KR101413978B1 - Eco-friendly anion exchange membrane and manufacturing method for thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 친환경 음이온 교환막 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 아마이드계 단량체, 스티렌계 단량체 및 히드록시(C1-C20)알킬(메타)아크릴레이트계 단량체를 함유하는 공중합체를 아민화 반응시키고, 이를 열처리하여 음이온 교환막을 제조함으로써, 전기적 물성과 이온교환능이 우수한 친환경 음이온 교환막 및 이의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to an environmentally friendly anion exchange membrane and a method for producing the same. More specifically, the present invention relates to a process for producing an anion exchange membrane, which comprises subjecting a copolymer containing an amide monomer, a styrene monomer and a hydroxy (C1-C20) alkyl (meth) And an anion exchange membrane by heat treatment to produce an anion exchange membrane, and to an environmentally friendly anion exchange membrane having excellent electrical properties and ion exchange ability, and a method for producing the same.

Description

친환경 음이온 교환막 및 이의 제조방법{Eco-friendly anion exchange membrane and manufacturing method for thereof}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to an anion-

본 발명은 친환경 음이온 교환막 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 아마이드계 단량체, 스티렌계 단량체 및 히드록시(C1-C20)알킬(메타)아크릴레이트계 단량체를 함유하는 공중합체를 아민화 반응시키고, 이를 열처리하여 음이온 교환막을 제조함으로써, 전기적 물성과 이온교환용량이 우수한 친환경 음이온 교환막 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to an environmentally friendly anion exchange membrane and a method for producing the same. More specifically, the present invention relates to a process for producing an anion exchange membrane, which comprises subjecting a copolymer containing an amide monomer, a styrene monomer and a hydroxy (C1-C20) alkyl (meth) And an anion exchange membrane by heat treatment to produce an anion exchange membrane having excellent electrical properties and ion exchange capacity, and a method for producing the same.

이온교환막은 공정이 간편하고, 특정이온에 대한 선택성이 뛰어나며, 응용범위가 넓어 특히, 화석 연료의 사용을 감소시켜 친환경적 신재생에너지 생산 청정기술로 세계적인 주목을 받고 있다. 현재 소형 노트북, 핸드폰 등의 전자제품 사용급증으로 인해 이에 필요한 고수명, 고용량의 배터리 개발 및 새로운 연료전지의 개발 필요성에 따라 그 핵심 소재인 이온교환막에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. Ion exchange membranes are attracting worldwide attention because they are easy to process, have excellent selectivity for specific ions, and have a wide range of applications, especially the use of fossil fuels to reduce the production of environmentally friendly new and renewable energy. Due to the rapid increase in the use of electronic products such as small notebooks and mobile phones, research on ion exchange membranes, which is a core material thereof, has been actively carried out in accordance with the necessity of development of high-capacity battery and high capacity battery.

이온교환막은 이온교환 작용을 갖는 수지로써, 막 내의 고정이온(fixed-ion group)의 종류에 따라 양이온 교환막과 음이온 교환막으로 분류되며, 양이온 교환막은 양이온이 선택적으로 통과되고, 음이온 교환막은 음이온이 선택적으로 통과는 것이다. The ion exchange membrane is a resin having an ion exchange function. The ion exchange membrane is classified into a cation exchange membrane and an anion exchange membrane depending on the type of fixed-ion group in the membrane. The cation exchange membrane selectively passes through the cation exchange membrane. As well.

이러한 이온교환막은 선택투과성은 물론 이온교환능이 우수해야 하고 전기저항 및 확산계수가 작고, 전기적 물성이 우수하고 제조 가격이 저렴해야 한다. 특히 연료전지 또는 레독스 흐름 전지 분야의 이온교환막은 기존의 막보다 우수한 이온교환용량과 전기적 물성이 요구된다.Such an ion exchange membrane should have excellent ion exchange ability as well as selective permeability, have a small electric resistance and diffusion coefficient, have excellent electrical properties, and have a low manufacturing cost. Particularly, ion exchange membranes in the field of fuel cells or redox flow cells require better ion exchange capacity and electrical properties than conventional membranes.

그러나 최근 각광받고 있는 레독스 흐름 전지에 Dufone사의 Nafion117 이온교환막과 같은 양이온교환막을 사용하면, vanadium 이온들의 크로스오버가 심각하게 일어나기 때문에 전지의 자가 방전을 초래하고 결과적으로 낮은 효율을 갖는 전지를 제조하게 된다. 따라서 이러한 문제점을 해결하는 효과적인 방법으로 레독스 흐름 전지에 음이온교환막을 사용함으로써 이온교환막의 양이온기가 용액 중의 vanadium 이온과 전하적 반발력을 갖게 하는 방법이 제안되었다.However, when a cation exchange membrane such as Dafone's Nafion 117 ion exchange membrane is used for a redox flow cell, a crossover of vanadium ions occurs seriously, thereby causing a self-discharge of the battery, resulting in a battery having a low efficiency do. Therefore, as an effective way to solve this problem, a method has been proposed in which cationic groups of the ion exchange membrane have charge repulsion with vanadium ions in the solution by using an anion exchange membrane in the redox flow cell.

이러한 음이온교환막을 제조하기 위하여 현재까지는 막에 클로로메틸레이션(chloromethylation)을 하여 4급 아민화를 하여 관능기를 부여하는 방법이 보편적이었다. 그러나, 이러한 관능화는 인체에 잠재적으로 유해하고, 발암성 물질인 클로로메틸에터(chloromethylether)라는 물질을 사용한다. 또한, 4급 아민화 과정 시 사용되는 아민화제는 트리메틸아민(trimethylamine), 혹은 비닐피리딘(4-vinylpyridine)으로 이 또한 유해한 물질이며, 전구체가 클로로메틸스티렌(chloromethylstyrene)으로 가격이 비싼 단점을 가지고 있다.To produce such anion exchange membranes, it has been common practice to subject the membranes to chloromethylation and quaternarization to give functional groups. However, this functionalization uses a substance called chloromethylether which is potentially harmful to humans and carcinogenic. Also, the aminating agent used in the quaternary amination process is trimethylamine or 4-vinylpyridine, which is also harmful, and the precursor is chloromethylstyrene, which is expensive. .

대한민국 공개특허 제10-2004-0100316호(특허문헌 1)에는 비닐벤질 클로라이드, 팽윤촉진 단량체, 디비닐벤젠 및 광개시제를 포함하는 중합용액을 비다공성 저밀도 폴리에틸렌 필름에 내부적으로 흡수시키고 자외선을 조사한 후 4급 아민화 반응을 통해 음이온 교환막을 제조하는 것을 개시하고 있으나, 이는 비다공성 막의 흡수능력에 한계가 있어 이온교환능력의 향상이 제한적이고, 자외선이 막 내부로 침투가 용이하지 않아 막두께가 두꺼워질수록 이온교환능력이 현저히 감소되는 문제가 발생한다. 또한 4급 아민화 반응을 위한 아민화제 트리메틸아민, 디페닐아민 등의 유해한 물질을 사용하고 있으며 제조과정 중에서 단량체가 대기로 비산되는 문제를 가지고 있다. Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2004-0100316 (Patent Document 1) discloses that a polymerization solution containing vinylbenzyl chloride, a swelling promoting monomer, divinylbenzene and a photoinitiator is internally absorbed into a nonporous low density polyethylene film, irradiated with ultraviolet rays, Discloses the preparation of anion exchange membranes through a quaternization reaction. However, since the absorption capacity of the nonporous membrane is limited, the improvement of the ion exchange capacity is limited and the ultraviolet rays are not easily permeated into the membrane, There arises a problem that the ion exchange capacity is significantly reduced. Also, amines such as trimethylamine, diphenylamine and the like are used for the quaternary amination reaction, and the monomers are scattered in the atmosphere during the production process.

