KR101841692B1 - Semi-fluorinated Poly(ether sulfone) block copolymers and Anion Exchange Polymer Electrolyte Membrane using the same - Google Patents

Semi-fluorinated Poly(ether sulfone) block copolymers and Anion Exchange Polymer Electrolyte Membrane using the same Download PDF

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KR101841692B1 KR1020170016264A KR20170016264A KR101841692B1 KR 101841692 B1 KR101841692 B1 KR 101841692B1 KR 1020170016264 A KR1020170016264 A KR 1020170016264A KR 20170016264 A KR20170016264 A KR 20170016264A KR 101841692 B1 KR101841692 B1 KR 101841692B1
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백현종
쿠마르 모하티 아루나
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Abstract

The present invention relates to a semi-fluorinated polyether sulfone block copolymer and an anion exchange polymer electrolyte membrane using the same. More particularly, the block copolymer has repeating units, wherein a repeating unit is formed by connecting a hydrophilic region formed by a pendent polyether sulfone backbone with at least one of quaternary ammonium salt or imidazolium salt and a hydrophobic region formed by a fluorinated polyether sulfone backbone while decafluorobiphenyl or hexafluorobenzene is used as a medium. The anion exchange polymer electrolyte membrane using the copolymer according to the present invention not only enhances conductivity, but also exhibits excellent water absorption, thermal stability, aqueous alkaline stability and anion conductivity.

Description

반플루오르화된 폴리에테르설폰 블록공중합체 및 이를 이용한 음이온 교환 고분자 전해질막{Semi-fluorinated Poly(ether sulfone) block copolymers and Anion Exchange Polymer Electrolyte Membrane using the same}Technical Field The present invention relates to a semi-fluorinated polyether sulfone block copolymer and an anion exchange polymer electrolyte membrane using the same,

본 발명은 반플루오르화된(semi-fluorinated) 폴리에테르설폰 블록공중합체 및 이를 이용한 음이온 교환 고분자 전해질막에 관한 것으로, 보다 상세하게는 데카플루오로바이페닐 또는 헥사플루오로벤젠을 매개로 하여, 하나 이상의 4차 암모늄염 또는 이미다졸륨염이 팬던트된 폴리에테르설폰 주쇄로 구성된 친수성 영역과 플루오르화된 폴리에테르설폰 주쇄로 구성된 소수성 영역을 연결함으로써 하나의 반복단위 내에 포함되는 것을 특징으로 하여 제조되는 블록공중합체와 이를 이용한 음이온 교환 고분자 전해질막에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semi-fluorinated polyether sulfone block copolymer and an anion exchange polyelectrolyte membrane using the same. More particularly, the present invention relates to an anion exchange polymer electrolyte membrane using decafluorobiphenyl or hexafluorobenzene, Wherein the quaternary ammonium salt or imidazolium salt is contained in one repeating unit by linking a hydrophilic region composed of a pendant polyethersulfone backbone and a hydrophobic region composed of a fluorinated polyethersulfone backbone, And an anion exchange polymer electrolyte membrane using the same.

최근 음이온 교환막 연료전지(AEMFC; anion exchange membrane fuel cell)는 고분자 전해질 연료전지(PEMFC; polymer electroyte membrain fuel cell) 대비 고출력 및 에너지 고밀도와 같은 큰 이점을 보이며 상당한 관심을 받아왔다. AEMFC는 연료 유연성(예컨대 메탄올, 에탄올, 에틸렌 글리콜 등)과 높은 연료 효율과 함께, 양극의 낮은 산소 환원 과전압과 용이한 반응 역학을 보이는 비귀금속 촉매(니켈, 코발트 등)의 사용 및 기본 환경에서의 내구성 향상을 통하여 연료전지 비용을 크게 감소시킬 수 있다. Recently, anion exchange membrane fuel cell (AEMFC) has attracted considerable interest, showing great advantages such as high power and high energy density compared with polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC). The AEMFC is a non-noble metal catalyst (nickel, cobalt, etc.) that exhibits low oxygen overvoltage and easy reaction kinetics of the anode with fuel flexibility (such as methanol, ethanol, ethylene glycol, etc.) The fuel cell cost can be greatly reduced through improved durability.

그러나, 대개 AEMFC 내 막전해질로서의 음이온 교환막(AEM; anion exchange membrane)은 산성인 양이온 교환막(PEM; proton exchange membrane) (상당히 희석된 용액에서 H+/OH-의 전도비율은 약 1.76)과 비교하여 대개 낮은 이온 전도성을 갖는 것으로 알려져 있다. 이온 교환막의 이온 전도성이 이온 교환능(IEC; ion exchange capacity) 및 물 흡수량과 밀접하게 연관되어 있으므로, 이온 교환막의 IEC를 증가시킴으로써 이온 전도성을 향상시키는 방법은 많은 양의 물 흡수 및 낮은 기계적 특성을 동시에 초래한다. However, anion exchange membranes (AEMs) as membrane electrolytes in AEMFCs are generally more stable compared to acidic proton exchange membranes (PEM) (conduction ratio of H + / OH - in highly diluted solutions is approximately 1.76) It is generally known to have low ionic conductivity. Since the ion conductivity of the ion exchange membrane is closely related to the ion exchange capacity (IEC) and the water uptake, the method of improving the ion conductivity by increasing the IEC of the ion exchange membrane has a large amount of water absorption and low mechanical properties .

따라서, AEMFC 용 AEM을 개발하는데 있어서 기본 환경에서의 높은 수산화 전도성, 우수한 치수 안정성 및 화학적 안정성이라는 포괄적인 조건들을 만족시키기 위한 연구 개발이 절실한 실정이다.Therefore, in developing AEMFC AEM, research and development are needed to satisfy the comprehensive conditions of high hydroxide conductivity, excellent dimensional stability and chemical stability in a basic environment.

대한민국 공개특허 제2012-0082007호Korean Patent Publication No. 2012-0082007

본 발명의 블록공중합체 및 이를 이용한 음이온 교환 고분자 전해질막에 있어서 상기한 문제점을 해결하고자 예의 연구 검토한 결과, As a result of intensive studies in order to solve the above problems in the block copolymer of the present invention and the anion exchange polyelectrolyte membrane using the block copolymer,

펜던트 4차 암모늄염기 및 이미다졸륨염기를 포함하는 부분 불소화된(Semi-fluorinated) 폴리에테르설폰 블록 공중합체의 합성을 통해, 상기 블록 공중합체 구조로부터 기인한 친수성/소수성 상분리 구조는 막의 전도성을 높여줄 수 있을 뿐만 아니라, 상기 블록 공중합체를 이용한 전해질막은 우수한 물 흡수량, 열안정성, 수성 알칼리 안정성, 음이온 전도성 등의 특성을 나타낼 수 있음을 알아내었다.Through the synthesis of a semi-fluorinated polyether sulfone block copolymer comprising a pendant quaternary ammonium salt group and an imidazolium base, the hydrophilic / hydrophobic phase separation structure resulting from the block copolymer structure enhances the conductivity of the membrane It has been found that the electrolyte membrane using the block copolymer can exhibit excellent properties such as water absorption, thermal stability, aqueous alkaline stability and anionic conductivity.

따라서, 본 발명의 목적은 블록 공중합체를 구성하는 하나의 반복단위 내에 친수성/소수성 상분리 구조를 나타냄으로써, 막의 전도성이 향상될 뿐만 아니라, 우수한 물 흡수량, 열안정성, 수성 알칼리 안정성 및 음이온 전도성 특성을 나타낼 수 있는 상기 블록 공중합체를 이용한 음이온 교환 고분자 전해질막을 제공하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a polyvinyl alcohol copolymer which exhibits a hydrophilic / hydrophobic phase-separated structure in one repeating unit constituting a block copolymer, so that not only the conductivity of the membrane is improved but also excellent water absorption, thermal stability, aqueous alkali stability and anion conductivity And an anion-exchange polymer electrolyte membrane using the block copolymer.

본 발명의 일 실시형태는 반플루오르화된 폴리에테르설폰 블록공중합체(semi-fluorinated poly(ether sulfone), FPES)에 관한 것으로, 본 발명에 따른 블록공중합체는 One embodiment of the present invention relates to a semi-fluorinated poly (ether sulfone) (FPES), wherein the block copolymer according to the present invention comprises

하나 이상의 4차 암모늄염과 수소, 또는 하나 이상의 이미다졸륨염과 수소가 팬던트된 폴리에테르설폰 주쇄로 구성된 친수성 영역; 및A hydrophilic region comprising at least one quaternary ammonium salt and hydrogen, or at least one imidazolium salt and a hydrogen pendant polyethersulfone backbone; And

플루오르화된 폴리에테르설폰 주쇄로 구성된 소수성 영역;을 포함하되,A hydrophobic region comprised of a fluorinated polyethersulfone backbone,

상기 친수성 영역 및 소수성 영역은 데카플루오로바이페닐 또는 헥사플루오로벤젠을 매개로 연결되는 것을 특징으로 하는 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함한다.The hydrophilic region and the hydrophobic region include a repeating unit represented by the following Formula 1, which is linked via decafluorobiphenyl or hexafluorobenzene.

[화학식 1] [Chemical Formula 1]

Figure 112017012219456-pat00001
Figure 112017012219456-pat00001

상기 식에서,In this formula,

R은 데카플루오로바이페닐 또는 헥사플루오로벤젠이고,R is decafluorobiphenyl or hexafluorobenzene,

R''는 각각

Figure 112017012219456-pat00002
,
Figure 112017012219456-pat00003
또는 수소이되, 상기
Figure 112017012219456-pat00004
Figure 112017012219456-pat00005
는 동시에 포함되지 않으며,R "
Figure 112017012219456-pat00002
,
Figure 112017012219456-pat00003
Or hydrogen,
Figure 112017012219456-pat00004
Wow
Figure 112017012219456-pat00005
Are not simultaneously included,

x 및 y는 5 내지 25의 정수이고, x and y are integers from 5 to 25,

n은 2 내지 10의 정수이다.n is an integer of 2 to 10;

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 R''기로 4차 암모늄염이 팬던트되는 경우, 전체 R''의 약 55 내지 75%가 브롬(Br)으로부터 4차 암모늄염으로 선택 치환되고, 나머지는 수소로 팬던트화 될 수 있다.In one embodiment of the present invention, when the quaternary ammonium salt is pendant with the R "group, about 55 to 75% of the total R" is selectively substituted from bromine (Br) with a quaternary ammonium salt, .

또한, 상기 R''기로 이미다졸륨염이 팬던트되는 경우, 전체 R''의 약 55 내지 75%가 브롬(Br)으로부터 이미다졸륨염으로 선택 치환되고, 나머지는 수소로 팬던트화 될 수 있다.Further, when the imidazolium salt is pendant with the R 'group, about 55 to 75% of the total R' 'can be selected from bromine (Br) to imidazolium salt, and the remainder can be pendant with hydrogen.

상기 이미다졸륨염은 알킬이미다졸륨염일 수 있다.The imidazolium salt may be an alkyl imidazolium salt.

본 발명의 일 실시형태는 상기 반플루오르화된(semi-fluorinated) 폴리에테르설폰 블록공중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 음이온 교환 고분자 전해질막에 관한 것이다.An embodiment of the present invention relates to an anion exchange polyelectrolyte membrane characterized by comprising the semi-fluorinated polyether sulfone block copolymer.

상기 고분자 전해질막은 실리콘 산화물(SiO2), 티타늄 산화물(TiO2), 무기인산, 술폰화된 실리콘 산화물(Sulfonated SiO2), 술폰화된 지르코늄 산화물(sulfonated ZrO) 및 술폰화된 지르코늄 인산염(sulfonated ZrP)로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 무기물을 더 포함할 수 있다.The polymer electrolyte membrane may be formed of at least one selected from the group consisting of silicon oxide (SiO 2 ), titanium oxide (TiO 2 ), inorganic phosphoric acid, sulfonated SiO 2 , sulfonated ZrO 2 and sulfonated ZrP ). ≪ / RTI >

상기 고분자 전해질막은 다공성 지지체를 더 포함할 수 있다.The polymer electrolyte membrane may further include a porous support.

본 발명의 일 실시형태는 상기 음이온 교환 고분자 전해질막을 채용한 연료전지에 관한 것이다.One embodiment of the present invention relates to a fuel cell employing the anion-exchange polymer electrolyte membrane.

본 발명의 일 실시형태는 하기 화학식 2의 화합물의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 제조방법은One embodiment of the present invention relates to a process for the preparation of a compound of formula (2)

(i) 하기 화학식 4의 화합물과 화학식 5의 화합물을 K2CO3의 존재 하에서 반응시켜 하기 화학식 6의 화합물을 제조하는 단계;(i) reacting a compound of formula (4) and a compound of formula (5) in the presence of K 2 CO 3 to produce a compound of formula (6);

(ii) 하기 화학식 6의 화합물을 K2CO3의 존재 하에 헥사플루오로벤젠(HFB)으로 말단 캡핑하여 하기 화학식 10의 화합물을 제조하는 단계; (ii) endcapping a compound of formula (6) with hexafluorobenzene (HFB) in the presence of K 2 CO 3 to produce a compound of formula (10);

(iii) 화학식 7의 화합물과 화학식 8의 화합물을 K2CO3의 존재 하에서 반응시켜 하기 화학식 9의 화합물을 제조하는 단계;(iii) reacting a compound of formula (VII) with a compound of formula (VIII) in the presence of K 2 CO 3 to produce a compound of formula (9);

(iv) 하기 화학식 9의 화합물과 하기 화학식 10의 화합물을 K2CO3의 존재 하에서 반응시켜 하기 화학식 11의 화합물을 제조하는 단계;(iv) reacting a compound of formula (9) and a compound of formula (10) in the presence of K 2 CO 3 to prepare a compound of formula (11);

(v) N-브로모숙신이미드(NBS) 및 과산화 벤조일(BPO)을 이용하여 하기 화학식 11의 화합물을 라디칼 반응시켜 하기 화학식 12의 화합물을 제조하는 단계; 및(v) reacting a compound of the following formula (11) with N-bromosuccinimide (NBS) and benzoyl peroxide (BPO) to prepare a compound of the following formula (12); And

(vi) 하기 화학식 12의 화합물을 트리메틸아민 또는 에틸이미다졸과 반응시켜 하기 화학식 2의 화합물을 제조하는 단계를 포함한다.(vi) reacting a compound of the following formula (12) with trimethylamine or ethylimidazole to prepare a compound of the following formula (2).

