KR101137313B1 - Manufacturing method of copolymer for ion exchange membrane - Google Patents
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Abstract
본 발명은 스티렌계; (C1~C20)알킬 아크릴레이트계 또는 메타아크릴레이트계; 하이드록시(C1~C20)알킬 아크릴레이트계 또는 메타아크릴레이트계를 포함하는 이온교환막 제조용 공중합체의 제조방법에 관한 것으로, 상기 이온교환막 제조용 공중합체를 술폰화하여 이온교환막을 제조할 수 있다. 더욱 상세하게는 스티렌계 단량체, (C1~C20)알킬 아크릴레이트계 또는 메타아크릴레이트계 단량체, 하이드록시(C1~C20)알킬 아크릴레이트계 또는 메타아크릴레이트계 단량체 및 반응개시제를 포함하는 중합용 용액을 교반하여 공중합체를 제조하는 단계; 상기 공중합체 및 가교제, 열개시제를 포함하는 반응용 용액을 이용하여 용매 캐스팅(solvent casting)법에 의해 막을 형성하는 단계; 상기 막을 술폰화하여 양이온교환기로 술폰산(-SO3 -)기를 형성하는 단계;를 포함하는 이온교환막의 제조방법에 관한 것이다. The present invention is a styrene; (C1-C20) alkyl acrylate type or methacrylate type; The present invention relates to a method for producing a copolymer for producing an ion exchange membrane including a hydroxy (C 1 to C 20) alkyl acrylate type or a methacrylate type, wherein the copolymer for preparing an ion exchange membrane can be sulfonated to prepare an ion exchange membrane. More specifically, a polymerization solution comprising a styrene monomer, a (C1 to C20) alkyl acrylate or methacrylate monomer, a hydroxy (C1 to C20) alkyl acrylate or methacrylate monomer and a reaction initiator Stirring to prepare a copolymer; Forming a film by a solvent casting method using a reaction solution including the copolymer, a crosslinking agent, and a thermal initiator; A method for producing an ion exchange membrane comprising a, forming a group - (-SO 3) sulfonic acid cation-exchange membrane to the sulfonation.
본 발명에 따른 이온교환막은 이온교환용량이 우수할 뿐만 아니라 내구성이 뛰어나고, 가공성이 향상되어 전기투석용 복합막에 유용하게 사용될 수 있다.The ion exchange membrane according to the present invention is not only excellent in ion exchange capacity but also excellent in durability and improved in workability, and thus may be usefully used in an electrodialysis composite membrane.
이온교환막, 스티렌계, 아크릴레이트계, 메타아크릴레이트계, 술폰산기 Ion exchange membrane, styrene type, acrylate type, methacrylate type, sulfonic acid group
Description
본 발명은 스티렌계; (C1~C20)알킬 아크릴레이트계 또는 메타아크릴레이트계; 하이드록시(C1~C20)알킬 아크릴레이트계 또는 메타아크릴레이트계를 포함하는 이온교환막 제조용 공중합체의 제조방법 및 상기 이온교환막 제조용 공중합체를 술폰화하여 제조되는 이온교환막에 관한 것이다.The present invention is a styrene; (C1-C20) alkyl acrylate type or methacrylate type; The present invention relates to a method for producing a copolymer for producing an ion exchange membrane comprising a hydroxy (C1 to C20) alkyl acrylate type or a methacrylate type and an ion exchange membrane prepared by sulfonating the copolymer for preparing an ion exchange membrane.
일반적으로 사용되고 있는 이온교환막은 공정이 간편하고, 특정이온에 대한 선택성이 뛰어나며, 응용범위가 넓어 특히 화석원료 사용량을 감소시켜 환경오염을 저감할 수 있는 신 재생에너지 생산 청정기술로 세계적인 주목을 받고 있다. 최근 들어 소형 노트북, 컴퓨터, 핸드폰 등의 전자제품 사용 급증으로 인해 이에 필요한 고 수명, 고성능의 배터리 개발 및 핵심소재인 새로운 연료전지의 개발 필요성에 따라 이온교환에 대한 연구가 활발히 진행 되고 있다. Ion-exchange membranes that are generally used are attracting worldwide attention for their clean process of renewable energy production that can reduce the environmental pollution by reducing the amount of fossil raw materials. . Recently, due to the rapid increase in the use of electronic products such as small notebooks, computers, mobile phones, ion exchange is being actively researched according to the necessity of developing a high-life, high-performance battery and the development of a new fuel cell as a core material.
