KR101446955B1 - Manufacturing method of hydrogen ion conduction film - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수소이온전도성막의 제조방법 및 이에 따라 제조된 수소이온전도성막에 관한 것으로, 본 발명의 수소이온전도성막의 제조방법은 그라프트율의 조절이 용이하며, 술폰화도가 높고 수소이온전도도가 높을 뿐만 아니라 방사선에 의한 단량체의 호모폴리머의 형성이 없어 대규모로 방사선 조사가 가능하다.The present invention relates to a method for producing a hydrogen ion conductive film and a hydrogen ion conductive film produced by the method. The method for producing a hydrogen ion conductive film according to the present invention is characterized in that it is easy to control the graft rate and has a high degree of sulfonation and a high hydrogen ion conductivity In addition, there is no formation of homopolymers of monomers by radiation, which makes it possible to irradiate on a large scale.

Description

수소이온 전도성막의 제조방법{Manufacturing method of hydrogen ion conduction film}[0001] The present invention relates to a method of manufacturing a hydrogen ion conductive film,

본 발명은 수소이온 전도성막의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 방사선 전조사법을 이용한 수소이온전도성막의 제조방법 및 이에 따라 제조된 수소이온전도성막에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a hydrogen ion conductive film, and more particularly, to a method for producing a hydrogen ion conductive film using a radiation precursor method and a hydrogen ion conductive film produced thereby.

높은 에너지 준위를 가지는 전리 방사선 종류에는 감마선, X선, 전자선 등이 있는데, Co60에서 방출하는 감마선은 물질을 투과하는 능력이 뛰어나서 식품과 의료제품의 멸균, 고분자 물질의 가공 등에 널리 사용되고 있고 전자를 가속시켜 얻는 전자선의 경우에는 감마선보다 투과력은 작지만 짧은 시간에 높은 에너지를 발생시킬 수 있는 장점이 있어 타이어 및 케이블 제작에 널리 사용되고 있다.There are gamma rays, X rays, electron beams, etc. in the kind of ionizing radiation having high energy level. Gamma ray emitted from Co 60 is excellent in ability to permeate substance, and is widely used for sterilization of foods and medical products, In the case of electron beams accelerated, the penetration power is smaller than that of the gamma rays, but it is widely used for manufacturing tires and cables because it can generate high energy in a short time.

방사선을 이용한 그라프트 기술은 오래전부터 많은 연구가 진행되어왔으며, 방사선을 이용한 그라프트 기술은 재료 내부까지 고르게 그라프트 시킬 수 있는 장점이 있어, 상용화된 필름에 새로운 기능성을 부여하는데 유용하게 사용할 수 있으며, 이러한 일례로 한국 등록특허공보 제10-1088404를 들 수 있다. Radiation-based grafting has been studied for a long time, and since the grafting technique using radiation can be grafted evenly into the inside of the material, it can be usefully used to impart new functionality to commercialized films For example, Korean Patent Registration No. 10-1088404.

이러한 방사선을 이용한 그라프트 방법은 두 가지 이상의 상이한 물질을 적절히 결합하여 각각의 물질이 가지는 특성을 발현할 수 있는 기능성 하이브리드 물질을 제조할 수 있다. 예를 들어, 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌(FEP, 이하 FEP), 페르플루오로알킬비닐에테르(PFA), 에틸렌테트라플루오로에틸렌(ETFE), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)와 같은 높은 열안정성과 기계적 강도를 지닌 불소 고분자 필름과 불소 고분자 필름에 비하여 상대적으로 저렴한 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리술폰(PSU), 폴리에테르술폰(PES), 폴리이미드(PI), 폴리벤질이미다졸(PBI)과 같은 탄화 수소계 고분자 필름에 적절한 단량체를 방사선 그라프트하고, 필요한 경우 추가적인 처리과정을 거쳐 높은 열안정성과 기계적 강도를 지닌 이온 전도성 막을 제조할 수 있다. Such a graft method using radiation can combine two or more different materials appropriately to produce a functional hybrid material capable of manifesting the properties possessed by the respective materials. For example, it is possible to use tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene (FEP), perfluoroalkyl vinyl ether (PFA), ethylene tetrafluoroethylene (ETFE), polyvinylidene fluoride (PVDF) (PE), polypropylene (PP), polyetheretherketone (PEEK), polysulfone (PEEK), and polyetheretherketone (PTFE), which are relatively inexpensive compared to fluoropolymer films and fluoropolymer films having high thermal stability and mechanical strength such as fluoroethylene Based polymer film such as polyvinylidene fluoride (PSU), polyether sulfone (PES), polyimide (PI), and polybenzylimidazole (PBI) and then, if necessary, And an ion conductive membrane having mechanical strength can be produced.

방사선 그라프트를 이용하여 제조된 이온전도성 고분자 막중 가장 대표적인 예는 불소 고분자 필름에 스티렌(styrene) 단량체를 방사선 그라프트시킨 후, 염화술폰산(chlorosulfonic acid)으로 술폰화하여 폴리스티렌 술폰산(poly(styrene sulfonic acid))이 그라프트된 이온전도성 고분자 막이다. The most typical example of the ion conductive polymer film produced by using the radiation graft is a radiation grafting of a styrene monomer to a fluorine polymer film, sulfonation with chlorosulfonic acid, followed by the addition of a poly (styrene sulfonic acid ) Is a grafted ion conductive polymer film.

상기와 같이 제조된 이온전도성 고분자 막은 방사선 그라프트와 술폰화 과정으로 술폰산 작용기가 막 내부까지 고르게 분포된 막을 제조할 수 있어, 연료전지용 막으로 사용하면 높은 이온전도도와 전력밀도를 나타내나, 불소고분자 필름의 사용으로 제조 단가가 높아지고 그라프트된 폴리스티렌의 연료전지 구동 환경에서 발생되는 하이드록시 라디칼에 의해 이온전도성 그라프트 고분자 사슬이 서서히 끊어지는 단점이 있어 장시간 사용시 문제가 있다. The ion conductive polymer membrane prepared as described above can produce a membrane in which sulfonic acid functional groups are evenly distributed to the inside of the membrane through the radiation grafting and sulfonation process, and when used as a fuel cell membrane, exhibits high ion conductivity and electric power density, The manufacturing cost of the film is increased and the ion conductive graft polymer chains are gradually broken due to the hydroxyl radicals generated in the fuel cell driving environment of the grafted polystyrene.

한편 방사선을 이용한 그라프트 방법에서 동시조사법은 감마선을 주로 사용하고 낮은 온도에서 편리하고 신속하게 그라프트된 고분자를 제조할 수 있는 장점이 있는 반면 조사과정에서 과량의 단일중합체가 형성되어 단량체의 소비가 많고 대량생산 적용이 힘들다는 단점이 있다. On the other hand, in the grafting method using radiation, the simultaneous irradiation method is advantageous in that gamma ray is mainly used and convenient and quick grafted polymer can be produced at a low temperature, while an excessive amount of a homopolymer is formed in the irradiation process, There is a disadvantage that it is difficult to apply in mass production.

따라서 대량생산이 가능하면서도 높은 이온전도성과 안정성을 가진 수소이온전도성막의 제조방법에 관한 연구가 요구되고 있다.Therefore, there is a need for research on a method for producing a hydrogen ion conductive film having high ion conductivity and stability while being capable of mass production.

한국 등록특허공보 제10-1088404(2011.11.24)Korean Patent Registration No. 10-1088404 (Nov. 24, 2011)

본 발명은 간단한 방법으로 대량생산이 가능한 수소이온전도성막의 제조방법을 제공하고자 한다.The present invention is intended to provide a method for producing a hydrogen ion-conducting film capable of mass production in a simple manner.

또한 본 발명은 본 발명에 따라 제조된 수소이온전도성막, 이를 함유하는 이온교환막 및 연료전지막을 제공한다.In addition, the present invention provides a hydrogen ion conductive membrane, an ion exchange membrane, and a fuel cell membrane, which are produced according to the present invention.

본 발명은 높은 수소이온전도도와 기계적 물성이 우수한 수소이온전도성막의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 수소이온전도성막의 제조방법은, The present invention relates to a method for producing a hydrogen ion conductive film having high hydrogen ion conductivity and mechanical properties, and a method for producing a hydrogen ion conductive film,

a)고분자 필름에 방사선을 조사하여 방사선 조사된 고분자막을 제조하는 단계; a) preparing a polymer film by irradiating the polymer film with radiation;

b)염화비닐벤질 단량체 또는 염화비닐벤질 단량체 용액을 제조하는 단계;b) preparing a solution of a vinyl chloride benzyl monomer or a vinyl chloride benzyl monomer;

c)상기 염화비닐벤질 단량체 또는 염화비닐벤질 단량체 용액에 상기 방사선 조사된 고분자막을 첨가하고 반응시켜 폴리염화비닐벤질이 그라프트된 고분자막을 제조하는 단계; 및c) adding the radiation-irradiated polymer membrane to the vinyl chloride benzyl monomer or vinyl chloride benzyl monomer solution and reacting them to prepare a polyvinyl chloride-grafted polymer membrane; And

d)상기 폴리염화비닐벤질이 그라프트된 고분자막을 술폰화 반응시켜 폴리비닐벤질 술폰산이 그라프트된 고분자막을 제조하는 단계;를 포함한다.and d) subjecting the polyvinyl chloride-grafted polymer membrane to a sulfonation reaction to produce a polyvinylbenzyl sulfonic acid-grafted polymer membrane.

