JP7765711B2 - 硬化性樹脂組成物、燃料電池およびシール方法 - Google Patents
硬化性樹脂組成物、燃料電池およびシール方法Info
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Description
(A)成分:1以上の(メタ)アクリロイル基と、-[CH2C(CH3)2]-単位と、を含むポリイソブチレン樹脂
(B)成分:ラジカル重合開始剤
(C)成分:メトキシシリル基、エトキシシリル基および(メタ)アクリロイル基をいずれも有さないシリコーン化合物を含み、有機溶剤を含まない消泡剤。
本発明に用いられる(A)成分とは、1以上の(メタ)アクリロイル基と、-[CH2C(CH3)2]-単位と、を含むポリイソブチレン骨格を有するポリマーであれば特に限定されるものではない。(A)成分としては、例えば、-[CH2C(CH3)2]-単位(ポリイソブチレン骨格)を有すればよく、「-[CH2C(CH3)2]-単位以外の他の構成単位」をさらに含むポリマーであってもよい。(A)成分は、-[CH2C(CH3)2]-単位を、構成単位全量に対して、例えば70質量%以上含み、好ましくは75質量%以上含み、より好ましくは80質量%以上含むことが適当である。また、(A)成分は、-[CH2C(CH3)2]-単位を、例えば100質量%以下含み、別の態様では95質量%以下含み、また別の態様では90質量%以下含むことが適当である。(A)成分は、(メタ)アクリロイル基を、好ましくは1~12個、より好ましくは2~8個、さらに好ましくは2~4個、特に好ましくは2個有することが適当である。なお、本発明において、ポリマーとは、理論にとらわれないが、例えば、ポリマーの主鎖にモノマーの繰り返し単位を伴う構造で、100以上の繰り返し単位からなる化合物を指すと定義できる。また、(メタ)アクリロイル基は分子の側鎖、および/または、末端のいずれに存在していてもかまわないが、ゴム弾性の点から、分子の末端に存在することが好ましい。
本発明で使用することができる(B)成分は、ラジカル重合開始剤である。このような(B)成分としては、光ラジカル重合開始剤、有機過酸化物(熱ラジカル重合開始剤)等が挙げられる。本発明のラジカル硬化性樹脂組成物の硬化形態は、本発明の(B)成分の選択により、光硬化、熱硬化又はレドックス硬化を選択することが可能である。例えば、ラジカル硬化性樹脂組成物に関して「光硬化性」を付与したい場合は、光ラジカル重合開始剤を選択し、「加熱硬化又はレドックス反応による硬化」を付与したい場合は、有機過酸化物を選択すればよい。
本発明の(C)成分は、メトキシシリル基、エトキシシリル基および(メタ)アクリロイル基を有さないシリコーン化合物を含み、かつ、有機溶剤を含まない消泡剤である。すなわち、消泡剤は、有機溶剤を含まず、メトキシシリル基、エトキシシリル基および(メタ)アクリロイル基のいずれも有さないシリコーン化合物を含む。本発明は、多数存在する消泡剤の中でも、本発明の(C)成分を選択し、本発明のその他の成分と組み合わせることにより、高強度、高伸びの硬化物特性を維持しながら、スクリーン印刷による塗布に対応できる硬化性樹脂組成物を提供できるという顕著な効果を有する。上記シリコーン化合物とは、-Si-O-Si-(シロキサン結合)を含む化合物が挙げられ、より具体的には、ジメチルシロキサン、メチルフェニルシロキサン、ジフェニルシロキサンなどの構造を有する化合物などが挙げられる。また、(C)成分のシリコーン化合物は、硬化物の引張り強さを維持しつつ、硬化性樹脂組成物をスクリーン印刷により被着体に塗布した際のハジキが小さいとの観点からシリコーン化合物の1分子中の末端、または側鎖に、メトキシシリル基、エトキシシリル基、および(メタ)アクリロイル基のいずれも有さないものであり、好ましくは、末端の少なくとも一方がトリメチルシリル基で封鎖されている化合物である。