KR101857152B1 - Latent ion-conducting polymer, resin composition comprising the polymer, and manufacturing method of ion-conducting membrane using the same - Google Patents

Latent ion-conducting polymer, resin composition comprising the polymer, and manufacturing method of ion-conducting membrane using the same Download PDF

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황승상
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구종민
조계룡
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김현지
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Abstract

Provided is a latent ion conductive polymer including a latent ion conductive substituent as a pendant substituent substituted on a main chain which forms the polymer. Moreover, provided are a polymeric resin composition containing the same, and a method for producing an ion conductive membrane thereby. According to the present invention, it is possible to produce ion conductive membranes having ion channels whose morphology is suitably controlled in a fluorine-based matrix which is excellent in chemical and mechanical stability, by using the latent ion conductive polymer.

Description

잠재적 이온전도성 중합체, 이를 포함하는 수지 조성물 및, 이를 이용한 이온전도성 막의 제조방법{LATENT ION-CONDUCTING POLYMER, RESIN COMPOSITION COMPRISING THE POLYMER, AND MANUFACTURING METHOD OF ION-CONDUCTING MEMBRANE USING THE SAME}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to an ion conductive polymer, a resin composition containing the ion conductive polymer, and a method for manufacturing an ion conductive membrane using the same. BACKGROUND ART [0002]

본 발명은 잠재적 이온전도성 중합체, 이를 포함하는 수지 조성물 및, 이를 이용한 이온전도성 막의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 중성인 잠재적 이온전도성을 갖는 고분자 블록을 포함하여 이온전도성 막의 제조공정 중에 있어 용매의 선택이 자유롭고, 이로부터 제조되는 이온전도성 막에 형성되는 이온성 채널의 모폴로지를 용이하게 조절하는 것이 가능하며, 또한, 안정적인 이온채널의 형성을 가능하게 하는 잠재적 이온전도성 중합체, 이를 포함하는 수지 조성물 및, 이를 이용한 이온전도성 막의 제조방법에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a potential ion conductive polymer, a resin composition containing the same, and a process for producing an ion conductive membrane using the same. More particularly, the present invention relates to a process for producing an ion conductive membrane including a polymer block having neutral ion conductivity A potential ion conductive polymer capable of easily controlling the morphology of the ionic channel formed in the ion conductive film produced from the solvent and capable of forming a stable ion channel, And a method for producing an ion conductive membrane using the same.

연료전지용 고분자 전해질은 연료전지 성능을 좌우하는 연료전지의 심장을 담당하는 핵심구성요소 중의 하나이며, 고분자 전해질 및 바인더를 포함한 촉매전극의 제조단가는 연료전지 생산단가의 약 50%를 차지한다.Polymer electrolytes for fuel cells are one of the key components of the fuel cell, which affects the fuel cell performance. The production cost of the catalyst electrode including the polymer electrolyte and the binder accounts for about 50% of the fuel cell production cost.

상기 고분자 전해질에 적용되는 이온전도성 막의 재료로서 널리 사용되는 것은 듀폰사의 나피온(등록상표)으로서, 상기 나피온은 폴리테트라플루오르에틸렌의 골격에 설폰산기를 도입한 고분자를 기반으로 한다. 나피온은 화학적 안정성, 열적안정성, 높은 이온 전도성이 장점이나,비싼 가격, 고온에서의 탈수, 메탄올 투과 등의 문제점 있어서, 이를 대체할 재료들에 대한 연구가 계속되고 있다. A widely used material for the ion conductive membrane applied to the polymer electrolyte is Nafion (registered trademark) of DuPont, which is based on a polymer in which a sulfonic acid group is introduced into the skeleton of polytetrafluoroethylene. Nafion has the advantages of chemical stability, thermal stability and high ionic conductivity, but there are problems such as high cost, dehydration at high temperature, methanol permeation, and so on.

대안 기술의 예로서, 소수성 다공성 필름에 나피온을 함침하는 기술이 알려져 있다. 이 기술은 고가의 나피온 사용량을 주일 수 있고, 고온 함수성 및 기계적 안정성을 확보할 수 있다는 점에서 현재로서는 가장 유력한 나피온의 대체 재료이지만 여전히 고가이다.As an example of an alternative technique, a technique of impregnating a hydrophobic porous film with Nafion is known . This technology is the most potent alternative to Nafion at present, but it is still expensive in that it can be used at high Nafion usage and can maintain high temperature functionality and mechanical stability.

