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JP2003327826A - Composition containing acidic group-containing polybenzimidazole-based compound and acidic group- containing polymer, ion-conductive film, adhesive, composite material and fuel cell - Google Patents

Composition containing acidic group-containing polybenzimidazole-based compound and acidic group- containing polymer, ion-conductive film, adhesive, composite material and fuel cell

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JP2003327826A
JP2003327826A JP2002133113A JP2002133113A JP2003327826A JP 2003327826 A JP2003327826 A JP 2003327826A JP 2002133113 A JP2002133113 A JP 2002133113A JP 2002133113 A JP2002133113 A JP 2002133113A JP 2003327826 A JP2003327826 A JP 2003327826A
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JP
Japan
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acid
polybenzimidazole
group
acid group
sulfonic acid
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Application number
JP2002133113A
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Japanese (ja)
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Yoshimitsu Sakaguchi
佳充 坂口
Kota Kitamura
幸太 北村
Shigenori Nagahara
重徳 永原
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Toyobo Co Ltd
Original Assignee
Toyobo Co Ltd
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Publication date
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
  • Adhesives Or Adhesive Processes (AREA)
  • Conductive Materials (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a composition useful as a polymer electrolyte film capable of maintaining its ion-conductive characteristics at a high temperature for a long period by incorporating only a small amount of an acidic compound to a polybenzimidazole-based polymer excellent in heat resistance. <P>SOLUTION: This ion-conductive film having a high stability at a high temperature and maintaining a good ion-conductivity for a long period is obtained by a composition characterized by containing the polybenzimidazole-based compound having sulfonic acid group and/or phosphonic acid on a specific heterocyclic ring together with an inorganic acid and/or organic acid. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、酸性基含有ポリベ
ンズイミダゾール系化合物と酸化合物を構成成分とする
高分子電解質膜として有用な組成物に関するものであ
る。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a composition useful as a polymer electrolyte membrane comprising an acidic group-containing polybenzimidazole compound and an acid compound as constituent components.

【0002】[0002]

【従来の技術】液体電解質のかわりに高分子固体電解質
をイオン伝導体として用いる電気化学的装置の例とし
て、水電解槽や燃料電池を上げることができる。これら
に用いられる高分子膜は、カチオン交換膜としてプロト
ン導電率とともに化学的、熱的、電気化学的および力学
的に十分安定なものでなくてはならない。このため、長
期にわたり使用できるものとしては、主に米デュポン社
製の「ナフィオン(登録商標)」を代表例とするパーフ
ルオロカーボンスルホン酸膜が使用されてきた。しかし
ながら、100℃を越える条件で運転しようとすると、
膜の含水率が急激に落ちるほか、膜の軟化も顕著となり
燃料電池として十分な性能を発揮することはできない。
また、膜のコストが高すぎることも燃料電池技術の確立
の障害として指摘されている。
2. Description of the Related Art As an example of an electrochemical device using a solid polymer electrolyte as an ionic conductor instead of a liquid electrolyte, a water electrolysis cell or a fuel cell can be used. The polymer membranes used for these must be sufficiently stable chemically, thermally, electrochemically and mechanically as a cation exchange membrane together with proton conductivity. Therefore, as a material that can be used for a long period of time, a perfluorocarbon sulfonic acid membrane typified by "Nafion (registered trademark)" manufactured by DuPont, USA has been mainly used. However, if you try to operate at a temperature above 100 ° C,
The water content of the membrane drops sharply, and the membrane softens significantly, so that the fuel cell cannot exhibit sufficient performance.
It is also pointed out that the cost of the membrane is too high as an obstacle to the establishment of fuel cell technology.

【0003】このような欠点を克服するため、芳香族環
含有ポリマーにスルホン酸基を導入した高分子電解質膜
が種々検討されている。例えば、ポリアリールエーテル
スルホンをスルホン化したもの(Journal of Membrane
Science, 83, 211(1993))、ポリエーテルエーテルケト
ンをスルホン化したもの(特開平6−93114)、スル
ホン化ポリスチレン等である。しかしながら、ポリマー
を原料として芳香環上に導入されたスルホン酸基は酸ま
たは熱により脱スルホン酸反応が起こりやすく、燃料電
池用電解質膜として使用するには耐久性が十分であると
は言えない。
In order to overcome such drawbacks, various studies have been made on polymer electrolyte membranes in which a sulfonic acid group is introduced into an aromatic ring-containing polymer. For example, sulfonated polyaryl ether sulfone (Journal of Membrane
Science, 83 , 211 (1993)), sulfonated polyetheretherketone (JP-A-6-93114), sulfonated polystyrene and the like. However, a sulfonic acid group introduced on an aromatic ring from a polymer as a raw material is apt to undergo a desulfonic acid reaction due to an acid or heat, and cannot be said to have sufficient durability for use as an electrolyte membrane for a fuel cell.

【0004】高耐熱、高耐久性のポリマーとしてはポリ
ベンズイミダゾールなどの芳香族ポリアゾール系のポリ
マーが知られており、これらのポリマーにスルホン酸基
を導入して上記目的に利用することが考えられる。この
ようなポリマー構造として、スルホン酸を含有したポリ
ベンズイミダゾールについては、UnoらのJ. Polym. Sc
i., Polym. Chem., 15, 1309(1977)における3,3’−
ジアミノベンジジンと3,5−ジカルボキシベンゼンス
ルホン酸または2,5−ジカルボキシベンゼンスルホン
酸から合成するものが、USP−5312895では
1,2,4,5−ベンゼンテトラミンと2,5−ジカル
ボキシベンゼンスルホン酸を主成分として合成するもの
が報告されている。しかしこれらの報告では、スルホン
酸含有ポリベンズイミダゾールの溶解性や耐熱性などに
は注意が向けられているが、電解質膜用途などスルホン
酸基が持つ電気化学的特性について顧みられることはな
かった。特に、これらの物は、耐熱性、耐溶剤性、機械
的特性とイオン伝導特性を両立させる点で劣り、高分子
電解質膜などには使用するには不適であった。
As a polymer having high heat resistance and high durability, aromatic polyazole-based polymers such as polybenzimidazole are known, and it is conceivable to introduce a sulfonic acid group into these polymers and utilize them for the above purpose. . As such a polymer structure, polybenzimidazole containing sulfonic acid is described in Uno et al., J. Polym. Sc.
i., Polym. Chem., 15 , 1309 (1977) 3,3'-
What is synthesized from diaminobenzidine and 3,5-dicarboxybenzenesulfonic acid or 2,5-dicarboxybenzenesulfonic acid is 1,2,4,5-benzenetetramine and 2,5-dicarboxybenzene in USP-531295. It has been reported to synthesize sulfonic acid as a main component. However, in these reports, although attention has been paid to the solubility and heat resistance of the sulfonic acid-containing polybenzimidazole, the electrochemical characteristics of the sulfonic acid group, such as those used for electrolyte membranes, have not been considered. In particular, these materials are inferior in terms of satisfying both heat resistance, solvent resistance, mechanical properties and ionic conduction properties, and are unsuitable for use in polymer electrolyte membranes and the like.

【0005】また、スルホン酸基よりは耐熱性に優れる
と考えられるホスホン酸基を有する芳香族ポリマーにつ
いて、固体高分子電解質としての応用という視点から着
目したものはあまりみられない。わずかに散見される例
として、4,4’−(2,2,2−トリフルオロ−1−
(トリフルオロメチル)エチリデン)ビス(2−アミノ
フェノール)からなるポリベンズオキサゾールにおい
て、ジカルボン酸成分の5〜50%を3,5−ジカルボ
キシフェニルホスホン酸とするポリマーが報告されてお
り(USP5,498,784号公報)、溶解性の良さ
と複合材料としての可能性に着目しているが、燃料電池
用途の固体高分子電解質としては考慮されることはなか
った。実際、このポリマーはアルコール溶解性が特徴で
あり、メタノールを燃料とする燃料電池用の固体高分子
電解質として使用することに適さないことは明白であ
る。また、イオン伝導性も低い値しか示さないことから
も、燃料電池用の固体高分子電解質には適さないと言え
る。
Further, few aromatic polymers having phosphonic acid groups, which are considered to have better heat resistance than sulfonic acid groups, have been noticed from the viewpoint of application as a solid polymer electrolyte. As a slight example, 4,4 '-(2,2,2-trifluoro-1-
In polybenzoxazole composed of (trifluoromethyl) ethylidene) bis (2-aminophenol), a polymer in which 5 to 50% of the dicarboxylic acid component is 3,5-dicarboxyphenylphosphonic acid has been reported (USP 5, 498,784), focusing on good solubility and possibility as a composite material, it was not considered as a solid polymer electrolyte for fuel cell applications. In fact, it is clear that this polymer is characterized by its alcohol solubility, making it unsuitable for use as a solid polymer electrolyte for fuel cells fueled with methanol. Further, since it also shows a low ionic conductivity, it can be said that it is not suitable for a solid polymer electrolyte for a fuel cell.

【0006】一方、ポリベンズイミダゾールの優れた熱
安定性は、リン酸を含浸するとさらに高くなると言う報
告があり(E.J.Powersら、High Performance Polymers:
Their Origin and Development, Elsevier, New York
(1986), P.355)、イオン伝導機能をリン酸により引き
出した高温用の燃料電池用電解質膜として報告されてい
る(特表平11−503262,J.S.Wainrightら、J.
Electrochem. Soc., 142, L121(1995))。しかし、ポリ
ベンズイミダゾール自体にはイオン伝導特性がないの
で、含浸するリン酸量が多く必要であるとともに、低分
子化合物であるリン酸が徐々に流出してイオン伝導性が
時間とともに低下していくという問題があった。これに
対し、ポリベンズイミダゾールにスルホン酸基を導入し
たポリマーに無機酸、有機酸を含有させた高分子電解質
膜が報告されているが(特開2001−81294)、
スルホン酸基はベンズイミダゾール環内の芳香環上や窒
素元素に側鎖部として結合した形で導入されているた
め、十分な耐熱性を維持できるものではなかった。
On the other hand, it has been reported that the excellent thermal stability of polybenzimidazole is further increased by impregnating it with phosphoric acid (EJ Powers et al., High Performance Polymers:
Their Origin and Development, Elsevier, New York
(1986), P.355), and an electrolyte membrane for a fuel cell at high temperature, which has an ionic conduction function extracted by phosphoric acid (Japanese Patent Publication No. 11-503262, JS Wainright et al., J.
Electrochem. Soc., 142, L121 (1995)). However, since polybenzimidazole itself does not have ionic conductivity properties, it requires a large amount of phosphoric acid to be impregnated, and the phosphoric acid, which is a low-molecular compound, gradually flows out and the ionic conductivity decreases with time. There was a problem. On the other hand, a polymer electrolyte membrane in which a polymer obtained by introducing a sulfonic acid group into polybenzimidazole contains an inorganic acid or an organic acid has been reported (JP 2001-81294A).
Since the sulfonic acid group is introduced on the aromatic ring in the benzimidazole ring or in the form of being bonded to the nitrogen element as a side chain portion, sufficient heat resistance cannot be maintained.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、耐熱
性に優れたポリベンズイミダゾール系ポリマーに少量の
酸化合物を含有するだけでも高温でのイオン伝導特性を
長期にわたって維持することが出来る高分子電解質膜と
して有用な組成物を得ることにある。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a polybenzimidazole-based polymer having excellent heat resistance with a high level of ion conductivity even at a high temperature even if it contains a small amount of an acid compound. It is to obtain a composition useful as a molecular electrolyte membrane.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明者らは鋭意研究を
重ねた結果、特定の芳香環上にスルホン酸基および/ま
たはホスホン酸基を有するポリベンズイミダゾール系化
合物とともに無機酸および/または有機酸を含有してい
ることを特徴とする組成物により、上記目的が達成され
ることを見いだすに至った。
Means for Solving the Problems As a result of intensive studies conducted by the present inventors, an inorganic acid and / or an organic acid together with a polybenzimidazole compound having a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group on a specific aromatic ring have been obtained. It has been found that a composition characterized in that it contains an acid achieves the above object.

【0009】すなわち本発明は、下記(1)〜(9)に
より達成される。
That is, the present invention is achieved by the following (1) to (9).

