FR3161986A1 - proton exchange polymer membrane and its synthesis process by electron bombardment - Google Patents
proton exchange polymer membrane and its synthesis process by electron bombardmentInfo
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Abstract
L’invention concerne un procédé pour préparer une membrane polymère échangeuse de protons contenant un ionomère réticulé, lequel procédé comprend le bombardement électronique d’un ionomère se présentant sous la forme d’un film, l’ionomère étant un polymère à blocs de formule (A-B)n-A , le symbole A représentant un bloc polyvinylaromatique portant des fonctions acides sulfoniques, le symbole B représentant un bloc hydrogéné d’un poly(1,3-diène) ou d’un copolymère comprenant des unités monomères d’un 1,3-diène et d’un monomère vinylaromatique, n étant un entier égal ou supérieur à 1. La membrane destinée à être utilisée dans une pile à combustible ou un électrolyseur présente des bonnes propriétés vis-à-vis de la prise en eau et de la durée de vie. The invention relates to a method for preparing a proton exchange polymer membrane containing a crosslinked ionomer, which method comprises electron bombardment of an ionomer in the form of a film, the ionomer being a block polymer of formula (A-B)n-A, the symbol A representing a polyvinylaromatic block bearing sulfonic acid functional groups, the symbol B representing a hydrogenated block of a poly(1,3-diene) or a copolymer comprising monomer units of a 1,3-diene and a vinylaromatic monomer, n being an integer equal to or greater than 1. The membrane, intended for use in a fuel cell or electrolyzer, exhibits good properties with respect to water uptake and lifespan.
Description
Le domaine de la présente invention est celui des procédés de synthèse d’une membrane polymère échangeuse de protons contenant un ionomère non fluoré et destinée à être utilisée dans un électrolyseur ou une pile à combustible.The field of the present invention is that of the processes for synthesizing a proton exchange polymer membrane containing a non-fluorinated ionomer and intended for use in an electrolyzer or a fuel cell.
Le cœur d’une pile à combustible et d’un électrolyseur est constitué de deux électrodes, une anode et une cathode, d’une couche électrolytique qui sépare les deux électrodes, d’un catalyseur qui est localisé aux interfaces de la couche électrolytique avec chacune des électrodes. Les piles à combustible et les électrolyseurs comprennent une membrane qui constitue la couche électrolytique. Un des éléments constitutifs de la membrane est l’ionomère, polymère qui porte des groupements ioniques ou ionisables. A titre d’exemples d’ionomères utilisables dans les piles à combustibles à membrane échangeuse de protons, on peut citer les polymères portant des fonctions sulfonates ou acides sulfoniques tels que les polymères fluorés comme le Nafion » et les polymères non fluorés comme le « PEMION » ayant un squelette de base polyphénylène.The core of a fuel cell and electrolyzer consists of two electrodes, an anode and a cathode, an electrolytic layer separating them, and a catalyst located at the interfaces between the electrolytic layer and each electrode. Fuel cells and electrolyzers include a membrane that forms the electrolytic layer. One of the membrane's components is the ionomer, a polymer bearing ionic or ionizable groups. Examples of ionomers usable in proton exchange membrane fuel cells include polymers bearing sulfonate or sulfonic acid functional groups, such as fluorinated polymers like Nafion, and non-fluorinated polymers like PEMION, which has a polyphenylene backbone.
Pour disposer d’ionomères non fluorés destinés à être utilisés dans une membrane échangeuse de protons, il est aussi connu de modifier des polymères substantiellement, voire essentiellement, hydrocarbonés à blocs constitués de blocs rigides terminaux reliés à des blocs mous. La modification consiste à introduire dans les blocs rigides des fonctions sulfonates ou acides sulfoniques. On peut par exemple se référer aux documents US 5,468,574 et WO 9532236 qui décrivent la sulfonation de tels polymères à blocs, les blocs rigides étant des polystyrènes et les blocs souples des homopolymères hydrogénés de 1,3-diène ou des copolymères hydrogénés de 1,3-diène et de styrène.To obtain non-fluorinated ionomers for use in proton exchange membranes, it is also known to modify substantially, or even essentially, hydrocarbon block polymers consisting of rigid terminal blocks connected to soft blocks. The modification involves introducing sulfonate or sulfonic acid functional groups into the rigid blocks. For example, reference can be made to US patents 5,468,574 and WO 9532236, which describe the sulfonation of such block polymers, where the rigid blocks are polystyrenes and the soft blocks are hydrogenated homopolymers of 1,3-diene or hydrogenated copolymers of 1,3-diene and styrene.
L’introduction de fonctions sulfonates ou acides sulfoniques dans les blocs rigides conduit à des polymères qui, lorsqu’ils sont exposés à un milieu humide tel que dans une pile à combustible ou un électrolyseur, voient leurs propriétés mécaniques diminuer, ce qui a pour effet de diminuer aussi celles de la membrane les contenant. La diminution des propriétés mécaniques est liée à la capacité de l’ionomère à absorber de l’eau qui augmente avec le nombre de fonctions sulfonates ou acides sulfoniques de l’ionomère. On peut par exemple se référer au document WO 2007010039 qui décrit ce phénomène et propose de modifier les blocs souples au lieu des blocs rigides pour limiter ce phénomène.The introduction of sulfonate or sulfonic acid groups into rigid blocks results in polymers whose mechanical properties decrease when exposed to a humid environment, such as in a fuel cell or electrolyzer. This decrease in mechanical properties also reduces the properties of the membrane containing them. This reduction in mechanical properties is linked to the ionomer's capacity to absorb water, which increases with the number of sulfonate or sulfonic acid groups present in the ionomer. For example, see document WO 2007010039, which describes this phenomenon and suggests modifying flexible blocks instead of rigid ones to mitigate it.
Par ailleurs, une membrane échangeuse de protons est aussi exposée à des agressions chimiques qui sont attribuées à des espèces radicalaires résultant du fonctionnement de la pile ou de l’électrolyseur. Ces agressions chimiques conduisent à une dégradation des performances de la membrane dans le temps et ont pour conséquence de réduire la durée de vie de la membrane et par suite celle de la pile à combustible ou de l’électrolyseur.Furthermore, a proton exchange membrane is also exposed to chemical attack attributed to free radical species resulting from the operation of the fuel cell or electrolyzer. This chemical attack leads to a degradation of the membrane's performance over time, consequently reducing the lifespan of the membrane and, as a result, that of the fuel cell or electrolyzer.
Il existe donc un besoin d’améliorer les propriétés des membranes contenant des ionomères non fluorés.Therefore, there is a need to improve the properties of membranes containing non-fluorinated ionomers.
La Demanderesse a découvert un procédé qui conduit à l’obtention d’une nouvelle membrane comportant un ionomère non fluoré et présentant des propriétés améliorées vis-à-vis de la prise en eau et de la durée de vie.The Applicant has discovered a process that leads to the production of a new membrane containing a non-fluorinated ionomer and exhibiting improved properties with regard to water uptake and lifespan.
Ainsi un premier objet de l’invention est un procédé pour préparer une membrane polymère échangeuse de protons contenant un ionomère réticulé, lequel procédé comprend le bombardement électronique d’un ionomère se présentant sous la forme d’un film, l’ionomère étant un polymère à blocs de formule (I)
(A-B)n-A (I),
le symbole A représentant un bloc polyvinylaromatique portant des fonctions acides sulfoniques,
le symbole B représentant un bloc hydrogéné d’un poly(1,3-diène) ou d’un copolymère comprenant des unités monomères d’un 1,3-diène et d’un monomère vinylaromatique,
n étant un entier égal ou supérieur à 1.Thus, a first object of the invention is a process for preparing a proton exchange polymer membrane containing a crosslinked ionomer, which process comprises electron bombardment of an ionomer in the form of a film, the ionomer being a block polymer of formula (I)
(AB) n -A (I),
the symbol A representing a polyvinylaromatic block bearing sulfonic acid functions,
the symbol B representing a hydrogenated block of a poly(1,3-diene) or a copolymer comprising monomer units of a 1,3-diene and a vinylaromatic monomer,
n being an integer equal to or greater than 1.
L’invention concerne aussi une membrane polymère échangeuse de protons contenant un ionomère réticulé, l’ionomère réticulé étant un polymère à blocs de formule (I) réticulé par bombardement électronique
(A-B)n-A (I),
le symbole A représentant un bloc polyvinylaromatique portant des fonctions acides sulfoniques,
le symbole B représentant un bloc hydrogéné d’un poly(1,3-diène) ou d’un copolymère comprenant des unités monomères d’un 1,3-diène et d’un monomère vinylaromatique,
n étant un entier égal ou supérieur à 1,
laquelle membrane est susceptible d’être obtenue par le procédé conforme à l’invention.The invention also relates to a proton exchange polymer membrane containing a crosslinked ionomer, the crosslinked ionomer being a block polymer of formula (I) crosslinked by electron bombardment
(AB) n -A (I),
the symbol A representing a polyvinylaromatic block bearing sulfonic acid functions,
the symbol B representing a hydrogenated block of a poly(1,3-diene) or a copolymer comprising monomer units of a 1,3-diene and a vinylaromatic monomer,
where n is an integer equal to or greater than 1,
which membrane is capable of being obtained by the process according to the invention.
Un autre objet de l’invention est un ionomère réticulé, polymère à blocs de formule (I) réticulé par bombardement électronique.Another object of the invention is a crosslinked ionomer, block polymer of formula (I) crosslinked by electron bombardment.
Encore un autre objet de l’invention est une pile à combustible ou électrolyseur contenant une membrane conforme à l’invention.Yet another object of the invention is a fuel cell or electrolyzer containing a membrane according to the invention.
Les polymères mentionnés dans la description peuvent être d'origine fossile ou biosourcés. Dans ce dernier cas, ils peuvent être, partiellement ou totalement, issus de la biomasse ou obtenus à partir de matières premières renouvelables issues de la biomasse. De la même manière, ils peuvent également provenir du recyclage de matériaux déjà utilisés, c’est-à-dire qu’ils peuvent être, partiellement ou totalement, issus d’un procédé de recyclage, ou encore obtenus à partir de matières premières elles-mêmes issues d’un procédé de recyclage.The polymers mentioned in the description can be of fossil origin or bio-based. In the latter case, they can be partially or entirely derived from biomass or obtained from renewable raw materials derived from biomass. Similarly, they can also come from the recycling of previously used materials; that is, they can be partially or entirely produced through a recycling process, or obtained from raw materials themselves derived from a recycling process.