나피온의 고온 탈수의 문제점을 극복하기 위한 시도로는 나피온 수지를 가교화하는 방법이 제시된 바 있다. 그러나, 방법은 이온전도도가 확보될 수 없다는 근본적인 문제점이 있다.As an attempt to overcome the problem of Nafion's high temperature dehydration, a method of crosslinking Nafion resin has been proposed. However, the method has a fundamental problem that the ionic conductivity can not be secured.

다른 시도로서 하이드로카본계 이온성 고분자를 적용하는 것이다. 그러나, 하이드로카본계 고분자는 나피온과 같은 불소계 고분자에 비하여 비교적 낮은 화학적 안정성과 이온전도도 때문에 여전히 나피온계 고분자의 대안이 되지 못하고 있다.Another approach is to apply a hydrocarbon-based ionic polymer. However, the hydrocarbon-based polymer is still not an alternative to the naphion-based polymer because of its relatively low chemical stability and ionic conductivity compared with fluoropolymers such as nafion.

마지막으로, 하이드로카본계 블록 공중합체의 자기조립 현상을 이용하여 이온채널을 확보하는 방법이 시도되고 있다, 이 방법으로 제조된 이온전도성 막 역시 기계적, 화학적 안정성은 여전히 만족스럽지 못하고, 나아가, 소재 자체의 양친매성 특징으로 인하여 제조공정이 복잡하다는 단점이 있다.
Finally, attempts have been made to secure an ion channel by using the self-assembly phenomenon of a hydrocarbon-based block copolymer. The ionic conductive membrane produced by this method is still unsatisfactory in mechanical and chemical stability. Further, The manufacturing process is complicated due to the amphipathic nature of the polymer.

이에 본 발명자들은, 상술한 선행기술들의 단점을 극복할 수 있는 새로운 소재를 찾고자 예의 노력한 결과, 잠재적 이온전도성을 갖는 하이드로카본계 공중합체를 불소계 고분자와 블렌드한 다음, 하이드로카본계 블록 공중합체의 자기조립현상을 유도한 후에 이를 이온채널로 전환시키는 경우, 안정적인 이온채널을 확보할 수 있으면서도 화학적, 기계적 안정성이 우수한 이온전도성 막을 제조할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
Accordingly, the present inventors have made efforts to find a new material capable of overcoming the disadvantages of the prior art described above. As a result, the inventors have found that a hydrocarbon copolymer having potential ion conductivity is blended with a fluoropolymer, It has been confirmed that an ion conductive membrane having excellent chemical and mechanical stability can be obtained while ensuring a stable ion channel when the ion conductive membrane is converted into an ion channel after inducing the assembly phenomenon.

본 발명의 목적은 불소계 고분자와 같은 우수한 화학적, 기계적 안정성을 가지면서도 제어된 형태의 이온채널을 형성할 수 있는 이온전도성 막의 제조가 가능한 잠재적 이온전도성 중합체를 제공하는 것이다. It is an object of the present invention to provide a potential ion conductive polymer capable of producing an ion conductive membrane capable of forming a controlled type ion channel having excellent chemical and mechanical stability such as a fluorinated polymer.

본 발명의 다른 목적은 상기 중합체를 포함하는 고분자 수지 조성물을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a polymer resin composition comprising the polymer.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 조성물을 이용하여 이온전도성 막을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a method for producing an ion conductive membrane using the above composition.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 방법에 의하여 제조되는 이온 전도성 막을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide an ion conductive membrane produced by the above method.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 중합체를 형성하는 주사슬에 치환된 펜던트 치환체로서 잠재적 이온전도성 치환기를 포함하는 잠재적 이온전도성 중합체를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a potential ion-conducting polymer comprising a potential ion-conducting substituent as a pendant substituent substituted on the main chain forming the polymer.

또한 본 발명에서는 상기 잠재적 이온전도성 중합체를 포함하는 제1 고분자와; 상기 잠재적 이온전도성 고분자에 대하여 비상용성인 수지를 포함하는 제2 고분자;를 포함하는, 고분자 수지 조성물을 제공한다.Also, the present invention provides a polymer electrolyte membrane comprising: a first polymer comprising the potential ion conductive polymer; And a second polymer comprising an emissive resin for the potential ion conductive polymer.