본 발명의 일 실시예에 따른 방사선은 전자선, 이온빔 또는 감마선일 수 있으며, 방사선의 조사선량은 1 ~ 300 kGy일 수 있다.The radiation according to an embodiment of the present invention may be an electron beam, an ion beam or a gamma ray, and the irradiation dose of the radiation may be 1 to 300 kGy.

본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 필름은 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌(FEP, 이하 FEP), 페르플루오로알킬비닐에테르(PFA), 에틸렌테트라플루오로에틸렌(ETFE), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF) 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리술폰(PSU), 폴리에테르술폰(PES), 폴리이미드(PI) 또는 폴리벤질이미다졸(PBI)일 수 있다.The polymer film according to an embodiment of the present invention is a polymer film obtained by copolymerizing tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene (FEP), perfluoroalkyl vinyl ether (PFA), ethylene tetrafluoroethylene (ETFE), polyvinylidene fluoride (PVDF) and polytetrafluoroethylene (PTFE), polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyetheretherketone (PEEK), polysulfone (PSU), polyethersulfone (PES) ) Or polybenzimidazole (PBI).

본 발명의 일 실시예에 따른 염화비닐벤질 단량체 용액은 용매에 대하여 염화비닐벤질 단량체가 20 ~ 90 부피%로 포함될 수 있으며, 바람직하게는 30 ~ 70 부피%일 수 있으며, 또한 상기 염화비닐벤질 단량체 용액은 염화비닐벤질 단량체외에도 염화비닐벤질 단량체 용액에 대하여 아크릴아마이드가 0.01 ~ 0.5 부피%를 더 첨가할 수 있다. In the vinylbenzyl chloride monomer solution according to an embodiment of the present invention, the vinylbenzyl chloride monomer may be contained in an amount of 20 to 90% by volume, preferably 30 to 70% by volume, based on the solvent, and the vinylbenzyl chloride monomer In addition to the vinylbenzyl chloride monomer, the solution may further contain 0.01 to 0.5% by volume of acrylamide relative to the vinylbenzyl chloride monomer solution.

본 발명의 일 실시예에 따른 용매는 메탄올, 사염화탄소, 클로로포름, 테트라하이드로퓨란), 디클로로메탄, 1,2-디클로로에탄, 톨루엔, 1,4-다이옥신, 헥산, 헵탄 및 이소프로판올에서 선택되는 어느 하나이상일 수 있다.The solvent according to an embodiment of the present invention may be any one or more selected from methanol, carbon tetrachloride, chloroform, tetrahydrofuran), dichloromethane, 1,2-dichloroethane, toluene, 1,4-dioxane, hexane, heptane and isopropanol .

본 발명의 일 실시예에 따른 c)단계의 반응은 50 ~ 70 ℃에서 1 ~ 48시간동안 수행될 수 있다. The reaction of step c) according to an embodiment of the present invention may be performed at 50 to 70 ° C for 1 to 48 hours.

본 발명의 일 실시예에 따른 수소이온전도성막의 제조방법은 c)단계 후 폴리염화비닐벤질이 그라프트된 고분자막을 건조하는 단계를 더 포함될 수 있다.The method for producing a proton conductive membrane according to an embodiment of the present invention may further include a step of drying the polyvinyl chloride-grafted polymer membrane after step c).

본 발명이 일 실시예에 따른 상기 d)단계의 술폰화 반응은,The sulfonation reaction of step d) according to an embodiment of the present invention may be carried out,

1)상기 c)단계의 폴리염화비닐벤질이 그라프트된 고분자막을 티오우레아 용액과 반응시켜 티오우로늄 염을 도입시키는 단계; 1) reacting the polyvinyl chloride-grafted polymer membrane of step c) with a thiourea solution to introduce a thiouronium salt;

2)상기 티오우로늄 염이 도입된 고분자막을 염기성용액에 첨가하여 가수분해시켜 티올기를 포함하는고분자막을 제조하는 단계; 및 2) adding the thiouronium salt-introduced polymer membrane to a basic solution to hydrolyze the polymer membrane to prepare a polymer membrane including a thiol group; And

3)상기 티올기를 포함하는 고분자막을 산화시키는 단계;를 포함할 수 있다.3) oxidizing the polymer membrane containing the thiol group.

또한 본 발명은 본 발명에 따라 제조된 수소이온전도성막과 이를 이용하는 이온교환막 또는 연료전지막을 제공한다.The present invention also provides a hydrogen-ion conducting membrane produced according to the present invention and an ion exchange membrane or fuel cell membrane using the same.

본 발명의 수소이온전도성막의 제조방법은 방사선을 전조사하는 방법으로 수소이온전도성막을 제조함으로써 종래의 동시조사법과 대비하여 폴리염화비닐벤질의 그라프트율을 조절할 수 있으며, 같은 그라프트율에서도 높은 술폰화도를 가져 수소이온전도도가 현저하게 높다.The method for producing a hydrogen ion conductive film of the present invention can control the grafting rate of polyvinyl chloride benzylide in comparison with the conventional simultaneous irradiation method by preparing a hydrogen ion conductive film by a method of preliminary irradiation, and has a high degree of sulfonation even at the same graft rate The hydrogen ion conductivity is remarkably high.

또한 본 발명의 전조사법에 의한 수소이온전도성막의 제조방법은 종래의 동시조사법에 비해 소재의 대량생산이 용이하며, 염화비닐벤질 단량체 용액에 직접 방사선을 조사하지 않아 방사선에 의한 호모폴리머의 형성이 없어 원자재의 소비량이 줄어 비용이 절감된다.In addition, the method of producing a hydrogen-ion conducting film according to the present invention can produce masses more easily than conventional simultaneous irradiation methods, and the formation of a homopolymer by radiation is not directly irradiated to the vinyl chloride benzyl monomer solution The consumption of raw materials is reduced and the cost is reduced.

또한 본 발명에 수소이온전도성막의 제조방법에 따라 제조된 수소이온전도성막은 높은 수소이온전도도가 높고 그라프트된 폴리염화비닐벤젠이 안정해 본 발명에 따른 수소이온전도성막을 포함하는 이온교환막 또는 연료전지막은 높은 효율을 가진다.In addition, the hydrogen-ion conductive membrane manufactured according to the method of manufacturing a hydrogen-ion conductive membrane according to the present invention has a high hydrogen ion conductivity and grafted polyvinyl chloride is stable, and the ion-exchange membrane or the fuel cell including the hydrogen- The membrane has high efficiency.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소이온전도성막의 제조방법을 나타낸 모식도이며,
도 2는 다양한 용매에 대한 염화비닐벤질의 그라프트율의 분석결과를 나타낸 그래프이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 염화비닐벤질이 그라프트된 고분자막의 인장강도와 인장율을 나타낸 그래프이다.
1 is a schematic view showing a method for producing a proton conductive film according to an embodiment of the present invention,
2 is a graph showing the results of analysis of the graft rate of vinylbenzyl chloride with respect to various solvents,
3 is a graph showing the tensile strength and the tensile strength of the polyvinyl chloride-grafted polymer membrane prepared according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 이온전도도와 기계적 물성이 우수하면서도 대량생산이 가능하고 수소이온전도성막의 제조방법을 제공하는 것으로, 본 발명의 수소이온전도성막의 제조방법은 The present invention provides a method for producing a hydrogen ion conductive film which is excellent in ionic conductivity and mechanical properties, and can be mass-produced, and a method for producing a hydrogen ion conductive film of the present invention

a)고분자 필름에 방사선을 조사하여 방사선 조사된 고분자막을 제조하는 단계; a) preparing a polymer film by irradiating the polymer film with radiation;

b)염화비닐벤질 단량체 또는 염화비닐벤질 단량체 용액을 제조하는 단계;b) preparing a solution of a vinyl chloride benzyl monomer or a vinyl chloride benzyl monomer;

c)상기 염화비닐벤질 단량체 또는 염화비닐벤질 단량체 용액에 상기 방사선 조사된 고분자막을 첨가하고 반응시켜 폴리염화비닐벤질이 그라프트된 고분자막을 제조하는 단계; 및c) adding the radiation-irradiated polymer membrane to the vinyl chloride benzyl monomer or vinyl chloride benzyl monomer solution and reacting them to prepare a polyvinyl chloride-grafted polymer membrane; And

d)상기 폴리염화비닐벤질이 그라프트된 고분자막을 술폰화 반응시켜 폴리비닐벤질 술폰산이 그라프트된 고분자막을 제조하는 단계;를 포함한다.and d) subjecting the polyvinyl chloride-grafted polymer membrane to a sulfonation reaction to produce a polyvinylbenzyl sulfonic acid-grafted polymer membrane.

