KR101543359B1 - Ion-conducting polymer based on polyphenylene structure and use thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 폴리페닐렌 구조를 기본 골격으로 포함하되 후처리에 의해 측쇄에 친수성 치환기들이 도입되는 친수성 부분과 측쇄에 하나 이상의 페닐렌기가 연결된 소수성 부분을 포함하는 이온전도성 고분자, 상기 고분자의 제조방법, 상기 고분자를 포함하는 이온전도체, 상기 고분자를 포함하는 수지 조성물로부터 형성된 성형체 및 상기 고분자를 포함하는 수지 조성물로부터 성형된 전해질막을 구비한 전지에 관한 것이다.The present invention relates to an ion conductive polymer comprising a hydrophilic moiety having a polyphenylene structure as a basic skeleton and having hydrophilic substituents introduced into the side chain by post treatment and a hydrophobic moiety having one or more phenylene groups connected to the side chain, An ion conductor including the polymer, a molded article formed from the resin composition containing the polymer, and an electrolyte membrane formed from the resin composition containing the polymer.

Description

폴리페닐렌 구조를 기본으로 하는 이온전도성 고분자 및 이의 용도{Ion-conducting polymer based on polyphenylene structure and use thereof}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an ion conductive polymer based on a polyphenylene structure,

본 발명은 폴리페닐렌 구조를 기본 골격으로 포함하되 후처리에 의해 측쇄에 친수성 치환기들이 도입되는 친수성 부분과 측쇄에 하나 이상의 페닐렌기가 연결된 소수성 부분을 포함하는 이온전도성 고분자, 상기 고분자의 제조방법, 상기 고분자를 포함하는 이온전도체, 상기 고분자를 포함하는 수지 조성물로부터 형성된 성형체 및 상기 고분자를 포함하는 수지 조성물로부터 성형된 전해질막을 구비한 전지에 관한 것이다.
The present invention relates to an ion conductive polymer comprising a hydrophilic moiety having a polyphenylene structure as a basic skeleton and having hydrophilic substituents introduced into the side chain by post treatment and a hydrophobic moiety having one or more phenylene groups connected to the side chain, An ion conductor including the polymer, a molded article formed from the resin composition containing the polymer, and an electrolyte membrane formed from the resin composition containing the polymer.

연료전지는 연료의 화학적 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환시키는 에너지 전환 장치로써 높은 에너지 효율성과 오염물 배출이 적은 친환경적인 특징으로 차세대 에너지원으로 연구 개발되어져 왔다. 고분자 전해질막을 포함하는 양성자 교환막 연료전지(proton exchange membrane fuel cell a.k.a. polymer electrolyte membrane fuel cell; PEMFC)는 낮은 작동온도, 고체 전해질 사용으로 인한 누수문제 배제, 빠른 구동 등의 장점으로 휴대용, 차량용 및 가정용 전원장치로 각광받고 있다.Fuel cells are energy conversion devices that convert the chemical energy of fuels directly into electric energy, and have been developed as a next generation energy source with high energy efficiency and eco-friendly characteristics with less pollutant emissions. Proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) containing polymer electrolyte membranes have advantages such as low operating temperature, elimination of leakage problems due to the use of solid electrolytes, and fast operation, Devices.

일반적으로 고분자 전해질 연료전지에서 사용되는 전해질막은 불소화된(perfluorinated) 고분자 전해질과 탄화수소계(hydrocarbon) 고분자 전해질로 나눌 수 있다. 상기 불소화된 고분자 전해질은 탄소-불소(C-F)간의 강한 결합력과 불소원자의 특징인 가림(shielding) 효과로 화학적으로 안정하며, 기계적인 물성도 우수하고, 특히 수소이온 교환막으로 전도성이 우수하여 현재 고분자 전해질형 연료전지의 고분자막으로 상용화되고 있다. 미국 듀퐁(Du Pont)사의 상품인 네피온(Nafion, 퍼플루오르화 술폰산 중합체)은 상용화된 수소이온 교환막의 대표적인 예로서 이온전도도, 화학적 안정성, 이온 선택성 등이 우수하여 현재 가장 많이 상용화되고 있다. 그러나, 불소화된 고분자 전해질막은 우수한 성능에 반하여 높은 가격으로 인해 산업용으로서의 이용도가 낮으며, 메탄올이 고분자막을 통과하는 메탄올 투과성(methanol crossover)이 높고, 80℃ 이상에서의 고분자막의 효율이 감소되는 단점이 있어 가격면에서 경쟁이 가능한 탄화수소 이온 교환막에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.In general, an electrolyte membrane used in a polymer electrolyte fuel cell can be divided into a perfluorinated polymer electrolyte and a hydrocarbon polymer electrolyte. The fluorinated polymer electrolyte is chemically stable due to a strong binding force between carbon-fluorine (CF) and a shielding effect which is a characteristic of a fluorine atom, and has excellent mechanical properties. Particularly, And has been commercialized as a polymer membrane of an electrolyte type fuel cell. Nafion (perfluorinated sulfonic acid polymer), a product of Du Pont, USA, is a typical example of a commercially available hydrogen ion exchange membrane, and has been most commercially used since it has excellent ionic conductivity, chemical stability and ion selectivity. However, the fluorinated polymer electrolyte membrane has a low utilization rate for industrial use due to its high price compared to the excellent performance, a disadvantage that the methanol permeability (methanol crossover) of methanol through the polymer membrane is high and the efficiency of the polymer membrane is decreased And therefore, researches on hydrocarbon ion exchange membranes that can be competitive in terms of price have been actively conducted.

연료전지에 사용되는 고분자 전해질막은 연료전지 구동시 요구되는 조건에서 안정해야 하므로 사용가능한 고분자가 방향족 폴리에테르(aromatic polyether; APE) 등으로 매우 제한된다. 연료전지 구동 시 가수분해, 산화, 환원반응 등이 고분자막의 분해를 야기하여 연료전지의 성능을 저하시킨다. 따라서, 폴리에테르케톤(polyetherketone), 폴리에테르술폰(polyethersulfone) 계열의 폴리아릴렌에테르(polyaryleneether) 고분자는 우수한 화학적 안정성과 기계적 물성으로 인해 이를 연료전지에 적용하는 것이 연구되어져 왔다.Since the polymer electrolyte membrane used in the fuel cell must be stable under the conditions required for driving the fuel cell, the usable polymer is very limited by aromatic polyether (APE) and the like. Hydrolysis, oxidation, and reduction reactions during the operation of a fuel cell cause degradation of the polymer membrane, thereby deteriorating the performance of the fuel cell. Therefore, polyetherketone and polyethersulfone-based polyaryleneether polymers have been studied for application to fuel cells due to their excellent chemical stability and mechanical properties.

미국특허 제4,625,000호는 고분자 전해질막으로 폴리에테르술폰(polyethersufone)의 후처리 술폰화(post-sulfonation) 공정에 대하여 개시하고 있다. 상기 문헌에 개시된 후처리 술폰화 방법은 황산(sulfuric acid)과 같은 강산을 술폰화제로 사용하고, 술폰산기(sulfonic acid group, -SO3H)가 고분자 골격에 무작위로 도입되므로 술폰산기의 분포, 위치, 수 등의 제어가 어렵다.U.S. Patent No. 4,625,000 discloses a post-sulfonation process of a polyethersufone with a polymer electrolyte membrane. The post-treatment sulfonation method disclosed in the above document uses a strong acid such as sulfuric acid as a sulfonating agent and randomly introduces a sulfonic acid group (-SO 3 H) into the polymer skeleton, so that the distribution of sulfonic acid groups, It is difficult to control the position, number, and the like.

또한, 유럽특허 제1,113,517 A2호는 술폰산기를 가진 블록, 술폰산기를 가지지 않는 블록으로 구성된 블록 공중합체 고분자 전해질막에 대하여 개시하고 있다. 지방족(aliphatic) 블록과 방향족(aromatic) 블록으로 구성되어진 블록 공중합체를 강산인 황산을 사용하여 후처리 술폰화하므로, 술폰화 과정에서 지방족 고분자의 화학결합이 분해되는 등의 문제점이 있고, 방향족 블록을 구성하는 환에 술폰산기가 무작위로 도입되어 고분자 골격 내 술폰산기의 위치, 수 등의 제어가 어렵다.In addition, European Patent No. 1,113,517 A2 discloses a block copolymer polyelectrolyte membrane composed of a block having a sulfonic acid group and a block having no sulfonic acid group. There is a problem such that the chemical bond of the aliphatic polymer is decomposed during the sulfonation process because the block copolymer composed of the aliphatic block and the aromatic block is sulfonated using sulfuric acid which is a strong acid, It is difficult to control the position and number of sulfonic acid groups in the polymer skeleton.

한편, 일본공개특허공보 제2003-147074호는 플루오렌(fluorene) 화합물이 포함되어 있는 공중합체를 클로로황산(chlorosulfonic acid, HSO3Cl), 또는 황산을 사용하여 술폰산기를 고분자의 플루오렌에 도입하는 방법에 대하여 개시하고 있다. 상기 방법에서는 플루오렌(fluorene) 화합물을 구성하는 환에 술폰기가 무작위로 도입된다.On the other hand, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-147074 discloses a method of introducing a sulfonic acid group into a fluorene of a polymer by using a chlorosulfonic acid (HSO 3 Cl) or a sulfuric acid as a copolymer containing a fluorene compound Method. In this method, a sulfone group is randomly introduced into a ring constituting a fluorene compound.

전술한 종래기술에서 제시한 고분자 술폰화 방법들은, 상용화된 나피온(Nafion, Dupont)과 유사한 수소이온 전도도를 구현하고자 술폰산기 함량(술폰화도; DS, Degree of sulfonation)을 증가시킬 경우, 전해질막의 물 함량 및 메탄올 함량이 지나치게 증가해 전해질막이 메탄올에 용해되는 등 전해질막의 기계적 집적도를 현저히 떨어뜨려 연료전지 구동시 요구되는 전해질막의 물성을 충족시키지 못했다.The polymer sulfonation methods proposed in the above-mentioned prior arts have the disadvantages that when the sulfonate group content (sulfonation degree: DS, degree of sulfonation) is increased in order to realize hydrogen ion conductivity similar to that of commercialized Nafion, Dupont, The water content and the methanol content are excessively increased to dissolve the electrolyte membrane in methanol, and the mechanical densities of the electrolyte membranes are remarkably decreased, failing to satisfy the physical properties of the electrolyte membrane required for fuel cell operation.

한편, Fujimoto 등은 Macromolecules에 개재한 논문(Macromolecules, 2005, 38: 5010-5016)을 통해 종래의 열가소성 플라스틱(thermoplastic)을 술폰화하는 경우 비용을 낮추고 열안정성을 향상시킬 수 있으나, 이온전도성 및 화학적 안정성이 나피온 보다 낮은 점을 개선하기 위하여 온전한 방향족 고분자 제조하고 이를 후술폰화하여 이온전도성 고분자를 생산하였다. 그러나 상기 고분자는 열화학적 안정성은 향상된 반면, 강직한 화학구조로 인해 막으로 성형이 용이하지 못하였다.
On the other hand, Fujimoto et al. (Macromolecules, 2005, 38: 5010-5016) disclosed in Macromolecules can reduce the cost and thermal stability of conventional thermoplastic sulphonation, In order to improve the stability lower than Nafion, a complete aromatic polymer was prepared and then sulfonated to produce an ion conductive polymer. However, the thermo-chemical stability of the polymer is improved, but the polymer is difficult to be formed into a membrane due to its rigid chemical structure.

본 발명자들은 높은 이온전도도를 나타내면서 동시에 화학적 안정성이 우수한 연료전지용 전해질막을 제공하기 위하여, 측쇄에 치환된 펜던트 페닐기에 선택적으로 친수성 작용기 예컨대, 술폰산기를 도입하여 조밀하고 국부적으로(densely and locally) 술폰화된 구조를 형성시킴으로써 친수성 도메인과 소수성 도메인의 효과적인 상분리를 유발할 수 있는 고분자를 설계하고, 추가로 고분자 골격을 반응성이 높은 에테르 결합(-O-)없이 탄소-탄소 결합으로 구성함으로써 다양한 라디칼에 대한 화학적 안정성을 높일 수 있는 고분자를 설계하였다.
In order to provide an electrolyte membrane for a fuel cell which exhibits a high ionic conductivity and an excellent chemical stability at the same time, the present inventors have found that by introducing a hydrophilic functional group such as a sulfonic acid group selectively to the pendant phenyl group substituted on the side chain, and densely and locally sulfonated Polymer structure capable of inducing effective phase separation between a hydrophilic domain and a hydrophobic domain by forming a polymer structure and further constituting a polymer skeleton as a carbon-carbon bond without a highly reactive ether bond (-O-), thereby achieving chemical stability against various radicals The polymer was designed.

본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 친수성 페닐렌 반복단위 및 하기 화학식 2로 표시되는 소수성 페닐렌 반복단위를 고분자 골격(backbone)에 포함하는 이온전도성 고분자를 제공한다:The present invention provides an ion conductive polymer comprising a hydrophilic phenylene repeating unit represented by the following formula (1) and a hydrophobic phenylene repeating unit represented by the following formula (2) in a polymer backbone:

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Figure 112013037852317-pat00001
Figure 112013037852317-pat00001

[화학식 2](2)

Figure 112013037852317-pat00002
Figure 112013037852317-pat00002

상기 화학식에서,In the above formulas,

R1 내지 R3은 각각 독립적으로 수소원자(-H)이거나; 하나 이상의 술폰산기(-SO3H), 포스폰산기(-PO3H2) 또는 카르복시산기(-CO2H) 또는 이들의 알칼리 금속염으로 치환된 아릴기(aryl); 또는 퍼플루오로알킬기; 그 쇄에 하나 이상의 산소, 질소 또는 황원자를 포함 또는 불포함하는 퍼플루오로알킬아릴기; 퍼플루오로아릴기; 또는 -O-퍼플루오로아릴기이고, 상기 퍼플루오로 화합물은 하나 이상의 술폰산기, 포스폰산기 또는 카르복시산기 또는 이들의 알칼리 금속염을 포함하며,R 1 to R 3 are each independently a hydrogen atom (-H); An aryl group substituted with at least one sulfonic acid group (-SO 3 H), a phosphonic acid group (-PO 3 H 2 ), or a carboxylic acid group (-CO 2 H) or an alkali metal salt thereof; Or a perfluoroalkyl group; A perfluoroalkylaryl group containing at least one oxygen, nitrogen or sulfur atom in the chain; A perfluoroaryl group; Or an -O-perfluoroaryl group, and the perfluoro compound includes at least one sulfonic acid group, a phosphonic acid group or a carboxylic acid group or an alkali metal salt thereof,

R4는 각각 독립적으로 수소원자, 불소원자, 아릴기, 퍼플루오르알킬기, 또는 그 쇄에 하나 이상의 산소, 질소 또는 황원자를 포함하는 퍼플루오로알킬아릴기, 퍼플루오로아릴기 또는 -O-퍼플루오로아릴기이고,R 4 each independently represents a hydrogen atom, a fluorine atom, an aryl group, a perfluoroalkyl group, or a perfluoroalkylaryl group containing at least one oxygen, nitrogen or sulfur atom in its chain, a perfluoroaryl group or a -O-purple Lt; / RTI >

단, R1 내지 R3 중 적어도 하나는 하나 이상의 술폰산기, 포스폰산기 또는 카르복시산기 또는 이들의 알칼리 금속염으로 치환된 아릴기며;Provided that at least one of R 1 to R 3 is an aryl group substituted with at least one sulfonic acid group, a phosphonic acid group or a carboxylic acid group or an alkali metal salt thereof;

Ar1은 페닐렌(phenylene), 하나 이상의 불소로 치환된 페닐렌, 피리디닐렌(pyridinylene), 피리다지닐렌(pyridazinylene), 피리미디닐렌(pyrimidinylene), 바이페닐렌(biphenylene), 바이피리디닐렌(bipyridinylene), 나프틸렌(naphthylene), 안트라세닐렌(anthracenylene), 파이레닐렌(pyrenylene),

Figure 112013037852317-pat00003
,
Figure 112013037852317-pat00004
,
Figure 112013037852317-pat00005
또는
Figure 112013037852317-pat00006
이고,Ar 1 is selected from the group consisting of phenylene, phenylene substituted with one or more fluorine, pyridinylene, pyridazinylene, pyrimidinylene, biphenylene, But are not limited to, bipyridinylene, naphthylene, anthracenylene, pyrenylene,
Figure 112013037852317-pat00003
,
Figure 112013037852317-pat00004
,
Figure 112013037852317-pat00005
or
Figure 112013037852317-pat00006
ego,

이때, J는 단일결합, -O-, -S-, -(C=O)-, -(P=O)-, -(SO2)-, -CF2- 또는 -(C(CF3)2)-이며;In this case, J is a single bond, -O-, -S-, - (C = O) -, - (P = O) -, - (SO 2) -, -CF 2 - or - (C (CF 3) 2 ) -;