また、(C)成分は、硬化物の引張り強さを維持しつつ、硬化性樹脂組成物をスクリーン印刷により被着体に塗布した際のハジキが小さいとの観点から有機溶剤を含まないことを特徴とする。ここで、本明細書中、有機溶剤とは、シリコーン化合物、(B)成分、および(D)成分以外の、25℃で液状の有機化合物を意味し、例えば、プロピレングリコール、ジイソブチルケトンなどが挙げられる。また、後述するように、本発明に係る硬化性樹脂組成物は、有機溶剤を含有しないことが好ましく、そのためにも、(C)成分において有機溶剤を含有しない。
さらに、本発明の硬化性樹脂組成物は、(D)成分として、単官能性モノマーをさらに含むことができる。(D)成分は、本願発明のその他の成分(成分((A)~(C))との組み合わせにより、より一層にスクリーン印刷による塗布に対応でき、硬化物特性を維持することができる。(D)成分としては例えば、炭素数5~30のアルキル基を有する(メタ)アクリレートモノマーまたは炭素数5~30の脂環式炭化水素基を有する(メタ)アクリレートモノマーなどが挙げられる。中でもより一層にスクリーン印刷による塗布に対応でき、硬化物特性を維持することができるとの観点から炭素数5~30のアルキル基を有する(メタ)アクリレートモノマーと炭素数5~30の脂環式炭化水素基を有する(メタ)アクリレートモノマーとを併用することが特に好ましい。
本発明の硬化性樹脂組成物に対して、本発明の目的を損なわない範囲で、(メタ)アクリロイル基を有するオリゴマーまたはポリマー(本発明の(A)成分を含まない)、無機充填材、硬化促進剤、保存安定剤、酸化防止剤、光安定剤、可塑剤、顔料、難燃剤、および界面活性剤等の添加剤を添加することができる。
本発明の硬化性樹脂組成物を被着体への塗布する方法としては、例えば、自動塗布機を用いたディスペンシング、スプレー、インクジェット、スクリーン印刷、グラビア印刷、ディッピング、スピンコートなどの方法を用いることができるが、中でも、本発明の硬化性樹脂組成物はスクリーン印刷時に発生した気泡を消泡させるという効果を発揮することから、スクリーン印刷に最適である。なお、本発明の硬化性樹脂組成物は、塗布性の観点から25℃で液状であることが好ましい。
本発明の硬化性樹脂組成物を紫外線、可視光等の光を照射することにより硬化させるに際しての光源は特に限定されず、例えば、低圧水銀灯、中圧水銀灯、高圧水銀灯、超高圧水銀灯、ブラックライトランプ、マイクロウェーブ励起水銀灯、メタルハライドランプ、ナトリウムランプ、ハロゲンランプ、キセノンランプ、LED、蛍光灯、太陽光、電子線照射装置等が挙げられる。光照射の照射量は硬化物の特性の観点から3kJ/m2以上であることが好ましく、より好ましくは5kJ/m2以上であり、硬化工程のタクトタイムの観点から100kJ/m2以下であることが好ましく、より好ましくは80kJ/m2以下であり、特に好ましくは60kJ/m2以下である。
本発明の硬化物は、本発明の硬化性樹脂組成物に対し、上記硬化方法によって紫外線を照射することにより硬化させてなる。本発明の硬化物は、本発明の硬化性樹脂組成物が硬化したものであれば、その硬化方法の如何は問わない。
本発明の硬化性樹脂組成物またはその硬化物が好適に用いられる用途としては、硬化性シール剤である。本発明においてシール剤とは、接着剤、コーティング剤、注型剤、ポッティング剤等の用途も含まれるものである。なお、このような用途で使用するにあたり、本発明の硬化性樹脂組成物は25℃で液状であることが好ましい。
