KR101824531B1 - Method for preparing covalently cross-linked membrane by changing ionic cross-linking to covalent cross-linking and covalently cross-linked membrane prepared thereby - Google Patents
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Abstract
전자 풍부 방향족 환(electron rich aromatic rings)을 포함하는 PBI 유도체 등과 같은 아미노 그룹을 가지는 폴리머와 술폰화된 폴리에테르 술폰 등과 같은 술폰화된 폴리머를 블랜드하여 이온 가교 결합된 막을 제조하거나, 술폰화된 PBI 유도체로 이온 가교 결합 막을 제조하고, 이를 열 경화하여 공유 가교 결합된 막을 제조한다. 이와 같이 열 경화된 공유 가교 결합 막은, 열 경화되지 않는 이온 가교 결합 막과 대비하여, 향상된 인장 강도 등의 기계적 특성을 나타낼 수 있다. A polymer having an amino group such as a PBI derivative containing electron rich aromatic rings and the like and a sulfonated polymer such as a sulfonated polyether sulfone or the like are blended to prepare an ion crosslinked membrane or a sulfonated PBI Ion crosslinked membranes are prepared from the derivatives and thermally cured to prepare covalently crosslinked membranes. The cured crosslinked film thus thermally cured can exhibit mechanical properties such as an improved tensile strength as compared with an ionically crosslinked film which is not thermally cured.
Description
본 명세서는 열 경화를 통해 이온 가교 결합을 공유 가교 결합으로 변환하여 공유 가교 결합 막을 제조하는 방법 및 이를 통하여 제조된 폴리벤지이미다졸계 막 등의 공유 결합 막과 이를 이용하는 고온 고분자 전해질 연료전지 등의 소자에 관한 것이다. The present invention relates to a method for producing a covalent crosslinked membrane by converting ionic crosslinks into covalent crosslinks through thermal curing, a covalent bonding membrane such as a polybenzimidazole-based membrane prepared by the method, and a high-temperature polyelectrolyte fuel cell using the same Device.
고온 고분자 전해질 연료전지(High Temperature Polymer electrolyte fuel cells; HT PEMFC)는 약 150-200℃에서 작동하는 연료전지이다. 이들은 주로 인산 도핑된 폴리벤지이미다졸(polybenzimidazole; PBI)막을 전해질 막으로 사용한다. 인산 도핑된 PBI 막은 상업화 되어 있다. 예컨대 BASF 사 또는 덴마크의 파워 시스템즈 사는 고온 고분자 전해질 연료전지 용 PBI계 막 및 막전극접합체를 판매하고 있다.High Temperature Polymer electrolyte fuel cells (HT PEMFC) are fuel cells that operate at about 150-200 ° C. They mainly use phosphoric acid-doped polybenzimidazole (PBI) membranes as electrolyte membranes. Phosphorus-doped PBI membranes are commercially available. For example, BASF or Power Systems of Denmark sells PBI-based membranes and membrane electrode assemblies for high temperature polyelectrolyte fuel cells.
이러한 고온 고분자 전해질 연료전지에서 이온 전도도(ionic conductivity) 및 성능은 인산 흡수(PA uptake)에 강하게 의존한다. In such high temperature polyelectrolyte fuel cells, ionic conductivity and performance strongly depend on phosphorus absorption (PA uptake).
그러나, 인산은 고분자를 가소화(plasticize)하기 때문에, 인산 흡수율을 높이게 되면 증가된 인산 흡수가 인장 강도나 영 모듈러스(young modulus) 또는 완화 탄성율(creep compliance) 및 크립 저항성(creep resistance)과 같은 기계적 안정성을 감소시킨다. However, because phosphoric acid plasticizes the polymer, increased phosphoric acid uptake leads to increased phosphoric acid absorption, resulting in mechanical, such as tensile strength, young modulus or creep compliance, and creep resistance. Thereby reducing stability.
인산 도핑 PBI 막을 안정시키는 한가지 방법은 막을 가교시키는 것이다. 이와 같은 가교는 PBI의 아민 그룹과 반응하는 이중 또는 다중 관능화 화합물 또는 폴리머를 첨가하여 행해질 수 있다. 알파, 알파-디브로모실렌 또는 알파, 알파-디클로로실렌, 또는 1,3-디브로프로판 또는 에폭사이드 또는 폴리비닐클로라이드를 캐스팅 용액에 첨가하는 것이 그 예들이다(비특허문헌 1).One way to stabilize the phosphate-doped PBI membrane is to crosslink the membrane. Such crosslinking can be done by the addition of a double or multifunctional compound or polymer that reacts with the amine group of the PBI. Alpha-dibromosilene or alpha, alpha-dichlorosilane, or 1,3-dibromopropane or epoxide or polyvinyl chloride into the casting solution (Non-Patent Document 1).
그런데, 이와 같이 PBI의 아민 그룹을 이용하는 것과 관련된 문제는 약 180-220℃에서 음이온의 존재하에 메틸 그룹들이 이미다졸리움 그룹으로부터 절단된다는 것이다(cleaved)(비특허문헌 2). 따라서, PBI 의 질소 원자(N-CH2)를 가교하는 것은 연료 전지의 상승된 작동 온도(150-200℃)에서 장기 운전 시 열화를 겪게 될 수 있다.However, the problem with using amine groups of PBI in this way is that the methyl groups are cleaved from the imidazolium group in the presence of anions at about 180-220 占 (non-patent document 2). Thus, cross-linking the nitrogen atoms (N-CH 2 ) of PBI can experience degradation in long-term operation at elevated operating temperatures (150-200 ° C) of the fuel cell.