Ar2

Figure 112013037852317-pat00007
또는
Figure 112013037852317-pat00008
이고,Ar 2 is
Figure 112013037852317-pat00007
or
Figure 112013037852317-pat00008
ego,

이때, R10 내지 R17은 각각 독립적으로 수소원자; 불소원자; 아릴기; 퍼플루오로알킬기; 그 쇄에 하나 이상의 산소, 질소, 황원자 또는 이들의 조합을 포함 또는 불포함하는 퍼플루오로알킬아릴기; 퍼플루오로아릴기; 또는 -O-퍼플루오로아릴기이며,Here, R 10 to R 17 are each independently a hydrogen atom; Fluorine atom; An aryl group; A perfluoroalkyl group; A perfluoroalkylaryl group containing at least one oxygen, nitrogen, sulfur or combinations thereof in the chain; A perfluoroaryl group; Or an -O-perfluoroaryl group,

T는 단일결합, -O-, -S-, -(C=O)-, -(P=O)-, -(SO2)-, -CF2- 또는 -(C(CF3)2)-이고;T represents a single bond, -O-, -S-, - (C = O) -, - (P = O) -, - (SO 2) -, -CF 2 - or - (C (CF 3) 2 ) -ego;

W는 단일결합, -O-, -S-, -(C=O)-, -(P=O)-, -(SO2)-, -CF2- 또는 -(C(CF3)2)-이며;W is a single bond, -O-, -S-, - (C = O) -, - (P = O) -, - (SO 2) -, -CF 2 - or - (C (CF 3) 2 ) -;

R5 내지 R9는 각각 독립적으로 수소원자; 불소원자; 아릴기; 퍼플루오로알킬기; 그 쇄에 하나 이상의 산소, 질소, 황원자 또는 이들의 조합을 포함 또는 불포함하는 퍼플루오로알킬아릴기; 퍼플루오로아릴기; 또는 -O-퍼플루오로아릴기이고;R 5 to R 9 each independently represent a hydrogen atom; Fluorine atom; An aryl group; A perfluoroalkyl group; A perfluoroalkylaryl group containing at least one oxygen, nitrogen, sulfur or combinations thereof in the chain; A perfluoroaryl group; Or an -O-perfluoroaryl group;

a는 0 내지 10의 정수임.
a is an integer of 0 to 10;

또한 본 발명은 하기 화학식 3으로 표시되는 반복단위를 포함하는 화합물을 제공한다:The present invention also provides a compound comprising a repeating unit represented by the following Formula 3:

[화학식 3](3)

Figure 112013037852317-pat00009
Figure 112013037852317-pat00009

상기 화학식에서,In the above formulas,

R1 내지 R3은 각각 독립적으로 수소원자이거나; 하나 이상의 술폰산기, 포스폰산기 또는 카르복시산기 또는 이들의 알칼리 금속염으로 치환된 아릴기; 또는 퍼플루오로알킬기; 그 쇄에 하나 이상의 산소, 질소 또는 황원자를 포함 또는 불포함하는 퍼플루오로알킬아릴기; 퍼플루오로아릴기; 또는 -O-퍼플루오로아릴기이고, 상기 퍼플루오로 화합물은 하나 이상의 술폰산기, 포스폰산기 또는 카르복시산기 또는 이들의 알칼리 금속염을 포함하며R 1 to R 3 are each independently a hydrogen atom; An aryl group substituted with at least one sulfonic acid group, a phosphonic acid group or a carboxylic acid group or an alkali metal salt thereof; Or a perfluoroalkyl group; A perfluoroalkylaryl group containing at least one oxygen, nitrogen or sulfur atom in the chain; A perfluoroaryl group; Or an -O-perfluoroaryl group, and the perfluoro compound includes at least one sulfonic acid group, a phosphonic acid group or a carboxylic acid group or an alkali metal salt thereof,

R4는 각각 독립적으로 수소원자, 불소원자, 아릴기, 퍼플루오르알킬기, 또는 그 쇄에 하나 이상의 산소, 질소 또는 황원자를 포함하는 퍼플루오로알킬아릴기, 퍼플루오로아릴기 또는 -O-퍼플루오로아릴기이고,R 4 each independently represents a hydrogen atom, a fluorine atom, an aryl group, a perfluoroalkyl group, or a perfluoroalkylaryl group containing at least one oxygen, nitrogen or sulfur atom in its chain, a perfluoroaryl group or a -O-purple Lt; / RTI >

단, R1 내지 R3 중 적어도 하나는 하나 이상의 술폰산기, 포스폰산기 또는 카르복시산기 또는 이들의 알칼리 금속염으로 치환된 아릴기며;Provided that at least one of R 1 to R 3 is an aryl group substituted with at least one sulfonic acid group, a phosphonic acid group or a carboxylic acid group or an alkali metal salt thereof;

Ar1은 페닐렌, 하나 이상의 불소로 치환된 페닐렌, 피리디닐렌, 피리다지닐렌, 피리미디닐렌, 바이페닐렌, 바이피리디닐렌, 나프틸렌, 안트라세닐렌, 파이레닐렌,

Figure 112013037852317-pat00010
,
Figure 112013037852317-pat00011
,
Figure 112013037852317-pat00012
또는
Figure 112013037852317-pat00013
이고,Ar 1 is selected from the group consisting of phenylene, phenylene substituted with one or more fluorine, pyridinylene, pyridazinylene, pyrimidinylene, biphenylene, bipyridinylene, naphthylene, anthracenylene, pyrenylene,
Figure 112013037852317-pat00010
,
Figure 112013037852317-pat00011
,
Figure 112013037852317-pat00012
or
Figure 112013037852317-pat00013
ego,

이때, J는 단일결합, -O-, -S-, -(C=O)-, -(P=O)-, -(SO2)-, -CF2- 또는 -(C(CF3)2)-이며;In this case, J is a single bond, -O-, -S-, - (C = O) -, - (P = O) -, - (SO 2) -, -CF 2 - or - (C (CF 3) 2 ) -;

Ar2

Figure 112013037852317-pat00014
또는
Figure 112013037852317-pat00015
이고,Ar 2 is
Figure 112013037852317-pat00014
or
Figure 112013037852317-pat00015
ego,

이때, R10 내지 R17은 각각 독립적으로 수소원자; 불소원자; 아릴기; 퍼플루오로알킬기; 그 쇄에 하나 이상의 산소, 질소, 황원자 또는 이들의 조합을 포함 또는 불포함하는 퍼플루오로알킬아릴기; 퍼플루오로아릴기; 또는 -O-퍼플루오로아릴기이며,Here, R 10 to R 17 are each independently a hydrogen atom; Fluorine atom; An aryl group; A perfluoroalkyl group; A perfluoroalkylaryl group containing at least one oxygen, nitrogen, sulfur or combinations thereof in the chain; A perfluoroaryl group; Or an -O-perfluoroaryl group,

T는 단일결합, -O-, -S-, -(C=O)-, -(P=O)-, -(SO2)-, -CF2- 또는 -(C(CF3)2)-이고;T represents a single bond, -O-, -S-, - (C = O) -, - (P = O) -, - (SO 2) -, -CF 2 - or - (C (CF 3) 2 ) -ego;

W는 단일결합, -O-, -S-, -(C=O)-, -(P=O)-, -(SO2)-, -CF2- 또는 -(C(CF3)2)-이며;W is a single bond, -O-, -S-, - (C = O) -, - (P = O) -, - (SO 2) -, -CF 2 - or - (C (CF 3) 2 ) -;

R5 내지 R9는 각각 독립적으로 수소원자; 불소원자; 아릴기; 퍼플루오로알킬기; 그 쇄에 하나 이상의 산소, 질소, 황원자 또는 이들의 조합을 포함 또는 불포함하는 퍼플루오로알킬아릴기; 퍼플루오로아릴기; 또는 -O-퍼플루오로아릴기이고;R 5 to R 9 each independently represent a hydrogen atom; Fluorine atom; An aryl group; A perfluoroalkyl group; A perfluoroalkylaryl group containing at least one oxygen, nitrogen, sulfur or combinations thereof in the chain; A perfluoroaryl group; Or an -O-perfluoroaryl group;

a는 0 내지 10의 정수,a is an integer of 0 to 10,

x는 1 내지 1,000의 정수,x is an integer of 1 to 1,000,

y는 1 내지 10,000의 정수,y is an integer from 1 to 10,000,

n은 1 내지 1,000의 정수임.
and n is an integer of 1 to 1,000.

나아가, 본 발명은 상기 이온전도성 고분자 또는 화합물의 제조방법으로서, 적어도 하나의 방향족 고리를 포함하며 양 말단에 각각 사이클로펜타디에논(cyclopendienes)을 포함하는 제1화합물을 준비하는 제1단계; 디에노파일(dienophiles)로서, 적어도 하나의 방향족 고리와 알킨기를 포함하는 제2화합물을 준비하는 제2단계; 상기 제1화합물 및 제2화합물을 혼합하여 하기 반응식 1로 표시되는 Diels-Alder 반응에 의해 양 말단에 반응성 작용기를 갖는 친수성 전구체를 준비하는 제3단계; 상기 제3단계로부터 준비된 친수성 전구체를 화학식 2의 소수성 단량체와 혼합하여 공중합체를 형성하는 제4단계; 및 상기 제4단계의 공중합체를 후처리 수식하여 치환기로서 술폰산기, 포스폰산기, 질산기, 할로겐원자 또는 카르복시산기를 도입하는 제5단계를 포함하는 제조방법을 제공한다.Further, the present invention provides a process for preparing the ion conductive polymer or compound, comprising the steps of: preparing a first compound containing at least one aromatic ring and containing cyclopendienes at both ends; A second step of preparing, as dienophiles, a second compound comprising at least one aromatic ring and an alkyne group; A third step of mixing the first compound and the second compound to prepare a hydrophilic precursor having reactive functional groups at both terminals by the Diels-Alder reaction represented by the following Reaction Scheme 1; A fourth step of mixing a hydrophilic precursor prepared from the third step with a hydrophobic monomer of formula (2) to form a copolymer; And a fourth step of post-treating the copolymer to introduce a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, a nitric acid group, a halogen atom or a carboxylic acid group as a substituent.

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

Figure 112013037852317-pat00016

Figure 112013037852317-pat00016

또한, 본 발명은 상기 고분자를 포함하는 이온전도체를 제공한다.The present invention also provides an ion conductor comprising the polymer.

나아가, 본 발명은 상기 고분자를 포함하는 수지 조성물로부터 형성된 성형체를 제공한다.Further, the present invention provides a molded article formed from the resin composition containing the polymer.

더 나아가, 본 발명은 고분자를 포함하는 수지 조성물로부터 성형된 전해질막을 구비한 전지를 제공한다.
Still further, the present invention provides a battery having an electrolyte membrane formed from a resin composition containing a polymer.

이하, 본 발명을 자세히 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명에 따른 이온전도성 고분자는, 폴리페닐렌 구조를 기본 골격으로 포함하되 후처리에 의해 측쇄에 친수성 치환기들이 도입되는 친수성 부분과 측쇄에 하나 이상의 페닐렌기가 연결된 소수성 부분을 포함하고, 상기 소수성 부분의 측쇄는 전자끌게기를 통해 고분자의 주쇄골격에 연결됨으로써 친수성 치환기 도입을 위한 후처리 과정을 수행하여도 상기 측쇄에는 치환기가 도입되지 않으므로 소수성을 유지하는 것이 특징이다. 또한 본 발명에 따른 고분자는 페닐렌기 또는 아릴렌기 등의 방향족 고리화합물이 직접 결합된 강직한 주쇄골격을 가지며, 후처리에 의해 도입되는 친수성 치환기들은 상기 주쇄골격에 치환된 이른바, 펜던트 페닐기에만 선택적으로 결합하므로 조밀하고 국부적으로 술폰화된 구조를 형성하는 것이 특징이다. 이에 따라 본 발명에 따른 고분자는 주쇄에 화학적 반응성이 높은 에테르 결합없이 탄소-탄소 결합으로 형성되므로 다양한 라디칼에 대한 화학적 안정성이 향상되고, 친수성 부분과 소수성 부분의 효과적인 상분리를 유발할 수 있다.The ion conductive polymer according to the present invention comprises a hydrophilic portion having a polyphenylene structure as a basic skeleton and having hydrophilic substituents introduced into the side chain by post treatment and a hydrophobic portion having at least one phenylene group connected to the side chain, Is bonded to the backbone of the polymer through an electron-withdrawing group to maintain hydrophobicity because a substituent is not introduced into the side chain even if a post-treatment for introducing a hydrophilic substituent is carried out. The polymer according to the present invention has a rigid backbone structure in which an aromatic ring compound such as a phenylene group or an arylene group is directly bonded. The hydrophilic substituents introduced by post-treatment are selectively added to only the so-called pendant phenyl group It is characterized by the fact that it combines to form a dense, localized sulfonated structure. Accordingly, since the polymer according to the present invention is formed into a carbon-carbon bond without an ether bond having a high chemical reactivity in the main chain, the chemical stability against various radicals is improved and effective phase separation of the hydrophilic part and the hydrophobic part can be induced.

상기 "펜던트"는 주쇄골격을 구성하는 요소가 아닌 측쇄에 결합된 작용기 특히 페닐기 등의 방향족 고리 치환기를 폭넓게 의미하는 것으로 이들 치환기는 다소간의 반응성을 가지므로 치환기를 도입할 수 있다. 상기 펜던트는 후처리과정에서 입체적인 효과에 의해 주쇄골격을 형성하는 아릴렌기를 보호하는 한편 해당 방향족 고리 치환기에는 친수성을 부여할 수 있는 치환기를 도입할 수 있으므로, 치환기의 도입 정도를 조절할 수 있도록 한다.The "pendant" broadly refers to a functional group bonded to a side chain other than an element constituting the main chain skeleton, particularly an aromatic ring substituent such as a phenyl group. These substituents may have substituents because they have more or less reactivity. The pendant is capable of introducing a substituent capable of imparting hydrophilicity to the aromatic ring substituent while protecting the arylene group forming the main chain skeleton by a three-dimensional effect in the post-treatment process, thereby controlling the degree of introduction of the substituent.

이와 같이, 측쇄에 펜던트 아릴기를 도입하고 후처리를 통해 술폰산기 등의 친수성 치환기를 도입함으로써 친수성 부분의 유동성을 증대시켜 보다 효과적으로 친수성 채널을 형성할 수 있으며, 보다 효과적인 나노 상분리를 유발할 수 있다. 또한, 도입되는 펜던트 치환기 수를 조절하여 술폰화 정도를 조절할 수도 있다. 한편, 고분자 주쇄골격이 직접 술폰화되는 것을 방지하고 이와 떨어진 곳에 술폰산기가 위치하게 되므로 도입된 치환기로 인해 유도될 수 있는 고분자 주쇄골격의 분해 가능성을 감소시킬 수 있다.As described above, by introducing a pendant aryl group into the side chain and introducing a hydrophilic substituent such as a sulfonic acid group through a post-treatment, the hydrophilic part can be more fluidized to form a more hydrophilic channel, and more effective nano-phase separation can be induced. In addition, the degree of sulfonation may be controlled by controlling the number of pendant substituents introduced. On the other hand, since the polymer backbone skeleton is prevented from being directly sulfonated and the sulfonic acid group is located at a distance therefrom, the decomposition possibility of the polymer backbone structure that can be induced by the introduced substituent can be reduced.

상기 후처리에 의해 도입되는 친수성 작용기인 술폰산기(sulfuric acid group; -SO3H), 포스폰산기(phosphonic acid group; -PO3H2) 또는 카르복시산기(carboxylic acid group; -CO2H)는 고분자 전해질막에 수소이온(proton, H+) 전도성을 부여하기 위해 도입된다. 동일한 목적으로 상기 산 작용기들의 알칼리 금속염을 사용할 수 있다. 상기 "알칼리 금속염"은 Na, K, Li, Rb, Cs 또는 Fr 등의 알칼리족 금속의 양이온이 친수성 작용기들의 양성자를 대신하는 것일 수 있다. 바람직하게 상기 친수성 작용기는 술폰산기일 수 있다. 상기 술폰산기는 나트륨염, 칼륨염 또는 리튬염일 수 있으며, 보다 바람직하게는 나트륨염의 형태일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
A sulfonic acid group (-SO 3 H), a phosphonic acid group (-PO 3 H 2 ), or a carboxylic acid group (-CO 2 H), which are hydrophilic functional groups introduced by the post- Is introduced to impart hydrogen ion (proton, H + ) conductivity to the polymer electrolyte membrane. For the same purpose, alkali metal salts of the above acid functional groups can be used. The "alkali metal salt" may be that a cation of an alkali metal such as Na, K, Li, Rb, Cs or Fr replaces a proton of hydrophilic functional groups. Preferably, the hydrophilic functional group may be a sulfonic acid group. The sulfonic acid group may be a sodium salt, a potassium salt, or a lithium salt, and more preferably, it may be in the form of a sodium salt, but is not limited thereto.