Les termes « membranes » et « films » sont bien connus de l’homme du métier du domaine technique. On rappelle que de manière bien connue une membrane est une structure telle que définie par IUPAC, dans « IUPAC recommendations 1996 ». De manière également connue et conformément à la définition donnée dans par IUPAC, le terme « film » est entendu selon la définition donnée par IUPAC dans « IUPAC recommendations 1996 ».The terms "membranes" and "films" are well known to those skilled in the technical field. It is well understood that a membrane is a structure as defined by IUPAC in "IUPAC Recommendations 1996." Similarly, and in accordance with the definition provided by IUPAC, the term "film" is understood according to the definition given by IUPAC in "IUPAC Recommendations 1996."
L’ionomère utile dans le procédé conforme à l’invention est un polymère à blocs portant des fonctions acides sulfoniques de formule (I)
(A-B)n-A (I),
le symbole A représentant un bloc polyvinylaromatique portant des fonctions acides sulfoniques,
le symbole B représentant un bloc hydrogéné d’un poly(1,3-diène) ou d’un copolymère comprenant des unités monomères d’un 1,3-diène et d’un monomère vinylaromatique,
n étant un entier égal ou supérieur à 1.The useful ionomer in the process according to the invention is a block polymer bearing sulfonic acid functions of formula (I)
(AB) n -A (I),
the symbol A representing a polyvinylaromatic block bearing sulfonic acid functions,
the symbol B representing a hydrogenated block of a poly(1,3-diene) or a copolymer comprising monomer units of a 1,3-diene and a vinylaromatic monomer,
n being an integer equal to or greater than 1.
Selon l’un quelconque des modes de réalisation de l’invention, le polymère à blocs de formule (I) est préférentiellement un polymère linéaire.According to any one of the embodiments of the invention, the block polymer of formula (I) is preferably a linear polymer.
De préférence, n est égal à 1, auquel cas le polymère à blocs de formule (I) est un tribloc. Le tribloc est alors de formule A-B-A dans laquelle le symbole A représente un bloc polyvinylaromatique portant des fonctions acides sulfoniques et le symbole B représente un bloc hydrogéné d’un homopolymère d’un 1,3-diène ou d’un copolymère comprenant des unités monomères d’un 1,3-diène et d’un monomère vinylaromatique.Preferably, n is equal to 1, in which case the block polymer of formula (I) is a triblock. The triblock then has the formula A-B-A in which the symbol A represents a polyvinylaromatic block bearing sulfonic acid functions and the symbol B represents a hydrogenated block of a homopolymer of a 1,3-diene or of a copolymer comprising monomer units of a 1,3-diene and a vinylaromatic monomer.
Le bloc polyvinylaromatique de l’ionomère peut être un bloc d’un homopolymère d’un monomère vinylaromatique ou un bloc d’un copolymère de deux ou plusieurs monomères vinylaromatiques. Le monomère vinylaromatique du bloc polyvinylaromatique de l’ionomère est également dénommé « premier vinylaromatique ». Dans la présente invention, on entend par monomère vinylaromatique un monomère de formule Ar-CH=CH2ou Ar-CR=CH2, le symbole Ar représentant un groupement aryle, substitué ou non, et le symbole R un groupement alkyle tel que méthyle. L’aryle représenté par le symbole Ar est de préférence un phényle ou un phényle substitué par un groupement alkyle ayant 1 à 4 atomes de carbone. A titre de monomère vinylaromatique utile aux besoins de l’invention, on peut par exemple citer le styrène, le styrène substitué par un alkyle, en para, en méta ou en ortho ou en alpha. L’alkyle est préférentiellement un alkyle ayant 1 à 4 atomes de carbone. Le bloc polyvinylaromatique est préférentiellement un bloc polystyrène, un bloc polyalphaméthylstyrène ou un bloc copolymère de styrène et d’alphaméthylstyrène. Le bloc copolymère de styrène et d’alphaméthylstyrène peut être statistique, à gradient (en anglais « tapered ») ou bien à blocs.The polyvinylaromatic block of the ionomer can be a block of a homopolymer of a vinylaromatic monomer or a block of a copolymer of two or more vinylaromatic monomers. The vinylaromatic monomer of the polyvinylaromatic block of the ionomer is also referred to as the "first vinylaromatic." In the present invention, the term vinylaromatic monomer means a monomer of the formula Ar-CH= CH₂ or Ar-CR= CH₂ , the symbol Ar representing an aryl group, substituted or unsubstituted, and the symbol R an alkyl group such as methyl. The aryl represented by the symbol Ar is preferably a phenyl or a phenyl substituted with an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms. Examples of vinylaromatic monomers useful for the purposes of the invention include styrene, styrene substituted with an alkyl group, in the para, meta, ortho, or alpha positions. The alkyl group is preferably an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms. The polyvinyl aromatic block is preferably a polystyrene block, a polyalphamethylstyrene block, or a styrene-alphamethylstyrene copolymer block. The styrene-alphamethylstyrene copolymer block can be stochastic, tapered, or block-type.
Le bloc polyvinylaromatique de l’ionomère a aussi pour caractéristique essentielle de porter des fonctions acides sulfoniques. Le bloc polyvinylaromatique de l’ionomère est un bloc polyvinylaromatique qui contient typiquement des unités monomères vinylaromatiques dans lequel le groupement aryle, de préférence phényle, est substitué par une ou plusieurs fonctions acides sulfoniques. En d’autres termes, le bloc polyvinylaromatique qui porte des fonctions acides sulfoniques est un bloc polyvinylaromatique modifié généralement par une réaction de sulfonation. La réaction de sulfonation d’un polyvinylaromatique est une réaction bien connue. On peut par exemple se référer aux documents EP 1840993B1, US 5239010, US 5468574 et US 20070021569 qui décrivent la sulfonation sélective d’un polyvinylaromatique d’un polymère à blocs de formule (I).The polyvinylaromatic block of the ionomer is also characterized by the presence of sulfonic acid functional groups. The polyvinylaromatic block of the ionomer is a polyvinylaromatic block that typically contains vinylaromatic monomer units in which the aryl group, preferably phenyl, is substituted by one or more sulfonic acid functional groups. In other words, the polyvinylaromatic block bearing sulfonic acid functional groups is a polyvinylaromatic block modified generally by a sulfonation reaction. The sulfonation reaction of a polyvinylaromatic is a well-known reaction. For example, reference can be made to documents EP 1840993B1, US 5239010, US 5468574, and US 20070021569, which describe the selective sulfonation of a polyvinylaromatic block of a polymer of formula (I).
Selon l’invention, le bloc représenté par le symbole B est un bloc hydrogéné d’un poly(1,3-diène) ou d’un copolymère comprenant des unités monomères d’un 1,3-diène et d’un monomère vinylaromatique. Le monomère vinylaromatique ou d’un copolymère comprenant des unités monomères d’un 1,3-diène et d’un monomère vinylaromatique est également dénommé « deuxième vinylaromatique ».According to the invention, the block represented by the symbol B is a hydrogenated block of a poly(1,3-diene) or a copolymer comprising monomer units of a 1,3-diene and a vinylaromatic monomer. The vinylaromatic monomer or a copolymer comprising monomer units of a 1,3-diene and a vinylaromatic monomer is also referred to as "second vinylaromatic".
Par bloc hydrogéné d’un poly(1,3-diène) ou d’un copolymère comprenant des unités monomères d’un 1,3-diène et d’un monomère vinylaromatique, on entend un bloc dans lequel les unités monomères du 1,3-diène sont réduites à plus de 95%, préférentiellement à plus de 98%, plus préférentiellement à plus de 99% en mole des unités monomères du 1,3-diène sont réduites. La réaction d’hydrogénation d’un poly(1,3-diène) ou d’un copolymère comprenant des unités monomères d’un 1,3-diène et d’un monomère vinylaromatique est une réaction bien connue. On peut par exemple se référer aux documents EP 1840993B1, US 5239010, US 5468574 et US 20070021569 qui décrivent l’hydrogénation sélective d’un poly(1,3-diène) ou d’un copolymère comprenant des unités monomères d’un 1,3-diène et d’un monomère vinylaromatique d’un polymère à blocs de formule (I).A hydrogenated block of a poly(1,3-diene) or a copolymer comprising monomeric units of a 1,3-diene and a vinylaromatic monomer is defined as a block in which the 1,3-diene monomer units are reduced to more than 95%, preferably more than 98%, and more preferably more than 99% by mole of the 1,3-diene monomer units. The hydrogenation reaction of a poly(1,3-diene) or a copolymer comprising monomeric units of a 1,3-diene and a vinylaromatic monomer is a well-known reaction. For example, reference can be made to documents EP 1840993B1, US 5239010, US 5468574 and US 20070021569 which describe the selective hydrogenation of a poly(1,3-diene) or a copolymer comprising monomer units of a 1,3-diene and a vinylaromatic monomer of a block polymer of formula (I).
Par « un 1,3-diène », on entend un ou plusieurs 1,3-diènes, c’est-à-dire au moins deux 1,3-diènes. Le 1,3-diène contient de préférence 4 à 8 atomes de carbone. Le 1,3-diène est préférentiellement le 1,3-butadiène, l’isoprène ou un mélange de 1,3-butadiène et d’isoprène, plus préférentiellement le 1,3-butadiène.The term "a 1,3-diene" refers to one or more 1,3-dienes, that is, at least two 1,3-dienes. The 1,3-diene preferably contains 4 to 8 carbon atoms. The 1,3-diene is preferably 1,3-butadiene, isoprene, or a mixture of 1,3-butadiene and isoprene, and more preferably 1,3-butadiene.
Selon une première variante, le bloc représenté par le symbole B est un bloc hydrogéné d’un poly(1,3-diène). Dans la présente invention, on entend par poly(1,3-diène) un polymère dont les unités constitutives sont les unités monomères d’un 1,3-diène. Le poly(1,3-diène) est préférentiellement un homopolymère d’un 1,3-diène, auquel cas les unités constitutives du poly(1,3-diène) sont des unités monomères d’un seul 1,3-diène. Le poly(1,3-diène) est plus préférentiellement un homopolymère de 1,3-butadiène.According to a first embodiment, the block represented by the symbol B is a hydrogenated block of poly(1,3-diene). In the present invention, poly(1,3-diene) is understood to be a polymer whose constituent units are the monomeric units of 1,3-diene. Poly(1,3-diene) is preferably a homopolymer of 1,3-diene, in which case the constituent units of poly(1,3-diene) are monomeric units of a single 1,3-diene. Poly(1,3-diene) is more preferably a homopolymer of 1,3-butadiene.
