特許 6555124 溶液製膜用支持フィルムおよびそれを用いた電解質膜の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6555124

(24)【登録日】2019年7月19日

(45)【発行日】2019年8月7日

(54)【発明の名称】溶液製膜用支持フィルムおよびそれを用いた電解質膜の製造方法

(51)【国際特許分類】

   C08J 7/12 20060101AFI20190729BHJP

   H01B 13/00 20060101ALI20190729BHJP

   H01B 1/06 20060101ALN20190729BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20190729BHJP

【ＦＩ】

   C08J7/12CFD

   H01B13/00 Z

   !H01B1/06 A

   !H01M8/10

【請求項の数】5

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2015-516926(P2015-516926)

(86)(22)【出願日】2015年3月24日

(86)【国際出願番号】JP2015058856

(87)【国際公開番号】WO2015151922

(87)【国際公開日】20151008

【審査請求日】2018年2月14日

(31)【優先権主張番号】特願2014-71763(P2014-71763)

(32)【優先日】2014年3月31日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000003159

【氏名又は名称】東レ株式会社

(72)【発明者】

【氏名】足立 眞哉

(72)【発明者】

【氏名】出原 大輔

【審査官】 加賀 直人

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０６−１９２４５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１４４９３８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ０８Ｊ ７／１２

Ｈ０１Ｂ １３／００

Ｈ０１Ｂ １／０６

Ｈ０１Ｍ ８／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリフェニレンスルフィド、ポリスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリベンズイミダゾール、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリ塩化ビニルからなる群より選択される１種または２種以上のポリマーから形成されたベースフィルムの少なくとも一方の表面にフッ素原子が導入されてなる溶液製膜用支持フィルムであって、該フッ素原子を導入した表面、すなわち改質表面の、Ｘ線光電子分光法で測定したフッ素原子数／炭素原子数の比が、０．０２以上、０．８以下であり、電解質膜の溶液製膜に用いられる溶液製膜用支持フィルム。

【請求項2】

前記改質表面における水の接触角が、３５°以上、７０°以下である、請求項１に記載の溶液製膜用支持フィルム。

【請求項3】

前記フッ素原子の導入は、前記ベースフィルムをフッ素ガスと接触させることにより行われたものである、請求項１または２に記載の溶液製膜用支持フィルム。

【請求項4】

前記改質表面の、Ｘ線光電子分光法で測定した酸素原子数／炭素原子数の比が、０．１０以上、０．６０以下である、請求項１〜３のいずれかに記載の溶液製膜用支持フィルム。

【請求項5】

工程１：電解質ポリマー溶液を支持フィルムの改質表面に塗布する工程；
工程２：工程１で塗布した電解質ポリマー溶液から溶媒を除去し、電解質ポリマー皮膜を前記改質表面上に形成する工程；
工程３：工程２で得た電解質ポリマー皮膜を、前記支持フィルムごと酸性溶液、塩基性溶液、水および有機溶媒からなる群より選択される一種以上の液体に接触させる工程；
工程４：工程３で得た電解質ポリマー皮膜を前記支持フィルムから剥離する工程；
を有する電解質膜の製造方法であって、前記支持フィルムとして請求項１〜４のいずれかに記載の溶液製膜用支持フィルムを用いることを特徴とする電解質膜の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、特定の表面状態を有する溶液製膜用支持フィルムと、当該溶液製膜用支持フィルムを用いた電解質膜の製造方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

燃料電池は、水素、メタノールなどの燃料を電気化学的に酸化することによって、電気エネルギーを取り出す一種の発電装置であり、近年、クリーンなエネルギー供給源として注目されている。なかでも固体高分子型燃料電池は、標準的な作動温度が１００℃前後と低く、かつ、エネルギー密度が高いことから、比較的小規模の分散型発電施設、自動車や船舶など移動体の発電装置として幅広い応用が期待されている。また、小型移動機器、携帯機器の電源としても注目されており、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの二次電池に替わり、携帯電話やパソコンなどへの搭載が期待されている。

【0003】

燃料電池は通常、発電を担う反応の起こるアノードとカソードの電極と、アノードとカソード間のプロトン伝導体からなる高分子電解質膜とが、膜電極複合体（以降、ＭＥＡと略称することがある。）を構成し、このＭＥＡがセパレータによって挟まれたセルをユニットとして構成されている。具体的には、アノード電極においては、触媒層で燃料ガスが反応してプロトン及び電子を生じ、電子は電極を経て外部回路に送られ、プロトンは電極電解質を介して電解質膜へと伝導する。一方、カソード電極では、触媒層で、酸化ガスと、電解質膜から伝導してきたプロトンと、外部回路から伝導してきた電子とが反応して水を生成する。