또한, 대한민국 공개특허 제10-2010-0013871호(특허문헌 2)에서는 다공성 올레핀 필름을 아민화 반응 불활성이 스티렌계 단량체, 아민화 반응활성인 비닐벤질계 단량체, 가교제, 개시제가 혼합된 중합 용액에 침적하여 내부를 폐쇄시키고 가교시킨 후 4급 암모늄 이온을 도입하여 음이온 교환막을 제조하는 것을 개시하고 있으나, 다공성 필름에 침적하여 복합막을 형성할 경우 기계적 물성이 현저히 감소되고, 이를 보강하기 위하여 막의 두께를 두껍게 형성할 경우 이온교환능력이 현저하게 떨어지게 되어 이온교환막으로서의 성능을 기대할 수 없는 문제가 발생한다. 또한, 아민화 반응에 트리메틸아민 등의 아민화제를 사용함으로써 인체에 유해하고 단량체의 가격이 고가인 문제가 있다. In Korean Patent Laid-Open No. 10-2010-0013871 (Patent Document 2), a porous olefin film is prepared by polymerizing a porous olefin film in a polymerization solution in which an amination reaction inertity is mixed with a styrene monomer, a vinylbenzene monomer, The present inventors have disclosed that an anion exchange membrane is prepared by introducing quaternary ammonium ions after closing and crosslinking the interior of the porous film. However, when the composite membrane is formed by immersion in a porous film, the mechanical properties are significantly reduced. The ion exchanging ability is remarkably deteriorated when the ion exchange membrane is formed thick, so that there is a problem that performance as an ion exchange membrane can not be expected. Further, the use of an aminating agent such as trimethylamine for the amination reaction is harmful to human bodies and the price of monomers is high.

따라서, 이온교환막이 얇은 막을 형성하면서도 전기적 물성 및 이온교환능력이 우수하고 기계적 물성이 뛰어나면서도 친환경적인 음이온 교환막의 개발이 지속적으로 요구되어 진다.
Therefore, there is a continuing demand for the development of an environmentally friendly anion exchange membrane having excellent electrical properties and ion exchange ability and excellent mechanical properties while forming a thin film of the ion exchange membrane.

대한민국 공개특허 제10-2004-0100316호Korean Patent Publication No. 10-2004-0100316 대한민국 공개특허 제10-2010-0013871호Korean Patent Publication No. 10-2010-0013871

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 아마이드계 단량체, 스티렌계 단량체 및 히드록시(C1-C20)알킬(메타)아크릴레이트계 단량체를 함유하는 공중합체를 아민화 반응시키고, 이를 열처리하여 음이온 교환막을 제조함으로써, 전기적 물성 및 이온교환능력이 우수한 음이온 교환막을 제공하는 것을 목적으로 한다. In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a process for preparing a copolymer containing an amide monomer, a styrene monomer and a hydroxy (C1-C20) alkyl (meth) acrylate monomer, It is an object of the present invention to provide an anion exchange membrane having excellent electrical properties and ion exchange ability by producing a membrane.

또한, 아민화 반응시 아민화제를 글리시딜트리메틸암모늄클로라이드를 사용함으로써, 인체에 유해하지 않으며 전기적 물성 및 이온교환능력이 향상된 친환경 음이온 교환막을 제공하는 것을 목적으로 한다. It is another object of the present invention to provide an environmentally friendly anion exchange membrane which is not harmful to human body and has improved electrical properties and ion exchange ability by using glycidyltrimethylammonium chloride as the aminating agent in the amination reaction.

또한, 상기 음이온 교환막의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
It is another object of the present invention to provide a method for producing the anion exchange membrane.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 아마이드계 단량체, 스티렌계 단량체 및 히드록시(C1-C20)알킬(메타)아크릴레이트계 단량체를 함유하는 공중합체를 아민화 반응 및 열처리하여 제조된 음이온 교환막에 관한 것이다. In order to achieve the above object, the present invention provides an anion exchange membrane prepared by aminating and heat-treating a copolymer containing an amide monomer, a styrene monomer and a hydroxy (C1-C20) alkyl (meth) acrylate monomer, .

전체 단량체 100mol% 중에서, 상기 아마이드계 단량체의 몰농도(mol%)는 20 내지 60mol%이고, 상기 스티렌계 단량체의 몰농도(mol%)는 20 내지 60mol%이고, 상기 히드록시(C1-C20)알킬(메타)아크릴레이트의 몰농도(mol%)는 10 내지 50mol%인 것이 바람직하다. Wherein the molar concentration (mol%) of the amide monomer is 20 to 60 mol%, the molar concentration (mol%) of the styrenic monomer is 20 to 60 mol%, and the hydroxy (C1-C20) The molar concentration (mol%) of alkyl (meth) acrylate is preferably 10 to 50 mol%.

상기 아마이드계 단량체는 아크릴아마이드, 메타크릴아마이드, N-메틸 아크릴아마이드, N-메틸 메타크릴아마이드, N-에틸 아크릴아마이드, N-에틸 메타크릴아마이드, N-프로필 아크릴아마이드 및 N-프로필메타크릴아마이드 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상이며, 상기 스티렌계 단량체는 알파메틸스티렌, 스티렌 및 트리플루오로스티렌 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상이고, 상기 히드록시(C1-C20)알킬(메타)아크릴레이트계 단량체는 히드록시에틸아크릴레이트, 히드록시프로필아크릴레이트, 2-히드록시에틸메타크릴레이트 및 히드록시프로필메타크릴레이트 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상일 수 있다. The amide monomer may be selected from the group consisting of acrylamide, methacrylamide, N-methylacrylamide, N-methylmethacrylamide, N-ethyl acrylamide, N-ethylmethacrylamide, N-propylacrylamide, (C1-C20) alkyl (meth) acrylate, and the styrene-based monomer is at least one selected from alpha methyl styrene, styrene, and trifluorostyrene, The rate-based monomers may be one or more selected from the group consisting of hydroxyethyl acrylate, hydroxypropyl acrylate, 2-hydroxyethyl methacrylate and hydroxypropyl methacrylate.

상기 아민화 반응은 글리시딜트리메틸암모늄클로라이드을 사용할 수 있으며, 상술한 음이온 교환막은 이온교환용량이 1.0 내지 3.0meq/g이고, 전기저항이 0.5 내지 5.0Ω㎠인 것이 바람직하고, 상기 음이온 교환막은 폐수 처리공정용, 연료전지용, 이차전지용 또는 레독스 흐름전지용으로 사용될 수 있다. The anion exchange membrane described above may preferably have an ion exchange capacity of 1.0 to 3.0 meq / g and an electrical resistance of 0.5 to 5.0 Ω cm 2. The anion exchange membrane may be formed of a mixture of wastewater For processing, for fuel cells, for secondary batteries, or for redox flow cells.

또한, 본 발명은 a) 아마이드계 단량체, 스티렌계 단량체 및 히드록시(C1-C20)알킬(메타)아크릴레이트계 단량체를 함유하는 공중합체를 제조하는 공중합체 제조단계; b) 상기 공중합체를 아민화 반응시키는 아민화단계; 및 c) 상기 아민화된 공중합체를 캐스팅하여 열처리하는 음이온교환막 제조단계;를 포함하며, 상기 아민화 반응은 글리시딜트리메틸암모늄클로라이드을 사용하는 것을 특징으로 하는 음이온 교환막의 제조방법에 관한 것이다.The present invention also relates to a process for preparing a copolymer, which comprises the steps of: a) preparing a copolymer containing an amide monomer, a styrene monomer and a hydroxy (C1-C20) alkyl (meth) acrylate monomer; b) an amination step of aminating the copolymer; And c) a step of casting the aminated copolymer and heat-treating the aminated copolymer, wherein the amination reaction uses glycidyl trimethyl ammonium chloride.