이온교환막은 수용액 중의 양이온 및 음이온을 선택적으로 분리할 수 있어 연료전지, 전기투석, 산과 염기 회수를 위한 물 분해 전기투석, 산세 폐액으로부터 산 및 금속화학종을 회수하기 위한 확산투석, 초순수 공정 등 폭 넓게 사용되고 있 으며, 최근 선진국에서는 고성능 이온교환막이 개발됨에 따라 그 응용범위는 더욱 확대되고 있다. 그러나 국내의 경우, 이온교환막의 제조 및 응용에 대한 기술축적이 매우 부족한 실정으로 이 분야에 대한 학문적 발전은 물론 기술 선점을 통한 고성능의 새로운 이온교환막 제조기술 개발이 시급한 실정이다. Ion-exchange membranes can selectively separate cations and anions in aqueous solution, thus providing fuel cell, electrodialysis, water decomposition electrodialysis for acid and base recovery, diffusion dialysis to recover acid and metal species from pickling waste, ultrapure water process, etc. It is widely used, and in recent years, the developed range of high-performance ion exchange membrane is developed in developed countries. However, in Korea, the technical accumulation of the ion exchange membrane production and application is very lacking, so it is urgent to develop new high-performance ion exchange membrane production technology through academic preoccupation and technology preoccupation in this field.
현재 연료전지막, 전극막 등에 사용되고 있는 상용화 이온교환막은 술폰화된 폴리스티렌(Sulfonated polystyrene), 듀퐁(Du Pont)사에서 제조한 NafionTM(이하 ‘나피온’이라 함)등을 들 수 있다. 그러나 상기 술폰화된 폴리스티렌은 건조하게 되면 취성의 증가로 부서지게 되어 박막화나 복합막 등의 형태로 성형이 어렵게 되며 전극으로 가공 시에 기계적 안정성이 뒤떨어진다는 단점을 갖고 있다. 이러한 단점을 개선하기 위해서는 폴리스티렌의 술폰화 비율을 낮추는 방법 또는 막의 두께를 두껍게 하는 방법 등이 있는데, 이때에는 막의 이온교환 능력이 현저하게 떨어져 이온교환막으로서의 성능을 기대할 수 없게 된다. 또한, 나피온은 불소계 물질로서 높은 도전성과 화학적 안정성 등으로 인해 이온교환막으로 많이 사용되어 왔으나, 포함되어 있는 불소화합물로 인해 가격이 매우 고가이며, 고온에서의 사용이 제한되는 단점을 가지고 있다. Commercially available ion exchange membranes used in fuel cell membranes and electrode membranes include sulfonated polystyrene and Nafion ™ (hereinafter referred to as 'Nafion') manufactured by Du Pont. However, when the sulfonated polystyrene is dried, it is brittle due to an increase in brittleness, which makes it difficult to form a thin film or a composite film, and has a disadvantage in that it is inferior in mechanical stability during processing with an electrode. In order to improve this disadvantage, there is a method of lowering the sulfonation ratio of polystyrene or a method of increasing the thickness of the membrane. At this time, the ion exchange capacity of the membrane is remarkably decreased, and thus the performance as an ion exchange membrane cannot be expected. In addition, Nafion has been widely used as an ion exchange membrane due to high conductivity and chemical stability as a fluorine-based material, but has a disadvantage in that the price is very expensive due to the included fluorine compound and its use at high temperatures is limited.
그 밖의 이온교환막 소재로는 폴리벤즈이미다졸, 폴리포스파젠, PEEK, 폴리술폰, 폴리이미드, 폴리에테르이미다졸 및 폴리페닐렌 설파이드술폰과 같이 기계적 물성이 우수한 수지를 혼합하여 양이온교환막의 기재로 사용하고 있으나 이들 막은 가격이 고가이고, 기계적 물성이 취약하여 가소제를 사용해야하는 단점을 지니고 있어 낮은 비용, 기계적 물성을 개선할 수 있는 새로운 방법의 필요성이 요구되고 있다.As other ion exchange membrane materials, resins with excellent mechanical properties such as polybenzimidazole, polyphosphazene, PEEK, polysulfone, polyimide, polyetherimidazole, and polyphenylene sulfide sulfone may be mixed and used as the base material of the cation exchange membrane. However, these membranes are expensive and have the disadvantage of using plasticizers due to their weak mechanical properties. Therefore, there is a need for a new method for improving low cost and mechanical properties.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 스티렌계; (C1~C20)알킬 아크릴레이트계 또는 메타아크릴레이트계; 하이드록시(C1~C20)알킬 아크릴레이트계 또는 메타아크릴레이트계를 포함하는 이온교환막 제조용 공중합체의 제조방법 및 상기 이온교환막 제조용 공중합체를 술폰화하여 제조된 이온교환막을 제공하는데 목적이 있다.The present invention is to solve the problems of the prior art as described above, styrene-based; (C1-C20) alkyl acrylate type or methacrylate type; It is an object of the present invention to provide a method for preparing an ion exchange membrane copolymer comprising a hydroxy (C 1 -C 20) alkyl acrylate type or a methacrylate type and an ion exchange membrane prepared by sulfonating the copolymer for preparing an ion exchange membrane.
