KR101766577B1 - Alkyl bisimidazolium-mediated crosslinked nion exchange membranes with comb-shaped structure - Google Patents

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Abstract

본 발명은 상대적으로 긴 알킬 사슬을 갖고 가교제와 이온 전도체의 기능을 동시에 하는 곁사슬 고분자를 주쇄에 결합하여 코움구조를 갖는 자체응집형 음이온 교환막을 형성함으로써 전도성을 향상시킬 뿐만 아니라, 우수한 화학적, 열적, 기계적 및 치수 안정성을 가지는 음이온 교환막으로 알칼리성 교환막 연료 전지(AEMFC)에 사용하기 적합한, 코움 구조를 갖는 코움 구조를 갖는 알킬 비스이미다졸리움계 가교형 음이온 교환막에 관한 것이다.The present invention not only improves conductivity by forming a self-aggregated anion exchange membrane having a complex structure by bonding a side chain polymer having a relatively long alkyl chain and a function of a cross-linking agent and an ion conductor to a main chain, To an alkylbisimidazolium-based cross-linkable anion exchange membrane having a comb structure having a comb structure, which is suitable for use in an alkaline exchange membrane fuel cell (AEMFC) as an anion exchange membrane having mechanical and dimensional stability.

Description

코움 구조를 갖는 알킬 비스이미다졸리움계 가교형 음이온 교환막{ALKYL BISIMIDAZOLIUM-MEDIATED CROSSLINKED NION EXCHANGE MEMBRANES WITH COMB-SHAPED STRUCTURE}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to an alkylbenzimidazolium-based cross-linked anion exchange membrane having a complex structure,

본 발명은 코움 구조를 갖는 알킬 비스이미다졸리움계 가교형 음이온 교환막에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 높은 전도도와 안정성을 갖는 음이온 교환막으로 알칼리성 교환막 연료 전지(AEMFC)에 사용하기 적합한 코움 구조를 갖는 알킬비스이미다졸을 이온전도기 및 가교제로 사용한 알킬 비스이미다졸리움계 가교형 음이온 교환막에 관한 것이다.The present invention relates to an alkylbisimidazolium-based crosslinked anion exchange membrane having a comb structure, and more particularly, to an anion exchange membrane having high conductivity and stability and having a comb structure suitable for use in an alkaline exchange membrane fuel cell (AEMFC) And an alkylbisimidazolium-based crosslinking type anion exchange membrane using alkylbisimidazole as an ionic conductor and a crosslinking agent.

현재, 많이 알려지고 개발되고 있는 양성자 교환막 연료전지(PEMFC)에 비해 음이온 교환막 알칼리성 연료 전지(AEMFC)는 그의 장점 때문에 관심이 증대되고 있다. AEMFC는 귀금속 전극 촉매를 사용하지 않고, 음극에서의 빠른 환원 동역학과 낮은 부식 및 공정 조건의 높은 pH에 기인한 비교적 저렴한 가격의 금속제 촉매를 사용할 수 있다는 장점을 가진다.At present, the anion-exchange membrane alkaline fuel cell (AEMFC) is growing in popularity because of its advantages over proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs), which are well known and under development. AEMFC has the advantage of using a relatively low cost metal catalyst due to the fast reduction dynamics at the cathode, low corrosion, and high pH of the process conditions, without using a noble metal electrode catalyst.

폴리(에테르 설폰), 폴리(에테르 케톤), 폴리이미드, 폴리(페닐렌 옥사이드) 및 무기물을 포함하는 혼성 복합체를 포함하는 많은 고분자는 음이온 교환막(anion exchange membrane, AEM)용 기본 중합체로 사용되고 있다. 4급 암모늄 염, 구아니디늄 염, 피레라지늄 염, 모폴리니늄 염 및 이미다졸리늄 염 등의 수산화물 전도성 그룹(conducting groups) 등이 이러한 기본 중합체에 도입되어 사용되고 있다. 이들 기본 중합체들은 쉽게 제조되고 그 특성이 쉽게 변경될 수 있다는 장점을 갖고 있지만, 알카리성(높은 pH) 조건에서의 낮은 안정성 때문에 음이온 교환막 알칼리성 연료 전지(AEMFC)에서 실제적인 사용은 제한된다. 또한 물에서 H+의 이동도에 비해 OH-이온의 낮은 전기화학적 이동도 때문에 높은 OH-이온 전도도를 달성할 수 없어 음이온 교환막(anion exchange membrane, AEM)은 개발이 어려운 실정이다. AEM에서 OH-이온 전도도를 최대로 하기 위해 가장 간단하고 직접적인 방법은, 고분자의 그램당 전도성 그룹의 밀리당량(meq)으로 정의되는, 이온 교환 용량(IEC)을 증가시키는 것이다. 그러나, 높은 이온 교환 용량(IEC)은 필연적으로 상응하는 막의 상당한 팽창을 야기하는 과도한 수분 흡수를 동반하고, 기계적 특성을 손상시키며 특히 높은 온도에서는 AEM을 분해시키는 문제를 일으킨다.Many polymers including hybrid composites comprising poly (ether sulfone), poly (ether ketone), polyimide, poly (phenylene oxide) and inorganic materials have been used as base polymers for anion exchange membranes (AEM). Hydroxide conducting groups such as quaternary ammonium salts, guanidinium salts, pyridazinium salts, moporininium salts and imidazolinium salts have been introduced into these base polymers and used. These base polymers have the advantage that they can be readily prepared and their properties can be easily changed, but their practical use in anion exchange membrane alkaline fuel cells (AEMFC) is limited due to their low stability under alkaline (high pH) conditions. In addition, it is difficult to develop anion exchange membrane (AEM) because it can not achieve high OH - ion conductivity due to low electrochemical migration of OH - ion compared to the mobility of H + in water. The most straightforward and direct method to maximize OH - ion conductivity in AEM is to increase the ion exchange capacity (IEC), defined as the milliequivalents (meq) of the conductive group per gram of polymer. However, a high ion exchange capacity (IEC) is accompanied by excessive water absorption which inevitably leads to a considerable swelling of the corresponding membrane, impairing the mechanical properties and causing the problem of decomposing the AEM, especially at high temperatures.

이러한 막의 안정성은 일반적으로 고분자를 가교화함으로써 증대시킬 수 있지만, 가교는 필연적으로 고분자막의 이온전도도의 감소를 수반하게 된다. 이에 따라 가교를 유도하되 전도도의 감소를 최소화할 수 있는 방법에 대한 개발이 요구된다.The stability of such a membrane can generally be increased by crosslinking the polymer, but crosslinking necessarily involves a decrease in the ionic conductivity of the polymer membrane. Therefore, development of a method that induces crosslinking but minimizes the reduction of conductivity is required.

이온 교환막은 대체로 전도도에 기여하는 친수성 단위와 막의 기계적 특성을 조절하는 소수성 단위를 모두 갖는 공중합체로부터 제조된다. 이온 클러스터(수화 이온과 주변의 물 분자)는 전형적으로 작은 이온 채널만을 형성하면서 소수성 매트릭스에 분포된다. 그러나 추가적인 코움구조를 갖는 소수성 구조를 도입하면 이온 클러스터를 응집하게 할 수 있고, 그럼으로써 더 큰 이온 클러스터가 생성되며, 상호 연결되고 넓은 이온 채널을 가진 이온 응집 구조가 OH-전도도를 향상시킬 것으로 기대되어, 본 발명을 개발하게 되었다.Ion exchange membranes are generally made from copolymers having both hydrophilic units contributing to conductivity and hydrophobic units controlling the mechanical properties of the membrane. Ion clusters (hydration ions and surrounding water molecules) are typically distributed in the hydrophobic matrix, forming only small ion channels. However, introduction of a hydrophobic structure with an additional comb structure will allow the ion clusters to flocculate, thereby creating larger ion clusters, and interconnected, ionic coagulation structures with broad ion channels will improve OH - conductivity Thus, the present invention has been developed.

대한민국 공개특허공보 제10-2014-0023152호Korean Patent Publication No. 10-2014-0023152 대한민국 등록특허공보 제10-1272661호Korean Patent Registration No. 10-1272661

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 종래의 AEM보다 성능이 우수하고 낮은 이온 교환 능력과 낮은 수분 흡수에서도 높은 전도성을 갖는, 알킬비스이미다졸리움을 이온 전도기와 동시에 가교제로 사용하여 코움 구조를 갖는 알킬 비스이미다졸리움계 가교형 음이온 교환막을 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to overcome the above problems, and it is an object of the present invention to provide an ion-conducting membrane which is superior in performance to a conventional AEM and has a low ion exchange capacity and high conductivity even at low moisture absorption, And an alkylbisimidazolium type crosslinked anion exchange membrane having a comb structure by using the same as a crosslinking agent.

본 발명의 상기 및 다른 목적과 이점은 바람직한 실시예를 설명한 하기의 설명으로부터 분명해질 것이다.These and other objects and advantages of the present invention will become apparent from the following description of a preferred embodiment.

상기 목적은, 주쇄와 가교제와 이온 전도체의 기능을 동시에 하는 곁사슬 고분자;를 결합하여 제조한 것으로서 코움(comb-shape) 구조를 갖는 코움 구조를 갖는 알킬 비스이미다졸리움계 가교형 음이온 교환막에 의해서 달성될 수 있다.The above object is achieved by an alkylbisimidazolium-based crosslinked anion exchange membrane having a comb structure having a comb-shaped structure prepared by combining a main chain, a cross-linking agent and a side chain polymer functioning as an ion conductor simultaneously .

바람직하게는, 상기 주쇄는 폴리(아릴렌 술폰), 폴리(아릴렌 케톤), 폴리(이미드), 폴리(아마이드) 및 폴리(페닐렌) 중에서 적어도 하나로 이루어진 것일 수 있다.Preferably, the main chain may be composed of at least one of poly (arylene sulfone), poly (arylene ketone), poly (imide), poly (amide) and poly (phenylene).

바람직하게는, 상기 곁사슬 고분자는 알킬 비스이미다졸일 수 있다.Preferably, the side chain polymer may be an alkyl bisimidazole.

바람직하게는, 상기 곁사슬 고분자의 알킬기는 탄소 개수가 4 내지 10일 수 있다.Preferably, the alkyl group of the side chain polymer may have 4 to 10 carbon atoms.

바람직하게는, 상기 주쇄는 폴리(아릴렌 술폰)으로 이루어지고, 상기 곁사슬 고분자는 탄소 개수 10개를 갖는 비스이미다졸일 수 있다.Preferably, the main chain is composed of poly (arylene sulfone), and the side chain polymer is bisimidazole having 10 carbon atoms.

바람직하게는, 상기 폴리(아릴렌 술폰)은 폴리(아릴렌 에테르 설폰)으로서 OH-말단 올리고머와 F-말단 올리고머를 중합하여 제조하는 것일 수 있다.Preferably, the poly (arylene sulfone) may be prepared by polymerizing an OH-terminal oligomer and an F-terminal oligomer as poly (arylene ether sulfone).

바람직하게는, 상기 OH-말단 올리고머 및 F-말단 올리고머는 중합도가 12일 수 있다.Preferably, the OH-terminal oligomer and the F-terminal oligomer may have a degree of polymerization of 12.

바람직하게는, 상기 음이온 교환막의 두께는 40~50㎛일 수 있다.Preferably, the thickness of the anion exchange membrane may be 40-50 mu m.

바람직하게는, 상기 음이온 교환막은, 하기 수학식 1에 의해 계산되는 이온 교환 용량(Ion Exchange Capacity, IEC)이 1.13~1.20meg/g이되,Preferably, the anion exchange membrane has an Ion Exchange Capacity (IEC) of 1.13 to 1.20 meg / g, which is calculated by the following equation (1)

(수학식 1)(1)

IEC (meq/g) = (V 0NaOH C NaOH - V XNaOH C NaOH )/W dry IEC (meq / g) = ( V 0 NaOH C NaOH - V X NaOH C NaOH ) / W dry

여기에서, V 0 NaOHV x NaOH 는 각각 적정 전과 적정에 소모된 NaOH의 부피이고, C NaOH는 옥살산 기준 용액에 의해 적정된 NaOH의 몰농도이며, W dry는 건조된 막의 무게이다.Where V 0 NaOH and V x NaOH are the volume of NaOH consumed in the titration and titration respectively, C NaOH is the molar concentration of NaOH titrated with oxalic acid standard solution, and W dry is the weight of the dried membrane.

바람직하게는, 상기 음이온 교환막은, 하기 수학식 2에 의해 계산되는 수산화 이온 전도도(σ)가 20℃에서 0.012 S/cm 이상이고, 80℃에서 0.060 S/cm 이상이되,Preferably, the anion exchange membrane has a hydroxide ion conductivity sigma of 0.012 S / cm or more at 20 占 폚 and not less than 0.060 S / cm at 80 占 폚, calculated by the following formula (2)

(수학식 2)(2)

σ = l/RA σ = 1 / RA

여기에서, l는 기준 전극 사이의 거리이고, A는 막 시료의 단면적이며, R은 저항이다.Here, 1 is the distance between the reference electrodes, A is the cross-sectional area of the film sample, and R is the resistance.

