JP2004075895A

JP2004075895A - プロトン伝導性樹脂組成物その製造方法およびプロトン伝導膜

Info

Publication number: JP2004075895A
Application number: JP2002239447A
Authority: JP
Inventors: Kohei Goto; 後藤　幸平; Mayumi Tsunoda; 角田　真由美; Yoichi Asano; 浅野　洋一; Nobuyuki Kaneoka; 金岡　長之
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; JSR Corp
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; JSR Corp
Priority date: 2002-08-20
Filing date: 2002-08-20
Publication date: 2004-03-11
Also published as: EP1391480A1; US20040043297A1

Abstract

【課題】プロトン伝導膜の酸濃度を上げることなく、プロトン伝導度の高いプロトン伝導膜が得られるようなプロトン伝導性樹脂組成物その製造方法および該組成物からなるプロトン伝導膜を提供すること。
【解決手段】プロトン伝導性樹脂組成物は、シリカと、プロトン伝導能を有するスルホン化ポリアリーレンとからなる。プロトン伝導性樹脂組成物の製造方法は、１次凝集体の平均粒径が５０ｎｍ以下である粉末状シリカと、スルホン化ポリアリーレンとを混合する。
【選択図】　なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプロトン伝導性が改良されたプロトン伝導性樹脂組成物その製造方法およびプロトン伝導膜に関する。
【０００２】
【発明の技術的背景】
電解質は、通常、（水）溶液で用いられることが多い。しかし、近年、これを固体系に置き替えていく傾向が高まってきている。その第１の理由としては、例えば、上記の電気・電子材料に応用する場合のプロセッシングの容易さであり、第２の理由としては、軽薄短小・省電力化への移行である。
【０００３】
従来、プロトン伝導性材料としては、無機物からなるもの、有機物からなるものの両方が知られている。無機物の例としては、例えば水和化合物であるリン酸ウラニルが挙げられるが、これら無機化合物は界面での接触が十分でなく、伝導層を基板あるいは電極上に形成するには問題が多い。
一方、有機化合物の例としては、いわゆる陽イオン交換樹脂に属するポリマー、例えばポリスチレンスルホン酸などのビニル系ポリマーのスルホン化物、ナフィオン（商標、デュポン社製）を代表とするパーフルオロアルキルスルホン酸ポリマー、パーフルオロアルキルカルボン酸ポリマーや、ポリベンズイミダゾールやポリエーテルエーテルケトンなどの耐熱性高分子にスルホン酸基やリン酸基を導入したポリマー〔Ｐｏｌｙｍｅｒ　Ｐｒｅｐｒｉｎｔｓ，　Ｊａｐａｎ，Ｖｏｌ．４２，Ｎｏ．７，ｐ．２４９０〜２４９２（１９９３）、Ｐｏｌｙｍｅｒ　Ｐｒｅｐｒｉｎｔｓ，　Ｊａｐａｎ，Ｖｏｌ．４３，Ｎｏ．３，ｐ．７３５〜７３６（１９９４）、Ｐｏｌｙｍｅｒ　Ｐｒｅｐｒｉｎｔｓ，　Ｊａｐａｎ，Ｖｏｌ．４２，Ｎｏ．３，ｐ．７３０（１９９３）〕などの有機系ポリマーが挙げられる。
【０００４】
これら有機系ポリマーは、通常、フィルム状で電解質として用いられるが、溶媒に可溶性であること、または熱可塑性であることを利用して、電極上に伝導膜を接合加工できるという利点がある。しかしながら、これら有機系ポリマーの多くは、プロトン伝導性がまだ十分でないことに加え、耐久性や高温（１００℃以上）でプロトン伝導性が低下してしまうこと、スルホン化により脆化し、機械的強度が低下すること、湿度条件下の依存性が大きいことなどの問題、あるいは電極との密着性が十分満足のいくものとはいえなかったり、含水ポリマー構造に起因する稼働中の過度の膨潤による強度の低下や形状の崩壊に至ったりするという問題がある。したがって、これらの有機ポリマーは、上記の電気・電子材料などに応用するには種々問題がある。