벤족사진(benzoxazine)을 사용하여 메타-PBI의 4 및/또는 7 위치에 -CH2-(N-Ph)-CH2-를 붙임으로써 가교할 수 있다. 이러한 구조에서, 가교 그룹은 CH2 그룹에 아민 결합을 가지게 되는데, 해당 아민 결합에서 프로톤화되어 연료 전지 작동 온도에서 천전히 열화될 수 있다(비특허문헌 3).Can be crosslinked by attaching -CH 2 - (N-Ph) -CH 2 - to the 4 and / or 7 position of meta-PBI using benzoxazine. In this structure, the cross-linking group has an amine bond in the CH 2 group, which can be protonated at the corresponding amine bond and can be fully degraded at the fuel cell operating temperature (Non-Patent Document 3).
한편, 디퍼퍼릴록시-파라-자일렌(difurfuryloxy-p-xylene)을 펜던트 스티렌 그룹을 포함하는 PBI 유도체와의 다엘-아들러(Diels-Alder) 반응에서 사용한 경우도 있다(비특허문헌 4). 그러나, 이러한 과정은 모든 PBI 유도체에 적용될 수 없고, 또한, 디엘-아들러 반응 시스템의 경우 온도 상승 시 화학 결합의 절단(cleave)이 일어날 가능성이 있다. 예를 들어, 레트로-디엘-아들러 반응에서 디사이클로펜타디엔을 170°C 로 가열하면 사이클로펜타디엔(cyclopentadien)이 형성된다. On the other hand, difurfuryloxy-p-xylene may be used in a Diels-Alder reaction with a PBI derivative containing a pendant styrene group (Non-Patent Document 4). However, this process can not be applied to all PBI derivatives, and in the case of the Diel-Adler reaction system, cleavage of the chemical bond at the temperature rise may occur. For example, cyclopentadiene is formed when the dicyclopentadiene is heated to 170 ° C in a retro-Diel-Adler reaction.
본 발명의 구현예들에서는, 일측면에서, 장기 운전시 열화를 방지하고 막의 기계적 특성을 향상할 수 있는, 이온 가교 결합을 공유 가교 결합으로 변환하여 공유 가교 결합 막을 제조하는 방법 및 이를 통하여 제조된 공유 결합 막을 제공하고자 한다. Embodiments of the present invention, in one aspect, provide a method for producing a covalent crosslinked membrane by converting an ionic crosslink to a covalent crosslink, which can prevent deterioration during long-term operation and improve the mechanical properties of the membrane, To provide a covalent bonding film.
본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 이온 가교 결합 막(ionically crosslinked membrane)이 열 경화되어 얻어진 공유 가교 결합 막(covalently crosslinked membrane)으로서, 공유 가교 결합 지점(covalent crosslinking site)이 술폰 결합(sulfone bond)인 공유 가교 결합 막을 제공한다.In exemplary embodiments of the present invention, a covalently crosslinked membrane obtained by thermally curing an ionically crosslinked membrane, wherein the covalent crosslinking site is a sulfone bond ). ≪ / RTI >
본 발명의 예시적인 구현예들에서는 또한, 상기 공유 가교 결합 막을 포함하는 소자를 제공한다.Exemplary embodiments of the present invention also provide an element comprising the covalent crosslinked membrane.
본 발명의 예시적인 구현예들에서는 또한, 이온 가교 결합 막을 가열하여 열 경화함으로써 공유 가교 결합 막을 제조하는 방법을 제공한다.Exemplary embodiments of the present invention also provide a method of manufacturing a covalent crosslinked membrane by heating and thermally curing an ionically crosslinked membrane.
본 발명의 구현예들에 따르면, 일측면에서, 운전시 열화를 방지하고 막의 기계적 특성을 향상할 수 있으며, 막의 수명을 향상할 수 있다.According to embodiments of the present invention, in one aspect, deterioration during operation can be prevented, the mechanical properties of the film can be improved, and the lifetime of the film can be improved.
도 1은 본 발명의 예시적인 구현예들에서, 이온 가교 결합 막(ionically crosslinked membrane)을 가열하여 열 경화함으로써 공유 가교 결합 막을 제조하는 개념도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에서 인산 흡수와 인장 강도 결과 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에서 막의 분극 커브를 나타낸다.FIG. 1 shows a conceptual diagram for preparing a covalent crosslinked membrane by heating an ionically crosslinked membrane to thermoset in the exemplary embodiments of the present invention.
2 is a graph of phosphoric acid absorption and tensile strength results in an embodiment of the present invention.
Figure 3 shows the polarization curve of a film in an embodiment of the present invention.
이하에서 본 발명의 예시적인 구현예들을 상세히 설명한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail.
본 명세서에서 방향족 술폰 결합이란 술폰 결합(-SO2-)의 적어도 일측에 방향족 고리가 연결된 것을 말한다. 예컨대, 방향족 술폰 결합은 R-SO2-Ar이다. 여기서, Ar은 방향족 고리이며, R은 Ar (방향족 고리), 알킬(alkyl), 또는 플로오로알킬(fluoroalkyl)일 수 있다. In this specification, an aromatic sulfone bond means an aromatic ring connected to at least one side of a sulfone bond (-SO 2 -). For example, the aromatic sulfone linkage is R-SO 2 -Ar. Wherein Ar is an aromatic ring and R can be Ar (aromatic ring), alkyl, or fluoroalkyl.
본 명세서에서 잔류 용매란 공유 결합 막의 열 경화 후 잔류하는 용매로, 물, 산, 유기 용매를 포함한다. As used herein, the residual solvent is a solvent remaining after thermal curing of the covalent bonding film, and includes water, an acid, and an organic solvent.
