KR101272661B1 - Sulfonated poly(arylene ether) copolymer, method for preparing the saem and use thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체는 후술폰화 공정을 통해 2∼10개의 술폰산기 도입이 가능하여 술폰산기 도입을 위한 단량체 사용량을 저감할 수 있을 뿐만 아니라 고분자 전해질 막, 양이온 교환수지 또는 양이온 교환막으로 다양한 응용이 가능하다.The present invention relates to sulfonated poly (arylene ether) copolymers and processes for their preparation. The sulfonated poly (arylene ether) copolymer according to the present invention is capable of introducing 2 to 10 sulfonic acid groups through the phonation process described below, thereby reducing the amount of monomer used for introducing sulfonic acid groups, as well as a polymer electrolyte membrane and a cation. Various applications are possible with exchange resins or cation exchange membranes.

Description

술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체, 이의 제조방법 및 이의 용도{SULFONATED POLY(ARYLENE ETHER) COPOLYMER, METHOD FOR PREPARING THE SAEM AND USE THEREOF}Sulfonated poly (arylene ether) copolymers, preparation method thereof and use thereof {SULFONATED POLY (ARYLENE ETHER) COPOLYMER, METHOD FOR PREPARING THE SAEM AND USE THEREOF}

본 발명은 후공정을 통해 술폰산기를 도입함으로써 술폰산기를 갖는 단량체의 사용량을 저감할 수 있을 뿐만 아니라 가공성 및 물리적 특성이 우수한 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체, 이의 제조방법 및 이의 용도에 관한 것이다.The present invention relates to sulfonated poly (arylene ether) copolymers having excellent processability and physical properties as well as reducing the amount of monomers having sulfonic acid groups by introducing sulfonic acid groups through a post-process, and methods for preparing the same. will be.

현대사회의 산업 발전에 따른 산업용수로 인한 하천수의 오염을 방지하고, 유가금속 자원의 확보를 위해 많은 관심이 집중되고 있다. 이를 위한 물리적 또는 화학적 방법이 다수 알려져 있으며, 이 중 화학적 방법으로는 이온교환 방법이 가장 많이 사용되고 있다.In order to prevent pollution of river water caused by industrial water due to industrial development in modern society and to secure valuable metal resources, much attention has been focused. Many physical or chemical methods are known for this purpose, and among these, ion exchange methods are most commonly used.

이온교환 방법은 용액 중에서 추출하고자 하는 이온을 수지의 관능기와 교환하여 용액 내 이온을 회수하는 방법으로서, 목적하는 이온을 용액으로부터 고체 수지로 분리시키는 흡착단계, 흡착된 이온을 수지로부터 산이나 알칼리 용액으로 회수하는 세출단계 및 수지를 재사용하기 위한 재생단계로 설명할 수 있다. The ion exchange method is a method of recovering ions in a solution by exchanging ions to be extracted in a solution with a functional group of a resin, and an adsorption step for separating desired ions from a solution into a solid resin. It can be described as an extraction step for recovering and a regenerating step for reusing the resin.

이온교환수지는 기재 수지에 도입되는 이온교환기의 종류, 이온교환수지의 형태에 의해 분류될 수 있다. 이온교환수지의 형태에 따라 분류하면, 입상형 이온교환체와 섬유형 이온교환체로 나눌 수 있다. 또한, 이온교환기의 종류에 따라 분류하면, 용액 중의 양이온을 자신의 양이온과 치환시켜 용액 중의 양이온을 제거하는 양이온교환수지와 용액 중의 음이온을 자신의 음이온과 치환시켜 용액 중의 음이온을 제거하는 음이온교환수지가 있다. Ion exchange resins can be classified according to the type of ion exchange groups introduced into the base resin and the type of ion exchange resin. When classified according to the type of ion exchange resin, it can be divided into granular ion exchanger and fibrous ion exchanger. In addition, according to the type of the ion exchange group, the cation exchange resin to remove the cation in the solution by replacing the cation in the solution with its own cation, and the anion exchange resin to remove the anion in the solution by replacing the anion in the solution with its own anion. There is.

현재 양이온교환수지로 상용되고 있는 것은 스티렌에 디비닐벤젠을 가교제로 사용하여 제조된 3차원의 망상구조를 갖는 수지에 이온 교환기를 도입한 스티렌계 수지이다. 이는 화학적으로 강산, 강염기에 안정하고, 술폰산기가 교환기로 되어 있어 전 pH 범위에서 이온교환이 가능하다는 장점이 있지만, 150℃ 이상으로 가열하면 분해되어 교환용량, 밀도, 수분 흡착이 저하하고, 186℃에서 24시간 가열하면 교환용량이 15∼40% 저하되어 사용할 수 없는 단점이 있다. 이러한 이온교환수지는 유가금속의 회수, 공기정화, 촉매, 수처리, 의약분야 및 단백질 분리 등에 다양하게 용도로 사용되고 있다. 그러나, 현재 사용되고 있는 이온교환수지는 이온교환 용량에 한계가 있고, 대부분 가교되어 있어 가공성이 떨어지는 단점이 있다. 이에 이러한 단점을 개선한 신규한 이온교환수지의 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.What is currently used as a cation exchange resin is a styrene-based resin in which an ion exchange group is introduced into a resin having a three-dimensional network structure manufactured by using divinylbenzene as a crosslinking agent in styrene. It is chemically stable to strong acid and strong base and has the advantage that ion exchange is possible in all pH range because sulfonic acid group is exchanger. If it is heated for 24 hours at, the exchange capacity is reduced by 15 to 40%. Such ion exchange resins are used for various purposes such as recovery of valuable metals, air purification, catalysts, water treatment, pharmaceuticals and protein separation. However, currently used ion exchange resins have a limit in ion exchange capacity, and most of them are crosslinked, and thus have disadvantages of poor workability. Therefore, there is an urgent need for the development of new ion exchange resins that have alleviated these shortcomings.

또한, 이온교환수지는 이온 교환능으로 인해 연료전지의 고분자 전해질 막으로 응용될 수 있다. 고분자 전해질 막의 종류는 크게 불소계(fluorinated PEM)와 탄화수소계(Hydrocarbon-based PEM)로 구분되는데, 그 중 탄화수소계 전해질 막은 폴리이미드(PI), 폴리설폰(PSU), 폴리에테르케톤(PEK), 폴리아릴렌에테르설폰(PAES) 등의 고분자를 사용하여 제조되며, 일반적으로 불소계 전해질 막에 비해 제조원가가 낮고, 열 안정성이 우수한 장점이 있다. In addition, the ion exchange resin can be applied as a polymer electrolyte membrane of a fuel cell due to the ion exchange capacity. Polymer electrolyte membranes are classified into fluorinated PEM and hydrocarbon-based PEM. Among them, hydrocarbon electrolyte membranes are polyimide (PI), polysulfone (PSU), polyether ketone (PEK), poly It is manufactured using a polymer such as arylene ether sulfone (PAES), and generally has a low manufacturing cost and excellent thermal stability as compared to a fluorine-based electrolyte membrane.

하지만, 탄화수소계 전해질 막에는 불소계 막 수준의 수소이온 전도도를 부여하기 위하여 술폰산기 등 친수성 이온기가 도입되는데, 그에 따라 수분에 의한 과도한 팽윤으로 기계적 물성이 저하되어 막의 안정성이 떨어지고, 술폰화된 수지의 일부가 용출되는 문제점이 있다. 상기 문제점을 보완하기 위하여 원료 수지에 공유결합에 의한 가교 구조를 도입하여 전해질 막의 수용성을 낮추어 수지의 용출을 억제하거나, 고분자의 주쇄가 아닌 측쇄에 술폰산기를 도입하여 고분자 사슬의 유동성을 증가시킴으로써 수소 이온의 전도도를 향상시키는 방법이 제안되었다. 그러나, 수소이온 전도도가 여전히 낮고, 가교에 의한 거대 고분자는 합성과정 및 이를 이용한 막 제조과정에 어려움이 있으며, 유리전이온도(Tg)의 상승으로 고분자의 유동성이 떨어져 막의 기계적 물성이 충분치 못한 문제점이 있다.However, hydrophilic ionic groups such as sulfonic acid groups are introduced to hydrocarbon-based electrolyte membranes to impart hydrogen ion conductivity at the level of fluorine-based membranes. Thus, mechanical properties are degraded due to excessive swelling by moisture, resulting in poor membrane stability, There is a problem that some are eluted. In order to solve the above problems, a crosslinked structure by covalent bonding is introduced into the raw material resin to lower the water solubility of the electrolyte membrane to inhibit elution of the resin, or by introducing sulfonic acid groups into the side chain rather than the main chain of the polymer to increase the fluidity of the polymer chain. A method of improving the conductivity of the is proposed. However, the hydrogen ion conductivity is still low, the macromolecule by crosslinking is difficult in the synthesis process and the membrane manufacturing process using the same, and the mechanical properties of the membrane is insufficient due to the fluidity of the polymer due to the increase in glass transition temperature (T g ) There is this.

본 발명의 목적은 가공성 및 물리적 특성이 우수한 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체를 제공하는 것이다. It is an object of the present invention to provide sulfonated poly (arylene ether) copolymers having good processability and physical properties.

본 발명의 다른 목적은 상기 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체의 제조방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a method for preparing the sulfonated poly (arylene ether) copolymer.

본 발명의 다른 목적은 상기 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체를 포함하여 향상된 이온교환능 및 금속이온 흡착능을 갖는 고분자 전해질 막, 이를 채용한 막-전극 접합체 및 연료전지를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a polymer electrolyte membrane including the sulfonated poly (arylene ether) copolymer having improved ion exchange capacity and metal ion adsorption capacity, a membrane-electrode assembly and a fuel cell employing the same.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 하기 화학식 1 또는 하기 화학식 2로 표시되는 반복 단위를 포함하는 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체를 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention provides a sulfonated poly (arylene ether) copolymer comprising a repeating unit represented by the following formula (1) or (2).

[화학식 1] [Formula 1]

Figure 112011059453260-pat00001
Figure 112011059453260-pat00001

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112011059453260-pat00002
Figure 112011059453260-pat00002

상기 식에서, Where

X가 단일결합 또는 Ar1이며, 상기 Ar1은 치환 또는 비치환된 탄소 수 6 내지 20의 아릴렌기이고, X is a single bond or Ar 1 , Ar 1 is a substituted or unsubstituted arylene group having 6 to 20 carbon atoms,

M1, M2, M3, M4, M5, M6, M7 및 M8은 서로 독립적으로 수소, 리튬, 나트륨 또는 칼륨이고, M 1 , M 2 , M 3 , M 4 , M 5 , M 6 , M 7 and M 8 are independently of each other hydrogen, lithium, sodium or potassium,

a+b=5, c+d=5이며, a + b = 5, c + d = 5,

a 및 c는 서로 독립적으로 1 내지 5의 정수이며,a and c are each independently an integer of 1 to 5,

b, c, e 및 f는 서로 독립적으로 0 내지 4의 정수이며, b, c, e and f are each independently an integer from 0 to 4,

R1, R2, R3 및 R4는 서로 독립적으로 수소, 탄소 수 1 내지 20의 직쇄 또는 분지형 알킬기, 탄소 수 2 내지 20의 알케닐기, 탄소 수 2 내지 20의 알키닐기, 탄소 수 5 내지 20의 시클로알킬기, 탄소 수 6 내지 20의 아릴기, 탄소 수 2 내지 20의 헤테로아릴기, 탄소 수 7 내지 20의 알킬아릴기, 또는 탄소 수 1 내지 20의 알콕시기이고,R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are each independently hydrogen, straight or branched alkyl group of 1 to 20 carbon atoms, alkenyl group of 2 to 20 carbon atoms, alkynyl group of 2 to 20 carbon atoms, 5 carbon atoms A cycloalkyl group of 20 to 20, an aryl group of 6 to 20 carbon atoms, a heteroaryl group of 2 to 20 carbon atoms, an alkylaryl group of 7 to 20 carbon atoms, or an alkoxy group of 1 to 20 carbon atoms,

n은 중합도로서 10 내지 10,000이다.
n is 10 to 10,000 as polymerization degree.

또한, 본 발명은 하기 반응식 1에 나타낸 바와 같이, In addition, the present invention as shown in Scheme 1,

(S1) 화학식 5의 단량체, 화학식 7의 단량체 및 화학식 8의 단량체를 중합하여 화학식 9로 표시되는 공중합체를 합성하는 단계; 및 (S2) 화학식 9의 공중합체의 페닐 고리 부분에 술폰산기를 도입하는 단계를 포함하는 화학식 3으로 표시되는 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체의 제조방법을 제공한다. (S1) synthesizing a copolymer represented by Formula 9 by polymerizing a monomer of Formula 5, a monomer of Formula 7 and a monomer of Formula 8; And (S2) provides a method for producing a sulfonated poly (arylene ether) copolymer represented by the formula (3) comprising the step of introducing a sulfonic acid group to the phenyl ring portion of the copolymer of formula (9).

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

Figure 112013000811761-pat00040

Figure 112013000811761-pat00040

상기 식에서, Where

X, M1, M2, M3, M4, M5, M6, M7, M8, R1, R2, R3, R4, a, b, c, d, e, f는 상기 정의한 바와 같고,X, M 1 , M 2 , M 3 , M 4 , M 5 , M 6 , M 7 , M 8 , R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , a, b, c, d, e, f are As defined above,

Ar2 및 Ar3는 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 탄소 수 6 내지 20의 아릴기이고, Ar 2 and Ar 3 are each independently a substituted or unsubstituted aryl group having 6 to 20 carbon atoms,

p 및 q는 몰분율로서 p+q=1, 0<p<1, 0<q<1이고,p and q are mole fractions p + q = 1, 0 <p <1, 0 <q <1,

r은 중합도로서 10 내지 10,000이고,r is 10 to 10,000 as the degree of polymerization,

R'1, R'2, R'3 및 R'4는 수소, 치환 또는 비치환된 C1 -20 알킬기, 치환 또는 비치환된 C2 -20 알케닐기, 치환 또는 비치환된 C2 -20 알키닐기, 치환 또는 비치환된 C5 -20 시클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 -20 아릴기, 치환 또는 비치환된 C2 -20 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 C7 -20 알킬아릴기, 또는 치환 또는 비치환된 C1 -20 알콕시기이며, R '1, R' 2, R '3 and R' 4 is hydrogen, a substituted or unsubstituted C 1 -20 alkyl, substituted or unsubstituted C 2 -20 alkenyl group, a substituted or unsubstituted C 2 -20 Exchange alkynyl group, a substituted or unsubstituted C 5 -20 cycloalkyl group, a substituted or unsubstituted C 6 -20 aryl group, a substituted or unsubstituted C 2 -20 heteroaryl group, a substituted or unsubstituted C 7 -20 alkyl an aryl group, or a substituted or unsubstituted C 1 -20 alkoxy group,

X1 및 X2는 Cl, Br, I, 또는 F이다.
X 1 and X 2 are Cl, Br, I, or F.

또한, 본 발명은 하기 반응식 2에 나타낸 바와 같이, In addition, the present invention as shown in Scheme 2,

(S1) 화학식 6의 단량체, 화학식 7의 단량체 및 화학식 8의 단량체를 중합하여 화학식 10으로 표시되는 공중합체를 합성하는 단계; 및 (S2) 화학식 10의 공중합체의 페닐 고리 부분에 술폰산기를 도입하는 단계를 포함하는 화학식 4로 표시되는 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체의 제조방법을 제공한다. (S1) synthesizing a copolymer represented by Formula 10 by polymerizing a monomer of Formula 6, a monomer of Formula 7 and a monomer of Formula 8; And (S2) provides a method for producing a sulfonated poly (arylene ether) copolymer represented by the formula (4) comprising the step of introducing a sulfonic acid group to the phenyl ring portion of the copolymer of formula (10).

[반응식 2][Reaction Scheme 2]

Figure 112013000811761-pat00041

Figure 112013000811761-pat00041

상기 식에서, X, X1, X2, M1, M2, M3, M4, M5, M6, M7, M8, R1, R2, R3, R4, R'1, R'2, R'3, R'4, a, b, c, d, e, f, Ar2, Ar3, p, q 및 r은 상기 정의한 바와 같다.
Wherein X, X 1 , X 2 , M 1 , M 2 , M 3 , M 4 , M 5 , M 6 , M 7 , M 8 , R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R ' 1 , R ' 2 , R' 3 , R ' 4 , a, b, c, d, e, f, Ar 2 , Ar 3 , p, q and r are as defined above.

