KR101748484B1 - Poly(arylene ether sulfone) copolymer and polymer membranes comprising the same - Google Patents

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Abstract

본 출원은 폴리(아릴렌 에테르 술폰) 공중합체 및 이를 포함하는 고분자 전해질막에 관한 것이다. 본 출원에 따른 가교된 폴리(아릴렌 에테르 술폰) 공중합체는, 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위 및 상기 화학식 2로 표시되는 반복단위를 주쇄로 포함하고, 술폰산기를 포함하는 가교구조를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present application relates to a poly (arylene ether sulfone) copolymer and a polymer electrolyte membrane containing the same. The crosslinked poly (arylene ether sulfone) copolymer according to the present invention includes a crosslinked structure containing a repeating unit represented by the above formula (1) and a repeating unit represented by the above formula (2) as a main chain and having a sulfonic acid group .

Description

폴리(아릴렌 에테르 술폰) 공중합체 및 이를 포함하는 고분자 전해질막{POLY(ARYLENE ETHER SULFONE) COPOLYMER AND POLYMER MEMBRANES COMPRISING THE SAME}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a poly (arylene ether sulfone) copolymer and a polymer electrolyte membrane containing the same. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a poly (arylene ether sulfone)

본 출원은 2014년 6월 13일에 한국특허청에 제출된 한국 특허 출원 제10-2014-0072423호의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용 전부는 본 명세서에 포함된다. 본 출원은 폴리(아릴렌 에테르 술폰) 공중합체 및 이를 포함하는 고분자 전해질막에 관한 것이다.This application claims the benefit of Korean Patent Application No. 10-2014-0072423 filed on June 13, 2014, filed with the Korean Intellectual Property Office, the entire contents of which are incorporated herein by reference. The present application relates to a poly (arylene ether sulfone) copolymer and a polymer electrolyte membrane containing the same.

최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 수 있는 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 대체 에너지의 하나로서 연료전지는 고효율이고, NOx 및 SOx 등의 공해 물질을 배출하지 않으며, 사용되는 연료가 풍부하다는 등의 장점으로 인해 특히 주목받고 있다.Recently, as the exhaustion of existing energy resources such as oil and coal is predicted, interest in energy that can replace them is increasing. As one of such alternative energies, fuel cells have attracted particular attention due to their advantages such as high efficiency, no emission of pollutants such as NOx and SOx, and abundant fuel.

연료전지는 연료와 산화제의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서, 연료로는 수소와 메탄올, 부탄 등과 같은 탄화수소가, 산화제로는 산소가 대표적으로 사용된다.A fuel cell is a power generation system that converts the chemical reaction energy of a fuel and an oxidant into electric energy. Hydrogen, hydrocarbons such as methanol and butane are used as fuel, and oxygen is used as an oxidant.

연료전지에는 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC), 직접 메탄올형 연료전지(DMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 알칼리형 연료전지(AFC), 용융 탄산염형 연료전지(MCFC), 고체 산화물형 연료전지(SOFC) 등이 있다. 그 중에서 고분자 전해질형 연료전지는 에너지 밀도가 크고 출력이 높아 가장 활발하게 연구되고 있다. 이러한 고분자 전해질형 연료전지는 전해질로서 액체가 아닌 고체 고분자 전해질막을 사용한다는 점에서 다른 연료전지와 차이가 있다.BACKGROUND ART Fuel cells include a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), a direct methanol fuel cell (DMFC), a phosphoric acid fuel cell (PAFC), an alkaline fuel cell (AFC), a molten carbonate fuel cell (MCFC) And a battery (SOFC). Among them, polymer electrolyte fuel cells have been actively studied because they have high energy density and high output. Such a polymer electrolyte fuel cell differs from other fuel cells in that it uses a solid polymer electrolyte membrane instead of a liquid electrolyte.

대한민국 공개특허공보 제10-2003-0076057호Korean Patent Publication No. 10-2003-0076057

본 출원은 수소 이온 전도도, 기계적 물성, 치수 안정성 등이 우수한 연료전지용 고분자 전해질막 및 이를 위한 고분자를 제공하고자 한다.The present application aims to provide a polymer electrolyte membrane for a fuel cell excellent in hydrogen ion conductivity, mechanical properties, dimensional stability, and polymers for the same.

본 출원의 일 실시상태는,In one embodiment of the present application,

하기 화학식 1로 표시되는 반복단위 및 하기 화학식 2로 표시되는 반복단위를 주쇄로 포함하고,(1) and a repeating unit represented by the following formula (2) as a main chain,

가교구조를 포함하는 가교된 폴리(아릴렌 에테르 술폰) 공중합체를 제공한다.(Arylene ether sulfone) copolymer comprising a crosslinked structure.

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Figure 112015056962615-pat00001
Figure 112015056962615-pat00001

[화학식 2](2)

Figure 112015056962615-pat00002
Figure 112015056962615-pat00002

상기 화학식 1 및 2에서,In the above Formulas 1 and 2,

R1 내지 R3, 및 R8 내지 R10은 각각 독립적으로 -O-, -S-, -SO2-, -C=O- 또는 -C(CH3)2- 이고,R 1 to R 3 and R 8 to R 10 are each independently -O-, -S-, -SO 2 -, -C = O- or -C (CH 3 ) 2 -

R4 내지 R7 및 R13 내지 R16은 각각 독립적으로, 수소, 또는 탄소수 1 내지 10의 직쇄 또는 분지쇄의 알킬기이고,R4 to R7 and R13 to R16 each independently represent hydrogen or a straight or branched alkyl group having 1 to 10 carbon atoms,

R11 및 R12는 각각 독립적으로 -SO3R17이며,R11 and R12 are each independently a -SO 3 R17,

R17은 H, Li, Na 또는 K 이고,R17 is H, Li, Na or K,

R18 및 R19는 각각 독립적으로 -CH2Cl 또는 -CH2N3이며 R18 and R19 are each independently -CH 2 Cl or -CH 2 N 3, and

A 및 A'는 각각 독립적으로 직접결합 또는 탄소수 1 내지 10의 직쇄 또는 분지쇄의 알킬렌기이고,A and A 'are each independently a direct bond or a straight or branched alkylene group having 1 to 10 carbon atoms,

m, o, p 및 q는 각각 독립적으로 0 내지 4이며, n, r, s 및 t는 각각 독립적으로 0 내지 3이고,m, o, p and q are each independently 0 to 4, n, r, s and t are each independently 0 to 3,

a 및 b는 화학식 1 및 2의 몰비로서, 각각 독립적으로 0.1 내지 0.99 이다.a and b are the molar ratios of formulas (1) and (2), each independently 0.1 to 0.99.

또한, 본 출원의 다른 실시상태는,Further, another embodiment of the present application,

상기 화학식 1로 표시되는 반복단위 및 상기 화학식 2로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리(아릴렌 에테르 술폰) 공중합체를 형성하는 단계,Forming a poly (arylene ether sulfone) copolymer comprising the repeating unit represented by the formula (1) and the repeating unit represented by the formula (2)

상기 폴리(아릴렌 에테르 술폰) 공중합체에 할로겐알킬화 반응 및 아지도화 반응을 순차적으로 진행하여, 상기 폴리(아릴렌 에테르 술폰) 공중합체에 아지도알킬기를 도입하는 단계, 및A step of sequentially introducing a halogen alkylation reaction and an azidation reaction into the poly (arylene ether sulfone) copolymer to introduce the aziralkyl group into the poly (arylene ether sulfone) copolymer, and

가교제를 투입하여 상기 폴리(아릴렌 에테르 술폰) 공중합체의 가교화 공정을 수행하는 단계A step of injecting a crosslinking agent to perform a crosslinking process of the poly (arylene ether sulfone) copolymer

를 포함하는 가교된 폴리(아릴렌 에테르 술폰) 공중합체의 제조방법을 제공한다.(Arylene ether sulfone) copolymer comprising a crosslinked poly (arylene ether sulfone) copolymer.