한편, 상기 술폰산기, 포스폰산기 또는 카르복시산기 및 이의 알칼리 금속염은 친수성이므로 이들 치환기를 많이 도입하는 경우 고분자 전해질막의 내수성이 악화되고 물 함량 증가에 따른 팽윤에 의해 고분자 전해질막의 기계적 강도, 집적도 저하 등에 의하여 연료전지 구동시 요구되는 고분자 전해질막의 물성을 충족시키기 힘들 수 있다. 따라서, 본 발명의 고분자는 상기 화학식 2로 표시되는 소수성 단량체를 골격에 포함하므로 증가된 기계적 강도를 제공할 수 있으며, 효과적으로 이온교환율을 조절할 수 있다.
On the other hand, the sulfonic acid group, the phosphonic acid group, or the carboxylic acid group and the alkali metal salt thereof are hydrophilic. Therefore, when a large amount of such a substituent is introduced, the water resistance of the polymer electrolyte membrane deteriorates and the mechanical strength and density of the polymer electrolyte membrane deteriorate due to swelling It may be difficult to satisfy the physical properties of the polymer electrolyte membrane required for driving the fuel cell. Accordingly, since the polymer of the present invention contains the hydrophobic monomer represented by the above formula (2) in the skeleton, it can provide an increased mechanical strength and can effectively control the ion exchange rate.

바람직하게 본 발명에 따른 고분자의 분자량은 10,000 내지 1,000,000의 Mn(수평균 분자량; number-average molecular weight) 또는 10,000 내지 10,000,000의 Mw(중량평균 분자량; weight-average molecular weight)의 분자량을 갖는 것일 수 있다. 보다 바람직하게는 10,000 내지 300,000의 Mn 또는 10,000 내지 2,000,000의 Mw를 갖는 것일 수 있다. 분자량이 낮은 경우 예컨대, 10,000 미만인 경우, 필름 형성이 어려우며, 수분 함유량이 증대되고 라디칼의 공격에 쉽게 분해되어 전도도 및 내구성이 감소할 수 있다. 반면, 분자량이 높은 경우 예컨대, 수평균 분자량이 1,000,000을 초과하거나 중량평균 분자량이 10,000,000을 초과하는 경우, 급격히 증대된 점도로 인해 고분자 용액의 제조 및 필름으로의 성형이 어려워져 막 제조 공정이 불가능해질 수 있다.
Preferably, the molecular weight of the polymer according to the present invention may be Mn (number-average molecular weight) of 10,000 to 1,000,000 or molecular weight of Mw (weight-average molecular weight) of 10,000 to 10,000,000 . More preferably from 10,000 to 300,000, or from 10,000 to 2,000,000. When the molecular weight is low, for example, when the molecular weight is less than 10,000, film formation is difficult, the moisture content is increased, and the polymer is easily decomposed by the attack of radicals, thereby decreasing the conductivity and durability. On the other hand, when the molecular weight is high, for example, when the number average molecular weight exceeds 1,000,000 or the weight average molecular weight exceeds 10,000,000, the production of the polymer solution and formation into a film become difficult due to the rapidly increased viscosity, .

바람직하게 본 발명에 따른 고분자는 친수성 부분에 친수성 치환기를 도입할 수 있는 펜던트 아릴기를 측쇄에 포함하는 폴리페닐렌 모이어티의 양말단에 전자끌게기로 연결된 아릴렌기를 도입할 수 있다. 본 발명은 상기한 바와 같이 폴리페닐렌 모이어티의 양말단에 아릴렌기를 도입함으로써 분자량이 큰 고분자를 제공하되 상기 아릴렌기를 전자끌게기로 연결함으로써 이에 결합된 주쇄에 포함된 아릴렌기 예컨대, 페닐렌기는 술폰화되지 않는 고분자를 제공하는 것이 특징이다. 또한 상기 전자끌게기로 연결된 아릴렌기의 도입은 유연성을 부여할 수 있으므로 물리적 강도를 향상시키기 위하여 탄소-탄소 결합만으로 형성된 폴리페닐렌 모이어티에서 나타날 수 있는 막 형성시 부스러지기 쉬워 성형이 용이하지 못한 단점을 극복할 수 있다.Preferably, the polymer according to the present invention may incorporate an arylene group linked to both ends of a polyphenylene moiety having a pendant aryl group in its side chain, which is capable of introducing a hydrophilic substituent into the hydrophilic moiety, via an electron withdrawing group. As described above, the present invention provides a polymer having a large molecular weight by introducing an arylene group at both ends of a polyphenylene moiety, and the arylene group is linked to the arylene group through an electron withdrawing group to form an arylene group The group is characterized by providing a non-sulfonated polymer. In addition, introduction of an arylene group connected to the electron withdrawing group can impart flexibility, so that it is easy to form during the formation of a film which may appear in a polyphenylene moiety formed only of a carbon-carbon bond in order to improve physical strength, Can be overcome.

상기 전자끌게기의 비제한적인 예로는 -O-, -S-, -(C=O)-, -(P=O)-, -(SO2)-, -CF2- 및 -(C(CF3)2)- 등이 있다. 바람직하게는 -(C=O)-일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.Non-limiting examples of the electron withdrawing group include -O-, -S-, - (C = O) -, - (P = O) -, - (SO 2 ) -, -CF 2 - and - CF 3 ) 2 ) - and the like. Preferably - (C = O) -, but is not limited thereto.

본 발명에 따른 고분자는 상기 반복단위는 랜덤(random), 교차(alternating) 또는 순차적(sequential)으로 위치하는 것을 특징으로 하는 고분자일 수 있으며, 블록 공중합체일 수 있다. 충분히 한정되었을 때, 각각의 반복단위의 몰비율은 다양하게 변화될 수 있다.In the polymer according to the present invention, the repeating units may be random, alternating, or sequential. The repeating units may be block copolymers. When sufficiently limited, the molar ratio of each repeating unit can be varied variously.

본 발명에 따른 고분자는 상기 반복단위가 일정한 비율로 결합된 화학식 3으로 표시되는 중합체를 반복단위로 하여 형성되는 고분자일 수 있다.The polymer according to the present invention may be a polymer formed by using a polymer represented by the general formula (3) in which the repeating units are bonded at a certain ratio as repeating units.

[화학식 3](3)

Figure 112013037852317-pat00017
Figure 112013037852317-pat00017

상기 화학식 3에서 R1 내지 R3은 각각 독립적으로 수소원자이거나; 하나 이상의 술폰산기, 포스폰산기 또는 카르복시산기 또는 이들의 알칼리 금속염으로 치환된 아릴기; 또는 퍼플루오로알킬기; 그 쇄에 하나 이상의 산소, 질소 또는 황원자를 포함 또는 불포함하는 퍼플루오로알킬아릴기; 퍼플루오로아릴기; 또는 -O-퍼플루오로아릴기이고, 상기 퍼플루오로 화합물은 하나 이상의 술폰산기, 포스폰산기 또는 카르복시산기 또는 이들의 알칼리 금속염을 포함하며,In Formula 3, R 1 to R 3 are each independently a hydrogen atom; An aryl group substituted with at least one sulfonic acid group, a phosphonic acid group or a carboxylic acid group or an alkali metal salt thereof; Or a perfluoroalkyl group; A perfluoroalkylaryl group containing at least one oxygen, nitrogen or sulfur atom in the chain; A perfluoroaryl group; Or an -O-perfluoroaryl group, and the perfluoro compound includes at least one sulfonic acid group, a phosphonic acid group or a carboxylic acid group or an alkali metal salt thereof,

R4는 각각 독립적으로 수소원자, 불소원자, 아릴기, 퍼플루오르알킬기, 또는 그 쇄에 하나 이상의 산소, 질소 또는 황원자를 포함하는 퍼플루오로알킬아릴기, 퍼플루오로아릴기 또는 -O-퍼플루오로아릴기이고,R 4 each independently represents a hydrogen atom, a fluorine atom, an aryl group, a perfluoroalkyl group, or a perfluoroalkylaryl group containing at least one oxygen, nitrogen or sulfur atom in its chain, a perfluoroaryl group or a -O-purple Lt; / RTI >

단, R1 내지 R3 중 적어도 하나는 하나 이상의 술폰산기, 포스폰산기 또는 카르복시산기 또는 이들의 알칼리 금속염으로 치환된 아릴기며;Provided that at least one of R 1 to R 3 is an aryl group substituted with at least one sulfonic acid group, a phosphonic acid group or a carboxylic acid group or an alkali metal salt thereof;

Ar1은 페닐렌, 하나 이상의 불소로 치환된 페닐렌, 피리디닐렌, 피리다지닐렌, 피리미디닐렌, 바이페닐렌, 바이피리디닐렌, 나프틸렌, 안트라세닐렌, 파이레닐렌,

Figure 112013037852317-pat00018
,
Figure 112013037852317-pat00019
,
Figure 112013037852317-pat00020
또는
Figure 112013037852317-pat00021
이고,Ar 1 is selected from the group consisting of phenylene, phenylene substituted with one or more fluorine, pyridinylene, pyridazinylene, pyrimidinylene, biphenylene, bipyridinylene, naphthylene, anthracenylene, pyrenylene,
Figure 112013037852317-pat00018
,
Figure 112013037852317-pat00019
,
Figure 112013037852317-pat00020
or
Figure 112013037852317-pat00021
ego,

이때, J는 단일결합, -O-, -S-, -(C=O)-, -(P=O)-, -(SO2)-, -CF2- 또는 -(C(CF3)2)-이며;In this case, J is a single bond, -O-, -S-, - (C = O) -, - (P = O) -, - (SO 2) -, -CF 2 - or - (C (CF 3) 2 ) -;

Ar2

Figure 112013037852317-pat00022
또는
Figure 112013037852317-pat00023
이고,Ar 2 is
Figure 112013037852317-pat00022
or
Figure 112013037852317-pat00023
ego,

이때, R10 내지 R17은 각각 독립적으로 수소원자; 불소원자; 아릴기; 퍼플루오로알킬기; 그 쇄에 하나 이상의 산소, 질소, 황원자 또는 이들의 조합을 포함 또는 불포함하는 퍼플루오로알킬아릴기; 퍼플루오로아릴기; 또는 -O-퍼플루오로아릴기이며,Here, R 10 to R 17 are each independently a hydrogen atom; Fluorine atom; An aryl group; A perfluoroalkyl group; A perfluoroalkylaryl group containing at least one oxygen, nitrogen, sulfur or combinations thereof in the chain; A perfluoroaryl group; Or an -O-perfluoroaryl group,

T는 단일결합, -O-, -S-, -(C=O)-, -(P=O)-, -(SO2)-, -CF2- 또는 -(C(CF3)2)-이고;T represents a single bond, -O-, -S-, - (C = O) -, - (P = O) -, - (SO 2) -, -CF 2 - or - (C (CF 3) 2 ) -ego;

W는 단일결합, -O-, -S-, -(C=O)-, -(P=O)-, -(SO2)-, -CF2- 또는 -(C(CF3)2)-이며;W is a single bond, -O-, -S-, - (C = O) -, - (P = O) -, - (SO 2) -, -CF 2 - or - (C (CF 3) 2 ) -;

R5 내지 R9는 각각 독립적으로 수소원자; 불소원자; 아릴기; 퍼플루오로알킬기; 그 쇄에 하나 이상의 산소, 질소, 황원자 또는 이들의 조합을 포함 또는 불포함하는 퍼플루오로알킬아릴기; 퍼플루오로아릴기; 또는 -O-퍼플루오로아릴기이고;R 5 to R 9 each independently represent a hydrogen atom; Fluorine atom; An aryl group; A perfluoroalkyl group; A perfluoroalkylaryl group containing at least one oxygen, nitrogen, sulfur or combinations thereof in the chain; A perfluoroaryl group; Or an -O-perfluoroaryl group;

x는 1 내지 1,000의 정수,x is an integer of 1 to 1,000,

y는 1 내지 10,000의 정수,y is an integer from 1 to 10,000,

n은 1 내지 1,000의 정수이다.and n is an integer of 1 to 1,000.

상기 "아릴기(aryl)"는 방향족 고리화합물로부터 유도된 작용기 또는 치환기를 의미한다. 상기 고리화합물은 탄소원자만으로 구성될 수도 있고, 산소, 황 및/또는 질소로부터 선택되는 하나 또는 그 이상의 헤테로 원자를 포함하여 구성될 수 있다. 예를 들어, 탄소만으로 구성된 아릴기로는 페닐(phenyl), 나프틸(naphthyl), 안트라세닐(anthracenyl) 등이 있으며, 헤테로 원자를 포함하는 아릴기로는 티에닐(thienyl), 인돌일(indolyl), 피리디닐(pyridinyl) 등이 있다. 상기 헤테로 원자를 포함하는 아릴은 헤테로 아릴이라고도 하나 본 발명에서는 아릴이 이를 포함한다.The "aryl" means a functional group or substituent derived from an aromatic ring compound. The cyclic compound may be composed of only carbon atoms and may include one or more hetero atoms selected from oxygen, sulfur and / or nitrogen. For example, the carbon-only aryl group includes phenyl, naphthyl, anthracenyl and the like. Examples of the aryl group containing a hetero atom include thienyl, indolyl, Pyridinyl, and the like. The heteroatom-containing aryl may be heteroaryl, but in the present invention, it is aryl.

"알킬기(alkyl)"은 1 내지 20개의 탄소원자의 포화(saturated) 직쇄(linear) 또는 분지(branched) 구조, 또는 3 내지 20개 탄소원자로 구성되는 포화 고리형 구조이다. 예를 들어, 메틸, 에틸, n-프로필, i-프로필(이소프로필), n-부틸, i-부틸, t-부틸, n-도데실(dodecyl), 시클로 프로필 또는 시클로 헥실기 등이 이에 해당한다. 또한 고리형 구조에 있어서 산소, 황 및/또는 질소로부터 선택되는 하나 또는 그 이상의 헤테로 원자를 포함할 수 있다."Alkyl" is a saturated linear or branched structure of from 1 to 20 carbon atoms, or a saturated cyclic structure consisting of from 3 to 20 carbon atoms. For example, methyl, ethyl, n-propyl, i-propyl (isopropyl), n-butyl, i-butyl, t-butyl, n-dodecyl, cyclopropyl or cyclohexyl groups do. And may contain one or more heteroatoms selected from oxygen, sulfur and / or nitrogen in the cyclic structure.

"퍼플루오로알킬기(perfluoroalkyl)", "퍼플루오로아릴기(perfluoroaryl)", "-O-퍼플루오로아릴기(-O-perfluoroaryl)", 및 "퍼플루오로알킬아릴기(perfluoroalkylaryl)"는 각각 이의 수소원자가 모두 플루오린원자(F)로 치환된 알킬, 아릴 및 -O-아릴을 의미한다.
The term "perfluoroalkyl", "perfluoroaryl", "-O-perfluoroaryl", and "perfluoroalkylaryl" Means alkyl, aryl and -O-aryl in which all of the hydrogen atoms thereof are all substituted with fluorine atoms (F).

바람직하게 상기 화학식 3에서 x와 y의 비는 1:1 내지 1:50, 보다 바람직하게는 1:3 내지 1:20일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 예컨대, 본 발명의 고분자는 화학식 1로 표시되는 측쇄에 술폰산기가 치환된 아릴기를 포함하는 친수성 반복단위 하나에 화학식 2로 표시되는 소수성 반복단위가 1 내지 50개, 바람직하게는 3 내지 20개의 비율로 결합된 중합체를 반복단위로 하여 형성되는 고분자일 수 있다.
Preferably, the ratio of x to y in Formula 3 may be 1: 1 to 1:50, more preferably 1: 3 to 1:20, but is not limited thereto. For example, in the polymer of the present invention, the hydrophilic repeating unit having an aryl group substituted with a sulfonic acid group in the side chain represented by the general formula (1) has 1 to 50, preferably 3 to 20, hydrophobic repeating units represented by the general formula Or may be a polymer formed by using a bonded polymer as a repeating unit.

바람직하게, 본 발명의 고분자는 상기 화학식 3으로 표시되는 화합물로서, R1 내지 R4는 각각 독립적으로 수소원자이거나, 하나 이상의 술폰산기, 포스폰산기 또는 카르복시산기로 치환된 아릴기이고, 상기 술폰산기, 포스폰산기 및 카르복시산기는 알칼리 금속염의 형태일 수 있으며, 상기 R1 내지 R4 중 적어도 하나는 수소원자이며; Ar1은 페닐렌; Ar2

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이고, 이때, R10 내지 R13은 모두 수소원자, T는 -(C=O)-이고; W는 -(C=O)-이며; R5 내지 R9는 모두 수소원자이고; a는 0 내지 10의 정수인 것일 수 있다.Preferably, the polymer of the present invention is a compound represented by the general formula (3), wherein each of R 1 to R 4 is independently a hydrogen atom or an aryl group substituted with at least one sulfonic acid group, a phosphonic acid group or a carboxylic acid group, , The phosphonic acid group and the carboxylic acid group may be in the form of an alkali metal salt, at least one of R 1 to R 4 is a hydrogen atom; Ar 1 is phenylene; Ar 2 is
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, Wherein R 10 to R 13 are all hydrogen atoms and T is - (C = O) -; W is - (C = O) -; R 5 to R 9 are both hydrogen atoms; and a may be an integer of 0 to 10.

