KR101817301B1 - Cross-linked cationic conductive polymer and uses thereof - Google Patents

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Abstract

본원 발명은 폴리스티렌계 고분자와 폴리페닐렌옥사이드계 고분자 각각을 할로겐화하는 할로겐화 고분자 제조단계; 할로겐화 폴리스티렌계 고분자와 할로겐화 폴리페닐렌옥사이드계 고분자를 혼합한 후 전자끌게기를 갖는 가교제를 첨가하여 할로겐화 고분자의 할로겐 작용기 위치에서 할로겐화 고분자 사이에서 가교 반응에 의하여 가교형 고분자를 형성하는 가교형 고분자 제조단계; 및 상기 가교형 고분자를 양이온 교환성 작용기로 기능화 하는 양이온 교환성 작용기 부여단계를 포함하는 가교형 양이온 전도성 고분자의 제조방법, 이러한 방법으로 통하여 제조되는 역전기투석(reverse electrodialysis: RED) 장치용 양이온 교환막 및 이를 포함하는 역전기투석 장치에 대한 것이다. 본원 발명에 따른 가교형 양이온 교환막은 우수한 기계적 물성 및 내화학성을 가지고, 막의 제조 시 급격한 가교 반응을 억제하여 막의 형태 변화를 방지할 수 있을 뿐만 아니라 저가의 기재인 폴리스티렌계 수지와 엔지니어링 플라스틱인 폴리페닐렌옥사이드를 사용함으로서 가격 경쟁력에 있어서 종래의 소재에 비하여 우위를 차지하면서도 기존 상용 양이온 교환막에 비하여 우수한 성능을 가진다.The present invention relates to a process for preparing a halogenated polymer by halogenating a polystyrene-based polymer and a polyphenylene oxide-based polymer, respectively; A step of preparing a crosslinked polymer by mixing a halogenated polystyrene type polymer and a halogenated polyphenylene oxide type polymer and then adding a crosslinking agent having an electron withdrawing group to form a crosslinking type polymer by halogenation between the halogenated polymer at the halogen functional site of the halogenated polymer ; And a cation-exchangeable functional group-imparting step of functionalizing the crosslinking type polymer with a cation-exchangeable functional group, a cation exchange membrane for a reverse electrodialysis (RED) device manufactured through the method And a reverse electrodialyser including the same. The crosslinkable cation exchange membrane according to the present invention has excellent mechanical properties and chemical resistance and can inhibit the rapid crosslinking reaction during the production of the membrane to prevent the change of the membrane shape, By using phenol oxide, it has superiority in price competitiveness compared to conventional materials, but it has superior performance compared to conventional commercial cation exchange membranes.

Description

가교형 양이온 전도성 고분자 및 이의 용도{Cross-linked cationic conductive polymer and uses thereof}Cross-linked cationic conductive polymers and uses thereof < RTI ID = 0.0 >

본원 발명은 폴리스티렌계 고분자와 폴리페닐렌옥사이드계 고분자 각각을 할로겐화하는 할로겐화 고분자 제조단계; 할로겐화 폴리스티렌계 고분자와 할로겐화 폴리페닐렌옥사이드계 고분자를 혼합한 후 전자끌게기를 갖는 가교제를 첨가하여 할로겐화 고분자의 할로겐 작용기 위치에서 할로겐화 고분자 사이에서 가교 반응에 의하여 가교형 고분자를 형성하는 가교형 고분자 제조단계; 및 상기 가교형 고분자를 양이온 교환성 작용기로 기능화하는 양이온 교환성 작용기 부여단계를 포함하는 가교형 양이온 전도성 고분자의 제조방법, 이러한 방법으로 통하여 제조되는 역전기투석(reverse electrodialysis: RED) 장치용 양이온 교환막 및 이를 포함하는 역전기투석 장치에 대한 것이다.The present invention relates to a process for preparing a halogenated polymer by halogenating a polystyrene-based polymer and a polyphenylene oxide-based polymer, respectively; A step of preparing a crosslinked polymer by mixing a halogenated polystyrene type polymer and a halogenated polyphenylene oxide type polymer and then adding a crosslinking agent having an electron withdrawing group to form a crosslinking type polymer by halogenation between the halogenated polymer at the halogen functional site of the halogenated polymer ; And a cation-exchangeable functional group-imparting step of functionalizing the crosslinking type polymer with a cation-exchangeable functional group, a cation exchange membrane for a reverse electrodialysis (RED) device manufactured through the method And a reverse electrodialyser including the same.

전 세계적으로 지구 온난화에 의한 가뭄 현상 심화, 지하수 고갈, 사막화 진행과, 인구 증가, 산업화에 의한 생활·산업 용수 사용 증가로 인하여 물의 자원으로서의 가치가 증대되고 있어, 해수의 담수화나 생활·산업 폐수의 재활용화 등이 새로운 이슈로 등장하고 있다. 또한, 산업용 초순수의 제조에 대한 관심이 높아지고, 생활면에서는 먹고, 씻을 맑은 물의 수요가 증가함에 따라 고효율의 이온 제거장치의 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.Worldwide, the value of water resources is increasing due to the deepening of drought phenomena caused by global warming, depletion of groundwater, progress of desertification, population increase, increase of living and industrial water use by industrialization, and the desalination of seawater, And recycling are emerging as new issues. In addition, there is a growing interest in the production of ultra pure water for industrial use, and as the demand for clean water for eating and washing increases in living, studies on the development of highly efficient ion removal apparatus have been actively conducted.

현재 이온물질을 제거하는 기술은 주로 증발법, 역삼투막법 및 이온교환막법을 이용하고 있으며, 증발법과 역삼투막법은 높은 에너지 소비에 따른 운전비용 및 운전상의 문제점 등이 있고 가장 폭넓게 사용하는 이온교환막법은 재생할 때 산(Acid)이나 소금(NaCl)을 과량 사용하므로 2차 오염물질을 만드는 단점을 가지고 있다.Currently, ion removal technology is mainly used in evaporation, reverse osmosis, and ion exchange membrane. Evaporation and reverse osmosis membranes have high operating costs and operation problems due to high energy consumption. The most widely used ion exchange membranes It has disadvantages of making secondary pollutants because it uses excess acid or salt (NaCl) during regeneration.

이러한 부산물로의 과농축수는 역전기투석 공정에서의 좋은 원료로 사용이 가능하다. 역전기투석은 전기투석의 역방향으로의 운전을 통해 전기를 생산해내는 신재생에너지 시스템이다. 다시 말해서 양이온 교환막과 음이온 교환막이 교대로 놓여 격실을 만들고 각 격실에 교대로 염수와 농수를 흘리면 각각의 이온교환막을 통해 이온의 흐름이 생성되고 이를 통해 생성된 전류를 이용하는 시스템이다. 이의 핵심 소재인 이온교환막은 시스템의 성능을 결정하는 가장 중요한 소재이나 현재 사용되는 이온교환막의 경우 가격이 매우 비싸고 내구성이 이온선택도에 의한 성능이 만족스럽지 않아 이를 만족시킬 수 있는 새로운 소재 및 기술이 요구되고 있다.Concentrated water as such by-product can be used as a good raw material in the reverse electrodialysis process. Reverse electrodialysis is a renewable energy system that produces electricity through the reverse operation of electrodialysis. In other words, when the cation exchange membrane and the anion exchange membrane alternate with each other to create a compartment and alternately flow salt water and agricultural water to each compartment, ion flow is generated through each ion exchange membrane and the current generated through the ion exchange membrane is utilized. The ion exchange membrane, which is the core material of the ion exchange membrane, is the most important material that determines the performance of the system. However, since the ion exchange membrane used is very expensive and the durability is not satisfactory due to the ion selectivity, new materials and technologies Is required.

또한, 이온교환막을 이용한 전기투석은 전극과 전해질 용액을 통해 공급되는 직류전원에 의해 형성되는 전기장을 이용하여 물 속에 용해되어 있는 이온성 물질을 분리하는 공정이다. 여기에 사용되는 이온교환막은 전해질 용액에서 막 내부의 고정이온의 이온결합에 의한 대응이온의 선택 투과성을 나타낸다. 일반적으로 이온교환막은 높은 투과선택성, 낮은 전기저항, 우수한 기계적 강도, 높은 화학적 안정성 등이 요구된다.Electrodialysis using an ion exchange membrane is a process for separating ionic materials dissolved in water by using an electric field formed by a direct current power supplied through an electrode and an electrolyte solution. The ion exchange membrane used here indicates the selective permeability of the corresponding ions by the ionic bonding of the fixed ions in the membrane in the electrolyte solution. In general, ion exchange membranes are required to have high permeability selectivity, low electrical resistance, excellent mechanical strength, and high chemical stability.

기존 아민계 가교제를 사용하여 이온교환성 및/또는 이온전도성 가교 고분자를 제조하는 방법은 3차 아민을 가교제로서 사용하여 가교 반응과 함께 상기 3차 아민 가교제가 암모늄 이온으로 변환되어 이온교환성 작용기를 형성하는 방식을 사용한다. 그러나 이러한 경우 수분 함유(water uptake)나 전도도(conductivity) 등 이온교환막(ionexchange membrane)으로서의 기능성에 영향을 준다.A method for producing an ion exchangeable and / or ionically conductive crosslinked polymer by using an existing amine-based crosslinking agent is a method in which a tertiary amine is used as a crosslinking agent and the tertiary amine crosslinking agent is converted into an ammonium ion, . However, this affects the functionality of the ion exchange membrane, such as water uptake and conductivity.