보다 구체적으로는 스티렌계 단량체, (C1~C20)알킬 아크릴레이트계 또는 메타아크릴레이트계 단량체, 하이드록시(C1~C20)알킬 아크릴레이트계 또는 메타아크릴레이트계 단량체 및 반응개시제를 포함하는 중합용 용액을 교반하여 공중합체를 제조하는 단계; 상기 공중합체 및 가교제, 열개시제를 포함하는 반응용 용액을 이용하여 용매 캐스팅(solvent casting)법에 의해 막을 형성하는 단계; 상기 막을 술폰화하여 양이온교환기로 술폰산(-SO3 -)기를 형성하는 단계;를 포함하는 이온교환막의 제조방법을 통하여 이온교환용량이 우수할 뿐만 아니라 내구성이 뛰어나고, 가공성이 향상된 이온교환막 제조용 공중합체 및 이를 이용한 이온교환막의 제조방법을 제공하는데 본 발명의 목적이 있다.More specifically, a polymerization solution containing a styrene monomer, a (C1 to C20) alkyl acrylate or methacrylate monomer, a hydroxy (C1 to C20) alkyl acrylate or methacrylate monomer and a reaction initiator Stirring to prepare a copolymer; Forming a film by a solvent casting method using a reaction solution including the copolymer, a crosslinking agent and a thermal initiator; The membrane sulfonated to the sulfonic acid to the cation-exchange group (-SO 3 -) and forming a group; excellent durability as well as the ion exchange capacity of solid through the manufacturing method of the ion exchange membrane comprising a workability is improved ion-exchange membranes for producing copolymer And it is an object of the present invention to provide a method for producing an ion exchange membrane using the same.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여 안출된 것으로, 스티렌계; (C1~C20)알킬 아크릴레이트계 또는 메타아크릴레이트계; 하이드록시(C1~C20)알킬 아크릴레 이트계 또는 메타아크릴레이트계를 포함하는 이온교환막 제조용 공중합체의 제조방법 및 상기 이온교환막 제조용 공중합체를 술폰화하여 제조된 이온교환막을 제공한다.The present invention has been made to achieve the above object, a styrene-based; (C1-C20) alkyl acrylate type or methacrylate type; It provides a method for producing a copolymer for producing an ion exchange membrane comprising a hydroxy (C1 ~ C20) alkyl acrylate-based or methacrylate-based and an ion exchange membrane prepared by sulfonating the copolymer for producing an ion exchange membrane.
이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.In this case, unless there is another definition in the technical terms and scientific terms used, it has the meaning that is commonly understood by those of ordinary skill in the art, unnecessarily obscure the subject matter of the present invention in the following description Description of known functions and configurations that may be omitted.
본 발명은 스티렌계; (C1~C20)알킬 아크릴레이트계 또는 메타아크릴레이트계; 하이드록시(C1~C20)알킬 아크릴레이트계 또는 메타아크릴레이트계를 포함하는 이온교환막 제조용 공중합체의 제조방법 및 상기 이온교환막 제조용 공중합체를 술폰화하여 제조된 이온교환막에 관한 것으로, 상기 공중합체는 스티렌계 단량체 45~65 중량%, (C1~C20)알킬 아크릴레이트계 또는 메타아크릴레이트계 단량체 15~30 중량% 및 하이드록시(C1~C20)알킬 아크릴레이트계 또는 메타아크릴레이트계 단량체 5~25 중량%를 포함한다.The present invention is a styrene; (C1-C20) alkyl acrylate type or methacrylate type; The present invention relates to a method for preparing a copolymer for producing an ion exchange membrane comprising a hydroxy (C 1 to C 20) alkyl acrylate type or a methacrylate type and to an ion exchange membrane prepared by sulfonating the copolymer for preparing an ion exchange membrane. 45 to 65 wt% of styrene monomer, 15 to 30 wt% of (C1-C20) alkyl acrylate or methacrylate monomer, and 5 to 25 hydroxy (C1-C20) alkyl acrylate or methacrylate monomer Contains by weight.
상기 공중합체 중 스티렌계 단량체는 45~65 중량%를 포함하는 것이 좋으며, 더 좋게는 50~60 중량%인 것이다. 상기 스티렌계 단량체가 45 중량% 미만일 경우에는 술폰화 반응의 함량이 낮아져 이온교환용량의 저하되기 때문에 이온교환막으로서의 성능을 기대할 수 없고, 65 중량%를 초과할 경우에는 취성의 증가로 이온교환 막으로서의 성형이 어렵게 된다. Styrene-based monomer in the copolymer is preferably included 45 to 65% by weight, more preferably 50 to 60% by weight. If the styrene-based monomer is less than 45% by weight, the content of sulfonation reaction is lowered and the ion exchange capacity is lowered, so that the performance as an ion exchange membrane cannot be expected. Molding becomes difficult.