보다 바람직하게, R1 내지 R4는 각각 독립적으로 수소원자이거나, 하나 이상의 술폰산기로 치환된 아릴기이고, 상기 술폰산기는 알칼리 금속염의 형태일 수 있으며, 상기 R1 내지 R4 중 하나는 수소원자인 고분자일 수 있다.More preferably, R 1 to R 4 are each independently a hydrogen atom or an aryl group substituted with at least one sulfonic acid group, and the sulfonic acid group may be in the form of an alkali metal salt, and one of R 1 to R 4 is a hydrogen atom It can be a polymer.

본 발명의 구체적인 실시예에서는 하기 화학식 4로 표시되는 화합물을 제조하였다. 이때, x와 y의 비율을 달리하여 3종의 이온전도성 고분자를 합성하고 이들 고분자의 분자량, 다분산지수, 이온교환능(ion-exchange capacity; ICE), 물흡수율, 치수변화도 및 이온전도도 등을 측정하여 비교하였다(표 1). 따라서, 본 발명에 따른 고분자는 친수성 반복단위에 의해 제공되는 높은 수소이온 전도도 및 탄소-탄소 결합으로 연결된 주쇄골격에 의해 제공되는 기계적 강도를 가지므로 전지 구동시 요구되는 물성을 충족시키는 전해질막을 제공할 수 있다.In a specific example of the present invention, a compound represented by the following general formula (4) was prepared. At this time, three kinds of ion conductive polymers are synthesized by varying the ratio of x and y, and the molecular weight, polydispersity index, ion exchange capacity (ICE), water absorption rate, dimensional change degree and ionic conductivity (Table 1). Therefore, the polymer according to the present invention has an electrolyte membrane which satisfies physical properties required for driving a battery because it has high hydrogen ion conductivity and mechanical strength provided by a main chain skeleton connected by a carbon-carbon bond provided by a hydrophilic repeating unit .

[화학식 4][Chemical Formula 4]

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본 발명에 따른 고분자의 제조방법은, 적어도 하나의 방향족 고리를 포함하며 양 말단에 각각 사이클로펜타디에논(cyclopendienes)을 포함하는 제1화합물을 준비하는 제1단계; 디에노파일(dienophiles)로서, 적어도 하나의 방향족 고리와 알킨기를 포함하는 제2화합물을 준비하는 제2단계; 상기 제1화합물 및 제2화합물을 혼합하여 하기 반응식 1로 표시되는 Diels-Alder 반응에 의해 양 말단에 반응성 작용기를 갖는 친수성 전구체를 준비하는 제3단계; 상기 제3단계로부터 준비된 친수성 전구체를 화학식 2의 소수성 단량체와 혼합하여 공중합체를 형성하는 제4단계; 및 상기 제4단계의 공중합체를 후처리 수식하여 치환기로서 술폰산기, 인산기, 질산기, 할로겐원자 또는 아세트산기를 도입하는 제5단계를 포함할 수 있다.A method for preparing a polymer according to the present invention comprises: a first step of preparing a first compound containing at least one aromatic ring and cyclopendienes at both ends; A second step of preparing, as dienophiles, a second compound comprising at least one aromatic ring and an alkyne group; A third step of mixing the first compound and the second compound to prepare a hydrophilic precursor having reactive functional groups at both terminals by the Diels-Alder reaction represented by the following Reaction Scheme 1; A fourth step of mixing a hydrophilic precursor prepared from the third step with a hydrophobic monomer of formula (2) to form a copolymer; And a fifth step of post-treating the copolymer of the fourth step to introduce a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, a nitric acid group, a halogen atom or an acetic acid group as a substituent.

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

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본 발명에 따른 고분자의 제조방법은 친수성 전구체와 소수성 단량체를 준비하고 이들을 반응시켜 공중합체를 형성한 후 후처리 수식하여 친수성을 부여할 수 있는 술폰산기, 포스폰산기 또는 카르복시산기, 또는 이의 알칼리 금속염을 도입하는 단계를 포함하는 것이 특징이다.A method for producing a polymer according to the present invention comprises preparing a hydrophilic precursor and a hydrophobic monomer, reacting them to form a copolymer, and then subjecting the copolymer to a post-treatment to form a sulfonic acid group, a phosphonic acid group or a carboxylic acid group, And a step of introducing the step

상기 친수성 전구체는 상기 반응식 1로 표시되는 Diels-Alder 반응에 의해 수행되는 제3단계에 의해 제조될 수 있다. 본 발명의 용어, "Diels-Alder 반응"은 고리형 화합물(cyclic compounds)를 합성하는 방법의 하나로써, 단일 단계의 일관된 경로(one-step, concerted pathway)에 의해 하나 이상의 불포화 화합물의 고리화를 의미한다. 상기 Diels-Alder 반응은 이온성 또는 자유라디컬의 특성이 없거나 매우 적은 불포화 화합물의 고리화에 이용될 수 있다. Diels-Alder 반응의 두 반응물은 각각 디엔(4개 파이 전자의 공액계(conjugated system)) 및 디에노파일(2개 파이 전자의 공액계)로서, 상기한 바와 같이 불포화 결합을 포함하며, 상기 불포화 결합은 탄소-탄소 또는 탄소-이외 원자의 이중 또는 삼중 결합일 수 있다. The hydrophilic precursor may be prepared by a third step which is carried out by the Diels-Alder reaction represented by the reaction scheme 1. The term "Diels-Alder reaction" of the present invention is one of the methods of synthesizing cyclic compounds, in which the cyclization of one or more unsaturated compounds by a single-step, concerted pathway it means. The Diels-Alder reaction can be used to cyclize unsaturated compounds with little or no ionic or free radical properties. The two reactants of the Diels-Alder reaction are each a diene (a conjugated system of four pi electrons) and a dienophile (a conjugate system of two pi electrons), which contains an unsaturated bond as described above, The bond may be a double or triple bond of a carbon-carbon or non-carbon atom.

상기 제3단계에 앞서, Diels-Alder 반응의 두 가지 반응물 즉, 디엔 화합물 및 디에노파일 화합물을 준비하는 제1단계 및 제2단계를 별도로 수행할 수 있다. 바람직하게 디엔 화합물로는 양 말단에 각각 디에노파일과 반응할 수 있는 사이클로펜타디에논(cyclopendienes)을 포함하며 본 발명에 따른 고분자의 주쇄골격을 형성하는 적어도 하나의 방향족 고리를 포함하는 제1화합물을 준비할 수 있다. 또한 바람직하게, 디에노파일 화합물로는 디엔과 반응할 수 있는 작용기로서 불포화결합을 포함하되 제3단계의 Diels-Alder 반응의 생성물로서 상기 제1화합물의 사이클로펜타디에논과 반응하여 고분자의 주쇄골격을 구성하는 페닐렌을 형성할 수 있도록 반응기로써 알킨기를 포함하는 제2화합물을 준비할 수 있다. 한편, 상기 제2화합물은 분자량이 증가된 고분자를 생성하기 위하여 추가로 페닐기 또는 전자끌게기로 연결된 복수의 페닐기를 포함할 수 있다. 이때, 제2화합물의 알킨기와 다른 말단에는 소수성 단량체와 중합반응이 일어날 수 있도록 반응성이 있는 할로겐기를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 본 발명에 따른 디엔은 양말단에 디에노파일과 반응할 수 있는 디엔으로서 사이클로펜타디엔을 포함하며, 디에노파일은 일 말단에는 디엔과 반응할 수 있는 디에노파일로서 알킨기를 다른 말단에는 할로겐원소가 치환된 아릴기를 포함하므로, 제3단계의 Diels-Alder 반응은 생성물로서 양 말단에 할로겐 원소가 치환된 아릴기를 포함하는 형태의 친수성 전구체를 제공한다.Prior to the third step, the first step and the second step of preparing the two reactants of the Diels-Alder reaction, that is, the diene compound and the dienophile compound, may be separately performed. Preferably, the diene compound includes cyclopentadienes which are capable of reacting with dienophiles at both ends, and the first compound containing at least one aromatic ring forming the main chain skeleton of the polymer according to the present invention Can be prepared. Also preferably, the dienophyll compound includes an unsaturated bond as a functional group capable of reacting with a diene, and reacts with the cyclopentadienone of the first compound as a product of the Diels-Alder reaction of the third step to form a main chain skeleton of the polymer A second compound containing an alkyne group may be prepared as a reactor so as to form phenylene to be constituted. Meanwhile, the second compound may further include a plurality of phenyl groups linked with a phenyl group or an electron withdrawing group to produce a polymer having an increased molecular weight. At this time, it is preferable that the alkene group of the second compound and the other end thereof include a halogen group which is reactive so that polymerization reaction with the hydrophobic monomer occurs. The dienes according to the present invention include cyclopentadiene as a diene capable of reacting with dienophiles at both terminals, dienophiles having an alkene group as a dienophile capable of reacting with a diene at one end and halogen Since the element contains a substituted aryl group, the Diels-Alder reaction of the third step provides a hydrophilic precursor in the form of a product containing an aryl group substituted at both ends with a halogen element.

다음으로는 상기 제3단계의 Diels-Alder 반응에 의해 준비된 친수성 전구체는 별도로 준비한 화학식 2로 표시되는 소수성 단량체와 혼합하여 공중합체를 형성하는 제4단계를 수행할 수 있다. 상기 제4단계는 콜론 커플링 반응에 의해 수행될 수 있다.Next, the hydrophilic precursor prepared by the Diels-Alder reaction of the third step may be subjected to a fourth step of forming a copolymer by mixing with a separately prepared hydrophobic monomer represented by the general formula (2). The fourth step may be carried out by a colon coupling reaction.

본 발명의 용어, "콜론 커플링 반응(Colon coupling reaction)"은 반응성 작용기로 할로겐원소를 포함하는 아릴화합물을 환원성 금속 존재하에 반응시켜 수행되는 커플링 반응이다. 상기 할로겐원소는 불소(F), 염소(Cl), 브롬(Br) 또는 요오드(I)일 수 있다. 환원성 금속으로는 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 알루미늄(Al) 또는 칼슘(Ca)을 사용할 수 있으며, 촉매로는 2,2'-바이피리딘(2,2'-bipyridine) 또는 트리페닐포스핀(PPh3, triphenylphosphine; TPP)을 NiBr2, NiCl2, Ni(PPh3)2Cl2, Br2, (acac)2·H2O, (OOCCH3)·4H2O, I2·6H2O 또는 이외의 할라이드 염(F<Cl<Br<I)와 함께 사용할 수 있다. 바람직하게는 DMAc(dimethylacetamide)를 용매로 하여 60 내지 100℃에서 Ni(PPh3)2Cl2, 요오드화 나트륨(NaI), 트리페닐포스핀(triphenylphosphine) 및 아연과 0.5 내지 100시간 동안 교반하면서 반응시켜 수행될 수 있다. 또한, 블록 공중합체 형성 후 아연을 제거하는 단계, 세척하는 단계 또는 건조시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다.The term "Colon coupling reaction " of the present invention is a coupling reaction which is carried out by reacting an aryl compound containing a halogen element with a reactive functional group in the presence of a reducing metal. The halogen element may be fluorine (F), chlorine (Cl), bromine (Br) or iodine (I). As the reducing metal, zinc (Zn), magnesium (Mg), manganese (Mn), aluminum (Al) or calcium (Ca) may be used. As the catalyst, 2,2'- bipyridine ) or triphenylphosphine (PPh 3, triphenylphosphine; TPP) of NiBr 2, NiCl 2, Ni ( PPh 3) 2 Cl 2, Br 2, (acac) 2 · H 2 O, (OOCCH 3) · 4H 2 O , I 2揃 6H 2 O or other halide salts (F <Cl <Br <I). (PPh 3 ) 2 Cl 2 , sodium iodide (NaI), triphenylphosphine and zinc at a temperature of 60 to 100 ° C., preferably with DMAc (dimethylacetamide) as a solvent, for 0.5 to 100 hours . Further, after the formation of the block copolymer, the step of removing zinc, the step of washing, or the step of drying may be further included.

상기한 바와 같이 제3단계의 생성물인 양 말단에 할로겐원소가 치환된 아릴기를 포함하는 친수성 전구체는 동일한 분자와 또는 다른 할로겐원소가 치환된 아릴기와 콜론 커플링 반응에 의해 결합할 수 있다. 따라서, 소수성 단량체로서 화학식 2의 열린 말단에 각각 할로겐원소가 결합된 화합물을 사용하는 경우, 상기 친수성 전구체와 소수성 단량체가 랜덤, 교차, 블록 또는 순차적으로 결합된 중합체를 형성할 수 있다. 바람직하게는, 서로 유사한 성질을 갖는 소수성 단량체가 우선적으로 반응하여 소수성 블록을 형성하고, 친수성 전구체가 우선적으로 반응하여 친수성 전구체 블록을 형성한 후 이들 블록이 다시 결합하여 블록 공중합체를 형성할 수 있다.As described above, the hydrophilic precursor containing an aryl group substituted at both ends of the product, which is a product of the third step, can be bonded to the same molecule or an aryl group substituted with another halogen element by a colon coupling reaction. Therefore, when a compound having a halogen element bonded to the open end of the formula (2) is used as the hydrophobic monomer, the hydrophilic precursor and the hydrophobic monomer may form a random, cross-linked, block or sequentially bonded polymer. Preferably, the hydrophobic monomer having similar properties reacts preferentially to form a hydrophobic block, the hydrophilic precursor reacts preferentially to form a hydrophilic precursor block, and then these blocks recombine to form a block copolymer .

상기 본 발명의 고분자 제조에 사용되는 제1화합물, 제2화합물, 친수성 전구체 및 소수성 단량체는 각각 상용화된 화합물을 구입하거나, 당업계에 공지된 방법으로 합성하여 준비할 수 있다.The first compound, the second compound, the hydrophilic precursor and the hydrophobic monomer used in the production of the polymer of the present invention may be prepared by preparing commercially available compounds or synthesizing them by methods known in the art.

술폰화는 상기 제4단계의 생성물을 SO3와 H2SO4, 클로로술폰산(HSO3Cl) 또는 트리메틸실리클로로술폰산[(CH3)3SiSO3Cl]과 반응시켜 수행할 수 있다. 상기 술폰화의 결과로 측쇄에 치환된 페닐기에 술폰산기(-SO3H)를 도입할 수 있다.The sulfonation can be carried out by reacting the product of the fourth step with SO 3 and H 2 SO 4 , chlorosulfonic acid (HSO 3 Cl) or trimethylsilylchlorosulfonic acid [(CH 3 ) 3 SiSO 3 Cl]. As a result of the sulfonation, a sulfonic acid group (-SO 3 H) can be introduced into the phenyl group substituted on the side chain.

포스폰산화는 상기 제4단계의 생성물을 디에틸클로로포스페이트((EtO)2POCl), 디페닐클로로포스페이트과 반응시켜 수행할 수 있다.Phosphone oxidation can be carried out by reacting the product of the fourth step with diethylchlorophosphate ((EtO) 2 POCl), diphenylchlorophosphate.

카르복시산화는 상기 제4단계의 생성물에 시아노기(cyano group; -CN) 또는 히드록시메틸기(hydroxymethyl group; -CH2OH)를 도입한 후 산화시켜 카르복시산기(-CO2H)를 도입할 수 있다.Carboxylation can be carried out by introducing a carboxylic acid group (-CO 2 H) by introducing a cyano group (-CN) or a hydroxymethyl group (-CH 2 OH) into the product of the fourth step have.

상기 후처리 과정을 통해 측쇄에 치환된 펜던트 방향족 고리에 선택적으로 도입한 상기 술폰산기, 포스폰산기 또는 카르복시산기, 또는 이들의 알칼리 금속염이 조밀하게 밀집된 친수성 반복단위는 이온전도채널을 형성하여 본 발명의 고분자를 포함하는 전해질막에 수소이온 전도도를 제공할 수 있다.The sulfonic acid group, the phosphonic acid group or the carboxylic acid group, or the hydrophilic repeating unit in which the alkali metal salt thereof is densely packed selectively introduced into the pendant aromatic ring substituted in the side chain through the post-treatment process forms an ion conduction channel, The hydrogen ion conductivity can be provided to the electrolyte membrane including the polymer of the present invention.