[화학식 4][Chemical Formula 4]

Figure 112017012219456-pat00006
Figure 112017012219456-pat00006

[화학식 5][Chemical Formula 5]

Figure 112017012219456-pat00007
Figure 112017012219456-pat00007

[화학식 6][Chemical Formula 6]

Figure 112017012219456-pat00008
Figure 112017012219456-pat00008

[화학식 7](7)

Figure 112017012219456-pat00009
Figure 112017012219456-pat00009

[화학식 8][Chemical Formula 8]

Figure 112017012219456-pat00010
Figure 112017012219456-pat00010

[화학식 9][Chemical Formula 9]

Figure 112017012219456-pat00011
Figure 112017012219456-pat00011

[화학식 10][Chemical formula 10]

Figure 112017012219456-pat00012
Figure 112017012219456-pat00012

[화학식 11]

Figure 112017012219456-pat00013
(11)
Figure 112017012219456-pat00013

[화학식 12][Chemical Formula 12]

Figure 112017012219456-pat00014
Figure 112017012219456-pat00014

[화학식 2](2)

Figure 112017012219456-pat00015
Figure 112017012219456-pat00015

상기 식에서,In this formula,

R'는 Br 또는 수소이고,R 'is Br or hydrogen,

R''는

Figure 112017012219456-pat00016
,
Figure 112017012219456-pat00017
또는 수소이며,R "
Figure 112017012219456-pat00016
,
Figure 112017012219456-pat00017
Or hydrogen,

x 및 y는 5 내지 25의 정수이고, x and y are integers from 5 to 25,

n은 2 내지 10의 정수이다.n is an integer of 2 to 10;

이하, 본 발명의 제조방법을 하기 반응식 1을 참조로 보다 상세히 설명한다. 하기 반응식 1에 기재된 방법은 대표적으로 사용된 방법을 예시한 것일 뿐 반응시약, 반응조건 등은 경우에 따라 얼마든지 변경될 수 있다.Hereinafter, the production method of the present invention will be described in more detail with reference to Reaction Scheme 1 below. The method described in the following Reaction Scheme 1 exemplifies the representative method, but the reaction reagent, the reaction conditions, and the like may be changed as required.

[반응식 1]

Figure 112017012219456-pat00018
[Reaction Scheme 1]
Figure 112017012219456-pat00018

제1단계: 화학식 6의 화합물(Step 1: To a solution of the compound of formula 6 ( FPESFPES -- 2)의2) of 제조 Produce

화학식 6의 화합물(FPES-2)은 화학식 4의 화합물(4,4′-Hexafluoroisopropylidene, 6FBPA)와 화학식 5의 화합물(4,4′-dichlorodiphenylsulfone, DCDPS)을 K2CO3의 존재 하에서 반응시켜 제조할 수 있다.The compound (FPES-2) of formula (6) is prepared by reacting the compound of formula (4,4'-Hexafluoroisopropylidene, 6FBPA) with the compound of formula (5) (4,4'-dichlorodiphenylsulfone, DCDPS) in the presence of K 2 CO 3 can do.

반응용매로는 N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone, NMP)를 사용하는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.As the reaction solvent, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) is preferably used, but it is not limited thereto.

반응온도는 약 180 내지 200℃가 적합하고, 반응시간은 약 20 내지 24시간이 바람직하다.The reaction temperature is preferably about 180 to 200 DEG C, and the reaction time is preferably about 20 to 24 hours.

제2단계: 화학식 10의 화합물(Step 2: To a solution of the compound of formula 10 ( FPESFPES -- 3)의3) of 제조 Produce

화학식 10의 화합물(F-terminated oligomer, FPES-3)은 화학식 6의 화합물(FPES-2 올리고머)을 K2CO3의 존재 하에 헥사플루오로벤젠(Hexafluorobenzene, HFB)으로 말단 캡핑하여 제조할 수 있다. The F-terminated oligomer, FPES-3, can be prepared by end capping a compound of formula 6 (FPES-2 oligomer) in the presence of K 2 CO 3 with hexafluorobenzene (HFB) .

상기 화학식 6의 화합물을 HFB로 말단 캡핑하는 것은 제조되는 화학식 10의 화합물이 약 110℃에서 OH-말단 2,2-비스(4-히드록시-3,5-디메틸페닐)프로판 (2,2-Bis(4-hydroxy-3,5-dimethylphenyl)propane, TMBPA)에 기반한 올리고머인 화학식 9의 화합물(PES-1)과의 반응을 촉진하기 위하여 필요하다(아래 제4단계 참조). End capping of the compound of formula (6) with HFB requires that the compound of formula (10) to be prepared is reacted with OH-terminated 2,2-bis (4-hydroxy-3,5-dimethylphenyl) (PES-1), which is an oligomer based on bis (4-hydroxy-3,5-dimethylphenyl) propane, TMBPA) (see Step 4 below).

상기 HFB의 휘발성을 감안하여 상기 말단 캡핑 반응을 질소 퍼징 없이 반응온도 약 80 내지 90℃로 하여 K2CO3의 존재 하에서 진행하였다. In consideration of the volatility of the HFB, the end-capping reaction was carried out in the presence of K 2 CO 3 at a reaction temperature of about 80 to 90 ° C without nitrogen purge.

반응용매로는 디메틸아세트아미드(Dimethylacetamide, DMAc)가 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.The reaction solvent is preferably, but not limited to, dimethylacetamide (DMAc).

반응시간은 약 20 내지 24시간이 바람직하다.The reaction time is preferably about 20 to 24 hours.

상기 HFB은 다기능성이며 반응성이 높으므로, 올리고머간 결합을 피하기 위해 과량(화학식 6의 화합물:HFB=1:10)으로 사용할 수 있다.Since the HFB is multifunctional and highly reactive, it can be used in an excess amount (compound of Formula 6: HFB = 1: 10) in order to avoid oligomer bonding.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 헥사플루오로벤젠 대신에 데카플루오로페닐을 사용하여 본 발명에 따른 블록공중합체를 제조할 수 있다(하기 화학식 3 참조).In one embodiment of the present invention, a block copolymer according to the present invention can be prepared by using decafluorophenyl instead of hexafluorobenzene (see the following formula (3)).

제3단계: 화학식 9의 화합물(Step 3: To a solution of the compound of formula 9 ( PESPES -- 1)의1) of 제조 Produce

화학식 9의 화합물(PES-1)은 화학식 7의 화합물(TMBPA)와 화학식 8의 화합물(4,4′-difluorodiphenylsulfone, DFDPS)을 K2CO3의 존재 하에서 반응시켜 제조할 수 있다.The compound of formula 9 (PES-1) can be prepared by reacting the compound of formula 7 (TMBPA) with the compound of formula 8 (4,4'-difluorodiphenylsulfone, DFDPS) in the presence of K 2 CO 3 .

반응용매로는 NMP를 사용하는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.As the reaction solvent, NMP is preferably used, but it is not limited thereto.

반응온도는 약 170 내지 180℃가 적합하고, 반응시간은 약 20 내지 24시간이 바람직하다.The reaction temperature is suitably about 170 to 180 DEG C, and the reaction time is preferably about 20 to 24 hours.

제4단계: 화학식 11의 화합물(Step 4: Compound of formula 11 ( FPESFPES )의 제조)

화학식 11의 화합물(FPES)은 화학식 9의 화합물(poly(ether sulfone) oligomer, PES-1)과 화학식 10의 화합물(FPES-3)을 K2CO3의 존재 하에서 반응시켜 제조할 수 있다.The compound of formula 11 (FPES) can be prepared by reacting a compound (poly (ether sulfone) oligomer, PES-1) with the compound of formula 10 (FPES-3) in the presence of K 2 CO 3 .

반응용매로는 DMAc이 바람직하고, 상기 반응으로부터 물을 공비 제거하는데 시클로헥산을 사용하는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.As the reaction solvent, DMAc is preferable, and cyclohexane is preferably used to azeotropically remove water from the reaction, but it is not limited thereto.

반응온도는 약 100 내지 110℃가 적합하며, 반응시간은 약 20 내지 24시간이 바람직하다.The reaction temperature is preferably about 100 to 110 DEG C, and the reaction time is preferably about 20 to 24 hours.

상기 화학식 6 의 화합물과 상기 화학식 7의 화합물은 1:1 화학량론적으로 반응시키는 것이 바람직하다.The compound of Formula 6 and the compound of Formula 7 are preferably reacted in a 1: 1 stoichiometry.

제5단계: 화학식 12의 화합물(Step 5: To a solution of the compound of formula 12 ( FPESFPES -- BrBr )의 제조)

화학식 12의 화합물(The brominated multiblock copolymer, FPES-Br)은 N-브로모숙신이미드(N-bromosuccinimide, NBS) 및 과산화 벤조일(benzoyl peroxide, BPO)을 이용하여 화학식 11의 화합물(FPES)을 라디칼 반응시켜 제조할 수 있다.The brominated multiblock copolymer (FPES-Br) is prepared by reacting a compound of formula 11 (FPES) with a radical (N-bromosuccinimide, NBS) and benzoyl peroxide Followed by reaction.

반응용매로는 1,1,2,2-테트라클로로에탄이 바람직하나, 이에 제한되지 않는다.As the reaction solvent, 1,1,2,2-tetrachloroethane is preferable, but it is not limited thereto.

반응온도는 약 80 내지 90℃가 적합하며, 반응시간은 약 5 내지 6시간이 바람직하다.The reaction temperature is preferably about 80 to 90 占 폚, and the reaction time is preferably about 5 to 6 hours.

또한, 본 발명에 따른 FPES-QA(The multiblock copolymer containing pendent quaternary ammonium)의 제조방법은 하기 반응식 2을 참조로 보다 상세히 설명한다. 하기 반응식 2에 기재된 방법은 대표적으로 사용된 방법을 예시한 것일 뿐 반응시약, 반응조건 등은 경우에 따라 얼마든지 변경될 수 있다.The method of preparing the multiblock copolymer containing pendent quaternary ammonium (FPES-QA) according to the present invention will be described in more detail with reference to Reaction Scheme 2 below. The method described in the following Reaction Scheme 2 exemplifies the representative method, but the reaction reagent, the reaction conditions, and the like may be changed as required.

[반응식 2][Reaction Scheme 2]

Figure 112017012219456-pat00019
Figure 112017012219456-pat00019

제6단계: Step 6: FPESFPES -- QA의QA 제조 Produce

FPES-QA은 화학식 12의 화합물(FPES-Br)을 트리메틸아민(Trimethylamine, TMA)과 반응시켜 제조할 수 있다.FPES-QA can be prepared by reacting the compound of formula 12 (FPES-Br) with trimethylamine (TMA).

반응용매로는 디메틸프름아마이드(Demethylformamide, DMF)가 바람직하나, 이에 제한되지 않는다.The reaction solvent is preferably, but not limited to, dimethylformamide (DMF).

반응온도는 상온이 적합하며, 반응시간은 약 24 내지 48시간이 바람직하다.The reaction temperature is suitably room temperature, and the reaction time is preferably about 24 to 48 hours.

FPES-IM(The multiblock copolymer containing pendent imidazolium)의 제조방법은 하기 반응식 3을 참조로 보다 상세히 설명한다. 하기 반응식 3에 기재된 방법은 대표적으로 사용된 방법을 예시한 것일 뿐 반응시약, 반응조건 등은 경우에 따라 얼마든지 변경될 수 있다.The method of preparing FPES-IM (the multiblock copolymer containing pendent imidazolium) will be described in more detail with reference to Reaction Scheme 3 below. The method described in the following Reaction Scheme 3 exemplifies the representative method, but the reaction reagent, the reaction conditions, and the like may be changed as required.

[반응식 3][Reaction Scheme 3]

Figure 112017012219456-pat00020
Figure 112017012219456-pat00020

제7단계: Step 7: FPESFPES -- IM의IM 제조 Produce

FPES-IM은 화학식 12의 화합물(FPES-Br)을 에틸이미다졸과 반응시켜 제조할 수 있다.FPES-IM can be prepared by reacting a compound of formula 12 (FPES-Br) with ethylimidazole.

반응용매로는 DMF가 바람직하나, 이에 제한되지 않는다.The reaction solvent is preferably, but not limited to, DMF.

반응온도는 80 내지 90℃가 적합하며, 반응시간은 약 24 내지 48시간이 바람직하다.The reaction temperature is preferably from 80 to 90 캜, and the reaction time is preferably from about 24 to 48 hours.

이오노머의 합성은 전구체 블록 공중합체의 벤질 브롬화, 뒤이은 사차화 및 수산화 이온과의 음이온 교환을 수반한다. 그 전에, 2,2-비스(4-하이드록시-3,5-디메틸페닐)프로판과 4,4′-헥사플루오로이소프로필리덴 디페놀에 기반한 올리고머 블록들 간의, 상대적으로 낮은 온도(예컨대 105℃)에서의 결합 반응을 위한 연결 그룹으로서 반응성이 높은 헥사플루오로벤젠을 사용하여 벤질메틸기를 포함하는 전구체 블록 공중합체를 합성하였다. The synthesis of the ionomer involves benzyl bromination of the precursor block copolymer followed by quaternization and anion exchange with the hydroxide ion. Prior to that, there was a relatively low temperature (e.g., 105 < 0 > C) between the oligomer blocks based on 2,2-bis (4-hydroxy- The precursor block copolymer containing a benzylmethyl group was synthesized by using hexafluorobenzene having high reactivity as a linking group for the coupling reaction at a temperature of 60 ° C.