상기 a)단계에서, 상기 아마이드계 단량체는 아크릴아마이드, 메타크릴아마이드, N-메틸 아크릴아마이드, N-메틸 메타크릴아마이드, N-에틸 아크릴아마이드, N-에틸 메타크릴아마이드, N-프로필 아크릴아마이드 및 N-프로필메타크릴아마이드 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상이며, 상기 스티렌계 단량체는 알파메틸스티렌, 스티렌 및 트리플루오로스티렌 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상이며, 상기 히드록시(C1-C20)알킬(메타)아크릴레이트계 단량체는 히드록시에틸아크릴레이트, 히드록시프로필아크릴레이트, 2-히드록시에틸메타크릴레이트 및 히드록시프로필메타크릴레이트 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상일 수 있다. In step a), the amide monomer may be selected from the group consisting of acrylamide, methacrylamide, N-methyl acrylamide, N-methyl methacrylamide, N-ethyl acrylamide, N-ethyl methacrylamide, Propyl methacrylamide, and the styrenic monomer is at least one selected from alpha methyl styrene, styrene, and trifluorostyrene, and the hydroxy (C1-C20 ) The alkyl (meth) acrylate monomer may be one or more selected from the group consisting of hydroxyethyl acrylate, hydroxypropyl acrylate, 2-hydroxyethyl methacrylate and hydroxypropyl methacrylate.

상기 c)단계에서 열처리는 60℃에서 130℃까지 시간당 10℃씩 승온하고, 시간당 10℃씩 냉각하는 것이 바람직하다.
In the step c), the heat treatment is preferably performed at a rate of 10 ° C per hour from 60 ° C to 130 ° C, and is cooled at a rate of 10 ° C per hour.

본 발명의 친환경 음이온 교환막 및 이의 제조방법에 따르면, 아마이드계 단량체, 스티렌계 단량체 및 히드록시(C1-C20)알킬(메타)아크릴레이트계 단량체를 함유하는 공중합체를 아민화 반응시키고, 이를 열처리하여 음이온 교환막을 제조함으로써, 전기적 물성 및 이온교환능력이 우수한 장점이 있다. According to the environmentally friendly anion exchange membrane and the method for producing the same of the present invention, a copolymer containing an amide monomer, a styrene monomer and a hydroxy (C1-C20) alkyl (meth) acrylate monomer is subjected to an amination reaction, An anion exchange membrane is advantageous in that it has excellent electrical properties and ion exchange ability.

또한, 열, 산, 알칼리 및 계면활성제 등에 대한 내화학성이 우수한 아마이드계 단량체, 구조상 치수안정성이 우수한 스티렌계 단량체 및 유연성을 부여하는 히드록시(C1-C20)알킬(메타)아크릴레이트계 단량체를 사용함으로써, 음이온 교환막이 유연하고 내구성 및 내화학성이 우수한 장점이 있다. In addition, an amide monomer having excellent chemical resistance to heat, acid, alkali and surfactant, a styrene monomer having excellent dimensional stability and a hydroxy (C1-C20) alkyl (meth) acrylate monomer having flexibility are used The anion exchange membrane is advantageous in that it is flexible and has excellent durability and chemical resistance.

또한, 음이온 교환막 제조시 친환경적인 아민화제인 글리시딜트리메틸암모늄클로라이드를 사용하여 아민화함으로써 전기적 물성 및 이온교환능력이 우수한 친환경 음이온 교환막을 제조할 수 있는 장점이 있다. Further, in the production of an anion exchange membrane, there is an advantage that an environmentally friendly anion exchange membrane having excellent electrical properties and ion exchange ability can be produced by amination using glycidyltrimethylammonium chloride which is an environmentally friendly aminating agent.

이러한 특성을 갖는 음이온 교환막을 폐수처리 공정이나 연료전지, 이차전지 또는 레독스 흐름 전지용으로 사용할 수 있다.
Anion exchange membranes having these properties can be used for wastewater treatment processes, fuel cells, secondary batteries, or redox flow cells.

도 1은 본 발명의 친환경 음이온 교환막의 제조방법을 개괄적으로 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 친환경 음이온 교환막의 반응메커니즘을 나타낸 것이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic view showing a method of manufacturing an environmentally friendly anion exchange membrane of the present invention. FIG.
2 shows the reaction mechanism of the environmentally friendly anion exchange membrane of the present invention.

이하, 본 발명의 친환경 음이온 교환막 및 이의 제조방법에 대하여 바람직한 실시형태 및 물성측정 방법을 상세히 설명한다. 본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 더 잘 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적을 위한 것이고, 첨부된 특허 청구범위에 의하여 한정되는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, preferred embodiments of the environmentally friendly anion exchange membrane of the present invention and a method for producing the same will be described in detail. The present invention may be better understood by the following examples, which are for the purpose of illustrating the present invention and are not intended to limit the scope of protection defined by the appended claims.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 아마이드계 단량체, 스티렌계 단량체 및 히드록시(C1-C20)알킬(메타)아크릴레이트계 단량체를 함유하는 공중합체를 아민화 반응 및 열처리하여 제조된 음이온 교환막에 관한 것이다. In order to accomplish the above object, the present invention relates to an anion exchange membrane prepared by aminating and heat-treating a copolymer containing an amide monomer, a styrene monomer and a hydroxy (C1-C20) alkyl (meth) acrylate monomer will be.

상기 아마이드계 단량체는 열, 산, 알칼리, 계면활성제 등에 대한 내화학성을 부여하기 위하여 첨가되는 것으로, 연료전지 또는 레독스흐름전지에 사용되는 전해질에 대한 저항성을 향상시켜 오랜 운전시간에도 전기적 물성 및 이온교환능력을 우수하게 유지시킬 수 있다. 상기 아마이드계 단량체는 공지된 아마이드계 단량체이면 제한없이 사용할 수 있으며, 특히 예를 들면, 아크릴아마이드, 메타크릴아마이드, N-메틸 아크릴아마이드, N-메틸 메타크릴아마이드, N-에틸 아크릴아마이드, N-에틸 메타크릴아마이드, N-프로필 아크릴아마이드 및 N-프로필메타크릴아마이드 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게 아크릴아마이드 또는 메타크릴아마이드인 것이 공중합체를 제조했을 때 보다 효과적으로 내화학성을 구현할 수 있으므로 효과적이다. The amide monomer is added to impart chemical resistance to heat, acids, alkalis, surfactants, etc., thereby improving the resistance to an electrolyte used in a fuel cell or a redox flow cell, Exchange capability can be maintained excellent. The amide monomer may be any of known amide monomers and may be, for example, acrylamide, methacrylamide, N-methylacrylamide, N-methylmethacrylamide, N- Ethyl acrylate, ethyl acrylate, ethyl acrylate, ethyl acrylate, ethyl methacrylate, N-propyl acrylamide and N-propyl methacrylamide, and more preferably acrylamide or methacrylamide is more effective in producing the copolymer It is effective because it can realize chemical properties.