본 발명의 수소이온전도성막의 제조방법은 방사선 전조사법을 이용하여, 즉 고분자막에 방사선을 먼저 조사하여 방사선 조사된 고분자막을 제조하고 제조된 방사선 조사된 고분자막의 염화비닐벤질 단량체 용액과 반응시킴으로써, 수소이온전도성막의 대량 생산이 가능하고 염화비닐벤질 단량체에 방사선을 조사하지 않음으로써 단량체의 호모폴리머의 형성이 적어 원가절감 효과도 가진다.The method for producing a hydrogen-ion conductive film of the present invention is a method for producing a hydrogen-ion conductive film, which comprises irradiating a polymer film with a radiation to irradiate a polymer film with a radiation, and reacting the prepared polymer film with a vinyl chloride- The ion conductive film can be mass-produced and the vinylbenzyl chloride monomer is not irradiated with radiation, so that the homopolymer of the monomer is less formed and the cost is also reduced.

또한 폴리염화비닐벤질이 그라프트된 고분자막의 제조 시 그라프트율을 조절하기가 용이하며, 동시조사법은 과량의 단량체와 용매가 소모되고 전자선의 투과 깊이에 제한이 있어 전자선 조사가 어려우나, 본 발명의 전조사법에 의한 수소이온전도성막의 제조방법은 모든 방사선 조사가 가능하며, 대량생산이 가능하고 반응의 조작이 어렵지 않으며, 고분자막에 직접 조사가 가능한 측면에서 전자선이 보다 바람직하다.In addition, it is easy to control the graft ratio in the production of a polyvinyl chloride-grafted polymer membrane. In the simultaneous irradiation method, since excessive monomers and solvents are consumed and the penetration depth of electron beams is limited, it is difficult to irradiate the electron beams. The electron beam is more preferable in view of all the irradiation of the radiation, the mass production, the operation of the reaction is not difficult, and the direct irradiation of the polymer film is possible.

또한 본 발명의 수소이온전도성막의 제조방법에서 염화비닐벤질 단량체를 사용함으로써, 즉, 염화비닐벤질은 염화스틸렌과 대비하여 염소기가 벤젠고리에 직접연결되어 있는 구조가 아닌 염소기가 벤젠의 치환기인 알킬기에 결합되어 있어 방사선 조사된 고분자막과 그래프트 반응을 진행하여 폴리염화비닐벤질이 그라프트된 고분자막을 술폰화시킬때 고분자막 주쇄의 α위치에 분해가 일어나지 않는 장점을 가진다.Further, in the method for producing a proton conductive film of the present invention, by using a vinyl chloride benzyl monomer, that is, the chlorinated vinyl benzyl is not a structure in which the chlorine group is directly connected to the benzene ring as compared with the styrene chloride, And thus the polymer is grafted with the irradiated polymer membrane, so that when the polyvinyl chloride-grafted polymer membrane is sulphonated, it is not decomposed at the? -Position of the polymer main chain.

이하 본 발명에 따른 상기 수소이온전도성막의 제조방법을 단계별로 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing the hydrogen ion conductive film according to the present invention will be described in more detail.

먼저, 본 발명에 따른 상기 a)단계는 고분자 필름에 방사선을 조사하는 단계이다.First, step a) according to the present invention is a step of irradiating a polymer film with radiation.

상기 a)단계의 방사선은 전자선, 이온빔, 감마선을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 빠른 시간내에 방사선 조사가 가능한 전자선이 더욱 바람직하다.The radiation in step a) may be an electron beam, an ion beam, or a gamma ray, and more preferably, an electron beam capable of irradiating the radiation within a short period of time.

본 발명의 일 실시예에 따른 방사선의 총조사선량은 1 ~ 300kGy일 수 있으며, 고분자 필름이 분해되지 않으면서도 고분자 필름에 염화비닐벤질의 그라프트율을 높이기 위한 측면에서 총조사선량이 10 ~ 200인 것이 바람직하다.The total irradiation dose of the radiation according to an embodiment of the present invention may be 1 to 300 kGy and the total irradiation dose is 10 to 200 in order to increase the graft rate of the vinylbenzyl chloride to the polymer film without decomposing the polymer film desirable.

본 발명의 일 실시예에 따른 방사선 조사시, 특히 전자선 조사는 비활성가스 분위기 하에서 수행되는 것이 바람직하며, 이는 전자선이 조사되어 고분자 필름과 염화비닐벤질 단량체가 그라프트되는 것을 방해하지 않도록 하기 위함이다.The irradiation with the electron beam is preferably performed under an inert gas atmosphere in the irradiation of the radiation according to an embodiment of the present invention in order to prevent the polymer film and the vinyl chloride monomer from being irradiated with electron beams to prevent grafting.

상기 비활성 가스는 질소, 헬륨등이 있으며, 질소가 보다 바람직하다.The inert gas may be nitrogen, helium or the like, and more preferably nitrogen.

상기 a)단계의 고분자 필름은 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌(FEP, 이하 FEP), 페르플루오로알킬비닐에테르(PFA), 에틸렌테트라플루오로에틸렌(ETFE), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF) 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리술폰(PSU), 폴리에테르술폰(PES), 폴리이미드(PI) 또는 폴리벤질이미다졸(PBI)일 수 있다.The polymer film of step a) may be at least one selected from the group consisting of tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene (FEP), perfluoroalkyl vinyl ether (PFA), ethylene tetrafluoroethylene (ETFE), polyvinylidene fluoride ) And polytetrafluoroethylene (PTFE), polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyetheretherketone (PEEK), polysulfone (PSU), polyether sulfone (PES), polyimide Benzylimidazole (PBI).

다음으로, 상기 b)단계는 염화비닐벤질 단량체 또는 염화비닐벤질 단량체를 용매에 용해시켜 염와비닐벤질 단량체 용액을 제조하는 단계로 용매는 메탄올(methanol), 사염화탄소(carbon tetrachloride), 클로로포름(chloroform), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), 디클로로메탄(dichloromethane), 1,2-디클로로에탄(1,2-dichloroethane), 톨루엔(toluene), 1,4-다이옥신(1,4-dioxane), 헥산(hexane), 헵탄(heptane) 및 이소프로판올(isopropanol)에서 선택되는 하나이상이 사용될 수 있으며, 기계적 물성 및 높은 그라프트율을 나타내기위한 측면에서 헵탄을 용매로 사용하는 것이 더욱 바람직하다.Next, in step b), the vinylbenzyl chloride monomer or the vinylbenzyl chloride monomer is dissolved in a solvent to prepare a solution of a salt and a vinylbenzyl monomer. The solvent is selected from the group consisting of methanol, carbon tetrachloride, chloroform, Dichloromethane, 1,2-dichloroethane, toluene, 1,4-dioxane, hexane, 1,2-dichloroethane, Heptane and isopropanol may be used, and it is more preferable to use heptane as a solvent in order to exhibit mechanical properties and a high grafting ratio.

본 발명의 염화비닐벤질 단량체 용액의 단량체는 용매에 대해 20 ~ 90 부피%으로 포함될 수 있으며, 반응 효율을 높이고 높은 그라프트율을 얻기위한 측면에서 바람직하게는 염화비닐벤질 단량체가 30 ~ 70 부피%가 포함될 수 있다.The monomer of the vinyl chloride monomer solution of the present invention may be contained in an amount of 20 to 90% by volume based on the solvent, and preferably 30 to 70% by volume of the vinyl chloride monomer is contained in order to increase the reaction efficiency and obtain a high graft rate .

본 발명의 염화비닐벤질 단량체 용액은 염화비닐벤질 단량체외에도 염화비닐벤질 단량체 용액 100 부피%대하여 아크릴아마이드가 0.01 ~ 0.5 부피%가 더 포함될 수 있으며, 아크릴아마이드가 더 포함됨으로써 최종적으로 제조될 수소이온전도성막의 젖음성(wettability)을 높여주는 효과를 얻을 수 있다.The vinyl chloride benzyl monomer solution of the present invention may further contain 0.01 to 0.5% by volume of acrylamide relative to 100% by volume of the vinylbenzyl chloride monomer solution in addition to vinyl chloride benzyl monomer, and may further contain hydrogen ion conduction The effect of increasing the wettability of the film can be obtained.

다음으로, 상기 염화비닐벤질 단량체 또는 염화비닐벤질 단량체 용액에 상기에서 제조된 방사선 조사된 고분자막을 첨가하고 반응시켜 폴리염화비닐벤질이 그라프트된 고분자막을 제조하는 단계이다.Next, the irradiated polymer membrane prepared above is added to the vinyl chloride benzyl monomer or vinyl chloride benzyl monomer solution and reacted to prepare a polyvinyl chloride-grafted polymer membrane.