할로메틸화를 위한 발암성 클로로메틸화 시약의 사용을 피하기 위해 벤질메틸기를 포함한 단량체를 전구체 친수성 블록의 합성에 이용하는 한편, 부분불소화된 소수성 블록은 친수성 부분과의 상분리를 촉진하여 이로 인해 음이온 수송 특성이 향상될 것으로 기대된다. In order to avoid the use of carcinogenic chloromethylation reagents for halomethylation, monomers containing benzylmethyl groups are used in the synthesis of precursor hydrophilic blocks, while partially fluorinated hydrophobic blocks promote phase separation with hydrophilic moieties, thereby improving anion transport properties It is expected to be.

일반적으로 사용되는 발암성 클로로메틸 메틸 에테르(또는 현장에서 생성되는) 시약을 이용한 할로메틸화에서, 해당 시약의 높은 반응성은 부반응 및 가교가 일어나기에 앞서 골격 방향족 고리 상 한 곳에서만 기능화를 흔히 일으켜 최종적으로 고분자의 이온 기능을 제한한다. In halomethylation with commonly used carcinogenic chloromethyl methyl ether (or in situ generated) reagents, the high reactivity of the reagent is frequently caused only to functionalize only once on the skeletal aromatic ring prior to side reactions and cross-linking, Limit ionic function of polymer.

반면에 N-브로모숙신이미드(NBS)는 훨씬 안전하게 취급할 수 있으며, 고분자 골격을 따라 벤질 위치에 벤질 브로마이드 부분을 도입하여 PES 내에 다기능화된 방향족 고리를 합성하는 기회를 제공할 수 있다. On the other hand, N-bromosuccinimide (NBS) can be handled much more safely, and the introduction of the benzyl bromide moiety into the benzyl moiety along the polymer backbone can provide an opportunity to synthesize multifunctional aromatic rings within the PES.

본 발명에 따른 블록공중합체 및 이를 이용한 음이온 교환 고분자 전해질막은 블록 공중합체를 구성하는 하나의 반복단위 내에 상분리 구조를 나타냄으로써 친수성/소수성 막의 전도성이 향상될 뿐만 아니라, 우수한 물 흡수량, 열안정성, 수성 알칼리 안정성 및 음이온 전도성 특성을 나타낼 수 있다.The block copolymer according to the present invention and the anion exchange polyelectrolyte membrane using the block copolymer exhibit a phase separation structure in one repeating unit constituting the block copolymer to thereby improve the conductivity of the hydrophilic / hydrophobic membrane and to provide excellent water absorption, thermal stability, Alkali stability and anion conductivity characteristics.

도 1은 본 발명에 따른 FPES(a)와 FPES-Br(b)를 CDCl3 내에서 측정한 1H NMR 스펙트럼이다.
도 2는 본 발명에 따른 FPES-QA(a) FPES-IM(b)를 DMSO-d6 내에서 측정한 1H NMR 스펙트럼이다.
도 3은 본 발명에 따른 FPES, FPES-Br, FPES-QA 및 RPES-IM 블록 공중합체의 FTIR 스펙트럼이다.
도 4는 본 발명에 따른 FPES, FPES-QA 및 FPES-IM 블록 공중합체의 TGA 열분석도를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 FPES-QA(a) 및 FPES-IM(b) 막을 60℃에서 168 시간 1M NaOH로 처리한 후를 나타낸 사진이다.
도 6은 본 발명에 따른 FPES-QA 막과 FPES-IM 막의 외관(a 및 d), 표면(b 및 e) 및 단면(c 및 f)의 SEM 이미지이다.
도 7은 본 발명에 따른 FPES-QA(a)막과 FPES-IM(b)막의 AFM 이미지이다. 삽입된 그림은 3D 이미지를 나타낸다.
도 8은 본 발명에 따른 FPES-QA(a)막과 FPES-IM(b)막의 수산화 전도성(σ)의 아레니우스식 온도 의존성을 나타낸 그래프이다.
1 is a 1 H NMR spectrum of FPES (a) and FPES-Br (b) according to the present invention measured in CDCl 3 .
2 is a 1 H NMR spectrum of FPES-QA (a) FPES-IM (b) according to the present invention measured in DMSO-d 6 .
Figure 3 is an FTIR spectrum of FPES, FPES-Br, FPES-QA and RPES-IM block copolymers according to the present invention.
Figure 4 is a graph showing TGA thermal analysis of FPES, FPES-QA and FPES-IM block copolymers according to the present invention.
5 is a photograph showing the FPES-QA (a) and FPES-IM (b) films according to the present invention after treatment with 1M NaOH at 60 ° C for 168 hours.
6 is an SEM image of the appearance (a and d), the surfaces (b and e), and the cross sections (c and f) of the FPES-QA film and the FPES-IM film according to the present invention.
7 is an AFM image of the FPES-QA (a) film and the FPES-IM (b) film according to the present invention. The inserted picture represents a 3D image.
8 is a graph showing the Arrhenius-type temperature dependence of the hydroxyl conductivity () of the FPES-QA (a) film and the FPES-IM (b) film according to the present invention.

이하, 실시예에 의해 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오직 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 국한되지 않는다는 것은 당업자에게 있어서 자명하다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It is to be understood by those skilled in the art that these embodiments are for illustrative purpose only and that the scope of the present invention is not limited to these embodiments.

4,4′-헥사플루오로이소프로필리덴 디페놀(6FBPA), 4,4′-디플루오로디페닐설폰(DFDPS), 4,4′-디클로로디페닐설폰(DCDPS), 헥사플루오로벤젠(HFB)은 Alfa Aesar에서 수득하였으며 이를 그대로 사용하였다. 2,2-비스(4-하이드록시-3,5-디메틸페닐)프로판(TMBPA)은 TCI에서 구입하였으며 이를 그대로 사용하였다. DCDPS, DFDPS, 6FBPA, TMBPA는 중합에 앞서 60℃ 및 진공에서 24시간 건조하였다. 무수 탄산칼륨(Merck사)을 진공 오븐을 이용하여 100℃에서 10시간 건조하였다. NMP(대정)을 NaOH을 이용하여 교반 정제하였고, 감압 조건에서 P2O5을 이용하여 증류하였다. DMAc(대정) 또한 감압 조건에서 P2O5을 이용하여 증류하였다. 톨루엔(Merck사)을 나트륨 금속 상에서 환류하여 물을 제거하였고, 사용 바로 전 증류하였다. 다른 모든 화학 물질들은 상업적인 출처로부터 수득하였으며, 이들을 추가적인 정제 없이 사용하였다.(DFDPS), 4,4'-dichlorodiphenylsulfone (DCDPS), hexafluorobenzene (HFB), hexafluorobenzene (HFB ) Was obtained from Alfa Aesar and used as such. 2,2-bis (4-hydroxy-3,5-dimethylphenyl) propane (TMBPA) was purchased from TCI and used as such. DCDPS, DFDPS, 6FBPA and TMBPA were dried at 60 ° C and vacuum for 24 hours prior to polymerization. Anhydrous potassium carbonate (Merck) was dried in a vacuum oven at 100 占 폚 for 10 hours. NMP (Daejung) was stirred and refined using NaOH, and distilled using P 2 O 5 under reduced pressure. DMAc (Daejung) was also distilled using P 2 O 5 under reduced pressure. Toluene (Merck) was refluxed over sodium metal to remove water and distilled just before use. All other chemicals were obtained from commercial sources and were used without further purification.

1H NMR 스펙트럼을 CDCl3(내부 참조(δ(1 H) = 7.26ppm) 또는 DMSO-d6(내부 참조(δ(1 H) = 2.50ppm; 40℃)를 이용하여 Varian Unity Inova 500 분광계(400 MHz) 또는 500 MHz Agilent Superconducting FT-NMR 분광계를 통하여 수득하였다. 적외선 스펙트럼은 Nicole 6700 FT-IR 분광 광도계를 통하여 기록하였다. 수평균 분자량(Mn) 및 PDI(Mw/Mn)는 폴리스티렌 표준으로 교정된 크기 배제 크로마토그래피(SEC; size exclusion chromatography)로 측정하였다. SEC를 위해 Agilent 1100 펌프, 굴절률 검출기 및 PSS SDV(5μm, 105, 103, 102 A 300 X 8.0mm) 컬럼이 설치되었다. 열중량(TGA; thermogravimetry)은 TGA Q5000(TA Instruments사)를 이용하여 10 ℃/분의 가열 속도로 측정하여 질소 하에서의 분해 온도를 측정하였다. TGA를 위해, 시료는 최소 6시간 동안 진공 및 100℃에서 예열하여 수분을 제거하였다. 미리 수화시킨(pre-hydrated) 막의 OH- 형태를 60℃에서 N2로 포화된 1M KOH 용액에 담가 막의 알칼리 안정성을 조사하였다. 중량 및 외형의 변화를 측정하여 고분자막의 열화를 평가하였다. 1 H NMR spectra were recorded on a Varian Unity Inova 500 spectrometer (400) using CDCl 3 (internal reference (δ (1 H) = 7.26 ppm) or DMSO-d 6 (internal reference (δ (1 H) = 2.50 ppm; The number average molecular weight (Mn) and the PDI (Mw / Mn) were measured using a Polystyrene standard calibrated to polystyrene standards (5 μm, 10 5 , 10 3 , 10 2 A 300 X 8.0 mm) columns were installed for the SEC. For the SEC, an Agilent 1100 pump, a refractive index detector and a PSS SDV TGA (thermogravimetry) was measured at a heating rate of 10 DEG C / min using a TGA Q5000 (TA Instruments) and the decomposition temperature under nitrogen was measured. For TGA, the sample was vacuumed for at least 6 hours and at 100 DEG C . the pre-heating to remove water was pre-hydrated (pre-hydrated) membrane OH - A state was investigated alkali stable membrane soaked in a 1M KOH solution saturated with N 2 eseo 60 ℃. By measuring the change in weight and appearance were evaluated for degradation of the polymer membrane.

비접촉식(두드림 모드) 원자간력 현미경법(AFM; atomic force microscopy)을 n-Tracer SPM(나노포커스 사)을 이용하여 실행하였다. 해당 캔틸레버는 실리콘으로 이루어져 있으며 약 320kHz의 공진 주파수와 8nm 미만의 공칭 곡률반경을 갖는다. 막 시료는 실험 최소 24시간 전에 ~50% RH로 평형화하였다. 주사 전자 현미경(SEM; scanning electron microscopy) 이미지는 Philips XL 30 FEG 현미경 및 10kV의 가속 전압으로 촬영하였다.Non-contact (tapping mode) atomic force microscopy (AFM) was performed using n-Tracer SPM (Nanofocus). The cantilever is made of silicon and has a resonance frequency of about 320 kHz and a nominal radius of curvature of less than 8 nm. Membrane samples were equilibrated to ~ 50% RH at least 24 hours prior to the experiment. Scanning electron microscopy (SEM) images were taken with a Philips XL 30 FEG microscope and an accelerating voltage of 10 kV.

막의 OH- 형태를 진공 및 90℃에서 24시간 건조시킨 후, 물 흡수량, 팽창율, 막(약 5cm x 1cm)의 중량, 길이 및 두께를 기록하였다. 이어, 건조된 막을 다양한 온도에서 24시간 탈이온수에 담가 평형화하였다. 이후 막을 꺼내어 표면 상의 여분의 물을 블로팅 페이퍼로 닦아내고 서둘러 중량, 길이 및 두께를 측정하였다. 물 흡수량(WUW)은 다음 수학식 1과 같이 계산된다.The OH - form of the membrane was dried in vacuo and at 90 DEG C for 24 hours, then the water uptake, rate of expansion, weight, length and thickness of the membrane (about 5 cm x 1 cm) were recorded. The dried membrane was then equilibrated by immersing in deionized water for 24 hours at various temperatures. Then, the membrane was taken out, the excess water on the surface was wiped off with a blowing paper, and the weight, length and thickness were measured in a hurry. The water absorption amount (WUW) is calculated by the following equation (1).

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112017012219456-pat00021
Figure 112017012219456-pat00021

이때, Wwet과 Wdry는 각각 젖은 막의 중량과 건조된 막의 중량이다.Where W wet and W dry are the weight of the wet film and the weight of the dried film, respectively.

팽창율은 다음 수학식 2 및 3과 같이 계산된다.The expansion ratio is calculated by the following equations (2) and (3).

[수학식 2]&Quot; (2) "

Figure 112017012219456-pat00022
Figure 112017012219456-pat00022

[수학식 3]&Quot; (3) "

Figure 112017012219456-pat00023
Figure 112017012219456-pat00023

여기서 l과 t는 각각 막의 길이 및 막의 두께이다.Where l and t are the film length and film thickness, respectively.

수화 번호(λ; hydration number)는 다음 수학식 4로부터 계산된다.The hydration number is calculated from the following equation (4).

[수학식 4]&Quot; (4) "

Figure 112017012219456-pat00024
Figure 112017012219456-pat00024

이때, MW,H2O는 물의 분자량이다. IECW는 중량에 기반한 이온 교환능이다.Here, M W, H 2 O is the molecular weight of water. IEC W is an ion exchange capacity based on weight.

상기 IECW는 모아법(Mohr's method)을 통하여 건조된 고분자의 그램당 이온기의 몰수(mmol/g 또는 mequiv/g)로서 측정된다. 건조된 막(-Br 형태) 중 약 0.1g을 0.2M NaNO3 수용액 50mL에 48시간 투입하여 용액 내 질산 이온과 막의 브롬의 교환을 허용하였다. 용액 내에 방출된 브롬의 농도는 K2CrO4을 비색 지표로서 사용하여 0.01M AgNO3 용액으로 적정하여 측정하였다. IECW는 다음 수학식 5와 같이 계산된다.The IEC W is measured as the number of moles of the ionic groups per gram of dried polymer (mmol / g or mequiv / g) through the Mohr's method. Approximately 0.1 g of the dried membrane (-Br form) was poured into 50 mL of 0.2 M NaNO 3 aqueous solution for 48 hours to permit exchange of nitrate ions in the solution with bromine in the membrane. The concentration of bromine released into the solution was measured by titration with 0.01 M AgNO 3 solution using K 2 CrO 4 as a colorimetric indicator. IEC W is calculated according to the following equation (5).