상기 아마이드계 단량체는 전체 단량체 몰농도(mol%) 중에서 20 내지 60mol%인 것이 바람직하다. 아마이드계 단량체의 농도가 20mol% 미만일 경우에는 4급 아민화할 수 있는 site가 감소하여 음이온 교환막을 제조했을 때 나타나는 이온교환능력이 낮을 수 있으며, 60mol% 초과일 경우에는 음이온 교환막의 친수성이 증가해 이온교환막으로 사용하기 적합하지 않은 문제가 발생할 수 있다. The amide monomer is preferably 20 to 60 mol% in the molar concentration (mol%) of the total monomers. If the concentration of the amide monomer is less than 20 mol%, the site for quaternary amination can be reduced, and the ion exchange capacity when the anion exchange membrane is produced may be low. If the concentration exceeds 60 mol%, the hydrophilic property of the anion exchange membrane is increased A problem unsuitable for use as an ion exchange membrane may occur.

상기 스티렌계 단량체는 구조상 치수안정성이 우수한 벤젠구조를 함유함으로써, 음이온 교환막의 내구성을 향상시키기 위하여 첨가되는 것으로, 에틸벤젠(ethylbenzene), 디비닐벤젠(divinylbenzene), 에틸비닐벤젠(ethylvinylbenzene), 스티렌단량체(styrene monomer) 중에서 1종 또는 2종 이상 선택되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 스티렌단량체(styrene monomer)인 것이 효과적이다. The styrenic monomer is added to improve the durability of the anion exchange membrane by containing a benzene structure excellent in structural dimensional stability. The styrenic monomer is added to the anion exchange membrane such as ethylbenzene, divinylbenzene, ethylvinylbenzene, (styrene monomer), and it is more preferable to use one or more of them, more preferably a styrene monomer.

상기 스티렌계 단량체는 전체 단량체 몰농도(mol%) 중에서 20 내지 60mol%인 것이 바람직하다. 스티렌계 단량체의 농도가 20mol% 미만일 경우에는 4급 아민화할 수 있는 site가 감소하여 음이온 교환막을 제조했을 때 나타나는 이온교환능력이 낮을 수 있으며, 60mol% 초과일 경우에는 음이온 교환막의 취성이 증가하여 이온교환막으로 제조하기 어려운 문제가 발생할 수 있다. The styrene-based monomer is preferably 20 to 60 mol% in the molar concentration (mol%) of the whole monomers. If the concentration of the styrene monomer is less than 20 mol%, the quaternary amination site decreases, and the ion exchange capacity when the anion exchange membrane is produced may be low. When the concentration exceeds 60 mol%, the brittleness of the anion exchange membrane is increased A problem that it is difficult to produce an ion exchange membrane may occur.

상기 히드록시(C1-C20)알킬(메타)아크릴레이트 단량체는 음이온 교환막의 유연성을 향상시키며, 가교반응을 통한 치수안정성 및 기계적 물성 향상을 위하여 첨가되는 것으로, 히드록시에틸아크릴레이트(hydroxyethyl acrylate, HEA), 히드록시프로필아크릴레이트(hydroxypropyl acrylate, HPA), 2-히드록시에틸메타크릴레이트(2-hydroxyethyl methacrylate, 2-HEMA) 및 히드록시프로필메타크릴레이트(hydroxypropyl methacrrylate, HPMA) 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 히드록시에틸아크릴레이트(hydroxyethyl acrylate)인 것이 효과적이며, 이에 제한되는 것은 아니다. The hydroxy (C1-C20) alkyl (meth) acrylate monomer is added to improve the flexibility of the anion exchange membrane and to improve the dimensional stability and mechanical properties through the crosslinking reaction, and hydroxyethyl acrylate (HEA ) Selected from hydroxypropyl acrylate (HPA), 2-hydroxyethyl methacrylate (2-HEMA), and hydroxypropyl methacrylate (HPMA) Or two or more, and more preferably hydroxyethyl acrylate, is effective, but is not limited thereto.

상기 히드록시(C1-C20)알킬(메타)아크릴레이트계 단량체는 전체 단량체 몰농도(mol%) 중에서 10 내지 50mol%인 것이 바람직하다. 히드록시(C1-C20)알킬(메타)아크릴레이트계 단량체의 농도가 10mol% 미만일 경우에는 가교반응이 충분히 이루어지지 않아 기계적 물성이 감소하여, 음이온교환막으로 사용하기 적합하지 않을 수 있으며, 50mol% 초과일 경우에는 음이온 교환막의 과도한 가교로 인하여 아민화반응을 저하함으로써 이온교환능력 및 전기적물성을 감소시켜 이온교환막의 성능을 기대할 수 없게 된다. It is preferable that the hydroxy (C1-C20) alkyl (meth) acrylate monomer is 10 to 50 mol% in the molar concentration of the whole monomers. When the concentration of the hydroxy (C1-C20) alkyl (meth) acrylate monomer is less than 10 mol%, the crosslinking reaction is not sufficiently carried out and the mechanical properties are decreased, so that it may not be suitable for use as an anion exchange membrane. , The excessive crosslinking of the anion exchange membrane deteriorates the amination reaction, thereby decreasing the ion exchange capacity and the electrical properties, so that the performance of the ion exchange membrane can not be expected.

상술한 아마이드계 단량체, 스티렌계 단량체 및 히드록시(C1-C20)알킬(메타)아크릴레이트계 단량체를 자유라디칼중합을 통하여 공중합체로 제조하는 것이 바람직하다. 자유라디칼 중합에서 사용되는 반응개시제는 특별히 제한되지 않으며, 본 발명에서는 benzoyl peroxide(BPO), dicumyl peroxide(DCP), azobisisobutyronitrile(AIBN) 등이 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 반응개시제는 전체단량체 mol%의 0.01~1.0 mol%로 첨가되는 것이 좋으며, 0.01 mol% 미만일 경우에는 충분한 가교가 일어나지 않아 삼원 공중합이 어려우며, 1.0 mol%를 초과하는 경우에는 반응개시제 자체의 함량이 너무 많아 물성의 저하가 일어난다는 문제점이 있다. It is preferable to prepare the above-mentioned amide-based monomer, styrene-based monomer and hydroxy (C1-C20) alkyl (meth) acrylate monomer as a copolymer through free radical polymerization. In the present invention, benzoyl peroxide (BPO), dicumyl peroxide (DCP), azobisisobutyronitrile (AIBN) and the like may be used, but the present invention is not limited thereto. When the amount of the reaction initiator is less than 0.01 mol%, sufficient crosslinking does not occur, so that the terpolymerization is difficult. When the amount of the reaction initiator is more than 1.0 mol%, the content of the reaction initiator itself There is a problem that the physical properties are deteriorated.

상술한 아마이드계 단량체, 스티렌계 단량체 및 히드록시(C1-C20)알킬(메타)아크릴레이트계 단량체를 함유하는 공중합체에 음이온 교환기를 도입하여 이온교환능력을 부여하기 위하여 4급 아민을 사용하여 아민화 반응을 진행한다. 아민화 반응은 특별히 제한되지 않고 공지의 방법을 채용할 수 있다. 예를 들면 아민계 화합물을 사용하여 4급 암모늄염으로 반응시키는 방법을 들 수 있다. 이러한 아민화합물로는 트리메틸아민, 디메틸에탄올아민, 메틸디에탄올아민 등이 사용될 수 있으나, 이는 인체에 유해하고 발암성분을 가지는 것으로 본원발명에서는 글리시딜트리메틸암모늄 클로라이드(glycidyltrimethylammonium chloride)를 사용하여 4급아민화하는 것을 특징으로 한다. 글리시딜트리메틸암모늄클로라이드를 사용하여 아민화함으로써, 전기적 특성 및 이온교환능력을 향상시키면서도 친환경적인 음이온 교환막을 제조할 수 있는 장점이 있다. In order to introduce an anion exchange group into a copolymer containing the above-mentioned amide monomer, styrene monomer and hydroxy (C1-C20) alkyl (meth) acrylate monomer to impart ion exchange ability, quaternary amine And the foliation reaction proceeds. The amination reaction is not particularly limited and a known method can be employed. For example, a method of reacting with a quaternary ammonium salt using an amine compound. As the amine compound, trimethylamine, dimethylethanolamine, methyldiethanolamine and the like can be used. However, it is harmful to human body and has a carcinogenic component. In the present invention, glycidyltrimethylammonium chloride is used, . Amidation with glycidyltrimethylammonium chloride makes it possible to produce an environmentally friendly anion exchange membrane with improved electrical properties and ion exchange ability.