【0004】

固体高分子型燃料電池ではエネルギー効率の一層の向上が要求されている。そのためには電極構造を工夫し、電極反応の反応活性点を増加させるとともに、電解質ポリマーを電極触媒層にも配合し、速やかに水素イオンが移動できるようにしている。発生した水素イオンを速やかに対極まで移動できるようにするためには、電極触媒層と電解質膜との接触が良く、また電解質膜自体の膜抵抗を低くする必要がある。そのためには膜厚はできるだけ薄い方が好ましい。

【0005】

このような電解質膜の製造方法は、周知のように溶融製膜法と溶液製膜法とがある。前者は、溶媒を使わずにフィルムを製造することができるが、加熱によりポリマーが変性するという問題がある。一方、後者は、溶液の製造設備や溶媒回収設備等の設備的な問題があるものの、製膜工程中の加熱温度が低くてもよく、ポリマーの変性の問題を回避することができる。また、溶液製膜法は、前者によるフィルムよりも平面性及び平滑性に優れた電解質膜を製造することができるという利点もある。

【0006】

溶液製膜方法は、原料となる有機化合物と溶媒とを含む溶液を支持フィルム上に流延して流延膜を形成した後、乾燥手段により乾燥させてフィルムとし、必要により薬液処理や洗浄処理を実施し、最終的に支持フィルムから製品フィルムを剥離する方法である。電解質膜の製造方法のみならず、光学用途等のポリマーフィルムの製造方法としても幅広く利用されている。

【0007】

例えば、特許文献１では、有機ポリマーを基材上に塗布し乾燥する工程、および得られた有機ポリマーフィルムを基材から剥離せずに液処理する工程を含むことを特徴としている。支持フィルムとしてはポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムが使用されている。また、特許文献２では、厚みムラやシワ、凹凸が生じにくい、特に極薄の高分子電解質膜の製造方法が提供されている。支持フィルムには同じくＰＥＴフィルムが使用されている。さらに、特許文献３では支持フィルムと少なくとも片面に離型性を有するフィルムを積層した基材フィルムが提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２００６−２１１７２号公報

【特許文献2】特開２００８−１８１８５６号公報

【特許文献3】特開２００３−２８５３９６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

電解質膜の製造方法として溶液製膜を選択した場合、使用される支持フィルムの要求項目の中で発明者らが着目した点としては、ポリマー溶液に侵されない耐溶剤性、電解質膜のポリマー溶液を支持フィルムに塗布する際の良好な塗布性、乾燥工程の熱に耐えられる耐熱性、製造工程中、特に酸処理工程や水洗工程などの湿潤工程時におけるポリマー皮膜の意図せぬ剥離が起こらないための早期剥離耐性、さらに、支持フィルムから意図的にポリマー皮膜を剥離する際には容易に剥離できる易剥離性、ポリマー皮膜を汚染することがない低汚染性が挙げられる。

【0010】

しかしながら、特許文献１、２では、ＰＥＴフィルムを使用している。例えば膜厚２５μｍ以下の電解質膜の場合、支持フィルムから電解質膜をはぎ取る際、ＰＥＴフィルムの密着性が高い、すなわち易剥離性がないために、燃料電池に使用した場合に膜劣化の起点となる横筋や皺が電解質膜に入り易い。よって、高品位な電解質膜を高収率で得ることが難しかった。

【0011】

特許文献３記載の技術では、電解質膜製造工程中の酸処理工程や水洗工程などの湿潤工程時に支持フィルムから電解質膜が剥離したり、水泡が生じたりする課題があった。また、支持フィルムとしてポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素系フィルムを使用する場合、支持フィルムが伸びやすく量産性に劣ることが記載されている。さらに、シリコーン樹脂が表面にコートされたポリエステルフィルムなどを支持フィルムとして使用する場合は、支持フィルムのシリコーンで電解質膜が汚染される問題が記載されており、プロトン伝導性の低下や触媒性能の低下がおこる課題があった。

【0012】

本発明は、かかる従来技術の背景に鑑み、ポリマー溶液の塗布性、すなわちポリマー溶液の濡れ性が良く、乾燥工程および酸処理工程や水洗工程などの湿潤工程時でのポリマー皮膜の早期剥離がなく、一方で支持フィルムから意図的にポリマー皮膜を剥離する際の剥離性が良く、さらにポリマー皮膜を汚染することがないことにより、特に電解質膜の支持フィルムとして好適に用いることのできる溶液製膜用支持フィルムを提供せんとするものである。

【課題を解決するための手段】

【0013】

発明者らは、ポリマー溶液の濡れ性と湿潤工程時に剥離しない早期剥離耐性とそれらに相反する易剥離性を両立し、かつポリマー皮膜を汚染せず、安価に製造できる溶液製膜用支持フィルムを鋭意研究し、汎用のポリマーフィルムの表層、すなわち溶液製膜を実施する面、にフッ素原子を特定の割合で導入することで、上記特性の両立が可能なことを発見した。

