説明

高均一性複合膜

ePTFEおよびマトリックスポリマーから構成される複合膜であって、ePTFEが約2.16以下の標準比重(SSG)、少なくとも約5.5重量lb(24.5N)の破断強度、および少なくとも約500秒の応力緩和時間を有するポリテトラフルオロエチレン微粉末から形成されている複合膜。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、複合膜に関し、ならびに特に電気化学セルおよびガス分離膜として用いられるのに好適な複合膜に関する。
【背景技術】
【0002】
非多孔性メンブレンは、流れに対してバリアであるが、特定の種に対しては、拡散により選択的に透過性である。例えば、2種類の液体を分離するメンブレンは、全体的なまたは無差別的な液体の混合を防止するが、液体の1つまたは複数の成分の優先的な通過を許容し得る。透過流束は通過率の尺度であり、および選択性は、メンブレンを通過することができる種々の種に対してメンブレンによって示される識別能の尺度である。特定のポリマーが、ガス分離ならびに、燃料電池および電気分解などの電気化学的用途用のメンブレンにおいて用いられている。後者の場合において、ポリマーは、アイオノマー、すなわち、イオン交換能を備えるポリマーである。
【0003】
メンブレンはポリマーフィルムの形態であり得、この場合には、バリアとして作用すると共に輸送に好適な特性に追加して、裂けまたは穴あき、またはメンブレンを挟んだ差圧によって生じる可能性がある場合などの過度の伸張に耐えるのに十分な強度をこれらは有さなければならない。あるいは、ポリマー(複合膜においてマトリックスポリマーともいう)が基材上に支持された複合膜が用いられている。複合体においては、効果的なバリアおよび輸送特性のために必要とされるよりも多くのマトリックスポリマーを用いる必要はない。強度は支持基材によって提供される。支持基材の例は、織布あるいは不織布、または発泡ポリテトラフルオロエチレン(ePTFE、例えばテトラテックス(Tetratex)(登録商標)またはゴアテックス(Gore−Tex)(登録商標)として市販されている)である。これらの基材は多孔性であると共に、共に、ポリマーに積層されており、または表面にコートされておりまたは基材全体にポリマーで含浸されている。
【0004】
ePTFEにマトリックスポリマーを含浸させる、市販のePTFEのポリマー分散体または溶液での処理により形成されるメンブレンは、繰返しの塗布の後においても顕著な曇りを示す。曇りは、コートされていないePTFEの領域、マトリックスポリマーによって完全に充填されていない孔、および/または均一に発泡しなかったPTFEの部分において生じると考えられており、光を散乱させるに十分大きい粒子が残されて曇りの原因となる。このような不完全に充填されたまたはコートされた曇り性(hazy)メンブレンを通過する種(ガス分離に用いられる半透膜におけるガス分子または原子、または電気化学メンブレンにおけるイオンなど)は、メンブレンのこれらのコートされていないまたは未充填の領域によって、それらの流路において妨害されてしまう。メンブレンの有用なエリアはこのため事実上低減され、および透過流束が低減される。また、未充填の孔は、温度変化および圧力変化に伴って膨張しおよび収縮する可能性を有しており、メンブレンにおける内部応力をもたらすと共に、孔におけるポリマーからのePTFEのエレメントの分離をもたらす。このような変化は、さらにメンブレン輸送効率を低減する。
【0005】
マトリックスポリマーでより完全にコートし、および充填することができ、これによりメンブレンを通過中の種に対する妨害を最小限とすることができる基材を見出すことができれば、向上した複合膜を形成することができる。この向上したコーティングおよび充填の尺度は、複合膜における曇価の低減または排除であろう。
【0006】
【特許文献1】米国特許第3,953,566号明細書
【特許文献2】米国特許第3,962,153号明細書
【特許文献3】米国特許第6,177,533号明細書
【特許文献4】米国特許第6,136,933号明細書
【特許文献5】米国特許第3,282,875号明細書
【特許文献6】米国特許第4,358,545号明細書
【特許文献7】米国特許第4,940,525号明細書
【特許文献8】米国特許第4,552,631号明細書
