EP0852071A2 - Functionalized copoly(m-phenylene)-based solid polymer electrolytes - Google Patents

Functionalized copoly(m-phenylene)-based solid polymer electrolytes

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EP0852071A2
EP0852071A2 EP96943846A EP96943846A EP0852071A2 EP 0852071 A2 EP0852071 A2 EP 0852071A2 EP 96943846 A EP96943846 A EP 96943846A EP 96943846 A EP96943846 A EP 96943846A EP 0852071 A2 EP0852071 A2 EP 0852071A2
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EP
European Patent Office
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phenylene
copoly
electrolyte according
polymer
acid
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP96943846A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Rolf Mülhaupt
Torsten Zerfass
Holger Frey
Konstantin Ledjeff-Hey
Roland Nolte
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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Publication of EP0852071A2 publication Critical patent/EP0852071A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08JWORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J5/00Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
    • C08J5/20Manufacture of shaped structures of ion-exchange resins
    • C08J5/22Films, membranes or diaphragms
    • C08J5/2206Films, membranes or diaphragms based on organic and/or inorganic macromolecular compounds
    • C08J5/2218Synthetic macromolecular compounds
    • C08J5/2256Synthetic macromolecular compounds based on macromolecular compounds obtained by reactions other than those involving carbon-to-carbon bonds, e.g. obtained by polycondensation
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08GMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G61/00Macromolecular compounds obtained by reactions forming a carbon-to-carbon link in the main chain of the macromolecule
    • C08G61/02Macromolecular compounds containing only carbon atoms in the main chain of the macromolecule, e.g. polyxylylenes
    • C08G61/10Macromolecular compounds containing only carbon atoms in the main chain of the macromolecule, e.g. polyxylylenes only aromatic carbon atoms, e.g. polyphenylenes
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    • H01M8/102Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer
    • H01M8/1023Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer having only carbon, e.g. polyarylenes, polystyrenes or polybutadiene-styrenes
    • HELECTRICITY
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    • H01M8/1018Polymeric electrolyte materials
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    • C08JWORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
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    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates to a polymeric solid electrolyte with a hydrophobic backbone which is at least partially functionalized by ionic groups.
  • Solid polymer electrolytes are ion-exchange membranes, which consist of polymers with ionic groups. They have high ionic conductivity and, in contrast to liquid systems, mechanical stability. They come in various applications, such as. B. ion exchangers, (water) electrolyzers, batteries or fuel cells are used.
  • the invention relates to polymer electrolytes which are used primarily for use in fuel cells and electrolysers.
  • perfluorosulfonated membranes such as Nafion (trademark of DuPont) has been state of the art for many years. Unfortunately, these materials are only available with defined parameters (thickness, ion exchange capacity) and are not thermoplastic or processable from solutions. Furthermore, the high manufacturing costs have a negative impact.
  • Membranes based on other fluoropolymers are described, for example, in US 4,469,579, US 4,940,525 and WO 94/03503. Furthermore, sulfonated poly (phenylene ethers) can be found in US 3,259,592, US 3,484,293 or US 3,528,858. In addition, membrane materials are based on aromatic Polyether ketones are known from EP 0 575 807 AI or EP 0 574 791 A2. Polymer electrolytes based on sulfonated poly (p-phenylene) s are described in WO 94/24717.
  • the sulfonated polymers with poly (p-phenylene) backbone described by WO 94/24717 must have solubilizing side chains because of their rigid structure and their high degree of crystallinity so that they can be processed.
  • the properties of the polymer solid electrolytes known hitherto result in particular from the special chemical constitution of the polymer molecules.
  • they In addition to a non-polar backbone, they have functional groups that can be dissociated ionically.
  • the charges generated in the presence of water and the hydrophobic backbone lead to phase separation in ion-rich and ion-depleted areas.
  • Proton-conductive channels filled with water are formed.
  • the aggregated ions act as physical crosslinking points for the polymer molecules. To this This creates a macroscopically elastic, thermally reversible, physical network.
  • US 3,376,235 describes a linear, sulfonated poly (p-phenylene) with 1 to 2 sulfonic acid groups per 10 phenylene rings.
  • Unsubstituted poly (p-phenylene) (PPP) is highly crystalline, infusible and extremely insoluble due to the rigid structure ("rigid rod”). It is chemically and thermally very stable, but can hardly be processed due to the properties mentioned.
  • the sulfonation according to US 3,376,235 consequently requires very drastic conditions (oleum, 1 to 50 hours reaction time at 25 to 200 ° C.). Dark brown, still insoluble sulfonated materials are obtained as products. Due to the insolubility, however, no membranes can be made from it.
  • the invention has for its object to develop polymeric solid electrolytes with a preferably hydrophobic backbone, which is at least partially functionalized by ionic groups, in such a way that no side chains or groups to be provided for further processing are required for the production.
  • the materials should also not be produced on the basis of the rigid-rod concept described in WO 94/24717.
  • the thermal and chemical stability properties of the polymers are to be improved.
  • the polymer to be developed should be particularly suitable for use as an electrolyte membrane in electrolysis devices or in fuel cells.
  • a polymeric solid electrolyte with a preferably hydrophobic backbone, which is at least partially functionalized by ionic groups, is developed in such a way that the backbone of the polymer has a copoly (m-phenylene) which contains at least 20 mol% m-phenylene Contains units and is of the following structure:
  • Rl to R8 are hydrogen, aryl, oxyaryl, thioaryl,
  • the invention is based on the surprising finding that, by incorporating m-phenylene units in PPP, a soluble and fusible poly (m-phenylene-co-p-phenylene) is obtained despite the absence of solubilizing side chains.
  • substitution with side chains is advantageously not absolutely necessary for processability in the new materials. Even without ring substitution, sulfonation and electrolyte production are possible in copolymers with predominantly m-linking of the repeating units.
  • the invention allows for the first time the synthesis of polymer electrolytes whose polymer molecules only have the ionic groups. The advantage of such systems over systems with longer side groups has already been found in WO 94/03503 for fluorinated materials.
  • the polymeric solid electrolytes of this invention consist of copoly (m-phenylene) s of structure (1) with at least 20 mol% m-phenylene units.
  • a degree of functionalization with ionically dissociable groups should preferably be greater than 0 and less than 1. This degree of functionalization is to be understood as the average number of ionic groups per repeating unit.
  • the ionic groups can be randomly distributed over the polymer or preferably bound to certain repeating units.
  • the copoly (m-phenylene) s can be random, alternating, segmented or of another order.
  • Statistically structured copoly (m-phenylene) s are advantageously suitable for use as polymer electrolytes. Furthermore, a method is described with which it is possible for the first time to synthesize such structured Colpoly (m-phenylene) s in a statistical arrangement.
  • the substituents Rl to R8 can be hydrogen, aryl, oxyaryl, thioaryl, sulfonaryl, carbonylaryl, Oxyaryloxyaryl, hydroxyl or ionically dissociable groups.
  • Preferred ionically dissociable groups are in particular sulfonyl (-S03H), carboxyl (-C00H) or phosphoryl (-PO (OH) 2).
  • the substituent pairs R2 / R3 or R3 / R4 and / or R5 / R6 or R7 / R8 can also be fused arylene rings.
  • the polymer electrolytes according to the invention basically have a copoly (m-phenylene) backbone with a hydrophobicity similar to that of the poly (tetrafluoroethylene) backbone from Nafion.
  • the polymeric solid electrolytes according to the invention have a thermally and chemically extremely resistant, highly hydrophobic backbone made of copoly (m-phenylene) s, which is functionalized by ionic groups. In addition to a high proton conductivity, they show very favorable swelling behavior, which is reflected in good mechanical stability even at about 100 ° C. In addition, the materials can be processed from solutions in dipolar aprotic solvents and are therefore accessible in any layer thickness. The abundance of Known from the literature, and in some cases very well studied phenyl coupling reactions, the copoly (m-phenylene) s could also be made available from inexpensive starting materials.
  • the invention also includes a method of manufacturing membranes from functionalized copoly (m-phenylene) s.
  • copoly (m-phenylene) s can be synthesized in two ways.
  • a copolymer (m-phenylene) without ionic groups can be provided with such groups. This is preferably done by sulfonation.
  • the ionic groups can already be present in the monomers during the polymerization.
  • the copoly (m-phenylene) s can be synthesized by a regioselective or at least predominantly regioselective coupling of bifunctional aromatics according to one of the following principles:
  • aromatics with more electronegative substituents X and Y are polymerized in the presence of a reducing agent.
  • Tetrakis (triphenylphosphine-palladium-O) is preferably used as the catalyst in concentrations of 0.1 to 0.6 mol%, but in particular in concentrations between 0.2 and 0.5 mol%, based on the boronic acid groups.
  • the reaction takes place in a boiling mixture between 1 and 12 hours.
  • the unsubstituted copoly (m-phenylene) s precipitate during the reaction because of their insolubility.
  • the formation of copolymers could be shown spectroscopically (IR and - 3 C solid-state NMR) and with the help of DSC.
  • coply (m-phenylene) that can be synthesized from 65% 3-bromophenylboronic acid and 35% 4-bromophenylboronic acid. Surprisingly, it is soluble in nonpolar solvents such as paraffins at about 180 ° C. and has a melting point of 210 ° C. In this way, an unsubstituted, meltable and soluble polyphenylene can be obtained for the first time.
  • ionically dissociable groups are not already present in the monomers, they can be introduced into the copoly (m-phenylene) s, preferably by sulfonation.
  • the polymer backbone or side groups are sulfonated.
  • Various sulfonation methods are known, such as the reaction with concentrated Sulfuric acid, oleum, a mixture of sulfuric acid and thionyl chloride, sulfur trioxide or treatment with chlorosulfonic acid.
  • the sulfonation conditions suitable for the respective copoly (m-phenylene) can be determined by series of tests with increasingly tougher conditions.
  • a process for producing a polymeric solid electrolyte is specified in such a way that the polymer is a copoly (m-phenylene) with the structure (I) mentioned above, which is sulfonated with the addition of a sulfonating agent. After the sulfonation has ended, the sulfonated copoly (m-phenylene) is dissolved in an organic solvent. The solution is then applied to a support on which the solvent is evaporated. With the addition of water, the film remaining on the support is then detached and swollen.
  • the copoly (m-phenylene) s of the above structure can preferably be sulfonated very quickly with the aid of chlorosulfonic acid in chloroform.
  • the ethanol present in chloroform as a stabilizer is first treated with an excess Chlorosulfonic acid reacted and the chloroform was distilled off.
  • chloroform obtained in the distillation, air-smoking and saturated with hydrogen chloride is used without further pretreatment.
  • the copoly (m-phenylene) is suspended in this chloroform and treated with vigorous stirring with a solution of chlorosulfonic acid in the same solvent. Reaction times in the range of seconds result.
  • aromatic rings of the polymer backbone (Ar) are sulfonated by chlorosulfonic acid (equation (1).
  • the aryl-substituted chlorosulfonic acid should in turn have a sulfonating effect and be able to react with another aromatic ring to form a SO 2 bridge (equation (3)).
  • Fig. 1 a, b, c FT-IR spectra of various copoly (m-phenylene) e, made from 65% 3-bromophenylboronic acid and 35% 4-bromophenylboronic acid
  • FIG. 1 shows the FT-IR spectra of the non-sulfonated copoly (m-phenylene) s (see FIG. 1 a), which can be produced with the aid of measure 1b described below.
  • Fig. Lb shows that sulfonated with measure 2 Copoly (m-phenylene) s and Figure lc the copoly (m-phenylene) s, which were extremely strongly sulfonated overnight with pure chlorosulfonic acid, depending on the wave number in the range from 2000 cm-1 to 600 cm-1 (KBr compacts).
  • the spectrum shows the sulfonation of the copoly (m-phenylene) s according to equation (1).
  • the spectrum (see FIG. 1c) of the strongly sulfonated sample shows two strong bands at 1302.4 cm -1 and 1167.8 cm- 1 . They correspond to the symmetrical and the asymmetrical vibration of the crosslinking SO 2 groups that have arisen according to equation (3).
  • the degree of sulfonation can be calculated from elementary analyzes (C, H, S determination).
  • the electrolyte membrane is produced according to the invention by dissolving the copoly (m-phenylene) functionalized by ionic groups in an organic solvent, preferably a dipolar aprotic solvent, applying it to a glass support and slowly evaporating the solvent. The resulting film is then detached from the base in water, wherein a swollen membrane is created,
  • Solid electrolyte membrane the following measures should preferably be taken:
  • the solution is stirred at room temperature for about 8 hours and 200 ml of 1N hydrochloric acid are added.
  • the initially cloudy becomes clear with vigorous stirring organic phase and a viscous aqueous and a clear organic phase protruding.