상기 공중합체 중 (C1~C20)알킬 아크릴레이트계 또는 메타아크릴레이트계 단량체는 공중합체의 유연성을 부여하기 위해 도입되며, 15~30 중량%를 포함하는 것이 좋다. 상기 (C1~C20)알킬 아크릴레이트계 또는 메타아크릴레이트계 단량체가 15 중량% 미만일 경우에는 이온교환막의 유연성 효과를 기대할 수 없으며, 30 중량%를 초과할 경우에는 이온교환막의 팽윤율이 커지는 단점이 있다. The (C1-C20) alkyl acrylate-based or methacrylate-based monomer in the copolymer is introduced to impart the flexibility of the copolymer, it is preferable to include 15 to 30% by weight. When the (C1-C20) alkyl acrylate-based or methacrylate-based monomer is less than 15 wt%, the flexibility effect of the ion exchange membrane cannot be expected, and when it exceeds 30 wt%, the swelling ratio of the ion exchange membrane is increased. have.
상기 공중합체 중 하이드록시(C1~C20)알킬 아크릴레이트계 또는 메타아크릴레이트계 단량체는 가교반응을 통한 치수안정성 및 기계적 물성을 향상시키기 위하해 도입되며, 5~25 중량%를 포함하는 것이 좋다. 상기 하이드록시(C1~C20)알킬 아크릴레이트계 또는 메타아크릴레이트계 단량체가 5 중량% 미만일 경우에는 가교반응이 충분히 이루어 지지 않아 기계적 물성의 향상을 기대할 수 없으며, 25 중량%를 초과할 경우에는 술폰화 반응 시 과도한 가교로 인해 술폰화 반응을 저해함으로써 이온교환 용량을 떨어뜨려 이온교환막의 성능을 기대할 수 없게 된다. The hydroxy (C1 ~ C20) alkyl acrylate-based or methacrylate-based monomer in the copolymer is introduced to improve the dimensional stability and mechanical properties through the crosslinking reaction, it is preferable to include 5 to 25% by weight. When the hydroxy (C1 ~ C20) alkyl acrylate-based or methacrylate-based monomer is less than 5% by weight cross-linking reaction is not sufficiently achieved, the mechanical properties can not be expected to increase, if it exceeds 25% by weight Due to excessive crosslinking during the sulfonation reaction, the sulfonation reaction is inhibited, thereby lowering the ion exchange capacity, and thus the performance of the ion exchange membrane cannot be expected.
상기 스티렌계 단량체는 에틸벤젠(ethylbenzene), 디비닐벤젠(divinylbenzene), 에틸비닐벤젠(p-ethylvinylbenzene), 스티렌 단량체(styrene monomer)에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 사용하는 것이 좋고, 가장 좋게는 스티렌 단량체(styrene monomer, SM)를 사용하는 것이다.The styrene monomer may be any one or a mixture of two or more selected from ethylbenzene, divinylbenzene, p-ethylvinylbenzene, and styrene monomer. Is to use a styrene monomer (SM).
또한 상기 (C1~C20)알킬 아크릴레이트계 또는 메타크릴레이트계 단량체를 형성하는 알킬기의 탄소수가 20을 초과하는 경우에는 중합반응에 적합하지 않아 본 발명에서 목적으로 하는 효과를 얻을 수 없으므로 C1~C20을 유지하는 것이 좋다. 구체적인 예로는 메틸 아크릴레이트(methyl acrylate, MA), 에틸 아크릴레이트(ethyl acrylate, EA), 부틸 아크릴레이트(butyl acrylate, BA), 2-에틸헥실 아크릴레이트(2-ethylhexyl acrylate, 2-EHA), 라우릴 메타크릴레이트(lauryl methacrylate, LMA), 에틸 메타크릴레이트(ethyl methacrylate, EMA), n-부틸 메타크릴레이트(n-Buthyl methacrylate, BMA), n-헥실 메타아크릴레이트(n-hexyl methacrylate, HMA)에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 사용하는 것이 반응의 효과 측면에서 좋고, 가장 좋게는 라우릴 메타크릴레이트(LMA)를 사용하는 것이다.In addition, when the carbon number of the alkyl group forming the (C1-C20) alkyl acrylate-based or methacrylate-based monomer is more than 20, it is not suitable for the polymerization reaction, and thus the effect desired in the present invention cannot be obtained. It is good to keep it. Specific examples include methyl acrylate (MA), ethyl acrylate (EA), butyl acrylate (BA), 2-ethylhexyl acrylate (2-EHA), Lauryl methacrylate (LMA), ethyl methacrylate (EMA), n-butyl methacrylate (BMA), n-hexyl methacrylate (n-hexyl methacrylate, The use of any one or mixtures of two or more selected from HMA) is good in terms of the effectiveness of the reaction, most preferably using lauryl methacrylate (LMA).