【特許文献9】米国特許第5,663,255号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明は、発泡ポリテトラフルオロエチレンおよびマトリックスポリマーから構成される複合膜であって、発泡ポリテトラフルオロエチレンが、約2.16以下の標準比重(SSG)、少なくとも約5.5重量lb(24.5N)の破断強度、および少なくとも約500秒の応力緩和時間を有するポリテトラフルオロエチレン微粉末から形成されている、複合膜を提供する。
【0008】
本発明による複合膜の好ましい実施形態は、約25%/25μm未満の曇価を有する。この低い値の曇価は、ePTFEの表面が良好にコートされていると共に、ePTFEにおける孔がマトリックスポリマーで実質的に完全に充填されていること、すなわち、曇りに対する顕著な一因となる可能性のある、複合膜におけるePTFEに残留する未充填の孔が実質的にない、ことを意味する。ePTFEのパターンが視認可能である曇り性メンブレンと比して、本発明のこの好ましいメンブレンは、メンブレンを通過する種のより高い透過流束を可能とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【0009】
ここにおいて、約2.16以下の標準比重(SSG)、少なくとも約5.5重量lb(24.5N)の破断強度、および少なくとも約500秒の応力緩和時間を有するテトラフルオロエチレン(TFE)微粉末から形成された発泡ポリテトラフルオロエチレンは、複合膜において用いられた場合、極めて低曇価の複合膜を製造することができることが認められた。上述の通り、市販のePTFEは、複数回マトリックスポリマーでコートされたとしても曇り性メンブレンを与える。曇りは、およそ、0.5〜約5mil(12〜125μm)の範囲の厚さの一次関数である。本発明による好ましいメンブレンにおいて、曇価は、約25%/25μm未満、好ましくは約20%/25μm未満、より好ましくは約15%/25μm未満、および最も好ましくは約10%/25μm未満である。
【0010】
本発明による複合膜において用いられる発泡ポリテトラフルオロエチレン(ePTFE)は、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)微粉末のペースト押出し成形およびその後伸張によるePTFEの製造を包含する、米国特許公報(特許文献1)および米国特許公報(特許文献2)に記載の周知の手法に基づいて形成される。本発明による複合膜について、用いられる(PTFE)微粉末は、約2.16以下の標準比重(SSG)、少なくとも約5.5重量lb(24.5N)の破断強度、および少なくとも約500秒の応力緩和時間を有する。(PTFE)微粉末のこれらの特性およびこれらの計測が米国特許公報(特許文献3)に記載されている。このタイプの好適なPTFE微粉末は、米国特許公報(特許文献4)(比較例C:2.159のSSG、2.54kg力(5.6重量lb、24.9N)の破断強度、および751秒の応力緩和時間を有するPTFE微粉末を開示する)に開示された手法により形成されることができる。このタイプのPTFE微粉末は、米国デラウェア州ウィルミントン(Wilmington,Delaware,U.S.A.)の本願特許出願人から商品名T−601−Aで販売されている。
【0011】
クロルアルカリ電解装置または燃料電池などの電気化学セルに有用なメンブレンは、電気化学技術分野において公知のイオン交換ポリマーをマトリックスポリマーとして用いることにより形成することができる。好ましくは、イオン交換ポリマーはフルオロポリマーであり、およびより好ましくは過フッ素化、すなわち、過フッ素化アイオノマー(パーフルオロイオン交換ポリマー)である。イオン交換ポリマーのイオン交換基は、好ましくはスルホン酸基またはカルボン酸基である。スルホン酸基を有する過フッ素化アイオノマーとしては、例えば、米国特許公報(特許文献5)において、ならびに米国特許公報(特許文献6)および米国特許公報(特許文献7)において開示されたポリマーが挙げられ、およびカルボン酸基を有する過フッ素化アイオノマーとしては、例えば、米国特許公報(特許文献8)において開示されたポリマーが挙げられる。水性アルコール(水/エタノール/プロパノール)媒体中における分散形態の、スルホン酸基を有する好適な過フッ素化アイオノマー樹脂が、ナフィオン(Nafion)(登録商標)溶液として、米国ウィスコンシン州ミルウォーキーのアルドリッチケミカル(Aldrich Chemical Co.、Milwaukee Wisconsin USA)から、および米国デラウェア州ウィルミントン(Wilmington,Delaware,USA)の本願特許出願人から入手可能である。好適な過フッ素化アイオノマーの換算重量は、約800〜1300(1当量の水酸化ナトリウムを中和する、水素イオン(プロトン)形態でのポリマーのグラム)、好ましくは約850〜1200、より好ましくは約850〜1100、最も好ましくは約900〜1050である。