【0010】(1)下記の式(1)で示される構成成分
を含むポリベンズイミダゾール系化合物とともに無機酸
および/または有機酸を含有していることを特徴とする
組成物。
(1) A composition containing a polybenzimidazole compound containing a constituent represented by the following formula (1) and an inorganic acid and / or an organic acid.

【0011】[0011]

【化4】 (式(1)においては、m1は1から4の整数を表し、
1はイミダゾール環を形成できる4価の芳香族結合ユ
ニットを、R2は2価の芳香族結合ユニットを表し、R1
およびR2はいずれも芳香環の単環であっても複数の芳
香環の結合体あるいは縮合環であっても良く、安定な置
換基を有していても良い。Zは、スルホン酸基および/
またはホスホン酸基を表し、その一部が塩構造となって
いても良い。)
[Chemical 4] (In the formula (1), m 1 represents an integer of 1 to 4,
R 1 represents a tetravalent aromatic bond unit capable of forming an imidazole ring, R 2 represents a divalent aromatic bond unit, R 1
Each of R 2 and R 2 may be a single aromatic ring, a combination of a plurality of aromatic rings, or a condensed ring, and may have a stable substituent. Z is a sulfonic acid group and /
Alternatively, it may represent a phosphonic acid group, and a part thereof may have a salt structure. )

【0012】(2)ポリベンズイミダゾール系化合物が
下記の式(2)と式(3)で示される構造で表される結
合ユニットをn1:(1−n1)のモル比で構成成分とし
て含むことを特徴とする第1の発明に記載の組成物。
(2) The polybenzimidazole-based compound has a bonding unit represented by the structures represented by the following formulas (2) and (3) as a constituent component at a molar ratio of n 1 : (1-n 1 ). The composition according to the first invention, characterized in that it comprises:

【0013】[0013]

【化5】 (式(2)および式(3)においては、m1は1から4
の整数を表し、Arは2価の芳香族結合ユニットを表
し、X1は−O−、−SO2−、−C(CH32−、−C
(CF32−、−OPhO−より群から選ばれる1種以
上であり、Phは2価の芳香族結合ユニットを表すもの
とする。また、モル比は、0.2≦n1≦1.0の式を
満たす)
[Chemical 5] (In the formulas (2) and (3), m 1 is from 1 to 4
Of Ar, Ar represents a divalent aromatic bond unit, X 1 represents —O—, —SO 2 —, —C (CH 3 ) 2 —, —C.
(CF 3) 2 -, - OPhO- from at least one selected from the group, Ph denote the divalent aromatic bond unit. Further, the molar ratio satisfies the formula of 0.2 ≦ n 1 ≦ 1.0)

【0014】(3)ポリベンズイミダゾール系化合物が
下記の式(4)と式(5)で示される構造で表される結
合ユニットをn2:(1−n2)のモル比で構成成分とし
て含むことを特徴とする第1の発明に記載の組成物。
(3) The polybenzimidazole-based compound has a binding unit represented by the structures represented by the following formulas (4) and (5) as a constituent component at a molar ratio of n 2 : (1-n 2 ). The composition according to the first invention, characterized in that it comprises:

【0015】[0015]

【化6】 (式(4)および式(5)においては、m1は1から4
の整数を表し、Arは芳香族結合ユニットを表し、X2
は−O−、−SO2−、−S−、−CH2−,−OPhO
−より群から選ばれる1種以上であり、Phは2価の芳
香族結合ユニットを表すものとする。また、モル比は、
0.2≦n2≦1.0の式を満たす)
[Chemical 6] (In the formulas (4) and (5), m 1 is from 1 to 4
Represents an integer, Ar represents an aromatic bond unit, X 2
Is -O -, - SO 2 -, - S -, - CH 2 -, - OPhO
-Is one or more selected from the group, and Ph represents a divalent aromatic bond unit. Also, the molar ratio is
0.2 ≦ n 2 ≦ 1.0 is satisfied)

【0016】(4)無機酸および/または有機酸がリン
酸、硫酸、有機スルホン酸、有機ホスホン酸系化合物か
ら選ばれることを特徴とする第1から第3の発明のいず
れかに記載の組成物。
(4) The composition according to any one of the first to third inventions, wherein the inorganic acid and / or the organic acid is selected from phosphoric acid, sulfuric acid, organic sulfonic acid and organic phosphonic acid compounds. object.

【0017】(5)無機酸および/または有機酸の使用
割合が、ポリマー中の窒素原子1モルに対して、0.1
〜5モルであることを特徴とする第1から第4の発明の
いずれかに記載の組成物。
(5) The ratio of the inorganic acid and / or the organic acid used is 0.1 with respect to 1 mol of nitrogen atoms in the polymer.
The composition according to any one of the first to fourth inventions, wherein the composition is 5 mol.

【0018】(6)第1から第5の発明のいずれかに記
載の組成物を含有することを特徴とするイオン伝導膜。
(6) An ion-conducting membrane containing the composition according to any one of the first to fifth inventions.

【0019】(7)第6の発明に記載のイオン伝導膜と
電極とを含有することを特徴とする複合体。
(7) A composite comprising the ion conductive membrane according to the sixth invention and an electrode.

【0020】(8)第7の発明に記載の複合体を含有す
ることを特徴とする燃料電池。
(8) A fuel cell containing the composite material according to the seventh invention.

【0021】(9)第1から第5の発明のいずれかに記
載の組成物を含有することを特徴とする接着剤。
(9) An adhesive containing the composition according to any one of the first to fifth inventions.

【0022】[0022]

【発明の実施の形態】以下本発明について詳細に説明す
る。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention will be described in detail below.

【0023】本発明のスルホン酸基またはホスホン酸基
を有するポリベンズイミダゾール系化合物とともに無機
酸および/または有機酸を含有する組成物は、耐久性だ
けでなく、加工性やイオン伝導性などにおいても優れた
性質を示す新規材料である。このような優れた性質を有
するため、本発明の組成物は、燃料電池用の固体高分子
電解質膜用材料として好適に使用することができる。
The composition containing an inorganic acid and / or an organic acid together with the polybenzimidazole compound having a sulfonic acid group or a phosphonic acid group according to the present invention is not only durable but also processable and ionic conductive. It is a new material that exhibits excellent properties. Due to such excellent properties, the composition of the present invention can be suitably used as a material for a solid polymer electrolyte membrane for fuel cells.

【0024】本発明における酸性基含有ポリベンズイミ
ダゾール系化合物は、下記の式(1)で表される構造を
含んでいることを特徴としている。
The acidic group-containing polybenzimidazole compound in the present invention is characterized by containing a structure represented by the following formula (1).

【0025】[0025]

【化7】 (式(1)においては、m1は、1から4の整数を表
し、R1はイミダゾール環を形成できる4価の芳香族結
合ユニットを、R2は2価の芳香族ユニットを表し、R1
およびR2はいずれも芳香環の単環であっても複数の芳
香環の結合体あるいは縮合環であっても良く、安定な置
換基を有していても良い。Zは、スルホン酸基および/
またはホスホン酸基を表し、その一部が塩構造となって
いても良い。)
[Chemical 7] (In the formula (1), m 1 represents an integer of 1 to 4, R 1 represents a tetravalent aromatic bond unit capable of forming an imidazole ring, R 2 represents a divalent aromatic unit, R 1 1
Each of R 2 and R 2 may be a single aromatic ring, a combination of a plurality of aromatic rings, or a condensed ring, and may have a stable substituent. Z is a sulfonic acid group and /
Alternatively, it may represent a phosphonic acid group, and a part thereof may have a salt structure. )

【0026】上記の式(1)で示す構造を含む本発明の
酸性基含有ポリベンズイミダゾール系化合物を合成する
経路は特には限定されないが、通常は化合物中のイミダ
ゾール環を形成し得る芳香族テトラミン類およびそれら
の誘導体よりなる群から選ばれる一種以上の化合物と、
芳香族ジカルボン酸およびその誘導体よりなる群から選
ばれる一種以上の化合物との反応により合成することが
できる。その際、使用するジカルボン酸の中にスルホン
酸基やホスホン酸基、またはそれらの塩を含有するジカ
ルボン酸を使用することで、得られるポリアゾール中に
スルホン酸基やホスホン酸基を導入することができる。
スルホン酸基やホスホン酸基を含むジカルボン酸はそれ
ぞれ一種以上組み合わせて使用することが出来るが、ス
ルホン酸基含有ジカルボン酸とホスホン酸基含有ジカル
ボン酸を同時に使用することも可能である。
The route for synthesizing the acidic group-containing polybenzimidazole compound of the present invention containing the structure represented by the above formula (1) is not particularly limited, but it is usually an aromatic tetramine capable of forming an imidazole ring in the compound. One or more compounds selected from the group consisting of classes and derivatives thereof,
It can be synthesized by a reaction with one or more compounds selected from the group consisting of aromatic dicarboxylic acids and their derivatives. At that time, it is possible to introduce a sulfonic acid group or a phosphonic acid group into the obtained polyazole by using a dicarboxylic acid containing a sulfonic acid group or a phosphonic acid group or a salt thereof in the dicarboxylic acid used. it can.
The dicarboxylic acid containing a sulfonic acid group or a phosphonic acid group can be used in combination of one or more kinds, but it is also possible to use the dicarboxylic acid containing a sulfonic acid group and the dicarboxylic acid containing a phosphonic acid group at the same time.

【0027】ここで、本発明のポリベンズイミダゾール
系化合物の構成要素であるベンズイミダゾール系結合ユ
ニットや、スルホン酸基および/またはホスホン酸基を
有する芳香族ジカルボン酸結合ユニットや、スルホン酸
基もホスホン酸基も有さない芳香族ジカルボン酸結合ユ
ニットや、その他の結合ユニットは、ランダム重合およ
び/または交互的重合により結合していることが好まし
い。また、これらの重合形式は一種に限られず、二種以
上の重合形式が同一の化合物中で並存していてもよい。
Here, a benzimidazole bond unit which is a constituent of the polybenzimidazole compound of the present invention, an aromatic dicarboxylic acid bond unit having a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group, and a sulfonic acid group having a phosphon group. The aromatic dicarboxylic acid bond unit having no acid group and other bond units are preferably bonded by random polymerization and / or alternating polymerization. Further, these polymerization forms are not limited to one kind, and two or more kinds of polymerization forms may coexist in the same compound.

【0028】上記の式(1)で示される構成成分を含む
スルホン酸基含有ポリベンズイミダゾール系化合物のう
ち、下記の式(2)と(3)で示される構造で表される
結合ユニットをn1:(1−n1)のモル比で構成成分と
して含むものが特に好ましい。
Among the sulfonic acid group-containing polybenzimidazole compounds containing the constituents represented by the above formula (1), the binding unit represented by the structure represented by the following formulas (2) and (3) is n. Those which are included as a constituent in a molar ratio of 1 : (1-n 1 ) are particularly preferable.

【0029】[0029]

【化8】 (式(2)および式(3)においては、m1は1から4
の整数を表し、Arは2価の芳香族結合ユニットを表
し、X1は−O−、−SO2−、−C(CH32−、−C
(CF32−、−OPhO−より群から選ばれる1種以
上であり、Phは2価の芳香族結合ユニットを表すもの
とする。また、モル比は、0.2≦n1≦1.0の式を
満たす)
[Chemical 8] (In the formulas (2) and (3), m 1 is from 1 to 4
Of Ar, Ar represents a divalent aromatic bond unit, X 1 represents —O—, —SO 2 —, —C (CH 3 ) 2 —, —C.
(CF 3) 2 -, - OPhO- from at least one selected from the group, Ph denote the divalent aromatic bond unit. Further, the molar ratio satisfies the formula of 0.2 ≦ n 1 ≦ 1.0)

【0030】上記の式(2)、(3)において、m1
5よりも大きいと、得られるポリマーの耐水性が劣る傾
向にあり、モル比n1が0.2よりも小さいと、十分な
イオン伝導性を示さない傾向となる。
In the above formulas (2) and (3), when m 1 is larger than 5, the water resistance of the obtained polymer tends to be poor, and when the molar ratio n 1 is smaller than 0.2, it is sufficient. It tends to not exhibit excellent ionic conductivity.