【0014】

本発明は、かかる課題を解決するために、次のような手段を採用するものである。すなわち、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリフェニレンスルフィド、ポリスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリベンズイミダゾール、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリ塩化ビニルからなる群より選択される１種または２種以上のポリマーから形成されたベースフィルムの少なくとも一方の表面にフッ素原子が導入されてなる溶液製膜用支持フィルムであって、該フッ素原子を導入した表面、すなわち改質表面の、Ｘ線光電子分光法で測定したフッ素原子数／炭素原子数の比が、０．０２以上、０．８以下である溶液製膜用支持フィルムである。

【発明の効果】

【0015】

本発明溶液製膜用支持フィルムは、溶液製膜時のポリマー溶液の塗布性（濡れ性という場合がある）が良く、酸処理工程や水洗工程などの湿潤工程時でのポリマー皮膜の早期剥離がなく、一方で溶液製膜用支持フィルムから意図的にポリマー皮膜を剥離する際の剥離性が良く、さらにポリマー皮膜が汚染されにくいため、高表面品位で不純物の少ないポリマー皮膜の製造用に好適である。例えば、電解質膜、光学フィルムなどの各種機能性フィルム、湿式凝固工程を有する微多孔質膜などの製造用の支持フィルムとして、良塗工性、易剥離性、低汚染性を活かせる用途であれば好適に使用できる。特に、濡れ性、湿潤工程での早期剥離耐性、意図的にポリマー皮膜を剥離する際の剥離性が優れる点から電解質膜の溶液製膜用支持フィルムとして最適である。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】フッ素ガスと接触させて本発明の溶液製膜用支持フィルムを得るための装置の概念図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

＜溶液製膜用支持フィルム＞
本発明の溶液製膜用支持フィルムのベースとなるベースフィルムは、フッ素原子の導入が可能であり、かつ安価であることから、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリフェニレンスルフィド、ポリスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリベンズイミダゾール、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリ塩化ビニルから選択される単独または２種以上のポリマーから形成されるものを用いるとよい。２種以上のポリマーからフィルムを形成する場合には、２種以上のブレンドポリマーからフィルムを形成してもよく、また各ポリマーから形成した層を積層した積層体としてもよい。コストの点からは１種のポリマーからなる単層フィルムを用いることが好ましい。

【0018】

本発明の溶液製膜用支持フィルムは、上記ベースフィルムの少なくとも一方の表面にフッ素原子を導入したものである。本発明において、表面改質とは、ベースフィルムの表面に存在する炭素に結合した水素原子の一部をフッ素の原子に置き換えることを指すものとする。表面改質を行った際には、さらに水酸基やカルボン酸基、スルホン酸基などの導入が伴っていてもよい。水酸基やカルボン酸基、スルホン酸基の導入により、ベースフィルムの表面の接触角を下げることができ、溶液製膜時のポリマー溶液の塗布性（濡れ性）をポリマー溶液の組成や性質により制御可能となる。なお、本明細書において、このフッ素原子を導入した表面を指して単に「改質表面」ということがある。

【0019】

表面改質は、フィルムの片面のみに行われていてもよいし両面とも行われていてもよいが、コストの点からは片面のみ改質することが好ましい。また、製膜のためのポリマー溶液を塗布する部分のみに、局所的にフッ素化されてなるものであってもよい。

【0020】

本発明のフィルムは、フッ素原子を導入した改質表面の、Ｘ線光電子分光法で測定したフッ素原子数／炭素原子数の比が、０．０２以上、０．８以下である。改質表面のフッ素原子数／炭素原子数の比が０．０２以上であることで、改質表面から意図的に製膜後のフィルムを剥離する際の剥離性が良好となり、剥離工程で皺や横筋などが入りにくく、高い表面品位のフィルムを得ることができる。一方、フッ素原子数／炭素原子数の比が０．８以下であれば、フィルムの製造工程に酸処理工程や水洗工程などの湿潤工程時がある場合でも、これらの工程中におけるポリマー皮膜の早期剥離が防止できる。ここでの早期剥離とは意図せず製造工程中に溶液製膜用支持フィルムから製品フィルムの一部が剥離または浮いてしまう現象で、製造工程中にポリマー皮膜に皺が発生したり破損したりする原因となる。なお、これらの観点から、改質表面のフッ素原子数／炭素原子数の比は、０．０３以上であることが好ましく、０．０４以上であることがより好ましい。また０．５以下であることが好ましく、０．２７以下であることがより好ましい。