또한, 본 발명은 상기 양성자 전도성 블록 공중합체를 포함하는 고분자 전해질막을 제공한다.
In addition, the present invention provides a polymer electrolyte membrane including the proton conductive block copolymer.

또한, 본 발명은 상기 고분자 전해질막을 포함하는 막-전극 접합체를 제공한다.
In addition, the present invention provides a membrane-electrode assembly including the polymer electrolyte membrane.

또한, 본 발명은 상기 막-전극 접합체를 채용한 연료전지를 제공한다.The present invention also provides a fuel cell employing the membrane-electrode assembly.

본 발명에 따른 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체는 후공정을 통해 바람직하게는 2개 이상, 가장 바람직하게는 10개 이상의 술폰산기의 도입이 가능하므로, 상기 술폰산기의 도입을 위한 단량체의 사용량을 저감할 수 있다.Since the sulfonated poly (arylene ether) copolymer according to the present invention is capable of introducing two or more, most preferably ten or more sulfonic acid groups through a post-process, monomers for introducing the sulfonic acid groups The usage amount of can be reduced.

또한, 본 발명의 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체는 물리적 특성, 수소이온 전도도 이온교환능 및 금속이온 흡착능이 우수할 뿐만 아니라 가공이 용이하고, 다양한 형태로 성형되어 고분자 전해질막, 양이온 교환수지 등의 광범위한 용도에 응용될 수 있다. In addition, the sulfonated poly (arylene ether) copolymer of the present invention is not only excellent in physical properties, hydrogen ion conductivity ion exchange capacity and metal ion adsorption capacity, but also easy to be processed and molded into various forms to polymer electrolyte membrane and cation exchange. It can be applied to a wide range of applications such as resins.

이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명은 하기 화학식 1 또는 하기 화학식 2로 표시되는 반복 단위를 포함하는 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체를 제공한다:The present invention provides sulfonated poly (arylene ether) copolymers comprising repeating units represented by Formula 1 or Formula 2:

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112011059453260-pat00005
Figure 112011059453260-pat00005

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112011059453260-pat00006
Figure 112011059453260-pat00006

상기 식에서, Where

X가 단일결합 또는 Ar1이며, 상기 Ar1은 치환 또는 비치환된 탄소 수 6 내지 20의 아릴렌기이고, X is a single bond or Ar 1 , Ar 1 is a substituted or unsubstituted arylene group having 6 to 20 carbon atoms,

M1, M2, M3, M4, M5, M6, M7 및 M8은 서로 독립적으로 수소, 리튬, 나트륨 또는 칼륨이고, M 1 , M 2 , M 3 , M 4 , M 5 , M 6 , M 7 and M 8 are independently of each other hydrogen, lithium, sodium or potassium,

a+b=5, c+d=5이며, a 및 c는 서로 독립적으로 1 내지 5의 정수이고,a + b = 5, c + d = 5, a and c are each independently an integer from 1 to 5,

b, c, e 및 f는 서로 독립적으로 0 내지 4의 정수이고, b, c, e and f are each independently an integer from 0 to 4,

R1, R2, R3 및 R4는 서로 독립적으로 수소, 탄소 수 1 내지 20의 직쇄 또는 분지형 알킬기, 탄소 수 2 내지 20의 알케닐기, 탄소 수 2 내지 20의 알키닐기, 탄소 수 5 내지 20의 시클로알킬기, 탄소 수 6 내지 20의 아릴기, 탄소 수 2 내지 20의 헤테로아릴기, 탄소 수 7 내지 20의 알킬아릴기, 또는 탄소 수 1 내지 20의 알콕시기이고,R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are each independently hydrogen, straight or branched alkyl group of 1 to 20 carbon atoms, alkenyl group of 2 to 20 carbon atoms, alkynyl group of 2 to 20 carbon atoms, 5 carbon atoms A cycloalkyl group of 20 to 20, an aryl group of 6 to 20 carbon atoms, a heteroaryl group of 2 to 20 carbon atoms, an alkylaryl group of 7 to 20 carbon atoms, or an alkoxy group of 1 to 20 carbon atoms,

n은 중합도로서 10 내지 10,000이다.
n is 10 to 10,000 as polymerization degree.

본 발명의 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체에 포함된 술폰산기는 측쇄의 일 말단에 연결된다. 상기 술폰산기가 상기 중합체 측쇄의 일 말단에 연결됨에 의하여 주쇄로부터 이격되어 비교적 자유롭게 움직일 수 있다. 상기 측쇄에 연결된 술폰산기는 중합체 내에서 계면활성제와 같은 역할을 수행할 수 있다. 그러므로, 상기 측쇄 말단의 술폰산기는 마이셀(micelle)과 같은 이온 채널을 형성하기가 용이하고, 상기 술폰산기가 측쇄에 연결된 위치를 조절함에 의하여 이온 채널의 크기도 조절할 수 있다. 결과적으로 상기 술폰산계 중합체는 상기 이온채널에 포함된 물의 양을 용이하게 조절할 수 있으며 높은 수소이온 전도도를 가질 수 있다. The sulfonic acid groups included in the sulfonated poly (arylene ether) copolymers of the present invention are linked to one end of the side chain. The sulfonic acid group can be relatively freely moved away from the main chain by being linked to one end of the polymer side chain. The sulfonic acid group linked to the side chain may serve as a surfactant in the polymer. Therefore, the sulfonic acid group at the side chain terminal is easy to form an ion channel such as a micelle, and the size of the ion channel can be controlled by adjusting the position where the sulfonic acid group is connected to the side chain. As a result, the sulfonic acid polymer may easily control the amount of water contained in the ion channel and may have high hydrogen ion conductivity.

종래의 일반적인 양성자 전도성 중합체는 양이온 교환기가 주쇄에 직접 연결됨에 의하여 중합체 내에서 양이온 교환기의 함량이 높아지면 중합체 자체가 물에 녹게 되어 전해질막의 기능이 상실될 수 있어 양이온 교환기의 함량에 한계가 있다. 그러므로, 양이온 교환기가 주쇄에만 연결된 종래의 일반적인 양성자 전도성 중합체는 높은 수소이온 전도도를 가지기 어려우며 메탄올의 주쇄를 통한 투과가 용이할 수 있다. 또한, 상기 중합체에서 양이온 교환기가 주쇄로부터 이격되어 존재함에 의하여 상기 중합체에서 친수부와 소수부가 분리되므로, 소수부인 주쇄를 경유하는 메탄올의 투과가 더욱 억제될 수 있다. 또한, 양이온 교환기가 주쇄에 존재하지 않고 측쇄에 존재함에 의하여 양성자 전도성 중합체 자체의 유연성이 향상되고, 열안정성, 산화/환원반응에 대한 안정성도 향상될 수 있다.
Conventional proton-conducting polymers have a limitation in the content of the cation exchanger because the cation exchanger is directly connected to the main chain to increase the content of the cation exchanger in the polymer, so that the polymer itself is dissolved in water and thus the function of the electrolyte membrane may be lost. Therefore, conventional general proton conducting polymers in which a cation exchanger is connected only to the main chain are difficult to have high hydrogen ion conductivity and may be easy to permeate through the main chain of methanol. In addition, since the hydrophilic part and the hydrophobic part in the polymer are separated by the presence of a cation exchange group spaced apart from the main chain in the polymer, permeation of methanol via the main chain which is a hydrophobic part can be further suppressed. In addition, since the cation exchanger is not present in the main chain but in the side chain, the flexibility of the proton conductive polymer itself may be improved, and thermal stability and stability to oxidation / reduction reaction may be improved.

본 발명에 따른 공중합체는 하기 화학식 11로 표시되는 반복 단위를 더 포함할 수 있다:The copolymer according to the present invention may further include a repeating unit represented by Formula 11 below:

[화학식 11][Formula 11]

Figure 112011059453260-pat00007
Figure 112011059453260-pat00007

상기 식에서,Where

Ar2 및 Ar3는 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 탄소 수 6 내지 20의 아릴렌기이며, m은 중합도로서 10 내지 10,000이다.
Ar 2 and Ar 3 are each independently a substituted or unsubstituted arylene group having 6 to 20 carbon atoms, and m is 10 to 10,000 as the degree of polymerization.

전술한 치환기의 정의를 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.Looking at the definition of the above-described substituents in detail as follows.

본 발명의 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체에서, 치환 또는 비치환된 탄소 수 6 내지 20의 아릴렌기는 하기 화학식 14 또는 화학식 15로 표시되는 것이 바람직하다. In the sulfonated poly (arylene ether) copolymer of the present invention, the substituted or unsubstituted arylene group having 6 to 20 carbon atoms is preferably represented by the following formula (14) or (15).

[화학식 14] [Formula 14]

Figure 112011059453260-pat00008
Figure 112011059453260-pat00008

[화학식 15][Formula 15]

Figure 112011059453260-pat00009
Figure 112011059453260-pat00009

상기 식에서,Where

R5, R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12, R13, R14, R15 및 R16이 서로 독립적으로 수소, 할로겐 원자, 탄소 수 1 내지 20의 직쇄 또는 분지형 알킬기, 탄소 수 2 내지 20의 알케닐기, 탄소 수 1 내지 20의 알키닐기, 탄소 수 5 내지 20의 시클로 알킬기, 탄소 수 6 내지 20의 아릴기, 탄소 수 2 내지 20의 헤테로아릴기, 탄소 수 7 내지 20의 알킬아릴기, 또는 탄소 수 1 내지 20의 알콕시기이며,R 5 , R 6 , R 7 , R 8 , R 9 , R 10 , R 11 , R 12 , R 13 , R 14 , R 15 and R 16 independently of one another are hydrogen, halogen atoms, carbon atoms of 1 to 20 Straight chain or branched alkyl group, alkenyl group having 2 to 20 carbon atoms, alkynyl group having 1 to 20 carbon atoms, cycloalkyl group having 5 to 20 carbon atoms, aryl group having 6 to 20 carbon atoms, heteroaryl having 2 to 20 carbon atoms Group, a C7-C20 alkylaryl group, or a C1-C20 alkoxy group,

Y는 단일결합, S, S(=O)2, C(=O), P(=O)(R17) 또는 C(R18)(R19)이며, 상기 R17 , R18, R19는 서로 독립적으로 할로겐으로 치환 또는 비치환된 탄소 수 6 내지 20의 아릴기이다.Y is a single bond, S, S (= O) 2 , C (= O), P (= O) (R 17 ) or C (R 18 ) (R 19 ), wherein R 17 , R 18 , R 19 Are independently an aryl group having 6 to 20 carbon atoms which is unsubstituted or substituted with halogen.

상기 화학식 14 및 15로 표시되는 아릴렌기가 치환기로서 -SO3M(M은 수소, 또는 알칼리 금속)를 추가적으로 포함할 수 있다. 일반적으로 상기 아릴렌기에는 술포네이트기가 포함되지 않으나 용도에 따라 필요한 경우에는 상기 아릴렌기에 상기 술포네이트기가 1 이상 치환될 수 있다.The arylene groups represented by Formulas 14 and 15 may further include -SO 3 M (M is hydrogen or an alkali metal) as a substituent. In general, the arylene group does not include a sulfonate group, but if necessary, one or more of the sulfonate groups may be substituted with the arylene group.

바람직하게는, Ar1, Ar2 및 Ar3

Figure 112013000811761-pat00042
,
Figure 112013000811761-pat00043
,
Figure 112013000811761-pat00044
Figure 112013000811761-pat00045
로 이루어진 군에서 선택되는 탄소 수 6 내지 20의 아릴렌기이다:Preferably, Ar 1 , Ar 2 and Ar 3 are
Figure 112013000811761-pat00042
,
Figure 112013000811761-pat00043
,
Figure 112013000811761-pat00044
And
Figure 112013000811761-pat00045
An arylene group having 6 to 20 carbon atoms selected from the group consisting of:

상기 식에서, Y는 단일결합, S, S(=O)2, C(=O), P(=O)(R17) 또는 C(R18)(R19)이며, 상기 R17 , R18, R19는 서로 독립적으로 할로겐으로 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 20의 아릴기이다.
Wherein Y is a single bond, S, S (= 0) 2 , C (= 0), P (= 0) (R 17 ) or C (R 18 ) (R 19 ), wherein R 17 , R 18 , R 19 is an independently substituted or unsubstituted aryl group having 6 to 20 carbon atoms.

본 발명에서 사용되는 치환기인 알킬기는 1 내지 20개, 바람직하게는 1 내지 10개, 보다 바람직하게는 1 내지 6개의 탄소 원자의 직쇄 또는 분지쇄 포화 1가 탄화수소 부위를 의미한다. 본 발명에서 사용되는 치환기인 비치환된 알킬기의 구체적인 예로는 메틸, 에틸, 프로필, 이소부틸, sec-부틸, tert-부틸, 펜틸, iso-아밀, 헥실 등을 들 수 있다. 또한, 본 명세서에서 다르게 정의하지 않는 이상, 상기 알킬기에 포함되어 있는 하나 이상의 수소 원자는 할로겐 원자, 히드록시기, 니트로기, 시아노기, 치환 또는 비치환된 아미노기(-NH2, -NH(R), -N(R')(R''), 이때, R'과 R"은 서로 독립적으로 탄소수 1 내지 10의 알킬기임), 아미디노기, 히드라진, 또는 히드라존기 카르복실기, 술폰산기, 인산기, C1 -20 알킬기, 할로겐화된 C1 -20 알킬기, C1 -20 알케닐기, C1 -20 알키닐기, C1 -20 헤테로알킬기, C6 -20 아릴기, C6 -20의 아릴알킬기, C6 -20의 헤테로아릴기, 또는 C6 -20의 헤테로아릴알킬기로 치환될 수 있다.An alkyl group which is a substituent used in the present invention means a straight or branched chain saturated monovalent hydrocarbon moiety of 1 to 20, preferably 1 to 10, more preferably 1 to 6 carbon atoms. Specific examples of the unsubstituted alkyl group which is a substituent used in the present invention include methyl, ethyl, propyl, isobutyl, sec-butyl, tert-butyl, pentyl, iso-amyl, hexyl and the like. In addition, unless otherwise defined herein, at least one hydrogen atom included in the alkyl group may be a halogen atom, a hydroxy group, a nitro group, a cyano group, a substituted or unsubstituted amino group (-NH 2 , -NH (R), -N (R ') (R''), wherein R' and R "are independently of each other an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, amidino group, hydrazine, or hydrazone group carboxyl group, sulfonic acid group, phosphoric acid group, C 1 -20 alkyl group, a halogenated C 1 -20 alkyl, C 1 -20 alkenyl, C 1 -20 alkynyl group, C 1 -20 alkyl heteroaryl, C 6 -20 aryl group, a C 6 -20 aryl group, a C 6 a heteroaryl group, a heteroarylalkyl group or a C 6 -20 -20 may be substituted.

본 발명에서 사용되는 치환기인 알케닐기는 1 이상의 탄소-탄소 이중 결합을 포함하는 2 내지 20개, 바람직하게는 2 내지 10개, 보다 바람직하게는 2 내지 6개의 탄소 원자의 직쇄 또는 분지쇄 1가 탄화수소 부위를 의미한다. 알케닐기는 탄소-탄소 이중 결합을 포함하는 탄소 원자를 통해 또는 포화된 탄소 원자를 통해 결합될 수 있다. 알케닐기의 예로서 에테닐, 1-프로페닐, 2-프로페닐, 2-부테닐, 3-부테닐, 펜테닐, 5-헥세닐, 도데세닐 등을 들 수 있다. 상기 알케닐기 중 하나 이상의 수소 원자는 상기 알킬기의 경우와 마찬가지의 치환기로 치환가능하다.Alkenyl groups, which are substituents used in the present invention, are linear or branched monovalent of 2 to 20, preferably 2 to 10, more preferably 2 to 6 carbon atoms containing at least one carbon-carbon double bond. Means a hydrocarbon site. The alkenyl group may be bonded through a carbon atom containing a carbon-carbon double bond or through a saturated carbon atom. Examples of the alkenyl group include ethenyl, 1-propenyl, 2-propenyl, 2-butenyl, 3-butenyl, pentenyl, 5-hexenyl and dodecenyl. At least one hydrogen atom of the alkenyl group may be substituted with the same substituent as in the alkyl group.