상기 하이드록시(C1~C20)알킬 아크릴레이트계 또는 메타크릴레이트계 단량체를 형성하는 알킬기의 탄소수 또한 20을 초과하는 경우 중합반응에 적합하지 않기 때문에 C1~C20을 유지하는 것이 좋다. 구체적인 예로는 하이드록시에틸 아크릴레이트(hydroxyethyl acrylate, HEA), 하이드록시프로필 아크릴레이트(hydroxypropyl acrylate, HPA), 2-하이드록시에틸 메타크릴레이트(2-hydroxyethyl methacrylate, 2-HEMA), 하이드록시프로필 메타크릴레이트(hydroxypropyl methacrylate, HPMA), 글리시달 메타아크릴레이트(glycidal methacrylate, GMA)에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 사용하는 것이 반응의 효과 측면에서 좋고, 가장 좋게는 하이드록시에틸 아크릴레이트(HEA)를 사용하는 것이다.When the carbon number of the alkyl group forming the hydroxy (C1 ~ C20) alkyl acrylate-based or methacrylate-based monomer also exceeds 20, it is preferable to maintain the C1 ~ C20 because it is not suitable for the polymerization reaction. Specific examples include hydroxyethyl acrylate (HEA), hydroxypropyl acrylate (HPA), 2-hydroxyethyl methacrylate (2-HEMA), and hydroxypropyl meta. It is preferable to use any one or two or more mixtures selected from hydroxypropyl methacrylate (HPMA) and glycidal methacrylate (GMA) in terms of the effect of the reaction, and most preferably hydroxyethyl acrylate (HEA ).
본 발명에 따른 이온교환막은, The ion exchange membrane according to the present invention,
a) 스티렌계 단량체, (C1~C20)알킬 아크릴레이트계 또는 메타크릴레이트계 단량체, 하이드록시(C1~C20)알킬 아크릴레이트계 또는 메타크릴레이트계 단량체 및 반응개시제를 포함하는 중합용 용액을 교반하여 공중합체를 제조하는 단계;a) stirring a solution for polymerization containing a styrene monomer, a (C1 to C20) alkyl acrylate or methacrylate monomer, a hydroxy (C1 to C20) alkyl acrylate or methacrylate monomer and a reaction initiator To prepare a copolymer;
b) 상기 공중합체 및 가교제, 열개시제를 포함하는 반응용 용액을 이용하여 용매 캐스팅(solvent casting)법에 의해 막을 형성하는 단계;b) forming a film by a solvent casting method using a reaction solution containing the copolymer, a crosslinking agent and a thermal initiator;
c) 상기 막을 술폰화하여 양이온교환기로 술폰산(-SO3 -)기를 형성하는 단계;to form a group) - c) a sulfonic acid (-SO 3 a cation-exchange group to sulfonation the membrane;
를 포함하는 공정으로 제조할 수 있다.It can be prepared by a process comprising a.
상기 a) 단계의 반응개시제는 특별한 한정 없이 사용될 수 있으며, 본 발명에서는 benzoyl peroxide(BPO), dicumyl peroxide(DCP), azobisisobutyronitrile(AIBN) 등이 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 반응개시제는 0.2~0.7 중량%로 첨가되는 것이 좋으며, 0.2 중량% 미만일 경우에는 충분한 가교가 일어나지 않아 삼원 공중합이 어려우며, 0.7 중량%를 초과하는 경우에는 반응개시제 자체의 함량이 너무 많아 물성의 저하가 일어난다는 문제점이 있다.The reaction initiator of step a) may be used without particular limitation, and in the present invention, benzoyl peroxide (BPO), dicumyl peroxide (DCP), azobisisobutyronitrile (AIBN), etc. may be used, but is not limited thereto. The reaction initiator is preferably added in 0.2 ~ 0.7% by weight, when less than 0.2% by weight does not cause sufficient crosslinking is difficult ternary copolymerization, when the content exceeds 0.7% by weight is too high in the content of the reaction initiator itself deteriorated physical properties There is a problem that happens.
상기 a) 단계의 스티렌계 단량체, (C1~C20)알킬 아크릴레이트계 또는 메타크릴레이트계 단량체, 하이드록시(C1~C20)알킬 아크릴레이트계 또는 메타크릴레이트계 단량체는 80~100 ℃의 온도에서 중합이 이루어지며, 반응 후 미 반응물은 진공 탈 용제법으로 제거할 수 있다.The styrene monomer, the (C1-C20) alkyl acrylate or methacrylate monomer, the hydroxy (C1-C20) alkyl acrylate or methacrylate monomer of step a) is at a temperature of 80 ~ 100 ℃ The polymerization takes place, and after the reaction, the unreacted material can be removed by vacuum desolvent method.
b) 단계에서 사용되는 가교제는 최종적으로 막의 팽윤도와 가교도를 좌우하는 역할을 하는 것으로 특별히 한정하지는 않으나, 본 발명에서는 아마이드계, 아크릴레이트계, 이소시아네이트계 등이 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니 다. 이러한 가교제는 5~30 중량%로 첨가되는 것이 좋으며, 5 중량% 미만일 경우에는 가교도가 부족하게 되며, 30 중량%를 초과하는 경우에는 가교도가 너무 높아 막이 브리틀(brittle)해지는 문제가 발생한다.The crosslinking agent used in step b) finally plays a role in influencing the swelling degree and the degree of crosslinking of the membrane, but the present invention is not limited thereto. However, the present invention is not limited thereto. Such a crosslinking agent is preferably added in an amount of 5 to 30% by weight, and when less than 5% by weight, the degree of crosslinking is insufficient. When the amount of the crosslinking agent is more than 30% by weight, the crosslinking degree is so high that brittleness of the membrane occurs.