본 발명에 따르면, 상대적으로 긴 알킬 사슬을 갖고 가교제와 이온 전도체의 기능을 동시에 하는 곁사슬 고분자를 주쇄에 결합하여 코움구조를 갖는 자체응집형 음이온 교환막을 형성함으로써 전도성을 향상시킬 뿐만 아니라, 우수한 화학적, 열적, 기계적 및 치수 안정성을 가질 수 있는 등의 효과를 가진다.According to the present invention, a side chain polymer having a relatively long alkyl chain and simultaneously functioning as a crosslinking agent and an ion conductor is bonded to a main chain to form a self-coagulated anion exchange membrane having a comb structure, thereby improving conductivity, Thermal and mechanical stability, and dimensional stability.

다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the effects of the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

도 1은 실시예 1 내지 3에 따른 3개의 다른 알킬 사슬을 갖는 비스이미다졸리움계 가교형 PES 분리막의 사진이다.
도 2는 (a)OH-말단 올리고머(3)와 (b)F-말단 올리고머(4)의 1H-NMR스펙트럼이다(CDCl3용매).
도 3은 (a)PES 블록 공중합체(5)와 (b)이의 브롬 치환된 형태(2)의 1H-NMR스펙트럼이다(CDCl3용매).
도 4는 (a)Br-PES(2)의 FT-IR 스펙트럼이고, (b)BI-cPES-4, (c)BI-cPES-6 및 (d)BI-cPES-10의 가교형 분리막에 대한 FT-IR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 5는 코움 구조를 가지는 실시예들의 AFM 사진으로, (a)실시예1(BI-cPES-4), (b)실시예2(BI-cPES-6), (c)실시예3(BI-cPES-10)이다.
도 6은 코움 구조를 가지는 실시예 및 비교예의 SAXS 프로필로, (a)실시예 1(BI-cPES-4), (b)실시예2(BI-cPES-6), (c)실시예3(BI-cPES-10)이다.
도 7은 상대습도 100%에서 실시예들에 따른 분리막의 온도에 따른 전도도의 아레니우스 플롯을 나타낸 그래프이다.
도 8은 실시예 및 비교예의 가교형 BI-cPES 분리막에 대한 TGA 온도 기록도이다.
도 9는 건조상태에서 실시예들의 가교형 BI-cPES 분리막에 대한 스트레스-스트레인 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 10은 실시예들에 따른 가교형 BI-cPES 분리막을 2M NaOH에 침지한 후, 60℃에서 350시간 동안 전도도를 기록한 그래프이다.
도 11은 60℃에서 2M NaOH에 350시간 동안 침지하기 전과 후의 FT-IR 스펙트럼으로서, (a) 실시예 1의 침지 전, (a')은 실시예 1의 침지 후, (b)는 실시예 2의 침지 전, (b')은 실시예 2의 침지 후, (c)는 실시예 3의 침지 전, (c')은 실시예 3의 침지 후의 FT-IR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
1 is a photograph of a bisimidazolium-based crosslinked PES membrane having three different alkyl chains according to Examples 1 to 3;
2 is a 1 H-NMR spectrum (CDCl 3 solvent) of (a) the OH-terminal oligomer (3) and (b) the F-terminal oligomer (4).
3 is a 1 H-NMR spectrum (CDCl 3 solvent) of the bromine-substituted form (2) of (a) PES block copolymer (5) and (b).
4 is a FT-IR spectrum of Br-PES (2), (b) BI-cPES-4, (c) BI-cPES-6 and ≪ / RTI > shows the FT-IR spectrum for the sample.
(BI-cPES-4), (b) Example 2 (BI-cPES-6), (c) Example 3 -cPES-10).
(BI-cPES-4), (b) Example 2 (BI-cPES-6), (c) Example 3 (BI-cPES-10).
FIG. 7 is a graph showing Arrhenius plots of the conductivity according to the temperature of the separator according to the embodiments at a relative humidity of 100%. FIG.
8 is a TGA temperature recording chart for the crosslinked BI-cPES separator of Examples and Comparative Examples.
9 is a graph showing the stress-strain curve for the crosslinked BI-cPES separator of the Examples in the dry state.
10 is a graph showing the conductivity of the crosslinked BI-cPES separator according to Examples after immersing in 2M NaOH at 60 ° C for 350 hours.
Fig. 11 is an FT-IR spectrum before and after immersing in 2M NaOH at 60 ° C for 350 hours. (A) before immersion in Example 1, (a ') after immersion in Example 1, (B ') shows the FT-IR spectrum after immersion in Example 2, (c) shows the FT-IR spectrum before immersion in Example 3, and (c') shows the FT-IR spectrum after immersion in Example 3.

이하, 본 발명의 실시예와 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 예시적으로 제시한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자에 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to embodiments and drawings of the present invention. It will be apparent to those skilled in the art that these embodiments are provided by way of illustration only for the purpose of more particularly illustrating the present invention and that the scope of the present invention is not limited by these embodiments .

달리 정의하지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 갖는다. 상충되는 경우, 정의를 포함하는 본 명세서가 우선할 것이다.Unless otherwise defined, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. In case of conflict, the present specification, including definitions, will control.

본 명세서에서 설명되는 것과 유사하거나 동등한 방법 및 재료가 본 발명의 실시 또는 시험에 사용될 수 있지만, 적합한 방법 및 재료가 본 명세서에 기재된다.Although methods and materials similar or equivalent to those described herein can be used in the practice or testing of the present invention, suitable methods and materials are described herein.

소정의 중합체를 설명함에 있어서, 때로는 출원인은 중합체를 제조하기 위해 사용되는 단량체 또는 중합체를 제조하기 위해 사용되는 단량체의 양에 의해 중합체를 언급하고 있음을 이해하여야 한다. 그러한 설명은 최종 중합체를 설명하기 위해 사용되는 특정 명명법을 포함하지 않을 수 있거나 또는 공정에 의한 생성물(product-by process) 용어를 포함하지 않을 수 있지만, 단량체 및 양에 대한 임의의 그러한 언급은 중합체가 이들 단량체(즉, 이들 단량체의 공중합된 단위) 또는 단량체의 그 양, 및 상응하는 중합체와 그 조성을 포함하는 것을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.In describing a given polymer, it is sometimes understood that the applicant refers to a polymer by the amount of monomers used to make the polymer or the monomers used to make the polymer. Such a description may not include the specific nomenclature used to describe the final polymer or may not include product-by-process terms, but any such reference to monomers and amounts is intended to encompass the use of the polymer Should be construed to mean that they include the amounts of these monomers (i.e., the copolymerized units of these monomers) or monomers, and the corresponding polymers and compositions thereof.

본 발명을 설명하고/하거나 청구함에 있어서, 용어 "공중합체"는 둘 이상의 단량체의 공중합에 의해 형성된 중합체를 언급하기 위해 사용된다. 그러한 공중합체는 이원공중합체, 삼원공중합체 또는 더 고차의 공중합체를 포함한다.In describing and / or claiming the present invention, the term "copolymer" is used to refer to a polymer formed by copolymerization of two or more monomers. Such copolymers include binary copolymers, terpolymers, or higher order copolymers.

본 발명의 구성요소로서 폴리(아릴렌 에테르 술폰)(poly(arylene ether sulfone))은 폴리(아릴렌 술폰), 폴리(에테르 술폰)으로 부를 수 있고, 모두 같은 화합물을 의미한다.As a constituent element of the present invention, poly (arylene ether sulfone) may be referred to as poly (arylene sulfone) or poly (ether sulfone), and all means the same compound.

본 발명의 일 양상에 따른 코움 구조를 갖는 알킬 비스이미다졸리움계 가교형 음이온 교환막은 주쇄와 가교제와 이온 전도체의 기능을 동시에 하는 곁사슬 고분자를 결합하여 제조한 것으로서 코움-구조(comb-shape)를 갖는다. 본 발명에서 코움 구조(comb-shape)란, 주쇄에 긴 곁사슬을 갖는 고분자 구조를 의미한다.The alkylbisimidazolium-based crosslinked anion exchange membrane having a comb structure according to an aspect of the present invention is prepared by combining a main chain, a cross-linking agent, and a side chain polymer that simultaneously functions as an ion conductor, and comb- . In the present invention, a comb-shape means a polymer structure having a long side chain in the main chain.

일 실시예에 있어서, 주쇄는 폴리(아릴렌 술폰), 폴리(아릴렌 케톤), 폴리(이미드), 폴리(아마이드) 및 폴리(페닐렌) 중에서 적어도 하나로 이루어질 수 있다.In one embodiment, the backbone may comprise at least one of poly (arylene sulfone), poly (arylene ketone), poly (imide), poly (amide) and poly (phenylene).

이중에서 폴리(아릴렌 에테르 설폰) 계열은 이미다졸리움 양이온에 길이가 긴 펜던트 소수성 측쇄가 도입되어 코움 형상의 수산화기 전도성 폴리머를 제조하기 때문에 관심을 가지고 있다. 이러한 코움 형상의 시스템에 기초한 AEM은 이온 응집을 일으키고 IEC 뿐만 아니라 고분자막의 형태(morphology)를 성공적으로 제어한다는 것을 확인하였다. 큰 이온 클러스트를 형성함으로써 알킬 이미다졸리움 작용기를 가진 코움 형상의 막을 통해 매우 높은 수산화물 전도성이 나타났다.Of these, the poly (arylene ether sulfone) series is of interest because of the introduction of long pendant hydrophobic side chains to the imidazolium cation to produce a comb-like hydroxyl-conducting polymer. It has been confirmed that AEM based on this combus shaped system causes ionic aggregation and successfully controls not only IEC but also the morphology of the polymer membrane. By forming large ion clusters, very high hydroxide conductivities appeared through a comb-shaped membrane with alkyl imidazolium functionality.

또한 가교는 물 팽윤현상에 대해 특히 높은 이온 교환 용량을 가진 PEM 또는 AEM을 안정화시키는 효과적인 방법이다. 이들 고분자는 가교를 하지 않을 경우 매우 높은 수준의 팽윤현상을 일으켜 수용 불가능한 물 흡수와 큰 치수 변형을 일으키고 이로 인한 불충분한 기계적 특성을 일으킨다. 그러나 대부분의 경우에서 가교의 도입으로 인해 이온 전도성의 감소가 불가피하게 동반되고 단지 몇몇 보고서만이 고전도성 및 치수/기계적 안정성을 갖는 가교형 고분자막을 실질적으로 제시하고 있을 뿐이다.Cross-linking is also an effective method for stabilizing PEM or AEM with a particularly high ion exchange capacity for water swelling phenomena. These polymers cause very high levels of swelling when not crosslinked, resulting in unacceptable water uptake and large dimensional deformation, resulting in insufficient mechanical properties. In most cases, however, the introduction of crosslinking will inevitably lead to a reduction in ionic conductivity, and only a few reports are merely presenting crosslinked polymer membranes with high conductivity and dimensional / mechanical stability.

따라서 본 발명의 목적은 가교제로서 폴리머 측쇄에 펜던트 알킬 비스이미다졸리움기를 갖는 신규한 폴리(아릴렌 에테르 설폰)을 개발함으로써 코움 형상 고분자의 가교 특성과 이온 응집 특성의 장점을 결합하는데 있다. 가교결합은 가교 단위(crosslinking unit) 및 이온 전도체 두 가지 모두로 작용하는 펜던트 비스이미다졸리움기로 가교형 고분자막의 3차원 구조를 제공할 수 있다. 가교된 코움 형상 고분자막은 우수한 물리화학적인 안정성과 심지어 낮은 이온 교환 능력에서도 높은 전도성을 나타내었다.It is therefore an object of the present invention to combine the advantages of crosslinking properties and ionic flocculation properties of a comb polymer by the development of novel poly (arylene ether sulfone) having a pendant alkylbisimidazolium group as a crosslinking agent in polymer side chains. Crosslinking can provide a three-dimensional structure of a crosslinked polymer membrane with a pendant bisimidazolium group acting as both a crosslinking unit and an ionic conductor. The cross-linked comomorphic polymer membranes showed high conductivity even with excellent physico-chemical stability and even low ion exchange capacity.