Selon une deuxième variante, le bloc représenté par le symbole B est un bloc hydrogéné d’un copolymère comprenant des unités monomères d’un 1,3-diène et d’un monomère vinylaromatique. Le copolymère comprenant des unités monomères d’un 1,3-diène et d’un monomère vinylaromatique peut être statistique ou à gradient.
Le monomère vinylaromatique constitutif du copolymère comprenant des unités monomères d’un 1,3-diène et d’un monomère vinylaromatique peut-être identique ou non au monomère vinylaromatique du bloc polyvinylaromatique. Le monomère vinylaromatique constitutif du copolymère comprenant des unités monomères d’un 1,3-diène et d’un monomère vinylaromatique est préférentiellement le styrène. Le 1,3-diène constitutif du copolymère comprenant des unités monomères d’un 1,3-diène et d’un monomère vinylaromatique est préférentiellement le 1,3-butadiène.
Le copolymère comprenant des unités monomères d’un 1,3-diène et d’un monomère vinylaromatique contient préférentiellement des unités monomères d’un monomère vinylaromatique dans lequel le groupement aryle, de préférence phényle, est substitué par une ou plusieurs fonctions acides sulfoniques. De préférence, le 1,3-diène et le monomère vinylaromatique du copolymère comprenant des unités monomères d’un 1,3-diène et d’un monomère vinylaromatique sont respectivement le 1,3-butadiène et le styrène. Le copolymère comprenant des unités monomères d’un 1,3-diène et d’un monomère vinylaromatique est avantageusement un copolymère d’un 1,3-diène et d’un monomère vinylaromatique, copolymère dans lequel une partie ou la totalité des unités monomères vinylaromatiques a le groupement aryle, de préférence phényle, substitué par une ou plusieurs fonctions acides sulfoniques.According to a second variant, the block represented by the symbol B is a hydrogenated block of a copolymer comprising monomer units of a 1,3-diene and a vinylaromatic monomer. The copolymer comprising monomer units of a 1,3-diene and a vinylaromatic monomer may be statistical or gradient.
The vinylaromatic monomer constituting the copolymer comprising monomer units of a 1,3-diene and a vinylaromatic monomer may or may not be the same as the vinylaromatic monomer of the polyvinylaromatic block. The vinylaromatic monomer constituting the copolymer comprising monomer units of a 1,3-diene and a vinylaromatic monomer is preferably styrene. The 1,3-diene constituting the copolymer comprising monomer units of a 1,3-diene and a vinylaromatic monomer is preferably 1,3-butadiene.
The copolymer comprising monomeric units of a 1,3-diene and a vinylaromatic monomer preferably contains monomeric units of a vinylaromatic monomer in which the aryl group, preferably phenyl, is substituted by one or more sulfonic acid groups. Preferably, the 1,3-diene and the vinylaromatic monomer of the copolymer comprising monomeric units of a 1,3-diene and a vinylaromatic monomer are 1,3-butadiene and styrene, respectively. The copolymer comprising monomeric units of a 1,3-diene and a vinylaromatic monomer is advantageously a copolymer of a 1,3-diene and a vinylaromatic monomer, in which some or all of the vinylaromatic monomer units have the aryl group, preferably phenyl, substituted by one or more sulfonic acid groups.
La teneur molaire en unités monomères vinylaromatiques et en unités monomères vinylaromatiques substituées par une fonction acide sulfonique dans le bloc hydrogéné d’un copolymère comprenant des unités monomères d’un 1,3-diène et d’un monomère vinylaromatique varie préférentiellement dans un domaine allant de 1% à 25%, plus préférentiellement de 5% à 20% des motifs de répétition constitutifs du bloc hydrogéné.The molar content of vinylaromatic monomer units and of vinylaromatic monomer units substituted by a sulfonic acid function in the hydrogenated block of a copolymer comprising monomer units of a 1,3-diene and a vinylaromatic monomer varies preferentially in a range of 1% to 25%, more preferentially from 5% to 20% of the repeating motifs constituting the hydrogenated block.
Selon l’un quelconque des modes de réalisation de l’invention, le bloc représenté par le symbole B est préférentiellement un bloc hydrogéné d’un homopolymère du 1,3-butadiène ou un bloc hydrogéné d’un copolymère de 1,3-butadiène et de styrène, copolymère dans lequel la totalité ou une partie des unités monomères du styrène a le groupement phényle substitué par une ou plusieurs fonctions acides sulfoniques.According to any one of the embodiments of the invention, the block represented by the symbol B is preferably a hydrogenated block of a homopolymer of 1,3-butadiene or a hydrogenated block of a copolymer of 1,3-butadiene and styrene, a copolymer in which all or part of the monomer units of styrene have the phenyl group substituted by one or more sulfonic acid functions.
Dans l’ionomère, polymère à blocs de formule (I), le bloc représenté par le symbole B représente préférentiellement de 50% à 90% en masse de la masse totale de l’ionomère, polymère à blocs de formule (I), plus préférentiellement de 60% à 80% en masse de la masse totale de l’ionomère, polymère à blocs de formule (I).In the block polymer ionomer of formula (I), the block represented by the symbol B preferentially represents 50% to 90% by mass of the total mass of the block polymer ionomer of formula (I), more preferably 60% to 80% by mass of the total mass of the block polymer ionomer of formula (I).
Le taux de fonctions acides sulfoniques dans l’ionomère, polymère à blocs de formule (I), peut varier dans une large mesure et est ajusté par l’homme du métier selon les performances recherchées de la membrane échangeuse de protons, en particulier en fonction du compromis recherché entre les propriétés de prise en eau et de conductivité ionique. Il est connu qu’une augmentation du taux de fonctions acides sulfoniques dans un ionomère est bénéfique pour la conductivité ionique de la membrane contenant l’ionomère, mais favorise aussi la prise en eau de la membrane. De préférence, le taux de fonctions acides sulfoniques dans l’ionomère est supérieur ou égal à 1.0 méq/g d’ionomère (méq/g, milliéquivalent par gramme) et inférieur ou égal à 3.0 méq/g d’ionomère, l’ionomère étant le polymère à blocs de formule (I).The concentration of sulfonic acid functional groups in the ionomer, a block polymer of formula (I), can vary considerably and is adjusted by those skilled in the art according to the desired performance of the proton exchange membrane, particularly based on the desired trade-off between water uptake and ionic conductivity. It is known that increasing the concentration of sulfonic acid functional groups in an ionomer is beneficial for the ionic conductivity of the membrane containing the ionomer, but also promotes water uptake. Preferably, the concentration of sulfonic acid functional groups in the ionomer is greater than or equal to 1.0 meq/g of ionomer (meq/g, milliequivalents per gram) and less than or equal to 3.0 meq/g of ionomer, the ionomer being the block polymer of formula (I).
La masse molaire moyenne de l’ionomère, polymère à blocs de formule (I), peut varier dans une large mesure et est choisie par l’homme du métier selon les performances recherchées de la membrane échangeuse de protons, en particulier en fonction du compromis recherché entre les propriétés mécaniques et son aptitude à être mise sous la forme d’un film. De préférence, la masse molaire moyenne en nombre de l’ionomère, polymère à blocs de formule (I), est supérieure à 20 000 g/mol et inférieure à 500 000 g/mol en équivalent polystyrène (valeurs déterminées par chromatographie stérique (SEC) couplée à un réfractomètre).The average molar mass of the block polymer ionomer of formula (I) can vary widely and is chosen by those skilled in the art according to the desired performance of the proton exchange membrane, particularly based on the desired compromise between mechanical properties and its ability to be formed into a film. Preferably, the number-average molar mass of the block polymer ionomer of formula (I) is greater than 20,000 g/mol and less than 500,000 g/mol in polystyrene equivalent (values determined by steric chromatography (SEC) coupled with a refractometer).
La masse molaire moyenne du bloc représenté par le symbole A peut varier dans une large mesure et est choisie par l’homme du métier selon les performances recherchées de la membrane échangeuse de protons, en particulier en fonction du compromis recherché entre les propriétés mécaniques et les propriétés de résistance électrique de la membrane. Il est connu qu’une augmentation de sa masse molaire moyenne est bénéfique pour les propriétés mécaniques de la membrane, alors qu’une diminution tend à abaisser la résistance électrique de la membrane. De préférence, la masse molaire moyenne en nombre du bloc représenté par le symbole A est supérieure à 1000 g/mol et inférieure à 100 000 g/mol en équivalent polystyrène (valeurs déterminées par chromatographie stérique (SEC) couplée à un réfractomètre).The average molar mass of the block represented by the symbol A can vary widely and is chosen by those skilled in the art according to the desired performance of the proton exchange membrane, particularly the desired compromise between the membrane's mechanical and electrical resistance properties. It is known that increasing its average molar mass is beneficial for the membrane's mechanical properties, while decreasing it tends to lower the membrane's electrical resistance. Preferably, the number-average molar mass of the block represented by the symbol A is greater than 1000 g/mol and less than 100,000 g/mol in polystyrene equivalent (values determined by steric chromatography (SEC) coupled with a refractometer).
Les valeurs des masses molaires moyennes en nombre de l’ionomère, polymère à blocs de formule (I), sont les valeurs des masses molaires moyennes en nombre du polymère à blocs avant l’introduction des fonctions acides sulfoniques dans le polymère à blocs. De la même manière, les valeurs des masses molaires moyennes en nombre du bloc représenté par le symbole A sont les valeurs des masses molaires moyennes en nombre du bloc représenté par le symbole A avant l’introduction des fonctions acides sulfoniques dans le polymère à blocs.The number-average molar masses of the block polymer ionomer of formula (I) are the number-average molar masses of the block polymer before the introduction of sulfonic acid groups into the block polymer. Similarly, the number-average molar masses of the block represented by the symbol A are the number-average molar masses of the block represented by the symbol A before the introduction of sulfonic acid groups into the block polymer.