또한, 본 출원의 다른 실시상태는 상기 가교된 폴리(아릴렌 에테르 술폰) 공중합체를 포함하는 고분자 전해질막을 제공한다.In addition, another embodiment of the present application provides a polymer electrolyte membrane comprising the crosslinked poly (arylene ether sulfone) copolymer.

또한, 본 출원의 다른 실시상태는 상기 고분자 전해질막을 포함하는 연료전지를 제공한다.Further, another embodiment of the present application provides a fuel cell comprising the polymer electrolyte membrane.

본 출원에 따른 가교된 폴리(아릴렌 에테르 술폰) 공중합체는 연료전지용 고분자 전해질막에 보다 바람직하게 적용될 수 있다. 상기 고분자 전해질막은 수소 이온 전도도 뿐만 아니라 기계적 물성, 치수 안정성 등을 향상시킬 수 있는 특징이 있다.The crosslinked poly (arylene ether sulfone) copolymer according to the present application can be more preferably applied to a polymer electrolyte membrane for a fuel cell. The polymer electrolyte membrane is characterized not only in hydrogen ion conductivity, but also in mechanical properties and dimensional stability.

또한, 상기 가교된 폴리(아릴렌 에테르 술폰) 공중합체의 제조시, 단량체의 조성, 가교구조의 도입을 위해 고분자 주쇄에 도입된 아지도알킬기의 양, 가교제의 양 등에 따라서 수소 이온 전도도, 기계적 물성, 치수 안정성 등을 조절할 수 있는 유연성을 가지고 있다.In preparing the cross-linked poly (arylene ether sulfone) copolymer, the hydrogen ion conductivity, mechanical properties, and the like may vary depending on the composition of the monomer, the amount of the alkyl chain introduced into the main chain of the polymer for the introduction of the cross- , Dimensional stability, and so on.

또한, 본 출원에서는 용액 공정을 통해 고분자 용액을 캐스팅한 후, 용매를 증발시키기 위해 열처리하는 과정에서 클릭 반응(click reaction)을 통해 가교구조가 도입됨으로써, 고분자 전해질막의 제조 후 별도의 처리 없이 고분자 전해질막에 쉽게 가교구조를 도입할 수 있는 특징이 있다.In addition, in the present application, a cross-linking structure is introduced through a click reaction in a process of casting a polymer solution through a solution process and then heat-treating the solvent to evaporate the solvent. Thus, after the production of the polymer electrolyte membrane, It is possible to easily introduce a crosslinking structure into the membrane.

도 1은 본 출원의 일 실시상태에 따른 가교된 폴리(아릴렌 에테르 술폰) 공중합체의 구조를 개략적으로 나타낸 도이다.
도 2는 본 출원의 일 실시상태에 따른 실시예 1의 고분자 전해질막의 사진을 개략적으로 나타낸 도이다.
도 3는 본 출원의 일 실시상태에 따른 실시예 2의 고분자 전해질막의 사진을 개략적으로 나타낸 도이다.
도 4는 본 출원의 일 실시상태에 따른 실시예 3의 고분자 전해질막의 사진을 개략적으로 나타낸 도이다.
도 5는 본 출원의 일 실시상태에 따른 실시예 4의 고분자 전해질막의 사진을 개략적으로 나타낸 도이다.
도 6은 본 출원의 일 실시상태에 따른 실시예 5의 고분자 전해질막의 사진을 개략적으로 나타낸 도이다.
도 7은 본 출원의 일 실시상태에 따른 실시예 6의 고분자 전해질막의 사진을 개략적으로 나타낸 도이다.
도 8은 본 출원의 일 실시상태에 따른 비교예 1의 고분자 전해질막의 사진을 개략적으로 나타낸 도이다.
1 schematically shows the structure of a crosslinked poly (arylene ether sulfone) copolymer according to one embodiment of the present application.
2 is a schematic view showing a photograph of the polymer electrolyte membrane of Example 1 according to one embodiment of the present application.
3 is a schematic view of a photograph of a polymer electrolyte membrane of Example 2 according to one embodiment of the present application.
4 is a schematic view showing a photograph of a polymer electrolyte membrane of Example 3 according to one embodiment of the present application.
5 is a schematic view showing a photograph of the polymer electrolyte membrane of Example 4 according to one embodiment of the present application.
6 is a schematic view showing a photograph of a polymer electrolyte membrane of Example 5 according to one embodiment of the present application.
7 is a schematic view showing a photograph of the polymer electrolyte membrane of Example 6 according to one embodiment of the present application.
8 is a diagram schematically showing a photograph of a polymer electrolyte membrane of Comparative Example 1 according to one embodiment of the present application.

이하, 본 출원을 보다 상세히 설명한다.The present application will be described in more detail below.

일반적으로, 연료전지에 적용되는 탄화수소계 고분자 전해질막은 뛰어난 열 및 산화 안정성, 기계적 물성, 가공성 등을 가지고 있지만, 대체로 나피온에 비하여 수소 이온 전도도가 떨어진다는 단점을 가지고 있다. 상기 수소 이온 전도도를 높이기 위해 고분자 내 술폰산기의 함량을 늘려 술폰화도를 지나치게 높이게 되면, 함수율이 증가하면서 큰 팽창률을 가지게 되어 치수 안정성이 저하될 수 있다. 이에 고분자 전해질막의 치수 안정성을 높이기 위해 무기물과의 복합체막 제조, 불소의 도입, 가교의 도입과 같은 접근이 이루어져 왔다.Generally, a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane applied to a fuel cell has excellent heat and oxidation stability, mechanical properties, processability, and the like, but has a disadvantage that its hydrogen ion conductivity is lower than that of Nafion. If the content of sulfonic acid groups in the polymer is increased to increase the hydrogen ion conductivity, if the sulfonation degree is excessively increased, the water stability may be lowered because the water content increases and the polymer has a large expansion coefficient. In order to improve the dimensional stability of the polymer electrolyte membrane, approaches such as the manufacture of a composite membrane with an inorganic substance, the introduction of fluorine, and the introduction of crosslinking have been made.

본 출원에서는 폴리(아릴렌 에테르 술폰) 공중합체를 포함하는 고분자 전해질막에 가교를 도입하고자 하였다. 특히, 본 출원에서는 폴리(아릴렌 에테르 술폰) 공중합체의 주쇄에 술폰산기 및 트리아졸기를 포함하는 가교구조를 도입함으로써, 고분자 전해질막의 수소 이온 전도도를 향상시키는 것과 동시에 기계적 물성 및 치수 안정성을 향상시키고자 하였다.In the present application, a crosslinking is intended to be introduced into a polymer electrolyte membrane containing a poly (arylene ether sulfone) copolymer. Particularly, in the present application, by introducing a crosslinking structure containing a sulfonic acid group and a triazole group into the main chain of a poly (arylene ether sulfone) copolymer, it is possible to improve the hydrogen ion conductivity of the polymer electrolyte membrane and improve the mechanical properties and dimensional stability .

본 출원의 일 실시상태에 따른 가교된 폴리(아릴렌 에테르 술폰) 공중합체는, 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위 및 상기 화학식 2로 표시되는 반복단위를 주쇄로 포함하고, 가교구조를 포함하는 것을 특징으로 한다.The crosslinked poly (arylene ether sulfone) copolymer according to one embodiment of the present application is a copolymer comprising a repeating unit represented by the formula (1) and a repeating unit represented by the formula (2) as a main chain and having a crosslinked structure .

본 출원에 있어서, 상기 "가교구조를 포함"한다는 것은 공중합체가 가교제에 의해 가교된 형태를 가지는 것을 의미한다.In the present application, the term "including a crosslinked structure" means that the copolymer has a crosslinked form by a crosslinking agent.