【０００５】
米国特許第５，４０３，６７５号明細書では、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提案されている。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（同明細書カラム９記載の構造）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。しかしながら、スルホン酸基の導入量の増加によって、プロトン伝導度が向上するものの、同時に得られるスルホン化ポリマーの機械的性質、例えば破断伸び、耐折り曲げ性等の靭性や耐熱水性は著しく損なわれる。
【０００６】
本発明者は上述したような従来技術に鑑み、鋭意検討した結果、プロトン伝導膜の酸濃度を上げることなく、プロトン伝導度を上げる方法としては、スルホン化ポリアリーレンと水性無機化合物との複合化が有効であり、そのなかでも特定の形状のシリカ化合物がスルホン化ポリアリーレンとの複合化で極めて顕著なプロトン伝導度を示すことを見出して本発明を完成するに至った。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
すなわち本願発明は、プロトン伝導膜の酸濃度を上げることなく、プロトン伝導度の高いプロトン伝導膜が得られるようなプロトン伝導性樹脂組成物その製造方法および該組成物からなるプロトン伝導膜を提供すること目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば下記プロトン伝導性樹脂組成物その製造方法およびプロトン伝導膜が提供されて、本発明の上記目的が達成される。
（１）　シリカと、プロトン伝導能を有するスルホン化ポリアリーレンとからなることを特徴とするプロトン伝導性樹脂組成物。
（２）　上記シリカを上記スルホン化ポリアリーレン１００重量部に対して０．５〜５０重量部の割合で含有することを特徴とする（１）に記載のプロトン伝導性樹脂組成物。
（３）　１次凝集体の平均粒径が５０ｎｍ以下である粉末状シリカと、スルホン化ポリアリーレンとを混合することを特徴とするプロトン伝導性樹脂組成物の製造方法。
（４）　（１）または（２）に記載のプロトン伝導性樹脂組成物からなることを特徴とするプロトン伝導膜。
【０００９】
【発明の実施形態】
以下、本発明に係るプロトン伝導性樹脂組成物その製造方法およびプロトン伝導膜について具体的に説明する。
本発明に係るプロトン伝導性樹脂組成物は、シリカと、プロトン伝導能を有するスルホン化ポリアリーレンとからなる。
【００１０】
（シリカ）
本発明で用いられるシリカとしては、コロイダルシリカ、フュームドシリカ等が挙げられる。組成物の製造には１次凝集体の平均粒径が５０ｎｍ以下である粉末状シリカが好ましく用いられ、特にフュームドシリカが好ましい。
ここでいうフュームドシリカとは工業規模で生産されている最も粒子系の小さい粒子形（平均１次粒径が７〜４０ｎｍ、比表面積が５０〜３８０ｍ^２／ｇ）をもつ高純度（９９．９％以上）の無水シリカをいい、通常以下の反応式で示されるような、四塩化ケイ素の酸素／水素バーナー中、１０００℃以上の高温下の加水分解法で製造される。
【００１１】
２Ｈ_２　＋　Ｏ_２　→　２Ｈ_２Ｏ　　　　▲１▼
ＳｉＣｌ_４　＋　２Ｈ_２Ｏ　→　ＳｉＯ_２　＋　４ＨＣｌ　　▲２▼
▲１▼＋▲２▼　２Ｈ_２　＋　Ｏ_２＋　ＳｉＣｌ_４　→　ＳｉＯ_２　＋　４ＨＣｌ
シリカは、表面のシラノール基を疎水性処理したものを用いることができ、好ましくは疎水性処理したものである。
【００１２】
（スルホン化ポリアリーレン）
本発明で用いられるスルホン化ポリアリーレンとしては、下記一般式（Ａ）で表されるモノマー（Ａ）と、下記一般式（Ｂ−１）〜（Ｂ−４）から選ばれる少なくとも１種のモノマー（Ｂ）とを反応させて得られる重合体をスルホン化したものが用いられる。
【００１３】
【化１】