글리시딜트리메틸암모늄 클로라이드의 함량은 전체 단량체의 10 내지 50mol%로 포함되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게 10 내지 30mol%인 것이 음이온교환막의 기계적 물성의 감소없이 효과적으로 이온교환기를 부여하여 이온교환능력을 향상시킬 수 있으므로 효과적이다. The content of glycidyltrimethylammonium chloride is preferably 10 to 50 mol%, more preferably 10 to 30 mol%, of the total monomers, and the ion exchange capacity is effectively imparted to the anion exchange membrane without reducing the mechanical properties of the anion exchange membrane, So it is effective.

글리시딜트리메틸암모늄 클로라이드의 함량이 10mol%미만일 경우에는 충분한 이온교환기가 도입되지 않음으로써 이온교환능력이 감소되어 이온교환막으로 사용하기 적절하지 않으며, 50mol%초과일 경우에는 더 이상 이온교환능력이 향상되지 않아 효율을 감소시키면서 제조비용만 상승시키는 문제가 발생할 수 있다. When the content of glycidyltrimethylammonium chloride is less than 10 mol%, sufficient ion exchanger is not introduced, so that the ion exchange ability is decreased, which is not suitable for use as an ion exchange membrane. Further, when the content exceeds 50 mol% So that there is a problem of increasing the manufacturing cost while reducing the efficiency.

상술한 음이온 교환막은 이온교환용량이 1.0 내지 3.0meq/g이고, 전기저항이 0.5 내지 5.0Ω㎠의 범위를 가짐으로써, 폐수 처리공정용, 연료전지용, 이차전지용 또는 레독스 흐름전지용 이온교환막으로 사용될 수 있다.
The above-described anion exchange membrane has an ion exchange capacity of 1.0 to 3.0 meq / g and an electric resistance of 0.5 to 5.0 Ω cm 2, thereby being used as an ion exchange membrane for a wastewater treatment process, a fuel cell, a secondary battery or a redox- .

이하에서는, 본 발명의 친환경 음이온 교환막의 제조방법에 관하여 보다 상세하게 설명한다. Hereinafter, the method for producing the environmentally friendly anion exchange membrane of the present invention will be described in more detail.

a) 아마이드계 단량체, 스티렌계 단량체 및 히드록시(C1-C20)알킬(메타)아크릴레이트계 단량체를 함유하는 공중합체를 제조하는 공중합체 제조단계;a) preparing a copolymer to prepare a copolymer containing an amide monomer, a styrene monomer and a hydroxy (C1-C20) alkyl (meth) acrylate monomer;

b) 상기 공중합체를 아민화 반응시키는 아민화단계; 및b) an amination step of aminating the copolymer; And

c) 상기 아민화된 공중합체를 캐스팅하여 열처리하는 음이온교환막 제조단계;를 포함한다. and c) casting and heat-treating the aminated copolymer.

상기 a)단계는 내화학성이 우수한 아마이드계 단량체, 구조적 치수안정성이 우수한 스티렌계 단량체 및 이온교환막에 유연성을 부여하는 히드록시(C1-C20)알킬(메타)아크릴레이트계 단량체를 포함하여 자유라디칼 중합을 통하여 공중합체를 합성하는 단계이다. The step (a) may include an amide monomer excellent in chemical resistance, a styrene monomer excellent in structural dimensional stability, and a hydroxy (C1-C20) alkyl (meth) acrylate monomer imparting flexibility to the ion exchange membrane, To synthesize the copolymer.

중합조건은 크게 제한되지는 않으나, 일예로 질소분위기에서 40 내지 100℃ 온도에서 2 시간 20시간동안 반응시키고, 반응물을 증류수, (C1-C3)저급알콜 또는 아세톤 등의 유기용매로 세척한 후 20 내지 40℃의 진공오븐에서 6 내지 36시간 건조하여 제조할 수 있다. For example, the reaction is carried out in a nitrogen atmosphere at a temperature of 40 to 100 ° C. for 2 hours and 20 hours, and the reaction product is washed with an organic solvent such as distilled water, a (C1-C3) lower alcohol or acetone, And drying in a vacuum oven at 40 DEG C for 6 to 36 hours.

상기 b)단계는 상기 a)단계에서 합성된 공중합체에 이온교환능력을 부여하기 위하여 4급 아민을 이용하여 아민화반응을 진행하는 단계로써, 4급 아민이면 제한없이 사용할 수 있으나, 친환경 아민화제인 글리시딜트리메틸암모늄 클로라이드(glycidlytrimethylammonium chloride)를 사용함으로써 전기적 특성 및 이온교환능력이 우수하고 친환경적인 음이온 교환막을 제조할 수 있다. The step b) is a step of carrying out an amination reaction using a quaternary amine in order to impart the ion exchange ability to the copolymer synthesized in the step a). The quaternary amine can be used without limitation, By using glycidyltrimethylammonium chloride, an anion exchange membrane having excellent electrical characteristics and ion exchange ability and being environmentally friendly can be produced.

아민화 반응 조건은 크게 제한되지 않으나 일예로 상기 a)의 공중합체를 N,N-디메틸포름아미드(N,N-dimethylformamide)에 30 내지 70중량%로 용해시킨 다음 글리시딜트리메틸암모늄 클로라이드를 전체 단량체의 10 내지 50mol%의 함량으로 하여 40 내지 70℃에서 1 내지 12시간 동안 반응시켜 제조할 수 있다. 이러한 아민화 반응에 대한 반응메커니즘을 도 2에 구체적으로 나타내었다. The conditions for the amination reaction are not particularly limited, but for example, the copolymer of a) is dissolved in N, N-dimethylformamide in an amount of 30 to 70% by weight, and glycidyltrimethylammonium chloride By reacting the monomer at 10 to 50 mol% of the monomer at 40 to 70 DEG C for 1 to 12 hours. The reaction mechanism for such an amination reaction is specifically shown in FIG.

상기 c)단계는 상기 b)단계에서 합성된 아민화된 공중합체를 캐스팅 및 열처리하여 음이온 교환막을 제조하는 단계이다. In the step c), an anion exchange membrane is prepared by casting and heat-treating the aminated copolymer synthesized in the step b).

상기 c)단계에서 캐스팅 이전에 퀀칭(quenching)하여 미반응물과 불순물을 제거하고 재건조하는 단계를 추가로 더 포함할 수 있다. 퀀칭은 메탄올이나 에탄올 등에 용해된 상기 공중합체를 적하함으로써 공중합체에 잔류하는 불순물과 미반응물을 제거하는 것으로 이온교환능력을 향상시킬 수 있다. In the step c), quenching may be performed before casting to remove unreacted materials and impurities, and then re-dried. Quenching can improve the ion exchange ability by removing impurities and unreacted materials remaining in the copolymer by dropping the copolymer dissolved in methanol or ethanol or the like.