본 발명의 폴리염화비닐벤질이 그라프트된 고분자막은 방사선 조사된 고분자막을 염화비닐벤질 단량체와 반응시키거나 염화비닐벤질 단량체 용액과 반응시켜 제조될 수 있으며, 바람직하게는 염화비닐벤질 단량체 용액과 반응시킬 수 있다.The polyvinyl chloride-grafted polymer membrane of the present invention can be prepared by reacting the irradiated polymer membrane with a vinyl chloride benzyl monomer or by reacting with a vinyl chloride benzyl monomer solution, and preferably reacting with a vinyl chloride benzyl monomer solution .

본 발명의 일 실시예에 따른 c)단계의 반응은 50 ~ 70 ℃에서 1 ~ 48시간동안 수행될 수 있으며, 상기 온도가 50 ℃ 미만인 경우에는, 그라프트 반응 시간이 오래 걸리고 그라프트율이 낮기에 적절하지 못하고, 70 ℃를 초과하는 경우에는, 고분자 라디칼 연쇄 이동에 의해 그라프트율이 낮아지는 문제가 있다. The reaction of step c) according to an embodiment of the present invention can be performed at 50 to 70 ° C for 1 to 48 hours. When the temperature is less than 50 ° C, the reaction time of the graft takes a long time and the graft rate is low If it exceeds 70 ° C, there is a problem that the graft rate is lowered due to polymer radical chain transfer.

본 발명의 일 실시예에 따른 수소이온전도성막의 제조방법은 높은 그라프트율과 기계적 강도를 가지기위한 측면에서 c)단계 후 폴리염화비닐벤질이 그라프트된 고분자막을 건조하는 단계를 더 포함될 수 있으며, 건조는 30 ~ 80℃에서 1 ~ 24시간동안 진행될 수 있다.The method for producing a proton conductive membrane according to an embodiment of the present invention may further include drying a polyvinyl chloride-grafted polymer membrane after step c) in order to obtain a high graft rate and a mechanical strength, Can be carried out at 30 to 80 ° C for 1 to 24 hours.

다음 d)단계는 상기 c)단계에서 제조된 폴리염화비닐벤질이 그라프트된 고분자막을 술폰화 반응시켜 수소이온전도성막을 제조한다.In the next step d), the polyvinyl chloride-grafted polymer membrane prepared in the step c) is subjected to a sulfonation reaction to produce a hydrogen-ion conductive membrane.

본 발명이 일 실시예에 따른 상기 d)단계의 술폰화 반응은,The sulfonation reaction of step d) according to an embodiment of the present invention may be carried out,

1)상기 c)단계의 폴리염화비닐벤질이 그라프트된 고분자막을 티오우레아 용액과 반응시켜 티오우로늄 염을 도입시키는 단계; 1) reacting the polyvinyl chloride-grafted polymer membrane of step c) with a thiourea solution to introduce a thiouronium salt;

2)상기 티오우로늄 염이 도입된 고분자막을 염기성용액에 첨가하여 가수분해시켜 티올기를 포함하는고분자막을 제조하는 단계; 및 2) adding the thiouronium salt-introduced polymer membrane to a basic solution to hydrolyze the polymer membrane to prepare a polymer membrane including a thiol group; And

3)상기 티올기를 포함하는 고분자막을 산화시키는 단계;를 포함할 수 있다.3) oxidizing the polymer membrane containing the thiol group.

이하, 본 발명에 따른 상기 술폰화 반응을 단계별로 상세히 설명한다.Hereinafter, the sulfonation reaction according to the present invention will be described step by step.

먼저, 상기 단계 1은 상기 c)단계의 폴리염화비닐벤질이 그라프트된 고분자막을 티오우레아 용액에 첨가하고 반응시켜 티오우로늄 염을 도입시킨다.First, in step 1, the polyvinyl chloride-grafted polymer membrane in step c) is added to a thiourea solution and reacted to introduce a thiouronium salt.

상기 티오우레아 용액은 에탄올 용액에 티오우레아를 첨가하여 제조하는 것이 바람직하다. 상기 방법으로 제조된 막을 에탄올로 세척하고, 진공오븐에서 건조시킨다.The thiourea solution is preferably prepared by adding thiourea to an ethanol solution. The membrane prepared by the above method is washed with ethanol and dried in a vacuum oven.

다음으로, 본 발명에 따른 상기 단계 2는 상기 단계 1에서 제조된 티오우로늄 염이 도입된 고분자막을 염기성 용액에 첨가하여 가수분해시키는 단계이다. 염기성 용액은 수산화나트륨 용액 등을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 방법으로 제조된 막을 묽은 염산과 증류수로 세척액의 pH가 중성이 되도록 세척하고, 진공오븐에 건조시킨다.Next, step 2 according to the present invention is a step of adding the thiouronium salt-introduced polymer membrane prepared in step 1 to a basic solution to hydrolyze the polymer membrane. The basic solution is preferably a sodium hydroxide solution or the like. The membrane prepared by the above method is washed with dilute hydrochloric acid and distilled water to neutralize the pH of the washing solution, and dried in a vacuum oven.

다음으로, 본 발명에 따른 상기 단계 3은 상기 단계 2의 가수분해에 의해 티올기를 포함하는 고분자막을 산화시키는 단계이다. 상기 단계 2의 폴리비닐벤질 티올이 그라프트된 고분자막에 과산화수소/아세트산의 혼합용액에 첨가하고, 반응시킨다. 상기 방법으로 제조된 막을 증류수로 세척하고, 진공오븐에 건조시킨다.Next, step 3 according to the present invention is a step of oxidizing the polymer membrane containing a thiol group by the hydrolysis of step 2 above. The polyvinylbenzylthiol-grafted polymer membrane of step 2 is added to a mixed solution of hydrogen peroxide / acetic acid and reacted. The membrane prepared by the above method is washed with distilled water and dried in a vacuum oven.

상술한 제조방법에 의해 고분자 필름을 방사선 조사하고 조사된 고분자 필름을 염화비닐벤질을 포함한 혼합용액에 담가 가열하여 그라프트 반응을 함으로써 반응시간을 통해 그라프트율을 조절할 수 있고, 대량생산이 용이한 폴리비닐벤질 술폰산이 그라프트된 수소이온전도성막을 제공할 수 있다.The grafting rate can be controlled through the reaction time by irradiating the polymer film with the irradiation of the polymer film by the above-mentioned production method, heating the polymer film by immersing it in a mixed solution containing vinyl chloride benzyl, It is possible to provide a hydrogen-ion conductive film in which benzylsulfonic acid is grafted.

또한, 본 발명은 본발명에 따라 제조되는 수소이온전도성막을 제공한다.The present invention also provides a hydrogen-ion conducting membrane produced according to the present invention.

상기 수소이온전도성막은 방사선 동시조사법을 이용한 수소이온전도성막에 비해 같은 그라프트율에서 술폰화도가 높고 수소이온전도도가 높을 뿐만 아니라 방사선에 의한 단량체의 호모폴리머의 형성이 적다. 또한 큰 크기의 필름에 직접 방사선으로 조사가 가능하여 대량 생산이 유리한 장점이 있으며 상기 제조방법으로 제조된 수소이온교환막은 연료전지막 뿐만 아니라 이온 교환 막, 전지용 분리막, 유해물질 흡착제 등의 여러 기능성 막으로 유용하게 사용할 수 있다.
The hydrogen ion conductive membrane has high sulfonation degree and hydrogen ion conductivity at the same graft rate as the hydrogen ion conductive membrane using the radiation simultaneous irradiation method, and the formation of the homopolymer of the monomer by radiation is small. The hydrogen ion exchange membrane manufactured by the above production method can be applied to a variety of functional membranes such as an ion exchange membrane, a separator for a battery, a sorbent for a toxic substance, etc., as well as a fuel cell membrane. Can be usefully used.

이하, 본 발명을 실시예를 통해 더욱 상세히 설명하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, the following Examples are intended to illustrate the present invention, but the present invention is not limited by the following Examples.