【0031】上記の式(1)で示される構成成分を含む
スルホン酸基含有ポリベンズイミダゾール系化合物を与
える芳香族テトラミンの具体例としては、特に限定され
るものではないが、たとえば、1,2,4,5−テトラ
アミノベンゼン、3,3’−ジアミノベンジジン、3,
3’,4,4’−テトラアミノジフェニルエーテル、
3,3’,4,4’−テトラアミノジフェニルチオエー
テル、3,3’,4,4’−テトラアミノジフェニルス
ルホン、2,2−ビス(3,4−ジアミノフェニル)プ
ロパン、ビス(3,4−ジアミノフェニル)メタン、
2,2−ビス(3,4−ジアミノフェニル)ヘキサフル
オロプロパン、1,4−ビス(3,4−ジアミノフェノ
キシ)ベンゼン、などおよびこれらの誘導体が挙げられ
る。これらのうち、式(2)で表される結合ユニットを
形成することができる、3,3’,4,4’−テトラア
ミノジフェニルエーテル、3,3’,4,4’−テトラ
アミノジフェニルスルホン、2,2−ビス(3,4−ジ
アミノフェニル)プロパン、2,2−ビス(3,4−ジ
アミノフェニル)ヘキサフルオロプロパン、1,4−ビ
ス(3,4−ジアミノフェノキシ)ベンゼンおよびこれ
らの誘導体が特に好ましい。
Specific examples of the aromatic tetramine which gives the sulfonic acid group-containing polybenzimidazole compound containing the component represented by the above formula (1) are not particularly limited, but for example, 1,2 , 4,5-Tetraaminobenzene, 3,3′-diaminobenzidine, 3,
3 ', 4,4'-tetraaminodiphenyl ether,
3,3 ', 4,4'-tetraaminodiphenyl thioether, 3,3', 4,4'-tetraaminodiphenyl sulfone, 2,2-bis (3,4-diaminophenyl) propane, bis (3,4) -Diaminophenyl) methane,
2,2-bis (3,4-diaminophenyl) hexafluoropropane, 1,4-bis (3,4-diaminophenoxy) benzene, and the like, and derivatives thereof. Among these, 3,3 ′, 4,4′-tetraaminodiphenyl ether, 3,3 ′, 4,4′-tetraaminodiphenyl sulfone, which can form a binding unit represented by the formula (2), 2,2-bis (3,4-diaminophenyl) propane, 2,2-bis (3,4-diaminophenyl) hexafluoropropane, 1,4-bis (3,4-diaminophenoxy) benzene and derivatives thereof Is particularly preferable.

【0032】これらの芳香族テトラミン類の誘導体の具
体例としては、塩酸、硫酸、リン酸などの酸との塩など
を挙げることができる。また、これらの化合物は単独で
使用してもよいが、同時に複数使用することもできる。
さらに、これらの化合物は、必要に応じて塩化すず(I
I)や亜リン酸化合物などの公知の酸化防止剤を含んで
いてもよい。
Specific examples of the derivatives of these aromatic tetramines include salts with acids such as hydrochloric acid, sulfuric acid and phosphoric acid. Further, these compounds may be used alone or in combination of two or more at the same time.
In addition, these compounds may optionally contain tin chloride (I
A known antioxidant such as I) or a phosphorous acid compound may be contained.

【0033】上述の式(1)の構造を与えるスルホン酸
基含有ジカルボン酸は、芳香族系ジカルボン酸中に1個
から4個のスルホン酸基を含有するものを選択すること
ができるが、具体例としては、例えば、2,5−ジカル
ボキシベンゼンスルホン酸、3,5−ジカルボキシベン
ゼンスルホン酸、2,5−ジカルボキシ−1,4−ベン
ゼンジスルホン酸、4,6−ジカルボキシ−1,3−ベ
ンゼンジスルホン酸、2,2’−ジスルホ−4,4’−
ビフェニルジカルボン酸、3,3’−ジスルホ−4,
4’−ビフェニルジカルボン酸、等のスルホン酸含有ジ
カルボン酸及びこれらの誘導体を挙げることができる。
誘導体としては、ナトリウム、カリウムなどのアルカリ
金属塩や、アンモニウム塩、アルキルアンモニウム塩な
どをあげることができる。スルホン酸基含有ジカルボン
酸の構造は特にこれらに限定されることはない。上述の
式(1)におけるm1は、1から4の整数より選ばれ
る。m1が5以上であると、ポリマーの耐水性が低下す
る傾向が出てくるので好ましくない。
The sulfonic acid group-containing dicarboxylic acid giving the structure of the above formula (1) can be selected from those containing 1 to 4 sulfonic acid groups in the aromatic dicarboxylic acid. Examples include, for example, 2,5-dicarboxybenzenesulfonic acid, 3,5-dicarboxybenzenesulfonic acid, 2,5-dicarboxy-1,4-benzenedisulfonic acid, 4,6-dicarboxy-1, 3-benzenedisulfonic acid, 2,2'-disulfo-4,4'-
Biphenyldicarboxylic acid, 3,3′-disulfo-4,
Examples thereof include sulfonic acid-containing dicarboxylic acids such as 4′-biphenyldicarboxylic acid and derivatives thereof.
Examples of the derivative include alkali metal salts such as sodium and potassium, ammonium salts, alkylammonium salts and the like. The structure of the sulfonic acid group-containing dicarboxylic acid is not particularly limited to these. M 1 in Formula (1) described above is selected from integers of 1 to 4. When m 1 is 5 or more, the water resistance of the polymer tends to decrease, which is not preferable.

【0034】スルホン酸基含有ジカルボン酸はそれら単
独だけでなく、スルホン酸基およびホスホン酸基を含有
しないジカルボン酸とともに共重合の形で導入すること
ができる。スルホン酸基含有ジカルボン酸とともに使用
できるジカルボン酸例としては、テレフタル酸、イソフ
タル酸、ナフタレンジカルボン酸、ジフェニルエーテル
ジカルボン酸、ジフェニルスルホンジカルボン酸、ビフ
ェニルジカルボン酸、ターフェニルジカルボン酸、2,
2−ビス(4−カルボキシフェニル)ヘキサフルオロプ
ロパン等ポリエステル原料として報告されている一般的
なジカルボン酸を使用することができ、ここで例示した
ものに限定されるものではない。
The sulfonic acid group-containing dicarboxylic acids can be introduced not only by themselves but also in the form of copolymerization with dicarboxylic acids containing no sulfonic acid group and phosphonic acid group. Examples of dicarboxylic acids that can be used with the sulfonic acid group-containing dicarboxylic acid include terephthalic acid, isophthalic acid, naphthalene dicarboxylic acid, diphenyl ether dicarboxylic acid, diphenyl sulfone dicarboxylic acid, biphenyl dicarboxylic acid, terphenyl dicarboxylic acid, 2,
A general dicarboxylic acid reported as a polyester raw material such as 2-bis (4-carboxyphenyl) hexafluoropropane can be used, and is not limited to those exemplified here.

【0035】スルホン酸基を含有するジカルボン酸の純
度は特に制限されるものではないが、98%以上が好ま
しく、99%以上がより好ましい。スルホン酸基を含有
するジカルボン酸を原料として重合されたポリイミダゾ
ールは、スルホン酸基を含有しないジカルボン酸を用い
た場合に比べて、重合度が低くなる傾向が見られるた
め、スルホン酸基を含有するジカルボン酸はできるだけ
純度が高いものを用いることが好ましい。スルホン酸基
含有ジカルボン酸とともにスルホン酸基を含有しないジ
カルボン酸を使用する場合、スルホン酸基含有ジカルボ
ン酸を全ジカルボン酸中の20モル%以上とすることで
スルホン酸の効果を明確にすることができる。スルホン
酸のきわだった効果を引き出すためには、50モル%以
上であることがさらに好ましい。スルホン酸基を有する
芳香族ジカルボン酸の含有率が20モル%未満の場合に
は、本発明のポリベンズイミダゾール系化合物の導電率
が低下して固体高分子電解質の材料として適さないもの
となる傾向がある。
The purity of the dicarboxylic acid containing a sulfonic acid group is not particularly limited, but is preferably 98% or more, more preferably 99% or more. Polyimidazole polymerized from a dicarboxylic acid containing a sulfonic acid group as a raw material, as compared with the case of using a dicarboxylic acid not containing a sulfonic acid group, the degree of polymerization tends to be lower, it contains a sulfonic acid group The dicarboxylic acid to be used is preferably as pure as possible. When a dicarboxylic acid containing no sulfonic acid group is used together with the sulfonic acid group-containing dicarboxylic acid, the effect of the sulfonic acid can be clarified by setting the sulfonic acid group-containing dicarboxylic acid to 20 mol% or more of all dicarboxylic acids. it can. In order to bring out the remarkable effect of the sulfonic acid, it is more preferably 50 mol% or more. When the content of the aromatic dicarboxylic acid having a sulfonic acid group is less than 20 mol%, the conductivity of the polybenzimidazole compound of the present invention tends to be low and the polybenzimidazole compound of the present invention tends to be unsuitable as a material for a solid polymer electrolyte. There is.

【0036】上記の式(1)で示される構成成分を含む
ホスホン酸基含有ポリベンズイミダゾール系化合物とし
ては、下記の式(4)と式(5)で示される構造で表さ
れる結合ユニットをn2:(1−n2)のモル比で構成成
分として含むものが特に好ましい。
As the phosphonic acid group-containing polybenzimidazole compound containing the constituents represented by the above formula (1), a binding unit represented by the structures represented by the following formulas (4) and (5) is used. Those containing as a constituent in a molar ratio of n 2 : (1-n 2 ) are particularly preferable.

【0037】[0037]

【化9】 (式(4)および式(5)においては、m1は1から4
の整数を表し、Arは芳香族結合ユニットを表し、X2
は−O−、−SO2−、−S−、−CH2−,−OPhO
−より群から選ばれる1種以上であり、Phは2価の芳
香族結合ユニットを表すものとする。また、モル比は、
0.2≦n2≦1.0の式を満たす)
[Chemical 9] (In the formulas (4) and (5), m 1 is from 1 to 4
Represents an integer, Ar represents an aromatic bond unit, X 2
Is -O -, - SO 2 -, - S -, - CH 2 -, - OPhO
-Is one or more selected from the group, and Ph represents a divalent aromatic bond unit. Also, the molar ratio is
0.2 ≦ n 2 ≦ 1.0 is satisfied)

【0038】上記の式(4)、(5)において、m2
5よりも大きいと、得られるポリマーの耐水性が劣る傾
向にあり、モル比n2が0.2よりも小さいと、十分な
イオン伝導性を示さない傾向となる。
In the above formulas (4) and (5), when m 2 is larger than 5, the water resistance of the obtained polymer tends to be poor, and when the molar ratio n 2 is smaller than 0.2, it is sufficient. It tends to not exhibit excellent ionic conductivity.

【0039】上記の式(1)で示されるホスホン酸基含
有ポリイミダゾールを与える芳香族テトラミンの具体例
としては、特に限定されるものではないが、たとえば、
1,2,4,5−テトラアミノベンゼン、3,3’−ジ
アミノベンジジン、3,3’,4,4’−テトラアミノ
ジフェニルエーテル、3,3’,4,4’−テトラアミ
ノジフェニルチオエーテル、3,3’,4,4’−テト
ラアミノジフェニルスルホン、2,2−ビス(3,4−
ジアミノフェニル)プロパン、ビス(3,4−ジアミノ
フェニル)メタン、2,2−ビス(3,4−ジアミノフ
ェニル)ヘキサフルオロプロパン、1,4−ビス(3,
4−ジアミノフェノキシ)ベンゼン、などおよびこれら
の誘導体が挙げられる。これらのうち、上記の式(4)
で表される結合ユニットを形成することが出来る、3,
3’,4,4’−テトラアミノジフェニルエーテル、
3,3’,4,4’−テトラアミノジフェニルスルホ
ン、3,3’,4,4’−テトラアミノジフェニルチオ
エーテル、ビス(3,4−ジアミノフェニル)メタン、
1,4−ビス(3,4−ジアミノフェノキシ)ベンゼン
およびこれらの誘導体が特に好ましい。
Specific examples of the aromatic tetramine which gives the phosphonic acid group-containing polyimidazole represented by the above formula (1) are not particularly limited, but for example,
1,2,4,5-tetraaminobenzene, 3,3'-diaminobenzidine, 3,3 ', 4,4'-tetraaminodiphenyl ether, 3,3', 4,4'-tetraaminodiphenylthioether, 3 , 3 ', 4,4'-Tetraaminodiphenyl sulfone, 2,2-bis (3,4-
Diaminophenyl) propane, bis (3,4-diaminophenyl) methane, 2,2-bis (3,4-diaminophenyl) hexafluoropropane, 1,4-bis (3,3
4-diaminophenoxy) benzene and the like and derivatives thereof. Of these, the above equation (4)
Can form a binding unit represented by
3 ', 4,4'-tetraaminodiphenyl ether,
3,3 ', 4,4'-tetraaminodiphenyl sulfone, 3,3', 4,4'-tetraaminodiphenyl thioether, bis (3,4-diaminophenyl) methane,
1,4-bis (3,4-diaminophenoxy) benzene and derivatives thereof are especially preferred.