상기 캐스팅은 상기 재건조된 아민화된 공중합체를 다시 용매에 용해시키고 가교제 및 촉매를 첨가하여 유리판에 캐스팅하는 것이 효과적이다. 이때 사용되는 가교제는 최종적으로 막의 팽윤도와 가교도를 좌우하는 역할을 하는 것으로, 특별히 한정하지 않으나, 알데히드계, 아마이드계, 아크릴레이트계, 이소시아네이트계 등이 사용될 수 있다. 가교제의 함량은 공중합체 조성물의 5 내지 30중량%로 첨가되는 것이 바람직하며, 5중량% 미만일 경우에는 충분히 가교되지 않아 이온교환막으로 제조되기 어려운 문제가 있을 수 있고, 30중량% 초과일 경우에는 과도하게 가교되어 음이온 교환막의 취성이 증가되어 기계적 물성이 감소되는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 상기 촉매는 가교반응을 촉진하는 역할을 하는 것으로 예를 들면, 염산(hydrochloric acid), 벤조일퍼옥사이드(benzoyl peroxide, BPO), 디큐밀퍼옥사이드(dicumyl peroxide, DCP) 또는 아조비스이소부틸로니트릴(azobisisobutyronitrile, AIBN) 등이 사용될 수 있으며, 이로 제한되지 않는다. 이러한 촉매는 공중합체 조성물의 0.2 내지 1.5중량% 첨가되는 것이 바람직하며, 0.2중량% 미만일 경우에는 가교촉진을 미미하게 하고, 1.5중량% 초과일 경우에는 과량 첨가에 따른 급격한 가교반응으로 기계적물성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다. It is effective that the casting is performed by dissolving the re-dried aminated copolymer in a solvent, adding a cross-linking agent and a catalyst, and casting the cast on a glass plate. The crosslinking agent to be used at this time ultimately plays a role in swelling degree and crosslinking degree of the film, and is not particularly limited, but aldehyde type, amide type, acrylate type, isocyanate type and the like can be used. The amount of the crosslinking agent is preferably 5 to 30% by weight of the copolymer composition. When the amount is less than 5% by weight, the crosslinking agent is not sufficiently crosslinked, so that it may be difficult to produce an ion exchange membrane. So that the brittleness of the anion exchange membrane is increased and the mechanical properties may be reduced. In addition, the catalyst serves to accelerate the crosslinking reaction. Examples of the catalyst include hydrochloric acid, benzoyl peroxide (BPO), dicumyl peroxide (DCP) or azobisisobutylonitrile (azobisisobutyronitrile, AIBN), and the like, but are not limited thereto. When the amount of the catalyst is less than 0.2% by weight, crosslinking promotion is insignificant. When the amount of the catalyst is more than 1.5% by weight, mechanical properties are deteriorated due to a rapid crosslinking reaction caused by excessive addition of the catalyst There may be a problem.

이러한 캐스팅은 두께가 조절될 수 있는 캐스팅법이면 제한되지 않으며, 닥터블레이드(doctor blade)를 이용하는 것이 두께 조절이 용이하므로 효과적이다. Such a casting is not limited as long as it is a casting method in which the thickness can be controlled, and it is effective to use a doctor blade because it is easy to control the thickness.

상기 열처리는 두께를 조절하여 캐스팅된 막을 진공오븐에서 60℃에서 130℃까지 시간당 10℃씩 승온하고, 시간당 10℃씩 냉각하는 것이 바람직하다. In the heat treatment, it is preferable to heat the casted film in a vacuum oven at a rate of 10 ° C per hour from 60 ° C to 130 ° C, and to cool the film at a rate of 10 ° C per hour.

이렇게 제조된 음이온 교환막은 1M KOH 용액에 24시간 동안 함침시켜 OH-form 음이온 교환막으로 제조할 수 있으며, 이러한 음이온 교환막이 90 내지 200㎛ 두께를 갖을 때 이온교환용량과 전기적 물성이 보다 우수한 특성을 나타낸다.
The anion exchange membrane prepared in this way can be prepared as an OH - form anion exchange membrane by impregnation in a 1M KOH solution for 24 hours. When the anion exchange membrane has a thickness of 90 to 200 μm, the ion exchange capacity and electrical properties are better .

이하, 본 발명의 친환경 음이온 교환막을 실시예 및 비교예를 통하여 자세히 설명하고자 한다.
Hereinafter, the environmentally friendly anion exchange membrane of the present invention will be described in detail with reference to examples and comparative examples.

물성측정Property measurement

1. 이온교환용량 측정1. Measurement of ion exchange capacity

본 발명의 음이온 교환막의 이온교환용량을 측정하기 위하여 Mohr 적정법을 이용하여 시료를 NaCl용액에 침적시켜 제4급 암모늄기를 -N+(C3H5)3Cl- 형태로 완전히 치환시킨 후 다시 0.5 M Na2CO3 용액에 침적시켜 N+(C3H5)3CO3 -로 치환하고, 이 용액에 5 % 크롬산칼륨 용액을 1∼2방울 적가한 후 AgNO3로 적갈색 침전이 일어날 때까지 적가하여 소모된 AgNO3의 양을 구하여 하기 식 1에 의해 음이온교환막의 이온교환용량을 계산하였다.In order to measure the ion exchange capacity of the anion exchange membrane of the present invention, the sample was immersed in a NaCl solution using a Mohr titration method to completely replace the quaternary ammonium group in the form of -N + (C 3 H 5 ) 3 Cl - M Na 2 CO 3 solution to replace with N + (C 3 H 5 ) 3 CO 3 - . To this solution, 1 ~ 2 drops of 5% potassium chromate solution was added dropwise, and then AgNO 3 was added until reddish brown precipitate The amount of AgNO 3 consumed by dropwise addition was determined, and the ion exchange capacity of the anion exchange membrane was calculated according to the following formula 1.

[식 1][Formula 1]

Figure 112012070574448-pat00001
Figure 112012070574448-pat00001

여기서 Wdry는 건조된 막의 무게,

Figure 112012070574448-pat00002
은 소모된 AgNO3의 부피,
Figure 112012070574448-pat00003
은 적정에 사용된 AgNO3 용액의 농도이다. 측정한 이온교환용량 값을 하기 표 2에 나타내었다.
Where W dry is the weight of the dried membrane,
Figure 112012070574448-pat00002
The volume of spent AgNO 3 ,
Figure 112012070574448-pat00003
Is the concentration of AgNO 3 solution used for titration. The measured ion exchange capacity values are shown in Table 2 below.

2. 전기저항 및 전기전도도 측정2. Electrical resistance and electrical conductivity measurement

본 발명의 음이온 교환막의 전기저항 및 전기전도도 측정을 위하여 막을 2 cm×2 cm 로 절단하여 24 시간 이상 0.5 M NaCl 용액에 침적시켜 평형에 도달시킨 후, 막을 전기화학 cell에 끼운 다음 0.5 M NaCl 용액에서 전기저항 (R1)을 측정하고, 막을 제거한 전해질 용액만의 저항 (R2)을 측정하여 하기 식 2 및 식 3에 의해 음이온 교환막의 전기저항 및 전기전도도를 계산하였으며, 측정된 전기저항 및 전기전도도 값을 하기 표 2에 나타내었다.For measuring the electrical resistance and electrical conductivity of the anion exchange membrane of the present invention, the membrane was cut into 2 cm 2 cm and immersed in 0.5 M NaCl solution for 24 hours or more to reach equilibrium. The membrane was then inserted into an electrochemical cell, in was calculated an electrical resistance, and electrical conductivity of the electrical resistance (R 1) to the measured, and the measuring resistance (R 2) of the only electrolyte solution, remove film formula 2 and an anion exchange membrane according to the equation 3, the measured electrical resistance and The electrical conductivity values are shown in Table 2 below.

Figure 112012070574448-pat00004
Figure 112012070574448-pat00004

(상기 식 2 및 식 3에서 R은 식 2의 계산값이며, L은 막두께(㎛)이고, A는 면적이다.)
(R is the calculated value of Equation 2, L is the film thickness (占 퐉), and A is the area.