이러한 가교형 이온교환 고분자에 대한 종래기술로 한국 공개특허공보 제10-2010-0076902호에 가교성 술폰화 폴리스티렌을 사용하여 친핵성 치환 화학 가교결합을 위한 아민 화합물을 사용하는 방법이 기재되어 있으나, 이는 내화학성 및 기계적 물성이 낮은 폴리스티렌를 이온교화막의 주 소재로 사용하는 단점을 극복하기 위하여 복합막의 형태로 구성하고, 상용화된 다공성 기저막의 외면 및 내면을 폴리스티렌으로 코팅 후 가교제로 가교결합을 형성하는 것으로 복잡한 제조공정은 상용화에 큰 장애가 될 수 있을 뿐만 아니라 제조되는 막은 다층구조로 가교결합 형성시 막의 복합막의 변형 또는 기저막과 가교결합 이온막의 층간 분리가 일어날 수 있는 부분은 큰 단점으로 인식된다.As a conventional technique for such a crosslinked ion-exchange polymer, Korean Patent Laid-Open No. 10-2010-0076902 discloses a method of using an amine compound for nucleophilic substitution chemical crosslinking by using crosslinked sulfonated polystyrene, In order to overcome the disadvantage of using the polystyrene having low chemical resistance and mechanical properties as a main material of the ion-exchange membrane, it is formed in the form of a composite membrane, and the outer and inner surfaces of the commercialized porous base membrane are coated with polystyrene and then cross- The complicated manufacturing process can be a major obstacle to commercialization, and a large disadvantage is recognized in that the film to be produced is a multi-layered structure, which may cause deformation of the composite membrane of the membrane or interlayer separation of the cross-linked ion membrane with the basement membrane.

한편, 현재 사용되는 수처리 및 에너지용 이온교환막은 크게 과불소계 소재와 탄화수소계를 기본으로하는 비불소계 소재로 나눌 수 있는데, 이 중 과불소계 소재는 제조 과정이 매우 복잡하고 가격이 비싸 연료전지 이외에 다량의 전해질막을 사용해야하는 분야에서는 사용이 어려움이 있는 실정이다. 반면에 비불소계 소재는 가격 경쟁력이 우수하여 제조 원가기준 막 의존도가 높은 신재생 에너지 및 수처리 분야에서 사용이 적합하나, 대부분 가교형 폴리스티렌계 소재로서 이를 대체하기 위한 다양한 구조의 양/음이온 교환소재가 개발되었으나 가교형 폴리스티렌계 소재에 비해 가격 경쟁력이 우수하지 못하거나 내구성이 우수하지 못하다는 단점으로 인해 상용화가 어려움이 있고, 내구성 향상을 위해 가교공정을 도입한다 하여도 공정이 복잡하여 원가 상승의 요인이 되고 있는 실정이다. 따라서 간단한 가교공정 및 폴리스티렌, 폴리페닐렌옥사이드 등의 저가 소재를 이용한 낮은 생산비용으로 고효율의 이온전도성 소재를 개발하는 것은 수처리 및 신재생에너지용 이온전도성 소재 개발을 위해 반드시 필요한 상황이다.On the other hand, currently used water treatment and energy ion exchange membranes can be roughly classified into perfluorocarbon materials and non-fluorocarbon materials based on hydrocarbons. Among them, perfluorocompounds are very complicated to manufacture and expensive, It is difficult to use the membrane in an area where an electrolyte membrane of the electrolyte membrane should be used. On the other hand, non-fluorine-based materials are suitable for use in renewable energy and water treatment fields, which are highly dependent on manufacturing cost, because of their excellent price competitiveness. However, most of them are crosslinked polystyrene-based materials. However, it is difficult to commercialize it because of the disadvantage that it is not superior in price competitiveness or inferior durability compared with crosslinked polystyrenic materials, and it is difficult to commercialize it. Even if a crosslinking process is introduced to improve durability, Is becoming a reality. Therefore, the development of ion conductive materials with high efficiency at low production costs using simple crosslinking processes and low cost materials such as polystyrene and polyphenylene oxide is indispensable for developing ion conductive materials for water treatment and renewable energy.

한국 공개특허공보 제10-2010-0076902호Korean Patent Publication No. 10-2010-0076902

본원 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위해 개발된 것으로, 우수한 기계적 물성 및 내화학성을 가지고, 막의 제조 시 급격한 가교 반응을 억제하여 막의 형태 변화를 방지할 수 있는 가교형 양이온 전도성 고분자의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been developed to solve the above problems and provides a process for producing a crosslinkable cationic conductive polymer having excellent mechanical properties and chemical resistance and capable of inhibiting a rapid crosslinking reaction in the production of a membrane to prevent a change in the shape of the membrane .

또한, 본원 발명에서는 이온교환성 작용기의 형성 없이 가교만을 할 수 있고, 막의 제조 시 급격한 가교 반응을 억제하여 막의 형태 변화를 방지할 수 있는 전자끌게기(electron withdrawing group)를 갖는 가교제로 가교된 가교형 양이온 전도성 고분자를 제공하고자 한다.The present invention also provides a crosslinking agent capable of crosslinking only without formation of an ion exchangeable functional group and having an electron withdrawing group capable of inhibiting a sudden crosslinking reaction in the production of a film to prevent a change in the shape of the film, Type cationic conductive polymer.

또한, 본원 발명에서는 전자끌게기를 갖는 가교제로 가교된 가교형 양이온 전도성 고분자를 이용하여 제조되는 역전기투석(reverse electrodialysis: RED), 전기투석(elelctrodialysis: ED) 또는 축전탈이온(capacitive deionization: CDI) 장치용 양이온 교환막과 이를 포함하는 역전기투석 장치를 제공하고자 한다.Also, in the present invention, reverse electrodialysis (RED), electrodialysis (ED), or capacitive deionization (CDI), which is manufactured using a cross-linkable cationic conductive polymer crosslinked with an electron withdrawing group, And a reverse electrodialyser including the cation exchange membrane.

본원 발명에서는 상기 과제를 해결하기 위하여 폴리페닐렌옥사이드계 고분자 각각을 할로겐화하는 할로겐화 고분자 제조단계; 할로겐화 폴리스티렌계 고분자와 할로겐화 폴리페닐렌옥사이드계 고분자를 혼합한 후 하기 화학식 1로 표시되는 가교제를 첨가하여 할로겐화 고분자의 할로겐 작용기 위치에서 할로겐화 고분자 사이에서 가교 반응에 의하여 가교형 고분자를 형성하는 가교형 고분자 제조단계; 및상기 가교형 고분자를 양이온 교환성 작용기로 기능화 하는 양이온 교환성 작용기 부여단계를 포함하는 가교형 양이온 전도성 고분자의 제조방법을 제공한다.In order to solve the above-described problems, the present invention provides a method for preparing a halogenated polymer, comprising the steps of: halogenating a polyphenylene oxide polymer; A cross-linking agent represented by the following Chemical Formula 1 is added after mixing a halogenated polystyrene-based polymer and a halogenated polyphenylene oxide-based polymer to form a crosslinked polymer by a cross-linking reaction between the halogenated polymer at the halogen functional site of the halogenated polymer Manufacturing steps; And a cation-exchangeable functional group-imparting step of functionalizing the cross-linkable polymer with a cation-exchangeable functional group.

<화학식 1>&Lt; Formula 1 >

Figure 112016058598264-pat00001
Figure 112016058598264-pat00001

상기 화학식 1에서,In Formula 1,

A는 단일결합, -(C=O)-, -(P=O)-, -(SO2)-, -CF2- 또는 -(C(CF3)2)- 이고, R1 내지 R8로 표현되는 치환체는 각각 독립적으로 수소원자, 할로겐원자, 알킬기, 할로겐으로 치환된 알킬기, 알릴기, 시안기, 아릴기, 니트로기, 퍼플루오로알킬기, 선택적으로 그 쇄에 하나 이상의 산소, 질소 또는 황 원자를 포함하는 퍼플루오로알킬아릴기, 퍼플루오로아릴기 또는 -O-퍼플루오로아릴기이며, 또한 본 치환체는 각 반복 단위 내에 또는 반복 단위당 동일한 방식 또는 상이한 방식으로 구성될 수 있고, 반복단위의 수인 a와 b는 각각 독립적으로 0 이거나 1이상 100이하의 정수이며, D와 D'은 각각 독립적으로 NH2, 또는 -NHR이고 여기서 R은 C1 내지 C12 알킬기이다.A is a single bond, - (C = O) - , - (P = O) -, - (SO 2) -, -CF 2 - or - (C (CF 3) 2 ) - and, R 1 to R 8 Each independently represent a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, an alkyl group substituted with a halogen, an allyl group, a cyano group, an aryl group, a nitro group, a perfluoroalkyl group, A perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl group, a perfluoroaryl group or a perfluoroaryl group containing a sulfur atom, the number of the repeating units a and b are each independently 0 or an integer of 1 to 100, and D and D 'is NH 2, or -NHR where R is each independently a C 1 to C 12 alkyl group.

본원 발명의 일 구현예에 따른 가교형 양이온 전도성 고분자의 제조방법에 있어서, 상기 할로겐화 폴리스티렌계 고분자는 하기 화학식 2로 표시되는 것일 수 있다.In the method for producing a crosslinkable cationic electroconductive polymer according to an embodiment of the present invention, the halogenated polystyrene-based polymer may be represented by the following formula (2).

<화학식 2>(2)

Figure 112016058598264-pat00002
Figure 112016058598264-pat00002

상기 화학식 2에서, z는 0 또는 1이상 20이하의 정수이고, X1은 염소(Cl), 브롬(Br) 또는 요오드(I) 중 하나인 할로겐 원자이며, x/(x+y)은 0.01이상 1이하이다.Z is 0 or an integer of 1 or more and 20 or less, X 1 is a halogen atom which is one of chlorine (Cl), bromine (Br) or iodine (I), x / Or more.

상기 화학식 2의 고분자는 상용 폴리스티렌의 할로겐화알킬화반응을 통해서 제조되고, 원료 폴리스티렌은 1000이상 1,000,000이하의 분자량을 가지며, 더 바람직하게는 1000이상 100,000이하의 분자량을 갖는 고분자를 사용하여 제조될 수 있다. The polymer of Formula 2 is prepared by halogenated alkylation of commercial polystyrene, and the raw material polystyrene has a molecular weight of 1000 to 1,000,000, more preferably 1000 to 100,000.

본원 발명의 일 구현예에 따른 가교형 양이온 전도성 고분자의 제조방법에 있어서, 상기 할로겐화 폴리페닐렌옥사이드계 고분자는 하기 화학식 3으로 표시될 수 있다In the process for preparing a crosslinkable cationic electroconductive polymer according to an embodiment of the present invention, the halogenated polyphenylene oxide-based polymer may be represented by the following Chemical Formula 3

<화학식 3>(3)

Figure 112016058598264-pat00003
Figure 112016058598264-pat00003

상기 화학식 3에서, X2는 염소(Cl), 브롬(Br) 또는 요오드(I) 중 하나인 할로겐 원자이고, a/(a+b)은 0.01이상 1이하이다.X 2 is a halogen atom which is one of chlorine (Cl), bromine (Br) or iodine (I), and a / (a + b) is 0.01 or more and 1 or less.