【0040】これらの芳香族テトラミン類の誘導体の具
体例としては、塩酸、硫酸、リン酸などの酸との塩など
を挙げることができる。また、これらの化合物は単独で
使用してもよいが、同時に複数使用することもできる。
さらに、これらの化合物は、必要に応じて塩化すず(I
I)や亜リン酸化合物などの公知の酸化防止剤を含んで
いてもよい。
Specific examples of the derivatives of these aromatic tetramines include salts with acids such as hydrochloric acid, sulfuric acid and phosphoric acid. Further, these compounds may be used alone or in combination of two or more at the same time.
In addition, these compounds may optionally contain tin chloride (I
A known antioxidant such as I) or a phosphorous acid compound may be contained.

【0041】上記の式(1)で示されるホスホン酸基を
有するポリベンズイミダゾール系化合物を合成する際に
用いるホスホン酸基を有する芳香族ジカルボン酸および
その誘導体としては、特に限定されるものではなく、芳
香族ジカルボン酸骨格中に1個から4個のホスホン酸基
を有する化合物を好適に使用することができる。具体例
としては、2,5−ジカルボキシフェニルホスホン酸、
3,5−ジカルボキシフェニルホスホン酸、2,5−ビ
スホスホノテレフタル酸、などのホスホン酸基を有する
芳香族ジカルボン酸およびこれらの誘導体を挙げること
ができる。芳香族ジカルボン酸骨格中に5個以上のホス
ホン酸基を有すると、ポリマーの耐水性が低下する傾向
が出てくるので好ましくない。
The aromatic dicarboxylic acid having a phosphonic acid group and its derivative used for synthesizing the polybenzimidazole compound having a phosphonic acid group represented by the above formula (1) are not particularly limited. A compound having 1 to 4 phosphonic acid groups in the aromatic dicarboxylic acid skeleton can be preferably used. As a specific example, 2,5-dicarboxyphenylphosphonic acid,
Mention may be made of aromatic dicarboxylic acids having phosphonic acid groups such as 3,5-dicarboxyphenylphosphonic acid and 2,5-bisphosphonoterephthalic acid, and derivatives thereof. Having 5 or more phosphonic acid groups in the aromatic dicarboxylic acid skeleton is not preferable because it tends to reduce the water resistance of the polymer.

【0042】ここで、これらのホスホン酸基を有する芳
香族ジカルボン酸のホスホン酸誘導体としては、ナトリ
ウム、カリウムなどのアルカリ金属塩や、アンモニウム
塩、アルキルアンモニウム塩などをあげることができ
る。また、これらの化合物は単独で使用してもよいが、
同時に複数使用することもできる。さらに、これらの化
合物は、必要に応じて塩化すず(II)や亜リン酸化合
物などの公知の酸化防止剤を含んでいてもよい。
Here, examples of the phosphonic acid derivative of the aromatic dicarboxylic acid having these phosphonic acid groups include alkali metal salts such as sodium and potassium, ammonium salts, and alkylammonium salts. Further, these compounds may be used alone,
It is possible to use more than one at the same time. Furthermore, these compounds may optionally contain known antioxidants such as tin (II) chloride and phosphorous acid compounds.

【0043】そして、ホスホン酸基を有する芳香族ジカ
ルボン酸の構造はこれらに限定されることはないが、こ
こに示したようなフェニルホスホン酸基型のホスホン酸
基を有する芳香族ジカルボン酸が好ましい。
The structure of the aromatic dicarboxylic acid having a phosphonic acid group is not limited thereto, but the aromatic dicarboxylic acid having a phenylphosphonic acid group-type phosphonic acid group as shown here is preferable. .

【0044】本発明のポリベンズイミダゾール系化合物
の合成に用いる、ホスホン酸基を有する芳香族ジカルボ
ン酸の純度は特に限定されるものではないが、97%以
上が好ましく、98%以上がより好ましい。ホスホン酸
基を有する芳香族ジカルボン酸を原料として重合された
ポリベンズイミダゾール系化合物は、スルホン酸基およ
びホスホン酸基を有さない芳香族ジカルボン酸を原料と
して用いた場合に比べて、重合度が低くなる傾向が見ら
れるため、ホスホン酸基を有する芳香族ジカルボン酸は
できるだけ純度が高いものを用いることが好ましい。す
なわち、芳香族ジカルボン酸の純度が97%未満の場合
には、得られるポリベンズイミダゾール系化合物の重合
度が低下して固体高分子電解質の材料として適さないも
のとなる傾向がある。
The purity of the aromatic dicarboxylic acid having a phosphonic acid group used in the synthesis of the polybenzimidazole compound of the present invention is not particularly limited, but is preferably 97% or more, more preferably 98% or more. The polybenzimidazole-based compound polymerized from an aromatic dicarboxylic acid having a phosphonic acid group as a raw material has a polymerization degree higher than that when an aromatic dicarboxylic acid having no sulfonic acid group and a phosphonic acid group is used as a raw material. Since it tends to be low, it is preferable to use the aromatic dicarboxylic acid having a phosphonic acid group as high in purity as possible. That is, when the purity of the aromatic dicarboxylic acid is less than 97%, the degree of polymerization of the obtained polybenzimidazole compound tends to be low, and the polybenzimidazole compound tends to be unsuitable as a material for a solid polymer electrolyte.

【0045】上記のホスホン酸基を有する芳香族ジカル
ボン酸はそれら単独だけで使用してもよいが、スルホン
酸基およびホスホン酸基を含有しない芳香族ジカルボン
酸とともに共重合反応することにより、本発明のホスホ
ン酸基を有するポリベンズイミダゾール系化合物の合成
に用いてもよい。ホスホン酸基を有する芳香族ジカルボ
ン酸とともに使用できるスルホン酸基およびホスホン酸
基を有さない芳香族ジカルボン酸としては、特に限定さ
れるものではないが、たとえば、テレフタル酸、イソフ
タル酸、ナフタレンジカルボン酸、ジフェニルエーテル
ジカルボン酸、ジフェニルスルホンジカルボン酸、ビフ
ェニルジカルボン酸、ターフェニルジカルボン酸、2,
2−ビス(4−カルボキシフェニル)ヘキサフルオロプ
ロパンなどのポリエステル原料として報告されている一
般的な芳香族ジカルボン酸を使用することができる。
Although the above-mentioned aromatic dicarboxylic acids having a phosphonic acid group may be used alone, they can be used in the present invention by copolymerization reaction with an aromatic dicarboxylic acid having no sulfonic acid group and phosphonic acid group. It may be used for the synthesis of a polybenzimidazole compound having a phosphonic acid group. The sulfonic acid group and aromatic dicarboxylic acid having no phosphonic acid group that can be used together with the aromatic dicarboxylic acid having a phosphonic acid group are not particularly limited, and examples thereof include terephthalic acid, isophthalic acid, and naphthalenedicarboxylic acid. , Diphenyl ether dicarboxylic acid, diphenyl sulfone dicarboxylic acid, biphenyl dicarboxylic acid, terphenyl dicarboxylic acid, 2,
A general aromatic dicarboxylic acid reported as a polyester raw material such as 2-bis (4-carboxyphenyl) hexafluoropropane can be used.

【0046】また、これらの化合物は単独で使用しても
よいが、同時に複数使用することもできる。さらに、こ
れらの化合物は、必要に応じて塩化すず(II)や亜リ
ン酸化合物などの公知の酸化防止剤を含んでいてもよ
い。
Further, these compounds may be used alone, or a plurality of them may be used at the same time. Furthermore, these compounds may optionally contain known antioxidants such as tin (II) chloride and phosphorous acid compounds.

【0047】本発明のポリベンズイミダゾール系化合物
の合成において、ホスホン酸基を有する芳香族ジカルボ
ン酸とともにスルホン酸基およびホスホン酸基を有さな
い芳香族ジカルボン酸を使用する場合、全芳香族ジカル
ボン酸中におけるホスホン酸基を有する芳香族ジカルボ
ン酸の含有率を20モル%以上となるように配合するこ
とで、本発明のポリベンズイミダゾール系化合物がホス
ホン酸基を有することによる優れた効果を明確にするこ
とができる。また、本発明のポリベンズイミダゾール系
化合物がホスホン酸基を有することによるきわだった効
果を引き出すためには、ホスホン酸基を有する芳香族ジ
カルボン酸の含有率を50モル%以上となるように配合
することがさらに好ましい。ホスホン酸基を有する芳香
族ジカルボン酸の含有率が20モル%未満の場合には、
本発明のポリベンズイミダゾール系化合物の導電率が低
下して固体高分子電解質の材料として適さないものとな
る傾向がある。
In the synthesis of the polybenzimidazole compound of the present invention, when an aromatic dicarboxylic acid having a phosphonic acid group and an aromatic dicarboxylic acid having no phosphonic acid group are used, a wholly aromatic dicarboxylic acid is used. By blending so that the content of the aromatic dicarboxylic acid having a phosphonic acid group therein is 20 mol% or more, the excellent effect of the polybenzimidazole compound of the present invention having a phosphonic acid group is clarified. can do. Further, in order to bring out the remarkable effect of the polybenzimidazole compound of the present invention having a phosphonic acid group, the content of the aromatic dicarboxylic acid having a phosphonic acid group is blended so as to be 50 mol% or more. Is more preferable. When the content of the aromatic dicarboxylic acid having a phosphonic acid group is less than 20 mol%,
The electrical conductivity of the polybenzimidazole compound of the present invention tends to be low, making it unsuitable as a material for a solid polymer electrolyte.

【0048】ここで、上記のスルホン酸基を有する芳香
族ジカルボン酸およびホスホン酸基を有する芳香族ジカ
ルボン酸は、それら単独だけで使用してもよいが、両者
を共重合反応することにより、本発明のスルホン酸基お
よび/またはホスホン酸基を有するポリベンズイミダゾ
ール系化合物の合成に用いてもよい。
Here, the above-mentioned aromatic dicarboxylic acid having a sulfonic acid group and aromatic dicarboxylic acid having a phosphonic acid group may be used alone, but they are not It may be used for the synthesis of the polybenzimidazole compound having a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group of the invention.

【0049】また、このとき、上記のスルホン酸基を有
する芳香族ジカルボン酸およびホスホン酸基を有する芳
香族ジカルボン酸は、それらのみで混合使用してもよい
が、スルホン酸基およびホスホン酸基を含有しない芳香
族ジカルボン酸とともに共重合反応することにより、本
発明のスルホン酸基および/またはホスホン酸基を有す
るポリベンズイミダゾール系化合物を合成しても良い。
At this time, the above-mentioned aromatic dicarboxylic acid having a sulfonic acid group and aromatic dicarboxylic acid having a phosphonic acid group may be used alone, but a sulfonic acid group and a phosphonic acid group may be used. The polybenzimidazole compound having a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group of the present invention may be synthesized by a copolymerization reaction with an aromatic dicarboxylic acid that does not contain it.