燃料電池は、水素と酸素とを化学的に反応させることにより電気を発生させる発電装置である。また、燃料電池には、固体高分子形燃料電池、りん酸形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、および固体酸化物形燃料電池の4つの方式があるが、中でも固体高分子形燃料電池は、運転温度が比較的低温(80℃前後)でありながら高発電効率であるので、自動車用動力源、家庭用発電装置、携帯電話などの電子機器用小型電源、非常電源等の用途に用いられる。
燃料極(アノード電極):H2→2H++2e-
酸素極(カソード電極):1/2O2+2H++2e-→H2O
固体高分子形燃料電池を起動するには、アノード電極に水素を含む燃料ガスを、カソード電極には酸素を含む酸化ガスを別々に隔離して供給する必要がある。隔離が不十分で一方のガスが他方のガスへと混合してしまうと、発電効率の低下を起こしてしまう恐れがあるためである。このような背景から、燃料ガスや酸素ガスなどの漏れを防止する目的で、シール剤が多用される。具体的には、隣り合うセパレーター同士との間、セパレーターとフレームとの間、フレームと電解質膜またはMEAとの間等にシール剤が使用されている。
本発明の硬化性樹脂組成物を用いたシール手法としては、特に限定されないが、代表的には、FIPG(フォームインプレイスガスケット)、CIPG(キュアーインプレイスガスケット)、MIPG(モールドインプレイスガスケット)、液体射出成形などが挙げられる。
アクリロイルオキシエトキシフェニル基を有するポリイソブチレン(a1)の製造
5Lのセパラブルフラスコの容器内を窒素置換した後、n-ヘキサン200mLおよび塩化ブチル2000mLを加え、窒素雰囲気下で攪拌しながら-70℃まで冷却した。次いで、イソブチレン840mL(9mol)、p-ジクミルクロライド12g(0.05mol)および2-メチルピリジン1.1g(0.012mol)を加えた。反応混合物が-70℃まで冷却された後で、四塩化チタン5.0mL(0.05mol)を加えて重合を開始した。重合開始3時間後に、フェノキシエチルアクリレート(ライトアクリレートPO-A、共栄社化学株式会社製)40gと四塩化チタン110mlを添加した。その後、-70℃で4時間攪拌を続けた後、メタノール1000mlを添加して反応を停止させた。
・実施例1
本発明の(A)成分としてアクリロイルオキシエトキシフェニル基を有するポリイソブチレン(a1)100質量部と、(B)成分の(b1)としてビス(2,4,6-トリメチルベンゾイル)-フェニル-フォスフィンオキサイド(IGM Resins B.V.社製、Omnirad 819)7.8質量部と、(C)成分の(c1)として有機溶剤を含まず、メトキシシリル基、エトキシシリル基および(メタ)アクリロイル基をいずれも有さないシリコーン化合物および疎水性固体を含む消泡剤(BYK-Chemie社製BYK-1799、動粘度(25℃):158mm2/s)0.9質量部と、(D)成分の(d1)としてイソボルニルアクリレート(共栄社化学株式会社製IBX-A)65質量部と、(d2)としてラウリルアクリレート(共栄社化学株式会社製L-A)22質量部と、を添加し、遮光下で常温(25℃)にてプラネタリーミキサーで60分混合し、有機溶剤を含まない硬化性樹脂組成物である実施例1を得た。
実施例1において、(c1)成分を0.9質量部から1.8質量部にした以外は、実施例1と同様にして調製し、有機溶剤を含まない実施例2を得た。
実施例1において、(c1)成分を0.9質量部から3.6質量部にした以外は、実施例1と同様にして調製し、有機溶剤を含まない実施例3を得た。