L’ionomère, polymère à blocs de formule (I), peut être préparé à partir d’un polymère à blocs de départ. C’est à partir de la masse molaire moyenne en nombre de ce polymère à blocs de départ que la masse molaire moyenne en nombre de l’ionomère peut être déterminée comme mentionné précédemment. Pour former l’ionomère, le polymère à blocs de départ est modifié par une réaction d’hydrogénation sélective des unités monomères du 1,3-diène du polymère à blocs de départ, suivie d’une réaction de sulfonation sélective des unités monomères du monomère vinylaromatique. Le polymère à blocs de départ se différencie du polymère à blocs de formule (I) en ce qu’il ne porte pas de fonctions acides sulfoniques ou sulfonates et que les unités monomères du 1,3-diène ne sont pas réduites. Typiquement, le polymère à blocs est un élastomère thermoplastique, préférentiellement un tribloc. Selon l’un quelconque des modes de réalisation de l’invention, le polymère à blocs de départ est préférentiellement un polymère linéaire.The block polymer ionomer of formula (I) can be prepared from a starting block polymer. The number-average molar mass of the ionomer can be determined from the number-average molar mass of this starting block polymer, as previously mentioned. To form the ionomer, the starting block polymer is modified by a selective hydrogenation reaction of the 1,3-diene monomer units of the starting block polymer, followed by a selective sulfonation reaction of the vinylaromatic monomer units. The starting block polymer differs from the block polymer of formula (I) in that it does not contain sulfonic acid or sulfonate groups and the 1,3-diene monomer units are not reduced. Typically, the block polymer is a thermoplastic elastomer, preferably a triblock. According to any one of the embodiments of the invention, the starting block polymer is preferably a linear polymer.
Le polymère à blocs de départ peut être un produit commercial, disponible par exemple auprès de la société Kraton ou de la société Kuraray, ou peut être préparé selon l’un quelconque des procédés de synthèse connus et décrits ci-après :
- a) polymérisation anionique du 1,3-diène ou sa copolymérisation avec le deuxième vinylaromatique amorcée par un composé dilithié comme l’adduit du diisopropénylbenzène et du sec-butyllithium décrit par exemple dans le document EP1237941 ou le 1,1,4,4-tétraphényI-1,4-dilithiobutane, suivie de la polymérisation du premier vinylaromatique pour former un polymère tribloc, la synthèse de polymères à blocs contenant plus de 3 blocs pouvant être réalisée en poursuivant successivement la polymérisation du 1,3-diène et le cas échéant du deuxième vinylaromatique et celle du premier vinylaromatique ;
- b) polymérisation anionique du premier vinylaromatique amorcée par un composé monolithié comme le butyllithium, suivie de la polymérisation du 1,3-diène ou de sa copolymérisation avec le deuxième vinylaromatique, puis réaction avec un agent de couplage, par exemple un dichlorosilane pour former un tribloc, la synthèse de polymères à blocs contenant plus de 3 blocs pouvant être réalisée en poursuivant successivement la polymérisation du premier vinylaromatique et celle du 1,3-diène et le cas échéant du deuxième vinylaromatique avant la réaction de couplage.The starting block polymer can be a commercial product, available for example from Kraton or Kuraray, or can be prepared according to any of the known synthesis processes described below:
- a) anionic polymerization of 1,3-diene or its copolymerization with the second vinylaromatic initiated by a dilithiated compound such as the diisopropenylbenzene and sec-butyllithium adduct described for example in document EP1237941 or 1,1,4,4-tetraphenyl-1,4-dilithiobutane, followed by the polymerization of the first vinylaromatic to form a triblock polymer, the synthesis of block polymers containing more than 3 blocks being able to be carried out by successively continuing the polymerization of 1,3-diene and where appropriate of the second vinylaromatic and that of the first vinylaromatic;
- b) anionic polymerization of the first vinylaromatic initiated by a monolithic compound such as butyllithium, followed by the polymerization of 1,3-diene or its copolymerization with the second vinylaromatic, then reaction with a coupling agent, for example a dichlorosilane to form a triblock, the synthesis of block polymers containing more than 3 blocks being able to be carried out by successively carrying out the polymerization of the first vinylaromatic and that of 1,3-diene and where appropriate of the second vinylaromatic before the coupling reaction.
L’homme du métier comprend que les modes de préparation du polymère à blocs de départ peuvent conduire à des mélanges contenant le polymère à blocs de départ. Il comprend que le mode de préparation du polymère à blocs de départ selon le procédé b) peut conduire à la formation d’un mélange qui contient le polymère à blocs de départ, un polyvinylaromatique et un dibloc formés respectivement au cours de la troisième étape, de la première étape et de la deuxième étape décrites du procédé. De la même manière, il comprend que le procédé a) peut conduire à un mélange contenant le polymère à blocs de départ et un homopolymère ou un copolymère d’un 1,3-diène formé au cours de la première étape.A person skilled in the art understands that the methods of preparing the starting block polymer can lead to mixtures containing the starting block polymer. They understand that the method of preparing the starting block polymer according to process b) can lead to the formation of a mixture containing the starting block polymer, a polyvinylaromatic compound, and a diblock formed in the third, first, and second steps described in the process, respectively. Similarly, they understand that process a) can lead to a mixture containing the starting block polymer and a homopolymer or copolymer of a 1,3-diene formed in the first step.
Pour la réaction de sulfonation, on peut par exemple se référer aux documents US 5239010, EP 1986257 et WO 2019010290 qui décrivent la sulfonation d’un polymère à blocs hydrogéné ; pour la réaction d’hydrogénation, on peut par exemple se référer au document WO 03008467 qui décrit l’hydrogénation sélective d’un polymère à blocs.For the sulfonation reaction, one can, for example, refer to documents US 5239010, EP 1986257 and WO 2019010290 which describe the sulfonation of a hydrogenated block polymer; for the hydrogenation reaction, one can, for example, refer to document WO 03008467 which describes the selective hydrogenation of a block polymer.
Alternativement, l’ionomère, polymère à blocs de formule (I), peut être préparé par sulfonation d’un produit commercial, disponible par exemple auprès de la société Kraton, par exemple sous l’appellation « Kraton G », ou de la société Kuraray, par exemple sous l’appellation commerciale « SEPTON », lequel produit commercial est un polymère à blocs déjà hydrogéné qui se différencie de l’ionomère en ce qu’il ne porte pas de fonctions acides sulfoniques ou sulfonates.Alternatively, the ionomer, a block polymer of formula (I), can be prepared by sulfonation of a commercial product, available for example from the Kraton company, for example under the name "Kraton G", or from the Kuraray company, for example under the trade name "SEPTON", which commercial product is an already hydrogenated block polymer which differs from the ionomer in that it does not carry sulfonic acid or sulfonate functions.
Lorsqu’un de ces modes de préparation du polymère à blocs de départ conduit à l’obtention d’un mélange contenant le polymère à blocs de départ, les réactions d’hydrogénation et de sulfonation sont généralement menées sur le mélange contenant le polymère à blocs de départ. Dans le cas où les réactions d’hydrogénation et de sulfonation sont menées sur le mélange contenant le polymère à blocs de départ, l’ionomère est obtenu sous la forme d’un mélange et est généralement utilisé sans purification ultérieure.When one of these methods of preparing the starting block polymer results in a mixture containing the starting block polymer, the hydrogenation and sulfonation reactions are generally carried out on the mixture containing the starting block polymer. In cases where the hydrogenation and sulfonation reactions are performed on the mixture containing the starting block polymer, the ionomer is obtained as a mixture and is generally used without further purification.
L’ionomère avant sa réticulation par bombardement électronique (en anglais « e-beam ») se présente sous la forme d’un film. Avant le bombardement électronique, l’ionomère est mis sous la forme d’un film. L’ionomère peut être mis sous la forme d’un film en procédant au dépôt d’une solution ou d’une dispersion contenant l’ionomère sur la surface d’un support pour la recouvrir, suivi d’un séchage, étape d’évaporation du solvant constitutif de la solution ou de la dispersion.
Typiquement, il est préparé une solution ou une dispersion contenant l’ionomère apte à être étalée sur une surface plane d’un support pour former une couche de l’ionomère par d’enduction du support.
La température à laquelle est effectuée l’enduction est choisie par l’homme du métier notamment en fonction de la viscosité de la solution ou de la dispersion contenant l’ionomère, de la température d’ébullition du solvant de la solution ou de la dispersion contenant l’ionomère. L’enduction est réalisée préférentiellement à température proche de la température ambiante, typiquement de 20°C à 25°C, ou à une température supérieure à la température ambiante et inférieure à la température d’ébullition du solvant de la solution ou de la dispersion contenant l’ionomère.
La concentration de la solution ou de la dispersion contenant l’ionomère est ajustée par l’homme du métier notamment en fonction de la solubilité de l’ionomère dans le solvant de la solution ou de la dispersion contenant l’ionomère et en fonction de la viscosité de la solution ou de la dispersion contenant l’ionomère. Le solvant de la solution ou de la dispersion contenant l’ionomère est choisi par l’homme du métier notamment en fonction de la solubilité de l’ionomère dans ledit solvant et en fonction de sa température d’ébullition. La concentration de la solution ou de la dispersion contenant l’ionomère va généralement de 1 à 15% en masse de matière solide.
Le solvant de la solution ou de la dispersion de la dispersion contenant l’ionomère a préférentiellement une température d’ébullition relativement faible, typiquement inférieure ou égale à 100°C, pour pouvoir être éliminé facilement de la couche ou de l’assemblage, notamment par évaporation sous vide, sous courant d’air ou d’un gaz inerte comme l’azote ou l’argon. A titre de solvant conviennent par exemple les éthers, les mélanges d’éthers et d’alcools et les solvants halogénés. Le solvant est choisi préférentiellement parmi le tétrahydrofurane, les mélanges de tétrahydrofurane et d’un alcool, le chloroforme, l’alcool étant préférentiellement l’éthanol.
Le séchage pour éliminer le solvant de la solution ou de la dispersion contenant l’ionomère est réalisé généralement sous vide, sous courant d’air ou d’un gaz inerte comme l’azote ou l’argon, préférentiellement à une température allant de la température ambiante (23°C) à la température d’ébullition du solvant, préférentiellement minorée de 15°C sous courant d’air ou d’un gaz inerte. L’épaisseur de la couche étalée après séchage est préférentiellement inférieure ou égale à 110 µm, plus préférentiellement inférieure ou égale à 90 µm. Elle est préférentiellement supérieure ou égale à 50 µm.The ionomer, before its electron beam crosslinking, is in film form. Prior to electron beam crosslinking, the ionomer is formed into a film. The ionomer can be formed into a film by depositing a solution or dispersion containing the ionomer onto the surface of a substrate to cover it, followed by drying, a step involving the evaporation of the solvent in the solution or dispersion.
Typically, a solution or dispersion containing the ionomer is prepared that is suitable for spreading on a flat surface of a support to form a layer of the ionomer by coating the support.