본 출원에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위는 술폰산기를 포함하지 않는 단량체이고, 상기 화학식 2로 표시되는 반복단위는 술폰산기를 포함하는 단량체로서, 이들의 몰비를 조절하여 공중합체 내 술폰화도를 조절할 수 있다.In the present application, the repeating unit represented by the formula (1) is a monomer not containing a sulfonic acid group, and the repeating unit represented by the formula (2) is a monomer containing a sulfonic acid group. Can be adjusted.

본 출원에 있어서, 상기 화학식 2로 표시되는 반복단위의 몰비가 너무 낮은 경우에는 수소 이온 전도도가 충분히 확보되지 않을 수 있으므로, 상기 화학식 2로 표시되는 반복단위의 몰비를 최대한 높이는 것이 바람직하다. 술폰산기를 포함하지 않는 반복단위와 술폰산기를 포함하는 반복단위의 몰비를 1 : 1로 합성하는 경우에는, 나피온과 비슷하거나 조금 낮은 수소 이온 전도도를 가질 수 있다. 또한, 상기 술폰산기를 포함하는 반복단위의 몰비가 그 이상으로 높아지는 경우에는 공중합체의 중합도를 올리기 어렵고, 상기 중합체를 이용하여 제조한 전해질막의 치수안정성이 급격히 저하될 수 있다. 따라서, 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위와 상기 화학식 2로 표시되는 반복단위의 몰비는 약 1 : 1인 것이 바람직하나, 이에만 한정되는 것은 아니다.In the present application, when the molar ratio of the repeating unit represented by the above-mentioned formula (2) is too low, the hydrogen ion conductivity may not be sufficiently secured, so that the molar ratio of the repeating unit represented by the above formula (2) is preferably maximized. When the molar ratio of the repeating unit containing no sulfonic acid group to the repeating unit containing a sulfonic acid group is 1: 1, it may have a hydrogen ion conductivity similar to or slightly lower than that of Nafion. In addition, when the molar ratio of the repeating unit containing the sulfonic acid group is higher than that, it is difficult to increase the degree of polymerization of the copolymer, and the dimensional stability of the electrolyte membrane produced using the polymer may be drastically lowered. Accordingly, the molar ratio of the repeating unit represented by Formula 1 to the repeating unit represented by Formula 2 is preferably about 1: 1, but is not limited thereto.

본 출원에 있어서, 상기 화학식 2는 하기 화학식 2-1로 표시될 수 있다.In the present application, the formula (2) may be represented by the following formula (2-1).

[화학식 2-1][Formula 2-1]

Figure 112015056962615-pat00003
Figure 112015056962615-pat00003

상기 화학식 2-1에 있어서, R8 내지 R16, R19, A', q, r, s, t 및 b는 상기 화학식 2의 정의와 동일하다.R 8 to R 16, R 19, A ', q, r, s, t and b are the same as defined in the above formula (2).

본 출원에 있어서, 상기 화학식 1 및 화학식 2로 표시되는 반복단위를 주쇄로서 포함하는 공중합체는 다이하이드록시 단량체, 다이플루오로 단량체 등을 이용하여 제조할 수 있다.In the present application, the copolymer containing the repeating units represented by the above-mentioned formulas (1) and (2) as a main chain can be produced by using a dihydroxy monomer, a difluoromonomer or the like.

본 출원에 있어서, 상기 가교구조는 후술하는 가교제에 의하여 폴리(아릴렌 에테르 술폰) 공중합체 내에 도입될 수 있다. 또한, 상기 가교구조는 트리아졸계 작용기를 추가로 포함할 수 있다.In the present application, the cross-linking structure can be introduced into the poly (arylene ether sulfone) copolymer by the cross-linking agent described later. In addition, the crosslinking structure may further include a triazole-based functional group.

본 출원에 따른 가교된 폴리(아릴렌 에테르 술폰) 공중합체는 연료전지용 고분자 전해질막에 보다 바람직하게 적용될 수 있다. 상기 고분자 전해질막은 수소 이온 전도도 뿐만 아니라 기계적 물성, 치수 안정성 등을 향상시킬 수 있는 특징이 있다.The crosslinked poly (arylene ether sulfone) copolymer according to the present application can be more preferably applied to a polymer electrolyte membrane for a fuel cell. The polymer electrolyte membrane is characterized not only in hydrogen ion conductivity, but also in mechanical properties and dimensional stability.

본 출원에 있어서, 상기 가교된 폴리(아릴렌 에테르 술폰) 공중합체의 점도는 1.23 dL g-1 일 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.In the present application, the viscosity of the crosslinked poly (arylene ether sulfone) copolymer may be, but is not limited to, 1.23 dL g -1 .

또한, 본 출원에 있어서, 상기 가교된 폴리(아릴렌 에테르 술폰)의 술폰화도는 0 초과 0.6 이하일 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.Further, in the present application, the degree of sulfonation of the crosslinked poly (arylene ether sulfone) may be more than 0 and not more than 0.6, but is not limited thereto.

본 출원에 있어서, 상기 공중합체의 중량평균분자량은 10,000 내지 1,000,000이고, 구체적으로 50,000 내지 500,000인 것이 바람직하며, 50,000 내지 300,000인 것이 더욱 바람직하다. 상기 범위 내에 있을 때, 높은 용해도와 우수한 기계적 물성을 가질 수 있다.In the present application, the weight average molecular weight of the copolymer is preferably 10,000 to 1,000,000, more preferably 50,000 to 500,000, and even more preferably 50,000 to 300,000. When in the above range, it can have high solubility and excellent mechanical properties.

일반적으로, 방향족 탄화수소계 고분자 전해질막은 치수 안정성과 기계적 물성이 뛰어난 반면에, 수소 이온 전도도가 낮은 것이 단점이라 할 수 있다. 이를 극복하기 위해서 술폰화도를 높이게 되면, 전해질막의 치수 안정성과 기계적 물성이 저하되는 문제가 발생한다. 본 출원의 일 실시상태에 따른 가교된 폴리(아릴렌 에테르 술폰) 공중합체는, 술폰산기를 함유하는 가교 구조를 포함하므로, 전해질막 전체의 술폰화도를 높일 수 있고, 이에 따라 수소 이온 전도도에 유리한 효과를 가져오는 것과 동시에 가교를 통해 전해질막의 치수 안정성과 기계적 물성의 저하를 방지하는 효과를 가져올 수 있다. 즉, 본 출원의 일 실시상태에 따른 가교된 전해질막은 수소 이온 전도도 뿐만 아니라, 치수 안정성 및 기계적 물성에서도 향상된 성능을 보여줄 수 있다.In general, the aromatic hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane is excellent in dimensional stability and mechanical properties, but has a low hydrogen ion conductivity. If the degree of sulfonation is increased to overcome this problem, the dimensional stability and mechanical properties of the electrolyte membrane deteriorate. Since the crosslinked poly (arylene ether sulfone) copolymer according to one embodiment of the present application contains a crosslinked structure containing a sulfonic acid group, it is possible to increase the degree of sulfonation of the entire electrolyte membrane, And at the same time, the dimensional stability and the mechanical properties of the electrolyte membrane can be prevented from deteriorating through crosslinking. That is, the crosslinked electrolyte membrane according to one embodiment of the present application can exhibit improved performance not only in hydrogen ion conductivity, but also in dimensional stability and mechanical properties.

또한, 본 출원의 일 실시상태에 따른 가교된 폴리(아릴렌 에테르 술폰) 공중합체의 제조방법은, 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위 및 상기 화학식 2로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리(아릴렌 에테르 술폰) 공중합체를 형성하는 단계, 상기 폴리(아릴렌 에테르 술폰) 공중합체에 할로겐알킬화 반응 및 아지도화 반응을 순차적으로 진행하여, 상기 폴리(아릴렌 에테르 술폰) 공중합체에 아지도알킬기를 도입하는 단계, 및 가교제를 투입하여 상기 폴리(아릴렌 에테르 술폰) 공중합체의 가교화 공정을 수행하는 단계를 포함한다.The method for producing a crosslinked poly (arylene ether sulfone) copolymer according to an embodiment of the present application is a method for producing a crosslinked poly (arylene ether sulfone) copolymer comprising a poly (arylene ether sulfone) copolymer comprising a repeating unit represented by the above- (Arylene ether sulfone) copolymer is subjected to a halogen alkylation reaction and an azidation reaction sequentially to introduce an aziralkyl group into the poly (arylene ether sulfone) copolymer , And a step of introducing a crosslinking agent to carry out a crosslinking process of the poly (arylene ether sulfone) copolymer.