【００１４】
式（Ａ）中、Ｒ〜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−ＯＳＯ_２Ｚ（ここで、Ｚ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。
Ｚ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。
【００１５】
Ｒ^１〜Ｒ^８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、アリル基およびアリール基からなる群より選ばれた少なくとも１種の原子または基を示す。
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。
【００１６】
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。
【００１７】
Ｘは２価の電子吸引性基を示し、電子吸引性基としては、例えば−ＣＯ−、−ＣＯＮＨ−、−（ＣＦ_２）_ｐ−（ここで、ｐは１〜１０の整数である）、−Ｃ（ＣＦ_３）_２−、−ＣＯＯ−、−ＳＯ−、−ＳＯ_２−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。
【００１８】
Ｙは２価の電子供与性基を示し、電子供与性基としては、例えば−Ｏ−、−Ｓ−、−ＣＨ＝ＣＨ−、−Ｃ≡Ｃ−および下記式
【００１９】
【化２】

【００２０】
で表される基などが挙げられる。
ｎは０または正の整数であり、上限は通常１００、好ましくは８０である。
上記一般式（Ａ）で表されるモノマーとして具体的には、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、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などが挙げられる。
【００２１】
また上記一般式（Ａ）で表されるモノマーとして具体的には、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）−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。
【００２２】
さらに上記一般式（Ａ）で表されるモノマーとしては、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が挙げられる。
【００２３】
【化３】

【００２４】
上記一般式（Ａ）で表されるモノマーは、例えば以下に示す方法で合成することができる。
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。
【００２５】
通常、アルカリ金属はフェノールの水酸基に対し、過剰気味で反応させ、通常、１．１〜２倍当量を使用する。好ましくは、１．２〜１．５倍当量の使用である。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。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づ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。
【００２６】
【化４】

【００２７】
（式中、Ｘは一般式（Ａ）に関して定義した通りである。）
または特開平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を組み合わせ、目的の電子吸引性基、電子供与性基からなる屈曲性化合物の合成方法がある。
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とで求核置換反応させてビスフェノキシ置換体とする。次いで、この置換体を例えば、４−クロロ安息香酸クロリ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は上記で例示した化合物が適用できる。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のが、好ましく、使用可能なアルカリ金属化合物は上記に例示した化合物を使用できる。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。ビスフェノキシ化合物を塩化アルミニウム、３フッ化ホウ素、塩化亜鉛などのルイス酸のフリーデルクラフト反応の活性化剤存在下に、アシル化剤として、クロロ安息香酸クロライドを反応させる。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倍モルの使用である。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。
【００２８】
また、一般式（Ａ）において、ｎが２以上であるモノマー（Ａ）は、例えば、一般式（Ａ）において電子供与性基Ｙ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Ｘである、＞Ｃ＝Ｏ、−ＳＯ_２−、および／または＞Ｃ（ＣＦ_３）_２とを組み合わした、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。
【００２９】
このようなモノマー（Ａ）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。
【００３０】
【化５】

【００３１】
【化６】

【００３２】
【化７】

【００３３】
上記において、ｎは２以上、好ましくは２〜１００である。
次に一般式（Ｂ−１）〜（Ｂ−４）で表されるモノマーについて説明する。
【００３４】
【化８】

【００３５】
式中、ＲおよびＲ’は互いに同一でも異なっていてもよく、上記一般式（Ａ）中のＲおよびＲ’と同様の基を示す。
Ｒ^９〜Ｒ^１５は互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子およびアルキル基からなる群より選ばれた少なくとも１種の原子または基を示す。
Ｒ^９〜Ｒ^１５が示すアルキル基としては、上記一般式（Ａ）中のＲ^１〜Ｒ^８が示すアルキル基と同様のものが挙げられる。
【００３６】
ｍは０、１または２を示す。
Ｘは上記一般式（Ａ）でＸとして示したものと同様の群から選ばれた２価の電子吸引性基を示す。
Ｙは上記一般式（Ａ）でＹとして示したものと同様の群から選ばれた２価の電子供与性基を示す。
【００３７】
Ｗはフェニル基、ナフチル基および下記式（Ｃ−１）〜（Ｃ−３）で表される基からなる群より選ばれる少なくとも１種の基を示す。
【００３８】
【化９】

【００３９】
式中、Ａは電子供与性基または単結合を示す。電子供与性基としては、上記一般式（Ａ）でＹとして示したものと同様の群から選ばれた２価の電子供与性基が挙げられる。
Ｒ^１６およびＲ^１７は水素原子、アルキル基およびアリール基からなる群より選ばれる原子または基を示す。Ｒ^１６およびＲ^１７が示す、アルキル基およびアリール基としては、上記一般式（Ａ）中のＲ^１〜Ｒ^８が示すアルキル基およびアリール基と同様のものが挙げられる。
【００４０】
Ｒ^１８〜Ｒ^２６は互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子およびアルキル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^１８〜Ｒ^２６が示すアルキル基としては、上記一般式（Ａ）中のＲ^１〜Ｒ^８が示すアルキル基と同様のものが挙げられる。
ｑは０または１を示す。
【００４１】
上記一般式（Ｂ−１）で表されるモノマーとしては、下記式で表される化合物が挙げられる。
【００４２】
【化１０】