  • the organic phase can then be easily decanted. By rinsing with ether and decanting, residues of the product can be removed from the flask.
  • the combined organic phases are extracted with a total of 500 ml of 2N sodium hydroxide solution in portions of 200, 100, 100, 100 ml.
  • the boronic acid passes into the sodium hydroxide solution as boronate.
  • the sodium hydroxide solution is again washed with 150 ml of diethyl ether.
  • the solution is then to be cooled to 0 ° C., while 6N hydrochloric acid is added while cooling until a pH of 2 has been established.
  • the boronic acid precipitates in crystalline form and can be suctioned off after it has been left to stand. After drying in vacuo, 20 g (78% of theory) of crude product are obtained.
  • the boronic acids Before being used for the polymerization, the boronic acids must be purified by recrystallization. They are dissolved in as little diethyl ether as possible and precipitated by adding pentane and cooling to -78 ° C. After drying in vacuo, 14.5 g (57%) of pure 3-bromophenyl boronic acid or 15 g (59%) of pure 4-bromophenyl boronic acid remain.
  • the reaction mixture is poured into about 11 methanol after cooling and acidified with 6N hydrochloric acid while stirring. If the evolution of carbon dioxide does not begin immediately, water is added in portions of 50 ml until a brisk reaction begins. After the evolution of gas has subsided, the mixture is cooled to 0 ° C. for about 24 hours. The polymer collects on the bottom and is finally sucked off. The unsubstituted copoly (m-phenylene) s are insoluble in normal organic solvents. The cleaning can therefore only be done by washing. To do this, the polymer is mixed with large amounts of water and ethanol washed. Ethanol also serves as a mediator since the polymer is not wetted by water at all. Finally, it is dried in a vacuum at 70 ° C. for 12 hours. The yields are typically 90%.
  • copolymers with the aid of FT-IR spectroscopy (KBr compacts) and l 3 C-solid state NMR spectroscopy are shown.
  • the FT-IR spectra of various poly (m-phenylene-co-p-phenylene) s are shown in the range from 2000 cm -1 to 600 cm * 1 in FIG. 2, exemplary 13 C.
  • Solid-state NMR spectra are shown in Fig. 3. The spectra show, depending on the monomer ratio used, continuous changes and document the presence of copolymers.
  • chloroform 100 ml of chloroform are mixed with 5 ml of chlorosulfonic acid and the chloroform is then distilled off via a small Vigreux column.
  • the chloroform which is saturated with hydrogen chloride and fumes in the air, is used for sulfonation.
  • the yield is 320 mg of hygroscopic, sulfonated material which is soluble in dipolar aprotic solvents such as N, N-dimethylformamide or dimethyl sulfoxide with heating. It is light yellow.
  • the degree of sulfonation is calculated from the elementary analysis (C, H, S). This is the sum formula for the sulfonated material
  • FT-IR spectroscopy provides information on S0 3 groups and H 2 0.
  • x is the degree of sulfonation, ie the average number of sulfonic acid groups per repeating unit.
  • the carbon content x c (percentage by weight) provided by the elementary analysis is calculated as:
  • the elementary analysis also provides the hydrogen content X H (weight fraction). This is used to check the calculated values x and y. The hydrogen content is calculated from x and y and with the actually measured value was compared. It applies to XH:
  • a sample of a copoly (m-phenylene) according to Example 2b) which has been sulfonated with a reaction time of 30 seconds (degree of sulfonation 26.45%) is to be stirred for about 7 days with an excess of 0.1N sodium hydroxide solution. It is then filtered off and washed until neutral with distilled water, then with methanol and diethyl ether and then dried in vacuo. The material loses its light yellow color and changes to a gray powder. Based on the empirical formula C 6 H 4 . X (S0 3 Na) x * y H 2 0
  • An electrolyte membrane produced according to measure 4 is first equilibrated in IN sulfuric acid for 24 hours. The measurement is carried out in 1 N sulfuric acid in an apparatus consisting of two half cells with platinum electrodes separated by the membrane. Measurements are made with an alternating current with a frequency of 1 kHz. First the resistance is measured several times without a membrane and then several times with a membrane and the two mean values are formed. The installation resistance RMembrane of the membrane is then calculated by forming the difference Rmit - Rohne.
  • the resistance of the membrane is calculated
  • a comparison measurement with Nafion 117 provides a specific resistance of 8.5 ⁇ cm.
  • a piece of a membrane produced according to measure 4 is dried in a vacuum drying oven at 110 ° C. and 300 hPa for 30 minutes. The mass is 33.3 mg.
  • the membrane is then swollen in water for 30 minutes at room temperature.
  • the membrane is briefly freed of adhering water after removal from the water bath with a filter paper and quickly weighed. It then swells at 80 ° C for 20 minutes and then at 90 ° C for 30 minutes. Finally, it is dried again at 110 ° C and 300 hPa for 30 min. Then the mass is again 33.3 mg.
  • the specific values can be found in the following table. The water absorption is calculated in% of the dry weight. Temperature mass water absorption water absorption water absorption

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Abstract

The invention concerns a solid polymer electrolyte with a hydrophobic backbone which is at least partially functionalized by ionic groups. The invention also concerns a process for preparing th epolymer according to the invention and a preferred use thereof. The invention is characterized in that the polymer backbone comprises a copoly(m-phenylene) which contains at least 20 mol.% m-phenylene units and has structure (a), in which R1 to R8 are hydrogen, aryl, oxyaryl, thioaryl, sulphonaryl, carbonylaryl, oxyaryloxyaryl, hydroxyl or ionically dissociable groups.

Description

Polymere Festkörperelektrolyte auf Basis funktionalisierter Copoly(m-phenylen)e Solid polymer electrolytes based on functionalized copoly (m-phenylene) e
B e s c h r e i b u n gDescription
Technisches GebietTechnical field
Die Erfindung bezieht sich auf einen polymeren Fest¬ körperelektrolyt mit einem hydrophoben Rückrat, das zumindest teilweise durch ionische Gruppen funktionalisiert ist.The invention relates to a polymeric solid electrolyte with a hydrophobic backbone which is at least partially functionalized by ionic groups.
Stand der TechnikState of the art
Polymere Festkörperelektrolyte (Pσlymerelektrolyte) sind ionenaustauschende Membranen, die aus Polymeren mit ionischen Gruppen bestehen. Sie besitzen hohe Ionenleitfähigkeit und im Gegensatz zu flüssigen Sys¬ temen mechanische Stabilität. Sie kommen in ver¬ schiedenen Anwendungen, wie z. B. Ionenaustauschern, (Wasser-)elektrolyseuren, Batterien oder Brennstoffzel¬ len zum Einsatz. Die Erfindung betrifft Polymerelektro- lyte, die vorwiegend zum Einsatz in Brennstoffzellen und Elektrolyseuren dienen.Solid polymer electrolytes (polymer electrolytes) are ion-exchange membranes, which consist of polymers with ionic groups. They have high ionic conductivity and, in contrast to liquid systems, mechanical stability. They come in various applications, such as. B. ion exchangers, (water) electrolyzers, batteries or fuel cells are used. The invention relates to polymer electrolytes which are used primarily for use in fuel cells and electrolysers.
Nachteile flüssiger Elektrolyte, wie bspw. ihre Korro- sivität, die Notwendigkeit von Umwälzungseinrichtungen und bei der Anwendung in Brennstoffzellen die Diffusion von Brenngas und Sauerstoff durch den Elektrolyten, was zu einem verringerten Wirkungsgrad der Brennstoffzelle führt, entfallen bei Polymerelektrolyten. Aus diesen Gründen ermöglichen Polymerelektrolyte eine verein¬ fachte, kompakte Konstruktion der Zellen, die zudem eine höhere Lebensdauer besitzen. Polymerelektrolyte für den Einsatz in Brennstoffzellen und Elektrolyseuren müssen die folgenden Eigenschaften aufweisen:Disadvantages of liquid electrolytes, such as, for example, their corrosion, the need for circulation devices and, when used in fuel cells, the diffusion of fuel gas and oxygen through the electrolyte, which leads to a reduced efficiency of the fuel cell, are eliminated in the case of polymer electrolytes. From these For this reason, polymer electrolytes enable a simplified, compact construction of the cells, which also have a longer service life. Polymer electrolytes for use in fuel cells and electrolyzers must have the following properties:
1) hohe Protonenleitfähigkeit1) high proton conductivity
2) keine Elektronenleitfähigkeit2) no electron conductivity
3) mechanische Stabilität3) mechanical stability
4) chemische und elektrochemische Langzeitstabilität4) Long-term chemical and electrochemical stability
5) gute thermische Stabilität in wäßrigen Medien (geringe Quellung auch im Bereich des Siedepunktes von Wasser)5) good thermal stability in aqueous media (low swelling even in the boiling point of water)
6) geringe Gasdurchlässigkeit.6) low gas permeability.
Der Gebrauch perfluorsulfonierter Membranen, wie Nafion (Warenzeichen der Firma DuPont) ist seit vielen Jahren Stand der Technik. Ungünstigerweise stehen diese Materialien nur mit fest definierten Kenngrößen (Dicke, Ionenaustauschkapazität) zur Verfügung und sind nicht thermoplastisch oder aus Lösungen verarbeitbar. Ferner fallen die hohen Herstellungskosten negativ ins Gewicht.The use of perfluorosulfonated membranes such as Nafion (trademark of DuPont) has been state of the art for many years. Unfortunately, these materials are only available with defined parameters (thickness, ion exchange capacity) and are not thermoplastic or processable from solutions. Furthermore, the high manufacturing costs have a negative impact.
Daher sind bereits andere Materialien als Alternativen zu Nafion untersucht worden. Eine Übersicht hierzu findet sich in einem Artikel von A.E. Steck, "Proceedings of the first international Symposium on new materials for fuel cell Systems, 1995, Savadogo, Roberge, Veziroglu, Montreal, Canada.Therefore, other materials have already been investigated as alternatives to Nafion. An overview of this can be found in an article by A.E. Steck, "Proceedings of the first international symposium on new materials for fuel cell systems, 1995, Savadogo, Roberge, Veziroglu, Montreal, Canada.
Membranen auf Basis anderer Fluorpolymere sind z.B. in der US 4,469,579, US 4,940,525 und der WO 94/03503 beschrieben. Ferner gehen sulfonierte Poly(phenylenether) aus der US 3,259,592, US 3,484,293 oder der US 3,528,858 hervor. Überdies sind Membranmaterialien auf Basis aromatischer Polyetherketone aus der EP 0 575 807 AI oder EP 0 574 791 A2 bekannt. Polymerelektrolyte auf Basis sulfonier- ter Poly(p-phenylen)e werden in der WO 94/24717 beschrieben.Membranes based on other fluoropolymers are described, for example, in US 4,469,579, US 4,940,525 and WO 94/03503. Furthermore, sulfonated poly (phenylene ethers) can be found in US 3,259,592, US 3,484,293 or US 3,528,858. In addition, membrane materials are based on aromatic Polyether ketones are known from EP 0 575 807 AI or EP 0 574 791 A2. Polymer electrolytes based on sulfonated poly (p-phenylene) s are described in WO 94/24717.
Diese bekannten Materialien zeigen jedoch zumeist unzu¬ reichende Ionenleitfähigkeit, thermische oder Langzeit¬ stabilität oder bedürfen eines komplexen Herstellungs¬ prozesses.However, these known materials mostly show insufficient ion conductivity, thermal or long-term stability or require a complex manufacturing process.
Die durch die WO 94/24717 beschriebenen, sulfonierten Polymere mit Poly(p-phenylen)-Rückgrat müssen aufgrund ihrer rigiden Struktur und ihres hohen Kristallinitäts- grads, solubilisierende Seitenketten aufweisen, damit sie verarbeitet werden können.The sulfonated polymers with poly (p-phenylene) backbone described by WO 94/24717 must have solubilizing side chains because of their rigid structure and their high degree of crystallinity so that they can be processed.
Dies macht jedoch aufwendige Reaktionsschritte zur Einführung dieser Seitenketten in die Ausgangs-Monomere erforderlich. Ferner sind die Seitenketten bei der Sulfonierung teilweise nicht stabil und müssen extra ge¬ schützt werden. Darüberhinaus verringern sie die chemische und thermische Stabilität der Produktmaterialien.However, this requires complex reaction steps to introduce these side chains into the starting monomers. Furthermore, the side chains are sometimes not stable during sulfonation and must be specially protected. They also reduce the chemical and thermal stability of the product materials.