【0021】

本発明のフィルムは、フッ素原子を導入した改質表面の、Ｘ線光電子分光法で測定した酸素原子数／炭素原子数の比が、０．１０以上０．６０以下であることが好ましい。酸素原子数／炭素原子数の比が０．１０以上であることで、溶液製膜用支持フィルムとして用いた場合に改質表面へのポリマー溶液の塗布性（濡れ性）が良好となる。また、酸素原子数／炭素原子数の比が０．６０以下であることで、改質表面から意図的に製膜後のフィルムを剥離する際の剥離性が良好となる。例えば、ポリエチレンテレフタレートをベースフィルムに使用する場合、改質表面の酸素原子数／炭素原子数の比が、０．４０以上０．５０以下が、濡れ性と剥離性のバランスの観点から好ましい。

【0022】

Ｘ線光電子分光法では、超高真空中においた試料表面に軟Ｘ線を照射し、表面から放出される光電子をアナライザーで検出する。超高真空下で試料表面にX線を照射すると、光電効果により表面から光電子が真空中に放出される。その光電子の運動エネルギーを観測すると、その表面の元素組成や化学状態に関する情報を得ることができる。
E_b=hν−E_kin−φ_sp（式１)
式1のE_bは束縛電子の結合エネルギー、hνは軟X線のエネルギー、E_kinは光電子の運動エネルギー、φは分光器の仕事関数となる。ここで束縛電子の結合エネルギー(E_b)は元素固有のものとなる。よって光電子のエネルギースペクトルを解析すれば、物質表面に存在する元素の同定が可能となる。光電子が物質中を進むことができる長さ（平均自由行程）が数nmであることから、本分析手法における検出深さは数nmとなる。すなわち、本発明において、改質表面のフッ素原子数／炭素原子数の比および酸素原子数／炭素原子数の比は表面より数nmの深さの原子数比である。

【0023】

Ｘ線光電子分光法では物質中の束縛電子の結合エネルギー値から表面の原子情報が、また各ピークのエネルギーシフトから価数や結合状態に関する情報が得られる。さらにピーク面積比を用いて原子数の比を求めることができる。本発明で用いたＸ線光電子分光法の測定条件は下記のとおりである。

【0024】

装置：Quantera SXM（米国PHI 社製）
励起X 線：monochromatic Al Kα1,2 線（1486.6 eV）
X 線径：100μm（分析領域：100μｍφ）
光電子脱出角度：45 °（試料表面に対する検出器の傾き）
スムージング：9 points smoothing
横軸補正：C1s ピークメインピークを284.6 eV に合わせた。

【0025】

また、改質表面は、水の接触角（θ）が３５°以上、７５°以下であることが好ましい。接触角が３５°以上であれば溶液製膜用支持フィルムから意図的にポリマー皮膜を剥離する際の剥離性が良好となる。接触角が７５°以下であれば、ポリマー溶液などを塗布する際に、塗布ムラが発生しにくく表面品位の良好なポリマー皮膜が得られる。接触角は固体の液体による濡れを表す最も直感的な尺度である。本発明では液滴法で測定した値を採用した。具体的には、ＪＩＳ Ｒ３２５７に準拠して実施した。ガラスの代わりに本発明の溶液製膜用支持フィルムの改質表面に水を滴下し、改質表面と形成した液滴との接触点における液滴の接線と、改質表面とのなす角度を測定した。

【0026】

本発明の溶液製膜用支持フィルムの厚みは製造する電解質膜の厚みや製造装置により適宜決定でき、特に制限はないが、５μｍ〜５００μｍがハンドリングの観点から好ましい。また、生産性、コストや乾燥時の変形などの低減効果より５０μｍ〜２００μｍの厚みがより好ましい。

【0027】

＜溶液製膜用支持フィルムの製造方法＞
本発明の溶液製膜用支持フィルムの製造方法は特に限定されず、公知の様々な方法を用いることができる。例えば、フッ素ガスによる直接フッ素化反応のほか、高原子価金属フッ化物によるフッ素化、ハロゲン交換反応を主体とした間接フッ素化、電解法によるフッ素化などが挙げられる（有機合成化学 第３１巻 第６号（１９７３）４４１頁〜４５４頁）。これらの中でも、量産性、導入量の制御性の観点から、ベースフィルムをフッ素ガスと接触させることによる直接フッ素化反応が好ましく適用できる。

【0028】

フッ素ガスによるフッ素原子の導入量の制御は、フッ素ガスを含む気体中のフッ素ガス濃度、フッ素ガスを含む気体の温度や圧力、フィルムを連続的に処理する場合におけるフィルムの搬送速度などを調整することにより、使用する機器や設備に応じて当業者は適宜実験的に決定することができる。連続溶液製膜の支持フィルムなど量産性が必要な用途には、コスト、品質安定性の観点から、ベースフィルムを連続的に搬送しながらフッ素ガスと接触させることにより表面改質を行うことが好ましい。