【００４３】
より具体的には、一般式（Ｂ−１）で表される化合物としては、下記式で表される化合物が挙げられる。
【００４４】
【化１１】

【００４５】
【化１２】

【００４６】
また、上記のような化合物において、塩素原子を臭素原子またはヨウ素原子に置き換えた化合物も例示することができる。
【００４７】
【化１３】

【００４８】
式（Ｂ−２）〜（Ｂ−４）中、ＲおよびＲ’は互いに同一でも異なっていてもよく、上記一般式（Ａ）中のＲおよびＲ’と同様の基を示す。
Ｒ^２７〜Ｒ^３４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、アリール基または下記一般式（Ｄ）で表される基を示す。
【００４９】
【化１４】

【００５０】
式（Ｄ）中、Ｒ^３５〜Ｒ^４３は互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、フッ素置換アルキル基を示す。
Ｒ^２７〜Ｒ^３４、Ｒ^３５〜Ｒ^４３が示すアルキル基、フッ素置換アルキル基としては、Ｒ^１〜Ｒ^８が示すアルキル基、フッ素置換アルキル基と同様の基が挙げられる。またＲ^２７〜Ｒ^３４が示すアリール基としては、Ｒ^１〜Ｒ^８が示すアリール基と同様の基が挙げられる。
【００５１】
Ｘは上記一般式（Ａ）でＸとして示したものと同様の群から選ばれた２価の電子吸引性基を示す。
Ｙは上記一般式（Ａ）でＹとして示したものと同様の群から選ばれた２価の電子供与性基を示す。
上記一般式（Ｂ−２）で表されるモノマーとして具体的には、例えばｐ−ジクロロベンゼン、ｐ−ジメチルスルフォニロキシベンゼン、２，５−ジクロロトルエン、２，５−ジメチルスルフォニロキシベンゼン、２，５−ジクロロ−ｐ−キシレン、２，５−ジクロロベンゾトリフルオライド、１，４−ジクロロ−２，３，５，６−テトラフルオロベンゼン、およびこれらの化合物において塩素原子を臭素原子またはヨウ素原子に置き換えた化合物などが挙げられる。
【００５２】
上記一般式（Ｂ−３）で表されるモノマーとして具体的には、例えば４，４’−ジメチルスルフォニロキシビフェニル、４，４’−ジメチルスルフォニロキシ−３，３’−ジプロペニルビフェニル、４，４’−ジブロモビフェニル、４，４’−ジヨードビフェニル、４，４’−ジメチルスルフォニロキシ−３，３’−ジメチルビフェニル、４，４’−ジメチルスルフォニロキシ−３，３’−ジフルオロビフェニル、４，４’−ジメチルスルフォニロキシ−３，３’５，５’−テトラフルオロビフェニル、４，４’−ジブロモオクタフルオロビフェニル、４，４’−ジメチルスルフォニロキシオクタフルオロビフェニルなどが挙げられる。
【００５３】
上記一般式（Ｂ−４）で表されるモノマーとして具体的には、例えばｍ−ジクロロベンゼン、ｍ−ジメチルスルフォニロキシベンゼン、２，４−ジクロロトルエン、３，５−ジクロロトルエン、２，６−ジクロロトルエン、３，５−ジメチルスルフォニロキシトルエン、２，６−ジメチルスルフォニロキシトルエン、２，４−ジクロロベンゾトリフルオライド、３，５−ジクロロベンゾトリフルオライド、１，３−ジブロモ−２，４，５，６−テトラフルオロベンゼン、およびこれらの化合物において塩素原子を臭素原子またはヨウ素原子に置き換えた化合物などが挙げられる。
【００５４】
ポリアリーレンは上記モノマーを触媒の存在下に反応させることにより得られるが、ここで使用される触媒は、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）、ならびに▲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。
【００５５】
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。
【００５６】
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、あるいは２種以上を併用することができる。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
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。
【００６１】
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。
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。
【００６２】
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、γ−ブチロラクタムなどが挙げられる。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。
【００６３】