[수학식 5]&Quot; (5) "

Figure 112017012219456-pat00025
Figure 112017012219456-pat00025

이때 Wdry는 건조된 막의 중량, ΔVAgNO3는 소비된 AgNO3 용액의 부피이고, CAgNO3는 AgNO3 용액의 농도이다.Wherein W dry is the weight of dry film, ΔV is the volume of the consumed AgNO3 AgNO 3 solution, AgNO3 C is the concentration of AgNO 3 solution.

고분자막의 면내(in-plane) 수산화 이온(OH-) 전도성은 직접 제조한 2-탐침 전도도 셀을 사용하여 100Hz 내지 1MHz의 주파수 범위에서 전기화학적 임피던스 분광법(GAMRY Reference 3000™)을 이용하여 저항(R) 값을 측량함으로써 측정하였다. 전도성 측정 최소 24시간 전에 모든 막을 N2로 포화된 탈이온수에서 평형화하였다. 백금 전도도 셀의 쌍을 가로지르는 방식으로 고정된 막이 N2로 포화된 탈이온수에서 평형화되고 있는 상태에서 실험을 실시하였다. 이온 전도성(σ, S/cm)은 다음 수학식 6과 같이 계산하였다:The in-plane hydroxyl ion (OH - ) conductivity of the polymer membrane was measured using a direct-produced 2-probe conductivity cell using the electrochemical impedance spectroscopy (GAMRY Reference 3000 ™) in the frequency range of 100 Hz to 1 MHz ) Values were measured. Conductivity Measurements All membranes were equilibrated in deionized water saturated with N 2 for at least 24 hours. Experiments were carried out with the fixed membrane being equilibrated in deionized water saturated with N 2 in a way across a pair of platinum conductance cells. The ionic conductivity (sigma, S / cm) was calculated as:

[수학식 6]&Quot; (6) "

Figure 112017012219456-pat00026
Figure 112017012219456-pat00026

이때 l는 전극 간 간격이고, A는 막의 두께(t) 및 너비(w)를 통해 산출된 단면적이며, R(Ω)은 복소 임피던스 평면 상에서 Re(Z) 축과의 교차점으로부터 유래된 저항이다.Where A is the cross-sectional area calculated through the thickness (t) and width (w) of the film and R (Ω) is the resistance resulting from the intersection with the Re (Z) axis on the complex impedance plane.

실시예Example 1:  One: OHOH -말단 올리고머 - terminal oligomer PESPES -1의 합성Synthesis of -1

OH-말단 올리고머인 PES-1을 다음과 같은 전형적인 공정을 통하여 타겟 수평균 분자량 5 kDa을 갖도록 합성하였다. The OH-terminal oligomer PES-1 was synthesized to have a target number average molecular weight of 5 kDa through a typical process as follows.

DFDPS(5.537g, 21.7mmol), TMBPA(6.844g, 24.0mmol), 탄산칼륨(7.5g, 54.4mmol), NMP(80mL) 및 톨루엔(40mL)을 딘스탁 트랩, 응축기, 자석 교반기, 가스 유입구 및 배출구가 설치된 250mL 2목 둥근 바닥 플라스크에 투입하였다. 상기 혼합물을 질소 분위기에서 150℃까지 가열하였다. 3 내지 4시간의 증류를 통하여 반응 혼합물의 톨루엔 및 남은 물을 시스템으로부터 공비 제거하였다. 그 후 170℃까지 승온하였고, 다시 20시간 동안 반응을 진행하였다. 상온까지 냉각한 후, 혼합물을 산성화된 메탄올에 부었다. 여과, 탈이온수를 이용한 충분한 세척과 진공 및 100℃에서의 24시간 건조를 통하여 하얀 가루 형태의 올리고머(11.3g, 94% 수율)를 수득하였다. A mixture of DFDPS (5.537 g, 21.7 mmol), TMBPA (6.844 g, 24.0 mmol), potassium carbonate (7.5 g, 54.4 mmol), NMP (80 mL) and toluene (40 mL) were placed in a Deanstock trap, condenser, magnetic stirrer, Was placed in a 250 mL 2 neck round bottom flask equipped with an outlet. The mixture was heated to 150 < 0 > C in a nitrogen atmosphere. Toluene and residual water of the reaction mixture was azeotropically removed from the system through distillation for 3 to 4 hours. Thereafter, the temperature was raised to 170 DEG C, and the reaction was continued for another 20 hours. After cooling to room temperature, the mixture was poured into acidified methanol. Filtration, sufficient washing with deionized water and drying in vacuo and 100 < 0 > C for 24 hours gave 11.3 g (94% yield) of oligomer in the form of a white powder.

실시예Example 2: F-말단 올리고머  2: F-terminal oligomer FPESFPES -3의 합성Synthesis of -3

먼저, 다음과 같이 타겟 수평균 분자량 8 kDa의 OH-말단 올리고머인 FPES-2를 합성하였다.First, FPES-2, an OH-terminal oligomer having a target number average molecular weight of 8 kDa, was synthesized as follows.

DCDPS(7.304g, 25.4mmol), 6FBPA(9.162g, 27.2mmol), 탄산칼륨(9.4g, 68.1mmol), NMP(110mL) 및 톨루엔(60mL)을 딘스탁 트랩, 응축기, 자석 교반기, 가스 유입구 및 배출구가 설치된 250mL 2목 둥근 바닥 플라스크에 투입하였다. 상기 혼합물을 먼저 160℃에서 4시간 가열한 후 185℃에서 24시간 가열하였다. 마지막으로, 상기 혼합물을 산성화된 메탄올 내에서 침전시켰다. 생성물을 여과하고, 탈이온수로 수차례 세척하였으며, 진공 및 100℃에서 24시간 건조하였다(13.8g, 92% 수율). A solution of DCDPS (7.304 g, 25.4 mmol), 6FBPA (9.162 g, 27.2 mmol), potassium carbonate (9.4 g, 68.1 mmol), NMP (110 mL) and toluene (60 mL) was placed in a Deanstock trap, condenser, magnetic stirrer, Was placed in a 250 mL 2 neck round bottom flask equipped with an outlet. The mixture was first heated at 160 占 폚 for 4 hours and then at 185 占 폚 for 24 hours. Finally, the mixture was precipitated in acidified methanol. The product was filtered, washed several times with deionized water, and dried in vacuo and 100 < 0 > C for 24 hours (13.8 g, 92% yield).

반응성 있는 F-말단기는 합성된 FPES-2를 친핵성 방향족 치환 반응을 통하여 80℃에서 DMAc 내에서 헥사플루오로벤젠으로 말단 캡핑함으로써 수득하였다. 말단 캡핑 반응은 다음과 같다.The reactive F-termini were obtained by endcapping the synthesized FPES-2 via hexafluorobenzene in DMAc at 80 < 0 > C through a nucleophilic aromatic substitution reaction. The end capping reaction is as follows.

FPES-2(12g, 1.5mmol)와 탄산칼륨(0.62g, 4.5mmol)을 딘스탁 트랩, 응축기, 자석 교반기, 질소 유입구 및 배출구가 설치된 250mL 3목 둥근 바닥 플라스크에 투입하였다. 증류된 DMAc(120mL)와 시클로헥산(40mL)을 플라스크에 투입하였다. 3시간에 걸쳐 시클로헥산을 이용하여 시스템으로부터 물을 공비 제거하기 위해 상기 용액을 110℃에서 환류시켰다. 반응 온도를 80℃까지 낮추었고 질소 퍼지를 중단하였다. 이후, HFB(2.79g, 15mmol)를 첨가하였고, 반응을 12시간 동안 진행하였다. 상기 용액을 냉각하였고 HCl 몇 방울을 함유한 메탄올에서 침전시켰다. 여과, 탈이온수를 이용한 충분한 세척, 진공 및 60℃에서의 24시간 건조를 통하여 생성물을 수득하였다.FPES-2 (12 g, 1.5 mmol) and potassium carbonate (0.62 g, 4.5 mmol) were placed in a 250 mL 3 neck round bottom flask equipped with a Deanstock trap, condenser, magnetic stirrer, nitrogen inlet and outlet. Distilled DMAc (120 mL) and cyclohexane (40 mL) were charged to the flask. The solution was refluxed at < RTI ID = 0.0 > 110 C < / RTI > to azeotropically remove water from the system using cyclohexane over 3 hours. The reaction temperature was lowered to 80 ° C and nitrogen purge was stopped. HFB (2.79 g, 15 mmol) was then added and the reaction was allowed to proceed for 12 hours. The solution was cooled and precipitated in methanol containing several drops of HCl. Filtration, sufficient washing with deionized water, vacuum and drying at 60 < 0 > C for 24 hours gave the product.

멀티블록 공중합체는 일반적으로 할로겐-말단 올리고머와 수산기-말단 올리고머 간의 고온 반응(180℃ 이상)을 통해 합성되며, 이러한 반응 조건은 트랜스에테르화 반응에 기인한, 부분들의 랜덤화 가능성을 유발한다.Multiblock copolymers are generally synthesized via high temperature reactions (above 180 ° C) between halogen-terminated oligomers and hydroxyl-terminated oligomers, and this reaction condition causes randomization of the moieties due to the trans etherification reaction.

반면에, 트랜스에테르화 반응을 통한 고분자 구조의 랜덤화를 막기 위한 다른 유망한 방법에서는 다양한 종류의, 고 분자량의 술폰화된 멀티블록 PEM 재료들을 적은 양의 사슬연장제를 사용하여 상당히 낮은 반응 온도(약 105℃)에서 합성함에 있어 사슬연장제 또는 연결기로서 DFB와 HFB를 성공적으로 사용한다. On the other hand, another promising method for preventing the randomization of the polymer structure through trans etherification has been to use a variety of high molecular weight sulfonated multi-block PEM materials with a very low chain reaction temperature About 105 ° C), DFB and HFB are successfully used as chain extenders or linking groups.

따라서, 여기서는 AEM 재료의 제조로서는 처음으로, 상기 반응식 1에서 보여지듯 HFB를 결합에 사용하여 전구체 블록 공중합체를 합성하였다. 이를 위해, 분자량이 제어된(예컨대 각각 5kDa과 8kDa), TMBPA와 6FBPA에 기반한 OH-말단 올리고머들(PES-1 & FPES-2)을 건조된 N-메틸-2-피롤리돈(NMP) 내에서 탄산칼륨의 존재 하에 단계성장중합을 통하여 합성하였다. 상기 올리고머들의 타겟 분자량 및 말단기 기능성은 단량체들의 화학량을 상쇄하는(offsetting stoichiometry) 방법으로 확인하였다. 페녹사이드 말단기가 필요했으므로, TMBPA 및 6FBPA의 과잉 산출된 몰량을 각각의 블록을 합성하는데 사용하였다. TMBPA 및 6FBPA에 기반한 올리고머들의 화학적 구조와 분자량을 1H NMR 스펙트럼과 GPC 측정을 통하여 알아내었다. 상기 올리고머들의 수평균 분자량을 도 1의 1H NMR 스펙트럼 중의 말단 페닐기에서의 양성자의 적분(PES-1의 경우는 7, FPES-2의 경우는 16)과 반복단위에서의 양성자의 적분(PES-1의 경우는 5, FPES-2의 경우는 14)을 비교하는 방법으로 알아내었다.Thus, here, for the first time in the manufacture of the AEM material, a precursor block copolymer was synthesized using HFB for bonding as shown in Scheme 1 above. For this, OH-terminated oligomers (PES-1 & FPES-2) based on TMBPA and 6FBPA with controlled molecular weights (for example 5 kDa and 8 kDa, respectively) were dissolved in dried N-methyl-2-pyrrolidone In the presence of potassium carbonate. The target molecular weight and end group functionality of the oligomers were ascertained by offsetting stoichiometry. Since phenoxy end groups were required, the over-calculated molar amounts of TMBPA and 6FBPA were used to synthesize the respective blocks. The chemical structure and molecular weight of oligomers based on TMBPA and 6FBPA were determined by 1 H NMR spectroscopy and GPC measurement. The integral of the proton of the phenyl group at the end of the 1 H NMR spectrum of a number average molecular weight of the oligomer 1 integral (PES- of protons in the repeating unit (in the case of a PES-1, 7, 16 for FPES-2) 1 in case of FPES-2, 14 in case of FPES-2).

얻어진 올리고머의 1H NMR 스펙트럼(도 1 참조)에서 페녹사이드 말단기 피크가 7.80ppm 및 6.92ppm에서 완전히 사라짐에 따라, 원조 올리고머의 말단 캡핑이 성공적이었음이 확인되었다. 또한 말단 캡핑은 적분비율이 그들의 화학적 구조와 일치하는 세 개의 피크를 보이는 19F NMR에서도 확인되었다.It was confirmed that the end capping of the original oligomer was successful as the phenoxy end group peak completely disappeared at 7.80 ppm and 6.92 ppm in the 1 H NMR spectrum (see FIG. 1) of the obtained oligomer. End capping was also confirmed in 19 F NMR, where the integration ratios show three peaks consistent with their chemical structure.

실시예Example 3: 블록 공중합체  3: block copolymer FPES의FPES 합성 synthesis

해당 블록 공중합체는 HFB로 말단 캡핑된 6FBPA에 기반한 폴리에테르설폰 올리고머인 FPES-3과 OH-말단 TMBPA에 기반한 폴리에테르설폰 올리고머인 PES-1 간의 결합을 통하여 합성하였다. 전형적인 결합 반응은 다음과 같다.The block copolymer was synthesized through the linkage between FPES-3, a polyether sulphone oligomer based on 6FBPA end-capped with HFB, and PES-1, a polyethersulfon oligomer based on OH-terminal TMBPA. A typical binding reaction is as follows.