【0012】
分散形態の過フッ素化アイオノマーおよび本明細書において後述されるコーティングプロセスを用いる、電気化学セルにおいて用いられる本発明による複合膜の形成における使用については、過フッ素化アイオノマーは、好ましくは約5〜20重量%の分散体(パーセント固形分)、より好ましくは約5〜15重量%、最も好ましくは約5〜10重量%である。分散体の粘度は、好ましくは約50〜200mPa・sの範囲である。過フッ素化アイオノマーの分散体は、好ましくは約10重量%未満、より好ましくは約5重量%未満、さらにより好ましくは約4重量%未満の水を含有し、および最も好ましくは水は、約2.5重量%〜約0.5重量%の範囲にある。分散体のアルコール性成分は、好ましくは、大気圧で、およそn−ブタノールの沸点以上で、およそn−オクタノールの沸点以下の沸点を有するべきである。好ましくは、アルコール性成分は、これらの混合物を包含する、ブタノール、ペンタノール、およびヘキサノールから選択されるべきであり、選択は、コーティングライン速度および湿度を含む乾燥条件に適応するようなされる。グリコール(好ましくはエチレングリコール)を、乾燥速度を制御するために添加し得る。グリコールは、総アルコール含有量の約20重量%を超えるべきではなく、好ましくは約15重量%以下、およびより好ましくは約10重量%以下である。市販されている分散体の水性アルコール溶剤は、ロータリーエバポレータを用いて所望の溶剤に置き換えることができる。
【0013】
ガス分離における半透膜として有用なメンブレンの形成については、マトリックスポリマー、好ましくはアモルファスポリマー、およびより好ましくはアモルファスフルオロポリマー、および最も好ましくは環含有アモルファスフルオロポリマーは、溶液形態で用いられる。アモルファスフルオロポリマーの例は、テトラフルオロエチレン(TFE)およびヘキサフルオロプロピレン(HFP)の(50重量%HFPである)コポリマーである。このポリマーは、FC−40(3Mインダストリアルケミカルディビジョン(米国ミネソタ州セントポール)(3M Industrial Chemicals Division(St.Paul Minnesota USA))から販売されているフルオリナートエレクトロニックリキッド(Fluorinert electronic liquid)、実質的にパーフルオロ(トリブチルアミン)であると考えられる)、FC−75(3Mインダストリアルケミカルズプロダクトディビジョン(3M Industrial Chemicals Products Division)から販売されているフルオリナートエレクトロニックリキッド(Fluorinert Electronic Liquid)、実質的にパーフルオロ(2−ブチルテトラヒドロフラン)であると考えられる)、またはヘキサフルオロベンゼンなどの、多様なフルオロカーボン溶剤に可溶である。ポリマーおよびその溶液が、米国特許公報(特許文献9)(実施例53および57)に開示されている。環含有アモルファスフルオロポリマーの例としては、テフロン(Teflon)(登録商標)AF1600S2(160℃のガラス転移温度(Tg)を有する、TFEとパーフルオロ−2,2−ジメチル−1,3−ジオキソール(PDD)とのコポリマーのFC−40中の溶液)などの、テフロン(Teflon)(登録商標)AFポリマー(米国デラウェア州ウィルミントン(Wilmington Delaware USA)の本願特許出願人)が挙げられる。テフロン(Teflon)(登録商標)AF溶液についての好ましい粘度は、約5〜1000mPa・sである。これは約1.5〜12重量%の固形分である。
【0014】