【0050】上述の芳香族テトラミン類およびそれらの
誘導体よりなる群から選ばれる一種以上の化合物と、芳
香族ジカルボン酸およびその誘導体よりなる群から選ば
れる一種以上の化合物とを用いて、スルホン酸基および
/またはホスホン酸基を有するポリベンズイミダゾール
系化合物を合成する方法は、特に限定されるものではな
いが、たとえば、J.F.Wolfe, Encyclopedia of Polymer
Science and Engineering, 2nd Ed., Vol.11, P.601(1
988)に記載されるようなポリリン酸を溶媒とする脱水、
環化重合により合成することができる。また、ポリリン
酸のかわりにメタンスルホン酸/五酸化リン混合溶媒系
を用いた同様の機構による重合を適用することもでき
る。なお、熱安定性の高いポリベンズイミダゾール系化
合物を合成するには、一般によく使用されるポリリン酸
を用いた重合が好ましい。
A sulfonic acid group is prepared by using one or more compounds selected from the group consisting of the aromatic tetramines and their derivatives and one or more compounds selected from the group consisting of aromatic dicarboxylic acids and their derivatives. The method for synthesizing the polybenzimidazole compound having a phosphonic acid group and / or a phosphonic acid group is not particularly limited, but for example, JFWolfe, Encyclopedia of Polymer
Science and Engineering, 2nd Ed., Vol.11, P.601 (1
988) dehydration using a polyphosphoric acid as a solvent,
It can be synthesized by cyclopolymerization. It is also possible to apply polymerization by a similar mechanism using a methanesulfonic acid / phosphorus pentoxide mixed solvent system instead of polyphosphoric acid. In addition, in order to synthesize a polybenzimidazole compound having high thermal stability, polymerization using polyphosphoric acid, which is commonly used, is preferable.

【0051】さらに、本発明のポリベンズイミダゾール
系化合物を得るには、たとえば、適当な有機溶媒中や混
合原料モノマー融体の形での反応でポリアミド構造など
を有する前駆体ポリマーを合成しておき、その後の適当
な熱処理などによる環化反応で目的のポリベンズイミダ
ゾール構造に変換する方法なども使用することができ
る。
Further, in order to obtain the polybenzimidazole compound of the present invention, for example, a precursor polymer having a polyamide structure or the like is synthesized by a reaction in an appropriate organic solvent or in the form of a mixed raw material monomer melt. Alternatively, a method of converting into a desired polybenzimidazole structure by a subsequent cyclization reaction such as appropriate heat treatment can also be used.

【0052】また、本発明のポリベンズイミダゾール系
化合物を合成する際の反応時間は、個々の原料モノマー
の組み合わせにより最適な反応時間があるので一概には
規定できないが、従来報告されているような長時間をか
けた反応では、スルホン酸基および/またはホスホン酸
基を有する芳香族ジカルボン酸などの原料モノマーを含
む系では、得られたポリベンズイミダゾール系化合物の
熱安定性が低下してしまう場合もあり、この場合には反
応時間を本発明の効果の得られる範囲で短くすることが
好ましい。このように反応時間を短くすることにより、
スルホン酸基および/またはホスホン酸基を有するポリ
ベンズイミダゾール系化合物も熱安定性の高い状態で得
ることができる。
The reaction time for synthesizing the polybenzimidazole compound of the present invention cannot be unconditionally defined because there is an optimum reaction time depending on the combination of individual raw material monomers. In a reaction containing a raw material monomer such as an aromatic dicarboxylic acid having a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group in a reaction that takes a long time, the thermal stability of the obtained polybenzimidazole compound decreases. Therefore, in this case, it is preferable to shorten the reaction time within the range in which the effect of the present invention can be obtained. By shortening the reaction time in this way,
A polybenzimidazole compound having a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group can also be obtained in a highly heat stable state.

【0053】そして、本発明のポリベンズイミダゾール
系化合物を合成する際の反応温度は、個々の原料モノマ
ーの組み合わせにより最適な反応温度があるので一概に
は規定できないが、従来報告されているような高温によ
る反応では、スルホン酸基および/またはホスホン酸基
を有する芳香族ジカルボン酸などの原料モノマーを含む
系では、得られたポリベンズイミダゾール系化合物への
スルホン酸基および/またはホスホン酸基の導入量の制
御が不能となる場合もあり、この場合には反応温度を本
発明の効果の得られる範囲で低くすることが好ましい。
このように反応温度を低くすることにより、酸性基の量
が多いポリベンズイミダゾール系化合物の合成において
もスルホン酸基および/またはホスホン酸基の導入量の
制御を可能とすることができる。
The reaction temperature at the time of synthesizing the polybenzimidazole compound of the present invention cannot be unconditionally specified because there is an optimum reaction temperature depending on the combination of individual raw material monomers, but it has been reported so far. In the reaction at high temperature, in a system containing a raw material monomer such as an aromatic dicarboxylic acid having a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group, introduction of the sulfonic acid group and / or phosphonic acid group into the obtained polybenzimidazole compound In some cases, it becomes impossible to control the amount. In this case, it is preferable to lower the reaction temperature within the range where the effect of the present invention can be obtained.
By lowering the reaction temperature in this way, it is possible to control the introduction amount of the sulfonic acid group and / or the phosphonic acid group even in the synthesis of the polybenzimidazole compound having a large amount of acidic groups.

【0054】また、本発明のポリベンズイミダゾール系
化合物の合成後においては繰り返し単位を構成すること
になる原料モノマーが複数の種類からなる場合には、該
繰返し単位同士はランダム重合および/または交互的重
合により結合していることで、高分子電解質膜の材料と
して安定した性能を示す特徴を持つ。ここで、本発明の
ポリベンズイミダゾール系化合物をランダム重合および
/または交互的重合の重合形式により合成するには、す
べてのモノマー原料を重合初期から当量性を合わせた配
合割合で仕込んでおく方法で作ることが好ましい。
Further, when the raw material monomers which constitute the repeating unit after the synthesis of the polybenzimidazole compound of the present invention are composed of a plurality of kinds, the repeating units are randomly polymerized and / or alternated. By being bonded by polymerization, it has a characteristic of exhibiting stable performance as a material for the polymer electrolyte membrane. Here, in order to synthesize the polybenzimidazole-based compound of the present invention by a polymerization mode of random polymerization and / or alternating polymerization, all monomer raw materials are charged from the initial stage of polymerization at a mixing ratio in which equivalence is adjusted. It is preferable to make.

【0055】なお、ポリベンズイミダゾール系化合物を
ランダム重合や交互的重合ではなくブロック重合により
合成することもできるが、その際には、当量性をずらし
た配合割合のモノマー原料の仕込み条件で第一成分のオ
リゴマーを合成し、さらにモノマー原料を追加して第二
成分も含めて当量性が合う形に配合割合を調整した上で
重合を行なうことが好ましい。
The polybenzimidazole-based compound can be synthesized by block polymerization instead of random polymerization or alternating polymerization. In that case, it is possible to prepare a polybenzimidazole-based compound by changing the equivalence to the monomer raw materials in the mixing ratio. It is preferable to synthesize an oligomer of the component, further add a monomer raw material, adjust the compounding ratio including the second component so that the equivalence is satisfied, and then perform the polymerization.

【0056】本発明のスルホン酸基および/またはホス
ホン酸基を有するポリベンズイミダゾール系化合物の分
子量は、特に限定されるものではないが、1,000以
上であることが好ましく、3,000以上であればより
好ましい。また、この分子量は1,000,000以下
であることが好ましく、200,000以下であればよ
り好ましい。この分子量が1,000未満の場合には、
粘度の低下によりポリベンズイミダゾール系化合物から
良好な性質を備えた成形物を得ることが困難となる。ま
た、この分子量が1,000,000を超えると粘度の
上昇によりポリベンズイミダゾール系化合物を成形する
ことが困難になる。また、本発明のスルホン酸基および
/またはホスホン酸基を有するポリベンズイミダゾール
系化合物の分子量は、実質的には濃硫酸中で測定した場
合の対数粘度で評価することができる。そして、この対
数粘度は0.25以上であることが好ましく、特に0.
40以上であればより好ましい。また、この対数粘度は
10以下であることが好ましく、特に8以下であればよ
り好ましい。この対数粘度が0.25未満の場合には、
粘度の低下によりポリベンズイミダゾール系化合物から
良好な性質を備えた成形物を得ることが困難となる。ま
た、この分子量が10を超えると粘度の上昇によりポリ
ベンズイミダゾール系化合物を成形することが困難にな
る。
The molecular weight of the polybenzimidazole compound having a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group of the present invention is not particularly limited, but it is preferably 1,000 or more, more preferably 3,000 or more. It is more preferable if there is. The molecular weight is preferably 1,000,000 or less, more preferably 200,000 or less. If this molecular weight is less than 1,000,
The decrease in viscosity makes it difficult to obtain a molded product having good properties from the polybenzimidazole compound. If the molecular weight exceeds 1,000,000, it becomes difficult to mold the polybenzimidazole compound due to the increase in viscosity. The molecular weight of the polybenzimidazole compound having a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group of the present invention can be evaluated substantially by the logarithmic viscosity when measured in concentrated sulfuric acid. And, this logarithmic viscosity is preferably 0.25 or more, and particularly, 0.
It is more preferably 40 or more. The logarithmic viscosity is preferably 10 or less, more preferably 8 or less. If this logarithmic viscosity is less than 0.25,
The decrease in viscosity makes it difficult to obtain a molded product having good properties from the polybenzimidazole compound. Further, when the molecular weight exceeds 10, it becomes difficult to mold the polybenzimidazole compound due to the increase in viscosity.

【0057】本発明におけるポリベンズイミダゾール系
化合物とともに使用される無機酸としては、リン酸、ポ
リリン酸、硫酸、硝酸、フッ酸、塩酸、臭化水素酸およ
びそれらの誘導体が使用される。本発明におけるポリベ
ンズイミダゾール系化合物とともに使用される有機酸と
しては、有機スルホン酸、有機ホスホン酸が使用され
る。有機スルホン酸の具体的な例としては、メタンスル
ホン酸、エタンスルホン酸、ヘキサンスルホン酸、オク
チルスルホン酸、ドデシルスルホン酸、セチルスルホン
酸、スルホコハク酸、スルホグルタル酸、スルホアジピ
ン酸、スルホピメリン酸、スルホスベリン酸、スルホア
ゼライン酸、スルホセバシン酸を始めとするアルキルス
ルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸、ペンタフル
オロエタンスルホン酸、ヘプタフルオロプロピルスルホ
ン酸、等のパーフルオロアルキルスルホン酸、ベンゼン
スルホン酸、1,3−ベンゼンジスルホン酸、トルエン
スルホン酸、オクチルベンゼンスルホン酸、2−メチル
−5−イソプロピルベンゼンスルホン酸、ドデシルベン
ゼンスルホン酸、ジノニルナフタレンスルホン酸、ナフ
タレンスルホン酸、クロロベンゼンスルホン酸、フェノ
ールスルホン酸、トリクロロベンゼンスルホン酸、ニト
ロトルエンスルホン酸、ニトロベンゼンスルホン酸、ス
ルホ安息香酸、等の芳香族スルホン酸、およびこれらの
誘導体を挙げることができるが、これらに限定されるこ
となく各種構造の有機スルホン酸を使用することが出来
る。有機ホスホン酸の具体的な例としては、フェニルホ
スホン酸、1,3−ジカルボキシフェニルホスホン酸等
の芳香族系ホスホン酸、1−ヒドロキシエタン−1,1
−ジホスホン酸等の脂肪族系ホスホン酸、およびこれら
の誘導体を挙げることができるが、これらに限定される
ことなく各種構造の有機ホスホン酸を使用することが出
来る。
As the inorganic acid used together with the polybenzimidazole compound in the present invention, phosphoric acid, polyphosphoric acid, sulfuric acid, nitric acid, hydrofluoric acid, hydrochloric acid, hydrobromic acid and derivatives thereof are used. As the organic acid used together with the polybenzimidazole compound in the present invention, organic sulfonic acid and organic phosphonic acid are used. Specific examples of the organic sulfonic acid include methanesulfonic acid, ethanesulfonic acid, hexanesulfonic acid, octylsulfonic acid, dodecylsulfonic acid, cetylsulfonic acid, sulfosuccinic acid, sulfoglutaric acid, sulfoadipic acid, sulfopimelic acid, sulfosuberine. Perfluoroalkyl sulfonic acid such as acid, sulfoazelaic acid, alkyl sulfonic acid including sulfo sebacic acid, trifluoromethane sulfonic acid, pentafluoroethane sulfonic acid, heptafluoropropyl sulfonic acid, benzene sulfonic acid, 1,3- Benzenedisulfonic acid, toluenesulfonic acid, octylbenzenesulfonic acid, 2-methyl-5-isopropylbenzenesulfonic acid, dodecylbenzenesulfonic acid, dinonylnaphthalenesulfonic acid, naphthalenesulfonic acid, Aromatic sulfonic acids such as benzenebenzenesulfonic acid, phenolsulfonic acid, trichlorobenzenesulfonic acid, nitrotoluenesulfonic acid, nitrobenzenesulfonic acid, sulfobenzoic acid, and derivatives thereof can be mentioned, but are not limited thereto. Instead, organic sulfonic acids having various structures can be used. Specific examples of the organic phosphonic acid include aromatic phosphonic acids such as phenylphosphonic acid and 1,3-dicarboxyphenylphosphonic acid, 1-hydroxyethane-1,1.
Examples thereof include aliphatic phosphonic acids such as diphosphonic acid, and derivatives thereof, but are not limited thereto, and organic phosphonic acids having various structures can be used.