또한 b) 단계의 열개시제는 가교 시 가교반응의 촉진 역할을 하는 것으로 특별히 한정하지는 않으나, 본 발명에서는 benzoyl peroxide(BPO), dicumyl peroxide(DCP), azobisisobutyronitrile(AIBN) 등이 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 열개시제는 0.2~1.5 중량%로 첨가되는 것이 좋으며, 0.2 중량% 미만일 경우에는 적은 양으로 인해 가교 촉진역할을 할 수 없는 문제점이 있으며, 1.5 중량%를 초과하는 경우에는 과량의 첨가에 따른 가교반응 시 물성 저하문제가 발생한다.In addition, the thermal initiator of step b) is not particularly limited to promote a crosslinking reaction during crosslinking, but in the present invention, benzoyl peroxide (BPO), dicumyl peroxide (DCP), azobisisobutyronitrile (AIBN), and the like may be used. It is not. It is preferable that such a thermal initiator is added in an amount of 0.2 to 1.5% by weight, and if it is less than 0.2% by weight, there is a problem in that it cannot serve as a crosslinking promoting agent. In the reaction, a problem of deterioration of physical properties occurs.
상기 b) 단계의 용매 캐스팅(solvent casting)법에 의한 막 형성 시 막의 두께는 80~150 ㎛인 것이 좋고, 상기 범위일 때 이온교환막의 이온교환용량이 우수할 뿐만 아니라 내구성이 뛰어난 이점이 있다.When the membrane is formed by the solvent casting method of step b), the thickness of the membrane is preferably 80 to 150 μm, and in this range, the ion exchange capacity of the ion exchange membrane is excellent as well as excellent in durability.
상기 b) 단계의 막을 형성하는 단계는 25~150 ℃에서 수행되는 것이 좋고, 상기 온도 범위에서 가교가 일어난다.Forming the film of step b) is preferably carried out at 25 ~ 150 ℃, crosslinking occurs in the temperature range.
다음으로 상기 c) 단계의 술폰화 반응을 위해 95% 황산에 b) 단계의 막을 침적시켜 양이온교환기로 술폰산(-SO3 -)기를 형성할 수 있으며, 본 발명에 따른 이온교환막은 술폰산기의 농도가 높아 이온교환용량이 우수할 뿐만 아니라 내구성이 뛰어나고 유연한 이점이 있다. Next, the above c) was deposited a film of step b) in 95% sulfuric acid for the step of sulfonation sulfonic acid (-SO 3 cation exchanger may form a group), the ion exchange membrane according to the invention the concentration of the sulfonic acid group The high ion exchange capacity is not only high, but also has excellent durability and flexibility.
본 발명에 따른 스티렌계; (C1~C20)알킬 아크릴레이트계 또는 메타크릴레이트계; 하이드록시(C1~C20)알킬 아크릴레이트계 또는 메타크릴레이트계를 포함하는 이온교환막 제조용 공중합체 및 상기 이온교환막 제조용 공중합체를 술폰화하여 제조되는 이온교환막은 술폰산기를 형성함으로써 이온교환용량이 우수할 뿐만 아니라 내구성이 뛰어나고, 가공성이 향상되는 효과가 있다. 또한 유연성 있는 (C1~C20)알킬 아크릴레이트계 또는 메타크릴레이트계 단량체와 가교반응을 통해 치수안정성과 기계적 물성을 향상시키는 하이드록시(C1~C20)알킬 아크릴레이트계 또는 메타크릴레이트계 단량체의 도입을 통해 이온교환용량이 높고, 내구성이 우수하며 유연한 막을 제조할 수 있다.Styrene system according to the present invention; (C1-C20) alkyl acrylate type or methacrylate type; The ion exchange membrane prepared by sulfonating a copolymer for preparing an ion exchange membrane and a copolymer for preparing an ion exchange membrane comprising a hydroxy (C 1 -C 20) alkyl acrylate or a methacrylate type has an excellent ion exchange capacity by forming sulfonic acid groups. In addition, it is excellent in durability and workability is improved. In addition, the introduction of hydroxy (C1-C20) alkyl acrylate- or methacrylate-based monomers to improve the dimensional stability and mechanical properties through crosslinking reaction with flexible (C1-C20) alkyl acrylate-based or methacrylate-based monomers Through the ion exchange capacity, high durability and flexible membrane can be produced.