ePTFEのマトリックスポリマーでの含浸で得られるコーティングは、浸漬、吹付け、ドローダウンにより、または技術分野において周知である他の手法により塗布され得、続いて乾燥により溶剤が除去され、分散形態にあるいくつかのポリマーについては、十分に加熱して分散体粒子を凝集させる。溶液固形分およびePTFEの厚さに応じて、メンブレンの単位面積あたりのポリマーの所望の充填量を得るために、複数のコーティングが必要となり得る。溶液の塗布量が制御された小規模コーティングについては、実験室規模のドローダウン機器が簡便である。インダストリーテック(Industry Tech)(米国フロリダ州オルズマー(Oldsmar Florida USA))は、巻線ロッドでの制御されたコーティング用に、「ラボラトリードローダウンサンプリングボード(laboratory drawdown sampling boards)」を提供する。ポールN.ガードナー社(Paul N.Gardner Co.,Inc(米国フロリダ州ポンパーノビーチ(Pompano Beach Florida USA))は、多様な固定間隙を備えた未乾燥塗膜塗布機(「8−パス(Path)」)を提供する。
【実施例】
【0015】
比較目的のためのePTFEが、ドナルドソンカンパニー(Donaldson Company)(米国ペンシルベニア州アイビーランド(Ivyland Pennsylvania USA))からテトラテックス(Tetratex)(登録商標)3109として得られる。本発明による複合膜を形成するためのePTFEは、米国特許公報(特許文献4)(比較例C)において開示されている通りに形成したPTFE微粉末を用いて、米国特許公報(特許文献1)および米国特許公報(特許文献2)に開示されている通りに形成される。供給業者は典型的には公称厚さを規定しているが、使用前に厚さは、ePTFEを押しつぶさないように気をつけながら断面の操作型電子顕微鏡写真(SEM)およびマイクロメータにより、使用前に計測される。公称厚さおよび計測値の両方が本願明細書においては報告されている。
【0016】
ePTFEは、溶液を先ず一面に塗布し、マトリックスポリマー分散体または溶液において用いた溶剤に応じた温度および時間で乾燥させ、かつ、分散体または溶液を他の面に塗布し、および乾燥させることによりコートされる。塗布された未乾燥塗膜厚さは、塗布されたポリマーの重量、既知のコーティング溶液のパーセント固形分、およびコーティング溶液密度から推定される。
【0017】
市販のナフィオン(Nafion)(登録商標)分散体、SE−10072、およそ10%固形分、約9:1水:アルコール分散体が用いられる。過フッ素化アイオノマーのSE−10072中の換算重量は990である。ロータリーエバポレータを用いて、水性アルコール溶剤をn−ブタノールおよびエチレングリコールと置換えて、41cps(41mPa・s)の粘度を有する、10.8重量%固形分の、90:10ブタノール:グリコール、1.3重量%の残留水の溶液を形成する。
【0018】
テフロン(Teflon)(登録商標)AF1601は、市販されている(本願特許出願人)、160℃のガラス転移温度(Tg)を有するアモルファスフルオロポリマーであり、固形ポリマーとして、またはフルオロカーボン溶剤中の溶液として入手可能である。実施例において、AFは、パーフルオロオクタン(組成85%パーフルオロオクタン;10%パーフルオロオクチルエチレン、5%パーフルオロヘキシルエチレン)に溶解されて、3重量%溶液および6重量%溶液が形成される。
【0019】
曇価は、米国メリーランド州コロンビア(Columbia MD USA)のBYK−ガードナー(BYK−Gardner)製の、ガードナー曇りガードプラス(Gardner Haze−gard Plus)、カタログ番号4725で、ASTM D1003に準拠して計測される。発光剤CIE−Cが用いられる。3つの計測値を得、および平均値プラスマイナス(±)標準偏差として報告される。
【0020】
(対照例1)
テトラテックス(Tetratex)(登録商標)3109ePTFE、公称0.5mil(12μm)厚、走査型電子顕微鏡写真(SEM)およびマイクロメータによる計測値0.4mil(10μm)厚で、7μmの規定された最大孔径を有するものが用いられる。2インチ(51cm)の直径のディスクをコートする。ディスクは29.9mgの重さで、1.3mgの標準偏差を有する。10.8%固形分の上述のナフィオン(Nafion)(登録商標)分散体の172μmの未乾燥コーティングを、ePTFEのディスクの底面および次いで上面に塗布し、コーティング工程の間に乾燥させる。コートされたePTFEは、40℃で1.4分、次いで60℃で1.4分、および最後に80℃で1.4分乾燥させる。最終的な乾燥総厚は、15.25μmである。コートされたePTFEの断面のSEMによる検査においては、ePTFEはコーティング後には、その前より薄く、コーティング溶液の乾燥および体積の減少に伴うePTFEの収縮性を示していることが見受けられる。
【0021】