상기 화학식 3의 고분자는 상용 폴리페닐렌옥사이드의 할로겐화반응을 통해서 제조되고, 원료 폴리페닐렌옥사이드는 1000이상 1,000,000이하의 분자량을 갖으며, 더 바람직하게는 1000이상 100,000이하의 분자량을 갖는 고분자를 사용하여 제조될 수 있다.The polymer of Formula 3 is prepared by halogenation of a polyphenylene oxide. The raw material polyphenylene oxide has a molecular weight of 1,000 to 1,000,000, more preferably 1,000 to 100,000. .

또한, 본원 발명에서는 상기 화학식 2와 화학식 3의 고분자가 화학식 1의 가교제를 이용하여 가교된 가교형 고분자를 제공하고 이러한 가교형 고분자는 하기의 화학시 4로 표시될 수 있다.In the present invention, the polymer of Formula 2 and Formula 3 is crosslinked using the crosslinking agent of Formula 1, and the crosslinked polymer may be represented by Chemical Formula 4 below.

<화학식 4>&Lt; Formula 4 >

Figure 112016058598264-pat00004
Figure 112016058598264-pat00004

상기 화학식 4에서,In Formula 4,

A는 단일결합, -(C=O)-, -(P=O)-, -(SO2)-, -CF2- 또는 -(C(CF3)2)- 이고, R1 내지 R8로 표현되는 치환체는 각각 독립적으로 수소원자, 할로겐원자, 알킬기, 할로겐으로 치환된 알킬기, 알릴기, 시안기, 아릴기, 니트로기, 퍼플루오로알킬기, 선택적으로 그 쇄에 하나 이상의 산소, 질소 또는 황 원자를 포함하는 퍼플루오로알킬아릴기, 퍼플루오로아릴기 또는 -O-퍼플루오로아릴기이며, 반복단위의 수인 a와 b는 각각 독립적으로 0 이거나 1이상 100이하의 정수이며, D''와 D'''은 각각 독립적으로 NH-, 또는 -NR-이고 여기서 R은 C1 내지 C12 알킬기이고, x/(x+y)은 0.01이상 1이하이며, r/(r+s)은 0.01이상 1이하이다.A is a single bond, - (C = O) - , - (P = O) -, - (SO 2) -, -CF 2 - or - (C (CF 3) 2 ) - and, R 1 to R 8 Each independently represent a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, an alkyl group substituted with a halogen, an allyl group, a cyano group, an aryl group, a nitro group, a perfluoroalkyl group, A perfluoroaryl group or a -O-perfluoroaryl group, and a and b, which are the numbers of repeating units, are independently 0 or an integer of 1 or more and 100 or less, and D '' and D '''are each independently selected from NH-, or -NR- where R is a C 1 to C 12 alkyl group, x / (x + y) is less than 0.01 1, r / (r + s ) Is not less than 0.01 and not more than 1.

본원 발명의 일 구현예에 따른 가교형 양이온 전도성 고분자의 제조방법에 있어서, 상기 양이온 교환성 작용기 부여단계는 상기 가교형 고분자를 술폰산기, 인산기, 아세트산기를 포함하는 화합물과 반응을 통하여 양이온 교환 작용기, 또는 이들의 염 상태의 양이온 교환 작용기를 부여하는 것 일 수 있다.In the method for producing a crosslinkable cationic electroconductive polymer according to an embodiment of the present invention, the cation-exchangeable functional group-imparting step may include a step of reacting the crosslinkable polymer with a compound containing a sulfonic acid group, a phosphoric acid group and an acetic acid group, Or cationic exchange functional groups in their salt state.

본원 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 화학식 4의 가교형 고분자는 양이온 교환성 작용기 부여단계를 통하여 하기 화학식 5로 표시되는 가교형 양이온 전도성 고분자로 제조될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the crosslinking polymer of Formula 4 may be prepared from a crosslinking type cationic conductive polymer represented by Formula 5 through the step of imparting a cation-exchangeable functional group.

<화학식 5>&Lt; Formula 5 >

Figure 112016058598264-pat00005
Figure 112016058598264-pat00005

상기 화학식 5에서,In Formula 5,

A는 단일결합, -(C=O)-, -(P=O)-, -(SO2)-, -CF2- 또는 -(C(CF3)2)- 이고, R1 내지 R8로 표현되는 치환체는 각각 독립적으로 수소원자, 할로겐원자, 알킬기, 할로겐으로 치환된 알킬기, 알릴기, 시안기, 아릴기, 니트로기, 퍼플루오로알킬기, 선택적으로 그 쇄에 하나 이상의 산소, 질소 또는 황 원자를 포함하는 퍼플루오로알킬아릴기, 퍼플루오로아릴기 또는 -O-퍼플루오로아릴기이며, 반복단위의 수인 a와 b는 각각 독립적으로 0 이거나 1이상 100이하의 정수이며, D''와 D'''은 각각 독립적으로 NH-, 또는 -NR-이고 여기서 R은 C1 내지 C12 알킬기이고, y'와 y''는 0.001≤y'/(y'+y'')≤0.9의 범위를 갖고, (y'+y'')/(x+y'+y'')은 0.01이상 1이하이며, s'과 s''는 0.001≤s'/(s'+s'')≤0.9의 범위를 갖고, (s'+s'')/(r+s'+s'')은 0.01이상 1이하이며, z는 0 또는 1이상 20이하의 정수이고, E는 이온교환작용기로서 술폰산기, 인산기, 아세트산기를 포함하는 화합물과 반응을 통한 양이온 교환 작용기, 또는 이들의 염 상태의 양이온 교환 작용기이다.A is a single bond, - (C = O) - , - (P = O) -, - (SO 2) -, -CF 2 - or - (C (CF 3) 2 ) - and, R 1 to R 8 Each independently represent a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, an alkyl group substituted with a halogen, an allyl group, a cyano group, an aryl group, a nitro group, a perfluoroalkyl group, A perfluoroaryl group or a -O-perfluoroaryl group, and a and b, which are the numbers of repeating units, are independently 0 or an integer of 1 or more and 100 or less, and D 'And D''' are each independently NH- or -NR-, wherein R is a C 1 to C 12 alkyl group, y 'and y "are in the range of 0.001? Y' / (y '+ y' (S '+ s') is in the range of 0.01 to 1, and s' and s "are in the range of 0.001 s' / (s' + s (S '+ s'') / (r + s' + s '') is 0.01 or more and 1 or less, z is 0 or an integer of 1 or more and 20 or less, E is Ion exchange function A cation exchange functional group through reaction with a compound containing a sulfonic acid group, a phosphoric acid group or an acetic acid group, or a cation exchange functional group in the salt state thereof.

본원 발명의 일 구현예에 따른 원하는 양이온 교환 작용기의 형태에 따른 구체적인 예로서 술폰산, 인산, 트리플루오로 아세트산 등이 있고 상기 이온 교환 작용기 중 하나 혹은 그 이상이 선택될 수 있다. Specific examples of the desired cation exchange functional groups according to one embodiment of the present invention include sulfonic acid, phosphoric acid, trifluoroacetic acid and the like, and one or more of the ion exchange functional groups may be selected.

또한, 본원 발명의 일 구현예에 따른 상기 막은 역전기투석(reverse electrodialysis: RED), 전기투석(elelctrodialysis: ED) 또는 축전식 탈이온(capacitive deionization: CDI) 장치용 양이온 교환막일 수 있다.In addition, the membrane according to one embodiment of the present invention may be a cation exchange membrane for reverse electrodialysis (RED), electrodialysis (ED) or capacitive deionization (CDI) devices.

역전기투석(Reverse Electrodialysis)은 PRO (pressure-retarded osmosis)처럼 해수와 담수의 염도 차이를 이용하여 전력을 발생시키는 블루에너지(blue energy) 기술로서, 전기를 공급하여 전해질 농도 차를 발생시키는 일반적인 전기투석 공정과는 반대로 전기투석을 이용하여 담수화의 역과정을 거치면서 에너지를 얻는 기술이고, 전기투석(electrodialysis)은 전극과 전해질 용액을 통해 공급되는 직류전원에 의해 형성되는 전기장을 이용하여 이온성 물질을 분리하는 이온교환막 공정이며, 축전식 탈이온(capacitive deionization, CDI)은 정전기적 인력에 의해 이온들이 하전된 전극 표면에 흡착되는 원리를 이용하여 전극 표면에 흡착된 이온들은 두 전극을 단락(short)시키거나 역 전위를 인가함으로써 탈착하는 기술을 의미한다.Reverse Electrodialysis is a blue energy technology that generates power using the difference in salinity between seawater and fresh water, such as PRO (pressure-retarded osmosis). It is a general energy that generates electricity by supplying electricity. In contrast to the dialysis process, electrodialysis is a technique for obtaining energy while reversing the process of desalination using electrodialysis. Electrodialysis is an electrodialysis technique using an electric field formed by a direct current power supplied through an electrode and an electrolyte solution, And the capacitive deionization (CDI) is adsorbed on the surface of the charged electrode by electrostatic attraction, ions adsorbed on the surface of the electrode short-circuit the two electrodes ) Or by application of a reverse potential.

또한, 본원 발명의 일 구현예에 따르면 상기 양이온 교환막은 가교형 양이온 전도성 고분자가 직접적으로 막의 형태로 성형되거나 상기 양이온 전도성 고분자가 지지체에 함침되어 막의 형태로 성형될 수 있다. 이때 바람직하게 상기 지지체는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF) 등의 불소함유 수지 또는 폴리올레핀계 수지로 이루어진 다공막, 부직포 또는 메쉬 중 어느 하나일 수 있다.In addition, according to one embodiment of the present invention, the cation exchange membrane may be formed directly in the form of a membrane, or the cation-conductive polymer may be impregnated into a support to form a membrane. At this time, the support may be any one of a porous film made of a fluorine-containing resin such as polytetrafluoroethylene (PTFE) and polyvinylidene fluoride (PVDF), a porous film made of a polyolefin resin, a nonwoven fabric or a mesh.