【0029】

図１に、フィルムを連続的に搬送しながらフッ素ガスと接触させる装置の一例を概念図として示す。フィルム基材６を巻出し部４から巻き取り部５に連続的に搬送しながら、ガス供給口１とガス排出口２を備えたフッ素ガス接触室３で表面改質を実施する。支持ロール７はフッ素ガスの漏洩を最小限にとどめるよう構成される。また、支持ロール７にヒーターやクーラントを内蔵することで、フッ素化反応における温調が可能となる。

【0030】

＜電解質膜の製造方法＞
以下、本発明の溶液製膜用支持フィルムを用いた電解質膜の製造方法について説明する。本発明の溶液製膜用支持フィルムは、
工程１：電解質ポリマー溶液を支持フィルムの改質表面に塗布する工程；
工程２：工程１で塗布した電解質ポリマー溶液から溶媒を除去し、電解質ポリマー皮膜を改質表面上に形成する工程；
工程３：工程２で得た電解質ポリマー皮膜を、支持フィルムごと酸性溶液、塩基性溶液、水および有機溶媒からなる群より選択される一種以上の液体に接触させる工程；
工程４：支持フィルムから工程３で得た電解質ポリマー皮膜を剥離する工程；
を有する電解質膜の製造方法における支持フィルムとして好適に用いることができる。ここで、「電解質ポリマー」には、後の処理により電解質となる電解質前駆体ポリマーも含まれるものとする。

【0031】

上記工程３などの湿潤工程では、支持フィルムから電解質ポリマー皮膜が早期剥離すると電解質膜が破れたり皺が発生したりする。本発明の溶液製膜用支持フィルムを支持フィルムとして使用すると、このような早期剥離をすることなく製造可能となる。

【0032】

上記電解質膜の製造方法は、酸性基密度が１．０ｍｍｏｌ／ｇ以上の電解質膜を連続的に作製する際に好適である。これは、支持フィルムから剥離せず酸性溶液等に接触させることで、膨潤による膜の破断や乾燥時の皺や表面欠陥を防止できるためである。酸性基密度が１．５ｍｍｏｌ／ｇ以上、３．５ｍｍｏｌ／ｇ以下の電解質膜を連続的に製造する場合には、上記製造方法は特に好適である。

【0033】

また、製造する電解質膜の厚みが薄い場合も、酸性基密度の大小に関わらず、上記電解質膜の製造方法を用いることが好ましい。電解質ポリマー皮膜単独では液体膨潤時の機械的強度が低下し製造時の膜の破断が発生しやすくなり、乾燥時に皺が入り表面欠陥が発生しやすくなるので、電解質膜を支持フィルムから剥離した後に酸性溶液との接触等の湿潤工程を行う方法では、これらの現象を防止するための搬送系が高価になる傾向にあるためである。具体的には、乾燥時で厚み３０μｍ以下の電解質膜を製造する場合は、電解質膜または電解質膜前駆体を剥離することなく酸性溶液との接触を行なう必要性が特に高くなり、厚み２０μｍ以下の場合には一層高くなる。

【0034】

また、電解質膜に触媒層を転写する工程、または触媒インクを塗布する工程や、触媒付き電極基材を加熱プレス等で電解質膜と貼り合わせる工程の際には、支持フィルムから電解質膜を剥離する工程が含まれる。支持フィルムと電解質膜の密着性が強すぎると上手く剥離できず、皺や膜破れが発生してしまうことがある。しかし、本発明の溶液製膜用支持フィルムを支持フィルムとして使用すると、電解質膜を剥離する際の剥離性が良く、皺や膜破れなどの欠陥を少なくすることができる。

【0035】

上記のような製造方法により好適に製造される電解質膜の例としては、イオン性基含有ポリフェニレンオキシド、イオン性基含有ポリエーテルケトン、イオン性基含有ポリエーテルエーテルケトン、イオン性基含有ポリエーテルスルホン、イオン性基含有ポリエーテルエーテルスルホン、イオン性基含有ポリエーテルホスフィンオキシド、イオン性基含有ポリエーテルエーテルホスフィンオキシド、イオン性基含有ポリフェニレンスルフィド、イオン性基含有ポリアミド、イオン性基含有ポリイミド、イオン性基含有ポリエーテルイミド、イオン性基含有ポリイミダゾール、イオン性基含有ポリオキサゾール、イオン性基含有ポリフェニレンなどの、イオン性基を有する芳香族炭化水素系ポリマー、フルオロアルキルエーテル側鎖とフルオロアルキル主鎖とから構成されるイオン性基を有するパーフルオロ系イオン伝導性ポリマーが挙げられる。