PES-1(8g, 1.18mmol), 탄산칼륨(0.65g, 4.72mmol), DMAc(145mL) 및 시클로헥산(50mL)을 딘스탁 트랩, 응축기, 자석 교반기, 질소 유입구 및 배출구가 설치된 250mL 3목 둥근 바닥 플라스크에 투입하였다. 시클로헥산을 이용하여 시스템으로부터 물을 공비 제거하기 위해 상기 반응 혼합물을 100℃에서 4시간 동안 가열하였다. 시클로헥산을 제거한 후, 상기의 진공 건조된 FPES-3 올리고머(9.583g, 1.18mmol)를 첨가하였다. 결합 반응은 105 내지 110℃에서 최대 48시간 진행하였다. 점성을 띤 반응 용액을 메탄올과 물이 1:1 비율로 혼합된 혼합물에서 침전시켰다. 공중합체를 여과하였고, 진공 및 120℃에서 24시간 건조하였다.PES-1 (8g, 1.18mmol), potassium carbonate (0.65g, 4.72mmol), DMAc (145mL) and cyclohexane (50mL) were added to a 250mL three necked round tube equipped with a Deanstock trap, condenser, magnetic stirrer, nitrogen inlet, Bottom flask. The reaction mixture was heated at 100 < 0 > C for 4 hours to azeotropically remove water from the system using cyclohexane. After the cyclohexane was removed, the vacuum dried FPES-3 oligomer (9.583 g, 1.18 mmol) was added. The coupling reaction proceeded at 105 to 110 DEG C for up to 48 hours. The viscous reaction solution was precipitated in a mixture of methanol and water in a 1: 1 ratio. The copolymer was filtered, dried in vacuum and at 120 < 0 > C for 24 hours.

GPC에서 측정된, 전구체 블록 공중합체 FPES의 분자량은 출발 올리고머의 분자량의 수 배에 달하는 Mn~36 kDa(PDI~3.71)(표 1 및 도 2 참조)였는데, 이는 멀티블록 공중합체가 성공적으로 형성되었음을 나타낸다. 상기 얻어진 전구체 블록 공중합체는 클로로포름, 디클로로메탄, 1,1,2,2-테트라클로로에탄, N,N-디메틸포름아미드(DMF), DMAc, 디메틸설폭사이드(DMSO) 및 NMP 등과 같은 일부 유기용매에 가용성이었다. As measured in GPC, the precursor block copolymer The molecular weight of FPES was Mn ~ 36 kDa (PDI ~ 3.71) several times the molecular weight of the starting oligomer (see Table 1 and Figure 2), indicating that a multi-block copolymer was successfully formed. The resultant precursor block copolymer is obtained by reacting the precursor block copolymer with some organic solvent such as chloroform, dichloromethane, 1,1,2,2-tetrachloroethane, N, N-dimethylformamide (DMF), DMAc, dimethylsulfoxide (DMSO) .

[표 1][Table 1]

Figure 112017012219456-pat00027
Figure 112017012219456-pat00027

a: 다분산지수(polydispersity index, PDI)a: polydispersity index (PDI)

해당 전구체 블록 공중합체의 화학적 구조와 분자량을 1H NMR와 FTIR 스펙트럼을 통해 파악하였다. 출발 올리고머의 스펙트럼(도 1(a))을 참고하여 상기 전구체 블록 공중합체인 FPES의 1H NMR 스펙트럼을 추정되는 화학적 구조에 잘 배정하였다. 공중합체의 조성은 올리고머 공급비(feed ratio)와 잘 일치하였는데, 이는 블록 구조를 추가로 뒷받침한다. 도 1(a)에서는, FPES 중의 HFB 연결기를 통한 결합으로 인해 PES-1 올리고머의, 7.09ppm에서의 페녹사이드 말단기 피크(9)가 사라지고 6.88ppm에서 나타났다. 게다가, 알킬 구역(각각 2.01ppm 및 1.62ppm에 위치) 내에서 PES-1 올리고머의 끝에 위치한 말단기 피크(6 및 8)가 FPES 블록 공중합체의 스펙트럼에서 완전히 사라졌는데, 이는 HFB 연결기를 통한 결합이 완전히 이루어졌다는 것을 나타낸다.The chemical structure and molecular weight of the precursor block copolymer were determined by 1 H NMR and FTIR spectra. Referring to the spectrum of the starting oligomer (Fig. 1 (a)), the 1 H NMR spectrum of the precursor block copolymer FPES was well assigned to the estimated chemical structure. The composition of the copolymer was in good agreement with the oligomer feed ratio, which further supports the block structure. In Figure 1 (a), the phenoxy end group peak (9) at 7.09 ppm of the PES-1 oligomer disappeared at 6.88 ppm due to coupling through the HFB coupler in the FPES. In addition, the terminal peaks (6 and 8) located at the end of the PES-1 oligomer within the alkyl zones (located at 2.01 ppm and 1.62 ppm, respectively) completely disappeared from the spectrum of the FPES block copolymer, Indicating that it was completely done.

실시예Example 4:  4: 브로모메틸화된Bromomethylated 블록 공중합체  Block copolymer FPESFPES -- Br의Br 합성 synthesis

N-브로모숙신이미드(NBS) 브롬화제 및 과산화 벤조일(BPO)을 이용하여 라디칼 반응을 개시함으로써 1,1,2,2-테트라클로로에탄 중에서 벤질메틸이 함유된 폴리에테르설폰인 FPES 블록 공중합체의 브롬화를 실행하였다. 전형적인 절차는 다음과 같다.The FPES block, which is a polyethersulphone containing benzylmethyl in 1,1,2,2-tetrachloroethane by initiating a radical reaction with N-bromosuccinimide (NBS) brominating agent and benzoyl peroxide (BPO) Bromination of the coalescent was carried out. A typical procedure is as follows.

FPES 16g(14.5mmol)과 1,1,2,2-테트라클로로에탄 320mL을 응축기, 자석 교반기, 질소 가스 유입구 및 배출구가 설치된 500mL 3목 둥근 바닥 플라스크에 투입하였다. 상기 고분자가 85℃에서 완전히 용해된 후, 질소 퍼지를 중단하였고 NBS(11.432g, 64.2mmol)와 BPO(0.777g, 3.2mmol)를 첨가하였다. 반응을 85℃에서 5시간 지속하였다. 상온으로 냉각한 후, 혼합물을 에탄올에 부었다. 생성물을 여과하였고, 진공 및 60℃에서 24시간 건조하였다. 16 g (14.5 mmol) of FPES and 320 mL of 1,1,2,2-tetrachloroethane were placed in a 500 mL three-neck round bottom flask equipped with a condenser, magnetic stirrer, nitrogen gas inlet and outlet. After the polymer was completely dissolved at 85 캜, the nitrogen purge was stopped and NBS (11.432 g, 64.2 mmol) and BPO (0.777 g, 3.2 mmol) were added. The reaction was continued at 85 < 0 > C for 5 hours. After cooling to room temperature, the mixture was poured into ethanol. The product was filtered, dried in vacuo and at 60 < 0 > C for 24 hours.

실시예Example 5:  5: FPESFPES -- QAQA  And FPESFPES -- IM의IM 합성  synthesis

FPES-IM를 제조하는 일반적인 절차는 다음과 같다. The general procedure for manufacturing FPES-IM is as follows.

브롬화된 멀티블록 공중합체인 FPES-Br(14g)을 건조된 DMF(140mL)에 용해하였고, 에틸 이미다졸(14.735g)을 적가하였다. 상기 반응 혼합물을 85℃까지 24시간에 걸쳐 질소 하에서 가열하였다. 상온까지 냉각한 후, 상기 반응 혼합물을 에틸 아세테이트에 부었다. 얻어진 고분자를 여과하였고, 진공 및 85℃에서 건조하여 FPES-IM를 갈색 고체로서 얻었다. The brominated multiblock copolymer FPES-Br (14 g) was dissolved in dried DMF (140 mL) and ethyl imidazole (14.735 g) was added dropwise. The reaction mixture was heated to 85 < 0 > C over 24 h under nitrogen. After cooling to room temperature, the reaction mixture was poured into ethyl acetate. The resulting polymer was filtered off and dried in vacuo and at 85 캜 to obtain FPES-IM as a brown solid.

FPES-QA의 경우에는, 에틸 이미다졸 대신에 트리메틸아민 용액(물에 50중량%의 농도로 용해)이 DMF의 고분자 용액에 첨가되었다. 해당 혼합물을 자석을 이용하여 밀폐 조건 및 상온에서 24시간 교반하였다. 또한, FPES-QA 생성물은 에틸 아세테이트에 침전시켜 분리하였으며, 이를 여과하고 85℃에서 진공 건조하였다. In the case of FPES-QA, a trimethylamine solution (dissolved in water at a concentration of 50% by weight) in place of ethyl imidazole was added to the polymer solution of DMF. The mixture was stirred under a sealed condition and at room temperature for 24 hours using a magnet. In addition, the FPES-QA product was isolated by precipitation in ethyl acetate, which was filtered and vacuum dried at 85 < 0 > C.

NBS(ArCH3 대비 1.1 당량)를 사용하여 테트라클로로에탄 내 및 85℃에서 전구체 블록 공중합체인 FPES의 벤질메틸기에서의 브롬화를 5시간 수행하였다. 반응이 진행됨에 따라 반응 용액은 단 1시간만에 상당한 점도 상승을 보였으나, 이후 2시간째가 될 무렵까지 점도가 감소하며 투명한 적갈색 용액을 이루었다. 브롬화된 생성물을 에탄올에 침전시키고, 뒤이어 여과 및 건조를 거쳐 이를 노란색 생성물로서 수득하였다. 블록 공중합체(FPES , 도 1(a))와 브롬화된 블록 공중합체(FPES-Br, 도 1(b))의 1H NMR 스펙트럼을 비교한 결과, 새로운 피크인 19', 26', 25' 및 21'가 브롬화된 고분자인 FPES-Br의 스펙트럼의 방향족 구역에서 나타났다. 그러나 눈에 띄는 차이는 브롬화된 고분자의 브로모벤질 양성자(17'(및 27'))에 해당하는, ~4.29-4.20ppm(및 4.47ppm)에서의 다수의 새로운 피크의 등장과 함께 전구체 멀티블록 공중합체의 벤질메틸(1'(및 22'))에 해당하는, 동시적인 2.02ppm(및 2.19ppm)에서의 피크 강도의 감소이다. 이는 벤질 위치에서의 선택적인 브롬화를 나타내었다. 이러한 두 개의 피크(브로모벤질 양성자 및 벤질메틸 양성자)의 상대적인 적분비율로부터 산출된 브롬화 정도는 82%였다. 또한, 반응에 사용된 NBS의 몰량과 브롬화된 멀티블록 공중합체에서 검출된 브롬의 양으로부터 브롬화 수율을 산출하였다(표 2). 5시간에 걸친 브롬화 반응은 일반적으로 보다 많은 양의 시약(클로로메틸 메틸 에테르의 20-50 당량)과 보다 긴 반응 시간(2-6일)이 요구될 클로로메틸화(또는 현장에서 생성된)와 관련된 일반적인 수율보다 높은 74.5%의 수율과 거의 정량적(nearly quantitative)이었다. 반응 용액의 농도, 클로로메틸화 시약의 양, 촉매의 양 및 반응 온도로 인해 부반응이 잦아서 수율을 반복적으로 재현하기 위해 많은 최적화가 필요한 클로로메틸화와 비교하여, NBS를 통한 브로모메틸화는 AEM의 IEC를 조절하는 보다 편리한 경로를 제공한다.By using NBS (1.1 eq. 3 ArCH contrast) was performed tetrachloroethane brominated at the benzylic methyl groups of the precursor block copolymer FPES 5 times within and 85 ℃. As the reaction progressed, the reaction solution showed a significant viscosity increase in only 1 hour, but then the viscosity decreased until 2 hours later and a clear reddish brown solution was formed. The brominated product was precipitated in ethanol, followed by filtration and drying to give the product as a yellow product. The 1 H NMR spectra of the block copolymer (FPES, FIG. 1 (a)) and the brominated block copolymer (FPES-Br, FIG. 1 (b)) were compared to show that the new peaks 19 ', 26', 25 ' 21 'appeared in the aromatic region of the spectrum of FPES-Br, a brominated polymer. However, a noticeable difference is that with the emergence of a number of new peaks at ~ 4.29-4.20 ppm (and 4.47 ppm), corresponding to the bromobenzyl protons 17 '(and 27') of the brominated polymer, (And 2.19 ppm) corresponding to benzyl methyl (1 '(and 22')) of the copolymer. This indicated selective bromination at the benzyl position. The degree of bromination calculated from the relative integral ratios of these two peaks (bromobenzyl protons and benzylmethyl protons) was 82%. The bromination yield was also calculated from the molar amount of NBS used in the reaction and the amount of bromine detected in the brominated multiblock copolymer (Table 2). The bromination reaction over a period of 5 hours is generally associated with chloromethylation (or in situ generated) which would require a larger amount of reagent (20-50 equivalents of chloromethyl methyl ether) and a longer reaction time (2-6 days) Yield of 74.5%, which is higher than the general yield, and almost quantitative. Bromomethylation via NBS, compared with chloromethylation, which requires many optimizations to reproduce the yield repeatedly due to frequent side reactions due to the concentration of the reaction solution, the amount of chloromethylating reagent, the amount of catalyst, and the reaction temperature, Provides a more convenient path to control.

[표 2][Table 2]

Figure 112017012219456-pat00028
Figure 112017012219456-pat00028

a: 1H NMR 스펙트럼에서 FPES-Br로부터 검출된 브롬 및 NBS에 첨가된 브롬으로부터 산출함.a: Calculated from bromine detected from FPES-Br in 1 H NMR spectrum and bromine added to NBS.

b: 다음과 같은 식을 사용하여 1H NMR 스펙트럼으로부터 산출된 브롬화 정도: DBM(%) = 3x(H17'+H27')x100/[3x(H17'+H27')+2x(H1'+H22')].b: degree of bromination calculated from 1 H NMR spectrum using the following equation: DBM (%) = 3x (H17 '+ H27') x100 / [3x (H17 '+ H27') + 2x (H1 '+ H22 ').

c: 1H NMR 스펙트럼을 통하여 알아낸 브롬화 정도 및 블록 공중합체 조성으로부터 산출함.c: Calculated from the degree of bromination and block copolymer composition as determined via 1 H NMR spectrum.

d: 모아 적정법을 사용하여 산출함.d: Calculated using aggregate titration method.