전자 풍부 방향족 환(electron rich aromatic rings)을 포함하는 PBI 유도체 등과 같은 아미노 그룹을 가지는 폴리머와 술폰화된 폴리에테르 술폰 등과 같은 술폰화된 폴리머를 블랜드하여 이온 가교 결합된 막을 제조하거나, 술폰화된 PBI 또는 그 유도체로 이온 가교 결합 막을 제조하고, 이를 열 경화하여 공유 가교 결합된 막을 제조한다. A polymer having an amino group such as a PBI derivative containing electron rich aromatic rings and the like and a sulfonated polymer such as a sulfonated polyether sulfone or the like are blended to prepare an ion crosslinked membrane or a sulfonated PBI Or a derivative thereof, and thermally cures the same to prepare a covalently crosslinked membrane.
상기 블랜드를 이용하는 방법은 두 가지 서로 다른 폴리머를 이용하는 것이고, 상기 술폰화된 PBI 또는 그 유도체를 이용하는 방법은 하나의 균일 물질(homogenous material)을 이용하는 것이지만, 두 방법 모두 술폰산 그룹이 이미다졸의 질소 원자와 반응하여 이온 가교 결합된다. 이를 가열하여 공유 가교 결합을 얻는다.The method using the blend uses two different polymers, and the method using the sulfonated PBI or a derivative thereof uses one homogenous material. However, in both methods, the sulfonic acid group is bonded to the nitrogen atom of the imidazole And is ion-crosslinked. This is heated to obtain a covalent crosslink.
이와 같이 이온 결합된 것이 공유 결합으로 바뀌는 반응은 의외의 것이다. 즉, 술폰산 그룹은 PBI의 아미노 그룹과의 반응식 1과 같은 산 염기 상호 작용(acid base interaction) 때문에 분해되지 않는 술폰 산 그룹의 숫자가 작다. The reaction in which the ionic bond is converted into the covalent bond is unexpected. That is, the sulfonic acid group has a small number of sulfonic acid groups which are not decomposed due to acid base interaction (Reaction 1) with the amino group of PBI.
[반응식 1][Reaction Scheme 1]
다시 말하면, 질소와 SO3H간의 상호 작용(interaction)은 술폰 산 그룹의 반응성을 떨어뜨리게 된다. 그럼에도 전술한 바와 같이 이온 가교 결합된 것이 공유 가교 결합으로 바뀌는 것은 의외의 것이다. 아울러, 상기 공유 가교 결합에서는 술폰 결합(sulfone bond)에 의하여 공유 가교 결합이 일어난다는 점에서 메커니즘 적으로도 특이하다. In other words, the interaction between nitrogen and SO 3 H lowers the reactivity of sulfonic acid groups. Nevertheless, as described above, it is surprising that ion crosslinking is converted into shared crosslinking. In addition, the covalent cross-linking is also mechanically distinctive in that covalent cross-linking occurs due to sulfone bond.
술폰 결합은 예컨대 다음과 같은 반응식에 의하여 형성될 수 있다.The sulfone bond can be formed, for example, by the following reaction formula.
[반응식 2][Reaction Scheme 2]
RSO3H + Ar -> R-SO2-Ar [여기서 Ar은 방향족 고리(aromatic ring)을 의미한다, R은 Ar, 알킬(alkyl) 또는 플로오로알킬(fluoroalkyl)일 수 있다].RSO 3 H + Ar-> R-SO 2 -Ar, where Ar is an aromatic ring and R can be Ar, alkyl or fluoroalkyl.
비제한적인 예시에서, 술폰 결합은 예컨대 다음 반응식에서 보듯이 Ar-SO2-Ar일 수 있다.In a non-limiting example, the sulfone linkage can be, for example, Ar-SO 2 -Ar, as shown in the following scheme.
[반응식 3][Reaction Scheme 3]
이와 같이 열 경화된 공유 가교 결합 막은, 열 경화되지 않는 이온 가교 결합 막과 대비하여, 향상된 인장 강도 등의 기계적 특성 등을 나타내므로, 고온 고분자 연료전지 등의 연료전지나 그 외 레독스 흐름 전지(redox flow battery) 또는 전해장치(electrolyser) 등에 유용하게 사용될 수 있다.Since the thermosetting covalent crosslinked membrane exhibits mechanical properties such as improved tensile strength and the like compared with the ionic crosslinked membrane not thermally cured, it is possible to use a fuel cell such as a high temperature polymer fuel cell or a redox flow cell flow battery or an electrolyzer.
본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 이온 가교 결합 막(ionically crosslinked membrane)이 열 경화되어 얻어진 공유 가교 결합 막(covalently crosslinked membrane)으로서, 공유 가교 결합 지점(covalent crosslinking site)이 술폰 결합( sulfone bond)인 공유 가교 막을 제공한다. 이러한 술폰 가교 결합은(sulfone crosslinking)은 질소 원자가 관여하는 가교 결합보다 훨씬 안정적이다.In exemplary embodiments of the present invention, a covalently crosslinked membrane obtained by thermally curing an ionically crosslinked membrane, wherein the covalent crosslinking site is a sulfone bond ). ≪ / RTI > Such sulfone crosslinking is more stable than crosslinking involving nitrogen atoms.