비스이미다졸리움기가 도입된 가교형 PES 고분자막(BI-cPESs, 1)은 전구체 폴리머(브로모벤질레이트화된 PES, BI-cPES)와 3개의 다른 알킬 사슬을 갖는 알킬 비스이미다졸과의 친핵 치환반응을 통해 간단하고 효율적으로 제조할 수 있다. 코움 형상의 폴리머에 기초한 몇몇 고분자막이 보고되어 있지만, 알킬 비스이미다졸리움 양이온을 가진 가교형 코움 형상의 고분자에 대한 예를 본 발명에서 처음으로 개시한다. 폴리머의 형태와 특성 뿐만 아니라 상응하는 음이온 교환막의 특성에 대한 비스이미다졸리움기에 있는 알킬 사슬의 영향에 대해 광범위하게 조사하였다.The cross-linked PES polymer membrane (BI-cPESs, 1) into which the bisimidazolium group is introduced has a nucleophilic substitution between the precursor polymer (bromobenzylated PES, BI-cPES) and the alkyl bisimidazole having three different alkyl chains The reaction can be carried out simply and efficiently. Although some polymer membranes based on a comb-like polymer have been reported, an example of a crosslinked comb-shaped polymer having an alkyl bis imidazolium cation is disclosed for the first time in the present invention. The effects of the alkyl chain on the bimidazolium group on the properties of the polymer as well as the corresponding anion exchange membrane have been extensively investigated.

일 실시예에 있어서, 곁사슬 고분자는 알킬 비스이미다졸로 이루어질 수 있고, 곁사슬 고분자의 알킬기는 탄소 개수가 4 내지 10인 것이 바람직하고 특히 10인 것이 가장 바람직하다. 탄소 개수가 4개 미만인 경우 적정한 이온 교환 용량(IEC) 값을 유지하면서 OH- 이동도를 높이지 못해 바람직한 이온 전도도를 달성할 수 없고, 탄소 개수가 10을 초과할 경우, 긴 사슬에 의한 엉킴구조의 형성으로 인해 이온 전도도 및 고분자 막의 특성이 감소하게 된다.In one embodiment, the side chain polymer may be composed of alkyl bisimidazole, and the alkyl group of the side chain polymer preferably has 4 to 10 carbon atoms, and most preferably 10 carbon atoms. When the number of carbon atoms is less than 4, the desired ion conductivity can not be achieved because OH - mobility can not be increased while maintaining proper ion exchange capacity (IEC) value. When the number of carbon atoms is more than 10, The ionic conductivity and the characteristics of the polymer membrane are reduced.

일 실시예에 있어서, 주쇄는 폴리(아릴렌 술폰)으로 이루어지고, 곁사슬 고분자는 탄소 개수 10개를 갖는 비스이미다졸로 이루어진다. 폴리(아릴린 술폰)은 OH-말단 올리고머와 F-말단 올리고머를 중합하여 제조할 수 있고, 각 올리고머의 중합도는 12인 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니고, 그 용도 및 적용 분야에 따라 적절한 중합도를 가질 수 있다.In one embodiment, the main chain is composed of poly (arylene sulfone) and the side chain polymer is comprised of bisimidazole having 10 carbon atoms. The poly (arylsulfone) can be prepared by polymerizing an OH-terminal oligomer and an F-terminal oligomer, and the degree of polymerization of each oligomer is preferably 12, but it is not limited thereto, Lt; / RTI >

일 실시예에 있어서, 음이온 교환막의 두께는 40~50㎛인 것이 바람직한데, 50㎛ 초과 시에는 막 두께 증대로 인한 이온전도도의 감소가 수반되기 때문이다.In one embodiment, the thickness of the anion exchange membrane is preferably 40 to 50 mu m, and when it is more than 50 mu m, the decrease in ion conductivity due to the increase in the film thickness is accompanied.

일 실시예에 있어서, 하기 수학식 1에 의해 계산되는 자체응집형 음이온 교환막의 이온 교환 용량(Ion Exchange Capacity, IEC)은 1.13~1.20meg/g이다.In one embodiment, the ion exchange capacity (Ion Exchange Capacity, IEC) of the self-flocculating anion exchange membrane calculated by the following Equation 1 is 1.13 to 1.20 meg / g.

(수학식 1)(1)

IEC (meq/g) = (V 0NaOH C NaOH - V XNaOH C NaOH )/W dry IEC (meq / g) = ( V 0 NaOH C NaOH - V X NaOH C NaOH ) / W dry

여기에서, V 0 NaOHV x NaOH 는 각각 적정 전과 적정에 소모된 NaOH의 부피이고, C NaOH는 옥살산 기준 용액에 의해 적정된 NaOH의 몰농도이며, W dry는 건조된 막의 무게이다.Where V 0 NaOH and V x NaOH are the volume of NaOH consumed in the titration and titration respectively, C NaOH is the molar concentration of NaOH titrated with oxalic acid standard solution, and W dry is the weight of the dried membrane.

일 실시예에 있어서, 하기 수학식 2에 의해 계산되는 자체응집형 음이온 교환막의 수산화 이온 전도도(σ)는 0.012 S/cm 이상이고, 80℃에서 0.060 S/cm 이상이다.In one embodiment, the hydroxyl ion conductivity () of the self-flocculent anion exchange membrane calculated by the following formula (2) is 0.012 S / cm or more and 0.060 S / cm or more at 80 占 폚.

(수학식 2)(2)

σ = l/RA σ = 1 / RA

여기에서, l는 기준 전극 사이의 거리이고, A: 막 시료의 단면적이며, R은 저항이다.Here, 1 is the distance between the reference electrodes, A is the cross-sectional area of the film sample, and R is the resistance.

본 명세서에서, 신규한 음이온 교환막으로서 C4~C10의 다른 알킬 체인을 가진 알킬 비스이미다졸리움계 가교형 폴리(아릴렌 에테르 술폰) 블록 공중합체를 합성하였다. 또한 본 명세서에 사용된 알킬 비스이미다졸리움기는 최초로 가교제 뿐만 아니라 코움구조를 만들 수 있는 이온 전도체로서 기능을 동시에 한다는 점에 그 특징이 있다. 비스이미다졸리움계 가교형 BI-cPES 분리막은 종래의 AEM보다 성능이 매우 우수함을 알 수 있고, 또한 높은 전도도와 우수한 치수 안정성을 가진 몇 안 되는 가교형 분리막에 속함을 알 수 있다. 특히 본 발명의 실시예 3(BI-cPES-10)에 따른 분리막은 긴 펜던트 소수성 곁사슬을 도입함으로써 자체-응집 구조를 형성하고, 이로 인해 코움-구조로 이루어져 있다. 가교형 코움-구조 시스템은 심지어 낮은 IEC 값과 낮은 수분 흡수에서도 높은 전도성을 달성한다. 또한 가교 네트워크와 함께 코움 구조의 길 사슬의 결합은 특히 본 발명의 실시예 3(BI-cPES-10)에 따른 분리막이AEM 연료 전지의 전극으로서 유망한 막이라는 것을 나타낸다. In this specification, alkyl bisimidazolium bridged poly (arylene ether sulfone) block copolymers having different C 4 -C 10 alkyl chains have been synthesized as novel anion exchange membranes. Also, the alkylbisimidazolium group used in the present specification is characterized in that it simultaneously functions not only as a crosslinking agent but also as an ion conductor capable of forming a comb structure. The bis-imidazolium-based crosslinked BI-cPES separator is superior to conventional AEM in performance and belongs to several crosslinked separators having high conductivity and excellent dimensional stability. Particularly, the separation membrane according to Example 3 (BI-cPES-10) of the present invention forms a self-aggregated structure by introducing a long pendent hydrophobic side chain, thereby forming a comb-structure. The bridged comb-structure system achieves high conductivity even at low IEC values and low moisture uptake. Also, the combination of the long chain of the comb structure with the crosslinking network indicates that the separator according to Example 3 (BI-cPES-10) of the present invention is a promising membrane as an electrode of an AEM fuel cell.

이하, 실시예와 비교예를 통하여 본 발명의 구성 및 그에 따른 효과를 보다 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the structure and effect of the present invention will be described in more detail with reference to examples and comparative examples. However, this embodiment is intended to explain the present invention more specifically, and the scope of the present invention is not limited to these embodiments.

먼저, 본 실시예에 사용된 화학물질을 살펴보면 다음과 같다.First, the chemical substances used in this embodiment are as follows.

비스-(4-플루오르페닐)-설폰(FPS)은 알드리찌사로부터 구입하였다. 2,2-비스(4-하이드로페닐)-헥사플루오로프로판(6-FBPA)은 TCI로부터 구입하였다. 탄산칼륨(Potassium carbonate), FPS 및 6-FBPA을 중합하기 전에 60℃의 진공 하에서 24시간 동안 건조시켰다. 페놀프탈레인(PP), 1,4-디브로모부탄, 1,6-디브로모헥산, 1,10-디브로모데칸 및 3,5-디메틸아닐린(DMA)은 알드리찌사로부터 구입하였다. 비스이미다졸 유도체는 NaH가 있는 상태에서 이미다졸과 상응하는 디브로모알칸을 반응시킴으로써 문헌[M. Yang, K. Stappert and A.-V. Mudring, J. Mater. Chem . C, 2014, 2, 458-473.]에 나와 있는 절차에 따라 합성하였다. 2-(3,5-디메틸페닐)-3,3-비스(4-하이드록시페닐)이소인돌린-1-온은 3,5-디메틸아닐린(DMA)을 산 형태의 페놀프탈레인(PP)과 반응시킴으로써 문헌[G. Chen, X. Zhang, S. Zhang, T. Chen and Y. Wu, J. Appl. Polym. Sci., 2007, 106, 2808-2816.]에 따라 합성하였다. 그 외 다른 화학물질은 상업회사로부터 구입하였고 정제 작업 없이 그대로 사용하였다. 증류수는 본 실험 전체를 통해 사용되었다.Bis- (4-fluorophenyl) -sulfone (FPS) was purchased from Aldrich. 2,2-bis (4-hydrophenyl) -hexafluoropropane (6-FBPA) was purchased from TCI. Potassium carbonate, FPS and 6-FBPA were dried for 24 hours under vacuum at 60 캜 before polymerization. Phenolphthalein (PP), 1,4-dibromobutane, 1,6-dibromohexane, 1,10-dibromodecane and 3,5-dimethylaniline (DMA) were purchased from Aldrich. The bisimidazole derivatives can be prepared by reacting imidazoles with the corresponding dibromoalkanes in the presence of NaH [M. Yang, K. Stappert and A.-V. Mudring, J. Mater. Chem . C , 2014, 2, 458-473. ≪ / RTI > 1-one was prepared by reacting 3,5-dimethylaniline (DMA) with phenolphthalein (PP) in the form of an acid. Lt; / RTI > Chen, X. Zhang, S. Zhang, T. Chen and Y. Wu, J. Appl. Polym. Sci ., 2007, 106, 2808-2816. Other chemicals were purchased from commercial companies and used as such without refining. Distilled water was used throughout this experiment.

[제조예 1] 중합도 12인 OH-말단 올리고머(3)의 합성[Preparation Example 1] Synthesis of OH-terminated oligomer (3) having a degree of polymerization of 12

2-(3,5-디메틸페닐)-3,3-비스(4-하이드록시페닐)이소인돌린-1-온(7.2 g, 17.09 mmol), FPS(4.0 g, 15.73 mmol) 및 포타슘 카보네이트(4.74 g, 34.35 mmol)를 딘-스타크(Dean-Stark) 장치와 질소 주입구가 구비된 250cm3의 둥근 바닥 2구(two-necked) 플라스크 내에 있는 DMAc(25cm3)와 톨루엔(30cm3)혼합물에 첨가시켰다. 반응 혼합물을 150℃에서 4시간 동안 가열하였다. 공비증류(azeotropic distillation) 후에 톨루엔이 제거되었다. 그 후 온도를 170℃로 올리고, 이어서 그 온도에서 16시간 동안 질소 분위기하에서 교반하였다. 반응 종결 시에, 말단기(end-capping)을 도입(ensure)하기 위해 작은 양의 2-(3,5-디메틸페닐)-3,3-비스(4-하이드록시페닐)이소인돌린-1-온을 첨가하였다. 그 후 반응 혼합물을 상온으로 냉각시켜 DMF(15cm3)에 용해시키고, 이어서 1:1의 에탄올과 HCl의 혼합물(500cm3)에 첨가하였다. 생성물을 여과하여 모아 탈염수로 여러번 씻었다. 이후 80℃ 진공에서 적어도 48시간 동안 건조시켜 하얀색 가루로 된 하이드록시-말단 올리고머(3)(9.4 g, 83.0%)를 얻었다.1-one (7.2 g, 17.09 mmol), FPS (4.0 g, 15.73 mmol) and potassium carbonate ( 4.74 g, 34.35 mmol) was added to a mixture of DMAc (25 cm 3 ) and toluene (30 cm 3 ) in a 250 cm 3 round bottom two-necked flask equipped with a Dean-Stark apparatus and a nitrogen inlet . The reaction mixture was heated at 150 < 0 > C for 4 hours. Toluene was removed after azeotropic distillation. The temperature was then raised to 170 ° C and then stirred at that temperature for 16 hours under a nitrogen atmosphere. At the end of the reaction, a small amount of 2- (3,5-dimethylphenyl) -3,3-bis (4-hydroxyphenyl) isoindoline-1 was added in order to ensure end- -One. ≪ / RTI > After cooling the reaction mixture to room temperature and dissolved in DMF (15cm 3), followed by 1: 1 was added to a mixture of ethanol and HCl (500cm 3). The product was collected by filtration and washed several times with demineralized water. It was then dried in a vacuum at 80 캜 for at least 48 hours to give a hydroxy-terminated oligomer 3 (9.4 g, 83.0%) in white powder.