이하, 실시예에 의해 본 발명을 보다 상세하게 설명하나, 이는 발명의 구성 및 효과를 이해시키기 위한 것 일뿐, 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, which are intended only for understanding the constitution and effects of the present invention, and are not intended to limit the scope of the present invention.
[실시예 1]Example 1
공중합체 합성을 위하여 스티렌 단량체(SM) 55 중량%와 하이드록시에틸 아크릴레이트(HEA) 20 중량% 및 라우릴 메타크릴레이트(LMA) 25 중량%를 혼합하여 1L 플라스크에 넣고, 용매인 1,2-Dichloroethane(DCE) 500 mL와 반응개시제인 t-butyl peroxide(PO) 0.4 중량%를 넣고 80 ℃에서 10 시간 동안 중합을 수행하였다. 반응 후, 미 반응물은 진공 탈 용제법으로 제거하여 SM/HEA/LMA 삼원 공중합체를 제조하 였다. 제조한 SM/HEA/LMA 삼원 공중합체를 1,2-Dichloroethane(DCE)에 완전히 용해한 후, 가교제인 blocked isocyanate 20 중량%, 열개시제인 Benzoyl peroxide(BPO) 1.0 중량%를 첨가하여 6 시간 동안 교반하였다. 교반 후, 용매 캐스팅법을 이용하여 120 ㎛ 두께로 제막한 다음 상온에서 3 시간 동안 건조하고, 진공오븐에서 150 ℃까지 순차적으로 승온하여 3시간 동안 가교시킨 후 다시 상온에서 1 시간 동안 건조하여 막을 제조하였다. 술폰화 개시제로 silver sulfate를 첨가한 95% 황산에 상기 막을 침적시킨 다음 상온에서 2시간 동안 술폰화 반응을 진행하였으며, 술폰화 반응 종결 후, 농도별 황산(70%, 50%, 20% 중량% 순)으로 수 회 세척하고, 최종적으로 증류수를 이용하여 미반응 황산을 제거하였다. 세척한 막은 50 ℃ 진공오븐에서 24시간 동안 건조하여 이온교환막을 제조하였다.For copolymer synthesis, 55% by weight of styrene monomer (SM), 20% by weight of hydroxyethyl acrylate (HEA) and 25% by weight of lauryl methacrylate (LMA) were mixed and placed in a 1L flask. 500 mL of dichloroethane (DCE) and 0.4 wt% of t-butyl peroxide (PO) as a reaction initiator were added, and polymerization was performed at 80 ° C. for 10 hours. After the reaction, the unreacted product was removed by vacuum desolvent method to prepare a SM / HEA / LMA terpolymer. After completely dissolving the prepared SM / HEA / LMA terpolymer in 1,2-Dichloroethane (DCE), 20 wt% of crosslinking agent blocked isocyanate and 1.0 wt% of thermal initiator Benzoyl peroxide (BPO) were added and stirred for 6 hours. It was. After stirring, the film was formed into a thickness of 120 μm using a solvent casting method, dried at room temperature for 3 hours, sequentially heated to a vacuum oven at 150 ° C., crosslinked for 3 hours, and then dried at room temperature for 1 hour to prepare a membrane. It was. The membrane was immersed in 95% sulfuric acid added with silver sulfate as a sulfonation initiator, and then sulfonated at room temperature for 2 hours. After completion of the sulfonated reaction, sulfuric acid (70%, 50%, 20% wt%) by concentration Net), and finally, unreacted sulfuric acid was removed using distilled water. The washed membrane was dried in a vacuum oven at 50 ℃ for 24 hours to prepare an ion exchange membrane.
[실시예 2][Example 2]
공중합체 합성을 위하여 스티렌 단량체(SM) 60 중량%와 하이드록시에틸 아크릴레이트(HEA) 20 중량% 및 라우릴 메타크릴레이트(LMA) 20 중량%를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 이온교환막을 제조하였다.The same procedure as in Example 1 was used except that 60 wt% of styrene monomer (SM), 20 wt% of hydroxyethyl acrylate (HEA) and 20 wt% of lauryl methacrylate (LMA) were used for the copolymer synthesis. To prepare an ion exchange membrane.
[실시예 3]Example 3
공중합체 합성을 위하여 스티렌 단량체(SM) 65 중량%와 하이드록시에틸 아크릴레이트(HEA) 20 중량% 및 라우릴 메타크릴레이트(LMA) 15 중량%를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 이온교환막을 제조하였다. The same procedure as in Example 1 was used except that 65 wt% of styrene monomer (SM), 20 wt% of hydroxyethyl acrylate (HEA), and 15 wt% of lauryl methacrylate (LMA) were used for the copolymer synthesis. To prepare an ion exchange membrane.