본 출원에 있어서, 상기 할로겐알킬화 반응 및 아지도화 반응은 상기 폴리(아릴렌 에테르 술폰) 공중합체에 가교화 공정을 수행하기 위한 아지도 알킬기를 도입하기 위한 공정이다.In the present application, the halogenalkylation reaction and the azidation reaction are processes for introducing an azido alkyl group for performing a crosslinking process on the poly (arylene ether sulfone) copolymer.

본 출원의 일 실시상태로서, 상기 할로겐알킬화 반응은 폴리(아릴렌 에테르 술폰) 공중합체 1몰당 클로로메틸메틸에테르(ClCH2OCH3) 1.5몰과 틴클로라이드(Sn(Ⅳ)Cl4) 1몰을 사용하여 50℃에서 24시간동안 반응하는 공정으로 수행될 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다. 이 때, 압력 조건은 별도의 조절 없이 상압에서 진행될 수 있다. 이러한 반응에 따라서, 폴리(아릴렌 에테르 술폰) 공중합체에 클로로메틸기가 도입될 수 있다.In one embodiment of the present application, the halogenalkylation reaction is carried out by reacting 1.5 mol of chloromethyl methyl ether (ClCH 2 OCH 3 ) and 1 mol of tin chloride (Sn (IV) Cl 4 ) per mole of poly (arylene ether sulfone) For 24 hours at < RTI ID = 0.0 > 50 C. < / RTI > At this time, the pressure condition can proceed at normal pressure without any adjustment. According to this reaction, a chloromethyl group may be introduced into the poly (arylene ether sulfone) copolymer.

또한, 본 출원의 일 실시상태로서, 상기 아지도화 반응은 클로로메틸기가 도입된 폴리(아릴렌 에테르 술폰) 공중합체 1몰당 소듐아자이드(NaN3) 0.6몰을 사용하여 100℃에서 12시간동안 반응하는 공정으로 수행될 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다. 상기 소듐아자이드는 클로로메틸기와 1 대 1로 반응할 수 있고, 과량으로 넣어줄 수 있다. 이러한 반응에 따라서, 아지도메틸기가 도입된 폴리(아릴렌 에테르 술폰) 공중합체를 제조할 수 있다.As an embodiment of the present application, the azidination reaction is carried out by using 0.6 mol of sodium azide (NaN3) per 1 mol of a poly (arylene ether sulfone) copolymer into which chloromethyl groups have been introduced at 100 DEG C for 12 hours But the present invention is not limited thereto. The sodium azide can react with the chloromethyl group on a one-to-one basis and can be added in an excess amount. According to such a reaction, a poly (arylene ether sulfone) copolymer into which an azimethyl group has been introduced can be produced.

본 출원에 있어서, 상기 아지도메틸기의 개수는 폴리(아릴렌 에테르 술폰) 반복단위 당 약 0.05개 일 수 있다. 즉, 폴리(아릴렌 에테르 술폰) 반복단위가 100개 내에서는 아지도메틸기가 약 5개 존재할 수 있다. 상기 아지도메틸기의 개수는 반응물의 당량, 시간 등을 통해 조절할 수 있다. 상기 아지도메틸기의 개수가 너무 적은 경우에는 가교의 효과가 떨어질 수 있고, 너무 많은 경우에는 고분자의 안정성은 증가하나 유동성이 많이 감소하면서 수소 이온 전도도가 덜 증가하거나 감소할 수 있다.In the present application, the number of azimethyl groups may be about 0.05 per repeating poly (arylene ether sulfone) unit. That is, about five poly (arylene ether sulfone) repeating units may exist within 100 repeating units. The number of methyl groups on the azimethyl group can be controlled by the equivalence of reactants, time, and the like. If the number of methyl groups is too small, the effect of crosslinking may deteriorate. If too much, the stability of the polymer may increase, but the hydrogen ion conductivity may decrease or decrease while the fluidity decreases greatly.

본 출원에 있어서, 상기 가교제는 1,4-다이에티닐벤젠(DEB), 4,4'-다이아지도-2,2'-스틸벤다이술폰산 다이소듐(DSDA) 및 하기 구조식으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.In the present application, the crosslinking agent is selected from the group consisting of 1,4-diethynylbenzene (DEB), 4,4'-diazido-2,2'-stilbene disulfonic acid disodium (DSDA) But it should not be construed that the invention is limited thereto.

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본 출원에 있어서, 상기 가교화 공정은 아지도알킬기와 에티닐기와의 시클로 첨가반응으로 수행될 수 있다.In the present application, the crosslinking step may be carried out by a cyclic addition reaction of an aziralkyl group and an ethynyl group.

상기 폴리(아릴렌 에테르 술폰) 공중합체 : 가교제의 질량비는 1 : 0.1 ~ 1 : 3 일 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.The mass ratio of the poly (arylene ether sulfone) copolymer to the crosslinking agent may be 1: 0.1 to 1: 3, but is not limited thereto.

본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 가교화 공정은 아지도메틸기가 도입된 폴리(아릴렌 에테르 술폰)공중합체와 1,4-다이에티닐벤젠(DEB) 및 4,4'-다이아지도-2,2'-스틸벤다이술폰산 다이소듐(DSDA)을 다양한 질량비로 DMF(N,N-dimethylformamide)에 녹이는 공정으로 수행될 수 있다. 이 용액 안에는 클릭반응의 촉매로 놓어준 CuBr(copper(Ⅰ) bromide) / PMDETA(N,N,N',N",N"-pentamethyldiethylenetriamine)도 녹아 있을 수 있다. 이와 같이 제조한 용액을 유리판에 캐스팅한 후 60℃에서 12시간, 120℃에서 12시간동안 처리하여 용매를 증발시킴과 동시에 클릭반응을 통한 가교를 진행할 수 있다. 이 때, 압력은 별도의 조절 없이 상압에서 진행될 수 있다.In one embodiment of the present application, the crosslinking step comprises reacting a poly (arylene ether sulfone) copolymer having an azimethyl group introduced thereinto with 1,4-diethynylbenzene (DEB) and 4,4'- And dissolving 2,2'-stilbene disulfonic acid disodium (DSDA) in DMF (N, N-dimethylformamide) at various mass ratios. In this solution, CuBr (copper (Ⅰ) bromide) / PMDETA (N, N, N ', N ", N" -pentamethyldiethylenetriamine) The solution thus prepared is cast on a glass plate and then treated at 60 ° C for 12 hours and at 120 ° C for 12 hours to evaporate the solvent and to perform crosslinking through a click reaction. At this time, the pressure can be advanced at normal pressure without any adjustment.

일반적으로, 공중합체 내에 가교구조가 도입되는 경우에는, 수소 이온 전도도가 낮아지지만, 본 출원에서는 가교구조 내에 술폰산기와 트리아졸기를 포함함으로써, 수소 이온 전도도를 향상시킬 수 있는 특징이 있다.Generally, when the crosslinking structure is introduced into the copolymer, the hydrogen ion conductivity is lowered. However, in the present application, sulfonic acid group and triazole group are contained in the crosslinking structure, whereby the hydrogen ion conductivity can be improved.

본 출원에서는, 상기 가교된 폴리(아릴렌 에테르 술폰) 공중합체의 제조시, 단량체의 조성, 가교구조의 도입을 위해 고분자 주쇄에 도입된 아지도알킬기의 양, 가교제의 양 등에 따라서 수소 이온 전도도, 기계적 물성, 치수 안정성 등을 조절할 수 있는 유연성을 가지고 있다.In the present application, in the production of the crosslinked poly (arylene ether sulfone) copolymer, the hydrogen ion conductivity, the degree of hydrogen ion conductivity, and the amount of the cross-linking agent, depending on the composition of the monomer, the amount of the aziralkyl group introduced into the main chain of the polymer, Mechanical properties, dimensional stability, and the like.