【0058】本発明の無機酸および/または有機酸は、
本発明のポリベンズイミダゾール系化合物とともに混合
して使用されるが、その使用割合はポリベンズイミダゾ
ール系化合物中の窒素原子1モルに対して、無機酸およ
び/または有機酸が0.1〜5モルである場合に、特に
優れたイオン伝導特性を長期にわたって維持する特性を
示す。0.1モルより使用割合が少ない場合は、イオン
伝導度が十分に高い値を示さない傾向が現れ始め、5モ
ルより使用割合が多い場合には、長期使用に伴いイオン
伝導度の低下する割合が多くなる傾向が現れ始める。
The inorganic acid and / or organic acid of the present invention is
It is used as a mixture with the polybenzimidazole compound of the present invention, and the ratio is such that the inorganic acid and / or the organic acid is 0.1 to 5 mol with respect to 1 mol of the nitrogen atom in the polybenzimidazole compound. In the case of, the property of maintaining particularly excellent ionic conduction property over a long period of time is exhibited. When the usage ratio is less than 0.1 mol, the tendency that the ionic conductivity does not show a sufficiently high value begins to appear, and when the usage ratio is more than 5 mol, the ionic conductivity decreases with long-term use. The tendency to increase is starting to appear.

【0059】本発明のポリベンズイミダゾール系化合物
と無機酸および/または有機酸を含有する組成物を得る
には、本発明のポリベンズイミダゾール系化合物から各
種成形物を作製する際に、本発明の無機酸および/また
は有機酸を混合させておく方法がある。例えば、本発明
のスルホン酸基および/またはホスホン酸基含有ポリア
ゾール化合物は、重合溶液、単離したポリマー、および
再溶解させたポリマー溶液等から押し出し、紡糸、圧
延、キャストなど任意の方法で繊維やフィルムに成形す
ることができるが、この際に溶液やポリマーに本発明の
無機酸および/または有機酸を混合しておくことで、本
発明の組成物を成形物として得ることが出来る。これら
の成形過程の中では、適当な溶媒に溶解した溶液から成
形することが好ましい。溶解する溶媒としては、N,N
−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミ
ド、ジメチルスルホキシド、N−メチル−2−ピロリド
ン、ヘキサメチルホスホンアミドなど非プロトン極性溶
媒や、ポリリン酸、メタンスルホン酸、硫酸、トリフル
オロ酢酸などの強酸から適切なものを選ぶことができる
がこれらに限定されるものではない。これらのうち、特
に有機溶媒系から成形することが好ましい。これらの溶
媒は、可能な範囲で複数を混合して使用してもよい。ま
た、溶解性を向上させる手段として、臭化リチウム、塩
化リチウム、塩化アルミニウムなどのルイス酸を有機溶
媒に添加したものを溶媒としてもよい。溶液中のポリマ
ー濃度は0.1〜50重量%の範囲であることが好まし
い。低すぎると成形性が悪化し、高すぎると加工性が悪
化する。
In order to obtain a composition containing the polybenzimidazole compound of the present invention and an inorganic acid and / or an organic acid, when various molded articles are prepared from the polybenzimidazole compound of the present invention, There is a method of mixing an inorganic acid and / or an organic acid. For example, the sulfonic acid group- and / or phosphonic acid group-containing polyazole compound of the present invention can be extruded from a polymerization solution, an isolated polymer, a re-dissolved polymer solution, or the like, and can be spun, rolled, cast, or subjected to fiber formation by any method. It can be formed into a film. At this time, the composition of the present invention can be obtained as a molded product by mixing the solution or polymer with the inorganic acid and / or organic acid of the present invention. Among these molding processes, it is preferable to mold from a solution dissolved in a suitable solvent. Solvents that can be dissolved include N, N
Suitable from aprotic polar solvents such as dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, dimethylsulfoxide, N-methyl-2-pyrrolidone and hexamethylphosphonamide, and strong acids such as polyphosphoric acid, methanesulfonic acid, sulfuric acid and trifluoroacetic acid. The items can be selected, but are not limited to these. Of these, it is particularly preferable to mold from an organic solvent system. A plurality of these solvents may be mixed and used within a possible range. Further, as a means for improving the solubility, a solvent obtained by adding a Lewis acid such as lithium bromide, lithium chloride or aluminum chloride to an organic solvent may be used. The polymer concentration in the solution is preferably in the range of 0.1 to 50% by weight. If it is too low, moldability deteriorates, and if it is too high, workability deteriorates.

【0060】溶液から成形体を得る方法は公知の方法を
用いることができる。例えば加熱、減圧乾燥、ポリマー
を溶解する溶媒と混和できるポリマー非溶媒への浸漬な
どによって、溶媒を除去しスルホン酸基および/または
ホスホン酸基含有ポリアゾールの成形体を得ることがで
きる。溶媒が有機溶媒の場合は、加熱又は減圧乾燥で溶
媒を留去させることが好ましい。溶媒が強酸の場合に
は、水、メタノール、アセトンなどに浸漬することが好
ましい。この際、必要に応じて他のポリマーと複合され
た形で繊維やフィルムに成形することもできる。
As a method for obtaining a molded product from a solution, a known method can be used. For example, the solvent can be removed by heating, drying under reduced pressure, immersion in a polymer non-solvent that is miscible with a solvent that dissolves the polymer, and a molded product of a polyazole containing a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group can be obtained. When the solvent is an organic solvent, it is preferable to distill off the solvent by heating or drying under reduced pressure. When the solvent is a strong acid, it is preferably immersed in water, methanol, acetone or the like. At this time, if necessary, it may be formed into a fiber or film in a form of being combined with another polymer.

【0061】本発明のポリベンズイミダゾール系化合物
と複合化できるポリマーとしては、例えばポリエチレン
テレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエ
チレンナフタレートなどのポリエステル類、ナイロン
6、ナイロン6,6、ナイロン6,10、ナイロン12
などのポリアミド類、ポリメチルメタクリレート、ポリ
メタクリル酸エステル類、ポリメチルアクリレート、ポ
リアクリル酸エステル類などのアクリレート系樹脂、ポ
リアクリル酸系樹脂、ポリメタクリル酸系樹脂、ポリエ
チレン、ポリプロピレン、ポリスチレンやジエン系ポリ
マーを含む各種ポリオレフィン、ポリウレタン系樹脂、
酢酸セルロース、エチルセルロースなどのセルロース系
樹脂、ポリアリレート、アラミド、ポリカーボネート、
ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンオキシド、
ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエ
ーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリイミド、ポリ
アミドイミド、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチ
アゾールなどの芳香族系ポリマー、エポキシ樹脂、フェ
ノール樹脂、ノボラック樹脂、ベンゾオキサジン樹脂な
どの熱硬化性樹脂等、特に制限はない。これらのポリマ
ー中に、スルホン酸基やホスホン酸基などのイオン性基
が含まれていることも、イオン伝導特性を高くするため
には好ましい。これらのポリマーとの樹脂組成物として
使用する場合には、本発明のポリベンズイミダゾール系
化合物は、樹脂組成物全体の50重量%以上100重量
%未満含まれていることが好ましい。より好ましくは7
0重量%以上100重量%未満である。本発明のアルコ
キシスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物
の含有量が樹脂組成物全体の50重量%未満の場合に
は、この樹脂組成物を含むイオン伝導膜は良好なイオン
伝導性が得られない傾向にあり、また、酸性基を含有す
るユニットが非連続相となり伝導するイオンの移動度が
低下する傾向にある。なお、本発明の組成物は、必要に
応じて、例えば酸化防止剤、熱安定剤、滑剤、粘着付与
剤、可塑剤、架橋剤、粘度調整剤、静電気防止剤、抗菌
剤、消泡剤、分散剤、重合禁止剤、などの各種添加剤を
含んでいても良い。
Examples of the polymer which can be complexed with the polybenzimidazole compound of the present invention include polyesters such as polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate and polyethylene naphthalate, nylon 6, nylon 6,6, nylon 6,10 and nylon 12.
Acrylate resins such as polyamides, polymethylmethacrylate, polymethacrylic acid esters, polymethylacrylate, polyacrylic acid esters, polyacrylic acid resins, polymethacrylic acid resins, polyethylene, polypropylene, polystyrene and diene resins Various polyolefins including polymers, polyurethane resins,
Cellulose resin such as cellulose acetate, ethyl cellulose, polyarylate, aramid, polycarbonate,
Polyphenylene sulfide, polyphenylene oxide,
Aromatic polymers such as polysulfone, polyethersulfone, polyetheretherketone, polyetherimide, polyimide, polyamideimide, polybenzoxazole, polybenzthiazole, epoxy resin, phenol resin, novolac resin, benzoxazine resin, etc. There is no particular limitation on the resin. It is also preferable that these polymers contain an ionic group such as a sulfonic acid group or a phosphonic acid group in order to improve the ionic conductivity. When used as a resin composition with these polymers, the polybenzimidazole compound of the present invention is preferably contained in an amount of 50% by weight or more and less than 100% by weight of the entire resin composition. More preferably 7
It is 0% by weight or more and less than 100% by weight. When the content of the alkoxy sulfonic acid group-containing polyarylene ether-based compound of the present invention is less than 50% by weight of the entire resin composition, the ion conductive membrane containing this resin composition cannot obtain good ion conductivity. There is also a tendency that the unit containing an acidic group becomes a discontinuous phase and the mobility of the ion to be conducted tends to decrease. The composition of the present invention, if necessary, for example, an antioxidant, a heat stabilizer, a lubricant, a tackifier, a plasticizer, a crosslinking agent, a viscosity modifier, an antistatic agent, an antibacterial agent, an antifoaming agent, It may contain various additives such as a dispersant and a polymerization inhibitor.