본 발명에서 사용되는 치환기인 알키닐은 1 이상의 탄소-탄소 삼중 결합을 포함하는 2 내지 20개, 바람직하게는 2 내지 10개, 보다 바람직하게는 2 내지 6개의 탄소 원자의 직쇄 또는 분지쇄 1가 탄화수소 부위를 의미한다. 대표적인 직쇄 및 분지형 알키닐기로는 아세틸레닐, 프로피닐, 1-부티닐, 2-부티닐, 1-펜티닐, 2-펜티닐, 3-메틸-1-부티닐, 4-펜티닐, 1-헥시닐, 2-헥시닐, 5-헥시닐, 1-헵티닐, 2-헵티닐, 6-헵티닐, 1-옥티닐, 2-옥티닐, 7-옥티닐, 1-노니닐, 2-노니닐, 8-노니닐, 1-데시닐, 2-데시닐, 9-데시닐 등이 있다.Alkynyl, which is a substituent used in the present invention, is a straight or branched chain monovalent of 2 to 20, preferably 2 to 10, more preferably 2 to 6 carbon atoms containing at least one carbon-carbon triple bond. Means a hydrocarbon site. Representative straight and branched alkynyl groups include acetylenyl, propynyl, 1-butynyl, 2-butynyl, 1-pentynyl, 2-pentynyl, 3-methyl-1-butynyl, 4-pentynyl, 1 -Hexynyl, 2-hexynyl, 5-hexynyl, 1-heptinyl, 2-heptinyl, 6-heptinyl, 1-octinyl, 2-octynyl, 7-octinyl, 1-noninyl, 2 -Noninyl, 8-noninyl, 1-decynyl, 2-decynyl, 9-decynyl and the like.

본 발명에서 사용되는 치환기인 아릴기는 6 내지 20개, 바람직하게는 6 내지 20개의 고리 원자를 가지는 1가 모노시클릭, 바이시클릭 또는 트리시클릭 방향족 탄화수소 부위를 의미하며, 1 이상의 할로겐 치환체에 의해 임의로 치환될 수 있다. 아릴기의 방향족 부분은 탄소 원자만을 포함한다. 아릴기의 예로서 페닐, 나프탈레닐 및 플루오레닐을 들 수 있고, 상기 아릴기 중 하나 이상의 수소 원자는 상기 알킬기의 경우와 마찬가지의 치환기로 치환가능하다.The aryl group, which is a substituent used in the present invention, means a monovalent monocyclic, bicyclic or tricyclic aromatic hydrocarbon moiety having 6 to 20, preferably 6 to 20 ring atoms, and by one or more halogen substituents May be optionally substituted. The aromatic portion of the aryl group contains only carbon atoms. Examples of the aryl group include phenyl, naphthalenyl and fluorenyl, and at least one hydrogen atom in the aryl group may be substituted with the same substituent as in the alkyl group.

본 발명에서 사용되는 치환기인 헤테로아릴기는 N, O, P 또는 S 중에서 선택된 1, 2 또는 3개의 헤테로 원자를 포함하고, 나머지 고리 원자가 C인 고리원자수 5 내지 30의 고리 방향족 시스템을 의미하며, 상기 고리들은 펜던트 방법으로 함께 부착되거나 또는 융합(fused)될 수 있다. 그리고 상기 헤테로아릴기중 하나 이상의 수소 원자는 상기 알킬기의 경우와 마찬가지의 치환기로 치환가능하다.Heteroaryl group which is a substituent used in the present invention means a ring aromatic system having 5 to 30 ring atoms containing 1, 2 or 3 hetero atoms selected from N, O, P or S, and the remaining ring atoms are C, The rings may be attached or fused together in a pendant manner. At least one hydrogen atom in the heteroaryl group may be substituted with the same substituent as in the alkyl group.

본 발명에서 사용되는 치환기인 알킬아릴기는 상기 정의된 바와 같은 아릴기에서 수소 원자중 일부가 저급알킬, 예를 들어 메틸, 에틸, 프로필 등과 같은 라디칼로 치환된 것을 의미한다. 예를 들어 벤질, 페닐에틸 등이 있다. 상기 아릴알킬기중 하나 이상의 수소 원자는 상기 알킬기의 경우와 마찬가지의 치환기로 치환 가능하다.Alkylaryl group, which is a substituent used in the present invention, means that some of the hydrogen atoms in the aryl group as defined above are substituted with radicals such as lower alkyl, for example methyl, ethyl, propyl and the like. For example benzyl, phenylethyl and the like. At least one hydrogen atom of the arylalkyl group may be substituted with the same substituent as in the alkyl group.

본 발명에서 사용되는 치환기인 알콕시기는 라디칼 -O-알킬을 말하고, 이때 알킬은 위에서 정의된 바와 같다. 구체적인 예로는 메톡시, 에톡시, 프로폭시, 이소부틸옥시, sec-부틸옥시, 펜틸옥시, iso-아밀옥시, 헥실옥시 등을 들 수 있고, 상기 알콕시기중 하나 이상의 수소 원자는 상기 알킬기의 경우와 마찬가지의 치환기로 치환가능하다.The alkoxy group which is a substituent used in the present invention refers to the radical -O-alkyl, wherein alkyl is as defined above. Specific examples thereof include methoxy, ethoxy, propoxy, isobutyloxy, sec-butyloxy, pentyloxy, iso-amyloxy, hexyloxy, and the like. At least one hydrogen atom of the alkoxy group is an alkyl group. Substituents similar to the above can be substituted.

본 발명에서 사용되는 사이클로알킬기는 탄소원자수 3 내지 20, 바람직하게는 3 내지 10개, 보다 바람직하게는 3 내지 6개의 1가 모노사이클릭 시스템을 의미한다. 상기 사이클로알킬기중 적어도 하나 이상의 수소 원자는 상기 알킬기의 경우와 마찬가지의 치환기로 치환 가능하다. By cycloalkyl group used in the present invention is meant a monovalent monocyclic system having 3 to 20 carbon atoms, preferably 3 to 10 carbon atoms, more preferably 3 to 6 carbon atoms. At least one hydrogen atom in the cycloalkyl group may be substituted with the same substituent as in the alkyl group.

본 발명에서 사용되는 아릴렌기는 6 내지 20개, 바람직하게는 6 내지 12개의 고리 원자를 가지는 2가 모노시클릭, 바이시클릭 또는 트리시클릭 방향족 탄화수소 부위를 의미한다. 아릴렌기의 예로는 페닐렌, 비페닐렌, 터페닐렌, 나프탈렌 등을 들 수 있으며, 마찬가지로 상기 아릴렌기 중 하나 이상의 수소 원자는 상기 알킬기의 경우와 마찬가지의 치환기로 치환가능하다.The arylene group used in the present invention means a divalent monocyclic, bicyclic or tricyclic aromatic hydrocarbon moiety having 6 to 20, preferably 6 to 12 ring atoms. Examples of the arylene group include phenylene, biphenylene, terphenylene, naphthalene and the like, and likewise, at least one hydrogen atom in the arylene group may be substituted with the same substituent as in the alkyl group.

본 발명에서 사용되는 할로겐은 불소, 염소, 브롬, 요오드, 또는 아스타틴이며, 이들 중에서 불소가 특히 바람직하다.
Halogen used in the present invention is fluorine, chlorine, bromine, iodine or asstatin, among which fluorine is particularly preferred.

바람직하게는, 본 발명의 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체는 하기 화학식 3 또는 화학식 4로 표시될 수 있다:Preferably, the sulfonated poly (arylene ether) copolymer of the present invention may be represented by the following formula (3) or (4):

[화학식 3](3)

Figure 112011059453260-pat00014
Figure 112011059453260-pat00014

[화학식 4] [Formula 4]

Figure 112011059453260-pat00015
Figure 112011059453260-pat00015

상기 식에서,Where

X, M1, M2, M3, M4, M5, M6, M7, M8, R1, R2, R3, R4, a, b, c, d, e 및 f는 상기 정의한 바와 같고, X, M 1 , M 2 , M 3 , M 4 , M 5 , M 6 , M 7 , M 8 , R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , a, b, c, d, e and f are As defined above,

Ar2 및 Ar3은 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 탄소 수 6 내지 20의 아릴렌기이며,Ar 2 and Ar 3 are each independently a substituted or unsubstituted arylene group having 6 to 20 carbon atoms,

p 및 q는 몰분율로서 p+q=1이며, 0<p<1, 0<q<1이고,p and q are molar fractions p + q = 1, 0 <p <1, 0 <q <1,

r은 중합도로서 10 내지 10,000이다.
r is 10 to 10,000 as polymerization degree.

가장 바람직하게는, 본 발명의 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체는 하기 화학식 12 또는 화학식 13으로 표시될 수 있다:Most preferably, the sulfonated poly (arylene ether) copolymer of the present invention may be represented by the following formula (12) or formula (13):

[화학식 12][Chemical Formula 12]

Figure 112011059453260-pat00016
Figure 112011059453260-pat00016

[화학식 13][Chemical Formula 13]

Figure 112011059453260-pat00017
Figure 112011059453260-pat00017

상기 식에서,Where

M1 내지 M8은 서로 독립적으로 수소, 리튬, 나트륨 또는 칼륨이고, M 1 to M 8 are independently of each other hydrogen, lithium, sodium or potassium,

a 및 c는 서로 독립적으로 1 내지 5의 정수이고, a and c are each independently an integer of 1 to 5,

Ar1, Ar2 및 Ar3은 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 20의 아릴렌기이며,Ar 1 , Ar 2 and Ar 3 are each independently a substituted or unsubstituted arylene group having 6 to 20 carbon atoms,

p 및 q는 몰분율로서 p+q=1, 0<p<1, 0<q<1이고,p and q are mole fractions p + q = 1, 0 <p <1, 0 <q <1,

r은 중합도로서 10 내지 10,000이고, 바람직하게는 20 내지 100이다. 상기 중합도 범위가 본 발명의 목적 달성에 적합하다. r is 10 to 10,000 as polymerization degree, Preferably it is 20-100. The said polymerization degree range is suitable for achieving the objective of this invention.

본 발명의 또 다른 일 실시에에 따르면, 상기 화학식 3 및 4 또는 12 및 13으로 표시되는 공중합체에서 상기 p 및 q의 비가 1:9 내지 9:1인 것이 바람직하다. 상기 p 및 q의 비율이 1:9 내지 9:1를 만족하는 경우, 전도도가 낮아 물성이 저하되거나 물에 용해되는 문제가 개선될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the ratio of p and q in the copolymer represented by Chemical Formulas 3 and 4 or 12 and 13 is preferably 1: 9 to 9: 1. When the ratio of p and q satisfies 1: 9 to 9: 1, the conductivity may be lowered and the physical property may be degraded or the problem of dissolving in water may be improved.

본 발명에 따른 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체는 랜덤(random) 또는 블록(block) 공중합체일 수 있다. The sulfonated poly (arylene ether) copolymers according to the present invention may be random or block copolymers.

상기 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체는 제조단계에서 적절한 분자량을 갖도록 설계하며, 바람직하기로 중량평균 분자량이 10,000 내지 1,000,000이 되도록 한다. 만약 상기 범위 미만이면 기계적 물성 및 화학적 안정성이 불충분하고 이와 반대로 상기 범위를 초과하면 점도가 너무 높아져 취급이 곤란한 문제점이 있다. The sulfonated poly (arylene ether) copolymer is designed to have an appropriate molecular weight in the preparation step, preferably to have a weight average molecular weight of 10,000 to 1,000,000. If it is less than the above range, the mechanical properties and chemical stability are insufficient, on the contrary, if the above range is exceeded, the viscosity becomes too high, which makes handling difficult.

또한, 상기 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체는 술폰화도가 30∼50%로, 측쇄에 최대 6개까지 도입될 수 있어, 술폰산 도입을 위한 단량체를 과도하게 사용하지 않고도 술폰산 또는 술폰산염 도입을 위한 화합물의 몰비 제어를 통해 상기 술폰화도를 달성할 수 있다.
In addition, the sulfonated poly (arylene ether) copolymer has a degree of sulfonation of 30 to 50%, can be introduced up to six in the side chain, so that the sulfonic acid or sulfonate without excessive use of the monomer for sulfonic acid introduction The degree of sulfonation can be achieved by controlling the molar ratio of the compound for introduction.

또한, 본 발명은 하기 반응식 1에 나타낸 바와 같이, In addition, the present invention as shown in Scheme 1,

(S1) 화학식 5의 단량체, 화학식 7의 단량체 및 화학식 8의 단량체를 중합하여 화학식 9로 표시되는 공중합체를 합성하는 단계; 및 (S2) 화학식 9의 공중합체의 페닐 고리 부분에 술폰산기를 도입하는 단계를 포함하는 화학식 3으로 표시되는 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체의 제조방법을 제공한다. (S1) synthesizing a copolymer represented by Formula 9 by polymerizing a monomer of Formula 5, a monomer of Formula 7 and a monomer of Formula 8; And (S2) provides a method for producing a sulfonated poly (arylene ether) copolymer represented by the formula (3) comprising the step of introducing a sulfonic acid group to the phenyl ring portion of the copolymer of formula (9).

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

Figure 112013000811761-pat00046

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상기 식에서, Where

X, M1, M2, M3, M4, M5, M6, M7, M8, R1, R2, R3, R4, a, b, c, d, e, f는 상기 정의한 바와 같고,X, M 1 , M 2 , M 3 , M 4 , M 5 , M 6 , M 7 , M 8 , R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , a, b, c, d, e, f are As defined above,

Ar2 및 Ar3는 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 탄소 수 6 내지 20의 아릴기이고, Ar 2 and Ar 3 are each independently a substituted or unsubstituted aryl group having 6 to 20 carbon atoms,

p 및 q는 몰분율로서 p+q=1, 0<p<1, 0<q<1이고,p and q are mole fractions p + q = 1, 0 <p <1, 0 <q <1,

r은 중합도로서 10 내지 10,000이고,r is 10 to 10,000 as the degree of polymerization,

R'1, R'2, R'3 및 R'4는 수소, 치환 또는 비치환된 C1 -20 알킬기, 치환 또는 비치환된 C2 -20 알케닐기, 치환 또는 비치환된 C2 -20 알키닐기, 치환 또는 비치환된 C5 -20 시클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 -20 아릴기, 치환 또는 비치환된 C2 -20 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 C7 -20 알킬아릴기, 또는 치환 또는 비치환된 C1 -20 알콕시기이며, R '1, R' 2, R '3 and R' 4 is hydrogen, a substituted or unsubstituted C 1 -20 alkyl, substituted or unsubstituted C 2 -20 alkenyl group, a substituted or unsubstituted C 2 -20 Exchange alkynyl group, a substituted or unsubstituted C 5 -20 cycloalkyl group, a substituted or unsubstituted C 6 -20 aryl group, a substituted or unsubstituted C 2 -20 heteroaryl group, a substituted or unsubstituted C 7 -20 alkyl an aryl group, or a substituted or unsubstituted C 1 -20 alkoxy group,

X1 및 X2는 Cl, Br, I, 또는 F이다.
X 1 and X 2 are Cl, Br, I, or F.

또한, 본 발명은 하기 반응식 2에 나타낸 바와 같이, In addition, the present invention as shown in Scheme 2,

(S1) 화학식 6의 단량체, 화학식 7의 단량체 및 화학식 8의 단량체를 중합하여 화학식 10으로 표시되는 공중합체를 합성하는 단계; 및 (S2) 화학식 10의 공중합체의 페닐 고리 부분에 술폰산기를 도입하는 단계를 포함하는 화학식 4로 표시되는 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체의 제조방법을 제공한다. (S1) synthesizing a copolymer represented by Formula 10 by polymerizing a monomer of Formula 6, a monomer of Formula 7 and a monomer of Formula 8; And (S2) provides a method for producing a sulfonated poly (arylene ether) copolymer represented by the formula (4) comprising the step of introducing a sulfonic acid group to the phenyl ring portion of the copolymer of formula (10).

[반응식 2][Reaction Scheme 2]

Figure 112013000811761-pat00047

Figure 112013000811761-pat00047

상기 식에서, X, X1, X2, M1, M2, M3, M4, M5, M6, M7, M8, R1, R2, R3, R4, R'1, R'2, R'3, R'4, a, b, c, d, e, f, Ar2, Ar3, p, q 및 r은 상기 정의한 바와 같다.
Wherein X, X 1 , X 2 , M 1 , M 2 , M 3 , M 4 , M 5 , M 6 , M 7 , M 8 , R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R ' 1 , R ' 2 , R' 3 , R ' 4 , a, b, c, d, e, f, Ar 2 , Ar 3 , p, q and r are as defined above.