実施例1において、(c1)成分の代わりに、(c2)成分として有機溶剤を含まず、メトキシシリル基、エトキシシリル基および(メタ)アクリロイル基をいずれも有さず、両末端がトリメチルシリル基で封鎖されたジメチルポリシロキサン(信越化学工業株式会社製KF-96-100cs、動粘度(25℃):100mm2/s)にした以外は、実施例1と同様にして調製し、有機溶剤を含まない実施例4を得た。
実施例1において、(c1)を除いた以外は、実施例1と同様にして調製し、有機溶剤を含まない比較例1を得た。
実施例1において、(c1)成分の代わりに、(c’1)成分として有機溶剤を含まない、シリコーン化合物ではない有機ポリマーを含む消泡剤(BYK-Chemie社製BYK-1790)にした以外は、実施例1と同様にして調製し、有機溶剤を含まない比較例2を得た。
実施例1において、(c1)成分の代わりに、(c’2)成分として有機溶剤であるジイソブチルケトンを含み、メトキシシリル基、エトキシシリル基および(メタ)アクリロイル基をいずれも有さないシリコーン化合物を含む消泡剤(BYK-Chemie社製BYK-066N)にした以外は、実施例1と同様にして調製し、有機溶剤を含む比較例3を得た。
実施例1において、(c1)成分の代わりに、(c’3)成分として有機溶剤であるプロピレングリコールを含み、メトキシシリル基、エトキシシリル基および(メタ)アクリロイル基をいずれも有さないシリコーン化合物を含む消泡剤(BYK-Chemie社製BYK-067A)にした以外は、実施例1と同様にして調製し、有機溶剤を含む比較例4を得た。
実施例1において、(c1)成分の代わりに、(c’4)成分として、有機溶剤を含まない、側鎖にアクリロイル基とメトキシ基とを有するシリコーンオリゴマー(信越化学工業株式会社製KR-513)にした以外は、実施例1と同様にして調製し、有機溶剤を含まない比較例5を得た。
各硬化性樹脂組成物を、目開き110μmのSUSメッシュスクリーン印刷版を用いて、25℃環境下にて、手引きスキージによりポリテトラフルオロエチレン製シート上に印刷塗布した。各硬化性樹脂組成物がポリテトラフルオロエチレン製シート上ではじかれるか否かを目視で確認した。結果を表1にまとめた。評価は、ポリテトラフルオロエチレン製シートに対してハジキがないものを「合格」、明かにハジキがあるものは「不合格」とした。なお、ポリテトラフルオロエチレンは電解質膜と同等の表面張力である。
各硬化性樹脂組成物を、目開き110μmのSUSメッシュスクリーン印刷版を用いて、25℃環境下にて、手引きスキージによりポリテトラフルオロエチレン製シート上に印刷塗布した。その後、硬化性樹脂組成物の印刷層(厚み50μm)から気泡が消失する時間を目視で確認し、消泡時間(秒)とした。なお、時間計測は、印刷塗布後直ちに開始した。結果を表1にまとめた。消泡時間は、ラインタクトの観点から60秒以内が好ましく、50秒以内がより好ましく、40秒以内が特に好ましい。
各硬化性樹脂組成物の厚さを1mmに設定し、積算光量45kJ/m2の紫外線を照射して硬化させてシート状の硬化物を作製する。A型デュロメータ(硬度計)の加圧面を試験片(シート状の硬化物を6枚重ねて、厚さ6mmに設定した状態のもの)に対して平行に保ちながら、10Nの力で押しつけ、加圧面と試料とを密着させる。測定時に最大値を読み取り、最大値を「硬さ」とする。詳細はJIS K 6253(2012)に従う。なお、硬さは15以上が好ましく、20以上がより好ましい。
各硬化性樹脂組成物の厚さを1mmに設定し、積算光量45kJ/m2の紫外線を照射して硬化させてシート状の硬化物を作製する。3号ダンベルで打ち抜いてテストピースを作製し、20mm間隔の標線をテストピースに記入する。