또한, 본원 발명의 일 구현예에 따른 상기 막을 이용하여, 애노드(anode); 캐소드(cathode); 및 담수가 흐르는 유로가 형성되도록 상기 애노드 및 상기 캐소드 사이에 이격되어 배치되는 하나 이상의 단위셀(single cell)을 포함하며, 상기 단위셀은 해수가 흐르는 유로가 형성되도록 이격되어 배치된 음이온 교환막 및 상기 가교형 양이온 전도성 고분자를 포함하는 양이온 교환막을 포함하는 역전기투석 장치를 제조할 수 있다.Also, using the membrane according to one embodiment of the present invention, an anode; A cathode; And at least one unit cell spaced apart from the anode and the cathode so as to form a flow path for the fresh water, wherein the unit cell includes an anion exchange membrane spaced apart from the anode to form a flow path through which seawater flows, A reversed electrodialyser comprising a cation exchange membrane comprising a crosslinkable cationic conductive polymer can be produced.

이상에서 설명한 바와 같이 본원 발명에 따른 가교형 양이온 교환막은 우수한 기계적 물성 및 내화학성을 가지고, 막의 제조 시 급격한 가교 반응을 억제하여 막의 형태 변화를 방지할 수 있는 장점이 있다.As described above, the cross-linked cation exchange membrane according to the present invention has excellent mechanical properties and chemical resistance, and has an advantage of preventing a change in shape of the membrane by suppressing a rapid cross-linking reaction during the production of the membrane.

또한, 본원 발명은 저가의 가교프로세스를 사용하고 있을 뿐만 아니라 저가의 기재인 폴리스티렌계 수지와 엔지니어링 플라스틱인 폴리페닐렌옥사이드를 사용함으로서 종래의 소재에 비하여 가격 경쟁력의 측면에서 우위를 차지할 수 있는 장점이 있다.In addition, since the present invention uses not only a low-cost crosslinking process but also a polystyrene-based resin as a low-cost base material and polyphenylene oxide as an engineering plastic, it is advantageous in terms of cost competitiveness compared to conventional materials have.

또한, 본원 발명은 후 기능화 공정을 통해서 이온교환이 가능하여 고분자를 함침한 강화막의 제조 또한 용이한 장점이 있다.In addition, the present invention is advantageous in that it is easy to manufacture a reinforced membrane impregnated with a polymer by ion exchange through a post-functionalization process.

또한, 본원 발명은 서로 다른 물성을 갖는 고분자의 공중합체를 이용하므로 물성의 조절이 용이하다. 보다 구체적으로는 저가형 가교고분자 이온전도체의 경우 스티렌 모노머와 가교제인 디비닐벤젠을 이용하여 가교한 후 이온교환기를 도입하는 방법으로서 제조한 막이 매우 잘 부서지나 본원 발명에서는 유연한 주쇄구조를 갖는 폴리페닐렌옥사이드의 비율 조절을 통해 물성 및 막저항의 효율적인 조절이 가능하고 공지의 다이비닐벤젠과 다르게 가교제 간의 화학반응이 일어나지 않기 때문에 가교제를 더 효율적으로 사용할 수 있으며 가교도의 예측도 가능한 장점이 있다.Further, since the present invention uses a copolymer of a polymer having different physical properties, it is easy to control the physical properties. More specifically, in the case of a low-priced crosslinked polymer ion conductor, a membrane produced by crosslinking using a styrene monomer and divinylbenzene as a crosslinking agent and introducing an ion exchanger is very well broken down. In the present invention, however, a polyphenylene Since the physical properties and the membrane resistance can be controlled effectively by adjusting the ratio of the oxides and the chemical reaction between the crosslinking agent and the known crosslinking agent does not occur unlike known divinylbenzene, the crosslinking agent can be used more efficiently and the degree of crosslinking can be predicted.

또한, 본원 발명에 따른 가교공정은 수 분 이내에 가교가 일어나거나 수십 시간 이상의 오랜 가교시간을 요하지 않고 전해질막의 건조 조건하에서 약 2시간의 가교 지연시간을 갖기 때문에 막의 제조를 위한 프로세스 적용에 매우 유리하다.In addition, the crosslinking process according to the present invention is very advantageous for the process application for the production of a membrane because crosslinking takes place within a few minutes or does not require a long crosslinking time of several tens of hours, and has a crosslinking delay time of about 2 hours under the drying condition of the electrolyte membrane .

또한, 본원 발명에 따른 전자끌게기를 갖는 가교제로 가교된 가교형 양이온 전도성 고분자를 이용하여 제조되는 역전기투석(reverse electrodialysis: RED), 전기투석(elelctrodialysis: ED) 또는 축전탈이온(capacitive deionization: CDI) 장치용 음이온 교환막은 기존 상용 양이온 교환막에 비하여 우수한 성능을 가진다.In addition, reverse electrodialysis (RED), electrodialysis (ED), or capacitive deionization (CDI) using a crosslinking type cationic conductive polymer crosslinked with a crosslinking agent having an electron withdrawing group according to the present invention, ) Device has superior performance to conventional commercial cation exchange membranes.

도 1은 본원 발명의 일 구현예에 따른 폴리스티렌의 할로겐화 결과를 나타낸 1H-NMR 결과이다.
도 2는 본원 발명의 일 구현예에 따른 폴리페닐렌옥사이드의 할로겐화 결과를 나타낸 1H-NMR 결과이다.
도 3는 본원 발명의 일 구현예에 따른 폴리페닐렌옥사이드/폴리스티렌 가교 양이온 교환막의 품위를 나타낸 것이다.
도 4는 본원 발명의 일 구현예에 따른 이온교환막의 역전기투석의 효과를 나타낸 것이다.
1 is a 1 H-NMR result showing the halogenation results of polystyrene according to one embodiment of the present invention.
FIG. 2 shows 1 H-NMR results showing the halogenation results of polyphenylene oxide according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3 shows the quality of a polyphenylene oxide / polystyrene crosslinked cation exchange membrane according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 illustrates the effect of reverse electrodialysis of an ion exchange membrane according to an embodiment of the present invention.

이하, 본원 발명에 대해 상세하게 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본원 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail. The terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms and the inventor may appropriately define the concept of the term in order to best describe its invention It should be construed as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.

본 명세서의 전반에 걸쳐 사용되는 용어인 "할로겐화 정도(degree of halogenation)"는 할로겐화 또는 할로겐화알킬화 반응을 통해 전체 고분자 내에 생성된 할로겐 작용기의 수를 전체 반복단위의 수로 나눈 값이다. 즉, 반복단위당 할로겐 작용기의 수를 의미할 수 있다. 이와 유사하게, 예컨대 "브롬화 정도(degree of bromination)"는 브롬화 반응을 통해 전체 고분자 내에 생성된 브롬 작용기의 수를 전체 반복단위의 수로 나눈 값이라 할 수 있고, "클로로메틸화도(degree of chloromethylation)"는 클로로메틸화 반응을 통해 전체 고분자 내에 생성된 염소 작용기의 수를 전체 반복단위의 수로 나눈 값이라 할 수 있다.The term " degree of halogenation " as used throughout this specification is the number of halogen functional groups produced in the whole polymer by halogenated or halogenated alkylation divided by the total number of repeating units. That is, the number of halogen functional groups per repeating unit. Similarly, for example, "degree of bromination" is a value obtained by dividing the number of bromine functional groups produced in the entire polymer by the number of all repeating units through the bromination reaction, and "degree of chloromethylation " "Is a value obtained by dividing the number of chlorine functional groups produced in the whole polymer by the number of all repeating units through chloromethylation reaction.

본원 발명에서 할로겐화 고분자의 할로겐화 정도는 1 내지 150%(0.01 내지1.5), 예컨대 10 내지 120%(0.1 내지 1.2), 10 내지 30%(0.1 내지 0.3), 30 내지 50%(0.3 내지 0.5), 80 내지 100%(0.8 내지 1) 등 다양하게 변경될 수 있다.In the present invention, the degree of halogenation of the halogenated polymer is 1 to 150% (0.01 to 1.5), such as 10 to 120% (0.1 to 1.2), 10 to 30% (0.1 to 0.3), 30 to 50% (0.3 to 0.5) 80 to 100% (0.8 to 1), and the like.

본원 발명에서 할로겐화 고분자는 시판되는 것을 입수하여 사용하거나 또는 할로겐화되어 있지 않은 고분자를 직접 할로겐화하여 사용할 수 있다. 또한, 본 발명에서 할로겐화 고분자는 단량체를 입수하여 직접 중합하고 할로겐화하여 원하는 고분자로 제조하여 사용할 수도 있다In the present invention, the halogenated polymer can be used by obtaining a commercially available one, or by directly halogenating the non-halogenated polymer. Also, in the present invention, the halogenated polymer may be prepared by directly obtaining a monomer, polymerizing it directly, and halogenating it to prepare a desired polymer

상기 할로겐화 조건에서 반응 온도, 반응 시간, 교반 조건 및 사용되는 할로겐 원소 등은 구체적으로는 제한되지 않으나, 생성 이온교환막의 크기, 성능 특성, 품질 및 기타 성질에 따라 적절히 선택될 수 있다. 할로겐 원자는 구체적으로 제한되지 않으나, 특히 불소, 염소, 브롬 및 요오드를 포함한다.The reaction temperature, the reaction time, the stirring conditions, and the halogen element used in the halogenation are not particularly limited, but may be appropriately selected depending on the size, performance characteristics, quality and other properties of the resultant ion exchange membrane. The halogen atom is not particularly limited, but includes fluorine, chlorine, bromine and iodine in particular.

상기 할로겐화 반응 온도는 예컨대, 바람직하게는 0 내지 300 ℃, 더욱 바람직하게는 20 내지 200 ℃ 의 범위 내에서 선택된다. 할로겐화 반응 시간은 다른 조건에 따라 적절히 선택될 수 있고, 바람직하게는 1 내지 10 시간이다. 할로겐화시 교반 조건에 있어서, 통상의 할로겐화 반응에서의 교반 속도가 사용될 수 있다. 사용되는 반응 개시제는 수용성 또는 지용성일 수 있고, 통상의 반응에 있어서 그것의 과산화물 또는 아조계 개시제가 사용될 수 있다. 첨가제에 있어서, 종래의 안정화제 및 다른 것들이 사용될 수 있다. 다른 반응 조건은 구체적으로 제한되지 않는다.The halogenation reaction temperature is selected, for example, preferably in the range of 0 to 300 占 폚, more preferably in the range of 20 to 200 占 폚. The halogenation reaction time can be appropriately selected depending on other conditions, and is preferably 1 to 10 hours. Under stirring conditions at the time of halogenation, a stirring speed in a usual halogenation reaction may be used. The reaction initiator used may be water-soluble or lipophilic, and its peroxide or azo-based initiator may be used in a conventional reaction. For additives, conventional stabilizers and others may be used. Other reaction conditions are not specifically limited.