본 발명에 따른 제조방법은 제조가 간단하고, 정제가 용이하고 수율이 높으므로 상기 고분자를 저렴하게 대량으로 제조할 수 있어, 경제성이 매우 높다. 또한, 술폰화도의 조절이 용이하다.
The production method according to the present invention is simple to manufacture, easy to purify and high yield, so that the polymer can be produced in large quantities at low cost, and very economical. It is also easy to adjust the degree of sulfonation.

이하 제조방법을 각 단계별로 더욱 상세히 설명한다. Hereinafter, the manufacturing method will be described in more detail at each step.

먼저, S1 단계에서, 화학식 5 또는 6의 단량체를 화학식 7의 단량체와 화학식 8의 단량체와 축중합 반응을 수행하여 화학식 9 또는 화학식 10으로 표시되는 블록 공중합체를 합성한다. 이러한 축중합 반응은 활성화 단계와 중합단계를 거치는 친핵성 치환반응을 통해 진행된다. 이러한 반응은 본 발명이 속하는 기술분야에서 일반적으로 알려진 반응조건으로 수행될 수 있으므로, 본 발명에서는 특별히 제한하지는 않는다. First, in step S1, a block copolymer represented by Formula 9 or Formula 10 is synthesized by performing a condensation polymerization reaction of a monomer of Formula 5 or 6 with a monomer of Formula 7 and a monomer of Formula 8. This polycondensation reaction proceeds through a nucleophilic substitution reaction through an activation step and a polymerization step. This reaction may be carried out under reaction conditions generally known in the art to which the present invention pertains, and therefore, the present invention is not particularly limited.

상기 중합반응은 유기 용매 내에서 수행되는데, 반응물과 생성물을 잘 용해시킬 수 있는 것이라면 본 발명에서 특별히 제한하지 않는다. 구체적인 예로서, 톨루엔, 디메틸아세트아마이드, N-메틸피롤리돈, 디메틸술폭사이드, 자이렌, 벤젠, n-부틸아세테이트, 메틸시클로헥산, 디메틸시클로헥산 및 이들의 혼합 용매가 가능하다. 이때 축중합 반응을 용이하게 하기 위해 알칼리 금속 염기 하에서 반응이 진행될 수 있다. 상기 알칼리 금속 염기로는 탄산칼륨, 탄산나트륨, 수산화나트륨, 또는 수산화칼슘 등이 사용될 수 있다. The polymerization reaction is carried out in an organic solvent, so long as it can dissolve the reactants and the product is not particularly limited in the present invention. As specific examples, toluene, dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, dimethyl sulfoxide, styrene, benzene, n-butyl acetate, methylcyclohexane, dimethylcyclohexane and mixed solvents thereof are possible. At this time, the reaction may proceed under an alkali metal base to facilitate the polycondensation reaction. Potassium carbonate, sodium carbonate, sodium hydroxide, calcium hydroxide, or the like may be used as the alkali metal base.

S2 단계에서는, 화학식 9 또는 화학식 10으로 표시되는 화합물의 페닐 고리 부분에 술폰산기를 도입한다. In step S2, a sulfonic acid group is introduced into the phenyl ring portion of the compound represented by the formula (9) or (10).

상기 술폰산기 도입을 위한 화합물로는 진한황산(Conc H2SO4), 클로로술폰산(ClSO3H), 발연황산(Fumming SO3), 발연황산 트리에틸포스페이트 염(SO3.TEP) 및 인산으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이 사용 가능하다. Compounds for introducing sulfonic acid groups include concentrated sulfuric acid (Conc H 2 SO 4 ), chlorosulfonic acid (ClSO 3 H), fuming sulfuric acid (Fumming SO 3 ), fuming sulfuric acid triethylphosphate salt (SO 3 .TEP) and phosphoric acid At least one selected from the group consisting of can be used.

상기 술폰산기 도입 반응은 화학식 9 또는 10으로 표시되는 화합물과 술폰산기 도입을 위한 화합물을 예를 들면 0 내지 100℃, 또는 25 내지 50℃에서 0.1∼2시간 동안 반응시켜 수행한다. 이때, 상기 반응온도가 0℃ 미만이면 충분히 술폰화된 고분자를 얻을 수 없고, 이와 반대로 100℃를 초과하면 더 이상 도입 비율이 높아지지 않을 뿐만 아니라 경우에 따라 고분자의 주쇄가 분해될 수 있다. The sulfonic acid group introduction reaction is performed by reacting a compound represented by Formula 9 or 10 with a compound for introducing sulfonic acid group, for example, at 0 to 100 ° C., or at 25 to 50 ° C. for 0.1 to 2 hours. At this time, if the reaction temperature is less than 0 ℃ can not obtain a sufficiently sulfonated polymer, on the contrary, if the temperature exceeds 100 ℃, the introduction ratio does not increase any more, and in some cases the main chain of the polymer may be decomposed.

이때 필요한 경우, 상기 축중합 단계 및 양이온 교환기 도입 반응 단계 사이에 추가의 반응을 더욱 수행할 수 있다.At this time, if necessary, an additional reaction may be further performed between the condensation polymerization step and the cation exchanger introduction reaction step.

일 예로, 상기 화학식 9 및 10의 Ar1, Ar2 및 Ar3 중 하나 이상이 설폰(sulfone) 관능기를 가지는 경우, 이때 상기 설폰 관능기는 하기 반응식 6과 같은 설페인(sulfane) 관능기의 산화 반응의 결과로 얻어질 수 있다.For example, when at least one of Ar 1 , Ar 2, and Ar 3 of Formulas 9 and 10 has a sulfone functional group, the sulfone functional group may be obtained by oxidation of a sulfane functional group as shown in Scheme 6 below. Can be obtained as a result.

[반응식 6][Reaction Scheme 6]

Figure 112011059453260-pat00020
Figure 112011059453260-pat00020

상기 반응식에서, Z1 및 Z2는 독립적으로 수소, 할로겐 원자, 직쇄 또는 분지형 C1 -20 알킬기, C2 -20 알케닐기, C2 -20 알키닐기, C5 -20 시클로알킬기, C6 -20 아릴기, C2 -20 헤테로아릴기, C7 -20 알킬아릴기, 또는 C1 -20 알콕시기이다.In the above reaction formula, Z 1 and Z 2 are independently hydrogen, a halogen atom, a straight-chain or branched C 1 -20 alkyl, C 2 -20 alkenyl, C 2 -20 alkynyl group, C 5 -20 cycloalkyl group, C 6 -20 aryl group, a C 2 -20 heteroaryl group, C 7 -20 alkyl, an aryl group, or C 1 -20 alkoxy groups.

상기 산화 반응은 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 이 분야에서 통상적으로 사용되는 방법이 가능하다. 예를 들면, 용매 존재 하에 설페인 관능기를 포함하는 화합물과 산화제를 일정 당량비로 혼합하여 산화 반응을 수행한다. 상기 산화제로는 메타클로로퍼 옥시벤조산, 과산화수소, 포타슘 퍼옥시모노설페이트(OXONE?), 또는 마그네슘 모노퍼옥시프탈산 등을 사용할 수 있다. 용매로는 디클로로메탄, 톨루엔, 디메틸아세트아마이드, N-메틸피롤리돈, 디메틸술폭사이드, 크실렌, 벤젠, n-부틸아세테이트, 메틸시클로헥산, 디메틸시클로헥산 및 이들의 혼합 용매가 가능하다. 상기 반응은 25 내지 50℃에서 30분 내지 10시간 동안 수행한다.
The oxidation reaction is not particularly limited in the present invention, a method commonly used in this field is possible. For example, in the presence of a solvent, an oxidation reaction is performed by mixing a compound containing a sulphate functional group with an oxidizing agent in a constant equivalent ratio. As the oxidizing agent, metachloroperoxybenzoic acid, hydrogen peroxide, potassium peroxymonosulfate (OXONE?), Magnesium monoperoxyphthalic acid, or the like can be used. The solvent may be dichloromethane, toluene, dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, dimethyl sulfoxide, xylene, benzene, n-butyl acetate, methylcyclohexane, dimethylcyclohexane and mixed solvents thereof. The reaction is carried out at 25 to 50 ° C. for 30 minutes to 10 hours.

또한, 본 발명은 본 발명의 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체를 포함하는 고분자 전해질 막을 제공한다. 본 발명의 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체를 포함하는 고분자 전해질 막은 메탄올 투과도가 낮으면서도 수소이온 전도도가 높다. 그리고 함수율 특성도 우수하다. 또한, 고분자 전해질 막은 폴리(아릴렌 에테르)계 중합체가 통상적으로 보유하는 열적 안정성, 화학적 안정성을 가질 수 있으며 가공이 쉽고 흡습율 또한 적어 열가소성 고분자, 막 탄성체 등으로 이용될 수 있다. 또한, 술폰산기 함유로 인해 낮은 수분 함량에서도 높은 수소이온 전도도를 가질 수 있고, 수분에 장시간 노출되어도 전해질 막의 특성의 변화가 없어 높은 치수안정성을 나타낼 수 있기 때문에, 고분자 전해질 막으로서의 성능이 우수하여 연료전지 또는 2차 전지 등에 사용하기에 매우 적합하다.The present invention also provides a polymer electrolyte membrane comprising the sulfonated poly (arylene ether) copolymer of the present invention. The polymer electrolyte membrane comprising the sulfonated poly (arylene ether) copolymer of the present invention has a low methanol permeability and high hydrogen ion conductivity. And the moisture content is also excellent. In addition, the polymer electrolyte membrane may have thermal stability and chemical stability, which are conventionally possessed by a poly (arylene ether) polymer, and may be used as a thermoplastic polymer, a membrane elastomer, and the like because of easy processing and low moisture absorption. In addition, because of the sulfonic acid group, it can have high hydrogen ion conductivity even at low moisture content, and can exhibit high dimensional stability even if it is exposed to moisture for a long time, thereby exhibiting high dimensional stability. It is very suitable for use in batteries or secondary batteries.

본 발명에 따른 고분자 전해질 막은 본 발명에 따른 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체를 이용하는 것을 제외하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 방법으로 제조할 수 있다. 예를 들면, 본 발명에 따른 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체를 디메틸아크릴릭에시드(DMAc), N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 디메틸포름아마이드(DMF) 등의 유기용매에 용해시킨 후, 유리판에 캐스팅하고 80 내지 160 ℃에서 건조하는 방법으로 제조할 수 있다.The polymer electrolyte membrane according to the present invention can be prepared by conventional methods in the art, except for using the sulfonated poly (arylene ether) copolymer according to the present invention. For example, the sulfonated poly (arylene ether) copolymer according to the present invention may be prepared by organic solvents such as dimethylacrylic acid (DMAc), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylformamide (DMF), and the like. After dissolving in, it can be produced by casting on a glass plate and drying at 80 to 160 ℃.

한편, 고분자 전해질 막 제조시 본 발명에 따른 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체 이외에, 본 발명이 속하는 기술분야에서 고분자 전해질 막 제조시 사용 가능한 성분을 더 첨가할 수 있다.Meanwhile, in addition to the sulfonated poly (arylene ether) copolymer according to the present invention in the preparation of the polymer electrolyte membrane, components usable in the preparation of the polymer electrolyte membrane in the art to which the present invention pertains may be further added.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 고분자 전해질 막은 폴리이미드, 폴리에테르케톤, 폴리설폰산, 폴리에테르설폰산, 폴리에테르에테르설폰산, 폴리벤즈이미다졸, 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리페닐렌설파이드, 폴리스티렌, 폴리트리풀루오로스티렌 설폰산, 폴리스티렌 설폰산, 폴리우레탄 및 분지형 술폰화 폴리설폰케톤 공중합체로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 고분자를 더 포함할 수 있다.According to one embodiment of the invention, the polymer electrolyte membrane is polyimide, polyetherketone, polysulfonic acid, polyethersulfonic acid, polyetherethersulfonic acid, polybenzimidazole, polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide, polystyrene It may further include one or more polymers selected from the group consisting of polytrifluorourostyrene sulfonic acid, polystyrene sulfonic acid, polyurethane and branched sulfonated polysulfone ketone copolymer.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 고분자 전해질 막은 실리콘 산화물(SiO2), 티타늄 산화물(TiO2), 무기인산, 술폰화된 실리콘 산화물(Sulfonated SiO2), 술폰화된 지르코늄 산화물(sufonated ZrO) 및 술폰화된 지르코늄 인산염(sulfonated ZrP)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 무기물을 더 포함할 수 있다. 이러한 무기물을 포함하면 무기물이 수소이온 및 메탄올이 투과되는 채널의 장벽 역할을 하여 고분자 전해질 막의 연료 투과도가 감소될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the polymer electrolyte membrane includes silicon oxide (SiO 2 ), titanium oxide (TiO 2 ), inorganic phosphoric acid, sulfonated SiO 2 , sulfonated ZrO and It may further comprise at least one inorganic material selected from the group consisting of sulfonated zirconium phosphate (sulfonated ZrP). Including such inorganics may reduce the fuel permeability of the polymer electrolyte membrane by acting as a barrier of the channel through which the inorganic ions and methanol are permeated.

본 발명의 또 다른 일실시예에 따르면, 고분자 전해질 막은 다공성 지지체를 더 포함할 수 있다. 다공성 지지체를 포함하면 고분자 전해질 막의 인장 강도가 향상될수 있다. 다공성 지지체로서는 다공성 폴리에틸렌과 같은 다공성 폴리올레핀, 다공성 테프론, 다공성폴리이미드 등을 예로 들 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the polymer electrolyte membrane may further include a porous support. Including the porous support may improve the tensile strength of the polymer electrolyte membrane. Examples of the porous support include porous polyolefins such as porous polyethylene, porous teflon, porous polyimide, and the like.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면 상기 고분자 전해질 막을 포함하는 막-전극 접합체 및 연료전지가 제공된다. According to another embodiment of the present invention, a membrane-electrode assembly and a fuel cell including the polymer electrolyte membrane are provided.

막-전극 접합체는 애노드(연료극, anode), 캐소드(산소극, cathode) 및 두 전극 사이에 배치되는 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 전해질 막(electrolyte membrane)을 포함한다. 상기 애노드 및 캐소드는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 것을 사용할 수 있으므로 이를 특별히 제한하지 않는다. The membrane-electrode assembly includes an anode (fuel anode), a cathode (oxygen cathode) and a polymer electrolyte membrane according to one embodiment of the present invention disposed between two electrodes. The anode and cathode are not particularly limited because they may be used in the art to which the present invention pertains.

캐소드 및 애노드는 가스확산층과 촉매층으로 구성된다. 상기 촉매층은 수소의 산화 및 산소의 환원 반응을 촉진시키는 금속 촉매를 포함한다. 상기 촉매층은 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, 또는 Zn)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다. 특히, 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-코발트 합금, 백금-니켈 합금 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 금속 촉매는 일반적으로 담체에 지지된 상태로 사용된다. 상기 담체는 아세틸렌 블랙, 흑염과 같은 탄소계 재료; 또는 알루미나, 실리카와 같은 무기 미립자를 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 촉매를 담지하는 담체는 다공성을 가지며 표면적인 150 ㎡/g 이상, 특히 500 내지 1200㎡/g이고, 평균 입경이 10 내지 300 nm, 특히 20 내지 100 nm일 수 있다.The cathode and anode consist of a gas diffusion layer and a catalyst layer. The catalyst layer includes a metal catalyst for promoting oxidation of hydrogen and reduction of oxygen. The catalyst layer is made of platinum, ruthenium, osmium, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy and platinum-M alloy (M is Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, or Zn) It is preferable to include one or more selected from. In particular, it is preferable to include platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloys, platinum-osmium alloys, platinum-palladium alloys, platinum-cobalt alloys, platinum-nickel alloys or mixtures thereof. The metal catalyst is generally used while supported on a carrier. The carrier may be a carbon-based material such as acetylene black or black salt; Or inorganic fine particles such as alumina and silica. For example, the carrier supporting the catalyst may be porous and have a surface area of at least 150 m 2 / g, in particular 500 to 1200 m 2 / g, and an average particle diameter of 10 to 300 nm, in particular 20 to 100 nm.