[제조예 2] 중합도 12인 F-말단 올리고머(4)의 합성[Preparation Example 2] Synthesis of F-terminal oligomer (4) having a degree of polymerization of 12

6-FBPA(5.0 g, 14.87 mmol), FPS(3.96 g, 15.60 mmol) 및 포타슘 카보네이트(4.33 g, 31.35 mmol)를 질소 주입구 및 딘-스타크(Dean-Stark) 장치가 구비된 250cm3의 둥근 바닥 2구(two-necked) 플라스크 내에 있는 DMAc(25cm3)와 톨루엔(30cm3) 혼합물에 첨가시켰다. 반응 혼합물은 150℃에서 4시간 동안 가열되었고, 공비 증류 후에 톨루엔이 제거되었다. 그 후 온도를 170℃로 올리고, 이어서 질소 분위기 하에서 이 온도로 16시간 동안 교반하였다. 반응시간의 종결 시에, 말단기(end-capping)를 도입(ensure)하기 위해 작은 양의 FPS를 첨가하였다. 반응 혼합물은 상온으로 냉각되었고, DMF(10cm3)에 용해되었으며, 이어서 메탄올(500cm3)을 첨가하였다. 생성물을 여과하여 모았고, 잔량의 무기 물질은 탈염수로 여러번 세척하여 제거되었다. 이를 두 번 반복하였고, 고체는 진공 하 80℃에서 적어도 48시간 동안 건조되었다. 하얀 가루로 된 F-말단 올리고머(4)(7.8g, 86.6%)를 얻었다.FPS (3.96 g, 15.60 mmol) and potassium carbonate (4.33 g, 31.35 mmol) were added to a 250 cm 3 round bottom equipped with a nitrogen inlet and a Dean-Stark apparatus 2 (two-necked) was added to the DMAc (25cm 3) and toluene (30cm 3) the mixture in the flask. The reaction mixture was heated at 150 < 0 > C for 4 hours and toluene was removed after azeotropic distillation. The temperature was then raised to 170 ° C and then stirred at this temperature for 16 hours under a nitrogen atmosphere. At the end of the reaction time, a small amount of FPS was added to ensure end-capping. The reaction mixture was cooled to room temperature, it was dissolved in DMF (10cm 3), followed by addition of methanol (500cm 3). The product was collected by filtration and the remaining inorganic material was removed by washing several times with demineralized water. This was repeated twice and the solids were dried under vacuum at 80 ° C for at least 48 hours. F-terminal oligomer 4 (7.8 g, 86.6%) in white powder was obtained.

[제조예 3] 폴리(아릴렌 에테르 설폰)(PES) 블록 공중합체(5)의 합성[Preparation Example 3] Synthesis of poly (arylene ether sulfone) (PES) block copolymer (5)

OH-말단 올리고머(3)(4.0 g, 0.49 mmol)와 F-말단 올리고머(4)(3.40 g, 0.49 mmol)를 딘-스타크(Dean-Stark) 장치 및 질소 주입구가 구비된 250cm3의 둥근 바닥 2구 플라스크 안에 있는 포타슘 카보네이트(0.15 g, 1.04 mmol)와 혼합시켰다. DMAc(350cm3)와 톨루엔(30cm3)이 첨가되었고, 공비증류에 의해 물을 필수적으로 제거하기 위해 반응 혼합물을 150℃에서 가열하였다. 4시간 후에, 톨루엔이 제거되었고, 반응 혼합물의 온도를 170℃로 올렸다. 이후 질소 분위기 하에서 18시간 동안 이 온도에서 교반하였다. 이 후에, 혼합물을 상온으로 냉각시켰고, DMF(20cm3)에 용해시켰다. 반응 혼합물을 메탄올(700cm3)에 부어 침전(precipitating)시킴으로써 분리하였다. 제품(블록 공중합체)은 잔량의 무기물을 제거하기 위해 탈염수로 여러번 세척하였다. 얻어진 고체를 80℃ 진공 하에서 48시간 동안 건조시켜 흰색 비드로 된 멀티 블록 공중합체(5)(6.8g, 91.8%)를 얻었다.The OH-terminal oligomer 3 (4.0 g, 0.49 mmol) and the F-terminal oligomer 4 (3.40 g, 0.49 mmol) were placed in a 250 cm 3 round bottom equipped with a Dean- Stark apparatus and a nitrogen inlet Was mixed with potassium carbonate (0.15 g, 1.04 mmol) in a two-necked flask. DMAc (350 cm 3 ) and toluene (30 cm 3 ) were added and the reaction mixture was heated at 150 ° C to essentially remove water by azeotropic distillation. After 4 hours, the toluene was removed and the temperature of the reaction mixture was raised to 170 占 폚. It was then stirred at this temperature for 18 hours under a nitrogen atmosphere. After this time, the mixture was cooled to room temperature and dissolved in DMF (20 cm 3 ). The reaction mixture was separated by precipitating in methanol (700 cm 3 ) and precipitating. The product (block copolymer) was washed several times with demineralized water to remove residual minerals. The resulting solid was dried at 80 캜 under vacuum for 48 hours to obtain a multi-block copolymer (5) (6.8 g, 91.8%) as a white bead.

[제조예 4] 브롬 치환된 PES 공중합체(Br-PES, 2)의 합성[Production Example 4] Synthesis of bromine-substituted PES copolymer (Br-PES, 2)

마그네틱 교반기, 질소 주입구 및 응축기가 구비된 500cm3 의 2구(two-necked) 플라스크에서 블록 공중합체(5)(6.5 g, 0.43 mmol)를 1,1,2,2-테트라클로로에탄에 완전히 용해시키기 위해 가열하면서 용해시켰다. 부반응을 피하기 위해 작은 양의 브롬 공급원(brominating agent)인 N-브로모석씨니미드(NBS, 3.03 g, 17.06 mmol)와 개시제인 벤조일 퍼옥사이드(BPO) 촉매량이 첨가되었다. 반응 혼합물은 85℃에서 8시간 동안 더 가열되었다. 그 후 상온으로 냉각하고, 용액을 메탄올(750cm3)에 침전시킨 다음 고체를 여과하여 수집하였다. 마지막으로 고체를 물로 씻었고, 80℃의 진공에서 적어도 24시간 동안 건조시켜 노란색 고체로 된 브롬 치환된 PES 공중합체(2)(6.0 g, 82%)를 얻었다.In a 500 cm 3 two-necked flask equipped with a magnetic stirrer, a nitrogen inlet and a condenser, the block copolymer (5) (6.5 g, 0.43 mmol) was completely dissolved in 1,1,2,2-tetrachloroethane To dissolve. To avoid side reactions, a small amount of a brominating agent, N-bromosuccinimide (NBS, 3.03 g, 17.06 mmol) and an initiator, benzoyl peroxide (BPO) catalyst, was added. The reaction mixture was further heated at 85 [deg.] C for 8 hours. After cooling to room temperature, the solution was precipitated in methanol (750 cm 3 ) and the solid was collected by filtration. Finally, the solid was washed with water and dried in a vacuum at 80 ° C for at least 24 hours to give a bromine-substituted PES copolymer (2) (6.0 g, 82%) as a yellow solid.

[제조예 5] 비스이미다졸리움계 가교형 PES(BI-cPES) 분리막(1)의 합성[Preparation Example 5] Synthesis of bisimidazolium-based crosslinked PES (BI-cPES) separator (1)

4차화 반응(quaternization)과 가교가 동시에 이루어진 AEM의 제조방법은 아래와 같다. 건조 DMF 8.0cm3에 용해된 브롬 치환된 PES 공중합체(Br-PES, 2)(4.0g)의 용액에 비스이미다졸 유도체(0.41 mmol)를 첨가한 후 균질한 용액을 제조하기 위해 상온에서 15분 동안 교반하였다. 그 후 용액은 솜뭉치(plug of cotton)를 통해 여과시켰고, 여과된 용액을 유리 플레이트 위에 붓고 80℃ 오븐에서 12시간 동안 건조시켰다. 다음으로 남아 있는 용매를 증발시키기 위해 막을 80℃ 오븐에서 8시간 동안 건조시켰다. 막 두께는 닥터 블레이드를 이용하여 조절하였다. 막을 탈염수에 침지하여 벗겨내었고, OH-형태(form) 막을 얻기 위해 생성된 막은 상온의 밀폐된 컨테이너 안에 있는 1M NaOH에 48시간 동안 침지시켰다. 마지막으로, 얻어진 막을 탈염수에 48시간 동안 침지시킨 후 물성을 측정하는데 사용하였다.A method of producing AEM in which quaternization and crosslinking are simultaneously performed is as follows. (0.41 mmol) of a bromine-substituted PES copolymer (Br-PES, 2) (4.0 g) dissolved in 8.0 cm 3 of dry DMF was added to the solution to prepare a homogeneous solution. Lt; / RTI > The solution was then filtered through a plug of cotton and the filtered solution was poured onto a glass plate and dried in an oven at 80 ° C for 12 hours. Next, the film was dried in an oven at 80 DEG C for 8 hours to evaporate the remaining solvent. The film thickness was adjusted using a doctor blade. The membrane was peeled off by immersion in demineralized water and the membrane produced to obtain an OH - form membrane was immersed in 1M NaOH in a sealed container at room temperature for 48 hours. Finally, the obtained membrane was immersed in demineralized water for 48 hours and then used to measure the physical properties.

[실시예 1 내지 3][Examples 1 to 3]

제조예 1 내지 5의 방법을 사용하되, DMF 용액에서 제조예 4에 따른 Br-PES(2)과 3개의 다른 알킬 사슬의 비스이미다졸, 즉 부틸, 헥실 및 데실기를 갖는 비스이미다졸(각각 BI-4, BI-6 및 BI-10)의 2.0 당량을 반응시킨 후 막 캐스팅과 12시간 동안 막을 건조시킴으로써 제조예 5에 따른 비스이미다졸리움계 가교형 PES 분리막(BI-cPESs, 1)를 제조하였다. 건조 공정 동안 폴리머(2)에 있는 반응성의 벤질 브로마이드기는 BI-4, BI-6 및 BI-10를 갖는 비스이미다졸기와 반응하여 3개의 다른 알킬 사슬을 갖는 비스이미다졸리움계 가교형 PES 분리막(BI-cPESs)을 생성하였다. 이를 각각 실시예 1(BI-cPES-4), 실시예 2(BI-cPES-6), 실시예 3(BI-cPES-10)으로 하였다(도 1). 이후 이들 분리막을 수산화나트륨으로 침지시킴으로써 하이드록사이드 카운터 음이온을 가진 투명하고 유연한 분리막인 비스이미다졸리움계 가교형 분리막(BI-cPESs)을 제조하였다. 분리막의 두께는 40 ㅅm로 조절하였다. 비스이미다졸리움기는 가교제와 이온 전도체로서의 기능을 동시에 하는 것이다.Using the methods of Preparations 1 to 5, the Br-PES (2) according to Preparation Example 4 and the bisimidazole of three different alkyl chains, namely, bisimidazole having butyl, hexyl and decyl groups Bis-imidazolium-based crosslinked PES membranes (BI-cPESs, 1) according to Preparation Example 5 were prepared by reacting 2.0 equivalents of a polyisocyanate (BI-4, BI-6 and BI-10) . During the drying process, the reactive benzyl bromide group in polymer (2) reacts with a bisimidazole group having BI-4, BI-6 and BI-10 to form a bisimidazolium bridged PES membrane having three different alkyl chains (BI-cPESs). (BI-cPES-4), Example 2 (BI-cPES-6) and Example 3 (BI-cPES-10), respectively. Then, these separators were immersed in sodium hydroxide to prepare a bisimidazolium-based crosslinked separator (BI-cPESs), which is a transparent and flexible separator having a hydroxide counter anion. The thickness of the membrane was adjusted to 40 mm. The bisimidazolium group functions simultaneously as a crosslinking agent and an ionic conductor.

상기 실시예 1 내지 3에 따른 가교형 고분자막을 사용하여 다음과 같은 실험예를 통해 물성을 측정하고 그 특성을 아래에 설명하였다.The properties of the crosslinked polymer membranes according to Examples 1 to 3 were measured through the following experimental examples and their characteristics were described below.