상기 잠재적 이온 전도성 중합체는 폴리(알킬 p-스타이렌설포네이트)일 수 있다.The potential ion conductive polymer may be poly (alkyl p-styrene sulfonate).

상기 제1 고분자는 잠재적 이온전도성 중합체와 비극성 아크릴계 고분자의 블록 공중합체일 수 있다.The first polymer may be a block copolymer of a latent ion conductive polymer and a non-polar acrylic polymer.

상기 제2 고분자 수지는 불소계 또는 부분불소계 고분자 수지일 수 있다.The second polymer resin may be a fluorine-based or partially fluorine-based polymer resin.

또한 본 발명에서는, 잠재적 이온전도성 고분자를 포함하는 제1 고분자와, 상기 잠재적 이온전도성 고분자에 대하여 비상용성인 수지를 포함하는 제2 고분자를 포함하는 고분자 수지 조성물을 캐스팅하는 단계; 상기 캐스팅 후, 잠재적 이온전도성 고분자 블록의 자기조립을 유도하여 막 전구체 필름을 수득하는 단계; 및, 상기 자기조립된 잠재적 이온 전도성 고분자를 이온전도성 고분자로 전환시켜 이온채널을 형성하는 단계;를 포함하는 이온전도성 막의 제조 방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a polymer electrolyte fuel cell, comprising the steps of: casting a polymer resin composition comprising a first polymer containing a latent ion conductive polymer and a second polymer including a resin incompatible with the potential ion conductive polymer; After the casting, inducing self-assembly of the potentially ion conductive polymer block to obtain a film precursor film; And converting the self-assembled potential ion conductive polymer to an ion conductive polymer to form an ion channel.

또한 본 발명에서는, 상기 방법으로 제조되고, 불소계 수지 매트릭스 내에 극성 고분자 수지의 이온채널이 형성된 이온전도성 막을 제공한다.
The present invention also provides an ion conductive film produced by the above method, wherein an ion channel of a polar polymer resin is formed in a fluorine resin matrix.

본 발명의 조성물 이용하여, 고분자 매트릭스, 예를 들어, 불소계 고분자 매트릭스 내에 잠재적인 이온전도성 채널을 형성한 다음, 이를 이온성을 갖는 이온성 채널로 전환시킴으로써, 고분자 매트릭스 내에 이온성 채널을 형성시킨 이온전도성 막을 제조할 수 있다.By using the composition of the present invention, a potential ion-conductive channel is formed in a polymer matrix, for example, a fluorine-based polymer matrix, and then converted into an ionic channel having an ionic property to form an ionic channel in the polymer matrix A conductive film can be produced.

본 발명의 조성물 제조되는 이온전도성 막은 화학적, 기계적 안정성이 우수한 매릭스 수지 내에 잘 제어된 모폴로지의 이온채널을 가질 수 있다. 따라서, 안정적이고 높은 전도성을 갖는 이온전도성 채널을 가지는 이온전도성 막을 제조할 수 있다.The ion conductive membrane prepared according to the composition of the present invention may have ion channels of well-controlled morphology in a matrix resin excellent in chemical and mechanical stability. Therefore, an ion conductive membrane having an ion conductive channel having stable and high conductivity can be produced.

본 발명의 조성물에 포함되는 잠재적 이온전도성 고분자는 비이온성인 중성의 화합물이다. 따라서, 불소계 고분자와 블렌드하는 경우, 이온성의 차이에 따르는 용매의 제한이 없다. 따라서, 단순한 공정으로 이온전도성 막을 제조할 수 있다.
The potential ion conductive polymer included in the composition of the present invention is a nonionic neutral compound. Therefore, in the case of blending with the fluorine-based polymer, there is no limitation on the solvent depending on the difference in ionicity. Therefore, the ion conductive film can be produced by a simple process.