이하, 본원 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 화학식과 반응식과 같이 본원이 속하는 기술 분야에서 일반적인 지식을 가진 자가 쉽게 실시할 수 있도록 본원의 구현 예 및 실시 예를 상세히 설명한다. 특히 이것에 의해 본원 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한을 받지 않는다. 또한, 본원 발명의 내용은 여러 가지 다른 형태의 장비로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 구현 예 및 실시 예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments and embodiments of the present invention will be described in detail in order to facilitate those skilled in the art to which the present invention belongs. In particular, the technical idea of the present invention and its core structure and action are not limited by this. In addition, the content of the present invention can be implemented by various other types of equipment, and is not limited to the embodiments and examples described herein.

<가교제의 선정><Selection of crosslinking agent>

가교제로서 지방족과 방향족 아민 화합물의 가교 속도를 비교하기 위해, 하기 표 1에 나 타낸 8종의 아민 화합물을 테스트하였다.In order to compare the crosslinking rates of aliphatic and aromatic amine compounds as crosslinking agents, the eight amine compounds shown in Table 1 were tested.

먼저, 할로겐화 고분자로서 30% 브롬화한 폴리페닐렌옥사이드(poly(2,6-dimethyl-1,4-phenyleneoxide)) 1g를 디메틸아세트아미드(dimethylacetamide) 10ml에 녹인 용액에 각각의 중량퍼센트에 맞게 아민 화합물을 첨가한 다음 25℃에서 교반하며 겔 화되기까지의 시간(gelation time)을 측정하였다. 8종의 아민 화합물을 사용한 경우 모두 겔 화 하였다. 각각의 겔화 시간은 하기 표 1에 나타내었다.First, a solution of 1 g of poly (2,6-dimethyl-1,4-phenyleneoxide), 30% brominated as a halogenated polymer, in 10 ml of dimethylacetamide was added to an amine compound And then the gelation time was measured by stirring at 25 캜. When 8 kinds of amine compounds were used, all were gelled. The gelation time of each sample is shown in Table 1 below.

가교제Cross-linking agent 중량%weight% 가교제의 몰량(mmol)The molar amount of the crosslinking agent (mmol) 가교제의 중량(g)Weight of crosslinking agent (g) 가교제의 부피량(ml)Volume (ml) of crosslinking agent 젤화 시간(sec)Gelation time (sec) 1,3-diaminopropane1,3-diaminopropane

35


35
7.3647.364

0.5458


0.5458
0.61460.6146 1919
1,4-diaminobutane1,4-diaminobutane 6.1926.192 0.62230.6223 2121 1,7-diaminoheptane1,7-diaminoheptane 4.1914.191

-


-
1818
1,8-diaminooctane1,8-diaminooctane 3.7833.783 3232 2,6-diaminopyridine2,6-diaminopyridine 5.0015.001 -- 2,6-diaminotoluene2,6-diaminotoluene 4.4674.467 3030 1,3-cyclohexanediamine1,3-cyclohexanediamine 4.7804.780 2525 4,4'-diaminobenzophenone4,4'-diaminobenzophenone 2.5712.571 83408340

상기 표 1을 통해, 디아미노벤조페논(4,4'-diaminobenzophenone) 이 가장 긴 겔 화 시간을 나타내는 것을 알 수 있다. 이를 통해, 지방족 아민 화합물에 비해 방향족 아민 화합물이 약간 더 긴 겔 화 시간을 가지며, 특히 디아미노벤조페논과 같이 방향족기 사이에 전자끌게기인 C=O를 갖는 아민 화합물이 현저하게 긴 겔 화 시간을 갖는 것을 확인하였다. 한편, 디아미노피리딘(2,6-diaminopyridine)의 경우 테스트한 디메틸아세트아미드(dimethylacetamide) 용매에 녹지 않아 다른 아민 화합물과 겔 화 시간을 비교할 수 없었다.From Table 1 above, it can be seen that 4,4'-diaminobenzophenone exhibits the longest gelation time. This shows that aromatic amine compounds have a slightly longer gelation time than aliphatic amine compounds and amine compounds having an electron withdrawing group C = O between aromatic groups, such as diaminobenzophenone, have a significantly longer gel time . On the other hand, in the case of 2,6-diaminopyridine, the gelation time could not be compared with other amine compounds because it was not soluble in the tested dimethylacetamide solvent.

상기 가교실험에서 가장 긴 겔 화 시간을 보인 디아미노벤조페논과 상용 아민 가교제의 가교 속도를 비교하기 위해, 하기 표 2에 나타낸 상용 아민 가교제 4종(국도 화학사, 대한민국)과 디아미노벤조페논의 가교 속도를 테스트하였다.In order to compare the crosslinking speeds of the diaminobenzophenone having the longest gelation time with the commercial amine crosslinking agent in the crosslinking experiment, four commercial amine crosslinking agents (Kukdo Chemical Co., Ltd.) shown in the following Table 2 and a diaminobenzophenone crosslinking agent The speed was tested.

가교 속도 테스트는 상기 가교실험과 동일하게 수행하였으며, 다만 디아미노벤조페논을 사용하는 경우에는 디아미노벤조페논을 첨가한 후 40℃에서 30분, 60 ℃에서 30분, 그 이후 80 ℃를 유지하는 승온 조건에서 겔 화 시간을 측정하였다. 즉, 상용 아민 가교제는 가교실험과 동일하게 상온에서 가교테스트를 수행하고, 디아미노벤조페논은 가교가 더욱 빨라지는 승온 조건에서 가교 테스트를 수행하였다.The crosslinking speed test was carried out in the same manner as in the crosslinking test described above. When diaminobenzophenone was used, diaminobenzophenone was added, and the mixture was kept at 40 캜 for 30 minutes, at 60 캜 for 30 minutes and then at 80 캜 The gelation time was measured at the temperature elevation condition. That is, the cross-linking test was carried out at room temperature in the same manner as the cross-linking test for the commercial amine cross-linking agent, and the cross-linking test was carried out under the temperature increasing condition at which the cross-linking is further accelerated for the diaminobenzophenone.

4종의 가교제에 대해 모두 겔 화 하였고 각각의 겔 화 시간은 하기 표 2에 기재하였다.All four crosslinking agents were gelated and the respective gelation times are listed in Table 2 below.

분류Classification 가교제 명Cross-linker name 중량(%)weight(%) 가교제의 중량(g)Weight of crosslinking agent (g) 젤화 속도(sec)Gelation rate (sec) 방향족Aromatic MDA-220MDA-220
35

35

0.5458

0.5458
911911
변성방향족Modified aromatic TH-452NTH-452N 16601660 변성지방족Metamorphic aliphatic KH-816KH-816 7373 KH-818BKH-818B 3737 방향족Aromatic 4,4'-diaminobenzophenone4,4'-diaminobenzophenone 834834 5520*(승온)5520 * (temperature rise)

상기 가교실험에서 지방족 아민 화합물보다 방향족 아민 화합물이 더욱 긴 겔 화 시간을 갖는 것과 같이, 상기 표 2에서도 방향족 아민 화합물이 겔 화되는 시간이 더 길었지만 사실상 동류의 방향족 아민 화합물이더라도 방향족 기 사이에 전자끌게 기를 갖는 디아미노벤조페논의 경우에 현저하게 긴 겔 화 시간Although the aromatic amine compound has a longer gelation time than the aliphatic amine compound in the above crosslinking experiment, the aromatic amine compound in Table 2 has a longer gelation time than the aliphatic amine compound in the above Table 2. However, even in the case of the aromatic amine compound of the same type, In the case of diaminobenzophenone having a group, the remarkably long gelation time

을 나타내었다. 더욱이, 디아미노벤조페논의 경우에는 가교 속도가 더욱 빨라지는 승온 조건에서도 기존 상용 아민 가교제에 비해 현저하게 긴 겔 화 시간을 보였다. 이에 지연 시간(retention time)이 가장 길어 제막 시 가교 반응을 오래 일으킬 수 있는 가교제로서 디아미노벤조페논(4,4-diaminobenzophenone)을 선택하였다.Respectively. In addition, diaminobenzophenone exhibited significantly longer gelation times than conventional amine crosslinking agents even at elevated temperatures, where the crosslinking rate is faster. As a result, 4,4-diaminobenzophenone was selected as a crosslinking agent capable of prolonging the crosslinking reaction at the time of formation because of the longest retention time.

<양이온 교환기를 갖는 고분자의 제조>&Lt; Preparation of Polymer Having Cation Exchanger >

(1) 폴리스티렌의 할로겐화(1) Halogenation of polystyrene

하기의 반응식 1에 따라 폴리스티렌의 할로겐화를 실시하였다. Halogenation of polystyrene was carried out according to Reaction Scheme 1 below.