硬化性樹脂組成物の厚さを1mmに設定し、積算光量45kJ/m2の紫外線を照射して硬化させてシート状の硬化物を作製する。3号ダンベルで打ち抜いてテストピースを作製する。テストピースの長軸とチャックの中心が一直線になる様に、テストピースの両端をチャックに固定する。引張速度500mm/minでテストピースを引張り、最大荷重を測定する。当該最大荷重時の強度を「引張強さ(MPa)」とする。詳細はJIS K 6251(2010)に従う。なお、引張強さは3.9MPa以上が好ましく、4.2MPa以上がより好ましい。
コーンプレート型粘度計(ブルックフィールド社製)により下記の測定条件に基づき硬化性樹脂組成物の粘度(Pa・s)を測定した。下記の基準に基づき評価し、結果を表2に示す。粘度は、100Pa・s以下が好ましく、さらに好ましくは、0.1~50Pa・sであり、特に好ましくは、0.2~10Pa・sの範囲である。
コーン型CPE-52、せん断速度 10(1/s)、温度 25℃。
200mm×200mm×1.0mmの枠に実施例2、4の硬化性樹脂組成物を流し込んだ。その後、紫外線照射機により積算光量45kJ/m2になるように紫外線を20秒間照射し、厚さ1.0mmのシート状の硬化物を作成した。塩化カルシウム(無水)5gを直径30mmの開口部を有するアルミニウム製カップに入れて、前記硬化物を覆うようにカップにセットした。「初期の全重量」(g)を測定した後、雰囲気温度40℃で相対湿度95%に保たれた恒温恒湿槽に24時間放置し、「放置後の全重量」(g)を測定して、透湿度(g/m2・24h)を計算し、下記評価基準に基づき評価した。実施例2,4ともに合格するものであった。詳細な試験方法はJIS Z 0208-1976に準拠した。なお、透湿度は、燃料電池用硬化性シール剤として使用する場合、10g/m2・24h未満であることが好ましい。
合格:透湿度が、10g/m2・24h未満
不合格:透湿度が、10g/m2・24h以上。
2 セパレーター
3a 空気極(カソード)
3b 燃料極(アノード)
4 高分子電解質膜
5 電解質膜電極接合体(MEA)
6 フレーム
7 接着剤またはシール剤
8a 酸化ガス流路
8b 燃料ガス流路
9 冷却水流路
10 セルスタック
11 固体高分子形燃料電池
Claims (12)
- 下記の(A)~(D)成分:
(A)成分:1~6個の(メタ)アクリロイル基と、-[CH2C(CH3)2]-単位と、を含み、前記-[CH 2 C(CH 3 ) 2 ]-単位を、構成単位全量に対して、80質量%以上含むポリイソブチレン樹脂
(B)成分:ラジカル重合開始剤
(C)成分:メトキシシリル基、エトキシシリル基および(メタ)アクリロイル基をいずれも有さないシリコーン化合物を含み、有機溶剤を含まない消泡剤
(D)成分:炭素数5~30のアルキル基を有する(メタ)アクリレートモノマーまたは炭素数5~30の脂環式炭化水素基を有する(メタ)アクリレートモノマー
を含有し、
有機溶剤を含まず、
前記(B)成分の配合量は、(A)成分100質量部に対して、0.1~30質量部であり、
前記(C)成分の配合量は、前記(A)成分100質量部に対して、0.1~10質量部であり、
前記(D)成分の配合量は、(A)成分100質量部に対して、30~150質量部の範囲である、硬化性樹脂組成物。 - 前記(A)成分が、一般式(1)で表されるポリイソブチレン樹脂である、請求項1に記載の硬化性樹脂組成物。
(式(1)中、R1は、一価もしくは多価の芳香族炭化水素基、または芳香族環を有していてもよい一価もしくは多価の脂肪族炭化水素基を示し、PIBは前記-[CH2C(CH3)2]-単位を含むポリイソブチレン骨格を示し、R4は酸素原子を含んでもよい炭素数2~6の2価の炭化水素基を表し、R2及びR3はそれぞれ独立して水素原子、または炭素数1~20の1価の炭化水素基を表し、R5は水素原子、メチル基、またはエチル基を表し、nは1~6のいずれかの整数である。) - 前記(C)成分のシリコーン化合物が、ジメチルシロキサン、メチルフェニルシロキサン、またはジフェニルシロキサンのいずれかの構造を有する化合物である、請求項1または2に記載の硬化性樹脂組成物。