예시적인 일 구현예에서, 하나 이상의 술폰화된 폴리머 및 하나 이상의 아미노 그룹 함유 폴리머를 포함하는 이온 가교 결합 막이 열 경화되어 얻어진 공유 가교 결합 막이고, 공유 가교 결합 지점(covalent crosslinking site)이 술폰 결합( sulfone bond)인 공유 가교 결합 막을 제공한다.In one exemplary embodiment, an ionic crosslinking membrane comprising at least one sulfonated polymer and at least one amino group containing polymer is a covalent crosslinked membrane obtained by thermosetting, wherein the covalent crosslinking site is a sulfonated sulfone bond).
예시적인 일 구현예에서, 상기 아미노 그룹 함유 폴리머는 특히 제한되지 않지만, 이미다졸계 폴리머, 예컨대 PBI 또는 그 유도체일 수 있다. 예컨대, 비제한적인 예시에서, 메타-PBI, 파라-PBI, O-PBI, PBI-OO, PBI-HFA, PBI-OH, 피리딘 함유 PBI 등이거나 이들의 혼합물 또는 이들의 코폴리머일 수 있다. O-PBI 또는 PBI-OO는 가교 결합 반응을 위한 전자 풍부 방향족 환(electron rich aromatic ring)을 제공하므로 더욱 바람직하다.In an exemplary embodiment, the amino group-containing polymer is not particularly limited, but may be an imidazole-based polymer such as PBI or a derivative thereof. For example, in a non-limiting example, meta-PBI, para-PBI, O-PBI, PBI-OO, PBI-HFA, PBI-OH, PBI containing pyridine or mixtures thereof or copolymers thereof. O-PBI or PBI-OO is more preferred because it provides an electron rich aromatic ring for the cross-linking reaction.
예시적인 일 구현예에서, 술폰화된 폴리머 (또는 술폰산 함유 폴리머)는 예컨대 SPAES 40 또는 50과 같은 술폰화된 하이드로카본계 막이거나 나피온과 같은 퍼풀루오르화 폴리머일 수 있다.In one exemplary embodiment, the sulfonated polymer (or sulfonic acid containing polymer) may be a sulfonated hydrocarbon based membrane such as, for example, SPAES 40 or 50, or a perfluorinated polymer such as Nafion.
예시적인 일 구현예에서, 술폰화된 PBI 또는 그 유도체를 포함하는 이온 가교 결합 막이 열 경화되어 얻어진 공유 가교 결합 막이고, 공유 가교 결합 지점(covalent crosslinking site)이 술폰 결합(sulfone bond)인 공유 가교 결합 막을 제공한다. In one exemplary embodiment, the ionic crosslinking membrane comprising a sulfonated PBI or a derivative thereof is a covalent crosslinked membrane obtained by thermosetting, and the covalent crosslinking site is a sulfone bond. Thereby providing a bonding film.
예시적인 일 구현예에서, 상기 술폰 결합은 방향족 술폰 결합 R-SO2-Ar일 수 있다. 여기서, Ar은 방향족 고리이며, R은 Ar (방향족 고리), 알킬(alkyl), 또는 플로오로알킬(fluoroalkyl)(예컨대, CF2)일 수 있다. In an exemplary embodiment, the sulfone linkage may be an aromatic sulfone linkage R-SO 2 -Ar. Where Ar is an aromatic ring and R can be Ar (aromatic ring), alkyl, or fluoroalkyl (e.g., CF 2 ).
예시적인 일 구현예에서, 상기 술폰화된 PBI 유도체는 술폰화된 PBI-OO, 술폰화된 O-PBI, 술폰화된 메타-PBI 등 일 수 있으며, 예컨대 다음의 화학식으로 표시되는 화합물일 수 있지만, 이에 한정되지 않음은 물론이다. In an exemplary embodiment, the sulfonated PBI derivative may be sulfonated PBI-OO, sulfonated O-PBI, sulfonated meta-PBI, etc., and may be, for example, a compound represented by the following formula , But is not limited thereto.
[화학식 1][Chemical Formula 1]
[화학식 2](2)
[화학식 3](3)
예시적인 구현예에서, PBI-OO의 경우가 전술한 meta-PBI 등 보다 전자가 풍부하므로 술폰화된 폴리머와 반응이 더 쉽게 일어나게 되므로 바람직하다.In the exemplary embodiment, PBI-OO is more electronegative than meta-PBI, etc., as described above, so that reaction with the sulfonated polymer is more likely to occur, which is desirable.
예시적인 일 구현예에서, 열 경화 전 이온 가교 결합된 물질들 (즉, 하나 이상의 술폰화된 폴리머 및 하나 이상의 아미노 그룹 함유 폴리머의 블랜드나, 또는 술폰화된 PBI 또는 그 유도체)에 있어서, 술폰산 그룹 SO3H와 C=N-C의 몰 비율(molar ration) SO3H / C=N-C는 예컨대, 0< SO3H / C=N-C < 0.5일 수 있고, 바람직하게는 0< SO3H / C=N-C < 0.1일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 0< SO3H / C=N-C <0.05일 수 있다. In one exemplary embodiment, in ion crosslinked materials prior to thermal cure (i.e., blends of one or more sulfonated polymers and one or more amino group containing polymers, or sulfonated PBI or derivatives thereof), the sulfonic acid group SO 3 H / C = NC molar ratio SO 3 H / C = NC can be, for example, 0 <SO 3 H / C = NC <0.5, preferably 0 <SO 3 H / C = be an NC <0.1 and, more preferably is 0 <SO 3 H / C = NC <0.05.
본 발명의 예시적인 구현예들에서는 또한, 상기 공유 가교 결합 막을 포함하는 소자를 제공한다. 이러한 소자는 고온 고분자 연료전지 등의 연료전지, 레독스 흐름 전지(redox flow battery) 또는 전해장치(electrolyser) 등일 수 있다.Exemplary embodiments of the present invention also provide an element comprising the covalent crosslinked membrane. Such a device may be a fuel cell such as a high temperature polymer fuel cell, a redox flow battery, or an electrolyzer.