<반응식 1><Reaction Scheme 1>

Figure 112016058598264-pat00006
Figure 112016058598264-pat00006

구체적인 반응조건은 다음과 같다. 폴리스티렌 10.29g (0.0988mol)을 알곤 가스라인과 연결된 2구 플라스크에 투입한다. 180ml의 클로로포름을 플라스크에 첨가해 폴리스티렌이 3.33wt%가 되도록 충분히 용해시켜 용액을 제조하였다. 상온에서 완전히 용해한 다음 항온조의 온도를 40℃로 설정한다. 이 반응기에 촉매 ZnCl2 를 1.3466g (0.00988mol)을 넣고 30분간 교반하였다. 이후, 실린지를 이용해 클로로메틸 메틸 에테르(CMME, chloromethyl methyl ether) 30m,l를 첨가하는데, 이때의 CMME 첨가량은 폴리스티렌 반복 단위 몰 수 당 반응하는 CMME의 몰 수의 4배로 산출하여 투여한다. 상기 반응기에 부착된 가스투입구를 통해 건조한 비활성 가스를 주입하면서 격렬하게 교반하여 4시간동안 반응시켰다. 반응을 종료한 다음 생성물을 과량의 메탄올에 침전하고, 침전된 클로로메틸화 폴리스티렌은 여과한 후 여러 차례 메탄올에 세척하였다. 세척한 클로로메틸화 폴리스티렌은 40℃ 진공오븐에서 건조한 다음 상온에 보관한다. Specific reaction conditions are as follows. 10.29 g (0.0988 mol) of polystyrene is put into a two-necked flask connected to an argon gas line. 180 ml of chloroform was added to the flask to sufficiently dissolve the polystyrene to 3.33 wt%, thereby preparing a solution. After completely dissolving at room temperature, the temperature of the thermostat is set at 40 ° C. 1.3466 g (0.00988 mol) of catalyst ZnCl2 was added to the reactor and stirred for 30 minutes. Then, 30 m, 1 of chloromethyl methyl ether (CMME) is added using a syringe. The amount of CMME added is calculated by multiplying the number of moles of CMME reacted per moles of polystyrene repeating units by four times. The mixture was vigorously stirred while being injected with a dry inert gas through a gas inlet attached to the reactor, and reacted for 4 hours. After completion of the reaction, the product was precipitated in an excess of methanol, and the precipitated chloromethylated polystyrene was filtered and washed several times with methanol. The washed chloromethylated polystyrene is dried in a vacuum oven at 40 ° C and stored at room temperature.

상기 반응에서 클로로메틸화도(degree of chloromethylation, x/n) 은 도 1에 나타낸 1H-NMR 스펙트럼에 의한 분석결과 폴리스티렌의 클로로메틸화도는 0.164 (16.4%) 이었다.The chloromethylation degree of chloromethylation (x / n) in the above reaction was 0.164 (16.4%) as measured by 1 H-NMR spectroscopy as shown in FIG.

(2) 폴리페닐렌옥사이드의 할로겐화(2) Halogenation of polyphenylene oxide

하기의 반응식 2에 따라 폴리페닐렌옥사이드의 할로겐화를 실시하였다. Halogenation of the polyphenylene oxide was carried out according to Reaction Scheme 2 below.

<반응식 2><Reaction Scheme 2>

Figure 112016058598264-pat00007
Figure 112016058598264-pat00007

폴리(2,6-디메틸-1,4-페닐렌 옥사이드) 15g (0.1248mol)을 알곤 라인과 응축기가 연결된 3구 플라스크에 첨가한다. 이 반응기에 200ml의 클로로벤젠을 실린지를 이용해 첨가하고 상온에서 교반하여 폴리(2,6-디메틸-1,4-페닐렌 옥사이드)를 녹여 고분자 용액을 제조한다. 이 때 클로로벤젠은 폴리 (2,6-디메틸-1,4-페닐렌 옥사이드)의 6.76wt%에 해당한다. 상기 반응기에 NBS(N-bromosuccinimide) 9.3323g (0.0524mol)와 AIBN(2,2’-azobis-isobutyronitrile) 0.6150 g (0.0037mol)을 첨가한다. 이 때 반응기가 들어있는 항온조의 온도는 140℃로 설정하고 3시간동안 환류하여 반응한다. 반응이 끝난 후, 혼합물을 상온까지 식힌 다음 10배 과량의 에탄올에 침전한다. 합성한 브롬화 폴리(2,6-디메틸-1,4-페닐렌 옥사이드)는 여과 후 여러차례 에탄올에 씻어내고 60℃ 진공오븐에 12시간 건조한다. 15 g (0.1248 mol) of poly (2,6-dimethyl-1,4-phenylene oxide) was added to a three-necked flask connected with an argon line and a condenser. 200 ml of chlorobenzene was added to the reactor using a syringe, and the mixture was stirred at room temperature to dissolve the poly (2,6-dimethyl-1,4-phenylene oxide) to prepare a polymer solution. At this time, chlorobenzene corresponds to 6.76 wt% of poly (2,6-dimethyl-1,4-phenylene oxide). To the reactor were added 9.3323 g (0.0524 mol) of NBS (N-bromosuccinimide) and 0.6150 g (0.0037 mol) of AIBN (2,2'-azobis-isobutyronitrile). At this time, the temperature of the thermostat containing the reactor is set at 140 ° C and refluxed for 3 hours to react. After the reaction has ended, the mixture is cooled to room temperature and then precipitated in a 10-fold excess of ethanol. The synthesized poly (2,6-dimethyl-1,4-phenylene oxide) bromide was washed with ethanol several times after filtration and dried in a vacuum oven at 60 ° C for 12 hours.

상기 반응에서 브롬화도(degree of bromination, x/n)은 도 2에 나타낸 1H-NMR 스펙트럼에 의한 분석결과 폴리(2,6-디메틸-1,4-페닐렌 옥사이드)의 브롬화도는 0.267 (26.8%) 이었다. The bromination degree of the poly (2,6-dimethyl-1,4-phenylene oxide) in the above reaction was found to be 0.267 (26.8 %).

<가교형 양이온 전도성 고분자 막의 제조>&Lt; Preparation of Crosslinked Cationic Conducting Polymer Membrane &

(1) 가교형 고분자 막의 제조(1) Preparation of cross-linked polymer membrane

본원 발명에 따른 가교형 양이온 전도성 고분자의 제조방법을 하기 반응식 3에 요약하여 나타내었다.The process for preparing the crosslinkable cationic electroconductive polymer according to the present invention is summarized in the following Reaction Scheme 3.

<반응식 3><Reaction Scheme 3>

Figure 112016058598264-pat00008
Figure 112016058598264-pat00008

제조예 1:Preparation Example 1:

25% 브롬화한 폴리(2,6-디메틸-1,4-페닐렌 옥사이드) (BrPPO25) 0.5g를 NMP 7ml에 상온에서 녹인다. 25% 클로로메틸화한 폴리스타이렌(chPS25) 0.5g을 7ml의 NMP에 상온에서 교반하여 녹인 다음 상기 BrPPO20 용액과 혼합한다. 전체 할로겐 기의 5mol%에 해당하는 양의 가교제(4,4’-diaminobenzophenone)을 블렌딩 고분자 용액에 첨가한 후 20분동안 교반하여 충분히 가교제를 용해한다. 혼합용액은 기공 크기(pore size)가 5.0im인 마이크로필터를 이용해 여과한 다음 유리판에 고정한 11x11(cm2)의 실리콘 틀에 채운다. 그리고 이 용액을 평형판 위에서 25℃로부터 40℃까지 1시간 동안 승온, 40℃에서 2시간 유지, 40℃로부터 60℃까지 1시간 동안 승온, 60℃에서 2시간 유지, 60℃로부터 80℃까지 1시간 동안 승온한 다음 80℃에서 12시간 건조하여 막을 얻는다. 제조한 막(가교한 BrPPO25/chPS25 막)의 품위는 도 3과 같다.0.5 g of 25% brominated poly (2,6-dimethyl-1,4-phenylene oxide) (BrPPO25) is dissolved in 7 ml of NMP at room temperature. 0.5 g of 25% chloromethylated polystyrene (chPS25) was dissolved in 7 ml of NMP at room temperature and mixed with the BrPPO20 solution. A crosslinking agent (4,4'-diaminobenzophenone) in an amount corresponding to 5 mol% of the total halogen groups is added to the blending polymer solution and stirred for 20 minutes to sufficiently dissolve the crosslinking agent. The mixed solution is filtered using a microfilter having a pore size of 5.0 mm and then filled into a 11x11 (cm 2 ) silicon frame fixed on a glass plate. The solution was heated from 25 ° C to 40 ° C for 1 hour, kept at 40 ° C for 2 hours, raised from 40 ° C to 60 ° C for 1 hour, maintained at 60 ° C for 2 hours, And then dried at 80 DEG C for 12 hours to obtain a film. The quality of the prepared membrane (crosslinked BrPPO25 / chPS25 membrane) is shown in Fig.

(2) 가교형 고분자 막의 이온 교환성 작용기 부여(2) Giving ion-exchangeable functional groups of a crosslinked polymer membrane

실시예 1:Example 1:

가교한 BrPPO25/chPS25 막은 40℃에서 진공오븐에 12시간 건조한다. 건조한 막 0.25g은 1,2-디클로로메테인(DCE) 200mL에 30분간 침지하여 팽윤(swelling) 한다. 아이스배스(ice bath)를 0℃에 맞게 설정하고 고분자 반응site의 1당량에 해당하는 클로로술폰산 0.10ml를 1,2-디클로로메테인 50mL에 녹여 0.27wt%가 되도록 충분히 용해시켜 술폰화 용액을 제조한다. 술폰화 용액이 담긴 반응기를 ice bath에 설치하여 0℃가 되도록 설정한 다음 충분히 팽윤(swelling)한 멤브레인을 술폰화 용액에 완전히 담근다. 10분 동안 술폰화 반응한 멤브레인은 상온의 증류수에 침지하여 여분의 클로로술폰산을 제거한다. 멤브레인은 3차 증류수로 여러 차례 씻어낸 다음 상온의 진공오븐에서 12시간 건조한다.The crosslinked BrPPO25 / chPS25 membrane is dried in a vacuum oven at 40 占 폚 for 12 hours. 0.25 g of the dried film is dipped in 200 mL of 1,2-dichloromethane (DCE) for 30 minutes to swell. An ice bath was set at 0 ° C and 0.10 ml of chlorosulfonic acid corresponding to 1 equivalent of the polymer reaction site was dissolved in 50 ml of 1,2-dichloromethane to sufficiently dissolve the solution in an amount of 0.27 wt% to prepare a sulfonated solution do. The reactor containing the sulfonated solution is set in an ice bath, set to 0 ° C, and the fully swelled membrane is fully immersed in the sulfonated solution. The membrane that has been sulfonated for 10 minutes is dipped in distilled water at room temperature to remove excess chlorosulfonic acid. The membrane is washed several times with tertiary distilled water and then dried in a vacuum oven at room temperature for 12 hours.