The coating temperature is chosen by a person skilled in the art, taking into account factors such as the viscosity of the solution or dispersion containing the ionomer, and the boiling point of the solvent in the solution or dispersion containing the ionomer. Coating is preferably carried out at a temperature close to ambient temperature, typically 20°C to 25°C, or at a temperature above ambient temperature but below the boiling point of the solvent in the solution or dispersion containing the ionomer.
The concentration of the solution or dispersion containing the ionomer is adjusted by a person skilled in the art, taking into account the solubility of the ionomer in the solvent and the viscosity of the solution or dispersion. The solvent is selected by a person skilled in the art, taking into account the ionomer's solubility in that solvent and its boiling point. The concentration of the solution or dispersion typically ranges from 1 to 15% by mass of solids.
The solvent for the solution or dispersion containing the ionomer preferably has a relatively low boiling point, typically less than or equal to 100°C, so that it can be easily removed from the layer or assembly, particularly by evaporation under vacuum, air currents, or an inert gas such as nitrogen or argon. Suitable solvents include, for example, ethers, mixtures of ethers and alcohols, and halogenated solvents. The solvent is preferably chosen from tetrahydrofuran, mixtures of tetrahydrofuran and an alcohol, or chloroform, with ethanol being the preferred alcohol.
Drying to remove the solvent from the solution or dispersion containing the ionomer is generally carried out under vacuum, with a stream of air, or with an inert gas such as nitrogen or argon, preferably at a temperature ranging from ambient temperature (23°C) to the boiling point of the solvent, preferably lowered by 15°C under a stream of air or an inert gas. The thickness of the layer spread after drying is preferably less than or equal to 110 µm, more preferably less than or equal to 90 µm. It is preferably greater than or equal to 50 µm.
L’ionomère est récupéré sous la forme d’un stratifié formé par le support et le film ou bien il est décollé de son support. L’ionomère est ensuite exposé à un bombardement électronique qui permet de réticuler l’ionomère.The ionomer is recovered either as a laminate formed by the support and the film, or it is peeled off from its support. The ionomer is then exposed to electron beam bombardment, which crosslinks the ionomer.
Au cours du bombardement électronique, la réticulation de l’ionomère est causée par l’effet radiochimique de l’irradiation. Le bombardement électronique est préférentiellement réalisé en l’absence d’agent de réticulation (en anglais « chemical curing agent »). La dose de bombardement électronique peut varier dans une large mesure et est ajustée par l’homme du métier selon l’épaisseur du film et selon le compromis recherché de propriétés de la membrane que sont la durée de vie, la prise en eau et la conductivité ionique. De préférence, la dose de bombardement électronique est supérieure à 50 kGy et inférieure à 5000 kGy. De manière plus préférentielle, la dose de bombardement électronique est supérieure à 100 kGy et inférieure à 3000 kGy, préférentiellement inférieure à 2000 kGy. de bombardement électronique. Le bombardement électronique peut être réalisé sous air ou sous atmosphère inerte, en général l’azote, de préférence sous atmosphère inerte, de manière plus préférentielle sous azote. Les doses peuvent être délivrées en une seule séquence d’irradiation ou en plusieurs séquences d’irradiation consécutives en fonction de la puissance du dispositif de bombardement électronique utilisé. Le bombardement électronique conduit à un ionomère réticulé sous la forme d’un film.During electron bombardment, the crosslinking of the ionomer is caused by the radiochemical effect of the irradiation. Electron bombardment is preferably carried out in the absence of a crosslinking agent (chemical curing agent). The electron bombardment dose can vary widely and is adjusted by a person skilled in the art according to the film thickness and the desired compromise between membrane properties such as lifetime, water absorption, and ionic conductivity. Preferably, the electron bombardment dose is greater than 50 kGy and less than 5000 kGy. More preferably, the electron bombardment dose is greater than 100 kGy and less than 3000 kGy, preferably less than 2000 kGy. Electron bombardment can be carried out under air or under an inert atmosphere, generally nitrogen, preferably under an inert atmosphere, more preferably under nitrogen. Doses can be delivered in a single irradiation sequence or in several consecutive irradiation sequences, depending on the power of the electron bombardment device used. Electron bombardment results in a cross-linked ionomer in the form of a film.
L’ionomère réticulé, autre objet de l’invention, est un polymère à blocs réticulé par bombardement électronique, le polymère à blocs étant l’un quelconque des polymères à blocs de formule (I) définis dans le procédé qui est relatif à la préparation d’une membrane polymère échangeuse de protons et qui est conforme à l’invention. L’ionomère réticulé constitue la totalité ou une partie, de préférence la totalité, d’une membrane destinée à être utilisée dans une pile à combustible ou un électrolyseur. L’ionomère réticulé par bombardement électronique confère à la membrane qui le contient et qui est conforme à l’invention, des propriétés améliorées vis-à-vis de la prise en eau et de la durée de vie tout en préservant des propriétés de conductivité ionique.The crosslinked ionomer, another object of the invention, is a block polymer crosslinked by electron bombardment, the block polymer being any one of the block polymers of formula (I) defined in the process relating to the preparation of a proton exchange polymer membrane according to the invention. The crosslinked ionomer constitutes all or part, preferably all, of a membrane intended for use in a fuel cell or electrolyzer. The electron bombardment crosslinked ionomer confers to the membrane containing it, which conforms to the invention, improved properties with respect to water uptake and lifespan while preserving ionic conductivity properties.
La membrane conforme à l’invention et susceptible d’être obtenue par le procédé conforme à l’invention est une membrane polymère échangeuse de protons contenant l’ionomère réticulé.The membrane according to the invention and capable of being obtained by the process according to the invention is a proton exchange polymer membrane containing the crosslinked ionomer.
En résumé, l’invention est mise en œuvre avantageusement selon l’un quelconque des modes de réalisation suivants 1 à 36 :In summary, the invention is advantageously implemented according to any one of the following embodiments 1 to 36:
Mode 1 : Procédé pour préparer une membrane polymère échangeuse de protons contenant un ionomère réticulé, lequel procédé comprend le bombardement électronique d’un ionomère se présentant sous la forme d’un film, l’ionomère étant un polymère à blocs de formule (I)
(A-B)n-A (I),
le symbole A représentant un bloc polyvinylaromatique portant des fonctions acides sulfoniques,
le symbole B représentant un bloc hydrogéné d’un poly(1,3-diène) ou d’un copolymère comprenant des unités monomères d’un 1,3-diène et d’un monomère vinylaromatique,
n étant un entier égal ou supérieur à 1.Mode 1: A process for preparing a proton exchange polymer membrane containing a crosslinked ionomer, which process comprises electron bombardment of an ionomer in the form of a film, the ionomer being a block polymer of formula (I)
(AB) n -A (I),
the symbol A representing a polyvinylaromatic block bearing sulfonic acid functions,
the symbol B representing a hydrogenated block of a poly(1,3-diene) or a copolymer comprising monomer units of a 1,3-diene and a vinylaromatic monomer,
n being an integer equal to or greater than 1.
Mode 2 : Procédé selon le mode 1 dans lequel le polymère à blocs de formule (I) est linéaire.Mode 2: Process according to mode 1 in which the block polymer of formula (I) is linear.
Mode 3 : Procédé selon le mode 1 ou 2 dans lequel le polymère à blocs de formule (I) est un tribloc.Mode 3: Process according to mode 1 or 2 in which the block polymer of formula (I) is a triblock.
Mode 4 : Procédé selon l’un quelconque des modes 1 à 3 dans lequel le 1,3-diène est le 1,3-butadiène, l’isoprène ou leur mélange.Mode 4: Process according to any one of modes 1 to 3 in which the 1,3-diene is 1,3-butadiene, isoprene or a mixture thereof.
Mode 5 : Procédé selon l’un quelconque des modes 1 à 4 dans lequel le bloc polyvinylaromatique est un bloc polystyrène, un bloc polyalphaméthylstyrène ou un bloc copolymère de styrène et d’alphaméthylstyrène.Mode 5: Process according to any one of modes 1 to 4 in which the polyvinylaromatic block is a polystyrene block, a polyalphamethylstyrene block or a styrene-alphamethylstyrene copolymer block.
Mode 6 : Procédé selon l’un quelconque des modes 1 à 5 dans lequel le poly(1,3-diène) est un homopolymère du 1,3-butadiène.Mode 6: Process according to any one of modes 1 to 5 in which poly(1,3-diene) is a homopolymer of 1,3-butadiene.
Mode 7 : Procédé selon l’un quelconque des modes 1 à 6 dans lequel le copolymère comprenant des unités monomères d’un 1,3-diène et d’un monomère vinylaromatique est un copolymère d’un 1,3-diène et d’un monomère vinylaromatique, copolymère dans lequel une partie ou la totalité des unités monomères vinylaromatiques a le groupement aryle substitué par une ou plusieurs fonctions acides sulfoniques.Mode 7: A process according to any one of modes 1 to 6 in which the copolymer comprising monomer units of a 1,3-diene and a vinylaromatic monomer is a copolymer of a 1,3-diene and a vinylaromatic monomer, copolymer in which some or all of the vinylaromatic monomer units have the aryl group substituted by one or more sulfonic acid functions.
Mode 8 : Procédé selon le mode 7 dans lequel le groupement aryle est le groupement phényle.Mode 8: Process according to mode 7 in which the aryl group is the phenyl group.
Mode 9 : Procédé selon l’un quelconque des modes 1 à 8 dans lequel la teneur molaire en unités monomères vinylaromatiques et en unités monomères vinylaromatiques substituées par une fonction acide sulfonique dans le bloc hydrogéné d’un copolymère comprenant des unités monomères d’un 1,3-diène et d’un monomère vinylaromatique varie dans un domaine allant de 1% à 25%, préférentiellement de 5% à 20% des motifs de répétition constitutifs du bloc hydrogéné.Mode 9: A process according to any one of modes 1 to 8 in which the molar content of vinylaromatic monomer units and of vinylaromatic monomer units substituted by a sulfonic acid function in the hydrogenated block of a copolymer comprising monomer units of a 1,3-diene and a vinylaromatic monomer varies in the range of 1% to 25%, preferably 5% to 20% of the repeating motifs constituting the hydrogenated block.
Mode 10 : Procédé selon l’un quelconque des modes 1 à 9 dans lequel le 1,3-diène et le monomère vinylaromatique du copolymère comprenant des unités monomères d’un 1,3-diène et d’un monomère vinylaromatique sont respectivement le 1,3-butadiène et le styrène.Mode 10: A process according to any one of modes 1 to 9 in which the 1,3-diene and the vinylaromatic monomer of the copolymer comprising monomer units of a 1,3-diene and a vinylaromatic monomer are respectively 1,3-butadiene and styrene.