브롬화된 블록 공중합체(FPES-Br)의, 균일한 사차 암모늄 및 이미다졸리움 기능화를 DMF 용액 내에서 시약, 즉 트리메틸아민 또는 1-에틸이미다졸의 특성에 따른 온도에서 달성하였다. FPES-QA(도 2(a))의 1H NMR 스펙트럼에서, 3.08-3.17ppm 근처에서의 피크들은 사차 암모늄 부분의 메틸기의 양성자(28'')에 부여되었다. 방향족 피크들에 대한 상기 피크들의 적분의 비율로부터 아미노화 정도가 거의 100%에 가깝다는 사실을 알 수 있었다. FPES-IM(도 2(b))의 1H NMR 스펙트럼에서, 9.3ppm 및 5.3ppm에서의 피크들은 에틸 이미다졸의 이미다졸리움 양성자(29''')와 벤질 양성자(17''')에서 기인한 것인데, 이는 이미다졸리움기가 성공적으로 결합되었음을 의미하는 것이다. 브롬화된 벤질 양성자(17')의 피크들은 이미다졸리움으로 기능화된 벤질 양성자(30''')의 피크들로 완전히 대체되었고, 따라서 브롬화된 멀티블록 공중합체의 사차화의 정도는 100%로 밝혀졌다.The uniform quaternary ammonium and imidazolium functionalization of the brominated block copolymer (FPES-Br) was achieved in DMF solution at temperatures depending on the nature of the reagents, namely, trimethylamine or 1-ethylimidazole. In the 1 H NMR spectrum of FPES-QA (Fig. 2 (a)), peaks near 3.08-3.17 ppm were assigned to protons (28 ") of the methyl group of the quaternary ammonium moiety. From the ratio of the integral of the peaks to the aromatic peaks, it can be seen that the degree of amination is close to 100%. In the 1 H NMR spectrum of FPES-IM (Fig. 2 (b)), peaks at 9.3 ppm and 5.3 ppm were observed in the imidazolium protons 29 '''of ethyl imidazole and in benzyl protons 17' , Which means that the imidazolium group has been successfully coupled. The peaks of the brominated benzyl protons (17 ') were completely replaced by peaks of the benzyl protons (30''') functionalized with imidazolium, and thus the degree of quaternization of the brominated multiblock copolymer was found to be 100% lost.

FPES, FPES-Br, FPES-QA 및 FPES-IM의 화학적 구조를 FT-IR 분석을 통하여 추가 확인하였다(도 3). 해당 도면에서, 1320cm-1 및 1150cm-1에서의 피크들은 설폰(SO2)의 존재를 확인시켜주는 한편, 1245cm-1에서의 피크는 아릴 에테르의 특징적인 피크이다. 3080cm-1에서의 피크는 방향성 C-H 결합의 신장(stretching)에 기인하며, 1585cm-1에서의 뾰족한 피크는 방향성(aromatic) C=C 신장에 의해 나타난다. 2870-2965cm-1에서의 피크들은 -CH2-와 -CH3 신장에 기인한다. 상기 스펙트럼의 ~3400cm-1에서의 넓은 밴드는 O-H(수분에서 기인) 또는 N-H 결합의 신장 진동으로 인한 것이다. FPES 및 FPES-Br의 스펙트럼에서와는 달리, 1663cm-1에서 나타나는 피크는 FPES-QA 또는 FPES-IM의 사차 암모늄기 또는 이미다졸리움기의 C-N 결합에 해당한다. 이와 같이 관찰된 사실들은 사차화된 블록 공중합체가 성공적으로 합성되었음을 검증하였다.The chemical structures of FPES, FPES-Br, FPES-QA and FPES-IM were further confirmed by FT-IR analysis (FIG. 3). In the figure, peaks at 1320 cm -1 and 1150 cm -1 confirm the presence of sulfone (SO 2 ) while peaks at 1245 cm -1 are characteristic peaks of aryl ether. The peak at 3080 cm -1 is due to the stretching of the aromatic CH bonds and the sharp peak at 1585 cm -1 is due to the aromatic C = C stretch. Peak at 2870-2965cm -1 are due to -CH2- and -CH 3 height. The broad band of this spectrum at ~ 3400 cm <" 1 > is due to the extensional vibration of OH (due to moisture) or NH bond. Unlike the spectrum of FPES and FPES-Br, the peak at 1663 cm -1 corresponds to the CN bond of the quaternary ammonium group or imidazolium group of FPES-QA or FPES-IM. These observations confirmed that the quaternized block copolymer was successfully synthesized.

N-메틸 피롤리돈(NMP), 디메틸 아세트아미드(DMAc), 디메틸 포름아미드(DMF), 디메틸 설폭사이드(DMSO), 테트라하이드로퓨란(THF), 클로로포름, 1,2 디클로로에탄, 1,1,2,2-테트라클로로 에탄, 메탄올, 에탄올, (n- 또는 2-)프로판올, 물과 같은 다양한 용매에서의 이오노머 블록 공중합체의 용해성[10%(w/v)로서]을 시험하였다. 사차화된 멀티블록 공중합체는 THF에 불용성인 반면, 할로겐화된 용매, 알코올 및 물은 NMP, DMAc, DMF 및 DMSO과 같은 쌍극성 비양성자성 용매에 잘 용해되어, 자기 교반 막대로 교반하였을 때 맑고 균일한 용액을 형성하였다. FPES-QA는 FPES-IM 블록 공중합체보다 약간 더 높은 용해성을 보였다. 얻어진 사차화된 블록 공중합체의, 강한 극성 비양성자성 용매에 대하여 전반적으로 높은 용해성은 용액주조법을 통한 막의 제조를 가능케 했다. 이렇게 높은 용해성은 중요한데, 이는 용액 내에서 이오노머가 용액 주조된 막에서 상분리를 일으키는 주 원동력인 이온 집합을 형성할 수 있기 때문이다. 이렇게 잘 발달된 상분리는 높은 이온 전도성을 결정적으로 촉진하는 것으로 알려져 있다.(NMP), dimethylacetamide (DMAc), dimethylformamide (DMF), dimethylsulfoxide (DMSO), tetrahydrofuran (THF), chloroform, 1,2 dichloroethane, The solubility (as 10% (w / v)) of the ionomer block copolymer in various solvents such as 2,2-tetrachloroethane, methanol, ethanol, (n- or 2-) propanol, water was tested. While the quaternized multi-block copolymers are insoluble in THF, the halogenated solvents, alcohols and water are well soluble in bipolar aprotic solvents such as NMP, DMAc, DMF and DMSO and are clear when stirred with a magnetic stir bar A uniform solution was formed. FPES-QA showed slightly higher solubility than FPES-IM block copolymer. The overall high solubility of the resulting quaternized block copolymer for strong polar aprotic solvents enabled the preparation of membranes via solution casting. This high solubility is important because ionomers in solution can form ionic aggregates, the main driving force for phase separation in solution cast films. This well-developed phase separation is known to decisively promote high ionic conductivity.

실시예Example 6: 막의 제조  6: Manufacture of membranes

용액 주조법(solution-casting method)을 이용하여 FPES-QA 막과 FPES-IM 막을 각각의 DMF 용액으로부터 제조하였다. 일반적인 절차는 다음과 같다.FPES-QA and FPES-IM membranes were prepared from each DMF solution using a solution-casting method. The general procedure is as follows.

FPES-QA(0.5g)를 건조된 DMF 10.0mL에 1 내지 2시간 동안의 상온 교반을 통하여 용해하였다. 이후, 틀어막은 솜을 통하여 해당 용액을 페트리 접시 위로 여과하였고, 오븐에서 55℃에서 12시간 건조하였다. 막은 탈이온수에 담가 벗겨내었다. OH- 형태 막의 경우, 얻어진 막을 밀폐 용기 내에서 상온에서 48시간 동안 1M KOH에 담갔다. 마지막으로, 얻어진 막을 충분히 세척하였고, 이를 추가적인 측정을 위하여 N2로 포화된 탈이온수에 보관하였다.FPES-QA (0.5 g) was dissolved in 10.0 mL of dried DMF by stirring at room temperature for 1 to 2 hours. The solution was then filtered over a Petri dish through a twisted cotton pad and dried in an oven at 55 ° C for 12 hours. The membrane was soaked in deionized water and peeled off. For OH-type membranes, the resulting membranes were soaked in 1 M KOH in a closed vessel at ambient temperature for 48 hours. Finally, the resulting membrane was washed thoroughly and stored in deionized water saturated with N 2 for further measurement.

실험예Experimental Example 1:  One: 열안정성Thermal stability 및 알칼리 안정성 And alkali stability

연료전지에의 사용을 위해 음이온 교환막은 높은 열안정성을 가져야 하는데, 이는 열역학적 전압 손실을 제어하기 위하여 고온 가동이 필요하기 때문이다. 따라서, 도 4에 나타나듯 질소 환경에서 열중량 분석(TGA)을 행하여 FPES-QA 및 FPES-IM의, Br- 형태의 열안정성을 조사하였다. 약 50-190℃에서의, 초기의 중량 손실(약 4 wt%)은 막에 흡수되었던 수분의 증발 때문이다. 온도가 증가함에 따라 FPES-QA는 2단계에 걸쳐 분해되었는데, 이는 190-390℃ 범위에서의 사차 암모늄기의 손실과 뒤이은 약 400℃에서부터의 고분자 골격 분해에 해당된다. 반면에, 210-550℃의 범위에서 FPES-IM가 점차적으로 열분해되었는데, 이는 이미다졸리움으로 기능화된 블록 고분자가 암모늄으로 기능화된 블록 고분자에 비해 열적으로 더욱 안정하다는 것을 나타내었다. 이러한 결과는 두 이오노머 막이 AEMFC에 적용하기 위한 요구 사항의 범위를 넘는 높은 열안정성을 나타냄을 확인시킨다.For use in fuel cells, anion exchange membranes must have high thermal stability because high temperature operation is required to control thermodynamic voltage loss. Thus, as shown in FIG. 4, thermogravimetric analysis (TGA) was performed in a nitrogen environment to investigate the thermal stability of the Br - form of FPES-QA and FPES-IM. The initial weight loss (about 4 wt%) at about 50-190 [deg.] C is due to the evaporation of moisture that has been absorbed into the film. As temperature increased, FPES-QA was decomposed in two stages, corresponding to the loss of quaternary ammonium groups at 190-390 ° C followed by polymer backbone decomposition at about 400 ° C. On the other hand, FPES-IM was gradually pyrolyzed in the range of 210-550 ° C, indicating that the block polymer functionalized with imidazolium was thermally more stable than the block polymer functionalized with ammonium. These results confirm that the two ionomer membranes exhibit high thermal stability over the range of requirements for application to AEMFCs.

대부분의 AEM은 연료전지에 실용화하기에는 높은 pH 조건에서의 안정성이 낮으므로, AEM의 화학적 안정성은 큰 관심을 모으고 있다. 따라서, FPES-QA 막 및 FPES-IM 막을 60℃에서 168시간 동안 1M NaOH에 침지시킴으로써 이들의 잔류 중량의 관점에서의 화학적 안정성을 조사하였다. 도 5는 상기 막들의, 1M NaOH 내에서 168시간 실험한 후의 디지털 사진을 보여준다. 5일이 경과한 후 FPES-QA는 형상을 유지하지 못하였으며 여러 조각으로 쪼개졌다(도 5(a)). 반면에, FPES-IM 막은 7일 후에도 초기 중량의 95% 초과를 유지하였으며, 동시에 형상과 외관도 유지하였다(도 5(b)). 기계적 특성 손실의 원인으로서 가능한 설명은 사차 벤질 암모늄기가 골격의 에테르 가수분해를 개시한다는 것이다. 따라서, 상기 FPES-IM 막은 멀티블록 FPES-QA 및 다른 곳에서 보고된 다양한 임의의 AEM 유사체들보다 더 높은 화학적 안정성을 보인다. 사차 알킬 암모늄 양이온기와는 달리, 이미다졸리움 양이온기에서는 높은 pH 조건 및 상대적으로 고온에서의 친핵성 치환 또는 호프만 분해가 일어나지 않을 것이다. 큰 π 결합 공역계를 가진, 1,3-알킬로 치환된 이미다졸리움 양이온기에는 β 수소가 없다. 따라서, 이미다졸리움 양이온기는 높은 pH 조건에서 안정할 수 있었다.The chemical stability of AEM is of great interest because most AEMs have low stability at high pH conditions for practical use in fuel cells. Therefore, the FPES-QA film and the FPES-IM film were examined for their chemical stability in terms of their residual weight by immersing them in 1 M NaOH at 60 DEG C for 168 hours. Figure 5 shows digital photographs of the membranes after 168 hours of experiments in 1M NaOH. After 5 days, FPES-QA did not retain its shape and was split into several pieces (Fig. 5 (a)). On the other hand, the FPES-IM membrane retained more than 95% of its initial weight after 7 days, while maintaining its shape and appearance (Fig. 5 (b)). Possible explanation for the loss of mechanical properties is that quaternary ammonium quaternary groups initiate ether hydrolysis of the skeleton. Thus, the FPES-IM membrane exhibits higher chemical stability than multi-block FPES-QA and various other AEM analogues reported elsewhere. Unlike quaternary alkylammonium cationic groups, the imidazolium cationic groups will not undergo high pH conditions and nucleophilic substitution or Hophman degradation at relatively high temperatures. There is no? -Hydrogen in the imidazolium cation group substituted with 1,3-alkyl, which has a large? -Conjugated conjugated system. Therefore, imidazolium cation groups could be stable at high pH conditions.