실시예 2Example 2

가교한 BrPPO25/chPS25 막은 40℃에서 진공오븐에 12시간 건조한다. 건조한 막 0.25g은 1,2-디클로로메테인(DCE) 200mL에 30분간 침지하여 팽윤(swelling) 한다. 고분자 반응site의 1당량에 해당하는 클로로술폰산 0.10ml를 1,2-디클로로메테인 200mL에 녹여 0.07wt%가 되도록 충분히 용해시켜 술폰화 용액을 제조한다. 술폰화 용액이 담긴 반응기를 0℃으로 설정한 다음 충분히 팽윤(swelling)한 멤브레인을 술폰화 용액에 완전히 담근다. 1시간동안 술폰화 반응한 멤브레인은 상온의 DCE에 담궈 미반응한 클로로술폰산을 씻어낸다. 멤브레인은 3차 증류수로 여러차례 씻어낸 다음 상온의 진공오븐에서 12시간 건조한다.The crosslinked BrPPO25 / chPS25 membrane is dried in a vacuum oven at 40 占 폚 for 12 hours. 0.25 g of the dried film is dipped in 200 mL of 1,2-dichloromethane (DCE) for 30 minutes to swell. 0.10 ml of chlorosulfonic acid corresponding to one equivalent of the polymer reaction site is dissolved in 200 mL of 1,2-dichloromethane and dissolved sufficiently to 0.07 wt% to prepare a sulfonated solution. The reactor containing the sulfonated solution is set at 0 ° C, and the fully swelled membrane is fully immersed in the sulfonated solution. The sulfonated membrane is immersed in DCE at room temperature for 1 hour to wash out unreacted chlorosulfonic acid. The membrane is washed several times with tertiary distilled water and then dried in a vacuum oven at room temperature for 12 hours.

실시예 3Example 3

가교한 BrPPO25/chPS25 막은 40℃에서 진공오븐에 12시간 건조한다. 건조한 막 0.25g은 1,2-디클로로메테인(DCE) 200mL에 30분간 침지하여 팽윤(swelling) 한다. 고분자 반응site의 1당량에 해당하는 클로로술폰산 0.10ml를 1,2-디클로로메테인 200mL에 녹여 0.07wt%가 되도록 충분히 용해시켜 술폰화 용액을 제조한다. 술폰화 용액이 담긴 반응기를 18℃가 되도록 설정한 다음 충분히 팽윤(swelling)한 멤브레인을 술폰화 용액에 완전히 담근다. 1시간동안 술폰화 반응한 멤브레인은 상온의 증류수에 담궈 여분의 클로로술폰산을 제거한다. 멤브레인은 3차 증류수로 여러차례 씻어낸 다음 상온의 진공오븐에서 12시간 건조한다. The crosslinked BrPPO25 / chPS25 membrane is dried in a vacuum oven at 40 占 폚 for 12 hours. 0.25 g of the dried film is dipped in 200 mL of 1,2-dichloromethane (DCE) for 30 minutes to swell. 0.10 ml of chlorosulfonic acid corresponding to one equivalent of the polymer reaction site is dissolved in 200 mL of 1,2-dichloromethane and dissolved sufficiently to 0.07 wt% to prepare a sulfonated solution. The reactor containing the sulfonated solution is set to 18 ° C, and the fully swelled membrane is fully immersed in the sulfonated solution. The sulfonated membrane for 1 hour is immersed in distilled water at room temperature to remove excess chlorosulfonic acid. The membrane is washed several times with tertiary distilled water and then dried in a vacuum oven at room temperature for 12 hours.

실시예 4Example 4

가교한 BrPPO25/chPS25 막은 40℃에서 진공오븐에 12시간 건조한다. 건조한 막 0.25g은 1,2-디클로로메테인(DCE) 200mL에 30분간 침지하여 팽윤(swelling) 한다. 고분자 반응site의 1당량에 해당하는 클로로술폰산 0.10ml를 1,2-디클로로메테인 400mL에 녹여 0.03wt%가 되도록 충분히 용해시켜 술폰화 용액을 제조한다. 술폰화 용액이 담긴 반응기를 18℃가 되도록 설정한 다음 충분히 swelling한 멤브레인을 술폰화 용액에 완전히 담근다. 1시간동안 술폰화 반응한 멤브레인은 상온의 증류수에 담궈 여분의 클로로술폰산을 제거한다. 멤브레인은 3차 증류수로 여러차례 씻어낸 다음 상온의 진공오븐에서 12시간 건조한다. The crosslinked BrPPO25 / chPS25 membrane is dried in a vacuum oven at 40 占 폚 for 12 hours. 0.25 g of the dried film is dipped in 200 mL of 1,2-dichloromethane (DCE) for 30 minutes to swell. 0.10 ml of chlorosulfonic acid corresponding to one equivalent of the polymer reaction site is dissolved in 400 mL of 1,2-dichloromethane and dissolved sufficiently to 0.03 wt% to prepare a sulfonated solution. Set the reactor containing the sulfonated solution to 18 ° C, and thoroughly swell the membranes in the sulfonated solution. The sulfonated membrane for 1 hour is immersed in distilled water at room temperature to remove excess chlorosulfonic acid. The membrane is washed several times with tertiary distilled water and then dried in a vacuum oven at room temperature for 12 hours.

본원 발명의 일 구현예에 따라 제조된 양이온성 교환기로 술폰산기를 가지는 가교형 양이온 전도성 고분자의 화학구조는 하기 화학식 6으로 표현될 수 있다.The chemical structure of the cross-linked cationic conductive polymer having a sulfonic acid group as the cationic exchange group prepared according to one embodiment of the present invention can be represented by the following Chemical Formula 6.

<화학식 6>(6)

Figure 112016058598264-pat00009
Figure 112016058598264-pat00009

(2) 가교형 양이온 전도성 고분자 막의 물성분석(2) Property analysis of cross-linked cationic conductive polymer membrane

본원 발명의 실시예 1 내지 실시예 4를 통하여 제조한 가교형 양이온 전도성 고분자 막의 막저항을 측정하여 그 결과를 하기 .The membrane resistance of the cross-linked cationic conductive polymer membrane prepared through Examples 1 to 4 of the present invention was measured and the results are shown below.

막저항은 이온교환막을 상온에서 24시간 0.5M NaCl 수용액에 담근 후 측정하였다. 직경 0.5 cm 인 Pt 전극 사이에 샘플을 끼운 후 0.5M H2SO4수용액을 전해액으로 하여 상기 전해액 하에서 Resistance meter (Hioki 3560)로 저항을 측정하였다.The membrane resistance was measured by immersing the ion exchange membrane in a 0.5M NaCl aqueous solution for 24 hours at room temperature. A sample was sandwiched between Pt electrodes having a diameter of 0.5 cm, and resistance was measured with a resistance meter (Hioki 3560) under the electrolyte solution using an aqueous solution of 0.5 MH 2 SO 4 as an electrolyte.

막의 물성을 분석하여 하기 표 3에 정리하였다. The properties of the membrane were analyzed and summarized in Table 3 below.

고분자Polymer BrPPO25/chPS25 (g/g)BrPPO25 / chPS25 (g / g) 실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 실시예 3Example 3 실시예 4Example 4 가교제 함량(mol%)Crosslinker content (mol%) 55 술폰화제
첨가당량
Sulfonating agent
Added equivalent
1eq.1eq.
술폰화 용액농도(wt%)Sulfonation solution concentration (wt%) 0.270.27 0.070.07 0.070.07 0.030.03 온도(℃)Temperature (℃) 00 00 1818 1818 막저항 (Ω·cm2)Membrane resistance (Ω · cm 2 ) 2.372.37 0.610.61 0.490.49 0.530.53

전자끌게기가 있는 가교제로 가교한 블렌딩 고분자를 클로로술폰산을 이용해 불균일계 술폰화(heterogeneous sulfonation) 반응을 실시하였다. 술폰화 용액의 농도가 감소할수록 낮은 막저항 값과 막의 품위가 크게 손상되지 않는 경향성을 보였고, 술폰화 시 저온(0℃) 및 술폰화 용액 농도가 0.07wt% 이하인 경우 0.61Ω·cm2 의 적절한 막저항값과 술폰화제에 의한 막의 손상이 최소화되는 것으로 확인하였다Heterogeneous sulfonation reaction was carried out using chlorosulfonic acid as a blending polymer which was cross - linked with an electron - attracting crosslinking agent. The lower membrane resistance and membrane quality were not significantly impaired as the concentration of the sulfonation solution decreased. When the sulfonation temperature was low (0 ° C) and the sulfonation solution concentration was 0.07wt% or less, a suitable membrane of 0.61 Ω · cm 2 It was confirmed that the resistance value and the membrane damage caused by the sulfonating agent were minimized

<가교형 양이온 전도성 고분자 막을 이용한 역전기투석 성능 분석>&Lt; Analysis of reverse electrodialysis using cross-linked cationic conductive polymer membrane >

본원 발명의 일 구현예에 따라 제조된 실시예 2의 고분자를 이용하여 양이온 교환막을 제조하고, 아사히 글래스(Asahi glass)의 상용 양이온 교환막(CMV), 음이온 교환막(AMV)를 이용하여 5 pair cell의 스택, 채널 두께 0.2 mm, 유속 50 mL/min, 활성면적 5cmX5cm을 가지는 역전기투석 셀(RED cell)을 제조하여 상용 양이온 교환막 대비 본원발명의 양이온 교환막의 성능을 동일한 조건에서 비교하였다. 도 4의 (a)는 아사히 글래스(Asahi glass)의 상용 양이온 교환막(CMV)과 음이온 교환막(AMV)를 이용하여 제조한 역전기투석 셀(RED cell)의 결과이고 도 4의 (b)는 본원 발명의 실시예 2의 양이온 교환막과 아사히 글래스의 상용 음이온 교환막(AMV)을 이용하여 제조한 역전기투석 셀(RED cell)의 결과이다.A cation exchange membrane was prepared using the polymer of Example 2 prepared in accordance with an embodiment of the present invention, and a cation exchange membrane (CMV) of an Asahi glass and an anion exchange membrane (AMV) A reverse electrodialysis cell (RED cell) having a stack, a channel thickness of 0.2 mm, a flow rate of 50 mL / min, and an active area of 5 cm x 5 cm was prepared to compare the performance of the cation exchange membrane of the present invention with that of a commercial cation exchange membrane. 4 (a) is a result of a reverse electrodialysis cell (RED cell) manufactured using commercial cation exchange membrane (CMV) and anion exchange membrane (AMV) of Asahi glass, and FIG. 4 (b) (RED cell) prepared using the cation exchange membrane of Example 2 of the present invention and commercial anion exchange membrane (AMV) of Asahi Glass.