본 발명의 예시적인 구현예들에서는 또한, 이온 가교 결합 막(ionically crosslinked membrane)을 가열하여 열 경화함으로써 공유 가교 결합 막을 제조하는 방법을 제공한다.Exemplary embodiments of the present invention also provide a method of making a covalent crosslinked membrane by heating an ionically crosslinked membrane to heat cure.
도 1은 본 발명의 예시적인 구현예들에서, 이온 가교 결합 막(ionically crosslinked membrane)을 가열하여 열 경화함으로써 공유 가교 결합 막을 제조하는 개념도를 나타낸다.FIG. 1 shows a conceptual diagram for preparing a covalent crosslinked membrane by heating an ionically crosslinked membrane to thermoset in the exemplary embodiments of the present invention.
도 1에 도시된 바와 같이, 예시적인 일 구현예에서, 하나 이상의 술폰화된 폴리머 및 하나 이상의 아미노 그룹 함유 폴리머(도 1에서는 PBI)를 포함하는 이온 가교 결합 막(ionically crosslinked membrane)을 가열하여 열 경화함으로써 공유 가교 결합 막을 제조할 수 있다.As shown in Figure 1, in an exemplary embodiment, an ionically crosslinked membrane comprising one or more sulfonated polymers and one or more amino group containing polymers (PBI in Figure 1) is heated to heat And a cured crosslinked membrane can be prepared.
예시적인 일 구현예에서, 술폰화된 PBI 유도체를 포함하는 이온 가교 결합 막(ionically crosslinked membrane)을 가열하여 열 경화함으로써 공유 가교 결합 막을 제조할 수 있다.In an exemplary embodiment, a covalent crosslinked membrane can be prepared by heating an ionically crosslinked membrane comprising a sulfonated PBI derivative to thermally cure.
예시적인 일 구현예에서, 가열 온도는 180-400℃이다. 180℃ 보다 낮으면 반응이 일어나지 않을 수 있고, 400℃ 보다 높으면 일부 폴리머들에서 백본 열화가 나타날 수 있다. In an exemplary embodiment, the heating temperature is 180-400 占 폚. If the temperature is lower than 180 ° C., the reaction may not occur. If the temperature is higher than 400 ° C., the backbone deterioration may occur in some polymers.
예시적인 일 구현예에서, 가열 시 가스 분위기에서 수행할 수 있고, 이때 가스는 예컨대 불활성 가스나 공기를 사용할 수 있다. In an exemplary embodiment, the heating can be performed in a gaseous atmosphere, wherein the gas can be, for example, an inert gas or air.
예시적인 일 구현예에서, 상기 가열 시간은 10 초 내지 30 시간, 바람직하게는 25-250분일 수 있다. 10 초 미만인 경우에는 가교가 효과적으로 일어나지 않을 수 있고, 30시간이 넘어가면 공정 소요 시간이 너무 길어져 기술적 가치가 적어질 수 있다. In an exemplary embodiment, the heating time may be 10 seconds to 30 hours, preferably 25-250 minutes. If it is less than 10 seconds, crosslinking may not occur effectively, and if it exceeds 30 hours, the process time may become too long and the technical value may be decreased.
예시적인 일 구현예에서, 가열 전에 막이 물을 30wt%까지 흡수할 수 있고, 인산이나 황산 등과 같은 산이나 DMAc, DMSO, NMP, 술포란(sulfolane), MSA 등의 유기 용매 또는 이들의 혼합물은 20wt% 까지 흡수할 수 있다. In one exemplary embodiment, the membrane may absorb up to 30 wt% water before heating, and an acid such as phosphoric acid or sulfuric acid, or an organic solvent such as DMAc, DMSO, NMP, sulfolane, MSA, %. ≪ / RTI >
그러나, 용매를 지나치게 많이 흡수하면 막이 연화(soften)될 수 있고, 용매가 갑자기 배출되어 포어나 크랙이 막에 형성될 수 있다. 이러한 관점에서, 비제한적인 예시에서, 용매 중 물은 바람직하게는 10wt% 미만, 더 바람직하게는 5wt% 미만으로 포함될 수 있다. 산이나 유기 용매 또는 이들의 혼합물도 바람직하게는 10wt% 미만, 더 바람직하게는 5wt% 미만으로 포함될 수 있다. However, if the solvent is excessively absorbed, the film may be softened and the solvent may be suddenly discharged to form pores or cracks in the film. In this regard, in a non-limiting example, water in the solvent may preferably comprise less than 10 wt%, more preferably less than 5 wt%. An acid or an organic solvent or a mixture thereof may preferably be contained in an amount of less than 10 wt%, more preferably less than 5 wt%.
관련하여, 잔류 용매(trace solvents)는 폴리머를 가소화(plasticize)시킬 수 있고 이에 따라 경화 온도(curing temperature) 및/또는 시간(processing time)을 낮춤으로써 더 효과적인 가교를 가능하게 할 수 있다.In connection with this, trace solvents can plasticize the polymer and thus enable more effective crosslinking by lowering the curing temperature and / or the processing time.