도 6은 FPES-QA 막과 FPES-IM 막의 외관 및 표면과 단면의 SEM 이미지를 보여준다. 도 6(a)에서는 투명하고 유연한 막이 관찰된다. 제조된 그대로의 막들은 눈에 보이는 어떠한 유의미한 결함도 없이 균일하며 조밀하다(도 6(b) 및(c)). FPES-IM 막(IECw = 1.95mequiv/g)은 구조적으로 비교적 더욱 매끈하며 치밀하다. 한편, QA-PES 막들(IECw = 2.11mequiv/g)은 팽창하여 비교적 거친 구조를 형성한다. 본 연구자들은 또한 친수성/소수성 상분리를 조사하기 위해 AFM으로 AEM의 형태를 관찰하였다. 도 7에서, 어두운 영역들은 친수성(이온성) 도메인을, 보다 밝은 영역들은 소수성 도메인을 나타낸다. 상기 표면 이미지는 5-10nm 크기의 작은 이온성 도메인의, 상호 연결된 친수성 네트워크를 가지는 뚜렷한 친수성/소수성 상분리를 보여주는데, 이는 친수성/소수성 블록 구조의 결과이다. 또한, 잘 연결된 네트워크를 가지는, 수십 나노미터에 이르는 이온성 도메인이 관찰되었으며, 이는 좋은 이온 수송 경로를 제공할 수 있었다.6 shows the appearance, surface and cross-sectional SEM image of the FPES-QA film and the FPES-IM film. In Fig. 6 (a), a transparent and flexible film is observed. The as-fabricated films are homogeneous and dense without any visible significant defects (Fig. 6 (b) and (c)). The FPES-IM membrane (IECw = 1.95 mequiv / g) is structurally relatively smoother and more dense. On the other hand, QA-PES membranes (IECw = 2.11 mequiv / g) expand to form a relatively coarse structure. We also observed the morphology of AEM with AFM to investigate hydrophilic / hydrophobic phase separation. In Fig. 7, dark regions represent hydrophilic (ionic) domains, and lighter regions represent hydrophobic domains. The surface image shows pronounced hydrophilic / hydrophobic phase separation with interconnected hydrophilic networks of small ionic domains of 5-10 nm in size, which is the result of a hydrophilic / hydrophobic block structure. In addition, ionic domains with well-connected networks of up to tens of nanometers were observed, which could provide a good ion transport pathway.

실험예Experimental Example 2: IEC, 물 흡수량, 팽윤 및 수산화 전도율 2: IEC, water absorption, swelling and hydrolysis rate

동일한 주쇄 골격으로부터 제조되나 서로 다른 방식으로 기능화된 이오노머 막들의 제조의 주요 목적 중 하나는 IECw를 유사하게 유지함으로써 다양한 기능화의 영향을 조사하는 것이었다. FPES-QA 막과 FPES-IM 막의 IECw는, 벤질 브로마이드가 완전히 사차화된 형태로 전환된다는 가정 하에 블록 공중합체 조성과 브롬화 정도로부터 이론적으로 산출되었다. FPES-QA 막과 FPES-IM 막의 이론적인 IECw은 각각 2.11 및 1.95mequiv/g였다. IECw 값의 이러한 차이는 사차 암모늄 양이온과 이미다졸리움의 서로 다른 질량에 기인한다. 막의 IECw 또한 모아법 및 질산은을 이용한 Br-의 적정에 의해 측정하였으며, 이를 표 2에 나타내었다. 측정된 값들은 이론 값의 95%를 넘었는데, 이는 고분자 질량 계산 때문일 수 있다. One of the main objectives of the preparation of ionomer membranes prepared from the same backbone skeleton but functionalized in different ways was to investigate the effect of various functionalization by keeping IECw similar. The IECw of the FPES-QA and FPES-IM membranes was theoretically calculated from the block copolymer composition and the degree of bromination, assuming that the benzyl bromide is converted to a fully quaternized form. The theoretical IECw of the FPES-QA and FPES-IM membranes were 2.11 and 1.95 mequiv / g, respectively. This difference in IECw values is due to the different masses of quaternary ammonium cations and imidazolium. IECw of the membrane was also measured by titration and titration of Br - using silver nitrate, which is shown in Table 2. The measured values exceeded 95% of the theoretical values, which may be due to polymer mass calculations.

AEM의 물 흡수량, 팽창률(길이 방향, Δl 및 두께, Δt) 및 수산화 전도율은 표 3에 기재되어 있다. 친수성 블록 및 소수성 블록을 포함하는 멀티블록 공중합체가 상분리된 형태를 형성할 수 있으며, 특정 IECw 값의 경우 낮은 물 흡수량, λ값, 팽창률 및 우수한 치수 안정성을 위해 일반 시설에서 뚜렷한 상분리(잘 연결된 친수성 도메인)를 나타낸다는 사실은 잘 알려져 있다. 또한, Tanaka 등도 특별히 소수성 블록들로부터 자기 조직화하는 큰 소수성 도메인이 과도한 물 흡수와 팽창을 억제한다는 것을 보고하였다. 따라서, 이상적으로 설계된 FPES-QA 막과 FPES-IM 막은 랜덤 고분자 QPAE-a5 막보다 많은 물을 흡수하였고, 유사한 IECw를 갖는, QPE-bl-5(X5Y11) 막, F-QPES 막 및 I-QPES 막과 같은 다양한 블록 이오노머 대비 적거나 비슷한 양의 물을 흡수하였다. 이는, 막 중의 친수성 블록들로부터 자기 조직화하는, 밀접하게 무리 지은(clustered) 이온기의 강한 전계효과(field effect) 때문일 수 있다. 예상했듯 막의 물 흡수 값은 IECw과 온도의 증가와 함께 증가한다. 서로 다른 IECw값을 갖는 막들의 물 흡수 특성을 평가하기 위한 수단으로서의, QA 당 또는 이미다졸리움기(λ로 표시)당 흡수된 물 분자의 수 역시 이론적인 IECw를 이용하여 산출되었다. FPES-IM 막과 유사한 작용기 밀도(유사한 IECw 값)를 갖는 FPES-QA 막은 FPES-IM 막에 비해 많은 양(높은 λ값)의 물을 흡수한다. The water absorption amount, the expansion ratio (longitudinal direction,? 1 and thickness,? T) and the hydroxyl conductivity of AEM are shown in Table 3. The multi-block copolymers comprising hydrophilic blocks and hydrophobic blocks can form phase-separated copolymers, and for certain IECw values, there is a clear phase separation (well-connected hydrophilic Domain). ≪ / RTI > Tanaka et al. Also reported that large hydrophobic domains self-organizing from hydrophobic blocks specifically inhibit excessive water uptake and swelling. Thus, the ideal designed FPES-QA and FPES-IM membranes absorbed more water than the random polymer QPAE-a 5 membrane, and the QPE-bl-5 (X5Y11) membrane, the F- QPES membranes, as compared to the various ionomers. This may be due to the strong field effect of tightly clustered ionic groups that self-organize from the hydrophilic blocks in the membrane. As expected, the water absorption of the membrane increases with increasing IECw and temperature. The number of water molecules absorbed per QA or imidazolium group (denoted by?) As a means for evaluating the water absorption properties of membranes with different IECw values was also calculated using the theoretical IECw. FPES-QA membranes with similar functional densities (similar IECw values) to FPES-IM membranes absorb larger amounts (higher λ values) of water than FPES-IM membranes.

본 연구자들은 이미다졸리움계 고분자의 보다 낮은 λ값은 비국소(delocalized) 이미다졸리움 양이온과 물 분자 간의 보다 낮은 쿨롱(또는 이온 쌍극자) 상호작용과 사차 암모늄계 재료에서 보이는 강한 힘에 비해 상대적으로 약한 입체장해에서 기인한 것임을 전제로 하고 있다. FPES-QA 막과 FPES-IM 막의 팽창률은 IECs과 물 흡수량이 증가함에 따라 증가했다. 상기 막들은 다른 많은 AEM 대비 비슷하거나 보다 낮은 20℃에서 약 Δl(%)=20의 팽창률을 보이며 좋은 치수 안정성을 보였다. FPES-QA 막과 FPES-IM 막은 서로 비슷한 면내 팽창을 보이지만, FPES-QA는 FEPS-IM와는 대조적으로 면 방향(plane direction)보다는 두께 방향으로 팽창 이방성을 보였다. FPES-IM 막의 팽창 이방성 정도(Δt/Δl)는 약 0.9였던 반면, FPES-QA 막의 팽창 이방성 정도는 약 1.85였다. FPES-QA의 팽창 이방성은 높은 λ값에 부합한다. We have found that the lower λ value of the imidazolium-based polymer is relatively low compared to the strong Coulomb (or ion dipole) interaction between the delocalized imidazolium cation and the water molecule and the quaternary ammonium material It is presumed that it is caused by a weak steric hindrance. The expansion rates of FPES-QA and FPES-IM membranes increased with increasing IECs and water uptake. The membranes exhibit good dimensional stability with an expansion rate of about 20% at about 20%, which is about or less than that of many other AEMs. The FPES-QA and FPES-IM membranes exhibit similar in-plane expansion, but FPES-QA exhibits expansion anisotropy in the thickness direction rather than in the plane direction, as opposed to FEPS-IM. The degree of expansion anisotropy (Δt / Δl) of the FPES-IM membrane was about 0.9 while the degree of expansion anisotropy of the FPES-QA membrane was about 1.85. The expansion anisotropy of the FPES-QA corresponds to a high λ value.

그러나 IECw 값이 서로 유사한 막들의 치수 안정성은 물 흡수량에 크게 의존하는 것으로 잘 알려져 있고, 과한(over-bounding) 물 흡수량은 주로 상대적으로 낮은 치수 안정성을 가져온다. FPES-QA의 경우의 보다 많은 물 흡수와 보다 큰 두께방향(through-plane)의 팽창은 막 구조 내에서 보다 질서정연한 친수성 도메인이 형성되었음을 시사할 수도 있다. 또한, FPES-QA 막의 면 방향에서의 보다 작은 치수 변화는 연료전지의 습도 조건에의 적용을 위한 고품질 막 전극 접합체의 제조에 유리할 것으로 기대된다.However, it is well known that the dimensional stability of membranes with similar IECw values is strongly dependent on the water uptake, and the over-bounding water uptake mainly results in relatively low dimensional stability. More water uptake and greater through-plane expansion in the case of FPES-QA may suggest that a more orderly hydrophilic domain is formed within the membrane structure. In addition, a smaller dimensional change in the plane direction of the FPES-QA film is expected to be advantageous for the production of high-quality membrane electrode assemblies for application to humidity conditions of fuel cells.

[표 3][Table 3]

Figure 112017012219456-pat00029
Figure 112017012219456-pat00029

높은 수산화 전도성은 고성능 AEMFC를 실현하기 위해 중요한 요소이며, 60-90℃의 작동 온도에서의 수산화 전도성은 10 mScm- 1 보다 커야 한다. 따라서, FPES-QA 막과 FPES-IM 막의 면내 수산화 전도성(σ)을 탈이온수 중에서 AC 임피던스 분광법에 의해 온도(30-80℃)에 대한 함수로서 측정하였다. 실험을 시작하기 전에, 실험에 사용된 탈이온수를 질소 가스로 퍼지하였는데, 이는 OH- 형태 막이 CO2에 노출되는 것을 제한하기 위한 것이다. 그러나 Hickner가 연구를 통해 AEM이 수 시간에 걸쳐 수산화 형태에서 중탄산염 형태로 급속히 전환되며 이에 따라 이온 전도성이 감소한다는 것을 밝혔듯, 실험적인 제한은 OH- 형태로부터 중탄산염 형태로의 부분적인 전환의 가능성을 배제할 수 없다. 언급된 온도 범위에서의 수산화 전도성은 FPES-QA의 경우 21-63mS/cm이며 FPES-IM의 경우 22-56mS/cm의 범위에 있는 것으로 나타났다. 해당 값들은 다른 많은 랜덤 AEMs과 블록 AEMs의 값들 대비 훨씬 높거나 유사하였으며 연료전지에의 적용을 위한 적절한 요구 조건을 충족하였다. AEM 중의 높은 수산화 전도성은 이오노머의 블록 구조에 의해 친수성 채널들의 상호 연결된 네트워크를 동반한, 친수성/소수성 도메인들의 상분리에 의해 달성된다. IECw 값에 대한 수산화 전도성의 의존도는 물 흡수량의 그것과 유사한 선형 추세를 보인다. 이오노머 막의 수산화 전도성 역시 온도가 상승함에 따라 극적으로 증가했다. 도 8에서, FPES-QA 막과 FPES-IM 막은 아레니우스식으로 온도 의존적인 수산화 전도 거동을 보였다. 도 8에 표시된 데이터에 선형 최소자승법(linear least square fit)을 적용하여, 수산화 전도성의 활성화 에너지(Ea)를 다음과 같은 수학식 7의 아레니우스식에 의거하여 산출하였다.Hydroxide high conductivity is an important factor to realize a high-performance AEMFC, conductivity of hydroxide at 60-90 ℃ operating temperature is 10 mScm - should be larger than one. Therefore, the in-plane hydroxyl conductivity () of FPES-QA and FPES-IM membranes was measured as a function of temperature (30-80 ° C) in deionized water by AC impedance spectroscopy. Prior to the start of the experiment, the deionized water used in the experiment was purged with nitrogen gas to limit exposure of the OH - form film to CO 2 . However, as Hickner's study showed that AEM rapidly converted from hydroxyl form to bicarbonate form over several hours and consequently reduced ionic conductivity, experimental limitations suggest that the possibility of partial conversion from OH - form to bicarbonate form I can not exclude it. Hydroxy conductivity at the stated temperature range was 21-63 mS / cm for FPES-QA and 22-56 mS / cm for FPES-IM. The values were much higher or similar to those of many other random AEMs and block AEMs and met the appropriate requirements for fuel cell applications. The high hydroxide conductivity in AEM is achieved by the phase separation of hydrophilic / hydrophobic domains, with an interconnected network of hydrophilic channels by the block structure of the ionomer. The dependence of hydroxide conductivity on IECw values shows a linear trend similar to that of water uptake. The hydroxyl conductivity of the ionomer membrane also increased dramatically with increasing temperature. In FIG. 8, the FPES-QA film and the FPES-IM film showed a temperature-dependent hydroxylation behavior in the Arrhenius equation. The activation energy (Ea) of hydroxyl conductivity was calculated based on the Arrhenius equation of the following Equation (7) by applying a linear least square fit to the data shown in Fig.