[실험예 1: 화합물 분석][Experimental Example 1: Compound analysis]

1One H-NMR 스페트럼H-NMR spectrum

d6-DMSO 또는 CDCI3을 참조 (reference) 혹은 내부 중수소 록(lock)으로 사용하는 Agilent 400-MR (400 MHz) 장치를 통해 얻었다.(400 MHz) device using d 6 -DMSO or CDCI 3 as a reference or internal deuterium lock.

FT-IR 스펙트럼FT-IR spectrum

Nicolet MAGNA 560-FTIR 분광계에 기록하였다. And recorded on a Nicolet MAGNA 560-FTIR spectrometer.

몰 질량Molar mass

1H NMR를 사용하여 비교 분광 방법에 의해 측정하거나, 또는 DFM에서 운용되는 30℃에서 PL Gel 30 cm x 5 ㎛의 혼합 C 칼럼 두 개를 사용하여 겔 투과 크로마토그래피(Gel Permeation Chromatography: GPC)에 의해 측정한 후, Knauer 굴절률 검출기를 사용하여, 폴리스티렌(M n = 600-106 g/mol) 표준에 대하여 조정하였다. Or by Gel Permeation Chromatography (GPC) using two mixed C columns of PL Gel 30 cm x 5 mu m at 30 [deg.] C operating in DFM, as determined by 1 H NMR spectroscopy , And then adjusted for polystyrene ( M n = 600-10 6 g / mol) standard using a Knauer refractive index detector.

건조된 막의 x-선 회절 패턴The x-ray diffraction pattern of the dried film

Rigaku HR-XRD 스마트랩 회절장치를 사용하여, Cu-Kα X-ray(λ = 1.54Å)을 사용하여 0ㅀ에서 1.5ㅀ의 2θ 범위 내에서 분당 0.1ㅀ(0.1ㅀ/min) 스캔속도로 이루어졌다. 건조된 막은 진공하 80℃에서 24시간 동안 방치한 후 측정하였다. Using a Rigaku HR-XRD Smart Rap diffraction device, the scan speed was 0.1 ㅀ / min (0.1 ㅀ / min) within the range of 0 ㅀ to 1.5 2 using a Cu-Kα X-ray (λ = 1.54 Å) lost. The dried film was measured after standing at 80 캜 for 24 hours under vacuum.

탭핑 모드(Tapping mode) 원자힘현미경(Atomic Force Microscopy, AFM)Tapping mode Atomic Force Microscopy (AFM)

탭핑 모드 AFM은 Bruker MultiMode 기기를 사용하여 실시하였다. 10 nm를 초과하는 단부 반경과 40 N/m 의 힘 상수((NCHR, 나노센서, f=300 kHz)를 갖는 실리콘 캔틸리버를 사용하여 상온에서의 시료를 이미지화하였다. 이미지화 작업 이전에 시료들은 최소한 24시간 동안 50% 상대습도로 평형화되었다. 측정은 일관성을 유지하기 위해 각 시료에 대해 동일한 조건 하에서 수행하였다.Tapping mode AFM was performed using a Bruker MultiMode device. Samples at room temperature were imaged using a silicon cantilever with an end radius exceeding 10 nm and a force constant of 40 N / m (NCHR, nanosensor, f = 300 kHz). And equilibrated to 50% relative humidity for 24 hours. The measurements were performed under the same conditions for each sample to maintain consistency.

하이드록시 형태 막의 열 안정성Thermal Stability of Hydroxyform Membrane

질소 플로우에서 10℃ min-1 의 가열 속도로 Shimadzu TGA-2950장치에서 열 중량 분석 측정을 통해 분석하였다. The nitrogen flow was analyzed by thermogravimetric measurements on a Shimadzu TGA-2950 instrument at a heating rate of 10 ° C min -1 .

인장 특성Tensile Properties

상대 습도 50 %, 25℃에서 1mm/min의 크로스 헤드 속도로 시마즈 EZ-TEST E2-L 기기 벤치 탑 인장 시험기로 측정하였다. 막은 40 내지 50㎛의 두께를 갖는다. Measured with a bench top tensile tester on a Shimadzu EZ-TEST E2-L instrument at a crosshead speed of 50% relative humidity and 1 mm / min at 25 占 폚. The membrane has a thickness of 40 to 50 탆.

공칭응력(engineering stress) 및 영률(E)Engineering stress and Young's modulus (E)

공칭응력은 시료의 초기 단면적으로부터 계산하였고, Young률 (신장 탄성률)(E)은 응력-변형 곡선의 초기 기울기로부터 측정하였다. 막 시료는 80 mm x 8 mm (총) 및 80 mm x 3 mm (테스트 영역)의 사각형 형태로 잘랐다.The nominal stress was calculated from the initial cross-section of the specimen and the Young's modulus (elongation modulus) (E) was measured from the initial slope of the stress-strain curve. The membrane samples were cut into rectangular shapes of 80 mm x 8 mm (total) and 80 mm x 3 mm (test area).

[실험예 2: 이온 교환 용량(IEC) 측정][Experimental Example 2: Ion exchange capacity (IEC) measurement]

음이온 교환막(AEM)의 이온 교환 용량(IEC)은 역적정법으로 측정한다. 실시예 1 내지 3 및 비교예 각각의 막 샘플 0.03g은 0.01M HCl 기준용액 35cm3와 48시간 동안 평형을 유지하고, 이어서 지시약으로서 페놀프탈레인과 함께 0.01M NaOH 기준 용액으로 역적정한다. 실험적 IEC 값은 하기 수학식 1을 이용하여 계산한다.The ion exchange capacity (IEC) of the anion exchange membrane (AEM) is determined by the back titration method. 0.03 g of each of the membrane samples of Examples 1 to 3 and Comparative Example is equilibrated with 35 cm 3 of 0.01 M HCl solution for 48 hours and then reversed with 0.01 M NaOH standard solution with phenolphthalein as indicator. The experimental IEC value is calculated using the following equation (1).

(수학식 1)(1)

IEC (meq/g) = (V 0NaOH C NaOH - V XNaOH C NaOH )/W dry IEC (meq / g) = ( V 0 NaOH C NaOH - V X NaOH C NaOH ) / W dry

여기에서, V 0 NaOHV x NaOH 는 각각 적정 전과 적정에 소모된 NaOH의 부피이고, C NaOH는 옥살산 기준 용액에 의해 적정된 NaOH의 몰농도이며, W dry는 건조된 막의 무게이다. 각 샘플마다 세 번씩 수행하였고, 세 측정 값의 평균값에 의해 IEC를 산출하였다. 이론적 IEC는 하나의 블록 공중합체의 전체 몰질량과 작용기화(functionalization) 정도의 곱으로 계산하였다.Where V 0 NaOH and V x NaOH are the volume of NaOH consumed in the titration and titration respectively, C NaOH is the molar concentration of NaOH titrated with oxalic acid standard solution, and W dry is the weight of the dried membrane. Three measurements were made for each sample, and the IEC was calculated by the average of the three measured values. The theoretical IEC was calculated as the product of the total molar mass of one block copolymer and the degree of functionalization.

[실험예 3: 전체 수분 흡수(WU, %) 측정][Experimental Example 3: Total water absorption (WU,%) measurement]

음이온 교환막(AEM)의 WU는 막을 탈염수에 24시간 이상 담근 후, 필터 페이퍼로 닦고 즉시 무게를 측정한다(W wet).그 후 막의 일정한 무게(W dry)를 얻기 전까지 진공 상태에서 건조한다. 막의 수분 흡수는 하기 수학식 2를 이용하여 계산하고, 세 번 측정하여 그 평균값을 산출하였다.WU of the anion exchange membrane (AEM) is immersed in demineralized water for at least 24 hours, then wiped with filter paper and weighed immediately ( W wet ), then dried under vacuum until a constant weight of the membrane ( W dry ) is obtained. The water absorption of the membrane was calculated using the following equation (2), and the average value of the moisture absorption was measured three times.

(수학식 2)(2)

WU (%) = [(W wet - W dry )/W dry ] ⅹ 100WU (%) = [( W wet - W dry ) / W dry ]

여기에서, W wetW dry 는 각각 젖은 막과 건조한 막의 무게이다.Where W wet and W dry are the weights of the wet film and the dry film, respectively.

[실험예 4: 치수 변화 측정][Experimental Example 4: Measurement of dimensional change]

막의 치수 변화는 둥근-형태의 막을 각각 상온 및 80℃에서 물에 침지함으로써 조사된 막의 팽창 비율(swelling ratio) 측정으로부터 평가되고, 다음의 수학식 3을 이용하여 막의 두께(through-plane) 방향의 변화를 계산하며, 세 번 측정 후, 그 평균값을 산출하였다.The dimensional change of the film was evaluated by measuring the swelling ratio of the film irradiated by immersing the round-shaped film at room temperature and water at 80 ° C, respectively, and using the following equation (3) The change was calculated, and after three measurements, the average value was calculated.

(수학식 3)(3)

Δt (%) = [(t-t dry)/t dry] ⅹ 100Δ t (%) = [( t - t dry ) / t dry ] × 100

여기에서, t dry는 건조된 막의 두께이고, t 는 24시간 동안 물에 침지된 막의 두께이다. 건조된 막은 측정 전에 60℃ 진공에서 24시간 동안 놓아둠으로써 준비했다.Where t dry is the thickness of the dried film and t is the thickness of the film immersed in water for 24 hours. The dried membrane was prepared by allowing it to stand in a vacuum of 60 캜 for 24 hours before measurement.

[실험예 5: OH-전도도 측정][Experimental Example 5: OH - Conductivity Measurement]

실시예 1 내지 3 및 비교예 각각의 막(수용액에서의 크기: 1cm ⅹ 4cm)의 면 방향에서 하이드록사이드 이온 전도도(σ)는 하기 수학식 4를 이용하여 계산한다.Hydroxide ion conductivity (?) In the plane direction of each of the membranes of the examples 1 to 3 and the comparative example (size in the aqueous solution: 1 cm x 4 cm) is calculated using the following equation (4).

(수학식 4)(4)

σ = l/RAσ = 1 / RA

여기에서, l은 기준 전극 사이의 거리, A는 막 시료의 단면적, R은 저항을 의미한다. 옴 저항(R)은 10~200kHz 주파수 범위에서 임피던스/게인-페이스 분석기(SI-1260) 및 전기화학적 인터페이스(SI-1287)와 연결된 전극 시스템을 사용하는 2침법 교류(two-point probe alternating current) 임피던스 분광학에 의해 측정된다. 수용액에서 전도도는 20~80℃의 온도 범위에서 측정된다. 원하지 않는 카보네이트의 형성을 최소화하기 위해, 전지는 가스가 제거된 탈염수에 완전히 담그고 임피던스 스펙트럼은 빠르게 수집한다. 전도도 값은 같은 시간 간격으로 최소한 3번 측정하여 평균값으로 구한다.Here, 1 denotes the distance between the reference electrodes, A denotes the cross-sectional area of the film sample, and R denotes the resistance. The ohmic resistor (R) is a two-point probe alternating current using an electrode system connected to an impedance / gain-face analyzer (SI-1260) and an electrochemical interface (SI-1287) It is measured by impedance spectroscopy. Conductivity in aqueous solutions is measured in the temperature range of 20-80 ° C. To minimize the formation of unwanted carbonates, the cell is fully immersed in de-gassed de-gassed and the impedance spectrum is collected quickly. Conductivity values are measured at least three times in the same time interval and are averaged.

[실험예 6: 화학적 안정성 평가][Experimental Example 6: Evaluation of Chemical Stability]

막의 화학적 안정성은 이온 전도도, IEC 및 IR 스펙트럼 변화를 측정하기 위해 OH-형태(form) 막을 교반된 2M NaOH 용액에 60℃에서 500시간 이상 침지함으로써 평가한다. 측정 전에, 각 막을 탈염수로 두 서너번 씻고, 막 안의 자유 NaOH를 제거하기 위해 상온에서 적어도 48시간 동안 탈염수에 담근다. 각 막의 이온 전도도는 20℃ 탈염수 안에서 결정된다.The chemical stability of the membrane was evaluated by immersing the OH - form membrane in stirred 2M NaOH solution at 60 ° C for at least 500 hours to measure ionic conductivity, IEC and IR spectral changes. Before measurement, each membrane is washed two or three times with demineralized water and soaked in demineralized water for at least 48 hours at room temperature to remove free NaOH in the membrane. The ionic conductivity of each membrane is determined in 20 ° C deionized water.

상술한 실험예들에 의해 측정된 값을 바탕으로 본 발명의 일 실시예에 따른 코움 구조를 갖는 알킬 비스이미다졸리움계 가교형 음이온 교환막의 특성에 대해 설명한다.The properties of the alkylbisimidazolium-based crosslinked anion exchange membrane having a comb structure according to an embodiment of the present invention will be described based on the values measured by the above-described experimental examples.