Die Eigenschaften der bislang bekannten polymeren Festkörperelektrolyte resultieren insbesondere aus der speziellen chemischen Konstitution der Polymermoleküle. Neben einem möglichst unpolaren Rückgrat besitzen sie ionisch dissoziierbare funktionelle Gruppen. Die in Gegenwart von Wasser erzeugten Ladungen und das hydrophobe Rückgrat führen zu Phasenseparation in ionenreiche und an Ionen verarmte Bereiche. Es entste¬ hen mit Wasser gefüllte, protonenleitfähige Kanäle. Die aggregierten Ionen wirken als physikalische Ver¬ netzungsstellen für die Polymermoleküle. Auf diese Weise entsteht ein makroskopisch elastisches, thermisch reversibles, physikalisches Netzwerk.The properties of the polymer solid electrolytes known hitherto result in particular from the special chemical constitution of the polymer molecules. In addition to a non-polar backbone, they have functional groups that can be dissociated ionically. The charges generated in the presence of water and the hydrophobic backbone lead to phase separation in ion-rich and ion-depleted areas. Proton-conductive channels filled with water are formed. The aggregated ions act as physical crosslinking points for the polymer molecules. To this This creates a macroscopically elastic, thermally reversible, physical network.
Im Falle von Nafion ist der Gegensatz zwischen der Hydrophobie des Poly(tetrafluorethylen)-Rückgrats und den polaren, ionischen Gruppen besonders ausgeprägt. Die Einsatzfähigkeit von Nafion bei hohen Temperaturen dürfte hier ihre Ursache haben. Im Gegensatz dazu weisen die Alternativmaterialien zumeist Heteroatome im Rückgrat, d. h. Polaritäten, auf, die bei hoher Te¬ mperatur durch Wasserangriff zum Abbau des Netzwerkes führen, was sich in Erweichung äußert.In the case of Nafion, the contrast between the hydrophobicity of the poly (tetrafluoroethylene) backbone and the polar, ionic groups is particularly pronounced. The usability of Nafion at high temperatures should have its cause here. In contrast, the alternative materials mostly have heteroatoms in the backbone, i. H. Polarities, which lead to degradation of the network due to water attack at high temperature, which manifests itself in softening.
Funktionalisierte Polyphenylene auf Basis von Poly(p- phenylen) sind wie bereits erwähnt in der US 3,376,235 und in der PCT WO 94/24717 beschrieben.Functionalized polyphenylenes based on poly (p-phenylene) are, as already mentioned, described in US 3,376,235 and in PCT WO 94/24717.
Die US 3,376,235 beschreibt ein lineares, sulfoniertes Poly(p-phenylen) mit 1 bis 2 Sulfonsäuregruppen pro 10 Phenylenringe. Unsubstituiertes Poly(p-phenylen) (PPP) ist aufgrund der rigiden Struktur ("rigid rod") hoch¬ kristallin, unschmelzbar und extrem unlöslich. Es ist chemisch und thermisch sehr stabil, aber aufgrund der genannten Eigenschaften kaum verarbeitbar. Die Sulfonierung gemäß US 3,376,235 erfordert folglich sehr drastische Bedingungen (Oleum, 1 bis 50 Stunden Re¬ aktionszeit bei 25 bis 200°C) . Als Produkte werden dunkelbraune, immer noch unlösliche sulfonierte Materialien erhalten. Aufgrund der Unlöslichkeit können daraus jedoch keine Membranen hergestellt werden. Au¬ ßerdem kommen Kondensationsreaktionen bei der Synthese von PPP aufgrund dem mit der Unlöslichkeit verbundenen Ausfallen des Polymers schon im Stadium von Oligomeren von 6 bis 10 Phenyleneinheiten zum Erliegen. Seit den 50er Jahren ist das gängige Konzept zur So- lubilisierung von PPP bekannt. Die Einführung von Substituenten führt wegen der damit verbundenen Störung der Kristallstruktur und verbesserten Wechselwirkung mit dem Lösungsmittel zu einer stark verbesserten Löslichkeit der substituierten Poly(p-phenylen)e. Umfangreiche Unter¬ suchungen wurden z. B. von Kern, Heitz und Rehahn angestellt (siehe hierzu die angegebenen Litertustellen 1 bis 10) .US 3,376,235 describes a linear, sulfonated poly (p-phenylene) with 1 to 2 sulfonic acid groups per 10 phenylene rings. Unsubstituted poly (p-phenylene) (PPP) is highly crystalline, infusible and extremely insoluble due to the rigid structure ("rigid rod"). It is chemically and thermally very stable, but can hardly be processed due to the properties mentioned. The sulfonation according to US 3,376,235 consequently requires very drastic conditions (oleum, 1 to 50 hours reaction time at 25 to 200 ° C.). Dark brown, still insoluble sulfonated materials are obtained as products. Due to the insolubility, however, no membranes can be made from it. In addition, condensation reactions in the synthesis of PPP come to a standstill at the oligomer stage of 6 to 10 phenylene units due to the polymer's insolubility. The common concept for the solubilization of PPP has been known since the 1950s. The introduction of substituents leads to a greatly improved solubility of the substituted poly (p-phenylene) e because of the associated disturbance of the crystal structure and improved interaction with the solvent. Extensive investigations have been carried out e.g. B. made by Kern, Heitz and Rehahn (see the specified literary positions 1 to 10).
Auf Basis von solchem mit Substituenten solubilisierten PPP sind Polymerelektrolyte in der WO 94/24717 be¬ schrieben.Polymer electrolytes based on such PPP solubilized with substituents are described in WO 94/24717.
Aus der WO 94/24717 ist bekannt, daß die Substitution des PPP-Rückgrats Voraussetzung für die weitere Ver¬ arbeitung ist.From WO 94/24717 it is known that the substitution of the PPP backbone is a prerequisite for further processing.
Nachteile dieses bekannten Konzeptes der Solubilisierung durch Seitengruppen oder-ketten sind die relativ auf¬ wendigen Monomersynthesen und die gegenüber uns¬ ubstituierten Polyphenylenen signifikant verringerte thermische Stabilität, insbesondere bei Vorhandensein von Alkylketten im Molekül. Die Sulfonierung der rigid- rod-Polyphenylene nach WO 94/24717 erfordert zudem Re¬ aktionszeiten im Bereich von Stunden. Die Seitenketten können sich ferner bei der Sulfonierung unkontrolliert zersetzen und müssen z. T. vor der Sulfonierung geschützt werden. Das Material zeigt einen spezifischen Wider¬ stand von mindestens etwa 50 Ω cm- . Dieser Wert liegt etwa um den Faktor 6-10 höher als bei Nafion. Darεtellung der ErfindungDisadvantages of this known concept of solubilization by side groups or chains are the relatively complex monomer syntheses and the significantly reduced thermal stability compared to unsubstituted polyphenylenes, especially when alkyl chains are present in the molecule. The sulfonation of rigid-rod polyphenylenes according to WO 94/24717 also requires reaction times in the range of hours. The side chains can also decompose in an uncontrolled manner during sulfonation and must e.g. T. be protected from sulfonation. The material shows a specific Wider¬ stand of at least about 50 Ω cm- ■. This value is about a factor of 6-10 higher than that of Nafion. Presentation of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, polymere Fest¬ körperelektrolyte mit einem vorzugsweisen hydrophoben Rückgrat, das zumindest teilweise durch ionische Gruppen funktionalisiert ist, derart weiterzubilden, daß zur Herstellung keine für die weitere Bearbeitung vorzusehenden Seitenketten bzw. -gruppen erforderlich sind. Die Materialien sollen zudem nicht auf der Basis des in der WO 94/24717 beschriebenen "rigid-rod"- Konzepts hergestellt werden. Überdies sollen die thermischen und chemischen Stabilitätseigenschaften der Polymere verbessert werden. Schließlich soll erreicht werden, daß die Herstellungsverfahren verkürzt und damit verbilligt werden können. Das weiterzubildende Polymer soll insbesondere für den Einsatz als Elektrolytmembran in Elektrolyse-vorrichtungen oder in Brennstoffzellen geeignet sein.The invention has for its object to develop polymeric solid electrolytes with a preferably hydrophobic backbone, which is at least partially functionalized by ionic groups, in such a way that no side chains or groups to be provided for further processing are required for the production. The materials should also not be produced on the basis of the rigid-rod concept described in WO 94/24717. In addition, the thermal and chemical stability properties of the polymers are to be improved. Finally, it should be achieved that the manufacturing process can be shortened and therefore cheaper. The polymer to be developed should be particularly suitable for use as an electrolyte membrane in electrolysis devices or in fuel cells.
Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist in den Ansprüchen 1, 10 und 13 angegeben. Die Erfindung in vorteilhafter Weise weiterbildende Merkmale sind in den Unteransprüchen enthalten.The solution to the problem on which the invention is based is given in claims 1, 10 and 13. Features which further develop the invention in an advantageous manner are contained in the subclaims.
Erfindungsgemäß ist ein polymerer Festkörperelektrolyt mit einem vorzugsweise hydrophoben Rückrat, das zu¬ mindest teilweise durch ionische Gruppen funktionalisiert ist, derart weitergebildet, so daß das Rückgrat des Polymers ein Copoly(m-phenylen) aufweist, das wenigstens 20 Mol-% m-Phenylen-Einheiten enthält und von nachstehender Strukur ist: According to the invention, a polymeric solid electrolyte with a preferably hydrophobic backbone, which is at least partially functionalized by ionic groups, is developed in such a way that the backbone of the polymer has a copoly (m-phenylene) which contains at least 20 mol% m-phenylene Contains units and is of the following structure:
wobei Rl bis R8 Wasserstoff, Aryl, Oxyaryl, Thioaryl,where Rl to R8 are hydrogen, aryl, oxyaryl, thioaryl,
Sulfonaryl, Carbonylaryl, Oxyaryloxyaryl, Hydroxyl oder ionisch dissoziierbare Gruppen sind.Are sulfonaryl, carbonylaryl, oxyaryloxyaryl, hydroxyl or ionically dissociable groups.
Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zu¬ grunde, daß durch Einbau von m-Phenylen-Einheiten in PPP ein lösliches und schmelzbares Poly(m-phenylen-co- p-phenylen) trotz Abwesenheit von solubilisierenden Seitenketten erhalten wird.The invention is based on the surprising finding that, by incorporating m-phenylene units in PPP, a soluble and fusible poly (m-phenylene-co-p-phenylene) is obtained despite the absence of solubilizing side chains.
Die für die Solubilisierung erforderliche Störung der Kristallstruktur wird hier gleichsam durch "Knicke" in der Polyphenylenkette erreicht und kann mit Hilfe von Seitenketten weiter verbessert werden. Solche Copoly(m- phenylen)e, wie auch Poly(m-phenylen) , die keine rigid- rod-Polymere sind, lassen sich dennoch durch Sulfonierung in Polymerelektrolyte überführen.The disturbance of the crystal structure required for solubilization is achieved here as it were by "kinks" in the polyphenylene chain and can be further improved with the help of side chains. Such copoly (m-phenylene) s as well as poly (m-phenylene), which are not rigid-rod polymers, can nevertheless be converted into polymer electrolytes by sulfonation.
In vorteilhafter Weise ist bei den neuen Materialien im Gegensatz zu den bekannten rigid-rod-Polyphenylenen die Substitution mit Seitenketten für die Verarbeitbarkeit nicht zwingend erforderlich. Auch ohne Ringsubstitution ist bei Copolymeren mit überwiegend m-Verknüpfung der Wiederholungseinheiten Sulfonierung und Elektrolytherstellung möglich. Die Erfindung gestattet erstmals die Synthese von Polymerelektrolyten, deren Polymermoleküle nur die ionischen Gruppen, besitzen. Der Vorteil solcher Systeme gegenüber Systemen mit längeren Seitengruppen wurde in WO 94/03503 bereits für fluorierte Materialien gefunden.In contrast to the known rigid-rod polyphenylenes, substitution with side chains is advantageously not absolutely necessary for processability in the new materials. Even without ring substitution, sulfonation and electrolyte production are possible in copolymers with predominantly m-linking of the repeating units. The invention allows for the first time the synthesis of polymer electrolytes whose polymer molecules only have the ionic groups. The advantage of such systems over systems with longer side groups has already been found in WO 94/03503 for fluorinated materials.
Die polymeren Festkörperelektrolyte dieser Erfindung bestehen aus Copoly(m-phenylen)en der Struktur (1) mit mindestens 20 Mol-% m-Phenylen-Einheiten. Vorzugsweise ist ein Grad der Funktionalisierung mit ionisch dissoziierbaren Gruppen größer als 0 und kleiner als 1 zu wählen. Unter diesem Funktionalisierungsgrad soll die mittlere Anzahl von ionischen Gruppen pro Wieder¬ holungseinheit verstanden werden. Dabei können die ionischen Gruppen statistisch über das Polymer verteilt oder vorzugsweise an bestimmte Wiederholungseinheiten gebunden sein.The polymeric solid electrolytes of this invention consist of copoly (m-phenylene) s of structure (1) with at least 20 mol% m-phenylene units. A degree of functionalization with ionically dissociable groups should preferably be greater than 0 and less than 1. This degree of functionalization is to be understood as the average number of ionic groups per repeating unit. The ionic groups can be randomly distributed over the polymer or preferably bound to certain repeating units.