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。
また、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。
【００６４】
このようにして上記一般式（Ａ）で表されるモノマー（Ａ）と、上記一般式（Ｂ−１）〜（Ｂ−４）で表されるモノマーから選ばれる少なくとも１種のモノマー（Ｂ）を重合させることにより、ポリアリーレンを含む重合溶液が得られる。
次に、本発明のプロトン伝導膜に用いられる、スルホン化ポリアリーレンは、スルホン酸基を有しない上記ポリアリーレンに、スルホン化剤を用い、常法によりスルホン酸基導入することにより得ることができる。
【００６５】
スルホン酸基を導入する方法としては、例えば、上記スルホン酸基を有しないポリアリーレンを、無水硫酸、発煙硫酸、クロルスルホン酸、硫酸、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ができる〔Ｐｏｌｙｍｅｒ　Ｐｒｅｐｒｉｎｔｓ，　Ｊａｐａｎ，Ｖｏｌ．４２，Ｎｏ．３，ｐ．７３０（１９９３）；Ｐｏｌｙｍｅｒ　Ｐｒｅｐｒｉｎｔｓ，　Ｊａｐａｎ，Ｖｏｌ．４２，Ｎｏ．３，ｐ．７３６（１９９４）；Ｐｏｌｙｍｅｒ　Ｐｒｅｐｒｉｎｔｓ，　Ｊａｐａｎ，Ｖｏｌ．４２，Ｎｏ．７，ｐｐ．２４９０〜２４９２（１９９３）〕。
【００６６】
すなわち、このスルホン化の反応条件としては、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、あるいは溶剤存在下で、上記スルホン化剤と反応させる。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のような非プロトン系極性溶剤のほか、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。
【００６７】
このようにスルホン化して得られる、スルホン化ポリアリーレン中のスルホン酸基量は、０．５〜３ミリグラム当量／ｇ、好ましくは０．８〜２．８ミリグラム当量／ｇである。０．５ミリグラム当量／ｇ未満では、プロトン伝導性が上がらないことがあり、一方３ミリグラム当量／ｇを超えると、親水性が向上し、水溶性ポリマーとなってしまうか、また水溶性に至らずとも耐久性が低下することがある。
【００６８】
上記のスルホン酸基量は、モノマー（Ａ）とモノマー（Ｂ）の使用割合、さらにモノマー（Ｂ）の種類、組合せを変えることにより、容易に調整することができる。
また、このようにして得られるスルホン化ポリアリーレンのスルホン化前の前駆体のポリマーの分子量は、ポリスチレン換算重量平均分子量で、１万〜１００万、好ましくは２万〜８０万である。
【００６９】
（組成物）
本発明に係るプロトン伝導性樹脂組成物は、上述したようなシリカと、プロトン伝導能を有するスルホン化ポリアリーレンからなる。
本発明に係るプロトン伝導性樹脂組成物において、シリカはスルホン化ポリアリーレン１００重量部に対して０．５〜５０重量部、好ましくは１〜４０重量部、より好ましくは３〜３０重量部の割合で含有することが望ましい。
【００７０】
シリカの含有割合が０．５重量部未満または５０重量部を超えるとプロトン伝導度の向上は見られない。また、０．５重量部未満では、プロトン伝導度を上げる保水性を向上させる量には達しない。５０重量部を超えると保水性は十分ではあるものの、シリカ自身の非プロトン伝導性のために添加量の増大に伴い、プロトン伝導度は低下する。
【００７１】
本発明に係るプロトン伝導性樹脂組成物からなる成形体は、例えば上述したような１次凝集体の平均粒径が５０ｎｍ以下の粉末状シリカと、スルホン化ポリアリーレンとを従来公知の方法、例えばホモジナイザー、ディスパーサー、ペイントコンディショナー、ボールミルなどの高シェアのかかる混合機を用いて混合することにより製造することができる。この際には、溶剤を用いてもよい。
【００７２】
（プロトン伝導膜）
本発明に係るプロトン伝導膜は上記プロトン伝導性樹脂組成物からなる。
なお本発明に係るプロトン伝導膜には、上記粉末状シリカ、スルホン化ポリアリーレン以外に、硫酸、リン酸などの無機酸、カルボン酸を含む有機酸、適量の水などが含まれていてもよい。
【００７３】
本発明のプロトン伝導膜を製造するには、例えば上記プロトン伝導性樹脂組成物を溶剤に溶解したのち、キャスティングによりフィルム状に成形するキャスティング法や、溶融成形法などが挙げられる。
ここで、キャスティング法における溶剤としては、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、ジメチルスルホキシドなどの非プロトン系極性溶剤などが挙げられる。これらの溶剤にはさらにメタノールなどのアルコール系溶剤が混合されていてもよい。
【００７４】