본 출원의 일 실시상태에 따른 고분자 전해질막은 상기 가교된 폴리(아릴렌 에테르 술폰) 공중합체를 포함한다.The polymer electrolyte membrane according to one embodiment of the present application includes the cross-linked poly (arylene ether sulfone) copolymer.

특히, 본 출원에서는 용액 공정을 통해 고분자 용액을 캐스팅한 후, 용매를 증발시키기 위해 열처리하는 과정에서 클릭 반응(click reaction)을 통해 가교구조가 도입됨으로써, 고분자 전해질막의 제조 후 별도의 처리 없이 고분자 전해질막에 쉽게 가교구조를 도입할 수 있는 특징이 있다.Particularly, in the present application, a cross-linking structure is introduced through a click reaction in a process of casting a polymer solution through a solution process and then heat-treating the solvent to evaporate the solvent. Thus, after the production of the polymer electrolyte membrane, It is possible to easily introduce a crosslinking structure into the membrane.

본 출원은 상기 고분자 전해질막을 포함하는 막 전극 접합체를 제공한다. 보다 구체적으로, 상기 막 전극 접합체는 상기 고분자 전해질막의 일면에 구비되는 캐소드 및 상기 고분자 전해질막의 타면에 구비되는 애노드를 더 포함할 수 있다.The present application provides a membrane electrode assembly including the above polymer electrolyte membrane. More specifically, the membrane electrode assembly may further include a cathode provided on one surface of the polymer electrolyte membrane and an anode provided on the other surface of the polymer electrolyte membrane.

상기 캐소드 및 애노드는 각각 촉매층 및 기체확산층을 포함할 수 있고, 상기 고분자 전해질막은 캐소드 촉매층과 애노드 촉매층 사이에 구비될 수 있다. 상기 고분자 전해질막은 캐소드 촉매층과 애노드 촉매층과 접촉하여 구비될 수 있다.The cathode and the anode may each include a catalyst layer and a gas diffusion layer, and the polymer electrolyte membrane may be provided between the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer. The polymer electrolyte membrane may be provided in contact with the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer.

본 출원에 있어서, 상기 고분자 전해질막은 캐소드 촉매층과 애노드 촉매층 사이에 구비될 수 있고, 수소 이온이 통하는 매개체이자 공기와 수소 가스의 분리막의 역할을 수행할 수 있다. 고분자 전해질막의 수소 이온 이동도가 높을수록 막 전극 접합체의 성능을 높아진다.In the present application, the polymer electrolyte membrane may be provided between the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer, and may serve as a medium through which hydrogen ions pass and also serve as a separator between air and hydrogen gas. The higher the hydrogen ion mobility of the polymer electrolyte membrane, the higher the performance of the membrane electrode assembly.

본 출원에 있어서, 상기 캐소드 및 애노드는 본 명세서의 연료전지용 전극일 수 있다.In the present application, the cathode and the anode may be an electrode for a fuel cell of the present specification.

상기 애노드의 촉매층에서는 연료의 산화 반응이 일어나며, 상기 캐소드의 촉매층에서는 산화제의 환원 반응이 일어난다.The oxidation reaction of the fuel occurs in the catalyst layer of the anode, and the reduction reaction of the oxidant occurs in the catalyst layer of the cathode.

상기 촉매층은 촉매를 포함할 수 있다.The catalyst layer may comprise a catalyst.

상기 촉매는 연료전지에서 촉매의 역할을 할 수 있다면 그 종류를 한정하지 않으나, 백금, 전이금속 및 백금-전이금속 합금 중 하나를 포함할 수 있다.The catalyst may be one of platinum, a transition metal, and a platinum-transition metal alloy, although the type of the catalyst is not limited as long as it can serve as a catalyst in a fuel cell.

여기서, 전이금속은 주기율표에서 3 내지 11족 원소이며, 예를 들면, 루테늄, 오스뮴, 팔라듐, 몰리브덴 및 로듐 중 어느 하나일 수 있다.Here, the transition metal is an element of Group 3 to Group 11 in the periodic table, and may be any one of ruthenium, osmium, palladium, molybdenum and rhodium.

구체적으로, 상기 촉매는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-몰리브덴 합금 및 백금-로듐 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.Specifically, the catalyst may be selected from the group consisting of platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy, platinum-molybdenum alloy and platinum-rhodium alloy. .

상기 촉매층의 촉매들은 그 자체로 촉매층으로 사용될 수 있을 뿐만 아니라 탄소계 담체에 담지되어 사용될 수 있다.The catalysts of the catalyst layers themselves can be used not only as a catalyst layer but also as a carbon carrier.

상기 탄소계 담체로는 흑연(그라파이트), 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 캐천 블랙, 활성 카본, 중다공성 카본, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노혼, 탄소나노링, 탄소나노와이어, 플러렌(C60) 및 수퍼P블랙(Super P black)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 2종 이상의 혼합물이 바람직한 예가 될 수 있다.Examples of the carbon-based support include graphite, carbon black, acetylene black, denka black, cacao black, activated carbon, mesoporous carbon, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon nanohorn, carbon nano ring, A mixture of two or more selected from the group consisting of fullerene (C60) and Super P black (Super P black) is a preferred example.

상기 촉매층은 이오노머를 더 포함할 수 있다.The catalyst layer may further comprise an ionomer.

상기 이오노머는 수소나 메탄올과 같은 연료와 촉매간의 반응에 의하여 생성된 이온이 고분자 전해질막으로 이동하기 위한 통로를 제공하여 주는 역할을 한다.The ionomer serves to provide a passage for transferring ions generated by the reaction between the fuel and the catalyst, such as hydrogen or methanol, to the polymer electrolyte membrane.

상기 이오노머는 구체적으로 나피온 이오노머 또는 술포네이티드 폴리트리플루오로 스티렌과 같은 술폰화된 폴리머가 사용될 수 있다.The ionomer may specifically be a sulfonated polymer such as Nafion ionomer or sulfonated polytrifluorostyrene.

본 명세서의 일 실시상태에서, 상기 연료전지용 전극은 촉매층의 일면에 구비된 기체확산층을 더 포함할 수 있다. 상기 기체확산층은 전류전도체로서의 역할과 함께 반응 가스와 물의 이동 통로가 되는 것으로, 다공성의 구조를 가진다. 따라서, 상기 기체확산층은 도전성 기재를 포함하여 이루어질 수 있다.In one embodiment of the present invention, the electrode for a fuel cell may further include a gas diffusion layer provided on one side of the catalyst layer. The gas diffusion layer serves as a current conductor and serves as a passage for reacting gas and water, and has a porous structure. Therefore, the gas diffusion layer may include a conductive base material.

상기 도전성 기재로는 당해 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 재료를 사용할 수 있으나, 예를 들면 탄소 페이퍼(Carbon paper), 탄소 천(Carbon cloth) 또는 탄소 펠트(Carbon felt)가 바람직하게 사용될 수 있으며 이에 한정되지 않는다.As the conductive base material, any conventional materials known in the art can be used. For example, carbon paper, carbon cloth or carbon felt can be preferably used. It does not.

본 출원은 상기 고분자 전해질막을 포함하는 연료전지를 제공한다.The present application provides a fuel cell comprising the above polymer electrolyte membrane.

본 출원의 일 실시상태는 상기 2 이상의 막 전극 접합체와 막 전극 접합체들 사이에 구비된 세퍼레이터를 포함하는 스택; 연료를 스택으로 공급하는 연료 공급부; 및 산화제를 스택으로 공급하는 산화제 공급부를 포함하는 연료전지를 제공한다.One embodiment of the present application includes a stack comprising a separator provided between the at least two membrane electrode assemblies and the membrane electrode assemblies; A fuel supply unit for supplying fuel to the stack; And an oxidant supply part for supplying the oxidant to the stack.