폴리(아릴렌 에테르 설폰)(PES) 블록 공중합체(5)와 브롬 치환된 PES 공중합체(Br-PES, 2)(전구체 폴리머)의 합성Synthesis of bromine-substituted PES copolymer (Br-PES, 2) (precursor polymer) of poly (arylene ether sulfone) (PES) block copolymer (5)

페놀프탈레인(PP)을 3,5-디메틸아닐린(DMA)과 반응시킴으로써 디벤질 기능기를 가진 카도계 비페놀 모노머(아래 반응식 1의 S1)을 제조하였다. 이 카도계 모노머는 이온 전도체가 도입될 반응성의 벤질 사이트를 폴리머 주쇄로부터 분리시키고 비스이미다졸리움기를 위한 2개의 반응성 사이트를 제공한다. 반응식 2에서와 같이, OH-말단 올리고머(3)와 F-말단 올리고머(4)는 각각의 중합도를 12로 고정하여 문헌[A. H. N. Rao, H.-J. Kim, S. Nam and T.-H. Kim, Polymer, 2013, 54, 6918-6928]에 따라 제조하였다. 이들 매크로모노머를 중합시켜 높은 분자량(M n > 124 kDa)을 갖는 멀티블록 구조인 폴리(아릴렌 에테르 설폰)(PES) 블록 공중합체(5)를 제조하였다.Phenolphthalein (PP) was reacted with 3,5-dimethylaniline (DMA) to prepare a carbodiimide biphenol monomer having dibenzyl functional groups (S1 in Scheme 1 below). This cationic monomer separates the reactive benzylic site from which the ionic conductor is to be introduced from the polymer backbone and provides two reactive sites for the bisimidazolium group. As in Scheme 2, the OH-terminal oligomer (3) and the F-terminal oligomer (4) were each polymerized at a degree of polymerization of 12, as described in AHN Rao, H.-J. Kim, S. Nam and T.-H. Kim, Polymer , 2013, 54, 6918-6928. These macromonomers were polymerized to prepare a poly (arylene ether sulfone) (PES) block copolymer (5) having a multi-block structure with a high molecular weight ( M n > 124 kDa).

PES 블록 공중합체(5)의 화학적인 구조는 2개의 출발 올리고머(3 및 4)의 스펙트럼(도 2)을 참조로 하여 1H NMR 스펙트럼(도 3)에 의해 특정되었다.The chemical structure of the PES block copolymer (5) was specified by 1 H NMR spectrum (FIG. 3) with reference to the spectrum of the two starting oligomers (3 and 4) (FIG. 2).

ArCH3(NBS의 1.5 당량 사용)의 브로미네이션은 브로모벤질화된 PES(Br-PES, 2)를 제조하기 위해 폴리머(5)의 테트라클로로에탄에서 수행되었다. 폴리머(5와 2)의 1H NMR을 이용한 비교분광법(comparative spectroscopic method)에 의하면, 폴리머(2)에 브롬화된 정도는 74%임을 보여주었다(도 3). 이는 폴리머(2)의 벤질 프로톤(H20)에 대한 폴리머(5)의 브로모벤질 프로톤(H26)의 적분비로부터 측정된 결과이다(도 3).The bromination of ArCH 3 (1.5 equivalents of NBS) was carried out in tetrachloroethane of polymer (5) to produce bromobenzylated PES (Br-PES, 2). The comparative spectroscopic method of 1 H NMR of polymers (5 and 2) showed that the degree of bromination in polymer (2) was 74% (FIG. 3). This is the result measured from the integral ratio of bromobenzyl protons (H 26 ) of the polymer (5) to the benzyl protons (H 20 ) of the polymer (2) (FIG.

(반응식 1)(Scheme 1)

Figure 112016004854484-pat00001
Figure 112016004854484-pat00001

(반응식 2)(Scheme 2)

Figure 112016004854484-pat00002
Figure 112016004854484-pat00002

코움 구조를 갖는 비스이미다졸리움계 가교형 분리막(BI-cPESs, 1)의 형성Formation of bisimidazolium-based crosslinked separator (BI-cPESs, 1) having a comb structure

가교형 분리막은 DMF, NMP, DMAc 및 DMSO와 같은 유기용매에 녹지 않으며, 이러한 성질을 이용하여 가교형 네트워크가 성공적으로 형성됨을 알 수 있다. 가교밀도의 간접 측정법인 겔분율(gel fraction)은 3개의 모든 가교형 BI-cPES-10, BI-cPES-6, BI-cPES-4 분리막에서 92%로 매우 높았다(표 1 참조).The crosslinked type separator is not soluble in organic solvents such as DMF, NMP, DMAc and DMSO, and it can be seen that a crosslinked network is successfully formed by using such properties. The gel fraction, an indirect measure of crosslink density, was very high (92%) in all three crosslinked BI-cPES-10, BI-cPES-6 and BI-cPES-4 membranes (see Table 1).

Br-PES(2) 및 가교형 BI-cPES 분리막(1)의 FT-IR 스펙트럼을 비교함으로써 가교형 분리막의 구조를 추가적으로 확인하였다(도 4). Br-PES(2)의 C-Br 스트레칭 바이브레이션에 상응하는 653 cm-1 에서의 피크는 사라지고, 1590 cm-1 및 758 cm-1에서 특징적인 피크가 나타나는데, 이는 이미다졸리움 양이온의 진동 모드에 기인하며, 이미다졸리움기의 성공적인 결합을 나타낸다.The structure of the crosslinked separator was further confirmed by comparing the FT-IR spectra of the Br-PES (2) and the crosslinked BI-cPES separator (1) (FIG. 4). The peak at 653 cm -1 corresponding to the C-Br stretching vibration of Br-PES (2) disappeared, and a characteristic peak at 1590 cm -1 and 758 cm -1 appears, which is due to the vibration mode of the imidazolium cation , Indicating a successful binding of the imidazolium group.

[표 1] Br-PES(2)와 가교형 BI-cPES 분리막(1)의 용해도 및 겔분율[Table 1] Solubility and gel fraction of Br-PES (2) and crosslinked BI-cPES membrane (1)

Figure 112016004854484-pat00003
Figure 112016004854484-pat00003

코움 구조를 갖는 비스이미다졸리움계 가교형 분리막(BI-cPESs, 1)의 형태(BI-cPESs, 1) having a comb structure in the form of a bisimidazolium-based crosslinked separator

비스이미다졸리움계 가교형 분리막(1)의 형태(morphological) 분석은 원자힘현미경(Atomic Force Microscopy, AFM)과 X선 작은각 산란(SAXS)에 의해 수행되었다. 탭핑 모드 AFM 이미지는 3개의 모든 가교형 BI-cPES-10, BI-cPES-6, BI-cPES-4 분리막 모두 친수성 및 소수성 블록 사이에 상분리가 일어남을 보여 주었다. 그러나 상분리는 BI-cPES-4, BI-cPES-6 분리막에 비해 긴 알킬 사슬을 가진 BI-cPES-10 분리막에서 현저하게 일어났다. BI-cPES-10의 AFM 이미지에서 보다 넓은 소수성 채널을 가진 반면 BI-cPES-4와 BI-cPES-6 의 AFM 이미지에서는 더 좁은 채널을 보였다(도 5와 표 2)Morphological analysis of bisimidazolium type crosslinked membranes (1) was performed by Atomic Force Microscopy (AFM) and X-ray small angular scattering (SAXS). Tapping mode AFM images showed that phase separation occurred between hydrophilic and hydrophobic blocks in all three bridging BI-cPES-10, BI-cPES-6 and BI-cPES-4 membranes. However, phase separation occurred significantly in BI-cPES-10 membranes with long alkyl chains compared to BI-cPES-4 and BI-cPES-6 membranes. The AFM images of BI-cPES-10 had wider hydrophobic channels while the AFM images of BI-cPES-4 and BI-cPES-6 showed narrower channels (Figure 5 and Table 2)

[표 2] 가교형 BI-cPES 분리막의 SAXS 및 AFM 데이터[Table 2] SAXS and AFM data of crosslinked BI-cPES separator

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SAXS 결과는 산란 벡터 q의 함수로서 세기를 도 6에 플로팅하여 나타내었다(도 6 참조). 0.02 Å-1에서 상대적으로 긴 알킬 체인을 가진 BI-cPES-6 및 BI-cPES-10(실시예 2 및 3)에 대한 분명한 이오노머 피크가 SAXS 프로필에서 관찰되었고, 이는 이온 도메인과 함께 나노상 분리의 형성을 의미한다. 반대로, 더 높은 q값에서의 훨씬 브로드한 피크는 매우 짧은 알킬 체인을 갖는 BI-cPES-4(실시예 1)를 나타내고, 이는 이 고분자에서 상-분리가 덜 분명하다는 것을 의미한다. 도메인 사이의 간격(interdomain spacings)인 d 값은 실시예 1(BI-cPES-4)보다 실시예 2(BI-cPES-6) 및 실시예 3(BI-cPES-10)에서 훨씬 크고, 26과 30nm 사이의 범위에 있다(표 2 참조). BI-cPES-6의 코움 구조가 덜 분명함에도 불구하고, 이들 가교형 고분자(BI-cPES-6 및 BI-cPES-10)의 코움 구조는 그들의 큰 d 값에 기인한 것으로 보인다. 다른 문헌에서 개시된 AEM의 d 값은 위 고분자들보다 훨씬 작고 BI-cPES-4(실시예 1)에서 얻어진 값인 17nm에 상응한다.The SAXS result is plotted as a function of the scattering vector q , plotted in FIG. 6 (see FIG. 6). A clear ionomeric peak for BI-cPES-6 and BI-cPES-10 (Examples 2 and 3) with a relatively long alkyl chain at 0.02 A- 1 was observed in the SAXS profile, . Conversely, much broader peaks at higher q values represent BI-cPES-4 (Example 1) with very short alkyl chains, which means that phase separation in this polymer is less clear. D values which are interdomain spacings are much larger in Example 2 (BI-cPES-6) and Example 3 (BI-cPES-10) than in Example 1 (BI-cPES-4) (See Table 2). Although the comb structure of BI-cPES-6 is less clear, the comb structure of these crosslinked polymers (BI-cPES-6 and BI-cPES-10) appears to be due to their large d value. The d value of the AEM disclosed in other documents is much smaller than the above polymers and corresponds to 17 nm, which is the value obtained in BI-cPES-4 (Example 1).

SAXS와 AFM 분석은 이온 클러스터를 형성하기 위한 친수성 및 소수성 응집물(aggregates) 사이의 상분리가 비스이마다졸리움 가교제 사이의 긴 알킬 사슬에 의해 촉진된 것으로 판단된다. 아래에서 볼 수 있듯이, 긴 알킬 사슬(즉, BI-cPES-10)을 가진 코움 형상의 BI-cPES 구조에 의한 자체응집형은 전도도와 치수 안정성에 강한 영향을 준다. 또한 SAXS와 AFM 분석에 의해 이온 전도성 경로는 두 개의 이미다졸 가교제 사이의 알킬 사슬의 길이가 증가함에 따라 더 많이 상호연결된다는 것을 보여준다. 그러므로 이온 전도도가 클수록 더 긴 알킬 사슬을 가진 비스이미다졸리움 가교형 PES 분리막(BI-cPES-10 〉BI-cPES-6 〉BI-cPES-4)이 기대된다.SAXS and AFM analysis is believed to result in phase separation between hydrophilic and hydrophobic aggregates to form ion clusters promoted by long alkyl chains between the bisulphite crosslinkers. As can be seen below, the self-agglomerated form of a comb-shaped BI-cPES structure with a long alkyl chain (ie BI-cPES-10) has a strong influence on conductivity and dimensional stability. Also, SAXS and AFM analysis show that the ionic conductive pathway is more interconnected as the length of the alkyl chain between two imidazole crosslinkers increases. Therefore, the larger the ionic conductivity, the higher expected bis-imidazolium-bridged PES separator (BI-cPES-10> BI-cPES-6> BI-cPES-4) with longer alkyl chains.

이온 교환 용량(IEC)과 하이드록사이드 전도도Ion Exchange Capacity (IEC) and Hydroxide Conductivity

meq/g으로 측정되는 이온 교환 용량(IEC)은 AEM의 성능을 결정하는 중요한 파라미터이고 분리막에서 이온 전도성 사이트 밀도에 관한 정보를 제공한다. 비스이미다졸리움계 가교형 BI-cPES 분리막의 IEC은 산-염기 적정법을 사용하여 측정되었고, 그 값의 범위가 1.13~1.20 meq/g이었다(표 3 참조). 비스이미다졸리움 양이온의 더 긴 알킬 사슬 길이로 인한 강화된 소수성 때문에 IEC 값은 감소하였다. 실시예3(BI-cPES-10)이 가장 낮은 IEC 값(1.13 meq/g)을 나타내었다.The ion exchange capacity (IEC), measured in meq / g, is an important parameter that determines the performance of AEM and provides information on the ionic conductivity site density in the membrane. The IEC of bis-imidazolium-based crosslinked BI-cPES membranes was measured using an acid-base titration method and ranged from 1.13 to 1.20 meq / g (see Table 3). The IEC value decreased due to the enhanced hydrophobicity due to the longer alkyl chain length of the bisimidazolium cation. Example 3 (BI-cPES-10) showed the lowest IEC value (1.13 meq / g).