비제한적인 예시에서, PBI 막이 건조되고 지나치게 세척되지 않은 한, 해당 막은 반복 단위당 약 1 몰의 유기 용매(예컨대 DMAc)를 잔류 용매로서 포함할 수 있다. 또한, PBI 막은 예컨대 가습 조건에서 약 20wt% 까지 물을 잔류 용매로서 포함할 수 있다. 또한, 아래 실험예에서도 상용의 PBI-OO는 대부분 메탄술폰산(MSA)을 잔류 용매로 포함하는 것을 확인할 수 있었다. In a non-limiting example, the membrane may contain about 1 mole of organic solvent (e. G., DMAc) as a residual solvent per repeat unit, unless the PBI membrane is dried and over-washed. The PBI membrane may also contain water as residual solvent, for example, up to about 20 wt% under humidified conditions. In addition, in the following Experimental Example, it was confirmed that mostly commercial PBI-OO contained methane sulfonic acid (MSA) as a residual solvent.
이하 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명의 예시적인 구현예를 더욱 상세히 설명한다. 그러나 이러한 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 범주 내에서 다양한 변형이 가능하다는 것이 이해될 것이다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the embodiments of the present invention. It should be understood, however, that such embodiments are not to be construed as limiting the scope of the invention, and that various modifications are possible within the scope of the invention.
실시예Example 및 And 비교예Comparative Example
가교 반응을 위해 먼저 전자 풍부 방향족 환(electron rich aromatic rings)을 포함하는 PBI 유도체인 poly-[(1-(4,4′-diphenylether)-5-oxybenzimidazole)-benzimidazole] (PBI-OO) 및 높은 열 안정성을 가지고 열 가교 특성(thermal cross-linking behavior)을 보인다고 알려진 술폰화 폴리머(sulfonated polymer)인 술폰화 폴리에테르 술폰(sulfonated polyether sulfone, SPAES50)을 이용하여 폴리머 블랜드를 제조하였다. (PBI-OO) and PBI-OO (PBI-OO), which are PBI derivatives containing electron rich aromatic rings, Polymer blends were prepared using a sulfonated polyether sulfone (SPAES50), a sulfonated polymer known to exhibit thermal cross-linking behavior with thermal stability.
이후 해당 폴리머 블랜드를 캐스팅하여 막을 제조하여 이온 가교 막(ionically cross-linked membranes)을 얻었다. 공유 가교(covalently cross-link)를 위하여 열 경화(thermal curing)를 사용하여 가교 반응을 수행하였다.Then, the polymer blend was cast to prepare a membrane to obtain ionically cross-linked membranes. Cross-linking reactions were performed using thermal curing for covalently cross-linking.
95:05 (PBI-OO:SPAES50)의 무게 비율로 얻어진 블랜드 막을 열 경화하고 열경화되지 않은 막과 비교하였다. 열 경화를 위하여 막을 질소를 유입시킨 오븐 퍼니스에 넣고 320℃까지 가열한 후 30 분 동안 둔 후 냉각하였다.The blend film obtained by weight ratio of 95: 5 (PBI-OO: SPAES50) was compared with a thermally cured, non-thermally cured film. For thermal curing, the film was placed in an oven furnace into which nitrogen was introduced, heated to 320 ° C, allowed to stand for 30 minutes, and then cooled.
막의 인장 강도(tensile strength) 및 연료 전지 성능(fuel cell performance)을 조사하고 경화되지 않은 막과 비교하였다. 열 경화된 막은 인산 흡수(PA uptake)가 거의 두 배였다 (하기 표 1 참조).The tensile strength and fuel cell performance of the membranes were investigated and compared with the uncured membranes. The thermally cured membrane had nearly twice the phosphate uptake (PA uptake) (see Table 1 below).
또한, 수소 및 공기를 공급하여 단일 셀 테스트(Single cell test)를 160℃에서 수행하였다. 24시간 동안의 활성화 후 분극 커브를 측정하였다.Also, a single cell test was performed at 160 캜 by supplying hydrogen and air. After 24 hours of activation, the polarization curve was measured.
인산 흡수와 기계적 특성 테스트는 다음과 같이 하였다. Phosphoric acid absorption and mechanical properties tests were performed as follows.
인삽 흡수 (Phosphoric acid uptake): 샘플 (4×1 cm2)을 85% 인산에 담그어 막의 인산 도핑을 수행하였다. 인산 도핑 조건은 아래 표 1에 기재하였다. 인산 흡수는 도핑 전 및 후의 중력 측정(gravimetric measurements)에 의하였다. 인산 흡수에 따른 무게 증가(weight gain)를 초기 무게 (wi) (진공 하 60℃ 건조) 및 도핑된 샘플 무게 (wPA)의 차이로 아래와 같이 계산하였다.Phosphoric acid uptake: The sample (4 × 1 cm 2 ) was immersed in 85% phosphoric acid to perform phosphoric acid doping of the membrane. Phosphoric acid doping conditions are shown in Table 1 below. Phosphorus absorption was determined by gravimetric measurements before and after doping. The weight gain due to phosphoric acid absorption was calculated as the difference between initial weight (w i ) (drying at 60 ° C under vacuum) and doped sample weight (w PA ) as follows.
[수학식 1][Equation 1]
한편, 기계적 특성 테스트를 위하여, 인산 도핑된 막의 최대 인장 강도, 영 모듈러스, 파단 신장율을 콤텍(Cometech) QC-508E 장치로 측정된 힘 변위 곡선(force displacement curves)으로부터 결정하였다.On the other hand, for mechanical properties testing, the maximum tensile strength, Young's modulus, and elongation at break of the phosphate-doped membrane were determined from force displacement curves measured with a Cometech QC-508E instrument.
각 물질에 대하여, 동일한 막으로부터 얻어진 적어도 5개의 샘플을 이용하여 측정하고 평균값을 산출하였다. 샘플 사이즈는 4×1 cm2 이고 파단 속도(elongation speed)는 10 mm min-1 이다.For each material, at least five samples obtained from the same membrane were used and the average value was calculated. The sample size is 4 × 1 cm 2 and the elongation speed is 10 mm min -1 .