본 발명의 구체적인 실시예에서는 i) 1,4-디브로모벤젠(1,4-dibromobenzene)을 에티닐벤젠(ethynylbenzene)과 반응시켜 1,4-비스(페닐에티닐)벤젠(1,4-bis(phenylethynyl)benzene)을 수득하고 ii) 이를 산화시켜 얻은 2,2'-(1,4-페닐렌)비스(1-페닐에탄-1,2-디온)(2,2'-(1,4-phenylene)bis(1-phenylethane-1,2-dione))을 iii) 1,3-디페닐프로판-2-온(1,3-diphenylpropan-2-one)과 반응시켜 디엔 화합물(제1화합물)로서 4,4'-(1,4-페닐렌)비스(2,3,5-트리페닐사이클로펜타-2,4-디에논)(4,4'-(1,4-phenylene)bis(2,3,5-triphenylcyclopenta-2,4-dienone); M3)을 준비하였다(도 1). 또한 i) 4-브로모벤조일 클로라이드(4-bromobenzoyl chloride)과 클로로벤젠(chlorobenzene)을 반응시켜 (4-브로모페닐)(4-클로로페닐)메타논((4-bromophenyl)(4-chlorophenyl)methanone)을 얻고 ii) 이를 2-메틸부트-3-인-2-올(2-methylbut-3-yn-2-ol)과 반응시켜 (4-클로로페닐)(4-(3-히드록시-3-메틸부트-1-이닐)페닐)메타논((4-chlorophenyl)(4-(3-hydroxy-3-methylbut-1-ynyl)phenyl)methanone)을 얻고 iii) NaOH 환경에서 클로로페닐(chlorophenyl)과 반응시켜 2-히드록시프로필을 제거하여 디에노파일(제2화합물)로서 (4-클로로페닐)(4-에티닐페닐)메타논((4-chlorophenyl)(4-ethynylphenyl)methanone; M6)을 준비하였다(도 1). 이들 화합물(M3 및 M6)을 혼합하여 Diels-Alder 반응을 수행함으로써 양 말단에 친수성 전구체(M7)를 수득한 후(도 2) 소수성 단량체인 (2,5-디클로로페닐)(페닐)메타논((2,5-dichlorophenyl)(phenyl)methanone)과 혼합하여 콜론 커플링 반응을 수행함으로써 이온전도성 고분자 전구체(PP-y/x)를 얻고 이를 술폰화하여 펜던트 페닐기에 술폰산기가 치환된 이온전도성 고분자(SPP-y/x)를 합성하였다(도 3). 이때, 콜론 커플링 반응에 사용하는 친수성 전구체와 소수성 단량체의 비율을 조절하여 친수성 부분과 소수성 부분의 비율이 조절된 일련의 고분자를 합성하였다.
In a specific embodiment of the present invention, i) 1,4-dibromobenzene is reacted with ethynylbenzene to produce 1,4-bis (phenylethynyl) benzene (1,4- bis (phenylethynyl) benzene) and ii) oxidizing 2,2 '- (1,4-phenylene) bis (1-phenylethane- 4-phenylene bis (1-phenylethane-1,2-dione) is reacted with iii) 1,3-diphenylpropan-2-one to obtain a diene compound 4,4'- (1,4-phenylene) bis (2,3,5-triphenylcyclopenta-2,4-dienone) (4,4 '- (2,3,5-triphenylcyclopenta-2,4-dienone) M3) (FIG. 1). I) By reacting 4-bromobenzoyl chloride with chlorobenzene to obtain (4-bromophenyl) (4-chlorophenyl) methanone, methanone and reacting it with 2-methylbut-3-yn-2-ol to give (4-chlorophenyl) (4- (3- 3-methylbut-1-ynyl) phenyl) methanone), and (iii) chlorophenyl (4-chlorophenyl) (4-chlorophenyl) (4-ethynylphenyl) methanone as a dienophile (second compound), M6 (4-chlorophenyl) ) Were prepared (Fig. 1). These compounds (M3 and M6) were mixed to obtain a hydrophilic precursor (M7) at both terminals by performing a Diels-Alder reaction (Fig. 2) (PP-y / x) was obtained by conducting a colon coupling reaction with 2,5-dichlorophenyl (phenyl) methanone to obtain an ion conductive polymer precursor (PP-y / x) SPP-y / x) was synthesized (Fig. 3). At this time, a series of polymers having a controlled ratio of hydrophilic and hydrophobic parts were prepared by controlling the ratio of the hydrophilic precursor and the hydrophobic monomer used in the colon coupling reaction.

본 발명에 따른 고분자 또는 화합물은 술폰산기, 포스폰산기 또는 카르복시산기, 또는 이들의 알칼리 금속염에 의해 이온전도체로서 사용될 수 있다. The polymer or compound according to the present invention can be used as an ion conductor by a sulfonic acid group, a phosphonic acid group or a carboxylic acid group, or an alkali metal salt thereof.

본 발명에 따른 고분자 또는 화합물을 포함하는 수지 조성물로부터 성형체를 형성할 수 있다. 상기 성형체의 비제한적인 예로는, 전해질막, 분리막 또는 수처리막이 있다.A molded article can be formed from a resin composition containing a polymer or a compound according to the present invention. Non-limiting examples of the molded body include an electrolyte membrane, a separator membrane, or a water treatment membrane.

상기 본 발명의 수지 조성물은 필요에 따라 산화방지제, 열안정제, 윤활제, 점착부여제, 가소제, 가교제, 소포제, 분산제 등 각종 첨가제를 추가로 포함할 수 있다.The resin composition of the present invention may further contain various additives such as an antioxidant, a heat stabilizer, a lubricant, a tackifier, a plasticizer, a crosslinking agent, a defoaming agent, and a dispersant.

본 발명에 따른 고분자를 포함하는 수지 조성물은 이를 압출하고 방사, 압연 또는 캐스트 등의 임의의 방법으로 섬유 또는 필름 등의 형태로 성형체로 제조할 수 있다.The resin composition comprising the polymer according to the present invention can be extruded and formed into a molded article in the form of fiber or film by any method such as spinning, rolling or casting.

예를 들어, 본 발명의 고분자를 포함하는 수지 조성물을 성형하여 전해질막을 제조할 수 있다. 구체적으로, 상기 고분자를 N-메틸피롤리돈, 디메틸포름아미드, 디메틸 술폭사이드 또는 디메틸아세트아미드 등과 같은 용매에 용해시키고, 상기 용액을 유리판 등의 플레이트에 부어 부착된 고분자를 건조시켜 수 내지 수백 μm, 바람직하게 10 내지 120 μm, 보다 바람직하게 20 내지 50 μm 두께의 필름을 얻은 다음 플레이트로부터 탈착하여 제조할 수 있다. 상기 제시한 용매는 예시일 뿐 본 발명의 범위가 이에 제한되지 않으며, 고분자를 용해시키고 건조조건에서 증발될 수 있는 것이면 통상의 유기용매를 사용할 수 있다. 구체적으로 상기 고분자 제조시 사용된 유기용매와 동일한 것을 사용할 수 있다.
For example, an electrolyte membrane can be produced by molding a resin composition containing the polymer of the present invention. Specifically, the polymer is dissolved in a solvent such as N-methylpyrrolidone, dimethylformamide, dimethylsulfoxide or dimethylacetamide, the solution is poured into a plate such as a glass plate, and the polymer attached is dried, , Preferably 10 to 120 탆, more preferably 20 to 50 탆 thick, and then desorbed from the plate. The above-mentioned solvent is only illustrative, and the scope of the present invention is not limited thereto. Conventional organic solvents may be used as long as they dissolve the polymer and can be evaporated under the drying condition. Specifically, the same organic solvent as that used in the preparation of the polymer may be used.

본 발명은 상기 고분자 또는 화합물을 포함하는 수지 조성물로부터 성형된 전해질막 또는 분리막을 구비한 전지를 제공한다.The present invention provides a battery having an electrolyte membrane or a separation membrane formed from the resin composition containing the polymer or the compound.

본 발명에 따른 고분자 또는 화합물을 포함하는 수지 조성물로부터 성형된 전해질막 또는 분리막은 높은 수소이온 전도도와 기계적 강도 및 우수한 화학적 안정성을 가지므로 수소이온 전해질막으로 사용될 수 있으며, 특히 고온에서도 안정하여 양성자 교환막 연료전지(proton exchange membrane fuel cell a.k.a. polymer electrolyte membrane fuel cell; PEMFC), 직접 메탄올 연료전지(direct methanol fuel cell; DMFC) 또는 산화환원 흐름 전지(redox flow battery)에 이온교환막으로 사용될 수 있다.
The electrolyte membrane or separation membrane formed from the resin composition containing the polymer or compound according to the present invention has high hydrogen ion conductivity, mechanical strength and excellent chemical stability, and thus can be used as a hydrogen ion electrolyte membrane, The present invention can be used as an ion exchange membrane in a fuel cell (proton exchange membrane fuel cell aka polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC), direct methanol fuel cell (DMFC), or redox flow battery.

폴리페닐렌 구조를 기본 골격으로 포함하되 후처리에 의해 측쇄에 친수성 치환기들이 도입되는 친수성 부분과 측쇄에 하나 이상의 페닐렌기가 연결된 소수성 부분을 포함하는 본 발명의 이온전도성 고분자는 조밀하게 밀집된 친수성 술폰산기로 인해 증가된 수소이온 전도도를 제공하고, 폴리페닐렌 골격으로 인해 증가된 기계적 강도를 제공할 수 있다. 종래 반복단위들이 에스테르 결합 등으로 연결되었던 것과는 달리 본 발명의 고분자는 탄소-탄소 결합으로 연결되어 화학적 안정성이 뛰어나다. 따라서, 본 발명의 고분자를 포함하는 수지 조성물을 성형하여 제조한 전해질막은 높은 수소이온 전도도, 기계적 강도 및 화학적 안정성을 가지므로 고온에서 구동하는 연료전지를 위한 이온교환막으로 활용될 수 있다.
The ion conductive polymer of the present invention comprising a hydrophilic moiety including a polyphenylene structure as a basic skeleton and having hydrophilic substituents introduced into the side chain by post-treatment and at least one phenylene group connected to the side chain is a densely packed hydrophilic sulfonic acid group Resulting in increased hydrogen ion conductivity and increased mechanical strength due to the polyphenylene skeleton. Unlike the case where the conventional repeating units are linked by an ester bond or the like, the polymer of the present invention is connected with a carbon-carbon bond and is excellent in chemical stability. Therefore, the electrolyte membrane produced by molding the resin composition containing the polymer of the present invention has high hydrogen ion conductivity, mechanical strength, and chemical stability, and thus can be utilized as an ion exchange membrane for a fuel cell driven at a high temperature.

도 1은 본 발명의 구체적인 실시예에 따른 친수성 중간체(M1 내지 M6)의 합성과정을 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명의 구체적인 실시예에 따른 친수성 전구체(M7)의 합성과정을 나타낸 도이다.
도 3은 본 발명의 구체적인 실시예에 따른 중간체로서의 폴리페닐렌 공중합체(PP-y/x) 및 술폰산기를 포함하는 이온전도성 폴리페닐렌 공중합체(SPP-y/x)의 합성과정을 나타낸 도이다.
도 4는 본 발명의 구체적인 실시예에 따른 이온전도성 고분자(SPP-8)의 대표적인 1H-NMR 스펙트럼을 나타낸 도이다.
도 5는 본 발명의 구체적인 실시예에 따른 이온전도성 고분자를 포함하는 전해질막을 구비한 연료전지의 성능을 나타낸 도이다.
1 is a view illustrating a process of synthesizing hydrophilic intermediates (M1 to M6) according to a specific embodiment of the present invention.
2 is a view illustrating a process of synthesizing a hydrophilic precursor (M7) according to a specific embodiment of the present invention.
3 is a view showing a process of synthesizing a polyphenylene copolymer (PP-y / x) as an intermediate and an ion conductive polyphenylene copolymer (SPP-y / x) containing a sulfonic acid group according to a specific embodiment of the present invention to be.
4 is a graph showing a typical 1 H-NMR spectrum of an ion conductive polymer (SPP-8) according to a specific embodiment of the present invention.
5 is a graph illustrating performance of a fuel cell having an electrolyte membrane including an ion conductive polymer according to a specific embodiment of the present invention.

이하, 실시예를 통하여 본 발명의 구성 및 효과를 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the constitution and effects of the present invention will be described in more detail through examples. These examples are only for illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not limited by these examples.

제조예Manufacturing example 1: 친수성 전구체의 합성 1: Synthesis of hydrophilic precursor

1.1. 1,4-1.1. 1,4- 비스(페닐에티닐)벤Bis (phenylethynyl) benz 젠(1,4-Xen (1,4- bisbis (( phenylethynylphenylethynyl )benzene; ) benzene; M1M1 )의 합성) Synthesis of

500 ml 플라스크에 디브로모벤젠(dibromobenzene; 23.6 g, 0.1 mol)과 팔라듐 아세트산염(Pd(II) acetate; 0.448 g, 2 mmol), 요오드화 구리(Cu(I) iodide; 0.762 g, 4 mmol), 트리페닐포스핀(tiphenylphosphin; 1.574 g, 6 mmol)을 트리에틸아민(triethylamine) 200 ml에 혼합하여 30분간 교반하였다. 이후 에티닐벤젠(ethynylbenzene; 10.4 g, 0.2 mol)을 첨가하고 온도를 90℃까지 승온시켜 2시간 동안 반응시켰다. 상온으로 냉각시킨 후 디클로로메탄(dichloromethane)으로 세척하며 여과하였다. 여과된 여액을 증류수로 3회 세척 후 MgSO4에 교반하며 건조하고 감압시켜 용매를 제거하여 고체를 얻었다. 수득한 생성물을 톨루엔(toluene)으로 2회 재결정하여 1,4-비스(페닐에티닐)벤젠(1,4-bis(phenylethynyl)benzene; M1) 12 g을 얻었다.Dibromobenzene (23.6 g, 0.1 mol), palladium acetate (0.448 g, 2 mmol) and copper (I) iodide (0.762 g, 4 mmol) were added to a 500 ml flask, , And triphenylphosphine (1.574 g, 6 mmol) were mixed in 200 ml of triethylamine and stirred for 30 minutes. Ethynylbenzene (10.4 g, 0.2 mol) was then added, and the temperature was raised to 90 ° C and reacted for 2 hours. The mixture was cooled to room temperature, washed with dichloromethane, and filtered. The filtrate was washed three times with distilled water, dried over MgSO 4 , dried and reduced in pressure to remove the solvent to obtain a solid. The obtained product was recrystallized twice with toluene to obtain 12 g of 1,4-bis (phenylethynyl) benzene (M1).

H-NMR(300 MHz, CDCl3): δ 7.56(m, 8H), 7.38(m, 6H)
1 H-NMR (300 MHz, CDCl 3 ):? 7.56 (m, 8H), 7.38 (m, 6H)

1.2. 2,2'-(1,4-1.2. 2,2 '- (1,4- 페닐렌Phenylene )) 비스Bis (1-(One- 페틸에탄Petroleum ethane -1,2--1,2- 디온Dion )(2,2'-(1,4-phenylene)bis(1-phenylethane-1,2-dione); ) (2,2 '- (1,4-phenylene) bis (1-phenylethane-1,2-dione); M2M2 )의 합성) Synthesis of

500 ml 플라스크에 상기 제조예 1.1에서 합성한 M1(12 g, 0.043 mol)과 요오드화 팔라듐(Pd(II) iodide; 0.31 g, 0.862 mmol)을 DMSO(dimethyl sulfoxide) 250 ml에 혼합하여 145℃에서 16시간 동안 반응시켰다. 상온으로 냉각시킨 후 물과 MC(methylene chloride)로 추출하였다. 유기층을 NaCl 용액으로 세척한 후 MgSO4로 수분을 제거하고 감압하여 용매를 제거하였다. 수득한 생성물은 MC에서 플래쉬 크로마토그래피(flash chromatography)로 분리한 후 에탄올로 재결정하여 2,2'-(1,4-페닐렌)비스(1-페틸에탄-1,2-디온)(2,2'-(1,4-phenylene)bis(1-phenylethane-1,2-dione); M2) 12 g을 얻었다.(12 g, 0.043 mol) synthesized in Preparation 1.1 and 0.31 g (0.862 mmol) of Pd (II) iodide were mixed in 250 ml of DMSO (dimethyl sulfoxide) Lt; / RTI &gt; After cooling to room temperature, it was extracted with water and MC (methylene chloride). The organic layer was washed with NaCl solution, and water was removed with MgSO 4 , and the solvent was removed by decompression. The obtained product was separated by flash chromatography in MC and then recrystallized with ethanol to obtain 2,2 '- (1,4-phenylene) bis (1-pentylethan-1,2-dione) 2 '- (1,4-phenylene) bis (1-phenylethane-1,2-dione); M2).