[실시예 1][Example 1]

공중합체 합성단계Copolymer synthesis step

교반기, 냉각기, 질소 주입구, 시료 주입구 장치가 부착된 1 L 4구 플라스크 반응기에 하기 표 1에 나타난 바와 같이, 아크릴아마이드(acrylamide), 스티렌(styrene), 히드록시에틸아크릴레이트(hydroxyethylacrylate) 단량체를 넣고 아조비스이소부티로니트릴(AIBN) 개시제를 단량체 전체 몰수의 0.1 mol%로 첨가하여 중합 반응을 진행한다. 중합반응은 질소분위기 50℃에서 10시간 동안 반응하였고, 반응물은 아세톤으로 세척한 후, 30℃ 진공오븐에서 12시간 건조시켜 공중합체를 합성하였다. Acrylamide, styrene, and hydroxyethylacrylate monomer were placed in a 1 L four-necked flask reactor equipped with a stirrer, a condenser, a nitrogen inlet, and a sample injection port device as shown in Table 1 below An azobisisobutyronitrile (AIBN) initiator is added in an amount of 0.1 mol% based on the total molar amount of the monomers to proceed the polymerization reaction. The polymerization reaction was carried out in a nitrogen atmosphere at 50 ° C. for 10 hours. The reaction product was washed with acetone and dried in a vacuum oven at 30 ° C. for 12 hours to synthesize a copolymer.

공중합체의 Copolymer 아민화Amination 단계 step

상기 공중합체에 아민기를 도입하기 위하여 공중합체의 아민화 반응을 시키기 위하여 공중합체를 N,N-디메틸포름아미드에 60 중량%로 용해한 다음 글리시딜트리메틸암모늄 클로라이드(glycidyltrimethylammonium chloride)의 함량을 전체 단량체의 20%mol로 하여 60℃ 에서 24시간 동안 아민화 반응을 진행한다.In order to introduce an amine group into the copolymer, the copolymer was dissolved in N, N-dimethylformamide in an amount of 60% by weight in order to carry out the amination reaction of the copolymer, and then the content of glycidyltrimethylammonium chloride was added to the total monomer Of 20% mol and the amination reaction proceeds at 60 ° C for 24 hours.

아민화된 공중합체를 캐스팅하여 열처리하는 단계Casting the aminated copolymer and subjecting it to heat treatment

아민화된 공중합체를 디메틸설폭사이드에 완전히 용해한 다음 아민화된 공중합체 100중량%에 대하여, 가교제인 글루타릭 디알데하이드(glutaric anhydride)를 20중량%, 촉매인 염산(hydrochloric acid)를 1.0중량% 첨가하여 30분 동안 교반하였다. 이를 두께(120㎛) 조절된 doctor blade로 캐스팅한 후, 60℃에서 130℃까지 시간당 10℃ 씩 승온하고, 시간당 10℃씩 냉각하여 음이온교환막을 제조한다. 제조된 음이온교환막을 1 M KOH 용액에 24시간 동안 함침시켜 OH--form 음이온교환막을 제조하였다.
After the aminated copolymer was completely dissolved in dimethylsulfoxide, 20 wt% of glutaric anhydride as a crosslinking agent and 1.0 wt% of hydrochloric acid as a catalyst were added to 100 wt% of the aminated copolymer, % And the mixture was stirred for 30 minutes. The resultant is cast into a doctor blade having a thickness of 120 μm, heated from 60 ° C. to 130 ° C. at a rate of 10 ° C. per hour, and cooled at a rate of 10 ° C. per hour to prepare an anion exchange membrane. The prepared anion exchange membrane was impregnated with 1 M KOH solution for 24 hours to prepare an OH - - form anion exchange membrane.

[실시예 2-4][Example 2-4]

하기 표 1에 나타난 바와 같이 단량체의 함량을 변경한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 실시하였으며, 이온교환용량, 전기저항 및 전기전도도를 측정하여 하기 표 3에 나타내었다.
The ion exchange capacity, electrical resistance and electrical conductivity were measured in the same manner as in Example 1, except that the monomer content was changed as shown in Table 1 below.

[실시예 5-6][Example 5-6]

하기 표 1에 나타난 바와 같이 글리시딜트리메틸암모늄 클로라이드의 함량을 변경한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 실시하였으며, 이온교환용량, 전기저항 및 전기전도도를 측정하여 하기 표 3에 나타내었다.
The ion exchange capacity, electrical resistance and electrical conductivity were measured in the same manner as in Example 1 except that the content of glycidyltrimethylammonium chloride was changed as shown in Table 1 below.

[비교예 1][Comparative Example 1]

공중합체의 Copolymer 아민화Amination 단계 step

하기 표 2에 나타난 바와 같이, 상기 공중합체에 아민기를 도입하기 위하여 공중합체의 아민화 반응을 시키기 위하여 공중합체를 N,N-dimethylformamide에 60 중량%로 용해한 다음 트리메틸아민의 함량을 전체 단량체의 20%mol로 하여 60℃ 에서 24시간 동안 아민화 반응을 진행 한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 실시하였으며, 이온교환용량, 전기저항 및 전기전도도를 측정하여 하기 표 3에 나타내었다.
As shown in the following Table 2, in order to introduce an amine group into the copolymer, the copolymer was dissolved in N, N-dimethylformamide in an amount of 60% by weight in order to carry out the amination reaction of the copolymer, and the content of trimethylamine was adjusted to 20 % mol, and the amination reaction was carried out at 60 ° C. for 24 hours. The ion-exchange capacity, electrical resistance and electric conductivity were measured in the same manner as in Example 1, and the results are shown in Table 3 below.

[비교예 2-4][Comparative Example 2-4]

하기 표 2에 나타난 바와 같이, 아민화제를 각각 트리에틸아민, 트리프로필아민, 트리부틸아민을 사용한 것을 제외하고 상기 비교예 1과 동일하게 실시하였으며, 이온교환용량, 전기저항 및 전기전도도를 측정하여 하기 표 3에 나타내었다.
As shown in the following Table 2, the same procedures as in Comparative Example 1 were carried out except that triethylamine, tripropylamine and tributylamine were used as the aminating agents, respectively. The ion exchange capacity, electrical resistance and electrical conductivity were measured Table 3 shows the results.

[표 1][Table 1]

Figure 112012070574448-pat00005
Figure 112012070574448-pat00005

[표 2][Table 2]

Figure 112012070574448-pat00006
Figure 112012070574448-pat00006

[표 3][Table 3]

Figure 112012070574448-pat00007
Figure 112012070574448-pat00007

상기 표 3에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 6은 비교예 1 내지 4에 비하여 이온교환용량, 전기저항 및 전기전도도가 우수함을 알 수 있다. As shown in Table 3, Examples 1 to 6 are superior to Comparative Examples 1 to 4 in ion exchange capacity, electrical resistance and electrical conductivity.

비교예 1 내지 4에 나타난 바와 같이, 글리시딜트리메틸암모늄 클로라이드를 사용하지 않고 일반적인 아민류의 아민화제를 사용했을때 이온교환용량 및 전기전도도가 급격히 감소하고, 전기저항이 높아짐으로써 이온교환막으로 적절치 않음을 알 수 있었다.As shown in Comparative Examples 1 to 4, when amine amines of general amines were used without using glycidyltrimethylammonium chloride, the ion exchange capacity and electrical conductivity were drastically reduced and the electrical resistance was increased, which was not suitable as an ion exchange membrane And it was found.