아래 표 1은 열 처리 조건 등을 나타내는 것이고, 표 2는 특성 및 성능 평가 결과를 나타내는 것이다. Table 1 below shows heat treatment conditions and the like, and Table 2 shows properties and performance evaluation results.
PBI-OO:SESPolymer blend composition
PBI-OO: SES
물 중 침전(Reprecipitation in water)
(x g PBI-OO, y g NMP, z ml 물)PBI-OO purification
Reprecipitation in water
(xg PBI-OO, yg NMP, z ml water)
없음Heat treatment
none
/48 h80 ℃
/ 48
없음Heat treatment
/48 h30 ℃
/ 48 h
/48 h90 ° C
/ 48 h
/48 h90 ° C
/ 48 h
/48 h80 ℃
/ 48 h
/24 h80 ℃
/ 24 h
/48 h80 ℃
/ 48 h
/24 h80 ℃
/ 24 h
/48 h90 ° C
/ 48 h
/48 h90 ° C
/ 48 h
/48 h80 ℃
/ 48 h
/24 h80 ℃
/ 24 h
/24 h80 ℃
/ 24 h
/48 h90 ° C
/ 48 h
/48 h90 ° C
/ 48 h
/48 h80 ℃
/ 48 h
/24 h80 ℃
/ 24 h
/24 h80 ℃
/ 24 h
/48 h90 ° C
/ 48 h
(MPa)The tensile strength
(MPa)
(MPa)Youngmamu Russ
(MPa)
지수Performance evaluation
Indices
* 성능 평가 지수 = (인산 흡수) x( 인장 강도) x 2/1000 * Performance evaluation index = (phosphoric acid absorption) x (tensile strength) x 2/1000
< 3.5 : 나쁨<3.5: Poor
<5 : 중간<5: Medium
5>: 우수 5>: Excellent
한편, 선행 문헌의 하기 화학식 4의 메타 PBI (MW = 37 kDa, 완전히 도핑) 경우 인산 흡수는 약 400%이고, 인장 강도는 약 6-7 MPa이다 (비특허문헌 5). 이 경우 성능 평가 지수는 4.8-5.6이다. On the other hand, in the case of meta-PBI (MW = 37 kDa, fully doped) of the following formula 4, phosphoric acid absorption is about 400% and tensile strength is about 6-7 MPa (Non-Patent Document 5). In this case, the performance evaluation index is 4.8-5.6.
[화학식 4][Chemical Formula 4]
또한, 인산 흡수가 360%이고, 인장 강도가 5.8인 메타 PBI 경우 (비특허문헌 6) 성능 평가 지수는 4.2이다. Further, in the case of a meta-PBI having a phosphoric acid absorption of 360% and a tensile strength of 5.8 (Non-Patent Document 6), the performance evaluation index is 4.2.
또한, 하기 화학식 5의 BTBP-PBI 가 다양한 레벨로 도핑된 선행 기술(비특허문헌 7)의 경우 인산 흡수와 인장 강도 성능 평가 지수를 아래 표 3에 나타내었다.In the case of the prior art (Non-Patent Document 7) in which BTBP-PBI of the following Chemical Formula 5 is doped at various levels, the phosphoric acid absorption and tensile strength performance evaluation indexes are shown in Table 3 below.
[화학식 5][Chemical Formula 5]
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 표 2에서 인산 흡수와 인장 강도(로그 값) 결과 그래프이다. 2 is a graph of phosphorus absorption and tensile strength (logarithmic) results in Table 2 according to an embodiment of the present invention.
도 2에서 네모는 모두 성능 평가 지수가 5보다 큰 것으로 우수한 것이고, 세모는 성능 평가 지수가 3.5-5로 양호한 것이며, 마름모는 성능 평가 지수가 3.5 미만으로 낮은 것이다.In FIG. 2, all of the squares are excellent in that the performance evaluation index is greater than 5. The triangle has a good performance index of 3.5-5, and the rhombus has a performance evaluation index of less than 3.5.
도 2로부터 열처리 없이 얻어진 블랜드 막 및 메탈 플레이트 사이에서 처리한 막 (마름모)은 인산 흡수 및 인장 강도 간의 관계가 나쁘다는 것을 알 수 있다. 반면, 열처리 한 경우는 우수한 성능 평가 지수를 보였다. It can be seen from FIG. 2 that the film (rhombus) treated between the blend film and the metal plate obtained without heat treatment has a poor relationship between phosphoric acid absorption and tensile strength. On the other hand, the heat treatment showed an excellent performance evaluation index.
한편, 성능 평가 지수가 가장 높은 샘플 12에 대하여 연료 전지 테스트를 수행하였다. On the other hand, the fuel cell test was performed on the sample 12 having the highest performance evaluation index.
도 3은 본 발명의 실시예에서 샘플 12 막의 분극 커브를 나타낸다. Figure 3 shows the polarization curve of a sample 12 film in an embodiment of the present invention.
도핑 후 샘플 12 막의 두께는 130㎛이었다. 분극 커브는 160℃에서 측정한 것이고 셀 면적은 7.84 cm2이었다. 가습되지 않은 조건이었고, 160℃, 0.2 A.cm-2 에서 24시간 활성화 후 측정하였다. The thickness of the sample 12 film after doping was 130 占 퐉. The polarization curve was measured at 160 DEG C and the cell area was 7.84 cm < 2 & gt ;. It was not humidified and was measured after activation at 160 ° C and 0.2 A cm -2 for 24 hours.