도 1은 본 발명 이온전도성 막의 제조 방법에 있어 막의 모폴로지 변화를 설명하는 모식도이다.
도 2a는 실시예에서 합성된 PNSS들에 대한 GPC 결과들이고, 도 2b는 PNSS와 PNSS-b-PMMA의 GPC 결과를 비교한 것이다.
도 3a는 분자량 Mn 15,000 g/mol 인 PNSS-PMMA의 1H NMR 스펙트럼이고, 도 3b는 IR-스펙트럼이다.
도 4는 막 전구체 필름을 열처리하면서 시간에 따른 중량변화를 측정한 그래프이다.
도 5는 건조가 완료된 후 자기조립된 막 전구체 필름과, 열처리가 완료된 후 이온채널이 형성된 이온전도성 막의 표면에 대한 ATM 사진들이다.
도 6은 제조된 이온전도성 막의 물 흡수율을 시간에 따라 측정하여 그래프이다.
도 7은 본 발명의 방법에 따라 제조된 이온전도성 막의 이온전도도를 측정한 그래프이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic diagram for explaining a change in morphology of a film in a method for producing an ion conductive membrane of the present invention. FIG.
FIG. 2A shows GPC results for PNSSs synthesized in the embodiment, and FIG. 2B is a comparison of GPC results of PNSS and PNSS-b-PMMA.
FIG. 3A is a 1 H NMR spectrum of PNSS-PMMA having a molecular weight Mn of 15,000 g / mol, and FIG. 3 b is an IR spectrum.
4 is a graph showing a change in weight with time while the film precursor film is heat-treated.
FIG. 5 is an ATM photograph of a self-assembled film precursor film after drying is completed and a surface of an ion conductive membrane on which an ion channel is formed after heat treatment is completed.
6 is a graph showing the water absorption rate of the produced ion conductive membrane over time.
7 is a graph showing the ionic conductivity of the ion conductive membrane prepared according to the method of the present invention.

본 발명에서, `이온성을 갖는 치환기 또는 고분자`라 함은 분자의 전부 또는 일부에, 예를 들어, 설폰산의 알칼리금속염과 같은 이온성 치환기를 가지는 경우뿐만이 아니라, 설폰산과 같이 간단한 염기처리에 의하여 이온성 치환기로 전환될 수 있는 산 치환기를 갖는 고분자를 포함한다. 한편, 본 발명에서, `중성` 또는 `비이온성`고분자라 함은 이라 함은 이온성 치환기를 가지지 않는 고분자를 말한다.In the present invention, the term " ionic substituent or polymer " refers not only to a case where an ionic substituent such as an alkali metal salt of a sulfonic acid is present on all or a part of a molecule, A polymer having an acid substituent capable of being converted to an ionic substituent. In the present invention, "neutral" or "nonionic" polymer refers to a polymer having no ionic substituent.

본 발명에서, `잠재적 이온전도성` 치환체 또는 고분자라 함은, 중성으로서 이온전도성이 없으나, 적절한 처리과정을 거치는 경우 이온성 부분을 갖는 치환체 또는 고분자로 변환될 수 있는 것을 말한다. 잠재적 이온전도성을 이온전도성으로 변환시키는 처리는, 예를 들어, 열처리나; 산, 염기와 같은 화학적 처리; 또는 가시광, UV- 또는 전자선 조사와 같은 광처리;일 수 있다. 이들 처리는 조합으로 사용될 수 있다.In the present invention, a `potential ion conductive` substituent or polymer refers to a substance which is neutral and has no ionic conductivity, but can be converted into a substituent or polymer having an ionic moiety when subjected to an appropriate treatment. The process of converting the potential ionic conductivity to ionic conductivity may be, for example, heat treatment; Chemical treatments such as acids and bases; Or a light treatment such as visible light, UV- or electron beam irradiation. These treatments can be used in combination.

본 발명에서, `자기조립`이라 함은 조성물에 포함된 비상용성인 고분자들이, 또는 비상용성 고분자 블록들을 포함하는 공중합체의 각 블록들이 고분자 또는 단위 블록들의 성질에 따라 그 사차원 구조가 재배열되는 과정을 말한다. 상기 자기조립을 유도하는 것은 고분자들, 또는 블록들의 성질은 표면장력, 친수성/친유성 또는 이온성/비이온성과 같은 물리적 상호작용이다. 상기 재배열의 결과는 통상적으로 상분리를 수반한다.In the present invention, the term `self-assembly 'refers to a process in which each block of a copolymer containing an incompatible polymer or an incompatible polymer block contained in the composition is rearranged according to the properties of the polymer or unit blocks . The nature of the polymers, or blocks, to derive the self-assembly is a physical interaction such as surface tension, hydrophilic / lipophilic or ionic / nonionic properties. The result of the rearrangement usually involves phase separation.