Die Copoly(m-phenylen)e können statistisch, alternierend, segmentiert oder von anderer Ordnung sein. Vorteilhafterweise eignen sich statistisch strukturierte Copoly(m-phenylen)e für den Einsatz als Polymerelektrolyte. Im Weiteren wird zudem ein Ver¬ fahren beschrieben mit dem es erstmals gelingt, derartig strukturierte Colpoly(m-phenylen)e in statistischer Anordnung zu synthetisieren.The copoly (m-phenylene) s can be random, alternating, segmented or of another order. Statistically structured copoly (m-phenylene) s are advantageously suitable for use as polymer electrolytes. Furthermore, a method is described with which it is possible for the first time to synthesize such structured Colpoly (m-phenylene) s in a statistical arrangement.
Die Substituenten Rl bis R8 können Wasserstoff, Aryl, Oxyaryl, Thioaryl, Sulfonaryl, Carbonylaryl, Oxyaryloxyaryl, Hydroxyl oder ionisch dissoziierbare Gruppen sein.The substituents Rl to R8 can be hydrogen, aryl, oxyaryl, thioaryl, sulfonaryl, carbonylaryl, Oxyaryloxyaryl, hydroxyl or ionically dissociable groups.
Vorzugsweise kommen als ionisch dissoziierbare Gruppen insbesondere Sulfonyl (-S03H), Carboxyl (-C00H) oder Phosphoryl (-PO(OH)2) in Betracht.Preferred ionically dissociable groups are in particular sulfonyl (-S03H), carboxyl (-C00H) or phosphoryl (-PO (OH) 2).
Die Substituenten-Paare R2/R3 oder R3/R4 und / oder R5/R6 oder R7/R8 können ferner annelierte Arylenringe sein.The substituent pairs R2 / R3 or R3 / R4 and / or R5 / R6 or R7 / R8 can also be fused arylene rings.
Die erfindungsgemäßen Polymerelektrolyte weisen grundsätzlich ein Copoly(m-phenylen)-Rückgrat mit ähnlicher Hydrophobie auf, wie das Poly(tetrafluorethylen)-Rückgrat von Nafion.The polymer electrolytes according to the invention basically have a copoly (m-phenylene) backbone with a hydrophobicity similar to that of the poly (tetrafluoroethylene) backbone from Nafion.
Überraschend ist gefunden worden, daß sich auch un¬ substituierte Copσly(m-phenylen)e und Poly(m-phenylen) durch Funktionalisierung mit ionischen Gruppen in Polymerelektrolyte umwandeln lassen. Die bei dieser Polymerklasse nicht zwingend gegebene Notwendigkeit von solubilisierenden Seitenketten vereinfacht die Synthese sehr.Surprisingly, it has been found that unsubstituted coply (m-phenylene) s and poly (m-phenylene) can also be converted into polymer electrolytes by functionalization with ionic groups. The need for solubilizing side chains, which is not absolutely necessary in this class of polymers, greatly simplifies the synthesis.
Die erfindungemäßen polymeren Festkörperelektrolyte, besitzen ein thermisch und chemisch extrem resistentes, hochhydrophobes Rückgrat aus Copoly(m-phenylen)en, das durch ionische Gruppen funktionalisiert ist. Sie zeigen neben einer hohen Protonenleitfähigkeit ein sehr günstiges Quellungsverhalten, was sich in einer guten mechanischen Stabilität auch bei etwa 100°C äußert. Außerdem sind die Materialien aus Lösungen in dipolar- aprotischen Solventien verarbeitbar und daher in be¬ liebigen Schichtdicken zugänglich. Die Fülle von literaturbekannten, teilweise sehr gut untersuchten Phenyl-Kupplungsreaktionen könnte die Copoly(m- phenylen)e darüber hinaus aus kostengünstigen Edukten zugänglich machen.The polymeric solid electrolytes according to the invention have a thermally and chemically extremely resistant, highly hydrophobic backbone made of copoly (m-phenylene) s, which is functionalized by ionic groups. In addition to a high proton conductivity, they show very favorable swelling behavior, which is reflected in good mechanical stability even at about 100 ° C. In addition, the materials can be processed from solutions in dipolar aprotic solvents and are therefore accessible in any layer thickness. The abundance of Known from the literature, and in some cases very well studied phenyl coupling reactions, the copoly (m-phenylene) s could also be made available from inexpensive starting materials.
Als Voraussetzung für die erfindungsgemäße Festkörperelektrolytherstellung ist darüberhinaus für die Behandlung von Copoly(m-phenylen)e ein Sulfonierungsverfahren mittels Chlorsulfonsäure ent¬ wickelt worden, das mit geringem apparativen und materiellem Aufwand und kurzen Reaktionszeiten bei Raumtemperatur realisierbar ist. Die Erfindung schließt auch ein Herstellverfahren für Membranen aus funktionalisierten Copoly(m-phenylen)en ein.As a prerequisite for the production of solid electrolytes according to the invention, a sulfonation process using chlorosulfonic acid has also been developed for the treatment of copoly (m-phenylene) s, which can be implemented with little outlay in terms of equipment and materials and short reaction times at room temperature. The invention also includes a method of manufacturing membranes from functionalized copoly (m-phenylene) s.
Die Synthese von Copoly(m-phenylen)en kann prinzipiell auf zwei Weisen erfolgen. Einerseits kann ein Copσly(m- phenylen) ohne ionische Gruppen mit solchen Gruppen versehen werden. Vorzugsweise geschieht dies durch Sulfonierung. Andererseits können die ionischen Gruppen schon bei der Polymerisation in den Monomeren enthalten sein. Die Synthese der Copoly(m-phenylen)e kann durch eine regioselektive oder zumindest überwiegend re- gioselektive Kupplung bifunktioneller Aromaten nach einem der folgenden Prinzipien erfolgen: In principle, copoly (m-phenylene) s can be synthesized in two ways. On the one hand, a copolymer (m-phenylene) without ionic groups can be provided with such groups. This is preferably done by sulfonation. On the other hand, the ionic groups can already be present in the monomers during the polymerization. The copoly (m-phenylene) s can be synthesized by a regioselective or at least predominantly regioselective coupling of bifunctional aromatics according to one of the following principles:
Stmktur (I)Stem structure (I)
Q Q
Je nach der Elektronegativität der Substituenten X und Y unterscheidet man reduktive, oxidative oder redoxneutrale Aromatenkupplungen. Eine Fülle von Reaktionen sind aus der Literatur bekannt.Depending on the electronegativity of the substituents X and Y, a distinction is made between reductive, oxidative or redox-neutral aromatic couplings. A wealth of reactions are known from the literature.
Bei redoxneutralen Verfahren ist der Substituent X elektronegativer und der Substituent Y weniger elektronegativ als Kohlenstoff oder umgekehrt. Die Re¬ aktion verläuft übergangsmetallkatalysiert unter Bildung des Salzes XY. Prozesse sind u.a. von T. Yamamoto et al. (siehe Literaturstelle 11) (X=MgBr, Y=CI,Br) oder von M. Rehahn et al. (Literautrstellen 9 und 10) (X=B(OH)2, Y= Br,I) beschrieben. Im Falle von oxidativen Verfahren sind X und Y elektropositiver als Kohlenstoff (Wasserstoff, Metalle), jedoch weisen diese bekannten Verfahren nur unzureichende Regioselektivität auf und sind zur gezielten Synthese von Copoly(m-phenylen)en weniger geeignet.In redox-neutral processes, the substituent X is more electronegative and the substituent Y is less electronegative than carbon or vice versa. The reaction proceeds with transition metal catalysis to form the salt XY. Processes have been described by T. Yamamoto et al. (see reference 11) (X = MgBr, Y = CI, Br) or by M. Rehahn et al. (Liter positions 9 and 10) (X = B (OH) 2, Y = Br, I). In the case of oxidative processes, X and Y are more electropositive than carbon (hydrogen, metals), but these known processes have insufficient regioselectivity and are less suitable for the targeted synthesis of copoly (m-phenylene) s.
Bei reduktiven Methoden werden schließlich in Gegenwart eines Reduktionsmittels Aromaten mit elektronegativeren Substituenten X und Y polymerisiert.In the case of reductive methods, aromatics with more electronegative substituents X and Y are polymerized in the presence of a reducing agent.
Zur Herstellung von Copoly(m-phenylen)en der obenstehenden Struktur (I) (mit X = B(0H)2 und Y = Br oder umgekehrt) eignet sich besonders die sogenannte Suzuki- Kupplung (palladiumkatalysierte redoxneutrale Kupplung von Arylboronsäuren und Arylhalogeniden) , vgl. Rehahn et al (Literaturstelle 9).The so-called Suzuki coupling (palladium-catalyzed redox-neutral coupling of arylboronic acids and aryl halides) is particularly suitable for the production of copoly (m-phenylene) s of the above structure (I) (with X = B (0H) 2 and Y = Br or vice versa), see. Rehahn et al (reference 9).
Sie zeichnet sich durch hohe Regioselektivität aus und toleriert eine Reihe von funktionellen Gruppen. Die Durch¬ führung erfolgt beispielsweise in einem kräftig gerührten Zweiphasengemisch aus etwa gleichen Volumina eines Aromaten im Siedebereich von etwa 80 bis 130°C (wie z. B. Toluol oder Benzol) und der wäßrigen Lösung einer Base (z. B. 1 - 2 molare Natriumcarbonatlösung) . Als Katalysator wird bevorzugt Tetrakis(triphenylphosphin-palladium-O) in Konzentrationen von 0,1 bis 0,6 Mol-%, insbesondere aber in Konzentrationen zwischen 0,2 und 0,5 Mol-% bezogen auf die Boronsäuregruppen eingesetzt. Die Reaktion erfolgt in siedender Mischung zwischen 1 und 12 Stunden. Die un¬ substituierten Copoly(m-phenylen)e fallen aufgrund ihrer Unlöslichkeit während der Reaktion aus. Die Bildung von Copolymeren konnte spektroskopisch (IR und - 3C-Festkörper NMR) und mit Hilfe von DSC gezeigt werden. Das tatsächliche Einbauverhältnis der Wieder¬ holungseinheiten im Polymer in Abhängigkeit vom einge¬ setzten Monomerenverhältnis konnte am Beispiel un- substituierter Copoly(m-phenylen)e (R1-R8=H in der Struktur (1) durch quantitative FT-IR-Spektroskopie untersucht werden. Es hat sich gezeigt, daß etwa 5-10% weniger meta-Einheiten ins Polymer eingebaut wurde als im Monomerengemisch eingesetzt.It is characterized by high regioselectivity and tolerates a number of functional groups. This is carried out, for example, in a vigorously stirred two-phase mixture of approximately equal volumes of an aromatic in the boiling range of approximately 80 to 130 ° C. (such as toluene or benzene) and the aqueous solution of a base (eg 1-2) molar sodium carbonate solution). Tetrakis (triphenylphosphine-palladium-O) is preferably used as the catalyst in concentrations of 0.1 to 0.6 mol%, but in particular in concentrations between 0.2 and 0.5 mol%, based on the boronic acid groups. The reaction takes place in a boiling mixture between 1 and 12 hours. The unsubstituted copoly (m-phenylene) s precipitate during the reaction because of their insolubility. The formation of copolymers could be shown spectroscopically (IR and - 3 C solid-state NMR) and with the help of DSC. The actual incorporation ratio of the repeat units in the polymer as a function of the monomer ratio used could be examined using quantitative FT-IR spectroscopy using the example of unsubstituted copoly (m-phenylene) s (R1-R8 = H in structure (1)) It has been shown that about 5-10% fewer meta units were incorporated into the polymer than was used in the monomer mixture.
Während solubilisierende Seitenketten durch Abbau die thermische Stabilität der Polymeren bekanntermaßen auf etwa 350°C (Stickstoffatmosphäre) begrenzen, zeigten die unsubstituierten Copoly(m-phenylene) eine thermische Stabilität bis etwa 550°C (Stickstoffatmos¬ phäre) und stellen damit thermisch extrem stabile Materialien dar.While solubilizing side chains are known to limit the thermal stability of the polymers to about 350 ° C. (nitrogen atmosphere) by degradation, the unsubstituted copoly (m-phenylenes) have a thermal stability of up to about 550 ° C. (nitrogen atmosphere) and thus make thermally extremely stable materials represents.