[비교예 1]Comparative Example 1
실시예 1의 스티렌 단량체(SM), 하이드록시에틸 아크릴레이트(HEA), 라우릴 메타크릴레이트의 사용 대신 폴리스티렌(Mw; 180,000)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 이온교환막을 제조하였다. An ion exchange membrane was prepared in the same manner as in Example 1 except that polystyrene (Mw; 180,000) was used instead of the styrene monomer (SM), hydroxyethyl acrylate (HEA), and lauryl methacrylate of Example 1. Prepared.
[비교예 2]Comparative Example 2
공중합체 합성을 위하여 스티렌 단량체(SM) 80 중량%와 하이드록시에틸 아크릴레이트(HEA) 10 중량% 및 라우릴 메타크릴레이트(LMA) 10 중량%를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 이온교환막을 제조하였다. Except for using 80% by weight of styrene monomer (SM), 10% by weight of hydroxyethyl acrylate (HEA) and 10% by weight of lauryl methacrylate (LMA) for the synthesis of the copolymer as in Example 1 To prepare an ion exchange membrane.
[시험예 1][Test Example 1]
상기 실시예 1~3 및 비교예 1~2에서 제조한 이온교환막의 이온교환용량 및 기계적 물성에 대한 성능을 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. The performance of the ion exchange capacity and mechanical properties of the ion exchange membranes prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 were measured, and the results are shown in Table 1 below.
이온교환용량 측정Ion exchange capacity measurement
건조된 이온교환막을 1N HCl 수용액으로 1차 세척 한 후, 다시 증류수로 pH가 중성이 될 때까지 2차 세척 하였다. 50 ℃ 진공오븐에서 하루 이상 건조 시킨 다음, 건조된 이온교환막의 무게를 재고 200 mL 삼각플라스크에 넣는다. 0.1N NaOH 수용액 100 mL를 가하고 24시간 동안 상온에서 교반하였다. 이 후, 0.1N HCl 용액으로 적정을 한 후, 다음 식을 이용하여 이온교환용량을 측정하였다. The dried ion exchange membrane was first washed with 1N HCl aqueous solution, and then washed twice with distilled water until the pH was neutral. After drying in a vacuum oven at 50 ° C. for at least one day, the dried ion exchange membrane is weighed and placed in a 200 mL Erlenmeyer flask. 100 mL of 0.1N NaOH aqueous solution was added and stirred at room temperature for 24 hours. Then, after titration with 0.1N HCl solution, the ion exchange capacity was measured using the following equation.
VHCl와 VNaOH는 적정에 사용된 HCl과 NaOH의 전체 부피이며, NHCl와 NNaOH는 HCl과 NaOH의 노르말 농도를 나타낸다.V HCl and V NaOH are the total volumes of HCl and NaOH used for the titration, and N HCl and N NaOH represent the normal concentrations of HCl and NaOH.
기계적 물성 측정(인장강도)Mechanical property measurement (tensile strength)
이온교환막의 인장강도는 인장강도 시험기를 이용하여 측정하였으며, 시편은 길이 100 mm, 외폭 25 mm, 내폭 5 mm인 아령형을 사용하였고, 길이 20 mm, 폭 5 mm 부위의 시편으로 시험편을 잡아 늘릴 때의 Strain-Stress의 curve로 초기로부터 파단 시까지의 신장에 대한 응력의 방법으로 측정하였으며, 인장강도는 ASTM D 882의 방법으로 측정하여 확인하였다. Tensile strength of the ion exchange membrane was measured using a tensile strength tester. The specimen was a 100 mm long, 25 mm wide and 5 mm wide dumbbell. A 20 mm long, 5 mm wide specimen was used to stretch the specimen. The stress-stress curve was measured by the stress on the elongation from the beginning to the break, and the tensile strength was determined by the method of ASTM D 882.
[표 1] 이온교환막의 이온교환용량 및 기계적 물성 성능 평가[Table 1] Evaluation of ion exchange capacity and mechanical properties of ion exchange membrane
상기 표 1에서 살펴본 바와 같이, 실시예 1~3에 의해 제조된 이온교환막의 경우 비교예 1~2에 의해 제조된 이온교환막보다 Sty/HEA/LMA의 삼원 공중합 효과로 인해 막이 불안정(brittle)하지 않아 보는 바와 같이 아주 높은 이온교환용량을 나타낸 것을 확인할 수 있었다. 또한 실시예 1~3에 의해 제조된 이온교환막의 경우 비교예 1~2에 의해 제조된 이온교환막보다 기계적 강도(인장강도)가 월등하게 향상된 수치를 보였다.As shown in Table 1, in the case of the ion exchange membrane prepared in Examples 1 to 3, the membrane is not unstable due to the three-way copolymerization effect of Sty / HEA / LMA than the ion exchange membrane prepared in Comparative Examples 1 to 2. As can be seen, very high ion exchange capacity was observed. In addition, the ion exchange membranes prepared in Examples 1 to 3 exhibited significantly improved mechanical strength (tensile strength) than the ion exchange membranes prepared in Comparative Examples 1 and 2.
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