본 발명에서, `펜던트 치환체`라 함은 중합체의 주사슬을 형성하는 탄소 또는 질소 등의 원자와 결합된 수소를 대신하여 치환된 원자 또는 원자단(group)을 말한다. 상기 펜던트 치환체는 통상적으로 관능기를 포함하는 원자단이 주사슬에 직접 결합하는 형태일 수도 있고, 또는, 주사슬과 관능기를 포함하는 원자단이 C1 내지 C10의 탄소 및/또는 헤테로 원자를 포함하는 또 다른 원자단이 개재된 상태에서 결합된 관능기를 포함하는 원자단이 주사슬에 결합된 형태일 수도 있다.
In the present invention, the term "pendant substituent" refers to a substituted atom or group in place of hydrogen bonded to an atom such as carbon or nitrogen which forms the main chain of the polymer. The pendant substituent may be a form in which an atomic group containing a functional group is directly bonded to the main chain, or an atomic group containing a main chain and a functional group is a carbon atom and / or a hetero atom containing a C1 to C10 hetero atom May be in the form in which an atomic group including a bonded functional group is bonded to the main chain.

1. 잠재적 이온전도성 중합체1. Potential ion conducting polymer

본 발명에 따르는 잠재적 이온 전도성 중합체는, 중합체를 형성하는 주사슬에 치환된 펜던트 치환체로서 잠재적 이온전도성 치환기를 포함하는 잠재적 이온전도성 중합체를 제공한다.
The potential ion conductive polymers according to the present invention provide a potential ion conductive polymer comprising a potential ion conductive substituent as a pendant substituent substituted on the main chain forming the polymer.

본 발명에 따르는 잠재적 이온전도성 중합체에서, 상기 주사슬을 형성하는 고분자는 특별한 제한이 없다.
In the potential ion conductive polymer according to the present invention, the polymer forming the main chain is not particularly limited.

일 실시형태에서, 상기 주사슬를 형성하는 중합체는 올레핀계 중합체, 아크릴계 중합체, 아세테이트계 중합체, 스타이렌계 중합체, 에스테르계 중합체, 아미드계 중합체, 불소계 또는 부분불소계 중합체, 셀룰루오스계 중합체, 글리콜계 중합체, 카보네이트계 중합체, 폴리이미드계 중합체, 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리설폰계 중합체 등 일수 있으며, 이에 제한되지 않는다.
In one embodiment, the polymer forming the main chain may be an olefin polymer, an acrylic polymer, an acetate polymer, a styrene polymer, an ester polymer, an amide polymer, a fluorine or partial fluorine polymer, a cellulosic polymer, , A carbonate-based polymer, a polyimide-based polymer, a polyetheretherketone (PEEK), a polysulfone-based polymer, and the like.

상기에서, 올레핀계 중합체는 예를 들어, 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리메틸펜텐(PMP), 폴리부텐-1(PB-1), 폴리이소부틸렌(PBI), 에틸렌-프로필렌 러버(EPR), 에틸렌-프로필렌-디엔 러버(EPDM) 및 C5 내지 C20의 α-올레핀 중합체 또는 이들의 공중합체일 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.In the above, the olefinic polymer may be, for example, polyethylene (PE), polypropylene (PP), polymethylpentene (PMP), polybutene-1 (PB-1), polyisobutylene Rubber (EPR), ethylene-propylene-diene rubber (EPDM), and C5 to C20 alpha-olefin polymers or copolymers thereof.

상기에서, 아크릴계 중합체는 예를 들어, (메트)아크릴산, C1~C10의 (메트)아크릴레이트, C1~C10의 (메트)아크릴아미드 및 아크릴로니트릴을 포함하는 군으로부터 선택되는 하나 또는 2 이상의 단량체를 중합하여 얻어지는 것이며, 이에 한정되지 않는다.In the above, the acrylic polymer may include, for example, one or two or more monomers selected from the group including (meth) acrylic acid, C1 to C10 (meth) acrylates, C1 to C10 (meth) acrylamides and acrylonitrile But is not limited thereto.