[표 3] BI-cPES 분리막의 IEC, 전도도, 겉보기 활성화 에너지(E a ) [Table 3] IEC, Conductivity, Apparent Activation Energy ( E a ) of BI-cPES Membrane

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BI-cPES 분리막(BI-cPESs)의 하이드록사이드 전도도는 20~80℃의 물에서 측정되었다(표 3 참조). 가장 긴 알킬 사슬을 가진 실시예3(BI-cPES-10)은 1.13 meg/g의 IEC를 가지면서도 20℃에서 0.027 S/cm의 높은 전도도를 나타내었다. 이러한 전도도는 일반적인 AEM 분리막(AEMs) 중에서 측정된 값보다 훨씬 큰 값이고 가교형 AEMs에 대해 측정한 가장 높은 IEC보다 높은 값이다. 전도성기를 희석시키는 소수성 네트워크를 통해 가교가 이루어지는 대부분의 가교형 시스템에서와 달리, 본 명세서에 기재된 가교형 고분자는 이온 전도체로도 작용하는 비스이미다졸리움기에 의해 결합된다. 그러므로 가교결합은 분리막 전도도를 감소시키기 않았다.Hydroxide conductivities of BI-cPES membranes (BI-cPESs) were measured in water at 20-80 캜 (see Table 3). Example 3 (BI-cPES-10) with the longest alkyl chain exhibited a high conductivity of 0.027 S / cm at 20 DEG C with an IEC of 1.13 meg / g. This conductivity is much higher than the value measured in conventional AEM membranes (AEMs) and higher than the highest IEC measured for crosslinked AEMs. Unlike in most crosslinked systems where crosslinking occurs through a hydrophobic network that dilutes conductive groups, the crosslinked polymers described herein are bound by a bisimidazolium group that also acts as an ionic conductor. Therefore, crosslinking did not reduce the membrane conductivity.

코움 구조를 갖는 친수성 및 소수성 응집물(aggregates) 사이의 상분리에 의해 형성되는 상호연결된 나노채널 경로는 심지어 낮은 IEC값에서 긴 알킬 사슬로 가교된 분리막에서 전도도를 더 향상시켰다. SAXS와 AFM에서 모두 확인할 수 있는 것처럼, BI-cPES-10이 가장 큰 이온채널을 형성하였고, 이 분리막이 가장 높은 전도도를 가진다는 것을 보여 주었다.The interconnected nanotube channel formed by the phase separation between hydrophilic and hydrophobic aggregates with a comb structure has further improved conductivity in long alkyl chain crosslinked membranes even at low IEC values. As can be seen from both SAXS and AFM, BI-cPES-10 formed the largest ion channel and showed that this membrane had the highest conductivity.

또한 가교형 BI-cPES 분리막의 전도도는 높은 온도 의존성을 가진 아레니우스 타입의 거동을 보여주었다(도 7와 표 3). 3개의 모든 가교형 BI-cPES 분리막은 80℃에서 0.06 S/cm를 초과하는 전도도를 나타내었고, 이는 비슷한 IEC을 갖는 일반적인 AEM의 전도도보다 더 크다. 아레니우스 플롯의 기울기로부터 평가된 하이드록사이드 전도의 겉보기(apparent) 활성화 에너지(△Ea)는 실시예3(BI-cPES-10)의 활성화 에너지(17.1 kJ/mol)가 실시예2(BI-cPES-6)의 활성화 에너지(21.8 kJ/mol) 및 실시예 1(BI-cPES-4)의 활성화 에너지(23.0 kJ/mol)보다 상당히 낮다는 것을 보여주었다. 이러한 결과는 하이드록사이드 이온이 이송될 수 있는 이온 채널의 퍼콜레이션 임계치(percolation threshold)가 전도성 채널을 형성하기 위해 자체 응집되는 긴 알킬 사슬을 가진 코움 구조의 폴리머(BI-cPES-10)에서 달성된다는 것을 나타낸다. 실제로 측정된 모든 온도에서 BI-cPES-4와 BI-cPES-6 사이의 전도도 차이는 BI-cPES-6과 BI-cPES-10 사이의 전도도 차이보다 작다(표 3).In addition, the conductivity of the crosslinked BI-cPES separator showed the Arrhenius type behavior with high temperature dependency (FIG. 7 and Table 3). All three crosslinked BI-cPES membranes exhibited a conductivity of greater than 0.06 S / cm at 80 ° C, which is greater than the conductivity of a typical AEM with similar IECs. The apparent activation energy (ΔE a ) of the hydroxylation conduction estimated from the slope of the Arrhenius plot was calculated from the activation energy (17.1 kJ / mol) of Example 3 (BI-cPES-10) (23.8 kJ / mol) of Example 1 (BI-cPES-4) and the activation energy (21.8 kJ / mol) of BI-cPES-6. These results indicate that the percolation threshold of the ion channel to which the hydroxide ion can be delivered is achieved in a polymer (BI-cPES-10) having a complex structure with long alkyl chains self-aggregating to form a conductive channel . The conductivity difference between BI-cPES-4 and BI-cPES-6 at all measured temperatures is actually less than the conductivity difference between BI-cPES-6 and BI-cPES-10 (Table 3).

수분 흡수 및 치수 안정성Water Absorption and Dimensional Stability

대부분의 음이온 교환막(AEM)에서 분리막에 의한 수분 흡수는 물분자가 음이온 수송을 위한 전달자로 작용하기 때문에 하이드록사이드 전도도와 밀접하게 관련된다. 그러나 과량의 수분흡수는 심각한 팽윤현상을 일으켜 음이온 교환막을 적용하는데 분리막을 기계적으로 매우 약하게 만든다. 가교형 BI-cPES 분리막의 수분 흡수는 20℃와 80℃의 온도에서 측정되었다(표 4 참조). 예상한 바와 같이, 가교결합은 팽윤 현상을 효율적으로 억제하였고 심지어 80℃에서 모든 가교형 BI-cPES 분리막의 수분 흡수는 매우 작았다(<12%). 이는 위 분리막이 심지어 높은 온도에서의 물에서도 유연성을 갖고 있다는 것을 나타내는 것이다. 가장 적은 수분 흡수는 수분 흡수를 방해하는 자체 응집 구조를 형성하는 BI-cPES-10 에서 확인되었다.In most of the anion exchange membranes (AEM), the water absorption by the membrane is closely related to the hydroxide conductance because the water molecule acts as a transmitter for anion transport. However, excessive water absorption causes severe swelling, which makes the separator mechanically very weak to apply the anion exchange membrane. The water absorption of the crosslinked BI-cPES membranes was measured at temperatures of 20 ° C and 80 ° C (see Table 4). As expected, cross-linking efficiently inhibited swelling and even at 80 ° C the water uptake of all crosslinked BI-cPES membranes was very small (<12%). This indicates that the membrane is flexible even in water at high temperatures. The least water uptake was confirmed in BI-cPES-10, which forms a self-aggregating structure that interferes with water absorption.

연료 전지 분야에서, 수분 흡수(WU)와 전도도(σ)는 특히 중요하다. 매우 낮은 수분 흡수와 함께 매우 높은 전도도를 갖는, 코움 구조의 비스이미다졸리움계 가교형 BI-cPES-10 분리막(실시예 3)은 AEMFC 분야에서 이상적인 막을 제공한다.In the field of fuel cells, water absorption (WU) and conductivity ( σ ) are particularly important. A bismimidazolium-based crosslinked BI-cPES-10 membrane (Example 3) of the comb structure having an extremely low conductivity with very low moisture absorption provides an ideal membrane in the AEMFC field.

가교형 BI-cPES 분리막의 치수 안정성을 살펴 보면, 모든 가교형 BI-cPES 분리막은, 예상한 바와 같이, 매우 낮은 팽윤 현상을 보였다(표 4 참조) 비스이미다졸리움 양이온의 알킬 사슬 길이를 증가시키면 팽윤현상을 줄일 수 있었다. 가교된 삼차원 네트워크와 코움 형상의 폴리머에 의해 형성된 자체 응집 구조의 결합 효과로 인해 BI-cPES-10 분리막(실시예 3)에서 가장 적은 팽윤현상이 일어났다.Examining the dimensional stability of the crosslinked BI-cPES membranes, all crosslinked BI-cPES membranes showed very low swelling as expected (see Table 4). Increasing the alkyl chain length of the bisimidazolium cation The swelling phenomenon could be reduced. The least swelling occurred in the BI-cPES-10 membrane (Example 3) due to the combined effect of the crosslinked three-dimensional network and the self-aggregated structure formed by the comb-shaped polymer.

[표 4] 가교형 BI-cPES 분리막의 수분 흡수 및 치수 안정성[Table 4] Moisture Absorption and Dimensional Stability of Crosslinked BI-cPES Membrane

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열적 안정성 및 기계적 안정성Thermal Stability and Mechanical Stability

하이드록사이드 형태에서 가교형 BI-cPES 분리막의 열적 안정성은 TGA에 의해 조사되었다(도 8 참조). 3% 미만인 막의 초기 중량 손실은 수화수와 잔량의 용매의 증발에 상응한다. 3개의 모든 가교형 분리막에 대해 2스텝 중량 손실을 보여준다. 340~450℃ 사이에서의 첫번째 중량 손실은 이미다졸리움기의 손실에 상응한다. 470℃로부터의 중량 손실의 두 번째 단계는 폴리머 측쇄와 주쇄의 분해(degradation)에 상응한다. 비스이미다졸리움계 가교형 BI-cPES 분리막은 일반적인 가교형 4급 암모늄 또는 4급 구아니디늄 양이온에 비해 높은 열적 안정성을 보였다. 높은 열적 안정성은 분리막의 pH 값 차이에 의해 발생하는 열역학적 전압 손실을 줄이기 위해 AEM 연료전지에 바람직한 물성이다. 이들 결과는 가교제로서 알킬 비스이미다졸을 도입하는 것이 열적 안정성을 강화시키고 폴리머 주쇄의 높은 견고성을 유지시킨다는 것을 나타낸다.The thermal stability of the crosslinked BI-cPES membranes in the hydroxide form was investigated by TGA (see FIG. 8). The initial weight loss of the membrane of less than 3% corresponds to the evaporation of the solvent of hydrated water and balance. Step weight loss for all three crosslinked membranes. The first weight loss between 340 and 450 ° C corresponds to the loss of the imidazolium group. The second stage of weight loss from 470 ° C corresponds to the degradation of the polymer side chain and backbone. The bis-imidazolium-based crosslinked BI-cPES membranes showed higher thermal stability than conventional crosslinked quaternary ammonium or quaternary guanidinium cations. The high thermal stability is a desirable property for AEM fuel cells to reduce the thermodynamic voltage loss caused by the pH value difference of the separator. These results indicate that the introduction of alkyl bisimidazole as a crosslinking agent enhances thermal stability and maintains high rigidity of the polymer backbone.

기계적 특성은 AEMFC 막 전극 어셈블리를 제조하는데 필수적인 파라미터이다. 가교형 BI-cPES 분리막의 기계적 특성은 50% 상대습도에서 측정되었다(표 5 및 도 9 참조). 비스이미다졸리움계 가교형 BI-cPES 분리막은 2.1 - 3.9 GPa 범위의 높은 영률을 나타내었다. 영률은 두 개의 이미다졸리움기 사이의 알킬 사슬 길이와 함께 증가된다. 즉 긴 알킬 사슬을 갖는 BI-cPES-10(실시예3)에서 3.9 GPa로 실시예2(BI-cPES-6)의 2.4 GPa 및 실시예1(BI-cPES-4)의 2.1 GPa 보다 큰 값을 나타내었다. 이는 가교형 코움 구조의 폴리머 분리막(BI-cPES-10)에서 자체 응집 구조 때문에 강화된 기계적 특성을 나타내는 것이다.Mechanical properties are essential parameters for fabricating AEMFC membrane electrode assemblies. The mechanical properties of the crosslinked BI-cPES membranes were measured at 50% relative humidity (see Table 5 and Figure 9). The bis-imidazolium-based crosslinked BI-cPES membranes exhibited high Young's modulus in the range of 2.1 - 3.9 GPa. The Young's modulus increases with the alkyl chain length between the two imidazolium groups. (BI-cPES-6) of Example 2 (BI-cPES-6) and 2.1 GPa of Example 1 (BI-cPES-4) at 3.9 GPa in BI-cPES-10 Respectively. This shows enhanced mechanical properties due to the self-aggregating structure in the polymer separator (BI-cPES-10) having a cross-linked comb structure.