Besonders hervorzuheben ist ein Coply(m-phenylen) das aus 65% 3-Bromphenylboronsäure und 35% 4- Bromphenylboronsäure synthetisierbar ist. Es ist über¬ raschenderweise in unpolaren Solventien wie Paraffinen bei etwa 180°C löslich und besitzt einen Schmelzpunkt von 210°C. Auf diese Weise kann erstmals ein un¬ substituiertes, schmelzbares und lösliches Polyphenylen erhalten werden.Of particular note is a coply (m-phenylene) that can be synthesized from 65% 3-bromophenylboronic acid and 35% 4-bromophenylboronic acid. Surprisingly, it is soluble in nonpolar solvents such as paraffins at about 180 ° C. and has a melting point of 210 ° C. In this way, an unsubstituted, meltable and soluble polyphenylene can be obtained for the first time.
Sind ionisch dissoziierbare Gruppen nicht schon in den Monomeren vorhanden, so können sie in die Copoly(m-phenylen)e vorzugsweise durch Sulfonierung eingeführt werden. In der Regel wird das Polymerrückgrat oder aber Seitengruppen sulfoniert. Es sind verschiedene Sulfonierungsmethoden bekannt, wie die Umsetzung mit konzentrierter Schwefelsäure, Oleum, einer Mischung aus Schwefelsäure und Thionylchlorid, Schwefeltrioxid oder die Behandlung mit Chlorsulfonsaure. Die für das jeweilige Copoly(m- phenylen) geeigneten Sulfonierungsbedingungen können durch Versuchsreihen mit zunehmend härteren Bedingungen ermittelt werden.If ionically dissociable groups are not already present in the monomers, they can be introduced into the copoly (m-phenylene) s, preferably by sulfonation. As a rule, the polymer backbone or side groups are sulfonated. Various sulfonation methods are known, such as the reaction with concentrated Sulfuric acid, oleum, a mixture of sulfuric acid and thionyl chloride, sulfur trioxide or treatment with chlorosulfonic acid. The sulfonation conditions suitable for the respective copoly (m-phenylene) can be determined by series of tests with increasingly tougher conditions.
Standardmethode bei der Herstellung von Polymerelektro¬ lyten ist die Sulfonierung mit konzentrierter Schwefel¬ säure oder Oleum (vgl. WO 94/24717, EP 0 575 807 Al, EP 0 574 791 A2). Dabei sind jedoch Reaktionszeiten im Bereich von Stunden erforderlich.The standard method in the production of polymer electrolytes is sulfonation with concentrated sulfuric acid or oleum (cf. WO 94/24717, EP 0 575 807 A1, EP 0 574 791 A2). However, reaction times in the range of hours are required.
Besondere Synergieeffekte werden, wie schon aus der Nafionchemie bekannt, von der Kombination von Carbonsäure-und Sulfonsäurefunktionalitäten erwartet.As already known from Nafion chemistry, special synergy effects are expected from the combination of carboxylic acid and sulfonic acid functionalities.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Herstellung eines polymeren Festkörperelektrolyten derart angegeben, daß das Polymer ein Copoly(m-phenylen) mit der oben ge¬ nannten Struktur (I) ist, das unter Zugabe eines Sulfonierungsmittels sulfoniert wird. Nach Beendung der Sulfonierung wird das sulfonierte Copoly(m-phenylen) in einem organischen Lösungsmittel gelöst. Anschließend wird die Lösung auf einen Träger aufgebracht, auf dem das Lösungsmittel abgedampft wird. Unter Zugabe von Wasser wird sodann der auf dem Träger verbleibende Film abgelöst und aufgequollen.According to the invention, a process for producing a polymeric solid electrolyte is specified in such a way that the polymer is a copoly (m-phenylene) with the structure (I) mentioned above, which is sulfonated with the addition of a sulfonating agent. After the sulfonation has ended, the sulfonated copoly (m-phenylene) is dissolved in an organic solvent. The solution is then applied to a support on which the solvent is evaporated. With the addition of water, the film remaining on the support is then detached and swollen.
Vorzugsweise lassen sich die Copoly(m-phenylen)e der obengenannten Struktur sehr schnell mit Hilfe von Chlorsulfonsaure in Chloroform sulfonieren. Dazu wird das in Chloroform als Stabilisator vorhandene Ethanol zunächst mit einem Überschuß an Chlorsulfonsäure umgesetzt und das Chloroform abde¬ stilliert. Man verwendet der Einfachheit halber das bei der Destillation anfallende, an der Luft rauchende, mit Chlorwasserstoff gesättigte Chloroform ohne weitere Vorbehandlung. Das Copoly(m-phenylen) wird in diesem Chloroform suspendiert und unter kräftigem Rühren mit einer Lösung von Chlorsulfonsäure in dem gleichen Lösungsmittel behandelt. Es ergeben sich Re¬ aktionszeiten im Bereich von Sekunden.The copoly (m-phenylene) s of the above structure can preferably be sulfonated very quickly with the aid of chlorosulfonic acid in chloroform. To this end, the ethanol present in chloroform as a stabilizer is first treated with an excess Chlorosulfonic acid reacted and the chloroform was distilled off. For the sake of simplicity, chloroform obtained in the distillation, air-smoking and saturated with hydrogen chloride is used without further pretreatment. The copoly (m-phenylene) is suspended in this chloroform and treated with vigorous stirring with a solution of chlorosulfonic acid in the same solvent. Reaction times in the range of seconds result.
Nach der erforderlichen Zeit wird die Reaktion durch Quenchen mit Methanol gestoppt. Nach der Auf¬ arbeitung erhält man in dipolar-aprotischen Lösungsmitteln wie N,N-Dimethylformamid oder Dimethylsulfoxid unter Er¬ wärmen lösliche, sulfonierte Copoly(m-phenylen)e.After the required time, the reaction is quenched with methanol. After working up, soluble, sulfonated copoly (m-phenylene) e are obtained in dipolar aprotic solvents such as N, N-dimethylformamide or dimethyl sulfoxide with heating.
Sulfoniert man unter härteren Bedingungen, z. B. durch mehrstündige Einwirkung von unverdünnter Chlorsulfonsäure, so erhält man ein über S02 -Brücken vernetztes Duromer, das unlöslich ist. Die Vernetzung erfolgt gemäß folgendem Mechanismus :Are sulfonated under tougher conditions, e.g. B. by exposure to undiluted chlorosulfonic acid for several hours, so you get a cross-linked S0 2 bridges duromer, which is insoluble. Networking takes place according to the following mechanism:
Ar-H + C1S03H > Ar-S03H + HCI (1)Ar-H + C1S0 3 H> Ar-S0 3 H + HCI (1)
Ar-S03H + C1S03H V Ar-S02Cl + H2 SO, (2) Ar-S02Cl + Ar'-H > Ar-S02-Ar' + HCI (3)Ar-S0 3 H + C1S0 3 H V Ar-S0 2 Cl + H 2 SO, (2) Ar-S0 2 Cl + Ar'-H> Ar-S0 2 -Ar '+ HCI (3)
Im ersten Schritt werden aromatische Ringe des Polymerrückgrats (Ar) durch Chlorsulfonsäure sulfoniert (Gleichung ( 1) .In the first step, aromatic rings of the polymer backbone (Ar) are sulfonated by chlorosulfonic acid (equation (1).
In Gegenwart eines Überschusses von Chlorsulfonsäure steht die aromatische Sulfonsaure mit der Verbindung Ar-S02 Cl, die sich als arylsubstituierte Chlorsulfonsäure auffassen läßt, im Gleichgewicht (Gleichung (2)).In the presence of an excess of chlorosulfonic acid is the aromatic sulfonic acid with the compound Ar-S0 2 Cl, which are to be understood as aryl-substituted chlorosulfonic acid leaves, in equilibrium (equation (2)).
Ähnlich der Chlorsulfonsäure sollte die arylsubstituierte Chlorsulfonsäure ihrerseits wieder sulfonierend wirken und mit einem weiteren aromatischen Ring unter Bildung einer S02 -Brücke reagieren können (Gleichung (3)) .Similar to chlorosulfonic acid, the aryl-substituted chlorosulfonic acid should in turn have a sulfonating effect and be able to react with another aromatic ring to form a SO 2 bridge (equation (3)).
Sind Ar und Ar' Wiederholungseinheiten von Polyphenylenketten, so führt die Reaktion gemäß Gleichung (3) zu einer chemischen Vernetzung. Die Sulfonierung und Vernetzung eines Copoly(m-phenylen)s konnte mit Hilfe von FT-IR-Spektren gezeigt werden.If Ar and Ar 'are repeating units of polyphenylene chains, the reaction according to equation (3) leads to chemical crosslinking. The sulfonation and crosslinking of a copoly (m-phenylene) s could be shown with the help of FT-IR spectra.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Die nachstehenden Figuren zeigen die charakteristischen Spektren der den Festkörperelektrolyten zu¬ grundeliegenden Copoly(m-phenylen)e. Es zeigen:The figures below show the characteristic spectra of the copoly (m-phenylene) e on which the solid-state electrolytes are based. Show it:
Fig. 1 a,b,c FT-IR-Spektren verschiedener Copoly(m- phenylen)e, hergestellt aus 65% 3- Bromphenylboronsäure und 35% 4- BromphenylboronsäureFig. 1 a, b, c FT-IR spectra of various copoly (m-phenylene) e, made from 65% 3-bromophenylboronic acid and 35% 4-bromophenylboronic acid
Fig. 2 FT-IR-Spektren verschiedener Copoly(m- phenylen-co-p-phenylen)e undFig. 2 FT-IR spectra of various copoly (m-phenylene-co-p-phenylene) e and
Fig. 3 13 C-Festkörper-NMR-Spektren von Copoly(m- phenylen-co-p-phenylen)en.Fig. 3 13 C-solid-state NMR spectra of copoly (m-phenylene-co-p-phenylene) en.
Darstellung von AusführungsbeispielenRepresentation of exemplary embodiments
Fig. 1 zeigt die FT-IR-Spektren des nicht sulfonierte Copoly(m-phenylen)s (siehe Figur la), das mit Hilfe der nachstehend beschriebenen Maßnahme lb herstellbar ist. Fig. lb zeigt das mit der Maßnahme 2 sulfonierten Copoly(m-phenylen)s und Figur lc das über Nacht mit reiner Chlorsulfonsäure extrem stark sulfonierten Copoly(m-phenylen)s, in Abhängigkeit von der Wellenzahl im Bereich von 2000 cm-1 bis 600 cm-1 (KBr-Preßlinge) .1 shows the FT-IR spectra of the non-sulfonated copoly (m-phenylene) s (see FIG. 1 a), which can be produced with the aid of measure 1b described below. Fig. Lb shows that sulfonated with measure 2 Copoly (m-phenylene) s and Figure lc the copoly (m-phenylene) s, which were extremely strongly sulfonated overnight with pure chlorosulfonic acid, depending on the wave number in the range from 2000 cm-1 to 600 cm-1 (KBr compacts).
Bei moderater Sulfonierung (Figur lb) sind neben cha¬ rakteristischen Banden des Copoly(m-phenylen)s vier Banden bei 1214,7 cm-1, 1183,7 cm*1, 1111,1 cm-1 und 1054,3 cm- 1 sichtbar. Die Bande bei 1054,3 cm-1 rührt von der Phenyl-Schwefel-Streckschwingung her, die drei übrigen sind auf drei charakteristische Schwingungen der S03 - -Gruppen zurückführen. Ferner sieht man eine Bande bei 1638,5 cm-1, die durch die ebene De¬ formationsschwingung von Wasser hervorgerufen wird. Die sulfonierte Probe ist an Luft äquilibriert worden, so daß die Sulfonsäurefunktionalitäten als Ar-S03 H30+ vorlagen. Das Spektrum belegt die Sulfonierung des Copoly(m-phenylen)s gemäß Gleichung (1). Im Spektrum (siehe Figur lc) der stark sulfonierten Probe erkennt man zwei starke Banden bei 1302,4 cm- 1 und 1167,8 cm-1. Sie entsprechen der symmetrischen und der asymmetrischen Schwingung der vernetzenden S02 -Gruppen, die gemäß Gleichung (3) entstanden sind. Der Sulfonierungsgrad kann aus Elementaranalysen berechnet werden (C-, H-, S-Bestimmung) .At moderate sulfonation (Figure lb) in addition to bands cha¬ acteristic of the copoly (m-phenylene) s four bands at 1214.7 cm- 1, 1183.7 cm * 1, 1111.1 cm -1 and 1054.3 cm - 1 visible. The band at 1054.3 cm- 1 stems from the phenyl-sulfur stretching vibration, the other three are due to three characteristic vibrations of the S0 3 - groups. A band at 1638.5 cm- 1 is also seen , which is caused by the plane deformation vibration of water. The sulfonated sample has been equilibrated in air so that the sulfonic acid functionalities were available as Ar-S0 3 H 3 0+. The spectrum shows the sulfonation of the copoly (m-phenylene) s according to equation (1). The spectrum (see FIG. 1c) of the strongly sulfonated sample shows two strong bands at 1302.4 cm -1 and 1167.8 cm- 1 . They correspond to the symmetrical and the asymmetrical vibration of the crosslinking SO 2 groups that have arisen according to equation (3). The degree of sulfonation can be calculated from elementary analyzes (C, H, S determination).