Mode 11 : Procédé selon l’un quelconque des modes 1 à 10 dans lequel le bloc représenté par le symbole B représente de 50% à 90% en masse de la masse totale du polymère à blocs de formule (I), préférentiellement de 60% à 80% en masse de la masse totale du polymère à blocs de formule (I).Mode 11: Process according to any one of modes 1 to 10 in which the block represented by the symbol B represents from 50% to 90% by mass of the total mass of the block polymer of formula (I), preferably from 60% to 80% by mass of the total mass of the block polymer of formula (I).
Mode 12 : Procédé selon l’un quelconque des modes 1 à 11 dans lequel le bloc représenté par le symbole B est un bloc hydrogéné d’un homopolymère du 1,3-butadiène ou un bloc hydrogéné d’un copolymère de 1,3-butadiène et de styrène, copolymère dans lequel la totalité ou une partie des unités monomères du styrène a le groupement phényle substitué par une ou plusieurs fonctions acides sulfoniques.Mode 12: A process according to any one of modes 1 to 11 in which the block represented by the symbol B is a hydrogenated block of a homopolymer of 1,3-butadiene or a hydrogenated block of a copolymer of 1,3-butadiene and styrene, a copolymer in which all or part of the monomer units of styrene have the phenyl group substituted by one or more sulfonic acid functions.
Mode 13 : Procédé selon l’un quelconque des modes 1 à 12 dans lequel le taux de fonctions acides sulfoniques dans le polymère à blocs de formule (I) est supérieur ou égal à supérieur ou égal à 1.0 méq/g de polymère à blocs de formule (I) et inférieur ou égal à 3.0 méq/g de polymère à blocs de formule (I).Mode 13: A process according to any one of modes 1 to 12 in which the level of sulfonic acid functions in the block polymer of formula (I) is greater than or equal to greater than or equal to 1.0 meq/g of block polymer of formula (I) and less than or equal to 3.0 meq/g of block polymer of formula (I).
Mode 14 : Procédé selon l’un quelconque des modes 1 à 13 dans lequel le bombardement électronique est réalisé en l’absence d’agent de réticulation.Mode 14: A process according to any one of modes 1 to 13 in which the electronic bombardment is carried out in the absence of a crosslinking agent.
Mode 15 : Procédé selon l’un quelconque des modes 1 à 14 dans lequel la dose de bombardement électronique est supérieure à 50 kGy et inférieure à 5000 kGy.Mode 15: A method according to any one of modes 1 to 14 in which the electronic bombardment dose is greater than 50 kGy and less than 5000 kGy.
Mode 16 : Procédé selon l’un quelconque des modes 1 à 15 dans lequel la dose de bombardement électronique est supérieure à 100 kGy et inférieure à 3000 kGy.Mode 16: A method according to any one of modes 1 to 15 in which the electronic bombardment dose is greater than 100 kGy and less than 3000 kGy.
Mode 17 : Procédé selon le mode 16 dans lequel la dose de bombardement électronique est inférieure à 2000 kGy.Mode 17: A method according to mode 16 in which the electronic bombardment dose is less than 2000 kGy.
Mode 18 : Membrane polymère échangeuse de protons contenant un ionomère réticulé, l’ionomère réticulé étant un polymère à blocs de formule (I) réticulé par bombardement électronique
(A-B)n-A (I),
le symbole A représentant un bloc polyvinylaromatique portant des fonctions acides sulfoniques,
le symbole B représentant un bloc hydrogéné d’un poly(1,3-diène) ou d’un copolymère comprenant des unités monomères d’un 1,3-diène et d’un monomère vinylaromatique,
n étant un entier égal ou supérieur à 1.Mode 18: Proton exchange polymer membrane containing a crosslinked ionomer, the crosslinked ionomer being a block polymer of formula (I) crosslinked by electron bombardment
(AB) n -A (I),
the symbol A representing a polyvinylaromatic block bearing sulfonic acid functions,
the symbol B representing a hydrogenated block of a poly(1,3-diene) or a copolymer comprising monomer units of a 1,3-diene and a vinylaromatic monomer,
n being an integer equal to or greater than 1.
Mode 19 : Membrane selon le mode 18 dans laquelle le polymère à blocs de formule (I) est linéaire.Mode 19: Membrane according to mode 18 in which the block polymer of formula (I) is linear.
Mode 20 : Membrane selon le mode 18 ou 19 dans laquelle le polymère à blocs de formule (I) est un tribloc.Mode 20: Membrane according to mode 18 or 19 in which the block polymer of formula (I) is a triblock.
Mode 21 : Membrane selon l’un quelconque des modes 18 à 20 dans laquelle le 1,3-diène est le 1,3-butadiène, l’isoprène ou leur mélange.Mode 21: Membrane according to any one of modes 18 to 20 in which the 1,3-diene is 1,3-butadiene, isoprene or a mixture thereof.
Mode 22 : Membrane selon l’un quelconque des modes 18 à 21 dans laquelle le bloc polyvinylaromatique est un bloc polystyrène, un bloc polyalphaméthylstyrène ou un bloc copolymère de styrène et d’alphaméthylstyrène.Mode 22: Membrane according to any one of modes 18 to 21 in which the polyvinylaromatic block is a polystyrene block, a polyalphamethylstyrene block or a styrene-alphamethylstyrene copolymer block.
Mode 23 : Membrane selon l’un quelconque des modes 18 à 22 dans laquelle le poly(1,3-diène) est un homopolymère du 1,3-butadiène.Mode 23: Membrane according to any one of modes 18 to 22 in which poly(1,3-diene) is a homopolymer of 1,3-butadiene.
Mode 24 : Membrane selon l’un quelconque des modes 18 à 23 dans laquelle le copolymère comprenant des unités monomères d’un 1,3-diène et d’un monomère vinylaromatique est un copolymère d’un 1,3-diène et d’un monomère vinylaromatique, copolymère dans lequel une partie ou la totalité des unités monomères vinylaromatiques a le groupement aryle substitué par une ou plusieurs fonctions acides sulfoniques.Mode 24: Membrane according to any one of modes 18 to 23 in which the copolymer comprising monomer units of a 1,3-diene and a vinylaromatic monomer is a copolymer of a 1,3-diene and a vinylaromatic monomer, copolymer in which some or all of the vinylaromatic monomer units have the aryl group substituted by one or more sulfonic acid functions.
Mode 25 : Membrane selon l’un quelconque des modes 18 à 24 dans laquelle le groupement aryle est le groupement phényle.Mode 25: Membrane according to any one of modes 18 to 24 in which the aryl group is the phenyl group.
Mode 26 : Membrane selon l’un quelconque des modes 18 à 25 dans laquelle dans lequel la teneur molaire en unités monomères vinylaromatiques et en unités monomères vinylaromatiques substituées par une fonction acide sulfonique dans le bloc hydrogéné d’un copolymère comprenant des unités monomères d’un 1,3-diène et d’un monomère vinylaromatique varie dans un domaine allant de 1% à 25%, préférentiellement de 5% à 20% des motifs de répétition constitutifs du bloc hydrogéné.Mode 26: Membrane according to any one of modes 18 to 25 in which the molar content of vinylaromatic monomer units and of vinylaromatic monomer units substituted by a sulfonic acid function in the hydrogenated block of a copolymer comprising monomer units of a 1,3-diene and a vinylaromatic monomer varies in the range of 1% to 25%, preferably 5% to 20% of the repeating motifs constituting the hydrogenated block.
Mode 27 : Membrane selon l’un quelconque des modes 18 à 26 dans laquelle le 1,3-diène et le monomère vinylaromatique du copolymère comprenant des unités monomères d’un 1,3-diène et d’un monomère vinylaromatique sont respectivement le 1,3-butadiène et le styrène.Mode 27: Membrane according to any one of modes 18 to 26 in which the 1,3-diene and the vinylaromatic monomer of the copolymer comprising monomer units of a 1,3-diene and a vinylaromatic monomer are respectively 1,3-butadiene and styrene.
Mode 28 : Membrane selon l’un quelconque des modes 18 à 27 dans laquelle dans lequel le bloc représenté par le symbole B représente de 50% à 90% en masse de la masse totale du polymère à blocs de formule (I), préférentiellement de 60% à 80% en masse de la masse totale du polymère à blocs de formule (I).Mode 28: Membrane according to any one of modes 18 to 27 in which the block represented by the symbol B represents from 50% to 90% by mass of the total mass of the block polymer of formula (I), preferably from 60% to 80% by mass of the total mass of the block polymer of formula (I).
Mode 29 : Membrane selon l’un quelconque des modes 18 à 28 dans laquelle le bloc représenté par le symbole B est un bloc hydrogéné d’un homopolymère du 1,3-butadiène ou un bloc hydrogéné d’un copolymère de 1,3-butadiène et de styrène, copolymère dans lequel la totalité ou une partie des unités monomères du styrène a le groupement phényle substitué par une ou plusieurs fonctions acides sulfoniques.Mode 29: Membrane according to any one of modes 18 to 28 in which the block represented by the symbol B is a hydrogenated block of a homopolymer of 1,3-butadiene or a hydrogenated block of a copolymer of 1,3-butadiene and styrene, copolymer in which all or part of the monomer units of styrene have the phenyl group substituted by one or more sulfonic acid functions.
Mode 30 : Membrane selon l’un quelconque des modes 18 à 29 dans laquelle le taux de fonctions acides sulfoniques dans le polymère à blocs de formule (I) est supérieur ou égal à supérieur ou égal à 1.0 méq/g de polymère à blocs de formule (I) et inférieur ou égal à 3.0 méq/g de polymère à blocs de formule (I).Mode 30: Membrane according to any one of modes 18 to 29 in which the rate of sulfonic acid functions in the block polymer of formula (I) is greater than or equal to greater than or equal to 1.0 meq/g of block polymer of formula (I) and less than or equal to 3.0 meq/g of block polymer of formula (I).
Mode 31 : Membrane selon l’un quelconque des modes 18 à 30 dans laquelle le bombardement électronique est réalisé en l’absence d’agent de réticulation.Mode 31: Membrane according to any of the modes 18 to 30 in which the electron bombardment is carried out in the absence of a crosslinking agent.
Mode 32 : Membrane selon l’un quelconque des modes 18 à 31 dans laquelle la dose de bombardement électronique est supérieure à 50 kGy et inférieure à 5000 kGy.Mode 32: Membrane according to any of the modes 18 to 31 in which the electron bombardment dose is greater than 50 kGy and less than 5000 kGy.