상기 가스확산층은 탄소 페이퍼 또는 탄소천(cloth)이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 가스확산층은 연료전지용 전극을 지지하는 역할을 하며 촉매층으로 반응가스를 확산시켜 촉매층으로 반응기체가 쉽게 접근할 수 있게 하는 역할을 한다. 상기 가스확산층은 탄소 페이퍼나 탄소 천을 폴리테트라플루오로에틸렌과 같은 불소계 수지로 발수 처리한 것을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 발수처리된 탄소페이퍼 또는 탄소천은 연료 전지의 구동시 발생하는 물에 의하여 가스 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있다.The gas diffusion layer may be carbon paper or carbon cloth, but is not limited thereto. The gas diffusion layer serves to support the fuel cell electrode and serves to make the reaction gas easily accessible to the catalyst layer by diffusing the reaction gas into the catalyst layer. As the gas diffusion layer, it is preferable to use a water repellent treatment of carbon paper or carbon cloth with a fluorine resin such as polytetrafluoroethylene. The water repellent treated carbon paper or carbon cloth may prevent the gas diffusion efficiency from being lowered by water generated when the fuel cell is driven.

상기 전극은 상기 가스확산층과 상기 촉매층 사이에 가스 확산 효과를 더욱 증진시키기 위하여 미세다공층(microporous layer)를 추가적으로 포함할 수 있다. 상기 미세다공층은 탄소 분말, 카본 블랙, 활성 탄소, 아세틸렌 블랙 등의 전도성 물질, 폴리테트라플루로로에틸렌과 같은 바인더 및 필요에 따라 이오노머를 포함하는 조성물을 도포하여 제조될 수 있다.The electrode may further include a microporous layer to further enhance the gas diffusion effect between the gas diffusion layer and the catalyst layer. The microporous layer may be prepared by applying a composition including a carbon powder, a conductive material such as carbon black, activated carbon, acetylene black, a binder such as polytetrafluroethylene and, if necessary, an ionomer.

상기 캐소드 및/또는 애노드는 예를 들어 다음과 같이 제조될 수 있다. 먼저, 촉매 분말, 바인더 및 혼합용매를 혼합하여 촉매 슬러리를 제조한다. 상기 촉매 분말은 상술한 바와 같으며, 탄소계 지지체에 담지된 금속 입자, 또는 탄소계 지지체에 담지되지 않은 상태의 금속 입자 상태일 수 있으며, 백금이 특히 바람직하다. 상기 혼합용매 및 바인더는 당해 기술분야에서 일반적으로 사용될 수 있는 것이라면 특별히 한정되지 않는다. 다음으로, 상기 촉매 슬러리를 코터를 사용하여 가스확산층 상에 코팅하고 건조시켜 촉매층 및 가스확산층으로 이루어진 캐소드 및/또는 애노드를 제조한다.The cathode and / or anode can be prepared, for example, as follows. First, a catalyst slurry is prepared by mixing a catalyst powder, a binder, and a mixed solvent. The catalyst powder is as described above, may be a metal particle supported on the carbon-based support, or a metal particle state not supported on the carbon-based support, and platinum is particularly preferable. The mixed solvent and binder are not particularly limited as long as they can be generally used in the art. Next, the catalyst slurry is coated on a gas diffusion layer using a coater and dried to prepare a cathode and / or an anode composed of a catalyst layer and a gas diffusion layer.

상기 캐소드 및 애노드 사이에 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 전해질 막이 삽입하고 열간압착 방법으로 압착하면 막-전극 접합체가 얻어진다. 상기 열간압착 방법에서 사용되는 조건은 예를 들어, 가해지는 압력 500 내지 2000 psi, 온도 50 내지 300℃, 가압 시간 1 내지 60분이다.When the polymer electrolyte membrane according to an embodiment of the present invention is inserted between the cathode and the anode and compressed by hot pressing, a membrane-electrode assembly is obtained. The conditions used in the hot pressing method are, for example, a pressure of 500 to 2000 psi, a temperature of 50 to 300 ° C, and a pressurization time of 1 to 60 minutes.

상기 막/전극 접합체에 분리판이 부가되어 발전부가 얻어진다. 상기 분리판은 막/전극 접합체의 양면에 각각 부착되며 애노드에 부착되는 분리판이 애노드 분리판 및 캐소드에 부착되는 분리판이 캐소드 분리판이다. 애노드 분리판은 애노드에 연료를 공급하기 위한 유로를 구비하고 있으며, 애노드에서 발생한 전자를 외부 회로 또는 인접하는 단위전지로 전달하기 위한 전자전도체의 역할을 한다. 캐소드 분리판은 캐소드에 산화제를 공급하기 위한 유로를 구비하고 있으며, 회부회로 또는 인접하는 단위전지로부터 공급된 전자를 캐소드로 전달하기 위한 전자전도체의 역할을 한다. 다음으로, 상기 발전부에 적어도 하나의 개질기, 연료탱크, 연료펌프 등을 선택적으로 부가하여 연료전지가 완성된다.A separator is added to the membrane / electrode assembly to obtain a power generation section. The separator is attached to both sides of the membrane / electrode assembly, and the separator attached to the anode is an anode separator and a separator attached to the cathode is a cathode separator. The anode separator has a flow path for supplying fuel to the anode, and serves as an electron conductor for transferring electrons generated from the anode to an external circuit or an adjacent unit cell. The cathode separator has a flow path for supplying an oxidant to the cathode, and serves as an electron conductor for transferring electrons supplied from an auxiliary circuit or an adjacent unit cell to the cathode. Next, the fuel cell is completed by selectively adding at least one reformer, a fuel tank, a fuel pump, and the like to the power generation unit.

연료전지는 상기 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 전해질 막을 포함하는 막-전극 접합체의 양면에 각각 부착된 분리판을 추가적으로 포함한다. 상기 분리판에 개질기, 연료탱크, 연료펌프 등이 필요에 따라 선택적으로 부가될 수 있다. 또한, 연료전지는 상기 막-전극 접합체를 복수개 포함할 수 있다.The fuel cell further includes separator plates attached to both surfaces of the membrane-electrode assembly including the polymer electrolyte membrane according to the embodiment of the present invention. A reformer, a fuel tank, a fuel pump, etc. may be selectively added to the separator as needed. In addition, the fuel cell may include a plurality of membrane-electrode assemblies.

본 발명의 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 연료전지는 직접 메탄올 연료전지일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. According to another embodiment of the present invention, the fuel cell may be a direct methanol fuel cell, but is not limited thereto.

본 발명의 또 다른 일실시예에 따르면 상기 연료전지는 차량용(vehicle) 연료전지일 수 있다. 따라서, 상기 차량은 자동차, 트럭 등의 운반용 차량, 굴삭기, 지게차 등의 기타 다른 용도의 차량 등 모든 용도의 차량을 포함한다. 상기 연료전지의 구성 및 출력 등은 용도에 따라 적절히 수정될 수 있다. 예를 들어, 자동차의 시동, 급발진 등에는 단시간에 많은 양의 전류가 요구되므로, 출력밀도가 높은 연료전지가 적합하다.According to another embodiment of the present invention, the fuel cell may be a vehicle fuel cell. Accordingly, the vehicle includes all kinds of vehicles, such as vehicles for transportation, such as automobiles and trucks, and vehicles for other purposes such as excavators and forklifts. The configuration and output of the fuel cell may be appropriately modified according to the use. For example, a large amount of current is required in a short time for starting, sudden start and the like of a vehicle, so a fuel cell having a high output density is suitable.

본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 중합체는 다양한 기술 분야에 사용될 수 있으며 그 분야가 한정되지 않는다. 예를 들어, 상기 중합체는 태양전지, 2차 전지, 수퍼커패시커 등과 같은 모든 에너지 저장 및 생산 장치에 사용될 수 있다. 또한, 유기전계발광소자에도 사용될 수 있다. 또한 상기 중합체의 양성자 전도성을 이용하는 모든 기술 분야에 사용될 수 있다.
The polymer according to another embodiment of the present invention can be used in various technical fields, and the field is not limited. For example, the polymer can be used in all energy storage and production devices such as solar cells, secondary cells, supercapacitors and the like. It can also be used in organic electroluminescent devices. It can also be used in any technical field that utilizes the proton conductivity of the polymer.

이하 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술 사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변경 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
Hereinafter, preferred examples are provided to help the understanding of the present invention, but the following examples are merely for exemplifying the present invention, and it is apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made within the scope and spirit of the present invention. It goes without saying that changes and modifications belong to the appended claims.

실시예Example 1: 화학식 1의  1: 술폰화된Sulfonated 폴리Poly (( 아릴렌Arylene 에테르) 공중합체 합성(x=0.30) Ether) copolymer synthesis (x = 0.30)

하기 반응식 3으로 표시되는 반응을 거쳐 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체를 제조하였다.
A sulfonated poly (arylene ether) copolymer was prepared through a reaction represented by Scheme 3 below.

[반응식 3] Scheme 3

Figure 112011059453260-pat00021

Figure 112011059453260-pat00021

(단계 1) (Step 1) 축중합Condensation polymerization 단계 step

콘덴서, 딘스탁 트랩 및 마그네틱 스터링바가 장착된 장치에 질소분위기 상태에서 3구 둥근바닥 플라스크에 3 종류의 단량체 4,4'-설포닐디페놀(4,4-sulfonyl diphenol) 10.5 mmol, 4,4'-(2,2-디페닐에테닐리덴)비스페놀(4,4'-(2,2-diphenylethenylidene)bisphenol) 4.5 mmol, 4,4'-디플루오로디페닐설폰(4,4'-difluorodiphenylsulfone) 15 mmol을 넣고, 디메틸아세트아마이드 50 mL를 넣어 완전히 녹였다. 상기 단량체들이 완전히 녹은 다음 탄산칼륨 18 mmol과 톨루엔 50 mL를 투입하고 반응기의 온도를 135℃로 올려 4시간 동안 환류시키면서 물 제거와 중합을 위한 활성화 단계를 수행하였고, 이어 반응 온도를 165℃까지 점진적으로 올리면서 포집된 수분과 톨루엔을 제거하였다. 이후 2시간 동안 축중합 반응을 수행하였다. 반응 종료 후 얻어진 반응물을 메탄올/물(1:1,v/v) 혼합물에 여러 번 세척하였다. 이어 60℃에서 1일간 진공 건조하여 흰색 고체의 공중합체(수율 92%, X=0.3)를 얻었다.
Three monomers 4,4'-sulfonyl diphenol 10.5 mmol, 4,4 'in a three-necked round bottom flask in a nitrogen atmosphere on a device equipped with a condenser, Deanstock trap and magnetic sterling bar. -(2,2-diphenylethenylidene) bisphenol (4,4 '-(2,2-diphenylethenylidene) bisphenol) 4.5 mmol, 4,4'-difluorodiphenylsulfone 15 mmol was added and 50 mL of dimethylacetamide was added to dissolve completely. After completely dissolving the monomers, 18 mmol of potassium carbonate and 50 mL of toluene were added thereto, and the temperature of the reactor was raised to 135 ° C to reflux for 4 hours, followed by an activation step for water removal and polymerization, and then the reaction temperature was gradually increased to 165 ° C. The collected water and toluene were removed while raising. Thereafter, the polycondensation reaction was performed for 2 hours. The reaction obtained after the reaction was washed several times in a methanol / water (1: 1, v / v) mixture. Subsequently, the resultant was vacuum dried at 60 ° C. for 1 day to obtain a white solid copolymer (yield 92%, X = 0.3).

(단계 2) (Step 2) 술폰화Sulfonation 단계 step

3구 플라스크에 마그네틱 스터링바 및 콘덴서를 장착하고, 질소 분위기에서 상기 단계 1에서 얻은 공중합체 1 g을 넣고 진한 황산 10 ml를 투입하여 온도를 50℃까지 올려 완전히 녹이고 24시간 동안 반응시켰다. 이어서 상기 반응 용액을 증류수에 부어 여러 번 세척하여 미반응한 진한 황산을 제거하였다. 이어서 상기 침전물을 여과하고 60℃에서 24시간 진공건조시켰다. 건조된 침전물을 다시 디메틸 아세트아마이드에 녹여 용액을 제조한 후 3 중량%의 수산화칼륨 수용액을 적가하였고, 이어서 염산을 첨가하여 상기용액의 pH를 중성으로 맞추었다. 이후 상기 생성물을 여과하고 진공건조시켜 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체(수율 94%, X=0.3)를 얻었다.
A magnetic sterling bar and a condenser were installed in a three-necked flask, 1 g of the copolymer obtained in Step 1 was added in a nitrogen atmosphere, 10 ml of concentrated sulfuric acid was added thereto, the temperature was raised to 50 ° C., and the mixture was completely reacted for 24 hours. The reaction solution was then poured into distilled water and washed several times to remove unreacted concentrated sulfuric acid. The precipitate was then filtered and vacuum dried at 60 ° C. for 24 hours. The dried precipitate was dissolved in dimethyl acetamide again to prepare a solution, and then 3% by weight of aqueous potassium hydroxide solution was added dropwise, and then hydrochloric acid was added to adjust the pH of the solution to neutrality. The product was then filtered and dried in vacuo to give a sulfonated poly (arylene ether) copolymer (yield 94%, X = 0.3).

실시예Example 2: 화학식 1의  2: of formula 1 술폰화된Sulfonated 폴리Poly (( 아릴렌Arylene 에테르) 공중합체의 합성(x=0.4) Ether) Synthesis of Copolymer (x = 0.4)

(단계 1) (Step 1) 축중합Condensation polymerization 단계 step

4,4'-설포닐디페놀 7.5 mmol, 4,4'-(2,2-디페닐에테닐리덴)비스페놀 5 mmol, 4,4'-디플루오로디페닐설폰 12.5 mmol을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1의 단계 1과 동일한 방법으로 공중합체(수율 90%, X=0.4)를 제조하였다.
Except that 7.5 mmol of 4,4'-sulfonyldiphenol, 5 mmol of 4,4 '-(2,2-diphenylethenylidene) bisphenol, and 12.5 mmol of 4,4'-difluorodiphenylsulfone were used , The copolymer (yield 90%, X = 0.4) was prepared in the same manner as in Step 1 of Example 1.

(단계 2) (Step 2) 술폰화Sulfonation 단계 step

상기 실시예 2의 단계 1에서 만들어진 생성물을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1의 단계 2와 동일한 방법으로 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체(수율 93%, X=0.4)를 제조하였다.
A sulfonated poly (arylene ether) copolymer (yield 93%, X = 0.4) was prepared by the same method as Step 2 of Example 1, except that the product prepared in Step 1 of Example 2 was used. .

실시예Example 3: 화학식 1의  3: of formula 1 술폰화된Sulfonated 폴리Poly (( 아릴렌Arylene 에테르) 공중합체의 합성(x=0.5) Ether) Synthesis of Copolymer (x = 0.5)

(단계 1) (Step 1) 축중합Condensation polymerization 단계 step

4,4'-설포닐디페놀 7 mmol, 4,4'-(2,2-디페닐에테닐리덴)비스페놀 7mmol, 4,4'-디플루오로디페닐설폰 14 mmol을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1의 단계 1과 동일한 방법으로 공중합체(수율 93%, x=0.5)를 제조하였다.
Except that 7 mmol of 4,4'-sulfonyldiphenol, 4 mmol of 4,4 '-(2,2-diphenylethenylidene) bisphenol, and 14 mmol of 4,4'-difluorodiphenylsulfone were used. In the same manner as in Step 1 of Example 1, a copolymer (yield 93%, x = 0.5) was prepared.

(단계 2) (Step 2) 술폰화Sulfonation 단계 step

상기 실시예 3의 단계 1에서 만들어진 생성물을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1의 단계 2와 동일한 방법으로 상기 화합물을 제조하였다. 상기화합물에서 x값은 0.5이었다. 수율 92%.
The compound was prepared by the same method as Step 2 of Example 1, except that the product prepared in Step 1 of Example 3 was used. The x value of the compound was 0.5. Yield 92%.

실시예Example 4: 다중  4: multiple 페닐Phenyl 단량체의Monomeric 합성 synthesis

하기 반응식 4로 표시되는 반응을 거쳐 다중 페닐 단량체를 제조하였다.Through the reaction represented by the following Scheme 4, a multi-phenyl monomer was prepared.