상기에서, 아세테이트계 중합체는 예를 들어, 폴리비닐아세테이트(PVAc), 폴리비닐알콜(PVA), 에틸렌-비닐아세테이트 공중합체(EVA), 비닐아세테이트-아크릴산 공중합체(VA/AA), 폴리비닐클로라이드아세테이트(PVCA) 및 폴리비닐피롤리돈(Vp/Va 공중합체)로 구성된 군으로부터 선택되는 것일 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.In the above, the acetate-based polymer may be, for example, polyvinyl acetate (PVAc), polyvinyl alcohol (PVA), ethylene-vinyl acetate copolymer (EVA), vinyl acetate-acrylic acid copolymer (VA / AA) Acetate (PVCA), and polyvinylpyrrolidone (Vp / Va copolymer).

상기에서, 스타이렌계 중합체는 예를 들어, 폴리스타이렌, 아크릴로니트릴-스타이렌-부타디엔 공중합체, 스타이렌-부타디엔 공중합체(러버 또는 라텍스), 스타이렌-이소프렌-스타이렌 공중합체, 스타이렌-에틸렌/부타디엔-스타이렌 공중합체, 스타이렌-디비닐벤젠 공중합체 또는 스타이렌-아크릴로니트릴 공중합체일 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.The styrene-based polymer may be, for example, a polystyrene, an acrylonitrile-styrene-butadiene copolymer, a styrene-butadiene copolymer (rubber or latex), a styrene-isoprene-styrene copolymer, / Butadiene-styrene copolymer, a styrene-divinylbenzene copolymer, or a styrene-acrylonitrile copolymer.

상기에서, 에스테르계 중합체는 예를 들어, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리락트산, 폴리카프로락톤, 폴리하이드록시부틸레이트, 폴리부틸렌석시네이트, 폴리에틸렌나프탈레이트 또는 폴리에틸렌아디페이트 일 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.In the above, the ester polymer may be, for example, polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polylactic acid, polycaprolactone, polyhydroxybutyrate, polybutylene succinate, polyethylene naphthalate or polyethylene adipate , But is not limited thereto.

상기에서, 아미드계 중합체는 예를 들어, 나일론 4, 나일론-6, 나일론-66, 나일론 12 또는 이들의 공중합체일 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.In the above, the amide polymer may be, for example, nylon 4, nylon-6, nylon-66, nylon 12 or copolymers thereof, but is not limited thereto.

상기에서, 불소계 또는 부분불소계 중합체는 예를 들어, 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride, PVDF), 폴리트리플루오로에틸렌(trifluoroethylene, TrFE), 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE), 폴리헥사플루오로프로필렌(polyhexafluoropopylene, PHFP) 또는 이들 중 2 성분 이상의 공중합체로부터 선택될 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.In the above, the fluorinated or partially fluorinated polymer may be, for example, polyvinylidenefluoride (PVDF), polytrifluoroethylene (TrFE), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyhexafluoropropylene (polyhexafluoropopylene, PHFP), or copolymers of two or more thereof, but is not limited thereto.

상기에서, 셀룰로오스계 중합체는 예를 들어, 셀룰로오스, 니트로셀룰로오스, 카복시메틸세룰로오스 및 셀룰로오스아세테이트로 구성된 군으로부터 선택되는 것일 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.In the above, the cellulosic polymer may be selected from the group consisting of, for example, cellulose, nitrocellulose, carboxymethylcellulose and cellulose acetate, but is not limited thereto.

폴리이미드계 중합체는 예를 들어, 폴리이미드, 폴리아미드이미드 등이며, 이에 한정되지 않는다.The polyimide-based polymer is, for example, polyimide, polyamideimide and the like, but is not limited thereto.

상기에서, 글리콜계 중합체는 예를 들어, 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜, 폴리부틸렌글리콜 또는 이들의 공중합체일 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.In the above, the glycol-based polymer may be, for example, polyethylene glycol, polypropylene glycol, polybutylene glycol, or a copolymer thereof, but is not limited thereto.