コートされたテトラテックス(Tetratex)の目視検査では、より白色の材料および曇りが目視される。曇価が48.7±5.74%(79.8%/25μm)として計測される。
【0022】
(実施例2)
本発明により形成された複合膜において用いられるePTFEが上記に記載されている。このePTFEは、公称8〜10μm厚であり、入手においては0.2mil(5μm)〜0.4mil(10μm)の範囲(SEM計測から得られるとおり)である。ePTFEは、対照例1の手順に従ってコートされる。初期未乾燥コーティング厚は150μmである。コートされたメンブレン厚は15μmである。目視検査では白色材料または曇りは見られなかった。曇価は4.18±0.37%(6.97%/25μm)として計測され、対照例1において見出される曇価よりかなり低い。曇りの原因が不完全にコートされたまたはコートされていない領域、未充填孔、および/またはポリマーにおける不均一性にあると考えられているところ、この実施例は、コーティング後は、複合膜に残留してメンブレンを通る輸送に干渉するまたは温度または温度が変化したときに応力の原因となる、視認可能な材料を有していない、実施例1において用いられたePTFEの優れた性質を示す。
【0023】
(実施例3)
実施例2が、FC−40中の3重量%固形分テフロン(Teflon)(登録商標)AF1600溶液を用いて繰り返される。複合膜は目視検査では清透である。曇価計測は実施例2と同様の結果をもたらす。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
発泡ポリテトラフルオロエチレンおよびマトリックスポリマーから構成される複合膜であって、前記発泡ポリテトラフルオロエチレンが、約2.16以下の標準比重(SSG)、少なくとも約5.5重量lb(24.5N)の破断強度、および少なくとも約500秒の応力緩和時間を有するポリテトラフルオロエチレン微粉末から形成されていることを特徴とする複合膜。
【請求項2】
約25%/25μm未満の曇価(haze)を有することを特徴とする請求項1に記載の複合膜。
【請求項3】
前記マトリックスポリマーがイオン交換ポリマーであることを特徴とする請求項1に記載の複合膜。
【請求項4】
前記イオン交換ポリマーがフルオロポリマーであることを特徴とする請求項3に記載の複合膜。
【請求項5】
前記マトリックスポリマーが半透膜の形成に有用であることを特徴とする請求項1に記載の複合膜。
【請求項6】
前記マトリックスポリマーがアモルファスポリマーであることを特徴とする請求項1に記載の複合膜。
【請求項7】
前記アモルファスポリマーがフルオロポリマーであることを特徴とする請求項6に記載の複合膜。
【請求項8】
発泡ポリテトラフルオロエチレンおよびマトリックスポリマーから構成される複合膜から構成された半透膜であって、前記発泡ポリテトラフルオロエチレンが、約2.16以下の標準比重(SSG)、少なくとも約5.5重量lb(24.5N)の破断強度、および少なくとも約500秒の応力緩和時間を有するポリテトラフルオロエチレン微粉末から形成されていることを特徴とする半透膜。
【請求項9】
約25%/25μm未満の曇価を有することを特徴とする請求項8に記載の半透膜。
【請求項10】
発泡ポリテトラフルオロエチレンおよびマトリックスポリマーとしてのイオン交換ポリマーから構成される複合膜から構成された電気化学セル膜であって、前記発泡ポリテトラフルオロエチレンが、約2.16以下の標準比重(SSG)、少なくとも約5.5重量lb(24.5N)の破断強度、および少なくとも約500秒の応力緩和時間を有するポリテトラフルオロエチレン微粉末から形成されていることを特徴とする電気化学セル膜。
【請求項11】
約25%/25μm未満の曇価を有することを特徴とする請求項10に記載の電気化学セル膜。

【公表番号】特表2008−512551(P2008−512551A)
【公表日】平成20年4月24日(2008.4.24)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−531237(P2007−531237)
【出願日】平成17年8月31日(2005.8.31)
【国際出願番号】PCT/US2005/031163
【国際公開番号】WO2006/031456
【国際公開日】平成18年3月23日(2006.3.23)
【出願人】(390023674)イー・アイ・デュポン・ドウ・ヌムール・アンド・カンパニー (2,692)
【氏名又は名称原語表記】E.I.DU PONT DE NEMOURS AND COMPANY
【Fターム(参考)】