- 前記(A)成分と(D)成分との合計量100質量部に対して、前記(C)成分を0.1~9質量部を含む、請求項1~3のいずれか1項に記載の硬化性樹脂組成物。
- 前記(B)成分が、光ラジカル重合開始剤または有機過酸化物である、請求項1~4のいずれか1項に記載の硬化性樹脂組成物。
- 請求項1~5のいずれか1項に記載の硬化性樹脂組成物を含む、燃料電池用硬化性シール剤。
- 前記燃料電池用硬化性シール剤が、燃料電池における部材であるセパレーター、フレーム、電解質膜、燃料極、空気極、および電解質膜電極接合体からなる群より選択されるいずれかの部材に用いられる、請求項6に記載の燃料電池用硬化性シール剤。
- 請求項1~5のいずれか1項に記載の硬化性樹脂組成物の硬化物。
- 燃料電池における隣り合うセパレーター同士との間のシール、および燃料電池のフレームと電解質膜または電解質膜電極接合体との間のシールからなる群より選択されるいずれかのシールを含む燃料電池であって、前記いずれかのシールが、請求項8に記載の硬化物である、燃料電池。
- 少なくとも2つのフランジを有する被シール部品の当該少なくとも2つのフランジの間の少なくとも一部をシールするシール方法であって、
前記フランジの少なくとも一方が活性エネルギー線を透過可能であり、
前記フランジの少なくとも一方の表面に、請求項1~5のいずれか1項に記載の硬化性樹脂組成物を塗布する工程、
前記硬化性樹脂組成物を塗布した一方のフランジと他方のフランジとを前記硬化性樹脂組成物を介して貼り合わせる工程、および、
活性エネルギー線を、前記活性エネルギー線を透過可能なフランジを通して照射して前記硬化性樹脂組成物を硬化させ、前記少なくとも2つのフランジの間の少なくとも一部をシールする工程、
を含む、シール方法。 - 少なくとも2つのフランジを有する被シール部品の当該少なくとも2つのフランジの間の少なくとも一部をシールするシール方法であって、
前記フランジのうち少なくとも一方のフランジに、請求項1~5のいずれか1項に記載の硬化性樹脂組成物を塗布する工程、
前記塗布した硬化性樹脂組成物に活性エネルギー線を照射して前記硬化性樹脂組成物を硬化させ、前記硬化性樹脂組成物の硬化物からなるガスケットを形成する工程、および、
他方のフランジを前記ガスケット上に配置して、硬化性樹脂組成物を塗布した前記一方のフランジと前記他方のフランジとを前記ガスケットを介して圧着し、前記少なくとも2つのフランジの間の少なくとも一部をシールする工程、
を含む、シール方法。 - 少なくとも2つのフランジを有する被シール部品の当該少なくとも2つのフランジの間の少なくとも一部をシールするシール方法であって、
前記フランジのうち少なくとも一方のフランジ上にガスケット形成用金型を配置する工程、
前記ガスケット形成用金型と該金型を配置した前記一方のフランジとの間の空隙の少なくとも一部に請求項1~5のいずれか1項に記載の硬化性樹脂組成物を注入する工程、
前記硬化性樹脂組成物に活性エネルギー線を照射して前記硬化性樹脂組成物を硬化させ、前記硬化性樹脂組成物の硬化物からなるガスケットを形成する工程、
前記金型を前記一方のフランジから取り外す工程、および、
他方のフランジを前記ガスケット上に配置して、前記一方のフランジと前記他方のフランジとを前記ガスケットを介して圧着し、前記少なくとも2つのフランジの間の少なくとも一部をシールする工程、
を含む、シール方法。
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