【0036】

ここでのイオン性基は、スルホン酸基（−ＳＯ₂（ＯＨ））、硫酸基（−ＯＳＯ₂（ＯＨ））、スルホンイミド基（−ＳＯ₂ＮＨＳＯ₂Ｒ（Ｒは有機基を表す。））、ホスホン酸基（−ＰＯ（ＯＨ）₂）、リン酸基（−ＯＰＯ（ＯＨ）₂）、カルボン酸基（−ＣＯ（ＯＨ））およびこれらの金属塩からなる群より選択される一種以上を好ましく採用することができる。中でも、高プロトン伝導度の点から少なくともスルホン酸基、スルホンイミド基、硫酸基、ホスホン酸基のいずれかを有することがより好ましく、耐加水分解性の点から少なくともスルホン酸基を有することが最も好ましい。

【0037】

溶液製膜時は、製膜装置の材質による不純物の混入や、加熱によるイオン性基の分解を軽減するために、これらのイオン性基は金属塩として導入しておくことが好ましく、この場合、製膜後に酸性溶液と接触させることで、金属塩をプロトンに置換してイオン性基に変換することができる。金属塩を形成する金属は、イオン性基と塩を形成しうるものであればよい。価格および環境負荷の点からはＬｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｗなどが好ましく、これらの中でもＬｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａがより好ましく、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋがさらに好ましい。

【0038】

電解質膜へのイオン性基の導入は、重合後のポリマーにイオン性基の金属塩または誘導体を導入する方法で行ってもよく、あるいはモノマーにイオン性基の金属塩を導入後、該モノマーを重合する方法で行っても構わない。

【0039】

また、電解質前駆体ポリマーを用いる場合、電解質前駆体ポリマーは加水分解性基を含有してもよい。ここでの加水分解性基とは、少なくとも一部を後の工程で除去または変性することを目的に一次的に導入される置換基をいい、例えば溶液製膜過程での結晶化を阻害するため、溶解性を高めるための加水分解性基を導入し、製膜後に加水分解する態様が挙げられる。

【0040】

加水分解性基を含有する電解質前駆体ポリマーを用いた電解質膜の製造方法としては、例えば結晶性のポリエーテルケトンのケトン部位にアセタールまたはケタール部位で保護し、立体障害により結晶性を崩し溶媒に可溶化することが挙げられる。この、ポリエーテルケトンの芳香環の一部にイオン性基を導入した加水分解性基とイオン性基を含有する電解質とすることにより、電解質前駆体ポリマー溶液の作製と基材への塗工が容易になり、加水分解性基を酸処理で加水分解しケトン結合に戻すことにより、耐水性、耐溶剤性の優れた電解質膜を得ることができる。また、加水分解性基は加熱、電子線などで除去することも可能である。なお、本発明と同じ思想で、可溶性を付与するために加水分解性基以外の保護基を採用しても差し支えない。電解質膜の連続生産性の観点から加水分解性基が最も好ましい。加水分解性基の具体例としては、特開２００６−５６１１０３号公報等に記載のものが挙げられる。

【0041】

溶液製膜で使用する溶剤は電解質ポリマーを溶解または分散できれば特に制限なく適宜実験的に選択できる。例えば、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、ジメチルスルホキシド、スルホラン、１，３−ジメチル−２−イミダゾリジノン、ヘキサメチルホスホントリアミド等の非プロトン性極性溶媒、γ−ブチロラクトン、酢酸ブチルなどのエステル系溶媒、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートなどのカーボネート系溶媒、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等のアルキレングリコールモノアルキルエーテルが好適に用いられ、単独でも二種以上の混合物でもよい。

【0042】

また、電解質ポリマー溶液の粘度調整にメタノール、イソプロパノールなどのアルコール系溶媒、アセトン、メチルエチルケトン等のケトン系溶媒、酢酸エチル、酢酸ブチル、乳酸エチル等のエステル系溶媒、ヘキサン、シクロヘキサンなどの炭化水素系溶媒、ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素系溶媒、クロロホルム、ジクロロメタン、１，２−ジクロロエタン、ジクロロメタン、パークロロエチレン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼンなどのハロゲン化炭化水素系溶媒、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、１，４−ジオキサンなどのエーテル系溶媒、アセトニトリルなどのニトリル系溶媒、ニトロメタン、ニトロエタン等のニトロ化炭化水素系溶媒、などの各種低沸点溶剤も混合して使用できる。

【0043】

電解質ポリマー溶液の塗工方法としては公知の方法が採用でき、ナイフコート、ダイレクトロールコート（コンマコート）、グラビアコート、スプレーコート、刷毛塗り、ディップコート、ダイコート、バキュームダイコート、カーテンコート、フローコート、スピンコート、リバースコート、スクリーン印刷などの手法が適用でき、連続塗工はダイコートや、コンマコートが好適である。