[반응식 4][Reaction Scheme 4]

Figure 112011059453260-pat00022

Figure 112011059453260-pat00022

(단계 1) (Step 1) 프리델Friedel -- 크라프트Craft 반응 단계 Reaction step

3구 플라스크에 적하펀넬을 장착하고 질소분위기에서 4,4'-(2,2-디페닐에테닐리덴)비스메톡시벤젠 10 mmol과 알루미늄 클로라이드 10 mmol을 카본 디설파이드 15 ml를 넣어 교반하여 현탁액 상태로 만들었다. 이어서 벤조일 클로라이드 22 mmol을 카본 디설파이드 5 ml에 녹인 용액을 실온에서 상기 현탁액에 교반하면서 적가하였다. 실온에서 5시간 동안 반응시키고 0℃의 증류수에 교반하면서 조심스럽게 부었다. 상기혼합물을 디클로로메탄을 사용하여 추출해내고 이어서 추출된 용액을 수산화나트륨 수용액으로 세척하고 증류수로 수차례 세척한 후 소듐 설페이트를 사용하여 건조시켰다. 이어서 수분이 제거된 상기 용액을 증발시켜 연한 갈색을 띠는 파우더 형태의 단량체(수율 62%)를 얻었다.
Into a three-necked flask, a dropping funnel was added, and 10 mmol of 4,4 '-(2,2-diphenylethenylidene) bismethoxybenzene and 10 mmol of aluminum chloride were added and stirred in a nitrogen atmosphere. Made into a state. A solution of 22 mmol of benzoyl chloride in 5 ml of carbon disulfide was then added dropwise with stirring to the suspension at room temperature. The reaction was allowed to react at room temperature for 5 hours and poured carefully with stirring in distilled water at 0 ° C. The mixture was extracted with dichloromethane and then the extracted solution was washed with aqueous sodium hydroxide solution, washed several times with distilled water and dried over sodium sulfate. The water solution was then evaporated to yield a light brown powdery monomer (yield 62%).

(단계 2) (Step 2) 다중페닐화Polyphenylation 단계 step

3구 플라스크 디페닐 메탄 12 mmol을 건조한 테트라하이드로퓨란 20 ml에 녹이고 2.5M n-부틸리튬 헥산 용액 4 ml를 0℃, 질소분위기하에서 첨가하였다. 첨가가 끝나고 20분 동안 교반시킨 후 상기 실시예 4의 단계 1에서 얻은 단량체 4.5 mmol을 실온에서 투입하였다. 6시간 동안 실온에서 반응시키고 암모늄 클로라이드 수용액에 부어 반응을 종결시켰다. 유기층을 디클로로메탄을 사용하여 추출해 내고 추출된 유기층을 소듐 설페이트로 건조시킨 후 용매를 건조시켜 제거하여 연한 노란색의 점성 있는 액체를 얻었다. 상기 점액을 3구 플라스크에서 톨루엔 80ml에 완전히 녹이고 p-톨루엔 술폰산 1.8 mmol을 첨가하였다. 이어서 딘스탁 트랩과 콘덴서를 설치하여 4시간 동안 환류시켰다. 반응물을 실온까지 식힌 후 10중량% 소듐 비카보네이트 수용액을 사용하여 수차례 씻어내고 소듐 설페이트로 건조시킨 뒤 용매를 증발시켜 베이지색의 파우더를 얻었고, 얻은 파우더를 디클로로메탄과 메탄올을 사용하여 재결정하여 순도가 높은 생성물(수율 87%)을 얻었다.
12 mmol of a three-necked flask diphenyl methane was dissolved in 20 ml of dry tetrahydrofuran and 4 ml of 2.5M n-butyllithium hexane solution was added at 0 ° C. under nitrogen atmosphere. After the addition was complete and stirred for 20 minutes, 4.5 mmol of the monomer obtained in Step 1 of Example 4 was added at room temperature. The reaction was terminated by reaction at room temperature for 6 hours and poured into aqueous ammonium chloride solution. The organic layer was extracted with dichloromethane and the extracted organic layer was dried over sodium sulfate and then the solvent was dried to remove the light yellow viscous liquid. The mucus was dissolved completely in 80 ml of toluene in a three neck flask and 1.8 mmol of p-toluene sulfonic acid was added. Then, a Deanstock trap and a condenser were installed and refluxed for 4 hours. The reaction was cooled to room temperature, washed several times with 10% by weight aqueous sodium bicarbonate solution, dried over sodium sulfate and evaporated to give a beige powder. The obtained powder was recrystallized from dichloromethane and methanol for purity. Yielded a high product (yield 87%).

(단계 3) 메틸기 제거 단계(Step 3) methyl group removal step

적가 펀넬을 설치한 3구 플라스크에 상기 실시예 4의 단계 2의 과정으로 합성된 단량체 10 mmol을 디클로로메탄 80 ㎖에 완전히 녹였다. 1.0M 보론 트리브로마이드-디클로로메탄 용액 20 ㎖를 0℃, 질소 분위기하에서 천천히 적가하였다. 적가가 끝난 후 온도를 실온까지 높이고 12시간 반응시켰다. 반응 용액의 온도를 0℃로 낮추고 증류수를 부어 반응을 종결시켰다. 이어서 에틸 아세테이트와 1M 염산 수용액을 사용하여 유기층을 추출하였다. 추출된 유기층을 증류수로 수회 세척한 후 소듐 설페이트를 사용하여 건조시켰다. 건조된 용액의 용매를 증발시키고 얻어진 파우더를 아세토나이트릴과 증류수를 사용, 재결정하여 연한 베이지색의 단량체(수율 84%)를 얻었다.
In a three-necked flask equipped with a dropping funnel, 10 mmol of the monomer synthesized in the step 2 of Example 4 was completely dissolved in 80 ml of dichloromethane. 20 ml of 1.0 M boron tribromide-dichloromethane solution was slowly added dropwise at 0 ° C. under a nitrogen atmosphere. After the addition was completed, the temperature was raised to room temperature and reacted for 12 hours. The temperature of the reaction solution was lowered to 0 ° C. and distilled water was poured to terminate the reaction. Then, the organic layer was extracted using ethyl acetate and 1M aqueous hydrochloric acid solution. The extracted organic layer was washed several times with distilled water and then dried using sodium sulfate. The solvent of the dried solution was evaporated and the obtained powder was recrystallized using acetonitrile and distilled water to obtain a light beige monomer (yield 84%).

실시예Example 5: 화학식 2의  5: of formula 2 술폰화된Sulfonated 폴리Poly (( 아릴렌Arylene 에테르) 공중합체의 합성(x=0.1) Ether) copolymers (x = 0.1)

하기 반응식 5로 표시되는 반응을 거쳐 다중 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체를 제조하였다.Through the reaction represented by Scheme 5 below, a multi-sulfonated poly (arylene ether) copolymer was prepared.

[반응식 5]Scheme 5

Figure 112011059453260-pat00023

Figure 112011059453260-pat00023

(단계 1) (Step 1) 축중합Condensation polymerization 단계 step

실시예 4에서 합성된 단량체 1 mmol, 4,4'-설포닐디페놀 9 mmol, 4,4'-디플루오로디페닐설폰 10 mmol을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1의 단계 1과 동일한 방법으로 상기 화합물(수율 93%, x=0.1)을 제조하였다.
The same procedure as in Step 1 of Example 1 was repeated except that 1 mmol of the monomer synthesized in Example 4, 9 mmol of 4,4'-sulfonyldiphenol, and 10 mmol of 4,4'-difluorodiphenylsulfone were used. The compound (yield 93%, x = 0.1) was prepared.

(단계 2) (Step 2) 후술폰화Phone later 단계 step

실시예 5의 단계 1에서 만들어진 생성물을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1의 단계 2와 동일한 방법으로 상기 화합물(수율 91%, x=0.1)을 제조하였다.
The compound (yield 91%, x = 0.1) was prepared by the same method as Step 2 of Example 1, except that the product prepared in Step 1 of Example 5 was used.

실시예Example 6: 화학식 2의  6: of formula 2 술폰화된Sulfonated 폴리Poly (( 아릴렌Arylene 에테르) 공중합체의 합성(x=0.13) Ether) Synthesis of Copolymer (x = 0.13)

(단계 1) (Step 1) 축중합Condensation polymerization 단계 step

실시예 4에서 합성된 단량체 1.3 mmol, 4,4'-설포닐디페놀 8.7 mmol, 4,4'-디플루오로디페닐설폰 10 mmol을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1의 단계 1과 동일한 방법으로 상기 화합물(수율 94%, x=0.13)을 제조하였다.
In the same manner as in Step 1 of Example 1, except that 1.3 mmol of the monomer synthesized in Example 4, 8.7 mmol of 4,4'-sulfonyldiphenol, and 10 mmol of 4,4'-difluorodiphenylsulfone were used. The compound (yield 94%, x = 0.13) was prepared.

(단계 2) (Step 2) 후술폰화Phone later 단계 step

실시예 6의 단계 1에서 만들어진 생성물을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1의 단계 2와 동일한 방법으로 상기 화합물(수율 90%, x=0.13)을 제조하였다.
The compound (yield 90%, x = 0.13) was prepared by the same method as Step 2 of Example 1, except that the product prepared in Step 1 of Example 6 was used.

실시예Example 7: 화학식 2의  7: of formula 2 술폰화된Sulfonated 폴리Poly (( 아릴렌Arylene 에테르) 공중합체의 합성 (x=0.17) Ether) copolymerization (x = 0.17)

(단계 1) (Step 1) 축중합Condensation polymerization 단계 step

실시예 4에서 합성된 단량체 1.7 mmol, 4,4'-설포닐디페놀 8.3 mmol, 4,4'-디플루오로디페닐설폰 10 mmol을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1의 단계 1과 동일한 방법으로 상기 화합물(수율 91%, x=0.17)을 제조하였다.
In the same manner as in Step 1 of Example 1, except that 1.7 mmol of the monomer synthesized in Example 4, 8.3 mmol of 4,4'-sulfonyldiphenol, and 10 mmol of 4,4'-difluorodiphenylsulfone were used. The compound (yield 91%, x = 0.17) was prepared.

(단계 2) (Step 2) 후술폰화Phone later 단계 step

실시예 7의 단계 1에서 만들어진 생성물을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1의 단계 2와 동일한 방법으로 상기 화합물(수율 92%, x=0.17)을 제조하였다.
The compound (yield 92%, x = 0.17) was prepared by the same method as Step 2 of Example 1, except that the product prepared in Step 1 of Example 7 was used.

<< 실시예Example 8∼13 및  8 to 13 and 비교예Comparative example 1:고분자 전해질 막의 제조> 1: Preparation of Polymer Electrolyte Membrane>

실시예Example 8 8

실시예 1에서 제조한 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체를 디메틸 아세트아마이드에 녹여 평편한 유리판과 둥근 유리막대를 이용하여 유리판 위에 캐스팅한 후 진공오븐에서 80℃로 건조하여 50 ㎛의 두께를 가진 고분자 전해질 막을 제조하였다.
The poly (arylene ether) copolymer prepared in Example 1 was dissolved in dimethyl acetamide, cast on a glass plate using a flat glass plate and a round glass rod, and then dried at 80 ° C. in a vacuum oven to obtain a polymer having a thickness of 50 μm. An electrolyte membrane was prepared.

실시예Example 9 9

실시예 2에서 제조한 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체를 사용하여 실시예 8과 동일한 방법으로 50 ㎛의 두께를 가진 고분자 전해질 막을 제조하였다.
Using a poly (arylene ether) copolymer prepared in Example 2 to prepare a polymer electrolyte membrane having a thickness of 50 ㎛ in the same manner as in Example 8.

실시예Example 10 10

실시예 3에서 제조한 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체를 사용하여 실시예 8과 동일한 방법으로 50 ㎛의 두께를 가진 고분자 전해질 막을 제조하였다.
A polyelectrolyte membrane having a thickness of 50 μm was prepared in the same manner as in Example 8, using the poly (arylene ether) copolymer prepared in Example 3.

실시예Example 11 11

실시예 5에서 제조한 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체를 사용하여 실시예 8과 동일한 방법으로 50 ㎛의 두께를 가진 고분자 전해질 막을 제조하였다.
Using a poly (arylene ether) copolymer prepared in Example 5 to prepare a polymer electrolyte membrane having a thickness of 50 ㎛ in the same manner as in Example 8.

실시예Example 12 12

실시예 6에서 제조한 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체를 사용하여 실시예 8과 동일한 방법으로 50 ㎛의 두께를 가진 고분자 전해질 막을 제조하였다.
Using a poly (arylene ether) copolymer prepared in Example 6 to prepare a polymer electrolyte membrane having a thickness of 50 ㎛ in the same manner as in Example 8.

실시예Example 13 13

실시예 7에서 제조한 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체를 사용하여 실시예 8과 동일한 방법으로 50 ㎛의 두께를 가진 고분자 전해질 막을 제조하였다.
Using a poly (arylene ether) copolymer prepared in Example 7 to prepare a polymer electrolyte membrane having a thickness of 50 ㎛ in the same manner as in Example 8.

비교예Comparative example 1 One

나피온112(Nafion 112, DuPont)를 고분자 전해질 막으로 사용하였다. 나피온 112를 100℃의 1M 농도 황산용액에서 24시간 침전시켜 술포네이트기의 양이온을 소듐에서 수소 이온으로 교환시켰다. 이어서, 상기 수소화된 공중합체를 탈이온수로 세척하였다.
Nafion 112 (DuPont) was used as the polymer electrolyte membrane. Nafion 112 was precipitated for 24 hours in a 1 M concentration sulfuric acid solution at 100 ° C. to exchange the cation of the sulfonate group from sodium to hydrogen ions. The hydrogenated copolymer was then washed with deionized water.

실험예Experimental Example 1:  One: 술폰화도Sulfonated , 분자량 및 , Molecular weight and 다분산지수Polydispersity index 측정 Measure

술폰화도는 수소이온 적정을 통해 예측하였다Sulfonation was predicted by hydrogen ion titration

크로마토그래피를 사용하여 상기 실시예 1 내지 3과 실시예 5 내지 7에서 제조한 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체의 중량평균 분자량 및 다분산지수(PolyDispersity Index: PDI)를 측정하여, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 측정에 사용된 기기 및 조건은 다음과 같다:Chromatography was used to measure the weight average molecular weight and polydispersity index (PDI) of the sulfonated poly (arylene ether) copolymers prepared in Examples 1 to 3 and 5 to 7. The results are shown in Table 1 below. The instruments and conditions used for the measurements are as follows:

GPC 장치: Waters사, 모델명 2414GPC unit: Waters, model 2424

사용 컬럼: Waters사, 모델명 HR3,4,5 컬럼 온도 : 80℃Column: Waters, model HR3,4,5 Column temperature: 80 ℃

용출 용매 : 디메틸포름아마이드Elution solvent: dimethylformamide

용출 속도: 1 ml/min.Elution rate: 1 ml / min.

기준 물질: 폴리메틸메타크릴레이트 (PMMA)Reference Material: Polymethylmethacrylate (PMMA)

구분division 술폰화도(%)Sulfonation degree (%) 중량평균분자량( )Weight average molecular weight () 다분산지수(PDI)Polydispersity Index (PDI) 실시예 1Example 1 3030 156×103 156 × 10 3 2.382.38 실시예 2Example 2 4040 148×103 148 × 10 3 2.142.14 실시예 3Example 3 5050 152×103 152 × 10 3 2.422.42 실시예 5Example 5 1010 138×103 138 × 10 3 2.412.41 실시예 6Example 6 1313 141×103 141 × 10 3 2.172.17 실시예 7Example 7 1717 137×103 137 × 10 3 2.242.24

실험예Experimental Example 2: 유기용매에 대한 용해도 측정 2: Solubility Measurement in Organic Solvents

상기 실시예 1 내지 3과 실시예 5 내지 7에서 제조한 술폰화된 폴리(아릴렌에테르) 공중합체의 상온에서의 N-메틸피롤리돈(NMP), 디메틸아세트아미드(DMAc), 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸설폰사이드(DMSO), 메탄올(MeOH) 및 물에 대한 용해도를 하기 표 2에 정리하였다.N-methylpyrrolidone (NMP), dimethylacetamide (DMAc), dimethylformamide at room temperature of the sulfonated poly (arylene ether) copolymers prepared in Examples 1 to 3 and Examples 5 to 7 Solubility in (DMF), dimethylsulfone (DMSO), methanol (MeOH) and water is summarized in Table 2 below.