【0062】本発明の酸性基含有ポリベンズイミダゾー
ル化合物を主成分とする膜を成形する好ましい方法は、
溶液からのキャストである。キャストした溶液から前記
のように溶媒を除去してスルホン酸基および/またはホ
スホン酸基含有ポリベンズイミダゾールの膜を得ること
ができるが、この際に本発明の無機酸および/または有
機酸を混合させておくことができる。溶媒の除去は、乾
燥することが膜の均一性からは好ましい。また、ポリマ
ーや溶媒の分解や変質をさけるため、減圧下でできるだ
け低い温度で乾燥することが好ましい。キャストする基
板には、ガラス板やポリテトラフロロエチレン板などを
用いることができる。溶液の粘度が高い場合には、基板
や溶液を加熱して高温でキャストすると溶液の粘度が低
下して容易にキャストすることができる。キャストする
際の溶液の厚みは特に制限されないが、10〜1000
μmであることが好ましい。薄すぎると膜としての形態
を保てなくなり、厚すぎると不均一な膜ができやすくな
る。より好ましくは100〜500μmである。溶液の
キャスト厚を制御する方法は公知の方法を用いることが
できる。例えば、アプリケーター、ドクターブレードな
どを用いて一定の厚みにしたり、ガラスシャーレなどを
用いてキャスト面積を一定にして溶液の量や濃度で厚み
を制御することができる。キャストした溶液は、溶媒の
除去速度を調整することでより均一な膜を得ることがで
きる。例えば、加熱する場合には最初の段階では低温に
して蒸発速度を下げたりすることができる。また、水な
どの非溶媒に浸漬する場合には、溶液を空気中や不活性
ガス中に適当な時間放置しておくなどしてポリマーの凝
固速度を調整することができる。本発明の膜は目的に応
じて任意の膜厚にすることができるが、イオン伝導性の
面からはできるだけ薄いことが好ましい。具体的には2
00μm以下であることが好ましく、50μm以下であ
ることがさらに好ましく、20μm以下であることが最
も好ましい。
A preferred method for forming a film containing the acidic group-containing polybenzimidazole compound of the present invention as a main component is
Cast from solution. The solvent can be removed from the cast solution as described above to obtain a film of polybenzimidazole containing sulfonic acid groups and / or phosphonic acid groups, in which case the inorganic acid and / or organic acid of the present invention is mixed. You can leave it. It is preferable to remove the solvent by drying in terms of uniformity of the film. Further, in order to prevent decomposition and deterioration of the polymer and solvent, it is preferable to dry under reduced pressure at the lowest temperature possible. A glass plate, a polytetrafluoroethylene plate, or the like can be used as the substrate to be cast. When the viscosity of the solution is high, heating the substrate or the solution and casting at a high temperature lowers the viscosity of the solution, so that the solution can be easily cast. The thickness of the solution when cast is not particularly limited, but is 10 to 1000
It is preferably μm. If it is too thin, the form of the film cannot be maintained, and if it is too thick, a non-uniform film is likely to be formed. More preferably, it is 100 to 500 μm. A known method can be used for controlling the cast thickness of the solution. For example, an applicator, a doctor blade, or the like may be used to make the thickness constant, or a glass petri dish or the like may be used to make the casting area constant to control the thickness by the amount or concentration of the solution. A more uniform film can be obtained from the cast solution by adjusting the removal rate of the solvent. For example, when heating, the evaporation rate can be lowered by lowering the temperature in the first step. When immersed in a non-solvent such as water, the coagulation rate of the polymer can be adjusted by leaving the solution in air or an inert gas for an appropriate time. The film of the present invention can have any film thickness depending on the purpose, but it is preferably as thin as possible from the viewpoint of ion conductivity. Specifically 2
The thickness is preferably 00 μm or less, more preferably 50 μm or less, and most preferably 20 μm or less.

【0063】本発明のポリベンズイミダゾール系化合物
と無機酸および/または有機酸を含有する組成物を得る
には、上記で紹介した成形法において無機酸および/ま
たは有機酸を加えないで、まず成形物を作製しておき、
成形物として無機酸および/または有機酸をその中に含
浸させる方法を採ることもできる。これらは、一般に無
機酸および/または有機酸を水、アルコールなどを始め
とする適当な溶媒に溶かしておき、その中へ成形物を適
切な時間浸漬することで含浸を進めることができ、含浸
後溶媒を留去することなどで除くことにより、本発明の
ポリベンズイミダゾール系化合物と無機酸および/また
は有機酸を含有する組成物とすることが出来る。
In order to obtain a composition containing the polybenzimidazole compound of the present invention and an inorganic acid and / or an organic acid, the molding method introduced above is first performed without adding the inorganic acid and / or the organic acid. I made things,
A method of impregnating an inorganic acid and / or an organic acid into the molded article can also be adopted. In general, these can be impregnated by dissolving an inorganic acid and / or an organic acid in a suitable solvent such as water or alcohol, and immersing the molded product in the solvent for a suitable time. A composition containing the polybenzimidazole compound of the present invention and an inorganic acid and / or an organic acid can be obtained by removing the solvent by distilling it off.

【0064】本発明のスルホン酸基および/またはホス
ホン酸基含有ポリベンズイミダゾール系ポリマーと無機
酸および/または有機酸を含有する組成物は、高温での
イオン伝導性に優れており、フィルム、膜状にして燃料
電池などのイオン交換膜として使用するのに適している
とともに、長期にわたって良好なイオン伝導率を保つ。
さらに、本発明のポリマー構造を主成分にすることによ
り、本発明のイオン交換膜と電極との接合体を作製する
ときのバインダー樹脂等の塗料として利用することもで
きる。
The composition containing a polybenzimidazole-based polymer containing a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group of the present invention and an inorganic acid and / or an organic acid has excellent ion conductivity at high temperature, It is suitable for use as an ion exchange membrane for fuel cells and the like, and maintains good ionic conductivity for a long period of time.
Further, by using the polymer structure of the present invention as a main component, it can be used as a coating material for a binder resin or the like when producing a bonded body of the ion exchange membrane of the present invention and an electrode.

【0065】[0065]

【実施例】以下本発明を実施例を用いて具体的に説明す
るが、本発明はこれらの実施例に限定されることはな
い。なお、各種測定は次のように行った。 溶液粘度:ポリマー粉末を0.5g/dlの濃度で濃硫
酸に溶解し、30℃の恒温槽中でオストワルド粘度計を
用いて粘度測定を行い、対数粘度[ln(ta/tb)]
/cで評価した(taは試料溶液の落下秒数、tbは溶
媒のみの落下秒数、cはポリマー濃度)。 イオン伝導性測定:自作測定用プローブ(ポリテトラフ
ロロエチレン製)上で短冊状膜試料の表面に白金線(直
径:0.2mm)を押しあて、80℃95%RHの恒温
・恒湿オーブン(株式会社ナガノ科学機械製作所、LH
−20−01)中に試料を保持し、白金線間のインピー
ダンスをSOLARTRON社1250FREQUEN
CY RESPONSE ANALYSERにより測定
した。極間距離を変化させて測定し、極間距離とC−C
プロットから見積もられる抵抗測定値をプロットした勾
配から以下の式により膜と白金線間の接触抵抗をキャン
セルした導電率を算出した。 導電率[S/cm]=1/膜幅[cm]x膜厚[cm]x抵抗極
間勾配[Ω/cm] ポリマー対数粘度:ポリマー濃度0.5g/dlの硫酸溶液に
ついて、オストワルド粘度計を用いて30℃で測定した。
EXAMPLES The present invention will be specifically described below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples. Various measurements were performed as follows. Solution viscosity: Polymer powder was dissolved in concentrated sulfuric acid at a concentration of 0.5 g / dl, and viscosity was measured using an Ostwald viscometer in a constant temperature bath at 30 ° C. to obtain logarithmic viscosity [ln (ta / tb)].
/ C was evaluated (ta is the number of seconds of dropping the sample solution, tb is the number of seconds of dropping only the solvent, and c is the polymer concentration). Ion conductivity measurement: A platinum wire (diameter: 0.2 mm) was pressed onto the surface of a strip-shaped membrane sample on a self-made measurement probe (made of polytetrafluoroethylene), and a constant temperature and constant humidity oven at 80 ° C and 95% RH ( Nagano Scientific Machinery Works, LH
-20-01), hold the sample in place, and measure the impedance between the platinum wires by SOLARTRON 1250FREQUEN.
It was measured by CY RESPONSE ANALYSER. Measurement is performed by changing the distance between the electrodes, and the distance between the electrodes and CC
From the slope obtained by plotting the measured resistance value estimated from the plot, the conductivity in which the contact resistance between the film and the platinum wire was canceled was calculated by the following formula. Conductivity [S / cm] = 1 / membrane width [cm] x film thickness [cm] x resistance gap between electrodes [Ω / cm] Polymer logarithmic viscosity: Ostwald viscometer for a sulfuric acid solution with a polymer concentration of 0.5 g / dl It was measured at 30 ° C.

【0066】実施例1 3,3’,4,4‘−テトラアミノジフェニルスルホン
(略号:TAS)1.500g(5.389x10-3mole)、2,5−ジ
カルボキシベンゼンスルホン酸モノナトリウム(略号:
STA、純度99%)1.445g(5.389x10-3mole)、ポリリ
ン酸(五酸化リン含量75%)20.48g、五酸化リン16.4
1gを重合容器に量り取る。窒素を流し、オイルバス上ゆ
っくり撹拌しながら100℃まで昇温 する。100℃
で1時間保持した後、150℃に昇温 して1時間、2
00℃に昇温 して4時間重合した。重合終了後放冷
し、水を加えて重合物を取り出し、家庭用ミキサーを用
いてpH試験紙中性になるまで水洗を繰り返した。得られ
たポリマーは80℃で終夜減圧乾燥した。ポリマーの対
数粘度は、1.55を示した。得られたポリマー400mg
とNMP4mlを撹拌しながら、オイルバス上で170℃
に加熱して溶解させた。この溶液へ、フェニルホスホン
酸280mgを混合し、ホットプレート上で、ガラス板上に
約200μm厚に流延し、NMPを蒸発させた。フィルムを
ガラス板からはがし、80℃終夜減圧乾燥してイオン伝導
性測定用フィルムを作製した。80℃95%RHにおけ
るイオン伝導度は0.003S/cmを示した。本フィ
ルムを200℃オーブン中で1週間放置した後、再度イ
オン伝導度を測定したところ、0.0029S/cm
と、初期測定結果と変わらない値を示した。
Example 1 3,3 ', 4,4'-Tetraaminodiphenylsulfone (abbreviation: TAS) 1.500 g (5.389x10 -3 mole), monosodium 2,5-dicarboxybenzenesulfonate (abbreviation: TAS)
STA, purity 99%) 1.445g (5.389x10-3mole), polyphosphoric acid (phosphorus pentoxide content 75%) 20.48g, phosphorus pentoxide 16.4
Weigh 1 g into a polymerization vessel. Pour nitrogen and raise the temperature to 100 ° C while stirring slowly on an oil bath. 100 ° C
Hold for 1 hour, then raise the temperature to 150 ° C for 1 hour, 2
The temperature was raised to 00 ° C and polymerization was carried out for 4 hours. After completion of the polymerization, the mixture was allowed to cool, water was added to take out the polymer, and washing with water was repeated using a household mixer until the pH test paper became neutral. The obtained polymer was dried under reduced pressure at 80 ° C. overnight. The inherent viscosity of the polymer was 1.55. 400 mg of the obtained polymer
And 170 ml on an oil bath while stirring and 4 ml of NMP.
It was heated to dissolve. To this solution, 280 mg of phenylphosphonic acid was mixed, cast on a glass plate to a thickness of about 200 μm on a hot plate, and NMP was evaporated. The film was peeled from the glass plate and dried under reduced pressure at 80 ° C. overnight to prepare a film for measuring ion conductivity. The ionic conductivity at 80 ° C. and 95% RH was 0.003 S / cm. After leaving this film in an oven at 200 ° C. for 1 week, the ionic conductivity was measured again and found to be 0.0029 S / cm.
And the same value as the initial measurement result was shown.

【0067】実施例2 実施例1において、加えるフェニルホスホン酸の量を変
えてイオン伝導性測定用フィルムを作製して評価を行っ
た。結果を表1に示す。
Example 2 In Example 1, the amount of phenylphosphonic acid added was changed to prepare a film for measuring ion conductivity, and evaluation was performed. The results are shown in Table 1.

【0068】比較例1 実施例1において、フェニルホスホン酸を加えないで評
価を行った。結果を表1に示す。
Comparative Example 1 In Example 1, evaluation was carried out without adding phenylphosphonic acid. The results are shown in Table 1.

【0069】[0069]

【表1】 [Table 1]

【0070】実施例3 比較例1で作製したフィルムを、85%リン酸水溶液に
5時間浸漬後、メタノールで洗浄し、80℃で減圧乾燥
したところ、ポリマー中の窒素原子あたり1.4個のリ
ン酸が含浸されたフィルムを得ることが出来た。このフ
ィルムの80℃95%RHにおけるイオン伝導度は0.
0051S/cmを示した。本フィルムを200℃オー
ブン中で1週間放置した後、再度イオン伝導度を測定し
たところ、0.0047S/cmと、初期測定結果と変
わらない値を示した。
Example 3 The film prepared in Comparative Example 1 was immersed in an 85% aqueous phosphoric acid solution for 5 hours, washed with methanol, and dried under reduced pressure at 80 ° C. to obtain 1.4 films per nitrogen atom in the polymer. A film impregnated with phosphoric acid could be obtained. The ionic conductivity of this film at 80 ° C. and 95% RH is 0.
It was 0051 S / cm. The film was allowed to stand in an oven at 200 ° C. for 1 week, and the ionic conductivity was measured again. As a result, it was 0.0047 S / cm, which was the same value as the initial measurement result.