상기에서, 폴리설폰계 중합체는 예를 들어, 폴리설폰(polysulfone, PSF or PSU), 폴리(에테르 설폰)(poly(ether sulfone), PES), 폴리페닐설폰(polyphenylsulfone, PPSU or PPSF)과 같은 폴리(아릴렌 에테르 설폰) 등이 있으며, 이들에 한정되지 않는다.
In the above, the polysulfone-based polymer may be selected from the group consisting of polysulfone (PSF or PSU), poly (ether sulfone), PES, polyphenylsulfone (PPSU or PPSF) (Arylene ether sulfone), and the like, but are not limited thereto.

본 발명에서, 상기 잠재적 이온전도성 중합체는 올리고머이거나 또는 매크로머일 수 있다. 일 실시형태에서, 상기 올리고머는 예를 들어, 중합체 내에서 주사슬을 형성하는 중합단위가 단위가 100개 이하, 50개 이하 또는 20개 이하, 또는 10개 이하인 적은 수의 중합단위를 포함하는 것일 수 있다. 일 실시형태에서, 상기 매크로머는 10개 초과, 20개 초과, 50개 초과 또는 100개를 초과하는 중합단위를 포함하는 것일 수 있다.
In the present invention, the potential ion conductive polymer may be an oligomer or a macromer. In one embodiment, the oligomer includes, for example, a small number of polymerized units wherein the polymerized units forming the main chain in the polymer are 100 or less, 50 or less, or 20 or less, or 10 or less . In one embodiment, the macromer may comprise greater than 10, greater than 20, greater than 50, or greater than 100 polymerized units.

일 실시형태에서, 상기 주사슬을 형성하는 중합체는 선형의 중합체(linear polymer)일 수도 있고, 예를 들어, 스타(star) 형 또는 빗(comb) 형과 같은 형태의 브랜치 구조(branched) geometry)를 갖는 중합체(branched polymer)일 수도 있다.
In one embodiment, the polymer forming the main chain may be a linear polymer and may be a branched geometry such as, for example, star or comb, Or a branched polymer.

한편, 조성적인 측면에서, 상기 주사슬을 형성하는 중합체는 단독중합체일 수도 있고, 또한, 2 이상의 중합단위를 랜덤- 또는 블록-공중합의 형태로 포함하는 중합체일 수도 있다. 상기 블록-공중합체는 예를 들어, 디-블록, 트리-블록 또는 그 이상의 공중합체일 수 있다.
On the other hand, in terms of composition, the polymer forming the main chain may be a homopolymer or a polymer containing two or more polymerized units in the form of random- or block-copolymerization. The block-copolymer may be, for example, a di-block, a tri-block or a more copolymer.

주사슬을 형성하는 중합체의 비한정적인 예로서는 다음의 형태 (1)~(5)들을 들 수 있다:Non-limiting examples of polymers forming the main chain include the following forms (1) to (5):

(1)

Figure 112016126893606-pat00001
(One)
Figure 112016126893606-pat00001

(2)

Figure 112016126893606-pat00002
(2)
Figure 112016126893606-pat00002

(3)

Figure 112016126893606-pat00003
(3)
Figure 112016126893606-pat00003

(4)

Figure 112016126893606-pat00004
(4)
Figure 112016126893606-pat00004

(5)

Figure 112016126893606-pat00005
(5)
Figure 112016126893606-pat00005

상기에서, A, B, C는 각각 중합체의 반복단위들로서, B와 C는 같거나 다를 수 있다.
In the above, A, B and C are repeating units of the polymer, and B and C may be the same or different.

일 실시형태에서, 상술한 형태 (2)~(5)의 중합체에서 반복단위 A, B 또는 C는 화학적 물리적으로 동일 유사하거나 또는 전혀 다른 것일 수 있다. 예를 들어, 반복단위 A는 친수성이고, 반복단위 B 또는 C는 소수성이어서, 예를 들어, 용융물을 냉각하거나 또는 용액상태의 중합체를 건조하는 경우 상용성 차이로 인하여 자기조립 현상 내지는 상분리 현상이 발생하는 것일 수 있다.
In one embodiment, the repeating units A, B, or C in the polymers of Forms (2) to (5) described above may be chemically and physically the same or completely different. For example, the repeating unit A is hydrophilic and the repeating unit B or C is hydrophobic. For example, when the melt is cooled or the polymer in solution is dried, the self-assembly phenomenon or phase separation phenomenon occurs due to the difference in compatibility .