Die Herstellung der Elektrolytmembran erfolgt er¬ findungsgemäß durch Lösen der durch ionische Gruppen funktionalisierten Copoly(m-phenylen)e in einem organischen Lösungsmittel, vorzugsweise einem dipolar- aprotischen Lösungsmittel, Aufbringen auf eine Glasunterlage und langsames Abdampfen des Lösungsmittels. Der sich ergebende Film wird an¬ schließend in Wasser von der Unterlage abgelöst, wobei eine gequollene Membran entsteht,The electrolyte membrane is produced according to the invention by dissolving the copoly (m-phenylene) functionalized by ionic groups in an organic solvent, preferably a dipolar aprotic solvent, applying it to a glass support and slowly evaporating the solvent. The resulting film is then detached from the base in water, wherein a swollen membrane is created,
Zur Herstellung einer erfindungsgemäßenTo produce an inventive
Festkörperelektrolyt-Membran sind vorzugsweise folgende Maßnahmen zu treffen:Solid electrolyte membrane, the following measures should preferably be taken:
1. Maßnahme: Synthese von Copoly(m-phenylen)en ohne solubilisierende Seitenketten gemäß Struktur (I) mit R1-R8=H1. Measure: Synthesis of copoly (m-phenylene) s without solubilizing side chains according to structure (I) with R1-R8 = H
a) Darstellung der Monomeren 3-Bromphenylboronsäure und 4-Bromphenylenboronsäure aus 1,3-Dibrombenzol bzw. 1,4-Dibrombenzola) Representation of the monomers 3-bromophenylboronic acid and 4-bromophenylene boronic acid from 1,3-dibromobenzene and 1,4-dibromobenzene, respectively
In einem ausgeheizten und mit Stickstoff belüfteten 11- Dreihalskolben mit Tropftrichter, Stickstoffeinlaß und Magnetruhrer, werden 30g (127,2 mmol) des jeweiligen Dibrombenzols in 400ml absolutem Diethylether vorgelegt und auf -78°C gekühlt. 1,4-Dibrombenzol fällt dabei als feine Suspension aus. Unter Inertgas sind durch den Tropftrichter unter Rühren und weiterem Kühlen mit einer Geschwindigkeit von etwa 2 Tropfen/sec 52 ml einer 2,5 molaren Lösung von n-Butyllithium in Hexanfraktion zuzutropfen. Anschließend ist die Mischung auf Raumtemperatur zu erwärmen und weiterhin bei Inertgasatmosphare, unter Rühren in eine auf - 78°C gekühlte Lösung von 75 ml Borsäuretrimethylester in 350 ml absolutem Ether zu überführen.In a heated and nitrogen-vented 11 three-necked flask with dropping funnel, nitrogen inlet and magnetic stirrer, 30 g (127.2 mmol) of the respective dibromobenzene are placed in 400 ml of absolute diethyl ether and cooled to -78 ° C. 1,4-dibromobenzene precipitates as a fine suspension. 52 ml of a 2.5 molar solution of n-butyllithium in hexane fraction are added dropwise under inert gas through the dropping funnel with stirring and further cooling at a rate of about 2 drops / sec. The mixture is then to be warmed to room temperature and, while stirring in an inert gas atmosphere, transferred to a solution of 75 ml of trimethyl borate in 350 ml of absolute ether, cooled to -78 ° C.
Bei Raumtemperatur ist die Lösung etwa 8 Stunden zu rühren und mit 200 ml 1 N Salzsäure zu versetzen. Dabei klärt sich unter kräftigem Rühren die anfangs trübe organische Phase und es entstehen eine viskose wäßrige und eine überstehende klare organische Phase. Danach kann die organische Phase leicht dekantiert werden. Durch Spülen mit Ether und De¬ kantieren sind Reste des Produktes aus dem Kolben zu ent¬ fernen. Die vereinigten organischen Phasen werden mit insgesamt 500 ml 2N Natronlauge in Portionen von 200, 100, 100, 100 ml extrahiert. Dabei geht die Boron- säure als Boronat in die Natronlauge über. Die Natron¬ lauge ist wiederum mit 150 ml Diethylether zu waschen. Anschließend ist die Lösung auf 0°C zu kühlen, wobei ihr unter weiterem Kühlen 6N Salzsäure bis sich ein pH- Wert von 2 einstellte, zugegeben wird.The solution is stirred at room temperature for about 8 hours and 200 ml of 1N hydrochloric acid are added. The initially cloudy becomes clear with vigorous stirring organic phase and a viscous aqueous and a clear organic phase protruding. The organic phase can then be easily decanted. By rinsing with ether and decanting, residues of the product can be removed from the flask. The combined organic phases are extracted with a total of 500 ml of 2N sodium hydroxide solution in portions of 200, 100, 100, 100 ml. The boronic acid passes into the sodium hydroxide solution as boronate. The sodium hydroxide solution is again washed with 150 ml of diethyl ether. The solution is then to be cooled to 0 ° C., while 6N hydrochloric acid is added while cooling until a pH of 2 has been established.
Dabei fällt die Boronsäure kristallin aus und kann nach Stehen-lassen abgesaugt werden. Nach Trocknung im Vakuum ergeben sich 20g (78% d. Th.) Rohprodukt.The boronic acid precipitates in crystalline form and can be suctioned off after it has been left to stand. After drying in vacuo, 20 g (78% of theory) of crude product are obtained.
Vor dem Einsatz zur Polymerisation sind die Boronsäuren durch Umkristallisation zu reinigen. Dazu werden sie in möglichst wenig Diethylether gelöst und durch Zugabe von Pentan und Kühlen auf -78°C ausgefällt. Nach Trocknen im Vakuum verbleiben 14,5g (57 %) reine 3- Bromphenylboronsäure bzw. 15g (59%) reine 4- Bromphenylboronsäure.Before being used for the polymerization, the boronic acids must be purified by recrystallization. They are dissolved in as little diethyl ether as possible and precipitated by adding pentane and cooling to -78 ° C. After drying in vacuo, 14.5 g (57%) of pure 3-bromophenyl boronic acid or 15 g (59%) of pure 4-bromophenyl boronic acid remain.
Charakterisierung durch l H-NMR (Aceton-d6):Characterization by 1 H-NMR (acetone-d6):
- 4-Bromphenylboronsäure (4-Br-Cβ H4 -B(OH)2 ) : 6 = 7,3ppm (s,2H), 7,6ppm (d,2H), 7,9ppm (d,2H)- 4-bromophenylboronic acid (4-Br-Cβ H 4 -B (OH) 2 ): 6 = 7.3ppm (s, 2H), 7.6ppm (d, 2H), 7.9ppm (d, 2H)
- 3-Bromphenylboronsäure (3-Br-Cβ H4 -B(0H)2 ) : δ = 7,35ppm (t,lH), 7,4ppm (s,2H), 7,6ppm (d,lH), 7,85ppm (d,lH), 8 , 05ppm ( s , lH)- 3-bromophenylboronic acid (3-Br-Cβ H 4 -B (0H) 2 ): δ = 7.35ppm (t, lH), 7.4ppm (s, 2H), 7.6ppm (d, lH), 7 , 85ppm (d, lH), 8.05ppm (s, lH)
b) Darstellung von Copoly(m-phenylen)en gemäß Struktur (1) mit R1-R8=H aus 3-Bromphenylboronsäure und 4-Brom- phenylboronsäure.b) Preparation of copoly (m-phenylene) s according to structure (1) with R1-R8 = H from 3-bromophenylboronic acid and 4-bromophenylboronic acid.
10 g (49,8 mmol) der Monomermischung im gewünschten Ver¬ hältnis sind in einem 11-Dreihalskolben unter Gaszufuhr, KPG-Rührer und Rückflußkühler in 250 ml 1,5 M wäßriger Natriumcarbonatlösung zu lösen und die Lösung durch mehrfaches Evakuieren und Belüften mit Stickstoff zu entgasen.10 g (49.8 mmol) of the monomer mixture in the desired ratio are to be dissolved in 250 ml of 1.5 M aqueous sodium carbonate solution in a 11 three-necked flask with gas supply, KPG stirrer and reflux condenser and the solution is evacuated and aerated several times with nitrogen to degas.
Bei Inertgasatmosphare wurden insgesamt 300 ml Toluol zugesetzt. Ein Teil des Toluols wurde dazu verwendet, den Katalysator, 160 mg (1,38*10" A mol) Te¬ trakis(triphenylphosphin)palladium(0) in den Re¬ aktionskolben zu überführen. Unter kräftigem Rühren wurde die Mischung in einem Ölbad von 150°C 12 Stunden zum Sieden erhitzt. Dabei fällt das Copoly(m-phenylen) aus. Bei jedem Monomerverhältnis zeigt die Reaktionsmischung beim Erreichen des Siedepunktes eine charakteristische Färbung, die im weiteren Verlauf in die Farbe des Polymers übergeht. Die Polymere besitzen, abhängig vom eingesetzten Monomerverkältnis, eine charakteristische Farbe und eine charakteristische Konsistenz. Im Bereich zwischen 70 und 80 % meta-Monomer fallen sie körnig an, ansonsten stellen sie feine Pulver dar. Die charakteristischen Farben während der Reaktion und die Farben und Konsistenzen der Copoly(m-phenylen)e sind nachfolgender Tabelle zu entnehmen. Polymer Farbe während Farbe und Konsistenz der Reaktion des ProduktsA total of 300 ml of toluene was added under an inert gas atmosphere. A portion of the toluene was used to transfer the catalyst, 160 mg (1.38 * 10 " A mol) tetra trais (triphenylphosphine) palladium (0) into the reaction flask. The mixture was stirred in an oil bath with vigorous stirring heated to boiling for 12 hours at 150 ° C. The copoly (m-phenylene) precipitates out. With each monomer ratio, the reaction mixture shows a characteristic color when the boiling point is reached, which changes over time to the color of the polymer. depending on the monomer cold used, a characteristic color and a characteristic consistency. In the range between 70 and 80% meta-monomer they are granular, otherwise they are fine powders. The characteristic colors during the reaction and the colors and consistencies of the copoly (m -phenylene) s are shown in the table below. Polymer color during the color and consistency of the reaction of the product
PPP1 hellgelb hellgelbes PulverPPP 1 light yellow light yellow powder
PMPP 25/752 dunkelgelb elfenbeinfarbenes Pulver PMPP 35/652 hellbraun weißes Pulver PMPP 50/502 braunviolett weißes Pulver PMPP 60/402 braun weißes Pulver PMPP 65/352 hellbraun weißes Pulver PMPP 70/302 rotbraun hellgraue Körner PMPP 80/202 grau graue Körner PMP3 weiß weißes PulverPMPP 25/75 2 dark yellow ivory powder PMPP 35/65 2 light brown white powder PMPP 50/50 2 brown violet white powder PMPP 60/40 2 brown white powder PMPP 65/35 2 light brown white powder PMPP 70/30 2 red brown light gray grains PMPP 80 / 20 2 gray-gray grains PMP 3 white-white powder
1 Poly(p-phenylen) : Synthetisiert aus 100% para-Monomer und 1 Poly (p-phenylene): Synthesized from 100% para-monomer and
0% meta-Monomer0% meta monomer
2 Poly(m-phenylen-co-p-phenylen) m/n: Synthetisiert aus m% meta-Monomer und n% para-Monomer 2 Poly (m-phenylene-co-p-phenylene) m / n: synthesized from m% meta-monomer and n% para-monomer
3 Poly(m-phenylen) : Synthetisiert aus 100% meta-Monomer und 0% para-Monomer 3 Poly (m-phenylene): Synthesized from 100% meta-monomer and 0% para-monomer
Zur Aufarbeitung wird die Reaktionsmischung nach Er¬ kalten in etwa 11 Methanol eingegossen und unter Rühren mit 6N Salzsäure angesäuert. Setzt die Kohlendioxident¬ wicklung nicht sofort ein, so setzt man in Portionen von 50ml solange Wasser zu, bis eine flotte Reaktion einsetzt. Nach dem Abklingen der Gasentwicklung wird das Gemisch ca. 24 Stunden auf 0°C gekühlt. Dabei sammelt sich das Polymer am Boden und wird schließlich abge¬ saugt. Die unsubstituierten Copoly(m-phenylen)e sind in normalen organischen Lösungsmitteln unlöslich. Die Reinigung kann daher nur durch Waschen erfolgen. Dazu wird das Polymer mit großen Mengen Wasser und Ethanol gewaschen. Ethanol dient dabei gleichzeitig als Ver¬ mittler, da das Polymer von Wasser Oberhaupt nicht benetzt wird. Schließlich wird im Vakuum bei 70 °C 12 Stunden lang getrocknet. Die Ausbeuten betragen typischerweise 90%.For working up, the reaction mixture is poured into about 11 methanol after cooling and acidified with 6N hydrochloric acid while stirring. If the evolution of carbon dioxide does not begin immediately, water is added in portions of 50 ml until a brisk reaction begins. After the evolution of gas has subsided, the mixture is cooled to 0 ° C. for about 24 hours. The polymer collects on the bottom and is finally sucked off. The unsubstituted copoly (m-phenylene) s are insoluble in normal organic solvents. The cleaning can therefore only be done by washing. To do this, the polymer is mixed with large amounts of water and ethanol washed. Ethanol also serves as a mediator since the polymer is not wetted by water at all. Finally, it is dried in a vacuum at 70 ° C. for 12 hours. The yields are typically 90%.