[실시예 1] 폴리비닐벤질이 그라프트된 ETFE 막의 제조 1[Example 1] Production of polyvinylbenzylgrafted ETFE film 1

a)단계 : 방사선을 이용하여 고분자 필름을 조사하는 단계a) Step: irradiating the polymer film with radiation

ETFE 필름을 5 cm x 10 cm 크기로 자른 후 유리용기에 넣고 고무마개로 막은 후 바늘을 통하여 15분간 질소를 불어넣어 전자선 가속기를 이용하여 100 kGy의 선량으로 ETFE 필름을 전자선 조사한다.
The ETFE film was cut into 5 cm x 10 cm size, placed in a glass container, covered with a rubber mask, and then nitrogen was blown through the needle for 15 minutes. The ETFE film was irradiated with an electron beam accelerator at a dose of 100 kGy.

b)단계 : 염화비닐벤질 단량체를 용매에 용해시켜 염화비닐벤질 단량체 용액을 제조하는 단계b) a step of dissolving the vinyl chloride monomer in a solvent to prepare a vinyl chloride monomer solution

그래프트를 진행할 염화비닐벤질(VBC)는 유리용기에서 톨루엔 용매와 50 : 50의 부피%로 첨가하여 혼합용액을 제조한 후 고무마개로 막고 바늘을 통하여 15분간 질소를 주입시켜 용액 안에 녹아 있는 산소를 제거한다.
The vinylbenzyl chloride (VBC) to be grafted was added in toluene solvent at a volume ratio of 50:50 by volume in a glass vessel to prepare a mixed solution. The mixed solution was blocked with a rubber stopper and nitrogen was injected through the needle for 15 minutes to remove dissolved oxygen do.

c)단계 : 폴리염화비닐벤질이 그라프트된 ETFE 막을 제조하는 단계(ETFE-g-PVBC)c) Step: The step of producing a polyvinyl chloride-grafted ETFE film (ETFE-g-PVBC)

질소로 충진된 유리용기에 담긴 ETFE필름을 전자선으로 조사한 직 후 산소를 제거한 VBC 단량체 용액을 질소 분위기하에서 바늘을 이용하여 옮긴 후 60 ℃ 항온조에 넣어 24 시간 동안 그래프트 반응을 진행하였다. 그래프트 반응 종료된 후, 반응 중에 형성된 단일중합체와 반응에 참여하지 않은 과량의 단량체를 제거하기 위하여 그래프트된 필름을 디클로로메탄(CH2Cl2)으로 세척하고, 진공오븐으로 60 ℃에서 12시간 동안 건조하였다.
After the ETFE film contained in the glass filled with nitrogen was irradiated with electron beam, the oxygen free VBC monomer solution was transferred by using a needle under a nitrogen atmosphere, and then grafted in a 60 ° C thermostat for 24 hours. After completion of the graft reaction, the grafted film was washed with dichloromethane (CH 2 Cl 2 ) and dried in a vacuum oven at 60 ° C for 12 hours to remove the homopolymer formed during the reaction and the excess monomer not participating in the reaction Respectively.

[실시예 2] 폴리비닐벤질이 그라프트된 ETFE 막의 제조 2[Example 2] Production of polyvinylbenzylgrafted ETFE film 2

본 발명에 따른 상기 실시예 1의 b) 단계에서 용매를 헵탄인 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 폴리비닐 벤질이 그라프트된 ETFE막을 제조하였다.A polyvinylbenzyl grafted ETFE membrane was prepared in the same manner as in Example 1 except that the solvent was heptane in the step b) of Example 1 according to the present invention.

[실시예 3] 폴리비닐벤질이 그라프트된 ETFE 막의 제조 3[Example 3] Production of polyvinyl benzyl grafted ETFE film 3

본 발명에 따른 상기 실시예 1의 b)단계에서 용매를 이소프로판올인 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 폴리비닐벤질이 그라프트된 ETFE막을 제조하였다.
A polyvinyl benzyl grafted ETFE membrane was prepared in the same manner as in Example 1 except that the solvent was isopropanol in the step b) of Example 1 according to the present invention.

[실시예 4] 폴리비닐벤질이 그라프트된 ETFE 막의 제조 4[Example 4] Production of polyvinylbenzylgrafted ETFE film [

본 발명에 따른 상기 실시예 2의 c)단계에서 그라프트 반응 시간을 5 시간으로 하여 그라프트율이 약 60%을 가지는 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일하게 수행하여 폴리비닐벤질이 그라프트된 ETFE막을 제조하였다.
The procedure of Example 2 was repeated except that the graft reaction time was changed to 5 hours and the graft rate was about 60% in the step c) of Example 2 according to the present invention. Thus, polyvinylbenzylgraft ETFE Membranes were prepared.

[실시예 5] 폴리비닐벤질이 그라프트된 ETFE 막의 제조 5[Example 5] Production of polyvinyl benzyl grafted ETFE film [

본 발명에 따른 상기 실시예 3의 c)단계에서 그라프트 반응 시간을 3 시간으로 하여 그라프트율이 약 60%을 가지는 것을 제외하고는 상기 실시예 3과 동일하게 수행하여 폴리비닐벤질이 그라프트된 ETFE막을 제조하였다.
The procedure of Example 3 was repeated except that the graft reaction time was changed to 3 hours and the graft rate was about 60% in the step c) of Example 3 according to the present invention. Thus, polyvinylbenzyl-grafted ETFE Membranes were prepared.

[실시예 6] 폴리비닐벤질 술폰산이 그라프트된 ETFE 막의 제조 1[Example 6] Production of polyvinylbenzylsulfonic acid grafted ETFE film 1

a)단계 : 방사선을 이용하여 고분자 필름을 조사하는 단계a) Step: irradiating the polymer film with radiation

ETFE 필름을 5 cm x 10 cm 크기로 자른 후 유리용기에 넣고 고무마개로 막은 후 바늘을 통하여 15분간 질소를 불어넣어 전자선 가속기를 이용하여 100 kGy의 선량으로 ETFE 필름을 전자선 조사한다.
The ETFE film was cut into 5 cm x 10 cm size, placed in a glass container, covered with a rubber mask, and then nitrogen was blown through the needle for 15 minutes. The ETFE film was irradiated with an electron beam accelerator at a dose of 100 kGy.

b)단계 : 염화비닐벤질 단량체를 용매에 용해시켜 염화비닐벤질 단량체 용액을 제조하는 단계b) a step of dissolving the vinyl chloride monomer in a solvent to prepare a vinyl chloride monomer solution

그래프트를 진행할 염화비닐벤질(VBC)는 유리용기에서 햅탄 용매와 50 : 50의 부피%로 첨가하여 혼합용액을 제조한 후 고무마개로 막고 바늘을 통하여 15분간 질소를 주입시켜 용액 안에 녹아 있는 산소를 제거한다.
The vinylbenzyl chloride (VBC) to be grafted was added in a volume ratio of 50:50 by volume of a hapten solvent in a glass container to prepare a mixed solution. The mixed solution was blocked with a rubber stopper and nitrogen was injected through the needle for 15 minutes to remove dissolved oxygen do.

c)단계 : 상기 단계 b)의 단량체 용액에 전자선 조사된 c) Step: The monomer solution of step b) is irradiated with electron beams ETFEETFE 필름을 첨가하고, 열을 이용하여  The film was added and heat was applied 폴리염화비닐벤질이Polyvinyl Chloride 그라프트된Grafted ETFEETFE 막을 제조하는 단계( The step of producing the membrane ETFEETFE -g-PVBC)-g-PVBC)

질소로 충진된 유리용기에 담긴 ETFE필름을 전자선으로 조사한 직 후 산소를 제거한 VBC 단량체 용액을 질소 분위기하에서 바늘을 이용하여 옮긴 후 60 ℃ 항온조에 넣어 8 시간 동안 그래프트 반응을 진행하였다. 그래프트 반응 종료된 후, 반응 중에 형성된 단일중합체와 반응에 참여하지 않은 과량의 단량체를 제거하기 위하여 그래프트된 필름을 디클로로메탄(CH2Cl2)으로 세척하고, 진공오븐으로 60 ℃에서 12시간 동안 건조하였다.
After the ETFE film contained in the glass filled with nitrogen was irradiated with electron beam, the deoxygenated VBC monomer solution was transferred using a needle under a nitrogen atmosphere, and the reaction was carried out in a 60 ° C thermostat for 8 hours. After completion of the graft reaction, the grafted film was washed with dichloromethane (CH 2 Cl 2 ) and dried in a vacuum oven at 60 ° C for 12 hours to remove the homopolymer formed during the reaction and the excess monomer not participating in the reaction Respectively.

d)단계 : 상기 단계 c)의 d) Step: 폴리염화비닐벤질이Polyvinyl Chloride 그라프트된Grafted ETFEETFE 막을  Stop 술폰화Sulfonation 반응시켜  Reacted 폴리비닐벤질술폰산이Polyvinylbenzylsulfonic acid 그라프트된Grafted ETFEETFE 막을 제조하는 단계 Steps to make the membrane

단계 1. 폴리비닐벤질 티오우로늄 염(PVBTS)이 그라프트된 ETFE 막의 제조단계(ETFE-g-PVBTS)Step 1. Preparation step of ETFE film (PVBTS) grafted with polyvinylbenzylthiouronium salt (ETFE-g-PVBTS)

폴리염화비닐벤질(PVBC)이 그라프트된 ETFE 막을 티오우레아 200 ㎎이 첨가된 에탄올 용액 20 ㎖에 담그고, 상기 그라프트된 폴리염화비닐벤질을 티오우로늄 염으로 만들기 위해 40 ℃에서 6시간 동안 반응시켰다. 티오우로늄 염이 그라프트된 막을 에탄올로 여러 번 세척하였으며, 진공오븐에 60 ℃에서 건조시켰다.
The ETFE membrane obtained by grafting polyvinyl chloride (PVBC) was immersed in 20 ml of an ethanol solution containing 200 mg of thiourea, and the reaction was carried out at 40 ° C for 6 hours in order to convert the grafted polyvinyl chloride to a thiouronium salt . The thiouronium salt grafted membrane was washed several times with ethanol and dried in a vacuum oven at 60 < 0 > C.