H-NMR(300 MHz, CDCl3): δ 8.10(s, 4H), 7.96 (d, J=7.5 Hz, 4H), 7.68 (t, J=7.5 Hz, 2H), 7.52 (t, J=7.8 Hz, 4H)
H-NMR (300 MHz, CDCl 3): δ 8.10 (s, 4H), 7.96 (d, J = 7.5 Hz, 4H), 7.68 (t, J = 7.5 Hz, 2H), 7.52 (t, J = 7.8 Hz, 4H)

1.3. 4,4'-(1,4-1.3. 4,4 '- (1,4- 페닐렌Phenylene )) 비스Bis (2,3,5-(2,3,5- 트리페닐싸이클로펜타Triphenylcyclopenta -2,4--2,4- 디에논Dienon )(4,4'-(1,4-phenylene)bis(2,3,5-triphenylcyclopenta-2,4-dienone); ) (4,4 '- (1,4-phenylene) bis (2,3,5-triphenylcyclopenta-2,4-diene); M3M3 )의 합성) Synthesis of

500 ml 플라스크에 상기 제조예 1.2에서 합성한 M2(12 g, 0.035 mol)와 1,3-디페닐-4-프로파논(1,3-Diphenyl-4-propanone; 16.1 g, 0.076 mol)을 300 ml 에탄올에 혼합하여 70℃에서 교반하였다. 반응물이 완전히 녹으면 78℃에서 KOH 수용액( 4.32 g/24 mL H2O)을 천천히 적가한 후 85℃까지 승온하여 3시간 동안 반응시켰다.In a 500 ml flask, M2 (12 g, 0.035 mol) and 1,3-diphenyl-4-propanone (16.1 g, 0.076 mol) synthesized in Preparation Example 1.2 were dissolved in 300 ml ethanol and stirred at 70 ° C. When the reaction was completely dissolved, KOH aqueous solution (4.32 g / 24 mL H 2 O) was slowly added dropwise at 78 ° C., and the temperature was raised to 85 ° C. and reacted for 3 hours.

상온으로 냉각시킨 후 증류수에서 세척하며 여과한 후 에탄올로 세척하여 4,4'-(1,4-페닐렌)비스(2,3,5-트리페닐싸이클로펜타-2,4-디에논)(4,4'-(1,4-phenylene)bis(2,3,5-triphenylcyclopenta-2,4-dienone); M3) 15.66 g을 얻었다.The mixture was cooled to room temperature, washed with distilled water, filtered and washed with ethanol to obtain 4,4 '- (1,4-phenylene) bis (2,3,5-triphenylcyclopenta-2,4-dienone) 4,4 '- (1,4-phenylene) bis (2,3,5-triphenylcyclopenta-2,4-dienone); M3).

H-NMR(300 MHz, CDCl3): δ 7.26-7.16(m, 28H, aromatic), 6.92(m, 4H), 6.77(s, 4H)
H-NMR (300 MHz, CDCl 3): δ 7.26-7.16 (m, 28H, aromatic), 6.92 (m, 4H), 6.77 (s, 4H)

1.4. (4-1.4. (4- 브로모페닐Bromophenyl )(4-)(4- 클로로페닐Chlorophenyl )) 메타논Methanone ((4-((4- bromophenylbromophenyl )(4-chlorophenyl)methanone; ) (4-chlorophenyl) methanone; M4M4 )의 합성) Synthesis of

100 ml 플라스크에 4-브로모벤조일클로라이드(4-bromobenzoylchloride; 20 g, 0.091 mol)와 염화알루미늄(aluminium chloride; 14.58 g, 0.0109 mol)을 클로로벤젠(chlorobenzene) 40mL에 혼합하여 교반하면서 90℃로 승온시킨 후 3시간 동안 반응시켰다. 상온으로 냉각시킨 후 얼음물에 침전시키고 교반하여 고체를 얻었다. 흰색 고체를 여과하여 얻어진 고체를 MC와 헥산의 혼합용매(4:1)로 재결정 하여 (4-브로모페닐)(4-클로로페닐)메타논((4-bromophenyl)(4-chlorophenyl)methanone; M4) 16 g을 얻었다.4-bromobenzoylchloride (20 g, 0.091 mol) and aluminum chloride (14.58 g, 0.0109 mol) were mixed in 40 mL of chlorobenzene, and the temperature was raised to 90 ° C And reacted for 3 hours. After cooling to room temperature, the mixture was precipitated in ice water and stirred to obtain a solid. The white solid was filtered and the obtained solid was recrystallized from a mixed solvent of MC and hexane (4: 1) to obtain (4-bromophenyl) (4-chlorophenyl) methanone ((4-chlorophenyl) methanone; M4).

H-NMR(300 MHz, CDCl3): δ 7.73(d, J=8.5, 2H), 7.64(s, 4H), 7.47(d, J=8.5, 2H), EI/MS (m/z=294[M])
H-NMR (300 MHz, CDCl 3): δ 7.73 (d, J = 8.5, 2H), 7.64 (s, 4H), 7.47 (d, J = 8.5, 2H), EI / MS (m / z = 294 [M])

1.5. (4-1.5. (4- 클로로페닐Chlorophenyl )(4-(3-히드록시-3-) (4- (3-hydroxy-3- 메틸부티Methyl butyrate -1-닐)1-yl) 페닐Phenyl )) 메타논Methanone ((4-chlorophenyl)(4-(3-hydroxy-3-methylbut-1-ynyl)phenyl)methanone; ((4-chlorophenyl) (4- (3-hydroxy-3-methylbut-1-yl) phenyl) methanone; M5M5 )의 합성) Synthesis of

500 ml 플라스크에 상기 제조예 1.4에서 합성한 M4(17.736 g 0.06 mol)와 비스(트리페닐포스핀)팔라듐(II) 디클로라이드(bis(triphenylphospine)palladium(II) dichloride; 0.066 g, 0.09 mol), 트리페닐포스핀(0.133 g, 0.048 mmol), 요오드화 구리(0.133 g, 0.66 mmol)를 트리에틸아민 300 ml에 혼합하여 30분간 교반시킨 후 2-메틸-3-부틴-2-올(2-Methyl-3-butyn-2-ol; 8.04 g, 0.0972 mol)을 넣었다. 90℃로 승온시킨 후 16시간 반응시켰다. 상온으로 냉각시킨 후 10% HCl 용액으로 세척하였다. 석출된 고체((4-클로로페닐)(4-(3-히드록시-3-메틸부티-1-닐)페닐)메타논; (4-chlorophenyl)(4-(3-hydroxy-3-methylbut-1-ynyl)phenyl)methanone; M5)를 증류수로 세척한 후 여과하여 별도의 정제없이 사용하였다.(17.736 g, 0.06 mol) and bis (triphenylphosphine) palladium (II) dichloride (0.066 g, 0.09 mol) synthesized in Preparation Example 1.4 were added to a 500 ml flask, (0.133 g, 0.066 mmol) and copper iodide (0.133 g, 0.66 mmol) were mixed in 300 ml of triethylamine and stirred for 30 minutes. 2-Methyl-3-butyn- -3-butyn-2-ol; 8.04 g, 0.0972 mol). After the temperature was raised to 90 ° C, the reaction was allowed to proceed for 16 hours. After cooling to room temperature, it was washed with 10% HCl solution. (4-chlorophenyl) (4- (3-hydroxy-3-methylbutyl) 1-ynyl) phenyl) methanone (M5) was washed with distilled water, filtered and used without further purification.

H-NMR(CDCl3): δ 7.04-7.9(m, 8H, aromatic), 1.63(s, 6H, CH3)
H-NMR (CDCl 3): δ 7.04-7.9 (m, 8H, aromatic), 1.63 (s, 6H, CH 3)

1.6. (4-1.6. (4- 클로로페닐Chlorophenyl )(4-)(4- 에티닐페닐Ethynyl phenyl )) 메타논Methanone ((4-((4- chlorophenylklorophenyl )(4-ethynylphenyl)methanone; ) (4-ethynylphenyl) methanone; M6M6 )의 합성) Synthesis of

1000 ml 플라스크에 딘-스탁(Dean-Stark)을 설치하고 NaOH(10.17 g, 0.25 mol)를 100 ml의 클로로벤젠에 가하여 교반시켰다. 300 ml의 클로로벤젠에 녹인 M5 용액을 천천히 적가하였다. 서서히 130℃로 승온시킨 후 2시간 동안 반응시켰다. 상온으로 냉각시킨 후 MC와 증류수에 희석하였고 유기층만 추출하여 MgSO4로 건조시킨 후 감압상태에서 응축하여 용매를 제거하였다. 얻어진 고체는 헥산에 재결정하여 (4-클로로페닐)(4-에티닐페닐)메타논((4-chlorophenyl)(4-ethynylphenyl)methanone; M6) 8.5 g을 얻었다.Dean-Stark was placed in a 1000 ml flask, and NaOH (10.17 g, 0.25 mol) was added to 100 ml of chlorobenzene and stirred. A solution of M5 dissolved in 300 ml of chlorobenzene was slowly added dropwise. The temperature was gradually raised to 130 DEG C and the reaction was carried out for 2 hours. After cooling to room temperature, it was diluted with MC and distilled water. Only the organic layer was extracted, dried with MgSO 4 , and condensed under reduced pressure to remove the solvent. The resulting solid was recrystallized from hexane to obtain 8.5 g of (4-chlorophenyl) (4-ethynylphenyl) methanone (M6).

H-NMR(CDCl3): δ 7.76(d, J=7.8, 4H), 7.64(t, J=8.5, 2H), 7.48(d, J=8.5, 2H), 3.28 (s, 1H)
H-NMR (CDCl 3): δ 7.76 (d, J = 7.8, 4H), 7.64 (t, J = 8.5, 2H), 7.48 (d, J = 8.5, 2H), 3.28 (s, 1H)

1.7. 1.7. DielsDiels -- AlderAlder 반응에 의한 친수성 전구체( Hydrophilic precursor by reaction ( M7M7 )의 합성) Synthesis of

250 ml 플라스크에 상기 제조예 1.6에서 합성한 M6(11.34 g, 0.0471 mol)과 상기 제조예 1.3에서 합성한 M3(16.29 g, 0.0236 mol)을 디페닐에테르(diphenylether) 120 ml에 혼합하여 교반하였다. 300℃로 승온시킨 후 2시간 반응시켰다. 상온으로 냉각시킨 후 메탄올에 침전시키고 여과하여 고체를 얻었다. 얻어낸 고체는 MC로 분리하여 친수성 전구체 M7 12 g을 얻었다.In a 250 ml flask, M6 (11.34 g, 0.0471 mol) synthesized in Preparation Example 1.6 and M3 (16.29 g, 0.0236 mol) synthesized in Preparation Example 1.3 were mixed in 120 ml of diphenylether and stirred. After raising the temperature to 300 DEG C, the reaction was carried out for 2 hours. The mixture was cooled to room temperature, precipitated in methanol and filtered to obtain a solid. The obtained solid was separated by MC to obtain 12 g of hydrophilic precursor M7.

H-NMR(300Hz, CDCl3): δ 6.30-7.71(m, 44H, aromatic)
1 H-NMR (300 Hz, CDCl 3 ):? 6.30-7.71 (m, 44H, aromatic)

제조예Manufacturing example 2: 콜론 커플링 반응에 의한 폴리페닐렌 공중합체( 2: Polyphenylene Copolymer by Colon Coupling Reaction ( PPPP -y/x)의 합성-y / x)

50 ml 플라스크 표면에 있는 수분을 제거한 후 2,5-디클로로벤조페논(2,5-dichlorobenzophenone; 3.5 g, 0.0139 mol)과 M7(1.94 g, 0.00174 mol)을 8:1의 몰비로 혼합하고, 비스(트리페닐포스핀)니켈(II) 디클로라이드(bis(triphenylphosphine)nickel(II) dichloride; 0.3 g, 0.00047 mol), 요오드화 나트륨(0.28 g, 0.00188 mol), 트리페닐포스핀(1.48 g, 0.00564 mol) 및 아연미세분말(Zinc dust; 1.23 g, 0.0188 mol)과 함께 디메틸아세트아미드(dimethylacetamide) 20 ml에 넣어 교반하였다. 80℃에서 3시간 동안 반응시킨 후 상온으로 냉각시키고 5% HCl 메탄올 용액에 침전시켰다. 침전된 고체를 여과한 후 메탄올로 다시 세척하고 건조하여 고분자 물질(PP-8) 4 g을 얻었다.2,5-dichlorobenzophenone (3.5 g, 0.0139 mol) and M7 (1.94 g, 0.00174 mol) were mixed in a molar ratio of 8: 1 after removal of water on the surface of the 50-ml flask, (Triphenylphosphine) nickel (II) dichloride (0.3 g, 0.00047 mol), sodium iodide (0.28 g, 0.00188 mol), triphenylphosphine (1.48 g, 0.00564 mol ) And zinc fine powder (1.23 g, 0.0188 mol) in 20 ml of dimethylacetamide, followed by stirring. After reacting at 80 ° C for 3 hours, it was cooled to room temperature and precipitated in a 5% HCl methanol solution. The precipitated solid was filtered, washed again with methanol and dried to obtain 4 g of a polymer substance (PP-8).

2,5-디클로로벤조페논 3 g(0.0119mol)과 M7 2.22 g(0.00199mol)을 6:1의 몰비로 혼합하고, 비스(트리페닐포스핀)니켈(II) 디클로라이드(0.27 g, 0.00042 mol), 요오드화 나트륨(0.25 g, 0.00167 mol), 트리페닐포스핀(1.31 g, 0.00502 mol) 및 아연미세분말(1.09 g, 0.0167 mol)과 함께 디메틸아세트아미드 20 ml에 넣어 교반하였다. 상기와 동일하게 반응을 진행하여 고분자 물질(PP-6) 4 g을 얻었다.3 g (0.0119 mol) of 2,5-dichlorobenzophenone and 2.22 g (0.00199 mol) of M7 were mixed in a molar ratio of 6: 1 and bis (triphenylphosphine) nickel (II) dichloride (0.27 g, 0.00042 mol ), Sodium iodide (0.25 g, 0.00167 mol), triphenylphosphine (1.31 g, 0.00502 mol) and zinc fine powder (1.09 g, 0.0167 mol) were stirred in 20 ml of dimethylacetamide. The reaction was carried out as described above to obtain 4 g of the polymer substance (PP-6).

H-NMR(500 MHz, DMSO): δ 7.93-6.38(m, aromatic)
1 H-NMR (500 MHz, DMSO):? 7.93 - 6.38 (m, aromatic)

제조예Manufacturing example 3: 후  3: After 술폰화Sulfonation 반응에 의한  By reaction 술폰산기를The sulfonic acid group 포함하는 폴리페닐렌 공중합체( Containing polyphenylene copolymer ( SPPSPP -y/x)의 합성-y / x)

300 ml 플라스크에 상기 제조예 2에서 제조된 고분자물질 4 g을 80 ml MC에 녹여 교반하였다. 고분자 물질을 완전히 용해시킨 후 플라스크 주위 온도를 -50℃로 낮추어 유지하였다. 클로로술폰산(chlrosulfonic acid; 3.5 mL)과 40 ml의 MC 용액에 녹인 후 천천히 적가하였다. -50℃를 유지하면서 1시간 동안 교반시킨 후 천천히 -20℃까지 승온시켰다. 다시 승온시킨 후 상온에서 30분간 교반시키고 유기층을 따라낸 후 물로 세척하여 내부에 잔존하는 클로로술폰산을 제거하였다. 물로 세척한 고분자를 3 중량% K2CO3 용액에 3시간 교반시킨 후 여과하고 다시 물로 세척하여 술폰산기를 포함하는 고분자를 얻었다. 합성된 고분자는 1H-NMR을 측정하여 동정하였으며, 그 결과를 도 4에 나타내었다.
In a 300 ml flask, 4 g of the polymer substance prepared in Preparation Example 2 was dissolved in 80 ml of MC and stirred. After the polymer material was completely dissolved, the temperature around the flask was kept at -50 캜. Dissolved in chlrosulfonic acid (3.5 mL) and 40 mL of MC solution, and then slowly added dropwise. The mixture was stirred for 1 hour while maintaining the temperature at -50 ° C, and the temperature was slowly raised to -20 ° C. After the temperature was raised again, the mixture was stirred at room temperature for 30 minutes. The organic layer was washed with water and the residual chlorosulfonic acid was removed. The polymer washed with water was stirred in a 3% by weight K 2 CO 3 solution for 3 hours, filtered, and then washed with water to obtain a polymer containing sulfonic acid groups. The synthesized polymer was identified by 1 H-NMR measurement, and the results are shown in FIG.

실시예Example 1: 고분자막의 제조 1: Preparation of polymer membrane

상기 제조예를 통해 제조된 고분자 0.5 g을 DMSO 10 ml에 녹인 후 5 μm 실린지 필터(syringe filter)를 이용하여 녹지 않은 고분자를 제거하였다. 상기 여과한 고분자 용액을 유리판 위에 구비된 8 cm × 8 cm 실리콘 주형에 부어주고 80℃에서 24시간 동안 건조시켰다. 내부의 제거되지 않은 용매를 완전히 제거하기 위하여 건조된 고분자 필름을 160℃ 진공 오븐에서 24시간 동안 추가로 건조시켰다. 건조 후 1.5 M 황산 수용액으로 24시간 동안 산처리하고, 증류수에 24시간 이상 담구어 잔존 산을 제거하였다.
0.5 g of the polymer prepared in the above Preparation Example was dissolved in 10 ml of DMSO, and then the insoluble polymer was removed using a 5 μm syringe filter. The filtered polymer solution was poured into a 8 cm x 8 cm silicon mold provided on a glass plate and dried at 80 ° C for 24 hours. The dried polymer film was further dried in a 160 [deg.] C vacuum oven for 24 hours to completely remove the inner, unremoved solvent. After drying, it was treated with 1.5 M sulfuric acid aqueous solution for 24 hours and immersed in distilled water for at least 24 hours to remove residual acid.