구분division NMPNMP DMAcDMAc DMFDMF DMSODMSO MeOHMeOH water 실시예 1Example 1 용해Dissolution 용해Dissolution 용해Dissolution 용해Dissolution 불용해Insoluble 불용해Insoluble 실시예 2Example 2 용해Dissolution 용해Dissolution 용해Dissolution 용해Dissolution 불용해Insoluble 불용해Insoluble 실시예 3Example 3 용해Dissolution 용해Dissolution 용해Dissolution 용해Dissolution 불용해Insoluble 불용해Insoluble 실시예 5Example 5 용해Dissolution 용해Dissolution 용해Dissolution 용해Dissolution 불용해Insoluble 불용해Insoluble 실시예 6Example 6 용해Dissolution 용해Dissolution 용해Dissolution 용해Dissolution 불용해Insoluble 불용해Insoluble 실시예 7Example 7 용해Dissolution 용해Dissolution 용해Dissolution 용해Dissolution 불용해Insoluble 불용해Insoluble

상기 표 2에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체는 다양한 종류의 용매에 상온에서의 용해도가 우수하여 여러 가지 용도로 가공할 수 있다는 매우 큰 장점이 있다.
As shown in Table 2, the sulfonated poly (arylene ether) copolymer according to the present invention has a very great advantage in that it can be processed for various uses because it has excellent solubility at room temperature in various kinds of solvents.

실험예Experimental Example 3: 이온교환용량( 3: ion exchange capacity ( IonIon ExchangeExchange CapacityCapacity ) 측정) Measure

상기 실시예 1 내지 3과 실시예 5 내지 7에서 얻은 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체 막을 각각 0.1 M NaCl 용액에 48시간 이상 담지시켜 수소 이온(H+)을 나트륨 이온(Na+)으로 치환시켰다. 상기 치환된 수소 이온(H+)을 0.01N NaOH 표준용액으로 적정하고, 적정에 사용된 NaOH의 양으로 하기 수학식 2에 따라 고분자 막의 이온교환용량(Ion Exchange Capacity, IEC) 값을 계산하고, 그 결과를 하기 표 5에 나타내었다. The sulfonated poly (arylene ether) copolymer membranes obtained in Examples 1 to 3 and Examples 5 to 7 were respectively immersed in 0.1 M NaCl solution for at least 48 hours to hydrogen ions (H + ) to sodium ions (Na + ). Substituted by The substituted hydrogen ion (H + ) is titrated with 0.01 N NaOH standard solution, and the ion exchange capacity (Ion Exchange Capacity, IEC) value of the polymer membrane is calculated according to Equation 2 as the amount of NaOH used in the titration, The results are shown in Table 5 below.

[수학식 1][Equation 1]

IEC (meq/g) = (VNaOH CNaOH) / Wdry IEC (meq / g) = (V NaOH C NaOH ) / W dry

(상기 수학식 1에서, Wdry: 건조된 박막의 무게 (g), VNaOH: 소비된 NaOH 표준용액(mL), CNaOH: NaOH 표준용액의 농도(M))(Equation 1, W dry : weight of dried thin film (g), V NaOH : consumed NaOH standard solution (mL), C NaOH : NaOH standard solution (M))

구분division 이온교환용량(meq/g)Ion exchange capacity (meq / g) 실시예 1Example 1 1.141.14 실시예 2Example 2 1.471.47 실시예 3Example 3 1.721.72 실시예 5Example 5 1.041.04 실시예 6Example 6 1.321.32 실시예 7Example 7 1.611.61

실험예Experimental Example 4:  4: 수소이온Hydrogen ion 전도도 측정 Conductivity measurement

상기 실시예 8 내지 13 및 비교예 1의 고분자 전해질 막에 대하여 수소이온 전도도(proton conductivity)를 측정하였다. 수소이온 전도도의 측정은 넓이 2.54cm2 의 두 개의 백금전극 사이에 상기 고분자 전해질 막을 각각 개재한 후, 전위차 측정기(Impedance Spectroscopy, 제조사: 솔라트론)를 사용하여 25℃에서 초기저항값을 측정하고, 이어서 하기 수학식 2를 사용하여 수소이온 전도도를 계산하였다. 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.Proton conductivity of the polymer electrolyte membranes of Examples 8 to 13 and Comparative Example 1 was measured. Hydrogen ion conductivity was measured by interposing the polymer electrolyte membrane between two platinum electrodes having a width of 2.54 cm 2 , and then measuring the initial resistance value at 25 ° C. using a potentiometer (Impedance Spectroscopy, manufacturer: Solartron). Subsequently, hydrogen ion conductivity was calculated using Equation 2 below. The results are shown in Table 4 below.

[수학식 2]&Quot; (2) &quot;

수소이온 전도도[S/㎝]=(막 두께[㎝]/막 면적[㎠])×초기 전도도[S]
Hydrogen ion conductivity [S / cm] = (film thickness [cm] / film area [cm 2]) x initial conductivity [S]

실험예Experimental Example 5: 메탄올 투과도 측정 5: methanol permeability measurement

두 개의 셀 사이에 실시예 8 내지 13에 따른 고분자 전해질 막을 각각 개재한 후, 하나의 셀에 1M의 메탄올 수용액 15 ㎖를 주입하고, 다른 셀에 증류수 15 ㎖를 주입한 후, 증류수가 들어간 셀에서 10 분당 10 ㎕씩 분취한 후, 다시 10 ㎕의 증류수로 채웠다. 분취한 시료에 대하여 가스크로마토그래피로 메탄올 농도를 측정하였다. 시간에 따른 메탄올 농도의 변화를 그래프로 작성하고 그 기울기로부터 하기 수학식 3에 따라 메탄올 투과도를 계산하여, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.After interposing the polymer electrolyte membranes according to Examples 8 to 13 between the two cells, 15 ml of 1M aqueous methanol solution was injected into one cell, and 15 ml of distilled water was injected into the other cell. 10 μl was aliquoted per 10 minutes and then again filled with 10 μl of distilled water. The methanol concentration was measured by gas chromatography on the sample collected. The change in methanol concentration over time was plotted and the methanol permeability was calculated from the slope according to Equation 3 below, and the results are shown in Table 4 below.

[수학식 3]&Quot; (3) &quot;

메탄올 투과도[㎠/s]=(기울기[ppm/s] × 용액부피 × 전해질 막 두께)/(전해질 막 면적 × 메탄올 농도)Methanol Permeability [cm2 / s] = (Slope [ppm / s] × Solution Volume × Electrolyte Membrane Thickness) / (Electrolyte Membrane Area × Methanol Concentration)

(상기 식에서, 막의 두께 0.05 ㎝, 메탄올 농도 1 mol/L(32000 ppm), 용액 부피 15 ㎖, 막 면적 7.06 ㎠ )
Wherein the membrane thickness is 0.05 cm, methanol concentration 1 mol / L (32000 ppm), solution volume 15 ml, membrane area 7.06 cm 2 )

구분division 수소 이온 전도도[S/cm]Hydrogen ion conductivity [S / cm] 메탄올 투과율[㎠/s]Methanol transmittance [cm2 / s] 실시예 8Example 8 1.24×10-3 1.24 × 10 -3 4.1×10-7 4.1 × 10 -7 실시예 9Example 9 1.85×10-3 1.85 × 10 -3 4.4×10-7 4.4 × 10 -7 실시예 10Example 10 2.32×10-3 2.32 x 10 -3 4.9×10-7 4.9 × 10 -7 실시예 11Example 11 1.23×10-3 1.23 × 10 -3 3.7×10-7 3.7 × 10 -7 실시예 12Example 12 1.79×10-3 1.79 × 10 -3 3.9×10-7 3.9 × 10 -7 실시예 13Example 13 2.28×10-3 2.28 × 10 -3 4.2×10-7 4.2 × 10 -7 비교예 1Comparative Example 1 3.5×10-3 3.5 × 10 -3 21.0×10-7 21.0 × 10 -7

상기 표 4로부터 확인되는 바와 같이, 본 발명의 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체를 포함하는 실시예 8 내지 13의 고분자 전해질 막은 비교예 1과 유사한 수소이온 전도도를 가지면서 비교예 1에 비해 현저히 낮은 메탄올 투과도를 보여주었다. As confirmed from Table 4 above, the polymer electrolyte membranes of Examples 8 to 13 including the sulfonated poly (arylene ether) copolymer of the present invention had a hydrogen ion conductivity similar to that of Comparative Example 1, It showed significantly lower methanol permeability.

Claims (23)

하기 화학식 1 또는 하기 화학식 2로 표시되는 반복 단위를 포함하는 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체:
[화학식 1]
Figure 112011059453260-pat00024

[화학식 2]
Figure 112011059453260-pat00025

상기 식에서,
X가 단일결합 또는 Ar1이며, 상기 Ar1은 치환 또는 비치환된 탄소 수 6 내지 20의 아릴렌기이고,
M1, M2, M3, M4, M5, M6, M7 및 M8은 서로 독립적으로 수소, 리튬, 나트륨 또는 칼륨이고,
a+b=5, c+d=5이며,
a 및 c는 서로 독립적으로 1 내지 5의 정수이며,
b, c, e 및 f는 서로 독립적으로 0 내지 4의 정수이며,
R1, R2, R3 및 R4는 서로 독립적으로 수소, 탄소 수 1 내지 20의 직쇄 또는 분지형 알킬기, 탄소 수 2 내지 20의 알케닐기, 탄소 수 2 내지 20의 알키닐기, 탄소 수 5 내지 20의 시클로알킬기, 탄소 수 6 내지 20의 아릴기, 탄소 수 2 내지 20의 헤테로아릴기, 탄소 수 7 내지 20의 알킬아릴기, 또는 탄소 수 1 내지 20의 알콕시기이고,
n은 중합도로서 10 내지 10,000이다.
Sulfonated poly (arylene ether) copolymers comprising repeating units represented by Formula 1 or Formula 2 below:
[Formula 1]
Figure 112011059453260-pat00024

(2)
Figure 112011059453260-pat00025

In this formula,
X is a single bond or Ar 1 , Ar 1 is a substituted or unsubstituted arylene group having 6 to 20 carbon atoms,
M 1 , M 2 , M 3 , M 4 , M 5 , M 6 , M 7 and M 8 are independently of each other hydrogen, lithium, sodium or potassium,
a + b = 5, c + d = 5,
a and c are each independently an integer of 1 to 5,
b, c, e and f are each independently an integer from 0 to 4,
R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are each independently hydrogen, straight or branched alkyl group of 1 to 20 carbon atoms, alkenyl group of 2 to 20 carbon atoms, alkynyl group of 2 to 20 carbon atoms, 5 carbon atoms A cycloalkyl group of 20 to 20, an aryl group of 6 to 20 carbon atoms, a heteroaryl group of 2 to 20 carbon atoms, an alkylaryl group of 7 to 20 carbon atoms, or an alkoxy group of 1 to 20 carbon atoms,
n is 10 to 10,000 as polymerization degree.
제1항에 있어서, 하기 화학식 11로 표시되는 반복 단위를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체:
[화학식 11]
Figure 112011059453260-pat00026

상기 식에서,
Ar2 및 Ar3는 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 탄소 수 6 내지 20의 아릴렌기이며, m은 중합도로서 10 내지 10,000이다.
The sulfonated poly (arylene ether) copolymer according to claim 1, further comprising a repeating unit represented by the following formula (11):
(11)
Figure 112011059453260-pat00026

In this formula,
Ar 2 and Ar 3 are each independently a substituted or unsubstituted arylene group having 6 to 20 carbon atoms, and m is 10 to 10,000 as the degree of polymerization.
제1항에 있어서, 상기 공중합체가 하기 화학식 3 또는 화학식 4로 표시되는 것을 특징으로 하는 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체:
[화학식 3]
Figure 112011059453260-pat00027

[화학식 4]
Figure 112011059453260-pat00028

상기 식에서,
X, M1, M2, M3, M4, M5, M6, M7, M8, R1, R2, R3, R4, a, b, c, d, e, f, Ar2 및 Ar3은 상기 정의한 바와 같고,
p 및 q는 몰분율로서 p+q=1이며, 0<p<1, 0<q<1이고,
r은 중합도로서 10 내지 10,000이다.
The sulfonated poly (arylene ether) copolymer according to claim 1, wherein the copolymer is represented by the following Chemical Formula 3 or Chemical Formula:
(3)
Figure 112011059453260-pat00027

[Chemical Formula 4]
Figure 112011059453260-pat00028

In this formula,
X, M 1 , M 2 , M 3 , M 4 , M 5 , M 6 , M 7 , M 8 , R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , a, b, c, d, e, f, Ar 2 and Ar 3 are as defined above,
p and q are molar fractions p + q = 1, 0 <p <1, 0 <q <1,
r is 10 to 10,000 as polymerization degree.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 치환 또는 비치환된 탄소 수 6 내지 20의 아릴렌기가 하기 화학식 14 또는 화학식 15로 표시되는 것을 특징으로 하는 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체:
[화학식 14]
Figure 112013000811761-pat00029

[화학식 15]
Figure 112013000811761-pat00030

상기 식에서,
R5, R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12, R13, R14, R15 및 R16이 서로 독립적으로 수소, 할로겐 원자, 탄소 수 1 내지 20의 직쇄 또는 분지형 알킬기, 탄소 수 2 내지 20의 알케닐기, 탄소 수 1 내지 20의 알키닐기, 탄소 수 5 내지 20의 시클로 알킬기, 탄소 수 6 내지 20의 아릴기, 탄소 수 2 내지 20의 헤테로아릴기, 탄소 수 7 내지 20의 알킬아릴기, 또는 탄소 수 1 내지 20의 알콕시기이며,
Y는 단일결합, S, S(=O)2, C(=O), P(=O)(R17) 또는 C(R18)(R19)이며, 상기 R17, R18, R19는 서로 독립적으로 할로겐으로 치환 또는 비치환된 탄소 수 6 내지 20의 아릴기이다.
The sulfonated poly (arylene ether) according to any one of claims 1 to 3, wherein the substituted or unsubstituted arylene group having 6 to 20 carbon atoms is represented by the following formula (14) or (15). Copolymer:
[Chemical Formula 14]
Figure 112013000811761-pat00029

[Chemical Formula 15]
Figure 112013000811761-pat00030

In this formula,
R 5 , R 6 , R 7 , R 8 , R 9 , R 10 , R 11 , R 12 , R 13 , R 14 , R 15 and R 16 independently of one another are hydrogen, halogen atoms, carbon atoms of 1 to 20 Straight chain or branched alkyl group, alkenyl group having 2 to 20 carbon atoms, alkynyl group having 1 to 20 carbon atoms, cycloalkyl group having 5 to 20 carbon atoms, aryl group having 6 to 20 carbon atoms, heteroaryl having 2 to 20 carbon atoms Group, a C7-C20 alkylaryl group, or a C1-C20 alkoxy group,
Y is a single bond, S, S (= O) 2 , C (= O), P (= O) (R 17 ) or C (R 18 ) (R 19 ), wherein R 17, R 18 , R 19 Are independently an aryl group having 6 to 20 carbon atoms which is unsubstituted or substituted with halogen.
제1항에 있어서, 상기 공중합체가 하기 화학식 12 또는 화학식 13으로 표시되는 것을 특징으로 하는 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체:
[화학식 12]
Figure 112011059453260-pat00031

[화학식 13]
Figure 112011059453260-pat00032

상기 식에서,
M1 내지 M8은 서로 독립적으로 수소, 리튬, 나트륨 또는 칼륨이고,
a 및 c는 서로 독립적으로 1 내지 5의 정수이고,
Ar1, Ar2 및 Ar3은 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 20의 아릴렌기이며,
p 및 q는 몰분율로서 p+q=1, 0<p<1, 0<q<1이고,
r은 중합도로서 10 내지 10,000이다.
The sulfonated poly (arylene ether) copolymer according to claim 1, wherein the copolymer is represented by the following Chemical Formula 12 or Chemical Formula 13.
[Chemical Formula 12]
Figure 112011059453260-pat00031

[Chemical Formula 13]
Figure 112011059453260-pat00032

In this formula,
M 1 to M 8 are independently of each other hydrogen, lithium, sodium or potassium,
a and c are each independently an integer of 1 to 5,
Ar 1 , Ar 2 and Ar 3 are each independently a substituted or unsubstituted arylene group having 6 to 20 carbon atoms,
p and q are mole fractions p + q = 1, 0 <p <1, 0 <q <1,
r is 10 to 10,000 as polymerization degree.
제5항에 있어서, 상기 Ar1, Ar2 및 Ar3
Figure 112013000811761-pat00048
,
Figure 112013000811761-pat00049
,
Figure 112013000811761-pat00050
Figure 112013000811761-pat00051
로 이루어진 군에서 선택되는 탄소 수 6 내지 20의 아릴렌기인 것을 특징으로 하는 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체:

상기 식에서,
Y는 단일결합, S, S(=O)2, C(=O), P(=O)(R17) 또는 C(R18)(R19)이며, 상기 R17, R18 및 R19는 서로 독립적으로 할로겐으로 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 20의 아릴기이다.
The method of claim 5, wherein Ar 1 , Ar 2 and Ar 3 are
Figure 112013000811761-pat00048
,
Figure 112013000811761-pat00049
,
Figure 112013000811761-pat00050
And
Figure 112013000811761-pat00051
Sulfonated poly (arylene ether) copolymer, characterized in that the arylene group having 6 to 20 carbon atoms selected from the group consisting of:

In this formula,
Y is a single bond, S, S (= 0) 2 , C (= 0), P (= 0) (R 17 ) or C (R 18 ) (R 19 ), wherein R 17, R 18 and R 19 Are independently an aryl group having 6 to 20 carbon atoms unsubstituted or substituted with halogen.
제3항에 있어서, 상기 p 및 q의 비가 1:9 내지 9:1인 것을 특징으로 하는 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체.4. The sulfonated poly (arylene ether) copolymer of claim 3 wherein the ratio of p and q is from 1: 9 to 9: 1. 제1항에 있어서, 상기 공중합체는 중량 평균분자량이 10,000 내지 1,000,000인 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체.The sulfonated poly (arylene ether) copolymer of claim 1, wherein the copolymer has a weight average molecular weight of 10,000 to 1,000,000. 제1항에 있어서, 상기 공중합체는 랜덤 공중합체 또는 블록 공중합체인 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체.The sulfonated poly (arylene ether) copolymer of claim 1, wherein the copolymer is a random copolymer or a block copolymer. 제3항에 따른 공중합체를 포함하는 고분자 전해질 막.A polymer electrolyte membrane comprising the copolymer according to claim 3. 제10항에 있어서, 상기 고분자 전해질 막은 폴리이미드, 폴리에테르케톤, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리에테르에테르술폰, 폴리벤즈이미다졸, 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리페닐렌설파이드, 폴리스티렌, 폴리트리풀루오로스티렌 술폰산, 폴리스티렌 술폰산, 폴리우레탄 및 분지형 술폰화 폴리술폰케톤 공중합체로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 고분자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막.The method of claim 10, wherein the polymer electrolyte membrane is polyimide, polyetherketone, polysulfone, polyethersulfone, polyetherethersulfone, polybenzimidazole, polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide, polystyrene, polytrifluoro A polymer electrolyte membrane further comprising one polymer selected from the group consisting of rostyrene sulfonic acid, polystyrene sulfonic acid, polyurethane, and branched sulfonated polysulfone ketone copolymers. 제10항에 있어서, 상기 고분자 전해질 막은 실리콘 산화물(SiO2), 티타늄 산화물(TiO2), 무기인산, 술폰화된 실리콘 산화물(Sulfonated SiO2), 술폰화된 지르코늄 산화물(sufonated ZrO) 및 술폰화된 지르코늄 인산염(sulfonated ZrP)로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 무기물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막.The method of claim 10, wherein the polymer electrolyte membrane is silicon oxide (SiO 2 ), titanium oxide (TiO 2 ), inorganic phosphoric acid, sulfonated SiO 2 , sulfonated ZrO and sulfonated Zirconium phosphate (sulfonated ZrP) polymer electrolyte membrane further comprises one selected from the group consisting of. 제10항에 있어서, 상기 고분자 전해질 막이 다공성 지지체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막.The polymer electrolyte membrane of claim 10, wherein the polymer electrolyte membrane further comprises a porous support. 제10항의 고분자 전해질 막을 포함하는 막-전극 접합체.A membrane-electrode assembly comprising the polymer electrolyte membrane of claim 10. 제10항의 고분자 전해질 막을 채용한 연료전지.A fuel cell employing the polymer electrolyte membrane of claim 10. 제15항에 있어서, 상기 연료전지가 직접 메탄올 연료전지인 것을 특징으로 하는 연료전지.16. The fuel cell of claim 15, wherein the fuel cell is a direct methanol fuel cell. 제15항에 있어서, 상기 연료전지가 차량용 연료 전지인 것을 특징으로 하는 연료전지.The fuel cell according to claim 15, wherein the fuel cell is a vehicle fuel cell. 하기 반응식 1에 나타낸 바와 같이,
(S1) 화학식 5의 단량체, 화학식 7의 단량체 및 화학식 8의 단량체를 중합하여 화학식 9로 표시되는 공중합체를 합성하는 단계; 및
(S2) 화학식 9의 공중합체의 페닐 고리 부분에 술폰산기를 도입하는 단계를 포함하는 화학식 3으로 표시되는 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체의 제조방법:
[반응식 1]
Figure 112013000811761-pat00052


상기 식에서,
X가 단일결합 또는 Ar1이며, 상기 Ar1은 치환 또는 비치환된 탄소 수 6 내지 20의 아릴렌기이고,
M1, M2, M3, M4, M5, M6, M7 및 M8은 서로 독립적으로 수소, 리튬, 나트륨 또는 칼륨이고,
R1, R2, R3 및 R4는 서로 독립적으로 수소, 탄소 수 1 내지 20의 직쇄 또는 분지형 알킬기, 탄소 수 2 내지 20의 알케닐기, 탄소 수 2 내지 20의 알키닐기, 탄소 수 5 내지 20의 시클로알킬기, 탄소 수 6 내지 20의 아릴기, 탄소 수 2 내지 20의 헤테로아릴기, 탄소 수 7 내지 20의 알킬아릴기, 또는 탄소 수 1 내지 20의 알콕시기이고,
a+b=5, c+d=5이며,
a 및 c는 서로 독립적으로 1 내지 5의 정수이며,
b, c, e 및 f는 서로 독립적으로 0 내지 4의 정수이며,
Ar2 및 Ar3는 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 탄소 수 6 내지 20의 아릴렌기이고,
p 및 q는 몰분율로서 p+q=1이며, 0<p<1, 0<q<1이고,
r은 중합도로서 10 내지 10,000이고,
R'1, R'2, R'3 및 R'4는 수소, 치환 또는 비치환된 C1-20 알킬기, 치환 또는 비치환된 C2-20 알케닐기, 치환 또는 비치환된 C2-20 알키닐기, 치환 또는 비치환된 C5-20 시클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C6-20 아릴기, 치환 또는 비치환된 C2-20 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 C7-20 알킬아릴기, 또는 치환 또는 비치환된 C1-20 알콕시기이며,
X1 및 X2는 Cl, Br, I, 또는 F이다.
As shown in Scheme 1 below,
(S1) synthesizing a copolymer represented by Formula 9 by polymerizing a monomer of Formula 5, a monomer of Formula 7 and a monomer of Formula 8; And
(S2) A method for preparing a sulfonated poly (arylene ether) copolymer represented by Formula 3 comprising introducing a sulfonic acid group into a phenyl ring portion of a copolymer of Formula 9:
[Reaction Scheme 1]
Figure 112013000811761-pat00052


In this formula,
X is a single bond or Ar 1 , Ar 1 is a substituted or unsubstituted arylene group having 6 to 20 carbon atoms,
M 1 , M 2 , M 3 , M 4 , M 5 , M 6 , M 7 and M 8 are independently of each other hydrogen, lithium, sodium or potassium,
R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are each independently hydrogen, straight or branched alkyl group of 1 to 20 carbon atoms, alkenyl group of 2 to 20 carbon atoms, alkynyl group of 2 to 20 carbon atoms, 5 carbon atoms A cycloalkyl group of 20 to 20, an aryl group of 6 to 20 carbon atoms, a heteroaryl group of 2 to 20 carbon atoms, an alkylaryl group of 7 to 20 carbon atoms, or an alkoxy group of 1 to 20 carbon atoms,
a + b = 5, c + d = 5,
a and c are each independently an integer of 1 to 5,
b, c, e and f are each independently an integer from 0 to 4,
Ar 2 and Ar 3 are each independently a substituted or unsubstituted arylene group having 6 to 20 carbon atoms,
p and q are molar fractions p + q = 1, 0 <p <1, 0 <q <1,
r is 10 to 10,000 as the degree of polymerization,
R ' 1 , R' 2 , R ' 3 and R' 4 are hydrogen, a substituted or unsubstituted C 1-20 alkyl group, a substituted or unsubstituted C 2-20 alkenyl group, a substituted or unsubstituted C 2-20 Alkynyl groups, substituted or unsubstituted C 5-20 cycloalkyl groups, substituted or unsubstituted C 6-20 aryl groups, substituted or unsubstituted C 2-20 heteroaryl groups, substituted or unsubstituted C 7-20 alkyl An aryl group or a substituted or unsubstituted C 1-20 alkoxy group,
X 1 and X 2 are Cl, Br, I, or F.
하기 반응식 2에 나타낸 바와 같이,
(S1) 화학식 6의 단량체, 화학식 7의 단량체 및 화학식 8의 단량체를 중합하여 화학식 10으로 표시되는 공중합체를 합성하는 단계; 및
(S2) 화학식 10의 공중합체의 페닐 고리 부분에 술폰산기를 도입하는 단계를 포함하는 화학식 4로 표시되는 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체의 제조방법:
[반응식 2]
Figure 112013000811761-pat00053


상기 식에서,
X가 단일결합 또는 Ar1이며, 상기 Ar1은 치환 또는 비치환된 탄소 수 6 내지 20의 아릴렌기이고,
X1 및 X2는 Cl, Br, I, 또는 F이고,
M1, M2, M3, M4, M5, M6, M7 및 M8은 서로 독립적으로 수소, 리튬, 나트륨 또는 칼륨이고,
R1, R2, R3 및 R4는 서로 독립적으로 수소, 탄소 수 1 내지 20의 직쇄 또는 분지형 알킬기, 탄소 수 2 내지 20의 알케닐기, 탄소 수 2 내지 20의 알키닐기, 탄소 수 5 내지 20의 시클로알킬기, 탄소 수 6 내지 20의 아릴기, 탄소 수 2 내지 20의 헤테로아릴기, 탄소 수 7 내지 20의 알킬아릴기, 또는 탄소 수 1 내지 20의 알콕시기이고,
R'1, R'2, R'3 및 R'4는 수소, 치환 또는 비치환된 C1-20 알킬기, 치환 또는 비치환된 C2-20 알케닐기, 치환 또는 비치환된 C2-20 알키닐기, 치환 또는 비치환된 C5-20 시클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C6-20 아릴기, 치환 또는 비치환된 C2-20 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 C7-20 알킬아릴기, 또는 치환 또는 비치환된 C1-20 알콕시기이며,
a+b=5, c+d=5이며,
a 및 c는 서로 독립적으로 1 내지 5의 정수이며,
b, c, e 및 f는 서로 독립적으로 0 내지 4의 정수이며,
Ar2 및 Ar3는 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 탄소 수 6 내지 20의 아릴렌기이고,
p 및 q는 몰분율로서 p+q=1이며, 0<p<1, 0<q<1이고,
r은 중합도로서 10 내지 10,000이다.
As shown in Scheme 2 below,
(S1) synthesizing a copolymer represented by Formula 10 by polymerizing a monomer of Formula 6, a monomer of Formula 7 and a monomer of Formula 8; And
(S2) A method for preparing a sulfonated poly (arylene ether) copolymer represented by Formula 4 comprising introducing a sulfonic acid group into a phenyl ring portion of a copolymer of Formula 10:
[Reaction Scheme 2]
Figure 112013000811761-pat00053


In this formula,
X is a single bond or Ar 1 , Ar 1 is a substituted or unsubstituted arylene group having 6 to 20 carbon atoms,
X 1 and X 2 are Cl, Br, I, or F,
M 1 , M 2 , M 3 , M 4 , M 5 , M 6 , M 7 and M 8 are independently of each other hydrogen, lithium, sodium or potassium,
R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are each independently hydrogen, straight or branched alkyl group of 1 to 20 carbon atoms, alkenyl group of 2 to 20 carbon atoms, alkynyl group of 2 to 20 carbon atoms, 5 carbon atoms A cycloalkyl group of 20 to 20, an aryl group of 6 to 20 carbon atoms, a heteroaryl group of 2 to 20 carbon atoms, an alkylaryl group of 7 to 20 carbon atoms, or an alkoxy group of 1 to 20 carbon atoms,
R ' 1 , R' 2 , R ' 3 and R' 4 are hydrogen, a substituted or unsubstituted C 1-20 alkyl group, a substituted or unsubstituted C 2-20 alkenyl group, a substituted or unsubstituted C 2-20 Alkynyl groups, substituted or unsubstituted C 5-20 cycloalkyl groups, substituted or unsubstituted C 6-20 aryl groups, substituted or unsubstituted C 2-20 heteroaryl groups, substituted or unsubstituted C 7-20 alkyl An aryl group or a substituted or unsubstituted C 1-20 alkoxy group,
a + b = 5, c + d = 5,
a and c are each independently an integer of 1 to 5,
b, c, e and f are each independently an integer from 0 to 4,
Ar 2 and Ar 3 are each independently a substituted or unsubstituted arylene group having 6 to 20 carbon atoms,
p and q are molar fractions p + q = 1, 0 <p <1, 0 <q <1,
r is 10 to 10,000 as polymerization degree.
제18항 또는 제19항에 있어서, 상기 단계 (S1)은 탄산칼륨, 탄산나트륨, 수산화나트륨, 및 수산화칼슘으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 알칼리 금속 염기하에서 수행하는 것을 특징으로 하는 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체의 제조방법.20. The sulfonated poly (aryl) of claim 18 or 19, wherein step (S1) is carried out under one alkali metal base selected from the group consisting of potassium carbonate, sodium carbonate, sodium hydroxide, and calcium hydroxide. Ethylene ether) copolymer. 제18항 또는 제19항에 있어서, 상기 단계 (S1)은 톨루엔, 디메틸아세트아마이드, N-메틸피롤리돈, 디메틸술폭사이드 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 1종의 유기용매하에서 수행하는 것을 특징으로 하는 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체의 제조방법.20. The process according to claim 18 or 19, wherein step (S1) is carried out under one organic solvent selected from the group consisting of toluene, dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, dimethyl sulfoxide and mixtures thereof. A process for producing a sulfonated poly (arylene ether) copolymer, characterized in that 제18항 또는 제19항에 있어서, 상기 단계 (S2)는 화학식 9 또는 10의 공중합체와 클로로술폰산, 발연황산, 발연황산 트리에틸포스페이트염 및 진한황산으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 술폰산 화합물과 반응시키는 것을 특징으로 하는 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체의 제조방법.20. The method according to claim 18 or 19, wherein step (S2) comprises one copolymer of formula 9 or 10 and one sulfonic acid compound selected from the group consisting of chlorosulfonic acid, fuming sulfuric acid, triethylphosphate salt, and concentrated sulfuric acid; A method for producing a sulfonated poly (arylene ether) copolymer, characterized in that the reaction. 제18항 또는 제19항에 있어서, 상기 단계 (S1) 이후, Ar1, Ar2 및 Ar3 중 하나 이상이 설페인(sulfane) 관능기를 포함하는 경우 하기 반응식 6과 같이 추가의 산화 반응을 통해 설폰(sulfone) 관능기로 산화시키는 산화반응을 추가로 수행하는 것을 특징으로 하는 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체의 제조방법:
[반응식 6]
Figure 112011059453260-pat00039

상기 반응식에서, Z1 및 Z2는 독립적으로 수소, 할로겐 원자, 직쇄 또는 분지형 C1 -20 알킬기, C2 -20 알케닐기, C2 -20 알키닐기, C5 -20 시클로알킬기, C6 -20 아릴기, C2-20 헤테로아릴기, C7 -20 알킬아릴기, 또는 C1 -20 알콕시기이다.

20. The method of claim 18 or 19, wherein after step (S1), Ar 1 , Ar 2 and Ar 3 Sulfonated poly (aryl), characterized in that if at least one of the sulfane (sulfane) functional group further performs an oxidation reaction to oxidize to a sulfone functional group through an additional oxidation reaction as shown in Scheme 6 below. Ethylene ether) copolymer:
[Reaction Scheme 6]
Figure 112011059453260-pat00039

In the above reaction formula, Z 1 and Z 2 are independently hydrogen, a halogen atom, a straight-chain or branched C 1 -20 alkyl, C 2 -20 alkenyl, C 2 -20 alkynyl group, C 5 -20 cycloalkyl group, C 6 -20 aryl group, a C 2-20 heteroaryl group, C 7 -20 alkyl, an aryl group, or C 1 -20 alkoxy groups.

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