상기 스택은 상술한 막 전극 접합체를 하나 또는 둘 이상 포함하며, 막 전극 접합체가 둘 이상 포함되는 경우에는 이들 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함한다. 세퍼레이터는 막 전극 접합체들이 전기적으로 연결되는 것을 막고 외부에서 공급된 연료 및 산화제를 막 전극 접합체로 전달하는 역할을 한다.The stack includes one or more of the membrane electrode assemblies described above and includes a separator interposed therebetween when the membrane electrode assembly includes two or more membrane electrode assemblies. The separator serves to prevent the membrane electrode assemblies from being electrically connected and to transfer the fuel and oxidant supplied from the outside to the membrane electrode assembly.

상기 산화제 공급부는 산화제를 스택으로 공급하는 역할을 한다. 산화제로는 산소가 대표적으로 사용되며, 산소 또는 공기를 펌프로 주입하여 사용할 수 있다.The oxidant supply part serves to supply the oxidant to the stack. As the oxidizing agent, oxygen is typically used, and oxygen or air can be injected by pumping.

연료 공급부는 연료를 스택으로 공급하는 역할을 하며, 연료를 저장하는 연료탱크 및 연료 탱크에 저장된 연료를 스택으로 공급하는 펌프로 구성될 수 있다. 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료가 사용될 수 있다. 탄화수소 연료의 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연가스를 들 수 있다.The fuel supply part serves to supply the fuel to the stack, and can be constituted by a fuel tank for storing the fuel and a pump for supplying the fuel stored in the fuel tank to the stack. As the fuel, gas or liquid hydrogen or hydrocarbon fuel may be used. Examples of hydrocarbon fuels include methanol, ethanol, propanol, butanol or natural gas.

이하에서, 실시예를 통하여 본 명세서를 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 본 명세서를 예시하기 위한 것일 뿐, 본 명세서를 한정하기 위한 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples. However, the following embodiments are intended to illustrate the present disclosure and are not intended to limit the present disclosure.

<< 실시예Example >>

<< 실시예Example 1 ~ 6> 1 to 6>

1) One) 폴리Poly (( 아릴렌Arylene 에테르  ether 술폰Sulphone ) 공중합체의 제조) Copolymer Production

Figure 112015056962615-pat00005
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폴리(아릴렌 에테르 술폰) 고분자는 4,4'-다이하이드록시 바이페닐 단량체와 3,3'-다이술포네이트-4,4'-다이플루오로다이페닐 술폰, 4,4-다이플루오로다이페닐 술폰 단량체 사이의 친핵성 치환반응에 의해 합성되었다. 본 출원에서 3,3'-다이술포네이트-4,4'-다이플루오로다이페닐 술폰과 4,4-다이플루오로다이페닐 술폰을 1:1 몰비로 사용하였다. 합성된 고분자는 50%의 술폰화도를 가지고 있으며, "PAES-50"이라고 명명하였다.The poly (arylene ether sulfone) polymer is a copolymer of 4,4'-dihydroxybiphenyl monomer and 3,3'-disulfonate-4,4'-difluorodiphenyl sulfone, 4,4-difluorodi Nucleophilic substitution reaction between phenylsulfone monomers. In this application, 3,3'-disulfonate-4,4'-difluorodiphenylsulfone and 4,4-difluorodiphenylsulfone were used in a 1: 1 molar ratio. The synthesized polymer had a sulfonation degree of 50% and was named "PAES-50".

2) 2) 개질된Reformed 폴리Poly (( 아릴렌Arylene 에테르  ether 술폰Sulphone ) 공중합체의 제조) Copolymer Production

Figure 112015056962615-pat00006
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클릭반응에 참여할 수 있는 아지도기를 도입하기 위해, PAES-50에 대하여 클로로메틸화 반응과 아지도화 반응을 진행하였다. 클로로메틸화 반응에서는 PAES-50의 단량체 대비 1 당량의 SnCl4, 1.5 당량의 ClCH2OCH3를 사용하여 50℃에서 2일 간 반응을 진행하였다. 정제 후, 아지도화 반응에서는 과량의 NaN3를 사용하여 100℃에서 12시간 동안 반응을 진행하였다. 반응의 결과, 단위체 당 붙은 아지도메틸기는 약 0.05개였으며, 상기의 반응을 통해 개질된 고분자를 "N3-PAES-50" 이라고 명명하였다.The chloromethylation reaction and the azidization reaction were carried out on PAES-50 to introduce azide groups capable of participating in the click reaction. In the chloromethylation reaction, one equivalent of SnCl 4 and 1.5 equivalents of ClCH 2 OCH 3 were used for the reaction at 50 ° C. for 2 days, compared to the monomer of PAES-50. After purification, the reaction was carried out at 100 ° C. for 12 hours using an excess amount of NaN 3 in the azidization reaction. As a result of the reaction, the azido group attached to the unit was about 0.05, and the polymer modified through the above reaction was named "N 3 -PAES-50".

3) 3) 가교된Bridged 폴리Poly (( 아릴렌Arylene 에테르  ether 술폰Sulphone ) 공중합체 및 고분자 ) Copolymers and Polymers 전해질막의Electrolyte membrane 제조 Produce

아지도기는 에티닐기와의 시클로 첨가반응을 통해 1,2,3-트라이아졸 고리를 형성하며, 이 반응은 쉽게 일어나기 때문에 클릭반응이라고 불린다. 하기 도 1은 클릭반응을 이용하여 N3-PAES-50에 가교구조를 도입하는 모식도이다. DMF에 N3-PAES-50과 가교제인 1,4-다이에티닐벤젠(DEB), 4,4'-다이아지도-2,2'-스틸벤다이술폰산 다이소듐(DSDA)을 녹인 후, CuBr 촉매와 리간드인 N,N,N',N",N"-펜타메틸다이에틸렌트라이아민(PMDETA)을 넣어주었다. 닥터 블레이드를 사용하여 유리판에 450μm로 캐스팅한 후, 오븐에서 60℃로 12시간, 120℃로 12시간 동안 열처리 하였다. 상기와 같이 만들어진 고분자 전해질막은 증류수에 함침하여 유리판으로부터 떼어내고 메탄올로 씻어주었다. 그 다음 술폰산기의 나트륨 이온을 수소 이온으로 바꾸어주기 위해 1M 황산 수용액으로 산 처리를 하고 증류수로 씻어주었다.The azido group forms a 1,2,3-triazole ring through a cycloaddition reaction with an ethynyl group, and this reaction is called a click reaction because it occurs easily. 1 is a schematic diagram for introducing a crosslinking structure into N 3 -PAES-50 using a click reaction. Was dissolved in benzene (DEB), 4,4'- diamine map 2,2' steel bendayi acid disodium (DSDA) ethynyl N 3 -PAES-50 and a cross-linking agent is 1,4 to DMF, CuBr catalyst And the ligands N, N, N ', N ", N" -pentamethyldiethylenetriamine (PMDETA) were added. Using a doctor blade, the glass plate was cast to 450 mu m, and then heat-treated in an oven at 60 DEG C for 12 hours and at 120 DEG C for 12 hours. The polymer electrolyte membrane thus prepared was impregnated with distilled water, peeled off from the glass plate, and rinsed with methanol. Then, acid treatment with 1M sulfuric acid aqueous solution was performed to convert the sodium ion of the sulfonic acid group into hydrogen ion, and washed with distilled water.

하기 표 1과 같이, 이렇게 얻은 가교된 고분자 전해질막을 C-PAES-50 X : Y라고 명명하였으며, X : Y는 C-PAES-50을 제조할 때 사용된 N3-PAES-50과 가교제(DEB, DSDA)의 질량비를 의미한다.The cross-linked polyelectrolyte membrane thus obtained was named C-PAES-50 X: Y, and X: Y was a mixture of N 3 -PAES-50 used in the production of C-PAES- , DSDA).