실시예Example 2: 고분자막의 물성 확인 2: Confirmation of physical properties of polymer membrane

상기 실시예에 기재된 방법으로 제조된 고분자들의 물성을 측정하여 비교하였다.The physical properties of the polymers prepared by the methods described in the above examples were measured and compared.

먼저, AC 임피던스 분석기(Solatron 1280, Impedance/gain phase analyzer)를 이용하여 25℃ 및 80℃ 온도의 100% 상대습도 하에서 양성자(proton) 전도도를 측정하였다. Four prove conductivity cell을 이용하여 0.1 내지 20 kHz 범위에서 동일한 위상(in-phase) 방향으로 측정하였다. 측정 전 항온항습 챔버에서 30분간 온도를 유지시켰으며 하기의 식으로 전도도를 계산하였다.First, the proton conductivity was measured at 100% relative humidity at 25 ° C and 80 ° C using an AC impedance analyzer (Solatron 1280, Impedance / gain phase analyzer). Four prove conductivity cells were measured in the in-phase direction in the range of 0.1 to 20 kHz. The temperature was maintained for 30 minutes in the thermo-hygrostat chamber before measurement, and the conductivity was calculated by the following equation.

Figure 112013037852317-pat00027
Figure 112013037852317-pat00027

이때, I는 전극사이의 거리, R은 막의 임피던스, S는 양성자가 이동하는 표면적을 나타낸다.Where I is the distance between the electrodes, R is the impedance of the film, and S is the surface area over which the protons move.

다음으로 치수 변화도를 측정하였다. 치수 변화도를 측정하기 위하여 제조된 막을 24시간 동안 증류수에 담근 후 젖은 막의 부피(Vwet)를 측정하고 상기 젖은 막을 120℃에서 24시간 동안 다시 진공건조시켜 부피(Vdry)를 측정하였다. 이들 측정된 수치를 하기 식에 대입하여 치수 변화도를 계산하였다.Next, the degree of dimensional change was measured. The volume of the wet film (V wet ) was measured after immersing the membrane in distilled water for 24 hours to measure the degree of dimensional change, and the wet film was vacuum dried again at 120 ° C for 24 hours to measure the volume (V dry ). These measured values were substituted into the following equations to calculate the degree of dimensional change.

Figure 112013037852317-pat00028
Figure 112013037852317-pat00028

마지막으로 물 흡수율(water uptake; WU)을 측정하였다. 상기 물 흡수율은 상기 젖은 상태의 막의 질량(Wwet) 및 건조된 막의 질량(Wdry)을 측정하여 하기의 식을 이용하여 계산하였다.Finally, water uptake (WU) was measured. The water absorption rate was calculated by measuring the mass (Wwet) of the wet film and the mass (Wdry) of the dried film using the following equation.

Figure 112013037852317-pat00029
Figure 112013037852317-pat00029

분자량은 고유점도를 측정하여 환산하였다. 고유점도를 측정하기 위하여 상기 제조된 고분자를 NMP에 녹여 0.5 g/dl의 농도로 제조한 용액의 점도를 25℃ 항온조 안에서 우베로드 점도계를 이용하여 측정하였다.
The molecular weight was measured by measuring intrinsic viscosity. In order to measure the intrinsic viscosity, the prepared polymer was dissolved in NMP and the viscosity of the solution prepared at a concentration of 0.5 g / dl was measured in a 25 ° C. thermostat using a Ube load viscometer.

이와 같이 얻은 결과를 종합하여 하기 표 1에 나타내었다.The results thus obtained are summarized in Table 1 below.

Figure 112013037852317-pat00030
Figure 112013037852317-pat00030

실시예Example 3:  3: 술폰산기를The sulfonic acid group 포함하는 폴리페닐렌 공중합체( Containing polyphenylene copolymer ( SPPSPP -y/x)로 제조된 고분자막을 이용한 연료전지용 막-전극 접합체의 제조Preparation of Membrane-Electrode Assembly for Fuel Cell Using Polymer Membrane Prepared with -y / x

본 발명에 따른 고분자막(SPP-8 및 SPP-6)을 이용하여 연료전지용 막-전극 접합체를 제조하였다. 구체적으로, 6 cm × 6 cm 크기의 실시예 1에서 제조된 각 전해질 막과, 전극 제조를 위한 촉매 슬러리를 제조하였다. 이때, 촉매 슬러리는 하기의 방법으로 제조하였다. 이-테크(E-tek, USA)에서 시판하는 40 중량% Pt/C 촉매 170 mg과 5 중량% 나피온 분산 용액(DuPont Inc., USA) 600 mg과 물 870 mg, 이소프로필 알콜(isopropyl alcohol) 460 mg을 혼합하여 초음파로 30분 동안 교반하여 촉매와 나피온이 균일하게 혼합되도록 하였다. 상기한 방법으로 획득한 촉매 슬러리는 닥터 블레이드(Doctor Blade)를 사용하여 폴리이미드 필름 상에 코팅하였다. 이때, 코팅 후 젖어있는 상태에서 촉매층의 두께가 200 μm가 되도록 제조하였다. 상기 촉매 슬러리를 질소가스 환경의 오븐을 이용하여 120℃에서 10시간 동안 건조하였다.Membrane-electrode assemblies for fuel cells were prepared using the polymer membranes (SPP-8 and SPP-6) according to the present invention. Specifically, each electrolyte membrane prepared in Example 1 having a size of 6 cm x 6 cm and a catalyst slurry for electrode production were prepared. At this time, the catalyst slurry was prepared by the following method. 170 mg of a 40 wt% Pt / C catalyst commercially available from E-tek, USA, 600 mg of a 5 wt% Nafion dispersion solution (DuPont Inc., USA), 870 mg of water, isopropyl alcohol ) Were mixed and stirred with ultrasonic wave for 30 minutes to uniformly mix the catalyst and Nafion. The catalyst slurry obtained by the above method was coated on a polyimide film using a Doctor Blade. At this time, the catalyst layer was formed so as to have a thickness of 200 m in a wet state after coating. The catalyst slurry was dried in an oven of nitrogen gas atmosphere at 120 DEG C for 10 hours.

이후, 상기 폴리이미드 필름 상에 코팅된 촉매층을 25 cm2 크기로 재단하고 실시예 5에서 미리 합성하여 준비한 전해질 막(약 60 μm) 상에 적층하였다. 상기 전해질 막은 합성하여 합성하여 필름으로 성형한 후 1,2-프로판디올(끓는 점 188℃) 용액을 브러싱(brushing) 방법으로 도포하여 제조하였다. 상기 도포된 친수성 용매의 양은 200 mg 용매/cm3 전해질 막 이었다. 1,2-프로판디올을 포함하는 전해질막의 양쪽 면에 한 면에 촉매층이 코팅된 폴리이미드 필름을 각각 촉매 층이 전해질 막을 향하도록 정렬시킨 뒤에 그 외부에 폴리이미드 필름을 추가로 부착하여 고분자 전해질 막을 보호하도록 하여 적층체를 구성하였다.Thereafter, the catalyst layer coated on the polyimide film was cut to a size of 25 cm 2 , and laminated on the electrolyte membrane (about 60 μm) prepared and synthesized in Example 5 in advance. The electrolyte membrane was synthesized, synthesized and formed into a film, and then coated with a solution of 1,2-propanediol (boiling point 188 ° C) by a brushing method. The amount of the applied hydrophilic solvent was 200 mg solvent / cm 3 electrolyte membrane. A polyimide film coated with a catalyst layer on one side of the electrolyte membrane including 1,2-propanediol is aligned so that the catalyst layer faces the electrolyte membrane, and then a polyimide film is additionally attached to the outer side of the electrolyte membrane, Thereby forming a laminate.

마지막으로, 상기 적층체를 실리콘 고무 사이에 넣고 다시 스테인레스스틸 판 사이에 삽입한 후, 평판프레스(Carver Inc., USA)를 사용하여 120℃에서 3분간 2 MPa의 압력으로 압착하여 막-전극 접합체(membrane-electrode assembly; MEA)를 제조하였다. 제조된 막-전극 접합체로부터 폴리이미드 필름을 제거하여 그 위에 남아있는 촉매 층의 무게로부터 전사율을 계산하였으며, 계산된 전사율은 100%였다.
Finally, the laminate was sandwiched between silicone rubbers, inserted between stainless steel plates, and then pressed at 120 MPa for 3 minutes at a pressure of 2 MPa using a flat plate press (Carver Inc., USA) (MEA) was prepared. The polyimide film was removed from the prepared membrane-electrode assembly and the transfer rate was calculated from the weight of the remaining catalyst layer. The calculated transfer rate was 100%.

실시예Example 4:  4: 술폰산기를The sulfonic acid group 포함하는 폴리페닐렌 공중합체( Containing polyphenylene copolymer ( SPPSPP -y/x)로 제조된 고분자막을 이용한 연료전지용 막-전극 접합체를 구비한 연료전지의 성능-y / x) using a polymer membrane prepared by using a membrane-electrode assembly for a fuel cell

본 발명에 따른 이온전도성 고분자인 술폰산기를 포함하는 폴리페닐렌 공중합체(SPP-8 및 SPP-6)의 연료전지용 막-전극 접합체로서의 활용도를 검증하기 위하여 상기 고분자를 이용하여 제조한 막-전극 접합체를 전자콜렉터-바이폴라플레이트-막 전극 접합체-바이폴라플레이트-전자콜렉터의 형태로 결합하여 단위셀을 제작하고 연료전지로서의 성능을 단위전지측정장치인 FCT-TS300(Fuel Cell Technologies Inc., USA)으로 전류전압곡선을 측정하여 확인하였다.In order to verify the utilization of polyphenylene copolymers (SPP-8 and SPP-6) containing sulfonic acid groups as ion-conducting polymers according to the present invention as membrane-electrode assemblies for fuel cells, membrane-electrode assemblies (Fuel Cell Technologies Inc., USA), which is a unit cell measuring device, was used to fabricate a unit cell. The unit cell was fabricated by combining a bipolar plate-membrane electrode assembly, an electron collector-bipolar plate-membrane electrode assembly-bipolar plate- Voltage curve.

구체적으로, 연료전지의 활성화를 위하여 0.6 V에서 48시간 소요되었으며 가습량은 100 RH%였다. 단위셀 구동 시 애노드(anode) 연료인 수소와 캐소드(cathode) 연료인 공기의 유량 비율은 1.2:2로 조절하였다. 전류전압곡선은 0.5 V부터 1.0 V까지 50 mV 단계로 25초씩 측정하였다. 상기 전류전압곡선은 X축에 전류밀도, Y축에 전압을 나타낸 것으로, 측정장치에서 가하는 전압의 변화에 따른 전류밀도의 변화를 보여주는 대표적인 연료전지 성능평가방법이다. 그 결과는 도 5에 나타내었다. 도 5에 나타난 바와 같이, 본 발명의 술폰산기를 포함하는 폴리페닐렌 공중합체(SPP-8 및 SPP-6)를 이용하여 제조한 고분자 막을 도입한 연료전지는 100% 가습조건 하에서 0.6 V 전압에 대해 900 mA/cm2 이상의 전류밀도를 나타내었다. 이로부터, 술폰산기를 포함하는 폴리페닐렌 공중합체는, 성형하여 고분자 막으로 제조하여 연료전지에 막-전극 접합체로 도입하였을 때, 뛰어난 성능을 제공할 수 있음을 확인하였다.Specifically, for activation of the fuel cell, it took 48 hours at 0.6 V and the humidification amount was 100 RH%. When the unit cell is driven, the ratio of the flow rate of hydrogen as an anode fuel to the air as a cathode fuel is adjusted to 1.2: 2. The current-voltage curve was measured from 0.5 V to 1.0 V in steps of 50 mV for 25 seconds. The current-voltage curve shows the current density on the X-axis and the voltage on the Y-axis, and is a representative fuel cell performance evaluation method showing the change in the current density according to the change in the voltage applied by the measuring apparatus. The results are shown in Fig. As shown in FIG. 5, the fuel cell in which the polymer membrane prepared using the polyphenylene copolymer (SPP-8 and SPP-6) containing the sulfonic acid group of the present invention was introduced, And showed a current density of 900 mA / cm 2 or more. From these results, it was confirmed that when the polyphenylene copolymer containing sulfonic acid group was molded into a polymer membrane and introduced into a fuel cell as a membrane-electrode assembly, excellent performance could be obtained.

Claims (17)

하기 화학식 1로 표시되는 친수성 페닐렌 반복단위 및 하기 화학식 2로 표시되는 소수성 페닐렌 반복단위를 고분자 골격(backbone)에 포함하는 이온전도성 고분자:
[화학식 1]
Figure 112013037852317-pat00031

[화학식 2]
Figure 112013037852317-pat00032

상기 화학식에서,
R1 내지 R3은 각각 독립적으로 수소원자(-H)이거나; 하나 이상의 술폰산기(sulfuric acid group; -SO3H), 포스폰산기(phosphonic acid group; -PO3H2) 또는 카르복시산기(carboxylic acid group; -CO2H) 또는 이들의 알칼리 금속염으로 치환된 아릴기(aryl); 또는 퍼플루오로알킬기; 그 쇄에 하나 이상의 산소, 질소 또는 황원자를 포함 또는 불포함하는 퍼플루오로알킬아릴기; 퍼플루오로아릴기; 또는 -O-퍼플루오로아릴기이고, 상기 퍼플루오로 화합물은 하나 이상의 술폰산기, 포스폰산기 또는 카르복시산기 또는 이들의 알칼리 금속염을 포함하며,
R4는 각각 독립적으로 수소원자, 불소원자, 아릴기, 퍼플루오르알킬기, 또는 그 쇄에 하나 이상의 산소, 질소 또는 황원자를 포함하는 퍼플루오로알킬아릴기, 퍼플루오로아릴기 또는 -O-퍼플루오로아릴기이고,
단, R1 내지 R3 중 적어도 하나는 하나 이상의 술폰산기, 포스폰산기 또는 카르복시산기 또는 이들의 알칼리 금속염으로 치환된 아릴기며;
Ar1은 페닐렌(phenylene), 하나 이상의 불소로 치환된 페닐렌, 피리디닐렌(pyridinylene), 피리다지닐렌(pyridazinylene), 피리미디닐렌(pyrimidinylene), 바이페닐렌(biphenylene), 바이피리디닐렌(bipyridinylene), 나프틸렌(naphthylene), 안트라세닐렌(anthracenylene), 파이레닐렌(pyrenylene),
Figure 112013037852317-pat00033
,
Figure 112013037852317-pat00034
,
Figure 112013037852317-pat00035
또는
Figure 112013037852317-pat00036
이고,
이때, J는 단일결합, -O-, -S-, -(C=O)-, -(P=O)-, -(SO2)-, -CF2- 또는 -(C(CF3)2)-이며;
Ar2
Figure 112013037852317-pat00037
또는
Figure 112013037852317-pat00038
이고,
이때, R10 내지 R17은 각각 독립적으로 수소원자; 불소원자; 아릴기; 퍼플루오로알킬기; 그 쇄에 하나 이상의 산소, 질소, 황원자 또는 이들의 조합을 포함 또는 불포함하는 퍼플루오로알킬아릴기; 퍼플루오로아릴기; 또는 -O-퍼플루오로아릴기이며,
T는 단일결합, -O-, -S-, -(C=O)-, -(P=O)-, -(SO2)-, -CF2- 또는 -(C(CF3)2)-이고;
W는 단일결합, -O-, -S-, -(C=O)-, -(P=O)-, -(SO2)-, -CF2- 또는 -(C(CF3)2)-이며;
R5 내지 R9는 각각 독립적으로 수소원자; 불소원자; 아릴기; 퍼플루오로알킬기; 그 쇄에 하나 이상의 산소, 질소, 황원자 또는 이들의 조합을 포함 또는 불포함하는 퍼플루오로알킬아릴기; 퍼플루오로아릴기; 또는 -O-퍼플루오로아릴기이고;
a는 0 내지 10의 정수임.
An ion conductive polymer comprising a hydrophilic phenylene repeating unit represented by the following formula (1) and a hydrophobic phenylene repeating unit represented by the following formula (2) in a polymer backbone:
[Chemical Formula 1]
Figure 112013037852317-pat00031