Die Bildung von Copolymeren kann mit Hilfe von FT-IR- Spektroskopie (KBr-Preßlinge) und l 3 C-Festkörper-NMR- Spektroskopie gezeigt werden. Die FT-IR-Spektren ver¬ schiedener Poly(m-phenylen-co-p-phenylen)e (Nomenklatur vgl. obenstehende Tabelle) sind im Bereich von 2000 cπr 1 bis 600 cm* 1 in Fig. 2 dargestellt, exemplarische 13 C-Festkörper-NMR-Spektren befinden sich in Fig. 3. Die Spektren zeigen, abhängig vom eingesetzten Monomeren-verhältnis kontinuierliche Veränderungen und dokumen-tieren das Vorhandensein von Copolymeren.The formation of copolymers, with the aid of FT-IR spectroscopy (KBr compacts) and l 3 C-solid state NMR spectroscopy are shown. The FT-IR spectra of various poly (m-phenylene-co-p-phenylene) s (nomenclature see table above) are shown in the range from 2000 cm -1 to 600 cm * 1 in FIG. 2, exemplary 13 C. Solid-state NMR spectra are shown in Fig. 3. The spectra show, depending on the monomer ratio used, continuous changes and document the presence of copolymers.
2. Maßnahme: Sulfonierung eines unsubstituierten Copoly(m-phenylen)sMeasure 2: sulfonation of an unsubstituted copoly (m-phenylene) s
a) Vorbereitung des Lösungsmittelsa) Preparation of the solvent
100 ml Chloroform werden zur Entfernung des darin ent¬ haltenen Ethanols mit 5ml Chlorsulfonsäure versetzt und das Chloroform anschließend über eine kleine Vigreux- Kolonne abdestilliert. Zur Sulfonierung wird das mit Chlorwasserstoff gesättigte, an der Luft rauchende Chloroform eingesetzt.To remove the ethanol contained therein, 100 ml of chloroform are mixed with 5 ml of chlorosulfonic acid and the chloroform is then distilled off via a small Vigreux column. The chloroform, which is saturated with hydrogen chloride and fumes in the air, is used for sulfonation.
b) Sulfonierung des Copoly(m-phenylen)sb) sulfonation of the copoly (m-phenylene) s
500 mg eines unsubstituierten Copoly(m-ρhenylen)s gem. Struktur (1) (R1-R8 = H) , das aus 65% meta- und 35% para-Monomer synthetisiert wird und das nach den Befunden aus der FT-IR-Spektroskopie 58% meta-Wieder- holungseinheiten enthält, werden in 40 ml des nach 2a) bereiteten Chloroforms suspendiert. Durch einen Tropftrichter wird eine Lösung von 0,25 ml Chlorsulfonsäure in 20 ml Chloroform unter kräftigem Rühren schnell zugesetzt. Nach erfolgter Zugabe ist die Reaktionszeit gemessen worden. Im Verlauf der Sulfonierung ballt sich das zunächst feinverteilte Polymer etwas zusammen. Nach 30 Sekunden wird die Reaktion mit 40 ml Methanol gestoppt, wobei die Farbe von braun nach hellgrün umschlägt. Das Polymer wird abzentrifugiert und einmal mit Methanol sowie zweimal mit Ether gewaschen und schließlich im Vakuum ge¬ trocknet.500 mg of an unsubstituted copoly (m-ρhenylene) s acc. Structure (1) (R1-R8 = H), which consists of 65% meta and 35% para-monomer is synthesized and, according to the findings from FT-IR spectroscopy, contains 58% meta repeat units, are suspended in 40 ml of the chloroform prepared according to 2a). A solution of 0.25 ml of chlorosulfonic acid in 20 ml of chloroform is quickly added through a dropping funnel with vigorous stirring. After the addition, the reaction time was measured. In the course of the sulfonation, the initially finely divided polymer aggregates somewhat. After 30 seconds, the reaction is stopped with 40 ml of methanol, the color changing from brown to light green. The polymer is centrifuged off and washed once with methanol and twice with ether and finally dried in vacuo.
Die Ausbeute beträgt 320 mg hygroskopisches, sulfoniertes Material, das in dipolar-aprotischen Lösungsmitteln, wie N,N-Dimethylformamid oder Dimethylsulfoxid unter Erwärmen löslich ist. Es ist hellgelb.The yield is 320 mg of hygroscopic, sulfonated material which is soluble in dipolar aprotic solvents such as N, N-dimethylformamide or dimethyl sulfoxide with heating. It is light yellow.
Der Sulfonierungsgrad berechnet sich aus der Elementaranalyse (C, H, S). Dazu ist für das sulfonierte Material die SummenformelThe degree of sulfonation is calculated from the elementary analysis (C, H, S). This is the sum formula for the sulfonated material
C6HA-X (SOΓ H30+ )X * y H20C 6 HA- X (SOΓ H 3 0 + ) X * y H 2 0
zugrundezulegen. Die FT-IR-Spektroskopie liefert den Hinweis auf S03 -Gruppen und H20. Für die Berechnung ist ein unendlicher Polymerisationsgrad und eine homogene Verteilung der Sulfonsäuregruppen angenommen worden. Die Endgruppen sind jeweils zu vernachlässigen. x ist der Sulfonierungsgrad, d. h. die mittlere Anzahl an Sulfonsäuregruppen pro Wiederholungseinheit. Durch y wird zusätzliches Wasser, das von dem hygroskopischen Material aus der Luft angezogen wird, erfaßt. Die Molraasse einer Formeleinheit beträgt (o. B. d. M. ) :to take as a basis. FT-IR spectroscopy provides information on S0 3 groups and H 2 0. For the calculation, an infinite degree of polymerization and a homogeneous distribution of the sulfonic acid groups was assumed. The end groups are negligible. x is the degree of sulfonation, ie the average number of sulfonic acid groups per repeating unit. By y additional water that is drawn from the air by the hygroscopic material is detected. The molasses of a formula unit is (or not equal to):
MFE = 76,10 + 98,08x + 18,02yM FE = 76.10 + 98.08x + 18.02y
Der Kohlenstoffgehalt xc (Gew.-Anteil) , den die Elementaranalyse liefert, berechnet sich zu:The carbon content x c (percentage by weight) provided by the elementary analysis is calculated as:
Xc = 72,06 / ( 76,10 + 98,08x + 18,02y) (1)Xc = 72.06 / (76.10 + 98.08x + 18.02y) (1)
entsprechend gilt für den Schwefelgehalt xs (Gew.-Anteil) , den die Elementaranalyse liefert:the following applies accordingly to the sulfur content xs (percentage by weight) provided by the elementary analysis:
Xs = 32,06x / (76.10 + 98,08x + 18,02y) (2)Xs = 32.06x / (76.10 + 98.08x + 18.02y) (2)
Mit Hilfe der Gin. (1) und (2) lassen sich nun aus den gemessenen Werten xc und xs dieWith the help of gin. (1) and (2) can now be calculated from the measured values xc and xs
unbekannten Werte x und y berechnen.calculate unknown values x and y.
Es ergeben sich:The following result:
y = (4 / xc) - 12,24 * (xs/xc) - 4,225y = (4 / x c ) - 12.24 * (xs / xc) - 4.225
x= (0,7347/xc) - 0,1837y - 0,7759x = (0.7347 / xc) - 0.1837y - 0.7759
Darüberhinaus liefert die Elementaranalyse noch den Wasserstoffgehalt XH (Gew.-Anteil) . Dieser wird zur Überprüfung der berechneten Werte x und y herangezogen. Aus x und y ist der Wasserstoffgehalt berechnet und mit dem tatsächlich gemessenen Wert verglichen worden. Es gilt für XH :In addition, the elementary analysis also provides the hydrogen content X H (weight fraction). This is used to check the calculated values x and y. The hydrogen content is calculated from x and y and with the actually measured value was compared. It applies to XH:
xH = (4- x + 3x + 2y) * 1,01 / MFEx H = (4- x + 3x + 2y) * 1.01 / MFE
= (2 + x + y) / (37,67 + 48,55x + 8,921y)= (2 + x + y) / (37.67 + 48.55x + 8.921y)
Die folgende Tabelle enthält die Werte für einige Sulfonierungsversuche, die überwiegend bei gleichen Reaktionszeiten durchgeführt werden:The following table contains the values for some sulfonation tests, which are mainly carried out with the same reaction times:
Reaktions- XC (Z) XS (Z) Sulfonie- y XH, erwartet XH , gemessen zeit, (see) rungsgrad (Z) (Z) x (Z)Reaction- XC (Z) XS (Z) sulfonia- y XH, expected XH, measured time, (segregation rate) (Z) (Z) x (Z)
20 71,80 6,13 19,21 0,3010 5,02 4,9320 71.80 6.13 19.21 0.3010 5.02 4.93
30 68,11 8,01 26,45 0,2084 4,72 4,9130 68.11 8.01 26.45 0.2084 4.72 4.91
35 67,91 8,27 27,39 0,1746 4,66 4,8835 67.91 8.27 27.39 0.1746 4.66 4.88
3. Maßnahme: Überführung eines sulfonierten Copoly(m- phenylen)s in die Na+ -Form3rd measure: Conversion of a sulfonated copoly (m-phenylene) into the Na + form
Eine Probe eines Copoly(m-phenylen) gemäß Beispiel 2b), das mit 30 see Reaktionsdauer sulfoniert worden ist, (Sulfonierungsgrad 26,45%) ist etwa 7 Tage mit einem Über¬ schuß an 0,1N Natronlauge zu rühren. Danach wird abfiltriert und bis zur Neutralität mit destilliertem Wasser, danach mit Methanol und Diethylether gewaschen und anschließend im Vakuum getrocknet. Das Material verliert dabei seine hellgelbe Farbe und geht in ein graues Pulver über. Unter Zugrundelegung der Summenformel C6 H4 . X ( S03 Na ) x * y H2 0A sample of a copoly (m-phenylene) according to Example 2b) which has been sulfonated with a reaction time of 30 seconds (degree of sulfonation 26.45%) is to be stirred for about 7 days with an excess of 0.1N sodium hydroxide solution. It is then filtered off and washed until neutral with distilled water, then with methanol and diethyl ether and then dried in vacuo. The material loses its light yellow color and changes to a gray powder. Based on the empirical formula C 6 H 4 . X (S0 3 Na) x * y H 2 0
werden wie in Beispiel 2b) die Werte für x und y aus der Elementaranalyse berechnet. Es ergeben sich:the values for x and y are calculated from the elementary analysis as in Example 2b). The following result:
y = (4 / xc) - 12,7324 * (xs/xc) - 4,223y = (4 / x c ) - 12.7324 * (x s / x c ) - 4.223
x= (0,7062/xc) - 0,1766y - 0,7458x = (0.7062 / xc) - 0.1766y - 0.7458
ferner gilt für XH :the following also applies to X H :
xH = (4- x + 2y) / (75,35 + 101,03x + 17,84y)x H = (4- x + 2y) / (75.35 + 101.03x + 17.84y)
gemessene Werte: Xc=66,91 %, xs=6,27%, XH=4,56%measured values: Xc = 66.91%, xs = 6.27%, XH = 4.56%
daraus folgt: x=21,03%, y=0,5623, XH , erwarte t =4,61 %from this follows: x = 21.03%, y = 0.5623, XH, e r w a r te t = 4.61%
Angesichts des recht groben Verfahrens zeigen die Sulfonierungsgrade vor und nach der Behandlung mit Natronlauge recht gute Übereinstimmung.In view of the rather coarse process, the degrees of sulfonation before and after the treatment with sodium hydroxide solution show very good agreement.