【0044】

本発明の支持フィルム上に塗布されたポリマー皮膜からの溶媒の蒸発は、加熱、熱風、赤外線ヒーター等の公知の方法が選択できる。溶媒の乾燥時間や温度、風速、風向など適宜実験的に決めることができる。

【0045】

また、湿潤工程として酸性溶液と電解質前駆体ポリマーからなるポリマー皮膜を接触させる工程を有する場合、酸性溶液としては通常公知の溶液が使用でき、塩酸、硫酸、燐酸、硝酸など無機酸の水溶液が好適である。特に生産性や作業性の観点から硫酸が好ましい。酸性溶液の濃度、温度は適宜実験的に決定できるが、作業性、生産性の観点からく、濃度は０．１％〜３０％の水溶液が好ましく、１％〜２０％がさらに好ましい。温度は、室温〜８０℃の範囲で処理時間の短縮のためには４０℃以上が好ましい。

【0046】

酸性溶液とポリマー皮膜を接触させる方法としては、支持フィルムとポリマー皮膜を連続的に剥離しながら酸性溶液槽に導く方法や、枚葉に切断し、専用の枠に固定しバッチ式で酸性溶液槽に浸漬する方法が挙げられる。

【0047】

酸性溶液とポリマー皮膜を接触させる工程の後、遊離酸の洗浄工程、液滴除去工程、を有するが、これらも公知の方法が採用でき、遊離酸の洗浄は、水槽への浸漬、シャワーなどを組み合わせ、洗浄液がｐＨ６〜８となるまで洗浄する事が好ましい。

【0048】

液滴除去工程は圧空等の気体を吹き付ける方法や、布やスポンジロールや不織布ロールで液滴を吸収したり、該ロールに減圧ポンプ等を組み合わせて吸引したりする方法が好ましい。

【0049】

液滴除去後の乾燥工程は主に電解質膜の水分をコントロールする目的で実施し、乾燥条件等は後の工程の要求により適宜実験的に決定される。皺や反り、破れ等が発生しない条件が好ましい。特に皺防止としては、枠張りや、テンターおよびサクションロールなどで膜を固定する方法が挙げられ、乾燥による膜の収縮を防ぐことができる。連続処理では、テンターおよびサクションロールが好ましい。

【実施例】

【0050】

以下、実施例によりポリエチレンテレフタレートフィルムを基材とした溶液製膜用支持フィルムについて実施例により本発明をさらに詳しく説明する。本発明はこれらに限定されるものではない。ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリフェニレンスルフィド、ポリスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリベンズイミダゾール、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリ塩化ビニルの表面改質も本実施例に準じて作製できる。なお、各物性の測定条件は次の通りである。

【0051】

（１）フィルム表面のフッ素原子数／炭素原子数の比（Ｆ／Ｃ比）
本発明では、Ｘ線光電子分光法で測定した値を採用する。光電子が物質中を進むことができる長さ（平均自由行程）が数nm であることから、本分析手法における検出深さは数nm となり、本発明のフッ素原子数／炭素原子数の比は表面より数nmの深さの原子比であり、炭素原子基準で（Ｃ／Ｃ＝１）表した。Ｘ線光電子分光法の測定条件の一例を下記する。なお、酸素原子数／炭素原子数の比（Ｏ／Ｃ比）も同方法で取得できる。

【0052】

装置：Quantera SXM（米国PHI 社製）
励起X 線：monochromatic Al Kα1,2 線（1486.6 eV）
X 線径：100μm（分析領域：100μｍφ）
光電子脱出角度：45 °（試料表面に対する検出器の傾き）
スムージング：9 points smoothing
横軸補正：C1s ピークメインピークを284.6 eV に合わせた。

【0053】

（２）水の接触角
水に対する接触角は、ＪＩＳ−Ｒ３２５７（１９９９）に準拠した方法で測定した。

【0054】

（３）濡れ性評価
２０重量％のスルホン化ポリエーテルケトンの前駆体（特開２００６−５６１１０３号公報等参考）とＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）からなるポリマー溶液を溶液製膜用支持フィルム上に流延塗布し乾燥前の塗布膜の表面品位を目視観察で評価した。

【0055】

（４）耐早期剥離性評価
上記の濡れ性を評価後、１００℃で乾燥し、湿潤工程として６０℃の１０重量％硫酸水溶液に１０分間浸漬し、ついで純水に３０分浸漬し、溶液製膜用支持フィルム上からポリマー皮膜の剥離の有無を目視観察で評価した。