本発明の伝導膜は、例えば一次電池用電解質、二次電池用電解質、燃料電池用高分子固体電解質、表示素子、各種センサー、信号伝達媒体、固体コンデンサー、イオン交換膜などに利用可能なプロトン伝導性の伝導膜に利用可能である。
本発明に係るプロトン伝導膜は、その膜厚が、通常１０〜１００μｍ、好ましくは２０〜８０μｍである。
【００７５】
【実施例】
以下に実施例を挙げ、本発明を具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
下記実施例および比較例ではスルホン化ポリアリーレンとして、
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：両末端クロロベンゾイル化〔４，４’−ジクロロベンゾフェノン・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〕縮合物（Ｍｎ＝１１，２００、Ｍｗ＝２７，５００）＝９７：３（ｍｏｌ比）の組成比の共重合体（Ｍｎ＝５０，０００、Ｍｗ＝１５０，０００）のスルホン化物（スルホン酸濃度（ＩＥＣ）＝２．１０ｍｅｑ／ｇ）を用いた。
【００７６】
［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（直径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。８５℃、相対湿度４０％、５０％、７０％、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。
【００７７】
抵抗測定装置として（株）ＮＦ回路設計ブロック社製ケミカルインピーダンス測定システムを、恒温恒湿器には（株）ヤマト化学社製のＪＷ２４１を使用した。白金線は５ｍｍ間隔に５本押し当てて極間距離を５〜２０ｍｍに変化させ交流抵抗を測定した。
極間距離と抵抗の勾配から下記式に従って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た。
【００７８】
比抵抗Ｒ［Ω・ｃｍ］＝０．５［ｃｍ］×膜厚［ｃｍ］×抵抗極間勾配［Ω／ｃｍ］
【００７９】
【実施例１】
上記スルホン化ポリアリーレン　６０ｇを、１０００ｍｌポリ瓶に取り、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）３４０ｇを加え溶解させた。これにフュームドシリカ（日本エアロジル社製、商品名；アエロジルＲ９７２、１次粒径約１６ｎｍ）６ｇ（１０重量％複合化量）を加え、アルミナボール９００ｇ入れペイントコンディショナーで２０分混合し、均一分散させた。この溶液を２００メッシュの金網でろ過しアルミナボール取り除き、フュームドシリカ複合ポリマー溶液を得た。
【００８０】
この溶液をドクターブレードを用いて、ペットフィルム上にコーター塗布した。これを８０℃で３０分加熱し予備乾燥し膜を作製し、ペットフィルムより膜を剥がし取り、フィルムの外枠を固定しさらに１５０℃で１時間乾燥し、厚さ４０μｍのフュームドシリカ複合プロトン伝導性スルホン化ポリマーの膜を作製した。
【００８１】
作製した複合膜のプロトン伝導度を測定し、結果を表１にまとめた。
【００８２】
【実施例２】
ヒュームドシリカの使用量を３ｇとしたこと以外は実施例１と同様にフュームドシリカ複合ポリマー溶液を調製し、フィルムを作製して、プロトン伝導度の評価を行った。結果を表１にまとめた。
【００８３】
【比較例】
上記スルホン化ポリアリーレン　６．０ｇを１００ｍｌポリ瓶に取り、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）３４ｇを加え溶解しポリマー溶液を得た。
このポリマー溶液から実施例１と同様にプロトン伝導性ポリマーの膜を作製し、プロトン伝導度を測定し、結果を表１にまとめた。
【００８４】
【表１】

【００８５】
上記実施例および比較例の対比からフュームドシリカの複合化によってプロトン伝導度が向上したことが判る。
【００８６】
【発明の効果】
本発明によると、酸濃度を上げることなく、プロトン伝導度の高いプロトン伝導性樹脂組成物、例えばプロトン伝導膜が得られる。また、本発明に係るプロトン伝導膜は、水に対する耐性に優れ、靭性に優れる。

Claims

シリカと、プロトン伝導能を有するスルホン化ポリアリーレンとからなることを特徴とするプロトン伝導性樹脂組成物。
上記シリカを上記スルホン化ポリアリーレン１００重量部に対して０．５〜５０重量部の割合で含有することを特徴とする請求項１に記載のプロトン伝導性樹脂組成物。
１次凝集体の平均粒径が５０ｎｍ以下である粉末状シリカと、スルホン化ポリアリーレンとを混合することを特徴とするプロトン伝導性樹脂組成物の製造方法。
請求項１または２に記載のプロトン伝導性樹脂組成物からなることを特徴とするプロトン伝導膜。