(2)
Figure 112013037852317-pat00032

In the above formulas,
R 1 to R 3 are each independently a hydrogen atom (-H); The as; (-CO 2 H carboxylic acid group ) or their alkali metal salts substituted with one or more sulfonic acid group (sulfuric acid group;; -SO 3 H), phosphonic acid groups (phosphonic acid group -PO 3 H 2 ) or carboxylic acid groups Aryl; Or a perfluoroalkyl group; A perfluoroalkylaryl group containing at least one oxygen, nitrogen or sulfur atom in the chain; A perfluoroaryl group; Or an -O-perfluoroaryl group, and the perfluoro compound includes at least one sulfonic acid group, a phosphonic acid group or a carboxylic acid group or an alkali metal salt thereof,
R 4 each independently represents a hydrogen atom, a fluorine atom, an aryl group, a perfluoroalkyl group, or a perfluoroalkylaryl group containing at least one oxygen, nitrogen or sulfur atom in its chain, a perfluoroaryl group or a -O-purple Lt; / RTI &gt;
Provided that at least one of R 1 to R 3 is an aryl group substituted with at least one sulfonic acid group, a phosphonic acid group or a carboxylic acid group or an alkali metal salt thereof;
Ar 1 is selected from the group consisting of phenylene, phenylene substituted with one or more fluorine, pyridinylene, pyridazinylene, pyrimidinylene, biphenylene, But are not limited to, bipyridinylene, naphthylene, anthracenylene, pyrenylene,
Figure 112013037852317-pat00033
,
Figure 112013037852317-pat00034
,
Figure 112013037852317-pat00035
or
Figure 112013037852317-pat00036
ego,
In this case, J is a single bond, -O-, -S-, - (C = O) -, - (P = O) -, - (SO 2) -, -CF 2 - or - (C (CF 3) 2 ) -;
Ar 2 is
Figure 112013037852317-pat00037
or
Figure 112013037852317-pat00038
ego,
Here, R 10 to R 17 are each independently a hydrogen atom; Fluorine atom; An aryl group; A perfluoroalkyl group; A perfluoroalkylaryl group containing at least one oxygen, nitrogen, sulfur or combinations thereof in the chain; A perfluoroaryl group; Or an -O-perfluoroaryl group,
T represents a single bond, -O-, -S-, - (C = O) -, - (P = O) -, - (SO 2) -, -CF 2 - or - (C (CF 3) 2 ) -ego;
W is a single bond, -O-, -S-, - (C = O) -, - (P = O) -, - (SO 2) -, -CF 2 - or - (C (CF 3) 2 ) -;
R 5 to R 9 each independently represent a hydrogen atom; Fluorine atom; An aryl group; A perfluoroalkyl group; A perfluoroalkylaryl group containing at least one oxygen, nitrogen, sulfur or combinations thereof in the chain; A perfluoroaryl group; Or an -O-perfluoroaryl group;
a is an integer of 0 to 10;
제1항에 있어서,
상기 고분자는 10,000 내지 1,000,000의 수평균 분자량(number-average molecular weight; Mn) 또는 10,000 내지 10,000,000의 중량평균 분자량(weight-average molecular weight; Mw)을 갖는 것인 고분자.
The method according to claim 1,
Wherein the polymer has a number-average molecular weight (Mn) of 10,000 to 1,000,000 or a weight-average molecular weight (Mw) of 10,000 to 10,000,000.
제1항에 있어서,
상기 고분자는 주쇄에 포함된 벤젠고리는 술폰화, 인산화, 아세트산화 또는 할로겐화되지 않는 것이 특징인 고분자.
The method according to claim 1,
The polymer is characterized in that the benzene ring contained in the main chain is not sulfonated, phosphorylated, acetated or halogenated.
제1항에 있어서,
상기 고분자는 랜덤(random), 교차(alternating), 블록(block) 또는 순차적(sequential) 고분자인 것을 특징으로 하는 고분자.
The method according to claim 1,
Wherein the polymer is a random, alternating, block, or sequential polymer.
제1항에 있어서,
하기 화학식 3으로 표시되는 반복단위를 포함하는 골격을 갖는 고분자:
[화학식 3]
Figure 112013037852317-pat00039

상기 화학식 3에서,
R1 내지 R17, Ar1, Ar2, T, W 및 a는 각각 제1항에서 정의된 바와 동일하고,
x는 1 내지 1,000의 정수,
y는 1 내지 10,000의 정수,
n은 1 내지 1,000의 정수임.
The method according to claim 1,
A polymer having a skeleton containing a repeating unit represented by the following formula (3):
(3)
Figure 112013037852317-pat00039

In Formula 3,
R 1 to R 17 , Ar 1 , Ar 2 , T, W and a are each the same as defined in claim 1,
x is an integer of 1 to 1,000,
y is an integer from 1 to 10,000,
and n is an integer of 1 to 1,000.
제5항에 있어서,
상기 x에 대한 y의 비(y/x)는 1 내지 50인 것이 특징인 고분자.
6. The method of claim 5,
Wherein the ratio of y to x (y / x) is 1 to 50.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
R1 내지 R4는 각각 독립적으로 수소원자이거나, 하나 이상의 술폰산기, 포스폰산기 또는 카르복시산기로 치환된 아릴기이고, 상기 술폰산기, 포스폰산기 및 카르복시산기는 알칼리 금속염의 형태일 수 있으며, 상기 R1 내지 R4 중 적어도 하나는 수소원자이며;
Ar1은 페닐렌;
Ar2
Figure 112013037852317-pat00040
이고, 이때, R10 내지 R13은 모두 수소원자, T는 -(C=O)-이고;
W는 -(C=O)-이며;
R5 내지 R9는 모두 수소원자이고;
a는 0 내지 10의 정수,
x는 1 내지 1,000의 정수,
y는 1 내지 10,000의 정수,
n은 1 내지 1,000의 정수인 것이 특징인 고분자.
7. The method according to any one of claims 1 to 6,
R 1 to R 4 are each independently a hydrogen atom or an aryl group substituted with at least one sulfonic acid group, a phosphonic acid group or a carboxylic acid group, and the sulfonic acid group, the phosphonic acid group and the carboxylic acid group may be in the form of an alkali metal salt, 1 to R &lt; 4 &gt; is a hydrogen atom;
Ar 1 is phenylene;
Ar 2 is
Figure 112013037852317-pat00040
, Wherein R 10 to R 13 are all hydrogen atoms and T is - (C = O) -;
W is - (C = O) -;
R 5 to R 9 are both hydrogen atoms;
a is an integer of 0 to 10,
x is an integer of 1 to 1,000,
y is an integer from 1 to 10,000,
and n is an integer of 1 to 1,000.
제7항에 있어서,
R1 내지 R4는 각각 독립적으로 수소원자이거나, 하나 이상의 술폰산기로 치환된 아릴기이고, 상기 술폰산기는 알칼리 금속염의 형태일 수 있으며, 상기 R1 내지 R4 중 하나는 수소원자이며,
a는 0이고,
x는 1 내지 1,000의 정수, y는 1 내지 10,000의 정수로서 상기 x/y는 1 내지 50이며,
n은 1 내지 1,000의 정수인 것이 특징인 고분자.
8. The method of claim 7,
R 1 to R 4 are each independently a hydrogen atom or an aryl group substituted with at least one sulfonic acid group, and the sulfonic acid group may be in the form of an alkali metal salt, and one of R 1 to R 4 is a hydrogen atom,
a is 0,
x is an integer of 1 to 1,000, y is an integer of 1 to 10,000, x / y is 1 to 50,
and n is an integer of 1 to 1,000.
하기 화학식 3으로 표시되는 반복단위를 포함하는 화합물:
[화학식 3]
Figure 112013037852317-pat00041

상기 화학식에서,
R1 내지 R3은 각각 독립적으로 수소원자이거나; 하나 이상의 술폰산기, 포스폰산기 또는 카르복시산기 또는 이들의 알칼리 금속염으로 치환된 아릴기; 또는 퍼플루오로알킬기; 그 쇄에 하나 이상의 산소, 질소 또는 황원자를 포함 또는 불포함하는 퍼플루오로알킬아릴기; 퍼플루오로아릴기; 또는 -O-퍼플루오로아릴기이고, 상기 퍼플루오로 화합물은 하나 이상의 술폰산기, 포스폰산기 또는 카르복시산기 또는 이들의 알칼리 금속염을 포함하며,
R4는 각각 독립적으로 수소원자, 불소원자, 아릴기, 퍼플루오르알킬기, 또는 그 쇄에 하나 이상의 산소, 질소 또는 황원자를 포함하는 퍼플루오로알킬아릴기, 퍼플루오로아릴기 또는 -O-퍼플루오로아릴기이고,
단, R1 내지 R3 중 적어도 하나는 하나 이상의 술폰산기, 포스폰산기 또는 카르복시산기 또는 이들의 알칼리 금속염으로 치환된 아릴기며;
Ar1은 페닐렌, 하나 이상의 불소로 치환된 페닐렌, 피리디닐렌, 피리다지닐렌, 피리미디닐렌, 바이페닐렌, 바이피리디닐렌, 나프틸렌, 안트라세닐렌, 파이레닐렌,
Figure 112013037852317-pat00042
,
Figure 112013037852317-pat00043
,
Figure 112013037852317-pat00044
또는
Figure 112013037852317-pat00045
이고,
이때, J는 단일결합, -O-, -S-, -(C=O)-, -(P=O)-, -(SO2)-, -CF2- 또는 -(C(CF3)2)-이며;
Ar2
Figure 112013037852317-pat00046
또는
Figure 112013037852317-pat00047
이고,
이때, R10 내지 R17은 각각 독립적으로 수소원자; 불소원자; 아릴기; 퍼플루오로알킬기; 그 쇄에 하나 이상의 산소, 질소, 황원자 또는 이들의 조합을 포함 또는 불포함하는 퍼플루오로알킬아릴기; 퍼플루오로아릴기; 또는 -O-퍼플루오로아릴기이며,
T는 단일결합, -O-, -S-, -(C=O)-, -(P=O)-, -(SO2)-, -CF2- 또는 -(C(CF3)2)-이고;
W는 단일결합, -O-, -S-, -(C=O)-, -(P=O)-, -(SO2)-, -CF2- 또는 -(C(CF3)2)-이며;
R5 내지 R9는 각각 독립적으로 수소원자; 불소원자; 아릴기; 퍼플루오로알킬기; 그 쇄에 하나 이상의 산소, 질소, 황원자 또는 이들의 조합을 포함 또는 불포함하는 퍼플루오로알킬아릴기; 퍼플루오로아릴기; 또는 -O-퍼플루오로아릴기이고;
a는 0 내지 10의 정수,
x는 1 내지 1,000의 정수,
y는 1 내지 10,000의 정수,
n은 1 내지 1,000의 정수임.
A compound comprising a repeating unit represented by the following formula (3):
(3)
Figure 112013037852317-pat00041

In the above formulas,
R 1 to R 3 are each independently a hydrogen atom; An aryl group substituted with at least one sulfonic acid group, a phosphonic acid group or a carboxylic acid group or an alkali metal salt thereof; Or a perfluoroalkyl group; A perfluoroalkylaryl group containing at least one oxygen, nitrogen or sulfur atom in the chain; A perfluoroaryl group; Or an -O-perfluoroaryl group, and the perfluoro compound includes at least one sulfonic acid group, a phosphonic acid group or a carboxylic acid group or an alkali metal salt thereof,
R 4 each independently represents a hydrogen atom, a fluorine atom, an aryl group, a perfluoroalkyl group, or a perfluoroalkylaryl group containing at least one oxygen, nitrogen or sulfur atom in its chain, a perfluoroaryl group or a -O-purple Lt; / RTI &gt;
Provided that at least one of R 1 to R 3 is an aryl group substituted with at least one sulfonic acid group, a phosphonic acid group or a carboxylic acid group or an alkali metal salt thereof;
Ar 1 is selected from the group consisting of phenylene, phenylene substituted with one or more fluorine, pyridinylene, pyridazinylene, pyrimidinylene, biphenylene, bipyridinylene, naphthylene, anthracenylene, pyrenylene,
Figure 112013037852317-pat00042
,
Figure 112013037852317-pat00043
,
Figure 112013037852317-pat00044
or
Figure 112013037852317-pat00045
ego,
In this case, J is a single bond, -O-, -S-, - (C = O) -, - (P = O) -, - (SO 2) -, -CF 2 - or - (C (CF 3) 2 ) -;
Ar 2 is
Figure 112013037852317-pat00046
or
Figure 112013037852317-pat00047
ego,
Here, R 10 to R 17 are each independently a hydrogen atom; Fluorine atom; An aryl group; A perfluoroalkyl group; A perfluoroalkylaryl group containing at least one oxygen, nitrogen, sulfur or combinations thereof in the chain; A perfluoroaryl group; Or an -O-perfluoroaryl group,
T represents a single bond, -O-, -S-, - (C = O) -, - (P = O) -, - (SO 2) -, -CF 2 - or - (C (CF 3) 2 ) -ego;
W is a single bond, -O-, -S-, - (C = O) -, - (P = O) -, - (SO 2) -, -CF 2 - or - (C (CF 3) 2 ) -;
R 5 to R 9 each independently represent a hydrogen atom; Fluorine atom; An aryl group; A perfluoroalkyl group; A perfluoroalkylaryl group containing at least one oxygen, nitrogen, sulfur or combinations thereof in the chain; A perfluoroaryl group; Or an -O-perfluoroaryl group;
a is an integer of 0 to 10,
x is an integer of 1 to 1,000,
y is an integer from 1 to 10,000,
and n is an integer of 1 to 1,000.
제1항에 기재된 고분자 또는 제9항에 기재된 화합물의 제조방법으로서,
적어도 하나의 방향족 고리를 포함하며 양 말단에 각각 사이클로펜타디에논(cyclopendienes)을 포함하는 제1화합물을 준비하는 제1단계;
디에노파일(dienophiles)로서, 적어도 하나의 방향족 고리와 알킨기를 포함하는 제2화합물을 준비하는 제2단계;
상기 제1화합물 및 제2화합물을 혼합하여 하기 반응식 1로 표시되는 Diels-Alder 반응에 의해 양 말단에 반응성 작용기를 갖는 친수성 전구체를 준비하는 제3단계;
상기 제3단계로부터 준비된 친수성 전구체를 화학식 2의 소수성 단량체와 혼합하여 공중합체를 형성하는 제4단계; 및
상기 제4단계의 공중합체를 후처리 수식하여 치환기로서 술폰산기, 포스폰산기, 질산기, 할로겐원자 또는 카르복시산기를 도입하는 제5단계를 포함하는 제조방법.
[반응식 1]
Figure 112013037852317-pat00048

A method for producing a polymer according to claim 1 or a compound according to claim 9,
A first step of preparing a first compound containing at least one aromatic ring and containing cyclopendienes at both ends, respectively;
A second step of preparing, as dienophiles, a second compound comprising at least one aromatic ring and an alkyne group;
A third step of mixing the first compound and the second compound to prepare a hydrophilic precursor having reactive functional groups at both terminals by the Diels-Alder reaction represented by the following Reaction Scheme 1;
A fourth step of mixing a hydrophilic precursor prepared from the third step with a hydrophobic monomer of formula (2) to form a copolymer; And
A step of post-treating the copolymer of the fourth step to introduce a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, a nitric acid group, a halogen atom or a carboxylic acid group as a substituent.
[Reaction Scheme 1]
Figure 112013037852317-pat00048

제10항에 있어서,
상기 제4단계는 콜론 커플링 반응(Colon coupling reaction)에 의해 수행되는 것이 특징인 제조방법.
11. The method of claim 10,
Wherein the fourth step is carried out by a colon coupling reaction.
제10항에 있어서,
상기 제5단계의 후처리 수식에 의해 도입되는 치환기는 주쇄골격을 구성하는 방향족 고리가 아닌 측쇄에 결합된 방향족 고리에만 선택적으로 도입되는 것이 특징인 제조방법.
11. The method of claim 10,
Wherein the substituent introduced by the post-processing formula of the fifth step is selectively introduced only into the aromatic ring bonded to the side chain other than the aromatic ring constituting the main chain skeleton.
제1항에 기재된 고분자 또는 제9항에 기재된 화합물을 포함하는 이온전도체.
An ion conductor comprising the polymer according to claim 1 or the compound according to claim 9.
제13항에 있어서,
상기 고분자 또는 화합물을 포함하는 수지 조성물로부터 형성된 성형체인 것이 특징인 이온전도체.
14. The method of claim 13,
Wherein the ion conductor is formed from a resin composition comprising the polymer or the compound.
제14항에 있어서,
상기 성형체는 전해질막, 분리막 또는 수처리막인 것인 이온전도체.
15. The method of claim 14,
Wherein the molded body is an electrolyte membrane, a separation membrane, or a water treatment membrane.
제1항에 기재된 고분자 또는 제9항에 기재된 화합물을 포함하는 수지 조성물로부터 성형된 전해질막 또는 분리막을 구비한 전지.
A battery comprising the polymer according to claim 1 or an electrolyte membrane or separator formed from a resin composition comprising the compound according to claim 9.
제16항에 있어서,
양성자 교환막 연료전지(proton exchange membrane fuel cell a.k.a. polymer electrolyte membrane fuel cell; PEMFC), 직접 메탄올 연료전지(direct methanol fuel cell; DMFC) 또는 산화환원 흐름 전지(redox flow battery)인 것이 특징인 전지.
17. The method of claim 16,
A proton exchange membrane fuel cell (aka polymer electrolyte membrane fuel cell), a direct methanol fuel cell (DMFC), or a redox flow battery.
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