[수학식 7]&Quot; (7) "

Figure 112017012219456-pat00030
Figure 112017012219456-pat00030

이때, σ는 수산화 전도성(mS/cm), R은 보편기체상수(8.314 J/mol K), A는 전지수인자이며, T는 절대온도(K)이다. In this case, σ is the hydroxide conductivity (mS / cm), R is the universal gas constant (8.314 J / mol K), A is the exponential factor and T is the absolute temperature (K).

산출된 수산화 수송 활성화 에너지인 Ea는 FPES-QA 막의 경우 19.36 kJ/mol이었으며, FPES-IM 막의 경우 16.18 kJ/mol이었다. 해당 값들은 Nafion 117(13.63 kJ/mol)의 수산화 수송 활성화 에너지값보다 훨씬 높았으며 테트라페닐 메탄 부분을 보유한, 사차화된 폴리아릴렌 에테르의 값과는 비슷한 수준이었다. 이러한 결과는, Nafion 117 중의 양성자와 비교하여 이오노머 막 중의 수산화 이온의 이동성이 온도에 보다 크게 의존적이라는 것을 나타낸다. 이러한 Ea 값의 차이는 이오노머 막의 고분자 사슬 구조와 물 흡수량에 따른 것이다. The calculated activation energy of hydroxyl transport, Ea, was 19.36 kJ / mol for the FPES-QA membrane and 16.18 kJ / mol for the FPES-IM membrane. The values were much higher than the activation energy of hydroxyl transport of Nafion 117 (13.63 kJ / mol) and were similar to those of quaternized polyarylene ether with tetraphenylmethane moiety. These results indicate that the mobility of the hydroxide ion in the ionomer membrane is more dependent on temperature as compared to the proton in Nafion 117. The difference in Ea value is due to the polymer chain structure and water absorption of the ionomer membrane.

따라서, FPES-QA 막의 Ea가 FPES-IM 막의 Ea보다 크기 때문에 전도성과 구조(morphology) 사이에 직접적인 상관관계가 있다. FPES-IM은 증가된 상분리 정도를 보이므로(부분적으로 수화된 상태에서 기록된 AFM 이미지에서 뚜렷이 나타남), FPES-QA 막 중의 수산화 이온에 비해 수산화 이온이 보다 단순하게 이동하고 또 잘 전도될 수 있다. 상분리 정도의 증가는 수산화 수송의 구조적 장벽을 낮추어 막의 수분 함량에 따른 수산화 전도성과 물의 자기확산계수를 증가시켰다. 이러한 사실은 저온에서의 수산화 전도성이 FPES-QA에서보다 FPES-IM에서 더 높다는 점에서 명백하다. 그러나 저온의 상분리된 구조 중에서 친수성 도메인이 상대적으로 잘 연결되지 않은 FPES-QA의 경우, 온도의 상승은 과량의 큰 물 분자들이 흡수되는 결과를 낳았고, 이는 더 많은 개방형 구조의 채널들이 팽창하여 수산화 수송을 쉽게 하고 전도성을 높이는 결과를 가져왔다.Therefore, there is a direct correlation between conductivity and morphology because Ea of FPES-QA film is larger than Ea of FPES-IM film. Since FPES-IM shows increased degree of phase separation (apparent in the AFM image recorded in partially hydrated state), the hydroxide ion can move and pass well in comparison to the hydroxide ion in the FPES-QA membrane . Increasing the degree of phase separation decreased the structural barrier of water transport and increased the hydroxyl conductivity and the water diffusion coefficient according to the water content of the membrane. This fact is evident in the fact that the hydroxyl conductivity at low temperatures is higher in FPES-IM than in FPES-QA. However, in the case of FPES-QA in which the hydrophilic domains are not well connected in the low-temperature phase-separated structure, a rise in temperature has resulted in the absorption of excess large water molecules, which causes the channels of more open structure to swell, And to increase the conductivity.

요약하면, 새로운 사차 암모늄- 및 이미다졸리움에 기반한 부분불소화된 폴리에테르설폰 블록 공중합체인 AEM을 동일한 골격 구조와 유사한 기능화 정도를 갖도록 합성하는 데에 성공하였다. HFB을 연결기로서 갖는 폴리에테르설폰 AEM의 블록 구조는 보다 수월한 이온 수송을 위한, 뚜렷한 상분리 구조를 갖는 유연하고 질긴 막을 가능케 했다. In summary, we succeeded in synthesizing AEM, a partially fluorinated polyethersulfone block copolymer based on the novel quaternary ammonium- and imidazolium, to have the same degree of functionalization as the same skeleton structure. The block structure of the polyethersulfone AEM with HFB as a linker enables a flexible, tough membrane with a distinct phase separation structure for easier ion transport.

FPES-QA 막은 FPES-IM 막에 비해 보다 큰 물 흡수량과 큰 팽창 이방성을 보였다. 40℃ 이후의 모든 온도에서, FPES-QA 막은 FPES-IM에 비해 높은 수산화 전도성을 나타냈다. FPES-QA 막은 대기조건에서 보다 높은 IECw(FPES-QA, IECw = 2.07 mequiv/g; FPES-IM, IECw = 1.93 mequiv/g) 값을 가지는데도, 낮은 전도성의 원인이 되는 보다 조밀한 구조를 갖는 것으로 추정된다. 길이 방향에서의 수산화 전도성은 FPES-QA의 경우 21-63mS/cm였으며 FPES-IM의 경우 22-56mS/cm였다. The FPES-QA membrane exhibited larger water uptake and larger expansion anisotropy than the FPES-IM membrane. At all temperatures after 40 ° C, the FPES-QA membrane exhibited a higher hydroxyl conductivity than FPES-IM. Although the FPES-QA film has higher IECw (FPES-QA, IECw = 2.07 mequiv / g; FPES-IM, IECw = 1.93 mequiv / g) at atmospheric conditions, it has a denser structure . The hydroxyl conductivity in the longitudinal direction was 21-63 mS / cm for FPES-QA and 22-56 mS / cm for FPES-IM.

따라서, 본 발명에 따르면, 높은 수산화 전도성, 보다 나은 열안정성, 치수 안정성과 화학적 안정성을 갖는 FPES-IM이 알칼리 연료전지 용도를 위해 더 나은 AEM을 제공할 수 있다는 것을 알 수 있었다.Thus, according to the present invention, it has been found that FPES-IM with high hydroxide conductivity, better thermal stability, dimensional stability and chemical stability can provide better AEM for alkaline fuel cell applications.

이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현예일 뿐이며, 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아님은 명백하다. 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention. Do. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.

따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 특허청구범위와 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.Accordingly, the actual scope of the invention is defined by the appended claims and their equivalents.

Claims (5)

하나 이상의 4차 암모늄염과 수소, 또는 하나 이상의 이미다졸륨염과 수소가 팬던트된 폴리에테르설폰 주쇄로 구성된 친수성 영역; 및
플루오르화된 폴리에테르설폰 주쇄로 구성된 소수성 영역;을 포함하되,
상기 친수성 영역 및 소수성 영역은 데카플루오로바이페닐 또는 헥사플루오로벤젠을 매개로 연결되는 것을 특징으로 하는 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 반플루오르화된(semi-fluorinated) 폴리에테르설폰 블록공중합체:
[화학식 1]
Figure 112017012219456-pat00031

상기 식에서,
R은 데카플루오로바이페닐 또는 헥사플루오로벤젠이고,
R''는 각각
Figure 112017012219456-pat00032
,
Figure 112017012219456-pat00033
또는 수소이되, 상기
Figure 112017012219456-pat00034
Figure 112017012219456-pat00035
는 동시에 포함되지 않으며,
x 및 y는 5 내지 25의 정수이고,
n은 2 내지 10의 정수이다.
A hydrophilic region comprising at least one quaternary ammonium salt and hydrogen, or at least one imidazolium salt and a hydrogen pendant polyethersulfone backbone; And
A hydrophobic region comprised of a fluorinated polyethersulfone backbone,
Wherein the hydrophilic region and the hydrophobic region are linked via a decafluorobiphenyl or hexafluorobenzene, wherein the semi-fluorinated polyether sulfone block comprises a repeating unit represented by the following formula (1) Copolymer:
[Chemical Formula 1]
Figure 112017012219456-pat00031

In this formula,
R is decafluorobiphenyl or hexafluorobenzene,
R "
Figure 112017012219456-pat00032
,
Figure 112017012219456-pat00033
Or hydrogen,
Figure 112017012219456-pat00034
Wow
Figure 112017012219456-pat00035
Are not simultaneously included,
x and y are integers from 5 to 25,
n is an integer of 2 to 10;
제1항에 있어서, 상기 반복단위가 하기 화학식 2 또는 화학식 3으로 표시되는 것을 특징으로 하는 반플루오르화된(semi-fluorinated) 폴리에테르설폰 블록공중합체:
[화학식 2]
Figure 112017012219456-pat00036

[화학식 3]
Figure 112017012219456-pat00037

상기 식에서,
R''는 각각
Figure 112017012219456-pat00038
,
Figure 112017012219456-pat00039
또는 수소이되, 상기
Figure 112017012219456-pat00040
Figure 112017012219456-pat00041
는 동시에 포함되지 않으며,
x 및 y는 5 내지 25의 정수이고,
n은 2 내지 10의 정수이다.
The semi-fluorinated polyether sulfone block copolymer according to claim 1, wherein the repeating unit is represented by the following formula (2) or (3):
(2)
Figure 112017012219456-pat00036

(3)
Figure 112017012219456-pat00037

In this formula,
R "
Figure 112017012219456-pat00038
,
Figure 112017012219456-pat00039
Or hydrogen,
Figure 112017012219456-pat00040
Wow
Figure 112017012219456-pat00041
Are not simultaneously included,
x and y are integers from 5 to 25,
n is an integer of 2 to 10;
제1항에 따른 반플루오르화된(semi-fluorinated) 폴리에테르설폰 블록공중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 음이온 교환 고분자 전해질막.An anion exchange polyelectrolyte membrane characterized by comprising a semi-fluorinated polyether sulfone block copolymer according to claim 1. 제3항에 따른 음이온 교환 고분자 전해질막을 채용한 연료전지.A fuel cell employing the anion-exchange polymer electrolyte membrane according to claim 3. (i) 하기 화학식 4의 화합물과 화학식 5의 화합물을 K2CO3의 존재 하에서 반응시켜 하기 화학식 6의 화합물을 제조하는 단계;
(ii) 하기 화학식 6의 화합물을 K2CO3의 존재 하에 헥사플루오로벤젠으로 말단 캡핑하여 하기 화학식 10의 화합물을 제조하는 단계;
(iii) 화학식 7의 화합물과 화학식 8의 화합물을 K2CO3의 존재 하에서 반응시켜 하기 화학식 9의 화합물을 제조하는 단계;
(iv) 하기 화학식 9의 화합물과 하기 화학식 10의 화합물을 K2CO3의 존재 하에서 반응시켜 하기 화학식 11의 화합물을 제조하는 단계;
(v) N-브로모숙신이미드(NBS) 및 과산화 벤조일(BPO)을 이용하여 하기 화학식 11의 화합물을 라디칼 반응시켜 하기 화학식 12의 화합물을 제조하는 단계; 및
(vi) 하기 화학식 12의 화합물을 트리메틸아민 또는 에틸이미다졸과 반응시키는 단계를 포함하는 하기 화학식 2로 표시되는 반복단위를 포함하는 반플루오르화된(semi-fluorinated) 폴리에테르설폰 블록공중합체의 제조방법:
[화학식 4]
Figure 112017012219456-pat00042

[화학식 5]
Figure 112017012219456-pat00043

[화학식 6]
Figure 112017012219456-pat00044

[화학식 7]
Figure 112017012219456-pat00045

[화학식 8]
Figure 112017012219456-pat00046

[화학식 9]
Figure 112017012219456-pat00047

[화학식 10]
Figure 112017012219456-pat00048

[화학식 11]
Figure 112017012219456-pat00049

[화학식 12]
Figure 112017012219456-pat00050

[화학식 2]
Figure 112017012219456-pat00051

상기 식에서,
R'는 Br 또는 수소이고,
R''는
Figure 112017012219456-pat00052
,
Figure 112017012219456-pat00053
또는 수소이며,
x 및 y는 5 내지 25의 정수이고,
n은 2 내지 10의 정수이다.
(i) reacting a compound of formula (4) and a compound of formula (5) in the presence of K 2 CO 3 to produce a compound of formula (6);
(ii) endcapping the compound of formula (6) with hexafluorobenzene in the presence of K 2 CO 3 to produce a compound of formula (10);
(iii) reacting a compound of formula (VII) with a compound of formula (VIII) in the presence of K 2 CO 3 to produce a compound of formula (9);
(iv) reacting a compound of formula (9) and a compound of formula (10) in the presence of K 2 CO 3 to prepare a compound of formula (11);
(v) reacting a compound of the following formula (11) with N-bromosuccinimide (NBS) and benzoyl peroxide (BPO) to prepare a compound of the following formula (12); And
(vi) reacting a compound represented by the following formula (12) with trimethylamine or ethylimidazole to obtain a semi-fluorinated polyether sulfone block copolymer having a repeating unit represented by the following formula Manufacturing method:
[Chemical Formula 4]
Figure 112017012219456-pat00042

[Chemical Formula 5]
Figure 112017012219456-pat00043

[Chemical Formula 6]
Figure 112017012219456-pat00044

(7)
Figure 112017012219456-pat00045

[Chemical Formula 8]
Figure 112017012219456-pat00046

[Chemical Formula 9]
Figure 112017012219456-pat00047

[Chemical formula 10]
Figure 112017012219456-pat00048

(11)
Figure 112017012219456-pat00049

[Chemical Formula 12]
Figure 112017012219456-pat00050

(2)
Figure 112017012219456-pat00051

In this formula,
R 'is Br or hydrogen,
R "
Figure 112017012219456-pat00052
,
Figure 112017012219456-pat00053
Or hydrogen,
x and y are integers from 5 to 25,
n is an integer of 2 to 10;
KR1020170016264A 2017-02-06 2017-02-06 Semi-fluorinated Poly(ether sulfone) block copolymers and Anion Exchange Polymer Electrolyte Membrane using the same KR101841692B1 (en)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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