또한, 실시예 1 내지 6에서 나타난 바와 같이, 아마이드계 단량체, 스티렌계 단량체 및 히드록시(C1-C20)알킬(메타)아크릴레이트계 단량체를 포함하여 제조된 공중합체를 글리시딜트리메틸암모늄 클로라이드로 아민화 함으로써 현저히 향상된 이온교환용량 및 전기적 물성을 가지는 것을 알 수 있었으며, 인체에 유해한 아민화제를 사용하지 않음으로써 친환경적인 음이온 교환막을 제조할 수 있었다.
In addition, as shown in Examples 1 to 6, a copolymer prepared from an amide-based monomer, a styrene-based monomer and a hydroxy (C1-C20) alkyl (meth) acrylate-based monomer was reacted with glycidyltrimethylammonium chloride It was found that the aminophilizing agent had remarkably improved ion exchange capacity and electrical properties, and an environmentally friendly anion exchange membrane can be produced by not using an amine which is harmful to the human body.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 균등물을 사용할 수 있으며, 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서, 상기 기재 내용은 하기의 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.
While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be the most practical and preferred embodiment, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the invention. Accordingly, the above description should not be construed as limiting the scope of the present invention defined by the limits of the following claims.

Claims (9)

아마이드계 단량체, 스티렌계 단량체 및 히드록시(C1-C20)알킬(메타)아크릴레이트계 단량체를 함유하는 공중합체를 아민화 반응 및 열처리하여 제조되며,
상기 아민화 반응은 글리시딜트리메틸암모늄클로라이드을 사용하는 것을 특징으로 하는 음이온 교환막.
(C 1 -C 20) alkyl (meth) acrylate monomers, which are prepared by aminating and heat-treating a copolymer containing an amide monomer, a styrene monomer and a hydroxy (C 1 -C 20) alkyl
Anion exchange membrane characterized in that glycidyltrimethylammonium chloride is used for the amination reaction.
제 1항에 있어서,
전체 단량체 100mol% 중에서, 상기 아마이드계 단량체의 몰농도(mol%)는 20 내지 60mol%이고, 상기 스티렌계 단량체의 몰농도(mol%)는 20 내지 60mol%이고, 상기 히드록시(C1-C20)알킬(메타)아크릴레이트의 몰농도(mol%)는 10 내지 50mol%인 음이온 교환막.
The method according to claim 1,
Wherein the molar concentration (mol%) of the amide monomer is 20 to 60 mol%, the molar concentration (mol%) of the styrenic monomer is 20 to 60 mol%, and the hydroxy (C1-C20) Wherein the molar concentration (mol%) of the alkyl (meth) acrylate is 10 to 50 mol%.
제 1항에 있어서,
상기 아마이드계 단량체는 아크릴아마이드, 메타크릴아마이드, N-메틸 아크릴아마이드, N-메틸 메타크릴아마이드, N-에틸 아크릴아마이드, N-에틸 메타크릴아마이드, N-프로필 아크릴아마이드 및 N-프로필메타크릴아마이드 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상이며,
상기 스티렌계 단량체는 알파메틸스티렌, 스티렌 및 트리플루오로스티렌 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상이고,
상기 히드록시(C1-C20)알킬(메타)아크릴레이트계 단량체는 히드록시에틸아크릴레이트, 히드록시프로필아크릴레이트, 2-히드록시에틸메타크릴레이트 및 히드록시프로필메타크릴레이트 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상인 음이온 교환막.
The method according to claim 1,
The amide monomer may be selected from the group consisting of acrylamide, methacrylamide, N-methylacrylamide, N-methylmethacrylamide, N-ethyl acrylamide, N-ethylmethacrylamide, N-propylacrylamide, And at least one kind selected from the group consisting of
Wherein the styrene-based monomer is at least one selected from alpha methyl styrene, styrene, and trifluorostyrene,
The hydroxy (C1-C20) alkyl (meth) acrylate monomer may be one or more selected from the group consisting of hydroxyethyl acrylate, hydroxypropyl acrylate, 2-hydroxyethyl methacrylate and hydroxypropyl methacrylate Two or more anion exchange membranes.
삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 음이온 교환막은 이온교환용량이 1.0 내지 3.0meq/g이고, 전기저항이 0.5 내지 5.0Ω·㎠인 음이온 교환막.
The method according to claim 1,
Wherein the anion exchange membrane has an ion exchange capacity of 1.0 to 3.0 meq / g and an electrical resistance of 0.5 to 5.0? 占 ㎠ 2.
제 1항 내지 제 3항 및 제 5항 중에서 선택되는 어느 한 항에 있어서,
상기 음이온 교환막은 폐수 처리공정용, 연료전지용, 이차전지용 또는 레독스 흐름전지용인 것을 특징으로 하는 음이온 교환막.
The method according to any one of claims 1 to 3 and 5,
Wherein the anion exchange membrane is for a wastewater treatment process, a fuel cell, a secondary battery, or a redox flow cell.
a) 아마이드계 단량체, 스티렌계 단량체 및 히드록시(C1-C20)알킬(메타)아크릴레이트계 단량체를 함유하는 공중합체를 제조하는 공중합체 제조단계;
b) 상기 공중합체를 아민화 반응시키는 아민화단계; 및
c) 상기 아민화된 공중합체를 캐스팅하여 열처리하는 음이온교환막 제조단계;를 포함하며,
상기 아민화 반응은 글리시딜트리메틸암모늄클로라이드을 사용하는 것을 특징으로 하는 음이온 교환막의 제조방법.
a) preparing a copolymer to prepare a copolymer containing an amide monomer, a styrene monomer and a hydroxy (C1-C20) alkyl (meth) acrylate monomer;
b) an amination step of aminating the copolymer; And
and c) casting and heat-treating the aminated copolymer,
Wherein the amination reaction uses glycidyl trimethyl ammonium chloride.
제 7항에 있어서,
상기 a)단계에서, 상기 아마이드계 단량체는 아크릴아마이드, 메타크릴아마이드, N-메틸 아크릴아마이드, N-메틸 메타크릴아마이드, N-에틸 아크릴아마이드, N-에틸 메타크릴아마이드, N-프로필 아크릴아마이드 및 N-프로필메타크릴아마이드 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상이며,
상기 스티렌계 단량체는 알파메틸스티렌, 스티렌 및 트리플루오로스티렌 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상이며,
상기 히드록시(C1-C20)알킬(메타)아크릴레이트계 단량체는 히드록시에틸아크릴레이트, 히드록시프로필아크릴레이트, 2-히드록시에틸메타크릴레이트 및 히드록시프로필메타크릴레이트 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상인 음이온 교환막의 제조방법.
8. The method of claim 7,
In step a), the amide monomer may be selected from the group consisting of acrylamide, methacrylamide, N-methyl acrylamide, N-methyl methacrylamide, N-ethyl acrylamide, N-ethyl methacrylamide, N-propylmethacrylamide, and N-propylmethacrylamide.
Wherein the styrenic monomer is at least one selected from alpha methyl styrene, styrene and trifluorostyrene,
The hydroxy (C1-C20) alkyl (meth) acrylate monomer may be one or more selected from the group consisting of hydroxyethyl acrylate, hydroxypropyl acrylate, 2-hydroxyethyl methacrylate and hydroxypropyl methacrylate A method for producing an anion exchange membrane having two or more species.
제 7항에 있어서,
상기 c)단계에서 열처리는 60℃에서 130℃까지 시간당 10℃씩 승온하고, 시간당 10℃씩 냉각하는 것을 특징으로 하는 음이온 교환막의 제조방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the heat treatment in step c) is performed at a rate of 10 ° C / hour from 60 ° C to 130 ° C, and is cooled at a rate of 10 ° C / hour.
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