도 3에서 알 수 있듯이, 막이 두께를 감안할 때 전력 밀도도 양호하게 나온 것을 알 수 있다.As can be seen from FIG. 3, it can be seen that the power density is good when the thickness of the film is taken into consideration.
Claims (16)
공유 가교 결합 지점(covalent crosslinking site)이 술폰 결합(sulfone bond)(-SO2-)인 것을 특징으로 하는 공유 가교 결합 막.
A covalently crosslinked membrane obtained by thermally curing an ionically crosslinked membrane,
Wherein the covalent crosslinking site is a sulfone bond (- SO 2 -).
상기 이온 가교 결합 막은 하나 이상의 술폰화된 폴리머 및 하나 이상의 아미노 그룹 함유 폴리머를 포함하는 것을 특징으로 하는 공유 가교 결합 막.
The method according to claim 1,
Wherein said ionic crosslinking membrane comprises at least one sulfonated polymer and at least one amino group containing polymer.
상기 아미노 그룹 함유 폴리머는 PBI계 폴리머인 것을 특징으로 하는 공유 가교 결합 막.
3. The method of claim 2,
Wherein the amino group-containing polymer is a PBI-based polymer.
상기 PBI계 폴리머는 메타-PBI, 파라-PBI, O-PBI, PBI-OO, PBI-HFA, PBI-OH, 피리딘 함유 PBI로 이루어진 그룹에서 선택되는 하나 또는 이들의 혼합물 또는 코폴리머인 것을 특징으로 하는 공유 가교 결합 막.
The method of claim 3,
The PBI polymer is one or a mixture or copolymer selected from the group consisting of meta-PBI, para-PBI, O-PBI, PBI-OO, PBI-HFA, PBI- ≪ / RTI >
상기 술폰화된 폴리머는 술폰화된 하이드로카본계 막 또는 퍼풀루오르화 폴리머인 것을 특징으로 하는 공유 가교 결합 막.
3. The method of claim 2,
Wherein the sulfonated polymer is a sulfonated hydrocarbon-based membrane or a perfluorinated polymer.
상기 이온 가교 결합 막은 술폰화된 PBI 유도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 공유 가교 결합 막.
The method according to claim 1,
≪ / RTI > wherein the ionic crosslinking membrane comprises a sulfonated PBI derivative.
열 경화 전 이온 가교 결합된 물질에서 술폰산 그룹 SO3H와 C=N-C의 몰 비율(molar ration; SO3H / C=N-C)은 0< SO3H / C=N-C < 0.5인 것을 특징으로 하는 공유 가교 결합 막.
The method according to claim 1,
The molar ratio (SO 3 H / C = NC) of the sulfonic acid group SO 3 H and C = NC in the ion-crosslinked material before thermosetting is 0 <SO 3 H / C = NC <0.5 Shared cross-linking membrane.
A device comprising the covalent crosslinked membrane of any of claims 1 to 7.
상기 소자는 연료전지, 레독스 흐름 전지 또는 전해 장치인 것을 특징으로 하는 소자.
9. The method of claim 8,
Wherein the device is a fuel cell, a redox flow cell or an electrolytic device.
Characterized in that a covalent crosslinking site is a sulfone bond (- SO 2 -), and the covalent crosslinking site is a sulfone bond (- SO 2 -). .
상기 방법은, 하나 이상의 술폰화된 폴리머 및 하나 이상의 아미노 그룹 함유 폴리머를 포함하는 이온 가교 결합 막을 제조하는 단계;
상기 이온 가교 결합 막을 가열하여 열 경화함으로써 공유 가교 결합 막을 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공유 가교 결합 막 제조 방법.
11. The method of claim 10,
The method comprises the steps of: preparing an ionic crosslinked membrane comprising at least one sulfonated polymer and at least one amino group containing polymer;
And heating the ionically crosslinked membrane to thermally cure the membrane to form a covalent crosslinked membrane.
상기 방법은, 술폰화된 PBI 유도체를 포함하는 이온 가교 결합 막(ionically crosslinked membrane)을 제조하는 단계; 및
상기 이온 가교 결합 막을 가열하여 열 경화함으로써 공유 가교 결합 막을 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공유 가교 결합 막 제조 방법.
11. The method of claim 10,
The method comprises the steps of: preparing an ionically crosslinked membrane comprising a sulfonated PBI derivative; And
And heating the ionically crosslinked membrane to thermally cure the membrane to form a covalent crosslinked membrane.
가열 온도는 180-400℃인 것을 특징으로 하는 공유 가교 결합 막 제조 방법.
11. The method of claim 10,
Wherein the heating temperature is 180 to 400 占 폚.
가열 시간은 10 초 내지 30 시간인 것을 특징으로 하는 공유 가교 결합 막 제조 방법.
14. The method of claim 13,
Wherein the heating time is from 10 seconds to 30 hours.
가열 전에 막이 물을 30wt%까지 흡수하도록 하거나, 산이나 유기 용매 또는 이들의 혼합물을 20wt% 까지 흡수하도록 하는 것을 특징으로 하는 공유 가교 결합 막 제조 방법.
11. The method of claim 10,
Characterized in that the membrane is allowed to absorb up to 30 wt% of the water before heating, or to absorb up to 20 wt% of the acid or organic solvent or mixture thereof.
공유 가교 결합 막이 잔류 용매(trace solvent)를 포함하는 것을 특징으로 하는 공유 가교 결합 막 제조 방법.11. The method of claim 10,
Wherein the covalent cross-linking membrane comprises a trace solvent.
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