[표 1][Table 1]

Figure 112015056962615-pat00007
Figure 112015056962615-pat00007

<< 실험예Experimental Example 1> 기계적 물성의 측정 1> Measurement of mechanical properties

기계적 물성은 UTM(universal testing machine)을 사용하여 측정하였다. 표본은 전해질막을 ASTM standard D639를 사용하여 dog-bone 모양으로 자른 것이었다. 측정 조건은 25℃, 40% 습도였다.Mechanical properties were measured using a universal testing machine (UTM). The specimen was cut into a dog-bone shape using an ASTM standard D639 electrolyte membrane. The measurement conditions were 25 ° C and 40% humidity.

일반적으로 가교가 도입됨에 따라 인장강도와 모듈러스가 증가하는 것으로 보고되어 있으며, 본 출원에서 이러한 경향은 가교제의 함량이 적을 때, 나타났다. 하지만 본 발명의 경우에는 가교제의 함량이 어느 이상이 되면 감소하였다. 이는 친수성이 강한 가교제의 특성을 고려하였을 때, DEB와 DSDA의 클릭반응에 의해 생기는 사슬구조가 많아지면서 자기들끼리 뭉치게 되어 불균일한 막을 만들었거나, 가교제가 많아지는 만큼 DEB와 DSDA의 클릭반응에 의해 생기는 사슬구조가 N3-PAES-50에 붙지 못하거나 한 쪽만 붙는 경우도 늘어나면서 오히려 고분자의 자유부피를 크게 하였기 때문일 수 있다. 그러나, 하지만 거의 모든 샘플이 PAES-50(가교되지 않은 전해질막)에 비해 향상된 기계적 강도를 보였다.In general, it has been reported that tensile strength and modulus increase with the introduction of crosslinking, and this trend has been shown when the amount of crosslinking agent is small in the present application. However, in the case of the present invention, the content of the crosslinking agent decreased to some extent. Considering the characteristics of the hydrophilic cross-linking agent, DEB and DSDA cause the chain structure resulting from the click reaction to aggregate to form a non-uniform membrane, or the cross-linking agent is increased, The resulting chain structure may not be attached to N 3 -PAES-50 or may be attached to only one side, which may be because the free volume of the polymer is increased. However, almost all of the samples showed improved mechanical strength compared to PAES-50 (non-crosslinked electrolyte membrane).

가교제의 함량이 증가함에 따라 percentage elongation 이 감소하는 현상은 가교에 의한 일반적인 경향과 일치하였다.The decrease of percentage elongation as the amount of crosslinking agent increased was consistent with the general trend of crosslinking.

[표 2][Table 2]

Figure 112015056962615-pat00008
Figure 112015056962615-pat00008

<< 실험예Experimental Example 2> 물 흡수 특성 2> Water absorption characteristics

함수율 및 팽창률은 고분자 전해질막을 30℃의 증류수에 24 시간 동안 담근 후, 측정하였다.The water content and the expansion coefficient were measured by immersing the polymer electrolyte membrane in distilled water at 30 ° C for 24 hours.

일반적으로 가교가 도입됨에 따라 함수율과 팽창률이 감소하는 것으로 알려져있다. 본 출원에서는 가교제의 함량이 증가함에 따라 함수율이 증가하였으며, 이는 술폰산기를 가지고 있는 가교구조가 친수성을 띠기 때문이다. 팽창률도 가교제의 함량이 증가함에 따라 증가하였고, C-PAES-50 3:1, 2:1, 1.5:1 샘플들은 가교가 도입되지 않은 PAES-50 막보다 낮은 팽창률 값을 나타내었다. 이 세 샘플들은 함수율이 PAES-50막보다 높았음에도 불구하고 팽창률이 낮았는데, 이는 가교의 도입이 가져온 치수안정성 향상을 보여주는 결과이다.It is generally known that the water content and expansion rate decrease with the introduction of crosslinking. In this application, as the content of the crosslinking agent increases, the water content increases, because the crosslinked structure having a sulfonic acid group is hydrophilic. The expansion coefficients of the PAES-50 membranes increased with increasing crosslinking agent content. The C-PAES-50 3: 1, 2: 1 and 1.5: 1 samples showed lower expansion values than the PAES-50 membrane without crosslinking. These three samples showed a lower expansion rate despite a higher water content than the PAES-50 membrane, which is an indication of improved dimensional stability resulting from the introduction of crosslinking.

IECv(wet)는 전해질막이 물에 젖어있는 상태에서 고분자의 단위 부피 당 몇 mmol의 술폰산기가 있는지 나타내는 값이다. 가교제의 함량이 증가함에 따라, 술폰산기 절대량의 증가량보다 팽창률의 증가량이 작기 때문에 IECv(wet) 값이 증가하다가, 팽창률이 급격히 증가하는 시점에서부터 감소하는 경향을 보였다.IECv (wet) is a value indicating the number of mmol of sulfonic acid group per unit volume of the polymer in the state that the electrolyte membrane is wetted with water. As the content of the crosslinking agent increased, the IECv (wet) value increased because the increase rate of the expansion rate was smaller than the increase amount of the absolute amount of the sulfonic acid group, and then decreased from the point of time when the expansion rate rapidly increased.

[표 3][Table 3]

Figure 112015056962615-pat00009
Figure 112015056962615-pat00009

<< 실험예Experimental Example 3> 수소 이온 전도도 특성 3> Hydrogen ion conductivity characteristics

본 출원에서 가교구조의 도입에 의한 치수안정성의 향상과 술폰산기가 도입되어 있는 가교구조의 친수성에 의한 수소 이온 전도도의 향상을 동시에 달성하였다.In the present application, improvement of dimensional stability by introduction of a crosslinking structure and improvement of hydrogen ion conductivity by hydrophilicity of a crosslinked structure into which a sulfonic acid group is introduced are simultaneously achieved.

80℃, 90% 습도 조건에서 C-PAES-50 1:2를 제외한 모든 샘플이 Nafion212보다 높은 전도도를 나타내었으며, C-PAES-50 3:1, 2:1, 1.5:1 샘플은 PAES-50 전해질막보다도 8 ~ 29% 향상된 전도도를 나타내었다.All samples except C-PAES-50 1: 2 showed higher conductivity than Nafion212 at 80 ° C and 90% humidity and C-PAES-50 3: 1, 2: Conductivity improved by 8 ~ 29% compared to electrolyte membrane.

80℃, 50% 습도조건에서도 비슷한 경향을 나타내었다.Similar trend was observed at 80 ℃ and 50% humidity condition.

[표 4][Table 4]

Figure 112015056962615-pat00010
Figure 112015056962615-pat00010

상기 실시예 1 ~ 6 및 비교예 1에 따른 고분자 전해질막의 사진을 하기 도 2 내지 도 8에 개략적으로 나타내었다.A photograph of the polymer electrolyte membrane according to Examples 1 to 6 and Comparative Example 1 is schematically shown in Figs. 2 to 8. Fig.

본 출원에 따른 가교된 폴리(아릴렌 에테르 술폰) 공중합체는 연료전지용 고분자 전해질막에 보다 바람직하게 적용될 수 있다. 상기 고분자 전해질막은 수소 이온 전도도 뿐만 아니라 기계적 물성, 치수 안정성 등을 향상시킬 수 있는 특징이 있다.The crosslinked poly (arylene ether sulfone) copolymer according to the present application can be more preferably applied to a polymer electrolyte membrane for a fuel cell. The polymer electrolyte membrane is characterized not only in hydrogen ion conductivity, but also in mechanical properties and dimensional stability.