[표 5] 가교형 BI-cPES 분리막의 UTM 데이터[Table 5] UTM data of crosslinked BI-cPES membrane

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화학적 안정성Chemical stability

우수한 열적, 기계적 및 치수 안정성 이외에, 60℃에서 2M NaOH에 350 시간동안 막을 담그기 전후의 전도도와 IEC를 비교함으로써 알카리 용액에서 가교형 BI-cPES 분리막의 장기안정성(long-term tolerance)을 조사하였다(도 10). 전도도의 변화는 20℃에서 매 48시간마다 측정되었다. 실시예 1 내지 3에 따른 가교형 BI-cPES 분리막 모두 기본 상태에서 열처리한 후 그들의 최초 전도도에서 약간 전도도가 감소하였다. 200시간 후에는 IEC와 전도도에서 약간의 변화가 관찰되었지만, 200시간이 될 때까지는 전도도의 상당한 변화는 관찰되지 않았다(도 10 및 표 6 참조). 이러한 가교형 BI-cPES 분리막의 알칼리 안정성은 전형적인 AEM에 비해 매우 높은 것이다. 왜냐하면 전형적인 AEM은 일반적으로 본 실험에서 진행한 것과 같은 고온의 진한 염기성 용액(concentrated basic solution)에서 불안정하기 때문이다.In addition to the excellent thermal, mechanical and dimensional stability, the long-term tolerance of the crosslinked BI-cPES membranes in alkaline solutions was investigated by comparing the IEC with the conductivity before and after immersing the membrane in 2M NaOH at 60 ° C for 350 hours 10). Conductivity changes were measured every 20 hours at 20 ° C. Both of the crosslinked BI-cPES membranes according to Examples 1 to 3 exhibited a slight decrease in their initial conductivity after heat treatment in the basic state. After 200 hours, a slight change in IEC and conductivity was observed, but no significant change in conductivity was observed until 200 hours (see FIG. 10 and Table 6). The alkali stability of such crosslinked BI-cPES membranes is much higher than typical AEM. Because a typical AEM is generally unstable in a concentrated basic solution at the same temperature as in this experiment.

[표 6] 60℃에서 2M NaOH에 350시간 동안 침지시키기 전과 후의 가교형 BI-cPES 분리막의 전도도 및 IECTable 6 Conductivity and IEC of crosslinked BI-cPES membranes before and after immersing in 2M NaOH at 60 ° C for 350 hours

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또한, 비스이미다졸리움 그룹 및 고분자 주쇄의 분해를 조사하기 위해 기본 조건 하에 열처리에 노출되기 전과 후의 IR 스펙트럼을 비교함으로써 실시예 1 내지 3에 따른 가교형 BI-cPES 분리막(BI-cPES-4, BI-cPEs-6 and BI-cPES-10)을 구조적으로 분석하였다. 도 11에서 볼 수 있는 것처럼, IR 스펙트럼에서 이들 분리막의 상당한 변화는 관찰되지 않았다. 이미다졸리움 그룹에 대응되는 1590 cm-1와 758 cm-1의 특징적인 피크와 술폰 고분자 주쇄에 대응되는 1319 및 1151 cm-1의 특징적인 피크는 동일하게 유지되었다. 그러므로 가교형 BI-cPES 분리막의 구조적인 일체성은 혹독한 알칼리성 조건에서도 유지되는 것을 알 수 있고, 이는 우수한 화학적 안정성이 있다는 의미이다.Further, by comparing the IR spectra before and after exposure to the heat treatment under the basic conditions in order to investigate the decomposition of the bisimidazolium group and the polymer main chain, the crosslinked BI-cPES separator (BI-cPES-4, BI-cPEs-6 and BI-cPES-10) were structurally analyzed. As can be seen in Fig. 11, no significant change in these membranes was observed in the IR spectrum. The characteristic peaks at 1590 cm -1 and 758 cm -1 corresponding to the imidazolium groups and the characteristic peaks at 1319 and 1151 cm -1 corresponding to the sulfonic polymer backbone remained the same. Therefore, it can be seen that the structural integrity of the crosslinked BI-cPES separator is maintained under harsh alkaline conditions, which means excellent chemical stability.

본 명세서에서, 신규한 음이온 교환막으로서 C4~C10의 다른 알킬 체인을 가진 알킬 비스이미다졸리움계 가교형 폴리(아릴렌 에테르 술폰) 블록 공중합체를 합성하였다. 또한 본 명세서에 사용된 알킬 비스이미다졸리움기는 최초로 가교제 뿐만 아니라 이온 전도체로서 기능을 동시에 한다는 점에 그 특징이 있다. 비스이미다졸리움계 가교형 BI-cPES 분리막은 종래의 AEM보다 성능이 매우 우수함을 알 수 있고, 또한 높은 전도도와 우수한 치수 안정성을 가진 몇 안 되는 가교형 분리막에 속함을 알 수 있다. 특히 본 발명의 실시예 3(BI-cPES-10)에 따른 분리막은 긴 펜던트 소수성 곁사슬을 도입함으로써 자체-응집 구조를 형성하였고, 이로 인해 코움-구조로 이루어짐을 알 수 있다. 가교형 코움-구조 시스템은 심지어 낮은 IEC 값과 낮은 수분 흡수에서 높은 전도성을 달성하였다. 또한 가교 네트워크와 함께 코움 구조의 길 사슬의 결합은 특히 본 발명의 실시예 3(BI-cPES-10)에 따른 분리막이AEM 연료 전지의 전극으로서 유망한 막이라는 것을 나타낸다.In this specification, alkyl bisimidazolium bridged poly (arylene ether sulfone) block copolymers having different C 4 -C 10 alkyl chains have been synthesized as novel anion exchange membranes. Also, the alkylbisimidazolium group used in the present specification is characterized in that it simultaneously functions as an ionic conductor as well as a crosslinking agent for the first time. The bis-imidazolium-based crosslinked BI-cPES separator is superior to conventional AEM in performance and belongs to several crosslinked separators having high conductivity and excellent dimensional stability. Particularly, the separation membrane according to Example 3 (BI-cPES-10) of the present invention formed a self-aggregated structure by introducing a long pendant hydrophobic side chain, and thus it was found that the separation membrane was composed of a comb-structure. The bridged comb-structure system achieved high conductivity even at low IEC values and low moisture uptake. Also, the combination of the long chain of the comb structure with the crosslinking network indicates that the separator according to Example 3 (BI-cPES-10) of the present invention is a promising membrane as an electrode of an AEM fuel cell.

본 명세서에서는 본 발명자들이 수행한 다양한 실시예 가운데 몇 개의 예만을 들어 설명하는 것이나 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고, 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.It is to be understood that the present invention is not limited to the above embodiments and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the spirit and scope of the invention.

Claims (10)

주쇄;와 가교제와 이온 전도체의 기능을 동시에 하는 곁사슬 고분자;를 결합하여 제조한 것으로서 코움(comb-shape) 구조를 갖는 것을 특징으로 하는, 코움 구조를 갖는 알킬 비스이미다졸리움계 가교형 음이온 교환막. An alkylbisimidazolium-based crosslinked anion exchange membrane having a comb structure, which is produced by combining a main chain and a side chain polymer which simultaneously functions as a crosslinking agent and an ion conductor, and has a comb-shape structure. 제1항에 있어서,
상기 주쇄는 폴리(아릴렌 술폰), 폴리(아릴렌 케톤), 폴리(이미드), 폴리(아마이드) 및 폴리(페닐렌) 중에서 적어도 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는, 코움 구조를 갖는 알킬 비스이미다졸리움계 가교형 음이온 교환막.
The method according to claim 1,
Characterized in that the main chain consists of at least one of poly (arylene sulfone), poly (arylene ketone), poly (imide), poly (amide) Zolium type crosslinked anion exchange membrane.
제1항에 있어서,
상기 곁사슬 고분자는 알킬 비스이미다졸인 것을 특징으로 하는, 코움 구조를 갖는 알킬 비스이미다졸리움계 가교형 음이온 교환막.
The method according to claim 1,
Wherein the side chain polymer is an alkylbisimidazole. 2. The alkylbisimidazolium-based crosslinking type anion exchange membrane according to claim 1, wherein the side chain polymer is an alkylbisimidazole.
제3항에 있어서,
상기 곁사슬 고분자의 알킬기는 탄소 개수가 4 내지 10인 것을 특징으로 하는, 코움 구조를 갖는 알킬 비스이미다졸리움계 가교형 음이온 교환막.
The method of claim 3,
The alkylbisimidazolium-based crosslinking type anion exchange membrane having a comb structure, wherein the alkyl group of the side chain polymer has 4 to 10 carbon atoms.
제4항에 있어서,
상기 주쇄는 폴리(아릴렌 술폰)으로 이루어지고, 상기 곁사슬 고분자는 탄소 개수 10개를 갖는 비스이미다졸로 이루어진 것을 특징으로 하는, 코움 구조를 갖는 알킬 비스이미다졸리움계 가교형 음이온 교환막.
5. The method of claim 4,
Wherein the main chain is composed of poly (arylene sulfone), and the side chain polymer is composed of bisimidazole having 10 carbon atoms.
제5항에 있어서,
상기 폴리(아릴렌 술폰)은 폴리(아릴렌 에테르 설폰)으로서 OH-말단 올리고머와 F-말단 올리고머를 중합하여 제조하는 것을 특징으로 하는, 코움 구조를 갖는 알킬 비스이미다졸리움계 가교형 음이온 교환막.
6. The method of claim 5,
Wherein the poly (arylene sulfone) is produced by polymerizing an OH-terminal oligomer and an F-terminal oligomer as poly (arylene ether sulfone), wherein the poly (arylene sulfone) is a poly (arylene ether sulfone).
제6항에 있어서,
상기 OH-말단 올리고머 및 F-말단 올리고머는 중합도가 12인 것을 특징으로 하는, 코움 구조를 갖는 알킬 비스이미다졸리움계 가교형 음이온 교환막.
The method according to claim 6,
Wherein the OH-terminal oligomer and the F-terminal oligomer have a degree of polymerization of 12, and the alkylbisimidazolium-based crosslinking type anion exchange membrane having a comb structure.
제1항에 있어서,
상기 음이온 교환막의 두께는 40~50㎛인 것을 특징으로 하는, 코움 구조를 갖는 알킬 비스이미다졸리움계 가교형 음이온 교환막.
The method according to claim 1,
Wherein the anion exchange membrane has a thickness of 40 to 50 占 퐉. The alkylbisimidazolium-based cross-linkable anion exchange membrane having a comb structure.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 음이온 교환막은, 하기 수학식 1에 의해 계산되는 이온 교환 용량(Ion Exchange Capacity, IEC)이 1.13~1.20meg/g이되,
(수학식 1)
IEC (meq/g) = (V 0NaOH C NaOH - V XNaOH C NaOH )/W dry
여기에서, V 0 NaOHV x NaOH 는 각각 적정 전과 적정에 소모된 NaOH의 부피이고, C NaOH는 옥살산 기준 용액에 의해 적정된 NaOH의 몰농도이며, W dry는 건조된 막의 무게인 것을 특징으로 하는, 코움 구조를 갖는 알킬 비스이미다졸리움계 가교형 음이온 교환막.
9. The method according to any one of claims 1 to 8,
The anion exchange membrane has an Ion Exchange Capacity (IEC) of 1.13 to 1.20 meg / g, which is calculated by the following Equation 1,
(1)
IEC (meq / g) = ( V 0 NaOH C NaOH - V X NaOH C NaOH ) / W dry
Where V 0 NaOH and V x NaOH are the volumes of NaOH consumed in the titration and titration respectively, C NaOH is the molar concentration of NaOH titrated with oxalic acid standard solution, and W dry is the weight of the dried membrane An alkylbisimidazolium-based cross-linkable anion exchange membrane having a comb structure.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 음이온 교환막은, 하기 수학식 2에 의해 계산되는 수산화 이온 전도도(σ)가 20℃에서 0.012 S/cm 이상이고, 80℃에서 0.060 S/cm 이상이되,
(수학식 2)
σ = l/RA
여기에서, l는 기준 전극 사이의 거리이고, A는 막 시료의 단면적이며, R은 저항인 것을 특징으로 하는, 코움 구조를 갖는 알킬 비스이미다졸리움계 가교형 음이온 교환막.
9. The method according to any one of claims 1 to 8,
The anion exchange membrane preferably has a hydroxide ion conductivity (sigma) of 0.012 S / cm or more at 20 占 폚 and not less than 0.060 S / cm at 80 占 폚,
(2)
σ = 1 / RA
Here, l is the distance between the reference electrodes, A is the cross-sectional area of the film sample, and R is a resistance. The alkylbisimidazolium-based crosslinking type anion exchange membrane having a comb structure.
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