단계 2. 폴리비닐벤질 티올(PVBSH)이 그라프트된 ETFE 막의 제조단계(ETFE-g-PVBSH)Step 2. Preparation of polyvinylbenzylthiol (PVBSH) -grafted ETFE membrane (ETFE-g-PVBSH)

폴리비닐벤질 티오우로늄 염(ETFE-g-PVBTS)이 그라프트된 ETFE 막을 수산화나트늄 4 g이 첨가된 50 ㎖ 수용액에 상온에서 8시간 동안 담궜다. 상기 제조된 막을 묽은 염산과 증류수로 세척액의 pH가 중성이 될 때까지 세척하고, 60 ℃ 진공오븐에서 건조시켰다.
The ETFE membrane in which the polyvinylbenzylthiouronium salt (ETFE-g-PVBTS) was grafted was immersed in 50 ml of an aqueous solution containing 4 g of sodium hydroxide for 8 hours at room temperature. The membrane thus prepared was washed with dilute hydrochloric acid and distilled water until the pH of the washing solution became neutral, and dried in a 60 ° C vacuum oven.

단계 3. 폴리비닐벤질 술폰산(PVBSA)이 그라프트된 ETFE 막의 제조단계(ETFE-g-PVBSA)Step 3. Preparation of polyvinylbenzylsulfonic acid (PVBSA) -grafted ETFE membrane (ETFE-g-PVBSA)

폴리비닐벤질 티올(ETFE-g-PVBSH)이 그라프트된 ETFE 막을 과산화수소/아세트산이 40:60의 부피비로 첨가된 용액에 담그고, 상온에서 8시간 동안 반응시켰다. 상기 제조된 막을 증류수로 여러 번 세척하고, 60 ℃ 진공오븐에 건조시켰다.
The ETFE membrane grafted with polyvinylbenzylthiol (ETFE-g-PVBSH) was immersed in a solution containing hydrogen peroxide / acetic acid in a volume ratio of 40:60, and reacted at room temperature for 8 hours. The prepared membrane was washed several times with distilled water and dried in a vacuum oven at 60 캜.

상기 기술한 술폰화 과정을 통해 폴리염화비닐벤질이 그라프트된 ETFE 막(ETFE-g-PVBC)에서 본 발명에 따른 폴리비닐벤질 술폰산이 그라프트된 ETFE 막(ETFE-g-PVBSA)을 제조하였다.
The ETFE film (ETFE-g-PVBSA) obtained by grafting the polyvinylbenzylsulfonic acid according to the present invention was prepared from the ETFE-g-PVBC obtained by polyvinyl chloride-grafting through the above-described sulfonation process .

[실시예 7]폴리비닐벤질 술폰산이 그라프트된 ETFE 막의 제조 2[Example 7] Production of polyvinylbenzylsulfonic acid grafted ETFE film 2

실시예 6에서 염화비닐벤질 단량체와 용매 헵탄의 부피%가 50 : 50인 염화비닐벤질 단량체 용액에 대하여 아크릴아마이드를 0.1부피%가 더 포함하는 것을 제외하고는 실시예 6과 동일하게 실시하여 폴리비닐벤질 술폰산이 그라프트된 ETFE막을 제조하였다.
Example 6 was repeated in the same manner as in Example 6 except that the vinylbenzyl chloride monomer solution having a volume ratio of 50: 50 by volume of vinylbenzyl chloride monomer and solvent heptane further contained 0.1% by volume of acrylamide, To prepare an ETFE film in which benzylsulfonic acid was grafted.

[비교예 1] 폴리비닐벤질 술폰산이 그라프트된 ETFE 막의 제조 [Comparative Example 1] Production of polyvinylbenzylsulfonic acid grafted ETFE film

a)단계 : 염화비닐벤질 단량체를 용매에 용해시켜 염화비닐벤질 단량체 용액을 제조하는 단계a) a step of dissolving a vinylbenzyl chloride monomer in a solvent to prepare a vinylbenzyl chloride monomer solution

염화비닐벤질(VBC)과 클로로포름 용매를 40 : 60의 부피비로 첨가하여 혼합용액을 제조한다.
Vinylbenzyl chloride (VBC) and a chloroform solvent were added at a volume ratio of 40:60 to prepare a mixed solution.

b)단계 : 상기 단계 a)의 단량체 용액에 고분자 막을 첨가하고, 방사선 동시조사법을 이용하여 b) Step: The polymer membrane is added to the monomer solution of step a) 폴리염화비닐벤질이Polyvinyl Chloride 그라프트된Grafted ETFEETFE 막을 제조하는 단계( The step of producing the membrane ETFEETFE -g-PVBC)-g-PVBC)

ETFE를 아세톤 용액에 넣고 세척한 후, 건조하였다. ETFE 필름이 첨가된 혼합용액을 질소로 10분 동안 세척하고, 2 kGy/h의 선량율로 총조사선량이 20 kGy가 되도록 감마선을 조사하였다. 조사된 막을 디클로로메탄(CH2Cl2)으로 세척하고, 진공오븐으로 60 ℃에서 12시간 동안 건조하였다.
ETFE was added to the acetone solution, washed, and then dried. The mixed solution containing the ETFE film was washed with nitrogen for 10 minutes and irradiated with gamma rays at a dose rate of 2 kGy / h such that the total irradiation dose was 20 kGy. The irradiated membrane was washed with dichloromethane (CH 2 Cl 2 ) and dried in a vacuum oven at 60 ° C for 12 hours.

c)단계 : 상기 단계 b)의 c) Step: 폴리염화비닐벤질이Polyvinyl Chloride 그라프트된Grafted ETFEETFE 막을  Stop 술폰화Sulfonation 반응시켜  Reacted 폴리비닐벤질술폰산이Polyvinylbenzylsulfonic acid 그라프트된Grafted ETFEETFE 막을 제조하는 단계 Steps to make the membrane

단계 1. 폴리비닐벤질 티오우로늄 염(PVBTS)이 그라프트된 ETFE 막의 제조단계(ETFE-g-PVBTS)Step 1. Preparation step of ETFE film (PVBTS) grafted with polyvinylbenzylthiouronium salt (ETFE-g-PVBTS)

폴리염화비닐벤질(PBVC)이 그라프트된 ETFE 막을 티오우레아 200 ㎎이 첨가된 에탄올 용액 20 ㎖에 담그고, 상기 그라프트된 폴리염화비닐벤질을 티오우로늄 염으로 만들기 위해 40 ℃에서 6시간 동안 반응시켰다. 티오우로늄 염이 그라프트된 막을 에탄올로 여러 번 세척하였으며, 진공오븐에 60 ℃에서 건조시켰다.
The ETFE membrane in which polyvinyl chloride (PBVC) was grafted was immersed in 20 ml of an ethanol solution containing 200 mg of thiourea, and the reaction was carried out at 40 ° C for 6 hours to convert the grafted polyvinyl chloride to a thiouronium salt . The thiouronium salt grafted membrane was washed several times with ethanol and dried in a vacuum oven at 60 < 0 > C.

단계 2. 폴리비닐벤질 티올(PVBSH)이 그라프트된 ETFE 막의 제조단계(ETFE-g-PVBSH)Step 2. Preparation of polyvinylbenzylthiol (PVBSH) -grafted ETFE membrane (ETFE-g-PVBSH)

폴리비닐벤질 티오우로늄 염(ETFE-g-PVBTS)이 그라프트된 ETFE 막을 수산화나트늄 4 g이 첨가된 50 ㎖ 수용액에 상온에서 8시간 동안 담궜다. 상기 제조된 막을 묽은 염산과 증류수로 세척액의 pH가 중성이 될 때까지 세척하고, 60 ℃ 진공오븐에서 건조시켰다.
The ETFE membrane in which the polyvinylbenzylthiouronium salt (ETFE-g-PVBTS) was grafted was immersed in 50 ml of an aqueous solution containing 4 g of sodium hydroxide for 8 hours at room temperature. The membrane thus prepared was washed with dilute hydrochloric acid and distilled water until the pH of the washing solution became neutral, and dried in a 60 ° C vacuum oven.

단계 3. 폴리비닐벤질 술폰산(PVBSA)이 그라프트된 ETFE 막의 제조단계(ETFE-g-PVBSA)Step 3. Preparation of polyvinylbenzylsulfonic acid (PVBSA) -grafted ETFE membrane (ETFE-g-PVBSA)

폴리비닐벤질 티올(ETFE-g-PVBSH)이 그라프트된 ETFE 막을 과산화수소/아세트산이 40:60의 부피비로 첨가된 용액에 담그고, 상온에서 8시간 동안 반응시켰다. 상기 제조된 막을 증류수로 여러 번 세척하고, 60 ℃ 진공오븐에 건조시켰다.
The ETFE membrane grafted with polyvinylbenzylthiol (ETFE-g-PVBSH) was immersed in a solution containing hydrogen peroxide / acetic acid in a volume ratio of 40:60, and reacted at room temperature for 8 hours. The prepared membrane was washed several times with distilled water and dried in a vacuum oven at 60 캜.