Mode 33 : Membrane selon l’un quelconque des modes 18 à 32 dans laquelle la dose de bombardement électronique est supérieure à 100 kGy et inférieure à 3000 kGy.Mode 33: Membrane according to any of the modes 18 to 32 in which the electron bombardment dose is greater than 100 kGy and less than 3000 kGy.
Mode 34: Membrane selon l’un quelconque des modes 18 à 33 dans laquelle la dose de bombardement électronique est inférieure à 2000 kGy.Mode 34: Membrane according to any of the modes 18 to 33 in which the electron bombardment dose is less than 2000 kGy.
Mode 35 : Ionomère réticulé, polymère à blocs de formule (I) réticulé par bombardement électronique.
(A-B)n-A (I),
le symbole A représentant un bloc polyvinylaromatique portant des fonctions acides sulfoniques,
le symbole B représentant un bloc hydrogéné d’un poly(1,3-diène) ou d’un copolymère comprenant des unités monomères d’un 1,3-diène et d’un monomère vinylaromatique,
n étant un entier égal ou supérieur à 1.Mode 35: Crosslinked ionomer, block polymer of formula (I) crosslinked by electron bombardment.
(AB) n -A (I),
the symbol A representing a polyvinylaromatic block bearing sulfonic acid functions,
the symbol B representing a hydrogenated block of a poly(1,3-diene) or a copolymer comprising monomer units of a 1,3-diene and a vinylaromatic monomer,
n being an integer equal to or greater than 1.
Mode 36 : Pile à combustible ou électrolyseur contenant une membrane définie selon l’un quelconque des modes 18 à 34 ou une membrane susceptible d’être obtenue par le procédé défini à l’un quelconque des modes 1 à 17.Mode 36: Fuel cell or electrolyzer containing a membrane defined according to any one of modes 18 to 34 or a membrane capable of being obtained by the process defined in any one of modes 1 to 17.
Les caractéristiques précitées de la présente invention, ainsi que d’autres, seront mieux comprises à la lecture de la description suivante de plusieurs exemples de réalisation de l’invention, donnés à titre illustratif.The aforementioned features of the present invention, as well as others, will be better understood upon reading the following description of several examples of embodiments of the invention, given by way of illustration.
Composition molaire des polymères :
Elle est déterminée par analyse de résonance magnétique nucléaire (RMN). Molar composition of polymers:
It is determined by nuclear magnetic resonance (NMR) analysis.
Capacité d’échange ionique (CEI) :
Elle est calculée à partir des données de l’analyse RMN du proton par identification des motifs styrène sulfonés dans le polymère préalablement solubilisé dans du tétrahydrofurane deutéré. En effet, avec le temps de la réaction de sulfonation, le spectre du proton obtenu présente un signal caractéristique des protons en α de la fonction -SO3H qui augmente, en même temps que le signal attribué aux protons du bloc styrène non sulfoné diminue. L’attribution des protons dans le polymère sulfoné, comme illustré dans la formule représentant un SEBS sulfoné m, n, o et p représentant le nombre de chacun des motifs constitutifs du SEBS sulfoné, est utilisée pour quantifier le pourcentage massique de motifs styrènes sulfonés dans le ionomère. Ce dernier est calculé par intégration du signal issu des deux protons notés « 1 » caractéristiques des protons en α de la fonction -SO3H. La CEI est ensuite déterminée en divisant le pourcentage massique de styrènes sulfonés par la masse molaire d’un motif styrène sulfoné (184 g/mol).
Ion exchange capacity (IEC):
It is calculated from proton NMR analysis data by identifying sulfonated styrene motifs in the polymer, which has been previously solubilized in deuterated tetrahydrofuran. Indeed, as the sulfonation reaction progresses, the resulting proton spectrum exhibits a characteristic signal of protons in the α position of the -SO3H group, which increases while the signal attributed to protons in the unsulfonated styrene block decreases. The proton allocation in the sulfonated polymer, as illustrated in the formula representing a sulfonated SEBS (where m, n, o, and p represent the number of each of the constituent motifs of the sulfonated SEBS), is used to quantify the mass percentage of sulfonated styrene motifs in the ionomer. The latter is calculated by integrating the signal from the two protons marked "1" characteristic of the α protons of the -SO 3 H function. The IEC is then determined by dividing the mass percentage of sulfonated styrenes by the molar mass of a sulfonated styrene motif (184 g/mol).
Durée de vie des membranes :
Elle est déterminée par la réaction de Fenton, très communément utilisée comme méthodeex-situpour étudier la dégradation chimique des membranes. Le protocole de dégradation basée sur la réaction de Fenton consiste à immerger les échantillons de membrane dans une solution aqueuse de peroxyde d’hydrogène contenant des traces d’ions ferreux pour amorcer des attaques radicalaires, et de l’acide nitrique. Plus spécifiquement, la concentration en peroxyde d’hydrogène est de 3% en volume pour une concentration en ions ferreux Fe2+de 5 ppm, et la concentration en acide nitrique est 5% en volume. La solution est portée à une température de l’ordre de 80°C, et est changée toutes les 24h. Membrane lifespan:
It is determined by the Fenton reaction, a method commonly used as an ex-situ technique to study the chemical degradation of membranes. The Fenton reaction-based degradation protocol involves immersing membrane samples in an aqueous solution of hydrogen peroxide containing trace amounts of ferrous ions to initiate radical attacks, and nitric acid. More specifically, the hydrogen peroxide concentration is 3% by volume, the ferrous ion concentration ( Fe²⁺) is 5 ppm, and the nitric acid concentration is 5% by volume. The solution is heated to approximately 80°C and changed every 24 hours.
Cette méthode donne une première indication sur la durée de vie d’une membrane quand bien même la vitesse de réaction de dégradation chimique est bien plus élevée que celle dans une pile à combustible.This method provides an initial indication of the lifespan of a membrane, even though the rate of chemical degradation reaction is much higher than that in a fuel cell.
Prise en eau des membranes :
Elle est déterminée par le différentiel de masse entre la membrane immergée pendant 24h dans de l’eau déionisée (résistivité de l’ordre du MΩ.cm-1) et la membrane séchée pendant 24h à 40°C et 100 mb de pression. Le pourcentage massique d’eau absorbée par la membrane (water uptake) est déterminé grâce au calcul suivant :
%WU=(mimmergée-mséchée)/mséchéex 100. Water absorption of the membranes:
It is determined by the mass difference between the membrane immersed for 24 hours in deionized water (resistivity on the order of MΩ.cm⁻¹ ) and the membrane dried for 24 hours at 40°C and 100 mb of pressure. The mass percentage of water absorbed by the membrane (water uptake) is determined using the following calculation:
%WU=(m submerged -m dried )/m dried x 100.
Conductivité ionique des membranes :
Elle est déterminée en mesurant l’impédance électrochimique à travers le plan de la membrane à 30°C et à 30% d’humidité relative, les paramètres de la mesure étant une variation d’amplitude de 50 mV, un potentiel appliqué de 0V. Ionic conductivity of membranes:
It is determined by measuring the electrochemical impedance across the plane of the membrane at 30°C and 30% relative humidity, the measurement parameters being an amplitude variation of 50 mV, an applied potential of 0V.
L’ionomère est préparé par réaction de sulfonation à partir d’un produit commercial selon le mode opératoire suivant :The ionomer is prepared by sulfonation reaction from a commercial product according to the following procedure:
Le produit commercial, « A1536H » de la société Kraton, est un SEBS, polymère à blocs hydrogéné d’un tribloc dont le bloc central est un copolymère de 1,3-butadiène et de styrène et les blocs terminaux sont des polystyrènes, le taux d’hydrogénation des unités butadiène étant supérieur à 99%. Le tableau 1 donne la composition du produit commercial, sa macrostructure (masse molaire moyenne en nombre Mn mesurée par analyse chromatographique à exclusion de taille, calibration PS).The commercial product, "A1536H" from Kraton, is a SEBS, a hydrogenated block polymer of a triblock whose central block is a copolymer of 1,3-butadiene and styrene, and whose terminal blocks are polystyrenes, with the hydrogenation level of the butadiene units exceeding 99%. Table 1 gives the composition of the commercial product, its macrostructure (number-average molar mass Mn measured by size-exclusion chromatography, PS calibration).
Tableau 1 :
(% mol)
(%mol)
(%mol)
(g/mol)
(% mol)
(%mol)
(%mol)
(g/mol)
Préparation d’une solution polymère de SEBS (solution TPE/DCM): le polymère SEBS A1536H est solubilisé dans le dichlorométhane (DCM) dans une bouteille, la concentration en polymère étant de 5% en poids par unité de volume (en anglais w/v), soit 5 g de polymère dans 85 mL de solvant. Preparation of a SEBS polymer solution (TPE/DCM solution) : SEBS A1536H polymer is solubilized in dichloromethane (DCM) in a bottle, the polymer concentration being 5% by weight per unit volume (w/v), i.e. 5 g of polymer in 85 mL of solvent.
Préparation d’une solution de sulfate d’acétyle : dans une autre bouteille, une solution d’anhydride acétique dans le dichlorométhane est réalisée en milieu inerte (le volume de DCM est de 5 équivalents DCM / anhydride acétique).
Preparation of an acetyl sulfate solution : in another bottle, a solution of acetic anhydride in dichloromethane is made in an inert medium (the volume of DCM is 5 equivalents DCM / acetic anhydride).
La solution d’anhydride acétique est maintenue 10 min à 0°C.
Un ajout d’acide sulfurique sur la solution d’anhydride acétique / DCM est réalisé.
Le milieu est maintenu 10min à 0°C pour former le sulfate d’acétyle (solution claire).
La solution acide sulfurique/anhydride acétique/DCM est coulée sur la solution de TPE/DCM (solution rose/violet). La bouteille est inertée à l’azote (3bars).
La solution résultante TPE/sulfate d’acétyle/DCM est ensuite agitée et maintenue à 40°C pendant 3h.
De l’isopropanol est ajouté au milieu réactionnel pour stopper la réaction (1.1 équivalent / acide sulfurique).
La solution résultante est coagulée dans de l’eau distillée (1 volume d’eau / volume total de solution).
Le coagulum est ensuite lavé à l’eau distillée, jusqu’à l’obtention d’une eau de rinçage de pH 6/7 (neutre).