또한, 상기 가교된 폴리(아릴렌 에테르 술폰) 공중합체의 제조시, 단량체의 조성, 가교구조의 도입을 위해 고분자 주쇄에 도입된 아지도알킬기의 양, 가교제의 양 등에 따라서 수소 이온 전도도, 기계적 물성, 치수 안정성 등을 조절할 수 있는 유연성을 가지고 있다.In preparing the cross-linked poly (arylene ether sulfone) copolymer, the hydrogen ion conductivity, mechanical properties, and the like may vary depending on the composition of the monomer, the amount of the alkyl chain introduced into the main chain of the polymer for the introduction of the cross- , Dimensional stability, and so on.

또한, 본 출원에서는 용액 공정을 통해 고분자 용액을 캐스팅한 후, 용매를 증발시키기 위해 열처리하는 과정에서 클릭 반응(click reaction)을 통해 가교구조가 도입됨으로써, 고분자 전해질막의 제조 후 별도의 처리 없이 고분자 전해질막에 쉽게 가교구조를 도입할 수 있는 특징이 있다.In addition, in the present application, a cross-linking structure is introduced through a click reaction in a process of casting a polymer solution through a solution process and then heat-treating the solvent to evaporate the solvent. Thus, after the production of the polymer electrolyte membrane, It is possible to easily introduce a crosslinking structure into the membrane.

Claims (9)

하기 화학식 1로 표시되는 반복단위 및 하기 화학식 2로 표시되는 반복단위를 주쇄로 포함하고,
가교구조를 포함하는 가교된 폴리(아릴렌 에테르 술폰) 공중합체이고,
상기 가교구조는 술폰산기 및 트리아졸계 작용기를 포함하는 것인 가교된 폴리(아릴렌 에테르 술폰) 공중합체:
[화학식 1]
Figure 112016088981319-pat00011

[화학식 2]
Figure 112016088981319-pat00012

상기 화학식 1 및 2에서,
R1 내지 R3, 및 R8 내지 R10은 각각 독립적으로 -O-, -S-, -SO2-, -C=O- 또는 -C(CH3)2- 이고,
R4 내지 R7 및 R13 내지 R16은 각각 독립적으로, 수소, 또는 탄소수 1 내지 10의 직쇄 또는 분지쇄의 알킬기이고,
R11 및 R12는 각각 독립적으로 -SO3R17이며,
R17은 H, Li, Na 또는 K 이고,
R18 및 R19는 각각 독립적으로 -CH2Cl 또는 -CH2N3이며
A 및 A'는 각각 독립적으로 직접결합 또는 탄소수 1 내지 10의 직쇄 또는 분지쇄의 알킬렌기이고,
m, o, p 및 q는 각각 독립적으로 0 내지 4이며, n, r, s 및 t는 각각 독립적으로 0 내지 3이고,
a 및 b는 화학식 1 및 2의 몰비로서, 각각 독립적으로 0.1 내지 0.99 이다.
(1) and a repeating unit represented by the following formula (2) as a main chain,
A crosslinked poly (arylene ether sulfone) copolymer including a crosslinked structure,
Wherein the crosslinked structure comprises a sulfonic acid group and a triazole-based functional group:
[Chemical Formula 1]
Figure 112016088981319-pat00011

(2)
Figure 112016088981319-pat00012

In the above Formulas 1 and 2,
R 1 to R 3 and R 8 to R 10 are each independently -O-, -S-, -SO 2 -, -C = O- or -C (CH 3 ) 2 -
R4 to R7 and R13 to R16 each independently represent hydrogen or a straight or branched alkyl group having 1 to 10 carbon atoms,
R11 and R12 are each independently a -SO 3 R17,
R17 is H, Li, Na or K,
R18 and R19 are each independently -CH 2 Cl or -CH 2 N 3, and
A and A 'are each independently a direct bond or a straight or branched alkylene group having 1 to 10 carbon atoms,
m, o, p and q are each independently 0 to 4, n, r, s and t are each independently 0 to 3,
a and b are the molar ratios of formulas (1) and (2), each independently 0.1 to 0.99.
삭제delete 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위 및 하기 화학식 2로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리(아릴렌 에테르 술폰) 공중합체를 형성하는 단계, 및
가교제를 투입하여 상기 폴리(아릴렌 에테르 술폰) 공중합체의 가교화 공정을 수행하는 단계를 포함하는 가교된 폴리(아릴렌 에테르 술폰) 공중합체의 제조방법이고,
상기 가교된 폴리(아릴렌 에테르 술폰) 공중합체의 가교구조는 술폰산기 및 트리아졸계 작용기를 포함하는 것인 가교된 폴리(아릴렌 에테르 술폰) 공중합체의 제조방법:
[화학식 1]
Figure 112016088981319-pat00013

[화학식 2]
Figure 112016088981319-pat00014

상기 화학식 1 및 2에서,
R1 내지 R3, 및 R8 내지 R10은 각각 독립적으로 -O-, -S-, -SO2-, -C=O- 또는 -C(CH3)2- 이고,
R4 내지 R7 및 R13 내지 R16은 각각 독립적으로, 수소, 또는 탄소수 1 내지 10의 직쇄 또는 분지쇄의 알킬기이고,
R11 및 R12는 각각 독립적으로 -SO3R17이며,
R17은 H, Li, Na 또는 K 이고,
R18 및 R19는 각각 독립적으로 -CH2Cl 또는 -CH2N3이며,
A 및 A'는 각각 독립적으로 직접결합 또는 탄소수 1 내지 10의 직쇄 또는 분지쇄의 알킬렌기이고,
m, o, p 및 q는 각각 독립적으로 0 내지 4이며, n, r, s 및 t는 각각 독립적으로 0 내지 3이고,
a 및 b는 화학식 1 및 2의 몰비로서, 각각 독립적으로 0.1 내지 0.99 이다.
(Arylene ether sulfone) copolymer comprising a repeating unit represented by the following formula (1) and a repeating unit represented by the following formula (2), and
(Arylene ether sulfone) copolymer, which comprises the step of introducing a crosslinking agent to carry out a crosslinking step of the poly (arylene ether sulfone) copolymer,
Wherein the cross-linking structure of the cross-linked poly (arylene ether sulfone) copolymer comprises a sulfonic acid group and a triazole-based functional group, wherein the crosslinked poly (arylene ether sulfone)
[Chemical Formula 1]
Figure 112016088981319-pat00013

(2)
Figure 112016088981319-pat00014

In the above Formulas 1 and 2,
R 1 to R 3 and R 8 to R 10 are each independently -O-, -S-, -SO 2 -, -C = O- or -C (CH 3 ) 2 -
R4 to R7 and R13 to R16 each independently represent hydrogen or a straight or branched alkyl group having 1 to 10 carbon atoms,
R11 and R12 are each independently a -SO 3 R17,
R17 is H, Li, Na or K,
R18 and R19 are each independently -CH 2 Cl or -CH 2 N 3,
A and A 'are each independently a direct bond or a straight or branched alkylene group having 1 to 10 carbon atoms,
m, o, p and q are each independently 0 to 4, n, r, s and t are each independently 0 to 3,
a and b are the molar ratios of formulas (1) and (2), each independently 0.1 to 0.99.
삭제delete 삭제delete 청구항 3에 있어서, 상기 폴리(아릴렌 에테르 술폰) 공중합체 : 가교제의 질량비는 1 : 0.1 ~ 1 : 3인 것을 특징으로 하는 가교된 폴리(아릴렌 에테르 술폰) 공중합체의 제조방법.[4] The method according to claim 3, wherein the weight ratio of the poly (arylene ether sulfone) copolymer to the crosslinking agent is 1: 0.1 to 1: 3. 청구항 1의 가교된 폴리(아릴렌 에테르 술폰) 공중합체를 포함하는 고분자 전해질막.A polymer electrolyte membrane comprising the crosslinked poly (arylene ether sulfone) copolymer of claim 1. 청구항 7에 있어서, 상기 전해질막은 연료전지용인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막.The polymer electrolyte membrane according to claim 7, wherein the electrolyte membrane is for a fuel cell. 청구항 7의 고분자 전해질막을 포함하는 연료전지.A fuel cell comprising the polymer electrolyte membrane of claim 7.
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