상기 기술한 술폰화 과정을 통해 폴리염화비닐벤질이 그라프트된 ETFE 막(ETFE-g-PVBC)에서 본 발명에 따른 폴리비닐벤질 술폰산이 그라프트된 ETFE 막(ETFE-g-PVBSA)을 제조하였다.
The ETFE film (ETFE-g-PVBSA) obtained by grafting the polyvinylbenzylsulfonic acid according to the present invention was prepared from the ETFE-g-PVBC obtained by polyvinyl chloride-grafting through the above-described sulfonation process .

<실험예 1> 다양한 용매에 대한 그라프트율 분석<Experimental Example 1> Analysis of graft rate for various solvents

실시예 1 내지 3에서 제조된 폴리염화비닐벤젠이 그라프트된 ETFE막에 대한 그라프트율을 하기 수학식 1로 계산하고 하기 도 3에 나타내었다.The grafting rates of the polyvinyl chloride-grafted ETFE membranes prepared in Examples 1 to 3 were calculated by the following Equation 1 and shown in Fig.

[수학식 1][Equation 1]

DOG(%) = [(Wg - Wo)/Wo]×100DOG (%) = [(W g - W o ) / W o ] x 100

(Wo: 초기 샘플무게, Wg: 그라프트 후의 샘플무게)
(W o : initial sample weight, W g : sample weight after grafting)

용매에 따른 그라프트율의 증가는 톨루엔(실시예 1)<헵탄(실시예 2)<이소프로판올(실시예 3) 순으로 점점 증가하고 있음을 관찰할 수 있다. 특히 이소프로판올(실시예 3)에서 가장 높은 그래프트율을 보이고 이는 다른 용매보다 이소프로판올 용매에서 라디칼의 수명이 다른 용매에서 보다 상대적으로 길기 때문이라고 예측된다.
It can be observed that the increase of the graft rate according to the solvent gradually increases in the order of toluene (Example 1) <heptane (Example 2) <isopropanol (Example 3). Especially in isopropanol (Example 3), which is predicted to be due to the longer life of radicals in the isopropanol solvent than in the other solvents, relative to the other solvents.

<실험예 2> 다양한 용매로 제조된 ETFE-g-PBVC 막의 기계적 물성 분석Experimental Example 2 Mechanical Property Analysis of ETFE-g-PBVC Membrane Prepared with Various Solvents

실시예 1 내지 3에서 제조되는 그라프트율이 약 60% 정도의 ETFE-g-PVBC 막의 기계적 물성을 분석하기 위해 하기 실험을 수행하였다.The following experiment was conducted to analyze the mechanical properties of the ETFE-g-PVBC film having a graft rate of about 60% prepared in Examples 1 to 3.

각각의 용매로 제조되고 그라프트율이 약 60%인 ETFE-g-PVBC 막을 ASTM 규격에 따른 비율(5.3 mm × 31 mm)로 준비하고 INSTRON series IX(instron Co., Universal Testing Sytem Model 4400)을 이용하여 기계적 물성을 측정하였다.The ETFE-g-PVBC membrane, which was prepared from each solvent and had a graft rate of about 60%, was prepared in a ratio (5.3 mm × 31 mm) according to ASTM standard and was measured using INSTRON series IX (Universal Testing System Model 4400) Mechanical properties were measured.

도 3은 톨루엔(실시예 1), 헵탄(실시예 4) 그리고 이소프로판올(실시예 5)에서 제조되고 그라프트율이 약 60%인 ETFE-g-PVBC막의 인장응력에 대한 막의 변형률을 나타낸 결과이다. 제조된 ETFE-g-PVBC막의 기계적 물성이 사용된 용매의 종류에 따라 크게 영향을 받고 있음을 관찰할 수 있다. 특히 그라프트율 60%에 도달하는데 걸리는 시간이 짧은 이소프로판올을 용매로 사용하여 제조된 막(실시예 5)은 50.1 MPa에서 항복 응력을 가진후 바로 사슬의 파괴가 일어나고 있음을 확인할 수 있다. 헵탄을 사용한 경우(실시예 4) 41.4 MPa에서 항복응력점을 가지고 인장률이 약 150% 정도까지 사슬들간의 배향이 일어난 후 210%정도에서 사슬의 파괴가 일어나고 있음을 관찰할 수 있다. 톨루엔에서 제조된 막(실시예 1)은 헵탄에서 제조된 막(실시예 4)보다 항복 응력은 45.2 MPa로 약간 높으나 인장률은 175%로 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 이와 같은 결과로부터 이소프로판올을 사용하여 VBC가 그래프트된 막을 제조할 경우 높은 그래프트율을 얻을 수 있지만 기계적 강도가 현저히 감소하기 때문에 연료전지막과 같이 높은 기계적 물성을 요구하는 물질을 제조하는데 적합하지 않다. 따라서 기계적 특성을 측정한 결과, 헵탄에서 제조된 막(실시예 4)이 가장 우수한 기계적 강도를 가지고 있음을 확인할 수 있었다.
Fig. 3 shows the results of strain rate of the film against tensile stress of ETFE-g-PVBC film prepared from toluene (Example 1), heptane (Example 4) and isopropanol (Example 5) and having a graft rate of about 60%. It can be observed that the mechanical properties of the produced ETFE-g-PVBC film are greatly influenced by the type of solvent used. In particular, it can be seen that the membrane prepared using isopropanol as a solvent (Example 5), which takes a short time to reach a grafting rate of 60%, is destructed immediately after having a yield stress at 50.1 MPa. It can be seen that when the heptane is used (Example 4), the chain breakage occurs at about 210% after the orientation of the chains occurs at a yield stress point of 41.4 MPa and a tensile rate of about 150%. The membrane prepared in toluene (Example 1) was found to have a slightly higher yield stress of 45.2 MPa but a lower tensile ratio of 175% than the membrane prepared in Example 4 (Example 4). From these results, it can be seen that when a VBC grafted film is prepared by using isopropanol, a high graft rate can be obtained, but the mechanical strength is remarkably decreased, so that it is not suitable for producing a material requiring high mechanical properties such as a fuel cell membrane. As a result, it was confirmed that the membrane prepared in heptane (Example 4) had the best mechanical strength.

<실험예 3> 폴리비닐벤질 술폰산이 그라프트된 ETFE 막(ETFE-g-PVBSA)의 이온교환용량, 술폰화도, 수소이온전도도 측정Experimental Example 3 Measurement of ion exchange capacity, sulfonation degree and hydrogen ion conductivity of polyvinylbenzyl sulfonic acid grafted ETFE membrane (ETFE-g-PVBSA)

상기 실시예 6와 비교예 1의 이온교환용량을 측정하기 위하여 하기의 실험을 수행하였다.In order to measure the ion exchange capacity of Example 6 and Comparative Example 1, the following experiment was conducted.

실시예 6과 비교예 1에서 제조된 폴리비닐벤질 술폰산이 그라프트된 ETFE 막을 과량의 염화나트륨 수용액(NaCl, 3M)에 24시간 동안 함침시킨 후, 수용액에 생성된 염화수소를 수산화나트륨으로 적정하여 하기의 수학식 2, 3 및 4로 이온교환용량(IECEXP)을 계산하였다.The ETFE membrane obtained by grafting the polyvinylbenzylsulfonic acid prepared in Example 6 and Comparative Example 1 was immersed in an excess amount of an aqueous solution of sodium chloride (NaCl, 3M) for 24 hours, and the hydrogen chloride produced in the aqueous solution was titrated with sodium hydroxide, The ion exchange capacity (IEC EXP ) was calculated by equations (2), (3) and (4).

[수학식 2]&Quot; (2) &quot;

IECEXP (meq/g) = N(meq/㎖)×Y(㎖)/weight of sample(g)IEC EXP (meq / g) = N (meq / ml) x Y (ml) / weight of sample (g)

(N: 적정한 NaOH의 몰농도(meq/㎖), Y: 적정 된 NaOH의 양(㎖))
(N: molar concentration of an appropriate NaOH (meq / ml), Y: amount (ml) of the titrated NaOH)

이온교환용량 이론값(IECTheory)은 하기의 수학식 3에 의해 계산하였다. The ion exchange capacity theoretical value (IEC Theory ) was calculated by the following equation (3).

[수학식 3]&Quot; (3) &quot;

IECTheory (meq/g) = 1000DOG/(100MVBC(eq)+DOG×MPVBC(eq)) IEC Theory (meq / g) = 1000 DOG / (100 M VBC (eq) + DOG x M PVBC (eq))

(DOG: 그라프트율, MVBC: 염화비닐벤질 단량체의 분자량, MPVBC: 폴리비닐벤질 술폰산의 분자량)
(DOG: graft rate, M VBC : molecular weight of vinyl chloride benzyl monomer, M PVBC : molecular weight of polyvinyl benzyl sulfonic acid)

위 두 값을 기준으로 하기 수학식 3을 이용하여 술폰화율(DOS:degree of sulfonation)을 계산하였다.Based on the above two values, the degree of sulfonation (DOS) was calculated using the following equation (3).