Le produit récupéré est séché à l’étuve à 30°C sous vide pendant 48h.The acetic anhydride solution is maintained at 0°C for 10 minutes.
Sulfuric acid is added to the acetic anhydride/DCM solution.
The medium is maintained at 0°C for 10 minutes to form acetyl sulfate (clear solution).
The sulfuric acid/acetic anhydride/DCM solution is poured onto the TPE/DCM solution (pink/purple solution). The bottle is then inert with nitrogen (3 bar).
The resulting TPE/acetyl sulfate/DCM solution is then stirred and maintained at 40°C for 3 hours.
Isopropanol is added to the reaction medium to stop the reaction (1.1 equivalent / sulfuric acid).
The resulting solution is coagulated in distilled water (1 volume of water / total volume of solution).
The coagulum is then washed with distilled water until a rinsing water of pH 6/7 (neutral) is obtained.
The recovered product is dried in an oven at 30°C under vacuum for 48 hours.
Les taux dans l’ionomère des motifs éthylène, butylène, styrène et styrène substitué par une fonction acide sulfonique (désigné par « styrène sulfoné » dans le tableau 2), sont mesurés par analyse RMN de l’ionomère et figurent dans le tableau 2, ainsi que la capacité d’échange ionique (CEI) exprimée en mole par kilogramme d’ionomère.The levels in the ionomer of the motifs ethylene, butylene, styrene and styrene substituted by a sulfonic acid function (designated as "sulfonated styrene" in Table 2), are measured by NMR analysis of the ionomer and are shown in Table 2, along with the ion exchange capacity (IEC) expressed in moles per kilogram of ionomer.
Tableau 2 :
(%mol)
(%mol)
(%mol)
(%mol)
(mol/kg)
(%mol)
(%mol)
(%mol)
(%mol)
(mol/kg)
Formation des films contenant l’ionomère par enduction :Formation of films containing the ionomer by coating:
Six films F1 à F6 sont préparés selon le mode opératoire suivant :
a) on prépare une solution contenant l’ionomère dans un coupage de solvants THF/éthanol dont les proportions sont indiquées dans le tableau 3,
b) on coule la solution sur un support plan en polytétrafluoroéthylène (PTFE) encadré par deux cales d’une hauteur de 1200 µm pour former une couche de solution d’épaisseur de 1200 µm en passant un racloir,
c) on évapore le solvant à température ambiante pendant 120 minutes sous balayage d’air pour sécher la couche
d) on récupère le film sur son support.Six films F1 to F6 are prepared according to the following procedure:
a) A solution containing the ionomer is prepared in a THF/ethanol solvent mixture, the proportions of which are indicated in Table 3.
b) The solution is poured onto a flat polytetrafluoroethylene (PTFE) support framed by two shims 1200 µm high to form a 1200 µm thick layer of solution by passing a scraper,
c) The solvent is evaporated at room temperature for 120 minutes under air sweep to dry the layer
d) We retrieve the film from its medium.
Les films ont une épaisseur de 90 à 110 µm.The films have a thickness of 90 to 110 µm.
Selon le même opératoire, mais en remplaçant l’ionomère de formule (I) par un ionomère commercial, le « PEMION » de la société Ionomr Innovations Inc., et le coupage de solvants THF/éthanol par le méthanol, on prépare aussi 5 films, F7 à F11. Le « PEMION » de formule (II) a pour squelette de base un polyphénylène substitué par des phényles substitués par des fonctions acides sulfoniques et n’est pas un copolymère à bloc de formule (I) utile aux besoins de l’invention.
According to the same procedure, but replacing the ionomer of formula (I) with a commercial ionomer, "PEMION" from Ionomr Innovations Inc., and the cutting of THF/ethanol solvents with methanol, 5 films, F7 to F11, are also prepared. The "PEMION" of formula (II) has as its basic skeleton a polyphenylene substituted by phenyls substituted by sulfonic acid functions and is not a block copolymer of formula (I) useful for the purposes of the invention.
Pour chacun des films formés, le tableau 3 indique le solvant utilisé et la concentration massique d’ionomère dans la solution.For each of the films formed, Table 3 indicates the solvent used and the mass concentration of ionomer in the solution.
Tableau 3 :
A l’exception des films F1 et F7, les films sur leur support sont exposés à un bombardement électronique (dispositif utilisé EBLab200 du fabricant Skan Stein AG). Pour chacun des films, les doses d’irradiation absorbées figurent dans le tableau 4. Les doses sont exprimées en kiloGray, kGy. Le dispositif pouvant délivrer au maximum 300 kGy par passe, pour les doses supérieures à 300 kGy, les films sont exposés à plusieurs passes :
1 dose de 300 kGy et une dose de 200 kGy pour la dose 2 ;
2 doses de 300 kGy et une dose de 100 kGy pour la dose 3 ;
3 doses de 300 kGy pour la dose 4 ;
4 doses de 300 kGy et une dose de 200 kGy pour la dose 5.With the exception of films F1 and F7, the films on their mounts are subjected to electron bombardment (using the EBLab200 device from manufacturer Skan Stein AG). For each film, the absorbed radiation doses are listed in Table 4. Doses are expressed in kilogray (kGy). Since the device can deliver a maximum of 300 kGy per pass, for doses exceeding 300 kGy, the films are exposed in multiple passes.
1 dose of 300 kGy and a dose of 200 kGy for dose 2;
2 doses of 300 kGy and one dose of 100 kGy for dose 3;
3 doses of 300 kGy for dose 4;
4 doses of 300 kGy and one dose of 200 kGy for dose 5.
Tableau 4 :
Les films F2 à F6 et F8 à F11 ainsi que les films F1 et F6, sont soumis à la réaction de Fenton pour évaluer leur durée de vie en tant que membranes échangeuses de protons. Leurs capacités à absorber l’eau et à conduire des protons sont aussi mesurées. Les résultats figurent dans le tableau 5.Films F2 to F6 and F8 to F11, as well as films F1 and F6, were subjected to the Fenton reaction to evaluate their lifespan as proton exchange membranes. Their water absorption and proton conductivity were also measured. The results are shown in Table 5.
Tableau 5 :
(kGy)
(mn)
(% masse)
(mS/cm)
(kGy)
(mn)
(% mass)
(mS/cm)
Les films F2 à F6 sont des membranes conformes à l’invention et elles sont préparées selon un procédé conforme à l’invention. Les films F8 à F11 ne sont pas des membranes échangeuses de protons conformes à l’invention et elles ne sont pas non plus préparées selon un procédé conforme à l’invention, l’ionomère constitutif de la membrane n’étant pas de formule (I). Le fim F1 n’est pas une membrane conforme à l’invention, car le film F1 n’a pas été exposé au bombardement électronique. Le fim F7 n’est pas non plus une membrane conforme à l’invention pour les deux raisons suivantes : l’ionomère n’est pas de formule (I) et le film n’a pas été exposé au bombardement électronique.Films F2 to F6 are membranes according to the invention and are prepared according to a process according to the invention. Films F8 to F11 are not proton exchange membranes according to the invention, nor are they prepared according to a process according to the invention, as the ionomer constituting the membrane is not of formula (I). Film F1 is not a membrane according to the invention because film F1 has not been exposed to electron bombardment. Film F7 is also not a membrane according to the invention for the following two reasons: the ionomer is not of formula (I) and the film has not been exposed to electron bombardment.
Les membranes F2 à F6 présentent une durée de vie très améliorée par rapport à la membrane F1 et aussi une prise en eau bien plus faible. Ce résultat est obtenu tout en conservant des propriétés de conductivité ionique. Quant aux membranes F8 à F11, il n’est observé ni une amélioration de la durée de vie, ni une diminution de la prise en eau par rapport à la membrane F7 qui soient aussi importantes.Membranes F2 to F6 exhibit a significantly improved lifespan compared to membrane F1, as well as considerably lower water absorption. This result is achieved while maintaining ionic conductivity properties. As for membranes F8 to F11, neither a significant improvement in lifespan nor a reduction in water absorption is observed compared to membrane F7.
Claims (15)
(A-B)n-A (I),
le symbole A représentant un bloc polyvinylaromatique portant des fonctions acides sulfoniques,
le symbole B représentant un bloc hydrogéné d’un poly(1,3-diène) ou d’un copolymère comprenant des unités monomères d’un 1,3-diène et d’un monomère vinylaromatique,
n étant un entier égal ou supérieur à 1.A process for preparing a proton exchange polymer membrane containing a crosslinked ionomer, which process comprises electron bombardment of an ionomer in the form of a film, the ionomer being a block polymer of formula (I)
(AB) n -A (I),
the symbol A representing a polyvinylaromatic block bearing sulfonic acid functions,
the symbol B representing a hydrogenated block of a poly(1,3-diene) or a copolymer comprising monomer units of a 1,3-diene and a vinylaromatic monomer,
n being an integer equal to or greater than 1.
(A-B)n-A (I),
le symbole A représentant un bloc polyvinylaromatique portant des fonctions acides sulfoniques,
le symbole B représentant un bloc hydrogéné d’un poly(1,3-diène) ou d’un copolymère comprenant des unités monomères d’un 1,3-diène et d’un monomère vinylaromatique,
n étant un entier égal ou supérieur à 1
laquelle membrane est susceptible d’être obtenue par le procédé défini à l’une quelconque des revendications 1 à 11.Proton exchange polymer membrane containing a crosslinked ionomer, the crosslinked ionomer being a block polymer of formula (I) crosslinked by electron bombardment
(AB) n -A (I),
the symbol A representing a polyvinylaromatic block bearing sulfonic acid functions,
the symbol B representing a hydrogenated block of a poly(1,3-diene) or a copolymer comprising monomer units of a 1,3-diene and a vinylaromatic monomer,
n being an integer equal to or greater than 1
which membrane is capable of being obtained by the process defined in any one of claims 1 to 11.
(A-B)n-A (I),
le symbole A représentant un bloc polyvinylaromatique portant des fonctions acides sulfoniques,
le symbole B représentant un bloc hydrogéné d’un poly(1,3-diène) ou d’un copolymère comprenant des unités monomères d’un 1,3-diène et d’un monomère vinylaromatique,
n étant un entier égal ou supérieur à 1.Crosslinked ionomer, block polymer of formula (I) crosslinked by electron bombardment
(AB) n -A (I),
the symbol A representing a polyvinylaromatic block bearing sulfonic acid functions,
the symbol B representing a hydrogenated block of a poly(1,3-diene) or a copolymer comprising monomer units of a 1,3-diene and a vinylaromatic monomer,
n being an integer equal to or greater than 1.
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