【0056】

（５）易剥離性評価
上記耐早期剥離性を評価後、８０℃で水分を乾燥し、溶液製膜用支持フィルム上からポリマー皮膜を手動で剥離し、はぎ取ったポリマー皮膜の皺の状態を目視観察で評価した。

【0057】

［実施例１］
ＰＥＴフィルム （東レ株式会社製“ルミラー”（登録商標）−Ｔ６０、厚み１２５μｍ）をフッ素ガスおよび空気供給口と排気口を備えた２０Ｌのステンレス製圧力容器に入れ、窒素ガスを流速１００ｍｌ／ｍｉｎで吹き込んで１時間パージした後、フッ素／ 空気＝１０／９０（体積比）混合ガスを流速１０ｍｌ／ ｍ ｉ ｎで吹き込み１０分間反応させた。引き続き窒素ガスを流速１００ｍｌ／ｍｉｎで吹き込んで１時間パージしてから容器を開封し、溶液製膜用支持フィルムＡを得た。

【0058】

溶液製膜用支持フィルムＡの処理面のフッ素原子数／炭素原子数の比、酸素原子数／炭素原子数の比と水の接触角および濡れ性、耐早期剥離性、易剥離性を表１にまとめた。

【0059】

［実施例２、３、４、５、比較例１］
実施例１の、フッ素／ 空気混合ガスの比率または吹き込み時間を変えて製造し、溶液製膜用支持フィルムＢ〜Ｆを得た。これらのフッ素原子数／炭素原子数の比、酸素原子数／炭素原子数の比と水の接触角および濡れ性、耐早期剥離性、易剥離性を表１にまとめた。

【0060】

［実施例６］
搬送速度制御が可能なロール状のフィルムの巻出し部と、巻き取り部を有し、その間にフッ素および空気ガス供給口と排気口を備えたフッ素ガスとの接触室を有する連続フッ素表面処理装置を用い、搬送速度１ｍ／ｍｉｎでフッ素ガスとの接触室にフッ素／空気＝３０／７０（体積比）混合ガス１０ｍｌ／ｍｉｎで吹き込みながら連続的にＰＥＴフィルム （東レ株式会社製“ルミラー”（登録商標）−Ｔ６０、厚み１２５μｍ）の表面改質を実施し、溶液製膜用支持フィルムＧの連続処理膜を得た。溶液製膜用支持フィルムＧの処理面のフッ素原子数／炭素原子数の比、酸素原子数／炭素原子数の比と水の接触角および濡れ性、耐早期剥離性、易剥離性を表１にまとめた。

【0061】

［比較例２］
実施例６においてＰＥＴフィルム （東レ株式会社製“ルミラー”（登録商標）−Ｔ６０、厚み１２５μｍ）をポリテトラフルオロエチレンフィルムに変更した以外は同様に実施した。フッ素原子数／炭素原子数の比、酸素原子数／炭素原子数の比と水の接触角および濡れ性、耐早期剥離性、易剥離性を表１にまとめた。の比と水の接触角および濡れ性、耐早期剥離性、易剥離性を表１にまとめた。

【0062】

［溶液製膜用支持フィルムの使用例］
２０重量％のスルホン化ポリエーテルケトンの前駆体（特開２００６−５６１１０３号公報等参考）とＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）からなるポリマー溶液をスリットダイコーターで連続的に溶液製膜用支持フィルムＧの表面改質面上に流延塗布し、１５０℃の熱風乾燥炉で溶媒を除去して、厚み１２μｍのスルホン化ポリエーテルケトンの前駆体の皮膜を溶液製膜用支持フィルムＧの上に形成した。このときポリマー溶液の濡れ性は良好ではじき等の欠陥がなく、乾燥時にスルホン化ポリエーテルケトンの前駆体の皮膜の早期剥離も見られなかった。

【0063】

次にスルホン化ポリエーテルケトンの前駆体皮膜を溶液製膜用支持フィルムＧごと連続的に６０℃の１０重量％の硫酸水溶液に３０分間浸漬し、純水で洗浄液が中性になるまで繰り返し洗浄し、８０℃で１０分乾燥した。このとき、スルホン化ポリエーテルケトン皮膜は溶液製膜用支持フィルムＧから早期剥離せず、皺や膜の破損がなく良好な表面品位であった。

【0064】

溶液製膜用支持フィルムＡからスルホン化ポリエーテルケトン電解質膜を手動で剥離する際、容易に剥離でき、皺などの表面欠陥の少ない厚み１０μｍのスルホン化ポリエーテルケトン電解質膜が得られた。

【0065】

【表1】

【符号の説明】

【0066】

１ ガス供給口
２ ガス排出口
３ フッ素ガス接触室
４ フィルム巻出し部
５ フィルム巻き取り部
６ フィルム基材
７ 支持ロール

【図1】