[수학식 4]&Quot; (4) &quot;

DOS(%) = (IECEXP/IECTheory)×100DOS (%) = (IEC EXP / IEC Theory ) × 100

상기 실시예 6과 비교예 1의 수소이온전도도 측정을 위해 하기와 같이 실험을 실시하였다. Experiments were carried out as follows to measure the hydrogen ion conductivity of Example 6 and Comparative Example 1.

구체적으로 실시예 1과 비교예 1에서 제조된 ETFE-g-PVBSA막을 AC impedance analyzer(SI 1260, Solatron Company)를 이용하여 전해질의 저항을 측정하였다.Specifically, the electrolyte resistance of the ETFE-g-PVBSA membrane prepared in Example 1 and Comparative Example 1 was measured using an AC impedance analyzer (SI 1260, Solatron Company).

이때, 임피던스 측정은 0.01에서부터 100 kHz의 주파수 범위에서 그리고 상온에서 측정하였으며 하기 수학식 5를 이용하여 수소이온전도도를 계산하였다.At this time, the impedance measurement was performed in a frequency range of 0.01 to 100 kHz and at room temperature, and the hydrogen ion conductivity was calculated using the following equation (5).

[수학식 5]&Quot; (5) &quot;

수소이온전도도(σ, S/cm) = L/(A×R)Hydrogen ion conductivity (?, S / cm) = L / (A.times.R)

상기 수학식 5에서 L은 두 개의 전극의 거리, A는 고분자전해질막의 두께 방향에 대한 넓이이며, R은 전기적 저항값이다.
Where L is the distance between two electrodes, A is the width in the thickness direction of the polymer electrolyte membrane, and R is the electrical resistance value.

상기 수학식 2, 3, 4, 5에서 계산한 값을 하기 표 1에 정리하여 나타내었다.The values calculated in the above Equations 2, 3, 4, and 5 are summarized in Table 1 below.

SampleSample DOG (%)DOG (%) IEC (meq/g)IEC (meq / g) DOS (%)DOS (%) proton conductivity (S/cm)proton conductivity (S / cm) 비교예 1Comparative Example 1 5050 1.351.35 6565 0.060.06 실시예 6Example 6 4949 1.651.65 8080 0.120.12 실시예 7Example 7 5151 1.701.70 8282 0.140.14

실시예 6, 실시예 7 및 비교예 1의 그라프트율은 거의 50%로 동일하나 측정된 IEC 값이 실시예 6과 7이 비교예 1보다 높게 나왔다. 술폰화도 또한 같은 현상을 보였다. 이러한 결과는 술폰화 과정에서 전조사로 제조된 실시예 6과 7이 동시조사로 제조된 비교예 1 보다 술폰화가 보다 더 활발히 진행됨을 알 수 있다. 또한 수소 이온 전도도 값도 이러한 영향에 의해 보다 높은 값을 가짐을 확인하였다. The graft ratio of Example 6, Example 7, and Comparative Example 1 is almost equal to 50%, but the measured IEC value is higher than that of Comparative Example 1 in Examples 6 and 7. Sulphonation also showed the same phenomenon. These results indicate that sulfonation is more actively carried out than Comparative Example 1, which was prepared by the simultaneous irradiation of Examples 6 and 7 which were prepared in the sulfonation process. It was also confirmed that the hydrogen ion conductivity value was also higher by this effect.

Claims (11)

a)테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌(FEP, 이하 FEP), 페르플루오로알킬비닐에테르(PFA), 에틸렌테트라플루오로에틸렌(ETFE), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF) 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리술폰(PSU), 폴리에테르술폰(PES), 폴리이미드(PI) 또는 폴리벤질이미다졸(PBI)을 포함하는 고분자 필름에 방사선을 조사하여 방사선 조사된 고분자막을 제조하는 단계;
b)염화비닐벤질 단량체 또는 염화비닐벤질 단량체 용액을 제조하되, 상기 염화비닐벤질 단량체 용액에 대하여 아크릴아마이드가 0.01 ~ 0.5 부피%로 포함하는 단계;
c)상기 염화비닐벤질 단량체 또는 염화비닐벤질 단량체 용액에 상기 방사선 조사된 고분자막을 첨가하고 반응시켜 폴리염화비닐벤질이 그라프트된 고분자막을 제조하는 단계; 및
d)상기 폴리염화비닐벤질이 그라프트된 고분자막을 술폰화 반응시켜 폴리비닐벤질 술폰산이 그라프트된 고분자막을 제조하는 단계;를 포함하는 방사선 전조사법을 이용한 수소이온전도성막의 제조방법.
(a) at least one of tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene (FEP), perfluoroalkyl vinyl ether (PFA), ethylene tetrafluoroethylene (ETFE), polyvinylidene fluoride (PVDF) and polytetrafluoro (PEI), polyethersulfone (PSU), polyethersulfone (PES), polyimide (PI) or polybenzylimidazole (PBI) Irradiating the polymer film including the polymeric film to irradiate the polymer film to irradiate the polymer film;
b) preparing a solution of a vinyl chloride benzyl monomer or a vinyl chloride benzyl monomer, wherein the vinyl chloride benzyl monomer solution contains acrylamide in an amount of 0.01 to 0.5% by volume;
c) adding the radiation-irradiated polymer membrane to the vinyl chloride benzyl monomer or vinyl chloride benzyl monomer solution and reacting them to prepare a polyvinyl chloride-grafted polymer membrane; And
and d) preparing a polyvinyl benzyl sulfonic acid-grafted polymer membrane by sulfonating the polyvinyl chloride-grafted polymer membrane to produce a hydrogen ion-conducting membrane.
제1항에 있어서,
상기 방사선은 전자선, 이온빔 또는 감마선인 수소이온전도성막의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the radiation is electron beam, ion beam or gamma ray.
제2항에 있어서,
상기 방사선은 총조사선량이 1 ~ 300 kGy인 수소이온전도성막의 제조방법
3. The method of claim 2,
Wherein the radiation is a method of producing a hydrogen ion conductive film having a total irradiation dose of 1 to 300 kGy
삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 염화비닐벤질 단량체 용액은 용매에 대해 염화비닐벤질 단량체가 20 ~ 90 부피%로 포함된 것인 수소이온전도성막의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the vinyl chloride monomer solution contains 20 to 90% by volume of a vinyl chloride monomer as a solvent.
삭제delete 제 5항에 있어서,
상기 용매는 메탄올, 사염화탄소, 클로로포름, 테트라하이드로퓨란), 디클로로메탄, 1,2-디클로로에탄, 톨루엔, 1,4-다이옥신, 헥산, 헵탄 및 이소프로판올에서 선택되는 어느 하나이상인 수소이온전도성막의 제조방법.
6. The method of claim 5,
Wherein the solvent is at least one selected from the group consisting of methanol, carbon tetrachloride, chloroform and tetrahydrofuran), dichloromethane, 1,2-dichloroethane, toluene, 1,4-dioxane, hexane, heptane and isopropanol .
제 1항에 있어서,
상기 c)단계의 반응은 50 ~ 70 ℃에서 1 ~ 48시간동안 수행되는 수소이온전도성막의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the reaction of step c) is carried out at 50 to 70 캜 for 1 to 48 hours.
제1항에 있어서,
상기 c)단계 후 폴리염화비닐벤질이 그라프트된 고분자막을 건조하는 단계를 더 포함하는 수소이온전도성막의 제조방법.
The method according to claim 1,
And drying the polyvinyl chloride-grafted polymer membrane after the step c).
제1항에 있어서,
상기 d)단계의 술폰화 반응은,
1)상기 c)단계의 폴리염화비닐벤질이 그라프트된 고분자막을 티오우레아 용액과 반응시켜 티오우로늄 염을 도입시키는 단계;
2)상기 티오우로늄 염이 도입된 고분자막을 염기성용액에 첨가하여 가수분해시켜 티올기를 포함하는고분자막을 제조하는 단계; 및
3)상기 티올기를 포함하는 고분자막을 산화시키는 단계;를 포함하는 수소이온전도성막의 제조 방법.
The method according to claim 1,
The sulfonation reaction in step d)
1) reacting the polyvinyl chloride-grafted polymer membrane of step c) with a thiourea solution to introduce a thiouronium salt;
2) adding the thiouronium salt-introduced polymer membrane to a basic solution to hydrolyze the polymer membrane to prepare a polymer membrane including a thiol group; And
3) oxidizing the polymer membrane containing the thiol group.
제1항 내지 제3항, 제5항 및 제 7항 내지 제10항의 어느 한 항에 따라 제조되는 수소이온전도성막.A hydrogen-ion-conducting membrane produced according to any one of claims 1 to 3, 5 and 7 to 10.
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