4. Maßnahme: Herstellung einer Elektrolytmembran aus einem sulfonierten Copoly(m-phenylen)4th measure: Production of an electrolyte membrane from a sulfonated copoly (m-phenylene)
400 mg des gemäß Beispiel 2 sulfonierten Copoly(m- phenylen)s mit 26,5% Sulfonierungsgrad sind mit 4,5 ml N,N-Dimethylformamid zu einem Brei anzurühren. Unter Rühren wird die Mischung in einem Heizbad von 150°C solange erhitzt, bis eine klare, gelbe Lösung entsteht. Diese ist in eine Petrischale einzubringen. Auf einer exakt waagerechten Unterlage wird das Lösungsmittel zunächst 2 Stunden bei 80°C und dann 12 Stunden bei Raumtemperatur abgedampft. Der entstandene Film wird durch Einlegen der Petrischale in destilliertes Wasser von der Unterlage abgelöst, wobei eine gequollene Membran entsteht, deren Dicke bei etwa 72 μm liegt.400 mg of the copoly (m-phenylene) s sulfonated according to Example 2 with a degree of sulfonation of 26.5% are mixed with 4.5 ml of N, N-dimethylformamide to a paste. With stirring the mixture is heated in a heating bath at 150 ° C until a clear, yellow solution is formed. This is to be placed in a petri dish. The solvent is first evaporated off at 80 ° C. for 2 hours and then at room temperature for 12 hours on an exactly horizontal surface. The resulting film is detached from the base by placing the Petri dish in distilled water, creating a swollen membrane, the thickness of which is approximately 72 μm.
5. Maßnahme: Messung der Leitfähigkeit der Polymerelek¬ trolyt-Membran gemäß Maßnahme 45. Measure: Measurement of the conductivity of the polymer electrolyte membrane according to measure 4
Eine gemäß Maßnahme 4 hergestellte Elektrolytmembran wird zunächst 24 Stunden in IN Schwefelsäure äquilibriert. Die Messung erfolgt in 1 N Schwefelsäure in einer Apparatur, bestehend aus zwei durch die Membran getrennten Halbzellen mit Platinelektroden. Gemessen wird mit Wechselstrom der Frequenz 1 kHz . Zunächst wird der Widerstand mehrfach ohne Membran und dann mehrfach mit Membran gemessen und die beiden Mittelwerte gebildet. Durch Differenzbildung Rmit - Rohne wird danach der Einbauwiderstand RMembran der Membran berechnet.An electrolyte membrane produced according to measure 4 is first equilibrated in IN sulfuric acid for 24 hours. The measurement is carried out in 1 N sulfuric acid in an apparatus consisting of two half cells with platinum electrodes separated by the membrane. Measurements are made with an alternating current with a frequency of 1 kHz. First the resistance is measured several times without a membrane and then several times with a membrane and the two mean values are formed. The installation resistance RMembrane of the membrane is then calculated by forming the difference Rmit - Rohne.
Allgemein berechnet sich der Widerstand der Membran ausIn general, the resistance of the membrane is calculated
RM e m b r a n roh d/ARM e m b r a n raw d / A
mit roh = spezifischer Widerstand d = Membrandicke A = Querschnittsfläche der Meßzelle ======> h = RM.nb r.n * A/dwith raw = specific resistance d = membrane thickness A = cross-sectional area of the measuring cell ======> h = R M. nb r . n * A / d
gemessene Werte: RM,nbrarι - 0,09 Ω; d = 72 μm; A = 0,95 cm2 measured values: RM, n brarι - 0.09 Ω; d = 72 µm; A = 0.95 cm 2
= > roh = 12,5 Ωcm.=> raw = 12.5 Ωcm.
Eine Vergleichsmessung mit Nafion 117 liefert einen spezifischen Widerstand von 8,5 Ωcm.A comparison measurement with Nafion 117 provides a specific resistance of 8.5 Ωcm.
6. Maßnahme: Untersuchung des Quellungsverhalten einer gemäß Beispiel 4 hergestellten Polymerelektrolytmembran in Wasser:6. Measure: Examination of the swelling behavior of a polymer electrolyte membrane produced according to Example 4 in water:
Ein Stück einer gemäß Maßnahme 4 hergestellten Membran wird im Vakuumtrockenofen 30 min bei 110°C und 300 hPa getrocknet. Die Masse beträgt 33,3mg. Die Membran wird anschließend 30 min bei Raumtemperatur in Wasser ge¬ quollen. Zur erneuten Wägung wird die Membran nach Entnehmen aus den Wasserbad kurz mit einem Filtrierpapier von anhaftendem Wasser befreit und schnell gewogen. Danach quillt sie 20 min lang bei 80°C und dann 30 min bei 90°C. Zum Schluß wird sie wieder 30 min bei 110°C und 300 hPa getrocknet. Danach beträgt die Masse wieder 33,3 mg. Die bestimmten Werte sind der folgenden Tabelle zu entnehmen. Die Wasseraufnahme ist in % vom Trockengewicht berechnet. Temperatur Masse Wasseraufnahme WasseraufnahmeA piece of a membrane produced according to measure 4 is dried in a vacuum drying oven at 110 ° C. and 300 hPa for 30 minutes. The mass is 33.3 mg. The membrane is then swollen in water for 30 minutes at room temperature. For re-weighing, the membrane is briefly freed of adhering water after removal from the water bath with a filter paper and quickly weighed. It then swells at 80 ° C for 20 minutes and then at 90 ° C for 30 minutes. Finally, it is dried again at 110 ° C and 300 hPa for 30 min. Then the mass is again 33.3 mg. The specific values can be found in the following table. The water absorption is calculated in% of the dry weight. Temperature mass water absorption water absorption
(°C) (mg) (mg) (*)(° C) (mg) (mg) (*)
Raumtemp. 43,0 9,7 29,1Room temp. 43.0 9.7 29.1
80 44,7 11,4 34,280 44.7 11.4 34.2
90 46 12,7 38,190 46 12.7 38.1
Bemerkenswert ist die Tatsache, daß die Membran auch in siedendem Wasser keinen merklichen Verlust ihrer mechanischen Stabilität zeigt. It is remarkable that the membrane shows no noticeable loss of its mechanical stability even in boiling water.
L i t e r a t u r ü b e r s i c h tL i t e r a t u r u b e r s i c h t
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Claims

P a t n t a n s p r ü c h e Patent claims
1. Polymerer Festkörperelektrolyt mit einem Rückgrat, das zumindest teilweise durch ionische Gruppen funktionalisiert ist, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß das Rückgrat des Polymers ein Copoly(m-phenylen) aufweist, das wenigstens 20 Mol-% m-Phenylen-Einheiten enthält und von nachstehender Strukur ist :1. Solid polymer electrolyte with a backbone which is at least partially functionalized by ionic groups, characterized in that the backbone of the polymer has a copoly (m-phenylene) which contains at least 20 mol% m-phenylene units and of the structure below is:
wobei Rl bis R8 Wasserstoff, Aryl, Oxyaryl, Thioaryl,where Rl to R8 are hydrogen, aryl, oxyaryl, thioaryl,
Sulfonaryl, Carbonylaryl, Oxyaryloxyaryl, Hydroxyl oder ionisch dissoziierbare Gruppen sind.Are sulfonaryl, carbonylaryl, oxyaryloxyaryl, hydroxyl or ionically dissociable groups.
2. Polymerer Festkörperelektrolyt nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die dissoziierbaren Gruppen Sulfonyl, Carboxyl oder Phosphoryl sind.2. Solid polymer electrolyte according to claim 1, characterized in that the dissociable groups are sulfonyl, carboxyl or phosphoryl.
3. Polymerer Festkörperelektrolyt nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß m + n dem Polymerisationgrad entspricht und wenigstens 15 beträgt.3. Solid polymer electrolyte according to claim 1 or 2, characterized in that that m + n corresponds to the degree of polymerization and is at least 15.
4. Polymerer Festkörperelektrolyt nach einem der An¬ sprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Struktur des Copoly(m-phenylen)s einer statistischen, alternierenden oder segmentierten Ordnung entspricht.4. Polymeric solid electrolyte according to one of claims 1 to 3, characterized in that the structure of the copoly (m-phenylene) corresponds to a statistical, alternating or segmented order.
5. Polymerer Festkörperelektrolyt nach einem der An¬ sprüche 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Substituenten R2/R3 oder R3/R4 und/oder R5/R6 oder5. Polymeric solid electrolyte according to one of claims 1 to 4, characterized in that the substituents R2 / R3 or R3 / R4 and / or R5 / R6 or
R7/R8 annelierte Arylenringe sind.R7 / R8 are fused arylene rings.
6. Polymerer Festkörperelektrolyt nach einem der An¬ sprüche 1 bis 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß wenigstens einer der 8 Substituenten Rl bis R86. Polymeric solid electrolyte according to one of claims 1 to 5, characterized in that at least one of the 8 substituents R 1 to R 8
Wasserstoff ist.Is hydrogen.
7. Polymerer Festkörperelektrolyt nach einem der An¬ sprüche 1 bis 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß das Polymerrückgrat ein Terpolymer ist.7. Solid polymer electrolyte according to one of claims 1 to 6, characterized in that the polymer backbone is a terpolymer.
8. Polymerer Festkörperelektrolyt nach einem der An¬ sprüche 1 bis 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß das Polymer gemischte Sulfonsaure- und Carbonsäure¬ funktionalitäten enthält. 8. Solid polymer electrolyte according to one of claims 1 to 7, characterized in that the polymer contains mixed sulfonic acid and carboxylic acid functionalities.
9. Polymerer Festkörperelektrolyt nach einem der An¬ sprüche 1 bis 8, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß das Copoly(m-phenyl)en aus 65% 3-Bromphenylboronsäure und 35% 4-Bromphenylboronsäure synthetisiert ist.9. Solid polymer electrolyte according to one of claims 1 to 8, characterized in that the copoly (m-phenyl) is synthesized from 65% 3-bromophenylboronic acid and 35% 4-bromophenylboronic acid.
10. Polymerer Festkörperelektrolyt nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückgrat des Polymers hydrophob ist.10. Solid polymer electrolyte according to one of claims 1 to 9, characterized in that the backbone of the polymer is hydrophobic.
11. Verfahren zur Herstellung eines polymeren Festkörperelektrolytes nach dem Oberbegriff des An¬ spruchs 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß das Polymer ein Copoly(m-phenylen) ist, das unter Zugabe eines Sulfonierungsmittel sulfoniert wird, daß das sulfonierte Copoly(m-phenylen) in einem organischen Lösungsmittel gelöst wird und auf einen Träger aufgebracht wird, auf dem das Lösungsmittel abgedampft wird, daß unter Zugabe von Wasser der auf dem Träger ver¬ bleibende Film abgelöst und aufgequollen wird.11. A method for producing a polymeric solid electrolyte according to the preamble of claim 1, characterized in that the polymer is a copoly (m-phenylene), which is sulfonated with the addition of a sulfonating agent, that the sulfonated copoly (m-phenylene) in is dissolved in an organic solvent and applied to a support on which the solvent is evaporated, that the film remaining on the support is detached and swollen with the addition of water.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß als organisches Lösungsmittel ein dipolar- aprotisches Lösungsmittel verwendet wird, bspw. N,N- Dimethylformamid oder Dimethylsulfoxid.12. The method according to claim 11, characterized in that a dipolar aprotic solvent is used as the organic solvent, for example. N, N-dimethylformamide or dimethyl sulfoxide.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß als Sulfonierungsmittel Chlorsulfonsäure, Oleum, konzentrierte Schwefelsäure, eine Mischung aus Schwefelsäure und Thionylchlorid oder Schwefeltrioxid verwendet wird.13. The method according to claim 11 or 12, characterized in that the sulfonating agent chlorosulfonic acid, oleum, concentrated sulfuric acid, a mixture of Sulfuric acid and thionyl chloride or sulfur trioxide is used.
14. Verwendung des polymeren Festkörperelektrolyts nach einem der Ansprüche 1 bis 9 als Polymerelektrolyt- Membran in Brennstoff- oder in Elektrolytzellen. 14. Use of the polymeric solid electrolyte according to one of claims 1 to 9 as a polymer electrolyte membrane in fuel or in electrolyte cells.
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