도 4에서 알 수 있듯이, 본원 발명의 일 구현예에 따라 제조된 양이온 교환막의 경우가 상용 양이온 교환막 대비 13.4%의 역전기투석의 성능향상을 보였다.As can be seen from FIG. 4, the cation exchange membrane prepared according to one embodiment of the present invention exhibited a 13.4% improvement in the performance of reverse electrodialysis compared to the commercial cation exchange membrane.

이상에서 설명한 바와 같이 본원 발명에 따른 가교형 양이온 교환막은 우수한 기계적 물성 및 내화학성을 가지고, 막의 제조 시 급격한 가교 반응을 억제하여 막의 형태 변화를 방지할 수 있을 뿐만 아니라 저가의 기재인 폴리스티렌계 수지와 엔지니어링 플라스틱인 폴리페닐렌옥사이드를 사용함으로서 가격 경쟁력에 있어서 종래의 소재에 비하여 우위를 차지하면서도 기존 상용 양이온 교환막에 비하여 우수한 성능을 가진다.INDUSTRIAL APPLICABILITY As described above, the crosslinkable cation exchange membrane according to the present invention has excellent mechanical properties and chemical resistance, and can inhibit a rapid crosslinking reaction in the production of a membrane to prevent changes in the morphology of the membrane. By using polyphenylene oxide, which is an engineering plastic, it has superiority in price competitiveness compared to conventional materials and superior performance to existing commercial cation exchange membranes.

Claims (10)

폴리스티렌계 고분자와 폴리페닐렌옥사이드계 고분자 각각을 할로겐화하는 할로겐화 고분자 제조단계;
할로겐화 폴리스티렌계 고분자와 할로겐화 폴리페닐렌옥사이드계 고분자를 혼합한 후 하기 화학식 1로 표시되는 2개의 방향족 고리 사이에 전자 끌게기를 가져 할로겐 작용기와 지연된 가교반응성을 가지고 음이온 교환성 작용기를 형성하지 않는 1차 또는 2차 아민 가교제를 첨가하여 할로겐화 고분자의 할로겐 작용기 위치에서 할로겐화 고분자 사이에서 가교 반응에 의하여 가교형 고분자를 형성하는 가교형 고분자 제조단계; 및
상기 가교형 고분자를 양이온 교환성 작용기로 기능화하는 양이온 교환성 작용기 부여단계를 포함하는 가교형 양이온 전도성 고분자의 제조방법:
<화학식 1>
Figure 112017074433137-pat00010

상기 화학식 1에서,
A는 -(C=O)- 이고, R1 내지 R8로 표현되는 치환체는 수소원자이며, D와 D'은 각각 독립적으로 NH2, 또는 -NHR이고 여기서 R은 C1 내지 C12 알킬기이다.
A step of preparing a halogenated polymer in which each of the polystyrene-based polymer and the polyphenylene oxide-based polymer is halogenated;
A halogenated polystyrene-based polymer and a halogenated polyphenylene oxide-based polymer are mixed and then an electron withdrawing group is formed between two aromatic rings represented by the following formula (1) to form an anion exchangeable functional group having delayed crosslinking reactivity with a halogen functional group Or a secondary amine cross-linking agent to form a cross-linked polymer by a cross-linking reaction between the halogenated polymer at a halogen functional site of the halogenated polymer; And
A cation-exchangeable functional group-imparting step of functionalizing the crosslinkable polymer with a cation-exchangeable functional group,
&Lt; Formula 1 >
Figure 112017074433137-pat00010

In Formula 1,
A is - (C = O) -, the substituent represented by R 1 to R 8 is a hydrogen atom, D and D 'are each independently NH 2 or -NHR and R is a C 1 to C 12 alkyl group .
청구항 1에 있어서,
상기 할로겐화 폴리스티렌계 고분자는 하기 화학식 2로 표시되는 것을 특징으로 하는 가교형 양이온 전도성 고분자의 제조방법:
<화학식 2>
Figure 112016058598264-pat00011

상기 화학식 2에서, z는 0 또는 1이상 20이하의 정수이고, X1은 염소(Cl), 브롬(Br) 또는 요오드(I) 중 하나인 할로겐 원자이며, x/(x+y)은 0.01이상 1이하이다.
The method according to claim 1,
Wherein the halogenated polystyrene-based polymer is represented by the following formula (2): < EMI ID =
(2)
Figure 112016058598264-pat00011

Z is 0 or an integer of 1 or more and 20 or less, X 1 is a halogen atom which is one of chlorine (Cl), bromine (Br) or iodine (I), x / Or more.
청구항 1에 있어서,
상기 할로겐화 폴리페닐렌옥사이드계 고분자는 하기 화학식 3으로 표시되는 것을 특징으로 하는 가교형 양이온 전도성 고분자의 제조방법:
<화학식 3>
Figure 112016058598264-pat00012

상기 화학식 3에서, X2는 염소(Cl), 브롬(Br) 또는 요오드(I) 중 하나인 할로겐 원자이고, a/(a+b)은 0.01이상 1이하이다.
The method according to claim 1,
Wherein the halogenated polyphenylene oxide-based polymer is represented by the following formula (3): < EMI ID =
(3)
Figure 112016058598264-pat00012

X 2 is a halogen atom which is one of chlorine (Cl), bromine (Br) or iodine (I), and a / (a + b) is 0.01 or more and 1 or less.
청구항 1에 있어서,
상기 양이온 교환성 작용기 부여단계는 상기 가교형 고분자를 술폰산기, 인산기, 아세트산기를 포함하는 화합물과 반응을 통하여 양이온 교환 작용기, 또는 이들의 염 상태의 양이온 교환 작용기를 부여하는 것을 특징으로 하는 가교형 양이온 전도성 고분자의 제조방법.
The method according to claim 1,
The cation-exchangeable functional group-imparting step comprises reacting the crosslinkable polymer with a compound containing a sulfonic acid group, a phosphoric acid group and an acetic acid group to give a cation-exchange functional group, or a cation-exchange functional group in a salt thereof, (METHOD FOR PREPARING CONDUCTIVE POLYMER).
이온 전도성 고분자가 하기 화학식 A로 표시되는 것을 특징으로 하는 가교형 양이온 전도성 고분자:
<화학식 A>
Figure 112017074433137-pat00013

상기 화학식 A에서,
A는 -(C=O)- 이고, R1 내지 R8로 표현되는 치환체는 수소원자이며, D''와 D'''은 각각 독립적으로 NH-, 또는 -NR-이고 여기서 R은 C1 내지 C12 알킬기이고, y'와 y''는 0.001≤y'/(y'+y'')≤0.9의 범위를 갖고, (y'+y'')/(x+y'+y'')은 0.01이상 1이하이며, s'과 s''는 0.001≤s'/(s'+s'')≤0.9의 범위를 갖고, (s'+s'')/(r+s'+s'')은 0.01이상 1이하이며, z는 0 또는 1이상 20이하의 정수이고, E는 이온교환작용기로서 술폰산기, 인산기, 아세트산기를 포함하는 화합물과 반응을 통한 양이온 교환 작용기, 또는 이들의 염 상태의 양이온 교환 작용기이다.
Wherein the ion-conductive polymer is represented by the following formula (A): < EMI ID =
&Lt; Formula (A)
Figure 112017074433137-pat00013

In the above formula (A)
A is - (C = O) -, and the substituent represented by R 1 to R 8 is a hydrogen atom, D '' and D '''are each independently selected from NH-, or -NR- where R is a C 1 and to C 12 alkyl, y 'and y''it is 0.001≤y' / (y '+ y '') has a range of ≤0.9, (y' + y '') / (x + y '+ y' (S '+ s'') / (r + s'') is in the range of 0.01 to 1, and s' and s '' have a range of 0.001 s '/ (s' + s '') + s '') is 0.01 or more and 1 or less, z is 0 or an integer of 1 or more and 20 or less, E is a cation exchange functional group through reaction with a compound containing a sulfonic acid group, a phosphoric acid group or an acetic acid group as an ion exchange functional group, Lt; / RTI &gt; cation exchange functionality of the salt.
청구항 5에 기재된 가교형 양이온 전도성 고분자를 포함하는 수지로 성형된 것을 특징으로 하는 막.A membrane characterized by being molded with a resin comprising the cross-linked cationic electroconductive polymer according to claim 5. 청구항 5에 기재된 가교형 양이온 전도성 고분자를 지지체에 함침하여 성형되는 것을 특징으로 하는 막.A membrane characterized by being impregnated with a crosslinking type cationic electroconductive polymer according to claim 5 in a support. 청구항 7에 있어서,
상기 지지체는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)를 포함하는 불소함유 수지 또는 폴리올레핀계 수지로 이루어진 다공막, 부직포 또는 메쉬 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 막.
The method of claim 7,
Characterized in that the support is any one of a porous film made of polytetrafluoroethylene (PTFE), a fluorine-containing resin containing polyvinylidene fluoride (PVDF), or a polyolefin resin, a nonwoven fabric or a mesh.
청구항 6 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
상기 막은 역전기투석(reverse electrodialysis: RED), 전기투석(elelctrodialysis: ED) 또는 축전식 탈이온(capacitive deionization: CDI) 장치용 양이온 교환막인 것을 특징으로 하는 막.
The method according to any one of claims 6 to 8,
Wherein the membrane is a cation exchange membrane for reverse electrodialysis (RED), electrodialysis (ED) or capacitive deionization (CDI) devices.
애노드(anode);
캐소드(cathode); 및
담수가 흐르는 유로가 형성되도록 상기 애노드 및 상기 캐소드 사이에 이격되어 배치되는 하나 이상의 단위셀(single cell)을 포함하며,
상기 단위셀은 해수가 흐르는 유로가 형성되도록 이격되어 배치된 음이온 교환막 및 청구항 5에 기재된 양이온 전도성 고분자로 이루어진 양이온 교환막을 포함하는 것을 특징으로 하는 역전기투석 장치.
An anode;
A cathode; And
And at least one unit cell disposed between the anode and the cathode so as to form a flow path of fresh water,
Wherein the unit cell comprises an anion exchange membrane disposed so as to form a channel through which seawater flows, and a cation exchange membrane composed of the cation conductive polymer according to claim 5.
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