − M + (式中、M + は、H + 、NH 4 + 、K + 、Li + 、Na + から選択される陽イオンである)、またはそれらの混合物の中から選択される〕;
− −COY〔式中、Xは、ハロゲン(Cl、F、Br、I)、−O − M + (式中、M + は、H + 、NH 4 + 、K + 、Li + 、Na + から選択される陽イオンである);−OR Hy (式中、R Hy はC 1 〜C 6 炭化水素基である);−OR Hf (式中、R Hf は、C 1 〜C 6 フッ化炭素またはパー(ハロ)フッ化炭素基である);−N(R Hy* ) 2 (式中、R Hy* は、出現するごとに等しいかまたは異なっており、水素またはC 1 〜C 6 炭化水素基である)またはそれらの混合物の中から選択される〕;および
− −PO 2 Z〔式中、Xは、ハロゲン(Cl、F、Br、I)、−O − M + (式中、M + は、H + 、NH 4 + 、K + 、Li + 、Na + から選択される陽イオンである);−OR Hy (式中、R Hy はC 1 〜C 6 炭化水素基である)、および−OR Hf’ (式中、R Hf’ は、C 1 〜C 6 フッ化炭素またはパー(ハロ)フッ化炭素基である)、またはそれらの混合物の中から選択される〕
からなる群から選択され、
前記極性有機溶媒[溶媒(S)]が、少なくとも15の誘電率を有し、かつ、
前記極性有機溶媒[溶媒(S’)]が、少なくとも15の誘電率を有する、方法。 - 前記フルオロイオノマー(I)が:
(M1)式(M1)のスルホン化パーフルオロオレフィン:
(M2)式(M2)のスルホン化パーフルオロビニルエーテル:
(M3)式(M3)のスルホン化パーフルオロアルコキシビニルエーテル:
(M4)式(M4)のパーフルオロアルコキシビニルエーテルカルボキシレート:
(M5)式(M5)のスルホン化芳香族(パー)フルオロオレフィン:
および
(M6)それらの混合物
からなる群から選択される少なくとも1つのフッ素化官能性モノマーから誘導される繰返し単位を含む、請求項1に記載の方法。 - 前記(パー)フルオロイオノマー(I)が:
−式(M3−A)のパーフルオロ−2−(2−フルオロスルホニルエトキシ)プロピルビニルエーテル:
−テトラフルオロエチレンから誘導される95〜70モル%の繰返し単位
を含むテトラフルオロエチレンコポリマーからなる群から選択される、請求項2に記載の方法。 - 前記(パー)フルオロイオノマー(I)のフッ素化(A)を、溶媒(S)処理(B)と組み合わせて含む方法であって、前記(パー)フルオロポリマー(I)に、まず、前記溶媒(S)処理(B)を行い、次に、フッ素化(A)を行う、請求項1に記載の方法。
- 請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法であって、前記(パー)フルオロイオノマー液体組成物が、25℃で測定される際に15〜30mN/mの表面張力を有する水性液体組成物であり、前記液体組成物が:
−前記液体組成物の総重量に対して少なくとも9重量%の量の少なくとも1つの(パー)フルオロイオノマー(I)と;
−少なくとも15の誘電率を有する、少なくとも1種の極性有機溶媒[溶媒(S’)]と;
−水と
を含み、
前記液体組成物が、100秒−1のせん断速度で25℃で測定される際に:
−前記(パー)フルオロイオノマー(I)の濃度が、前記液体組成物の総重量に対して15重量%以下であるとき、100センチポアズ未満;
−前記(パー)フルオロイオノマー(I)の濃度が、前記液体組成物の総重量に対して15重量%より高く30重量%以下であるとき、150センチポアズ未満;
−前記(パー)フルオロイオノマー(I)の濃度が、前記液体組成物の総重量に対して30重量%より高いとき、200センチポアズ未満
の液体粘度を有する、方法。 - 前記溶媒(S’)が、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、イソブタノール、エチレングリコールおよびそれらの混合物からなる群から選択される、請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。
- 請求項1〜6のいずれか一項に記載の方法に従って(パー)フルオロイオノマー液体組成物を製造する工程と、
得られた前記液体組成物を、多孔性担体に含浸させる工程と
を含む、複合膜を製造するための方法。 - 単一の含浸工程を含み、連続して操作される、請求項7に記載の方法。
- 前記含浸された担体を、蒸発およびアニーリング工程に供する前に、キャリアフィルム上に組み立てる工程を含む、請求項8に記載の方法。
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