【0071】実施例4 略称:TAS1.830g(6.575×10-3mol
に相当)、3,5−ジカルボキシフェニルホスホン酸
(略称:DCP、純度98%)1.068g(4.34
0×10-3molに相当)、テレフタル酸0.371g
(2.236×10-3molに相当)、(ポリリン酸
(五酸化リン含量75質量%)20.48g、五酸化リ
ン16.41gを重合容器に量り取った。次いで、重合
容器中に窒素を流し、オイルバス上でゆっくり撹拌しな
がら110℃まで昇温した。その後、110℃で1時間
保持した後、150℃に昇温して1時間、200℃に昇
温して5時間重合した。重合終了後、放冷し、水を加え
て重合物を取り出し、家庭用ミキサーを用いてpH試験
紙が中性になるまで水洗を繰り返してポリマーを得た。
得られたポリマーは80℃で終夜減圧乾燥した。ポリマ
ーの対数粘度は、1.55を示した。実施例3と同様
に、作製フィルムにリン酸を含浸させたところ、ポリマ
ー中の窒素原子あたり1.9個のリン酸が含浸されたフ
ィルムを得ることが出来た。このフィルムの80℃95
%RHにおけるイオン伝導度は0.0016S/cmを
示した。本フィルムを200℃オーブン中で1週間放置
した後、再度イオン伝導度を測定したところ、0.00
14S/cmと、初期測定結果と変わらない値を示し
た。
Example 4 Abbreviation: TAS 1.830 g (6.575 × 10 −3 mol)
, 3,5-dicarboxyphenylphosphonic acid (abbreviation: DCP, purity 98%) 1.068 g (4.34)
Equivalent to 0 × 10 -3 mol), 0.371 g of terephthalic acid
(Corresponding to 2.236 × 10 −3 mol), (polyphosphoric acid (phosphorus pentoxide content 75 mass%) 20.48 g, phosphorus pentoxide 16.41 g were weighed into a polymerization vessel. And heated to 110 ° C. while slowly stirring on an oil bath, then held at 110 ° C. for 1 hour and then heated to 150 ° C. for 1 hour and 200 ° C. for 5 hours for polymerization. After completion of the polymerization, the mixture was allowed to cool, water was added to take out the polymer, and the polymer was obtained by repeatedly washing with a household mixer until the pH test paper became neutral.
The obtained polymer was dried under reduced pressure at 80 ° C. overnight. The inherent viscosity of the polymer was 1.55. When the produced film was impregnated with phosphoric acid in the same manner as in Example 3, a film impregnated with 1.9 phosphoric acid per nitrogen atom in the polymer could be obtained. 80 ℃ of this film 95
The ionic conductivity at% RH was 0.0016 S / cm. The film was allowed to stand in a 200 ° C. oven for 1 week, and the ionic conductivity was measured again.
The value was 14 S / cm, which was the same as the initial measurement result.

【0072】実施例1で得られたポリマーである、スル
ホン化ポリベンズイミダゾール系化合物0.4gを、フ
ェニルホスホン酸0.14gとともにNMP5mlに溶
解した。この溶液に白金担持量が20%(w/w)であ
るカーボンブラック(粒子径:20から30nm)0.
72gを均一になるように混合分散することによってペ
ーストを調整した。次いで、得られたペーストをスクリ
ーン印刷によって実施例1で作製した固体高分子電解質
膜の一方の面に塗布し、減圧乾燥した。そして、固体高
分子電解質膜のもう一方の面にも同様にペーストを塗布
し、減圧乾燥した。得られた固体高分子電解質膜/電極
触媒層の複合体の白金担持量は0.5mg/cm2であ
った。また、この固体高分子電解質膜/電極触媒層の複
合体の導電率を測定したところ1.3×10-5S/cm
であった。
0.4 g of the sulfonated polybenzimidazole compound, which is the polymer obtained in Example 1, was dissolved in 5 ml of NMP together with 0.14 g of phenylphosphonic acid. Carbon black (particle size: 20 to 30 nm) having a platinum loading of 20% (w / w) in this solution was used.
A paste was prepared by mixing and dispersing 72 g so as to be uniform. Then, the obtained paste was applied by screen printing to one surface of the solid polymer electrolyte membrane prepared in Example 1 and dried under reduced pressure. Then, the paste was similarly applied to the other surface of the solid polymer electrolyte membrane and dried under reduced pressure. The amount of platinum supported on the obtained solid polymer electrolyte membrane / electrode catalyst layer composite was 0.5 mg / cm 2 . The conductivity of the solid polymer electrolyte membrane / electrode catalyst layer composite was measured and found to be 1.3 × 10 −5 S / cm.
Met.

【0073】[0073]

【発明の効果】本発明の組成物は、高温でのイオン伝導
性に優れており、フィルム、膜状にして燃料電池などの
イオン交換膜として使用するのに適しているとともに、
高温での安定性が高く、長期にわたって良好なイオン伝
導率を保つ。さらに、本発明のポリマー構造を主成分に
することにより、本発明のイオン交換膜と電極との接合
体を作製するときのバインダー樹脂等の塗料として利用
することもできる。
INDUSTRIAL APPLICABILITY The composition of the present invention is excellent in ionic conductivity at high temperature and is suitable for use as an ion exchange membrane for fuel cells and the like in the form of a film or a membrane.
It has high stability at high temperature and maintains good ionic conductivity for a long time. Further, by using the polymer structure of the present invention as a main component, it can be used as a coating material for a binder resin or the like when producing a bonded body of the ion exchange membrane of the present invention and an electrode.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) C09J 11/00 C09J 11/00 179/04 179/04 A H01B 1/06 H01B 1/06 A H01M 8/02 H01M 8/02 P // H01M 8/10 8/10 Fターム(参考) 4J002 CN021 DG046 DH026 EV236 EW126 GQ00 4J040 EH021 GA25 HA256 HA286 HD13 HD23 LA07 LA08 LA09 NA19 5G301 CA30 CD01 5H026 AA06 CX05 EE18 HH05 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) C09J 11/00 C09J 11/00 179/04 179/04 A H01B 1/06 H01B 1/06 A H01M 8 / 02 H01M 8/02 P // H01M 8/10 8/10 F term (reference) 4J002 CN021 DG046 DH026 EV236 EW126 GQ00 4J040 EH021 GA25 HA256 HA286 HD13 HD23 LA07 LA08 LA09 NA19 5G301 CA30 CD01 5H026 AA06 CX05 EE18 HH05

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 下記の式(1)で示される構成成分を含
むポリベンズイミダゾール系化合物とともに無機酸およ
び/または有機酸を含有していることを特徴とする組成
物。 【化1】 (式(1)においては、m1は1から4の整数を表し、
1はイミダゾール環を形成できる4価の芳香族結合ユ
ニットを、R2は2価の芳香族結合ユニットを表し、R1
およびR2はいずれも芳香環の単環であっても複数の芳
香環の結合体あるいは縮合環であっても良く、安定な置
換基を有していても良い。Zは、スルホン酸基および/
またはホスホン酸基を表し、その一部が塩構造となって
いても良い。)
1. A composition comprising a polybenzimidazole compound containing a constituent represented by the following formula (1) and an inorganic acid and / or an organic acid. [Chemical 1] (In the formula (1), m 1 represents an integer of 1 to 4,
R 1 represents a tetravalent aromatic bond unit capable of forming an imidazole ring, R 2 represents a divalent aromatic bond unit, R 1
Each of R 2 and R 2 may be a single aromatic ring, a combination of a plurality of aromatic rings, or a condensed ring, and may have a stable substituent. Z is a sulfonic acid group and /
Alternatively, it may represent a phosphonic acid group, and a part thereof may have a salt structure. )
【請求項2】ポリベンズイミダゾール系化合物が下記の
式(2)と式(3)で示される構造で表される結合ユニ
ットをn1:(1−n1)のモル比で構成成分として含む
ことを特徴とする請求項1に記載の組成物。 【化2】 (式(2)および式(3)においては、m1は1から4
の整数を表し、Arは2価の芳香族結合ユニットを表
し、X1は−O−、−SO2−、−C(CH32−、−C
(CF32−、−OPhO−より群から選ばれる1種以
上であり、Phは2価の芳香族結合ユニットを表すもの
とする。また、モル比は、0.2≦n1≦1.0の式を
満たす)
2. A polybenzimidazole-based compound contains a binding unit represented by the structures represented by the following formulas (2) and (3) at a molar ratio of n 1 : (1-n 1 ) as a constituent component. The composition according to claim 1, characterized in that [Chemical 2] (In the formulas (2) and (3), m 1 is from 1 to 4
Of Ar, Ar represents a divalent aromatic bond unit, X 1 represents —O—, —SO 2 —, —C (CH 3 ) 2 —, —C.
(CF 3) 2 -, - OPhO- from at least one selected from the group, Ph denote the divalent aromatic bond unit. Further, the molar ratio satisfies the formula of 0.2 ≦ n 1 ≦ 1.0)
【請求項3】ポリベンズイミダゾール系化合物が下記の
式(4)と式(5)で示される構造で表される結合ユニ
ットをn2:(1−n2)のモル比で構成成分として含む
ことを特徴とする請求項1に記載の組成物。 【化3】 (式(4)および式(5)においては、m1は1から4
の整数を表し、Arは芳香族結合ユニットを表し、X2
は−O−、−SO2−、−S−、−CH2−,−OPhO
−より群から選ばれる1種以上であり、Phは2価の芳
香族結合ユニットを表すものとする。また、モル比は、
0.2≦n2≦1.0の式を満たす)
3. A polybenzimidazole-based compound contains a binding unit represented by the structures represented by the following formulas (4) and (5) at a molar ratio of n 2 : (1-n 2 ) as a constituent component. The composition according to claim 1, characterized in that [Chemical 3] (In the formulas (4) and (5), m 1 is from 1 to 4
Represents an integer, Ar represents an aromatic bond unit, X 2
Is -O -, - SO 2 -, - S -, - CH 2 -, - OPhO
-Is one or more selected from the group, and Ph represents a divalent aromatic bond unit. Also, the molar ratio is
0.2 ≦ n 2 ≦ 1.0 is satisfied)
【請求項4】 無機酸および/または有機酸がリン酸、
硫酸、有機スルホン酸、有機ホスホン酸系化合物から選
ばれることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記
載の組成物。
4. The inorganic acid and / or the organic acid is phosphoric acid,
The composition according to any one of claims 1 to 3, which is selected from sulfuric acid, an organic sulfonic acid, and an organic phosphonic acid compound.
【請求項5】 無機酸および/または有機酸の使用割合
が、ポリマー中の窒素原子1モルに対して、0.1〜5
モルであることを特徴とする請求項1から4のいずれか
に記載の組成物。
5. The ratio of the inorganic acid and / or the organic acid used is 0.1 to 5 relative to 1 mol of nitrogen atoms in the polymer.
The composition according to any one of claims 1 to 4, wherein the composition is molar.
【請求項6】 請求項1から5のいずれかに記載の組成
物を含有することを特徴とするイオン伝導膜。
6. An ion conductive membrane comprising the composition according to any one of claims 1 to 5.
【請求項7】 請求項6に記載のイオン伝導膜と電極と
を含有することを特徴とする複合体。
7. A composite containing the ion conductive membrane according to claim 6 and an electrode.
【請求項8】 請求項7に記載の複合体を含有すること
を特徴とする燃料電池。
8. A fuel cell containing the composite according to claim 7.
【請求項9】 請求項1から5のいずれかに記載の組成
物を含有することを特徴とする接着剤。
9. An adhesive comprising the composition according to any one of claims 1 to 5.
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