본 발명에 따르는 잠재적이온 전도성 중합체는, 상술한 주사슬을 형성하는 중합체에 치환된 펜던트 치환체로서 잠재적 이온전도성 치환기를 포함하는 것이다.
A potential ion conductive polymer according to the present invention is one that contains a potential ion conductive substituent as a pendant substituent substituted in a polymer forming the main chain described above.

본 발명에서, 상기 잠재적 이온전도성 치환기는, 이온전도성 관능기의 이온전도성을 갖는 부분이 보호기에 의하여 보호된 치환기이다.
In the present invention, the potential ionically conductive substituent is a substituent whose ion-conducting functional group is protected by a protecting group.

일 실시형태에서, 이온전도성 관능기는 설폰기, 카르복실기, 아크릴산기 또는 인산기 등이 단독으로 또는 2 이상의 조합으로 사용될 수 있다. 상기 이온전도성 관능기는 설폰기, 카르복실기, 아크릴산기 또는 인산기와 같은 산의 형태이거나 또는 이들의 알칼리금속 염, 알칼리토금속 염, 또는 전이금속 염의 형태일 수 있다.
In one embodiment, the ion conductive functional group may be used singly or in combination of two or more, such as a sulfonic group, a carboxyl group, an acrylic acid group, or a phosphoric acid group. The ion conductive functional group may be in the form of an acid such as a sulfonic group, a carboxyl group, an acrylic acid group or a phosphoric acid group, or in the form of an alkali metal salt, an alkaline earth metal salt, or a transition metal salt thereof.

일 실시형태에서, 상기 보호기는 C3 내지 C10의 알킬기이다. 바람직한 실시형태에서, 상기 알킬기는 tert- 또는 네오- 분지형태인 C4~C10 알킬기이다. 보다 바람직한 실시형태에서, 상기 알킬기는 tert-부틸, tert-펜틸 또는 네오펜틸기이다.
In one embodiment, the protecting group is a C3 to C10 alkyl group. In a preferred embodiment, the alkyl group is a C4-C10 alkyl group in the tert- or neo-branched form. In a more preferred embodiment, the alkyl group is a tert-butyl, tert-pentyl or neopentyl group.

보다 바람직한 실시형태에서, 상기 펜던트 치환체는 아래의 화학식 1-1, 1-2 또는 1-3으로 표시되는 치환체이다:In a more preferred embodiment, the pendant substituent is a substituent represented by the following formula 1-1, 1-2 or 1-3:

[화학식 1-1] [화학식 1-2] [화학식 1-3][Formula 1-1] [Formula 1-2] [Formula 1-3]

Figure 112016126893606-pat00006
Figure 112016126893606-pat00007
Figure 112016126893606-pat00008
Figure 112016126893606-pat00006
Figure 112016126893606-pat00007
Figure 112016126893606-pat00008

상기 식에서, R 및 R`는 각각 독립적으로 C3 내지 C10의 알킬기, 바람직하게는 tert- 또는 네오- 분지형태인 C4~C10 알킬기이다.
Wherein R and R 'are each independently a C3 to C10 alkyl group, preferably a tert-or neo-branched C4 to C10 alkyl group.

본 발명에 따르는 잠재적 이온전도성 중합체에서, 주사슬에 치환된 펜던트 치환체로서 잠재적 이온전도성 치환기는 기능기 당 1:1의 몰비로 존재하는 것이 바람직하다.
In potential ion conductive polymers according to the invention, it is preferred that the potential ionically conductive substituents as pendant substituents substituted on the main chain are present in a molar ratio of 1: 1 per functional group.

상기 잠재적 이온전도성 중합체는, 보호기로 보호되지 않는 것으로서, 설폰기, 카르복실기, 아크릴산기 또는 인산기를 포함하는 중합체와는 다르게 다양한 유기용매에 상용성을 가진다. 예를 들어, 상기 중합체는 클로로포름, 테트라하이드로퓨란, 클로로벤젠 군 및 브로모벤젠 군 등의 용매에 용해될 수 있다.
The potential ion conductive polymer is not protected by a protecting group and is compatible with various organic solvents as opposed to a polymer containing a sulfonic group, a carboxyl group, an acrylic acid group or a phosphoric acid group. For example, the polymer may be dissolved in a solvent such as chloroform, tetrahydrofuran, chlorobenzene, and bromobenzene.

바람직한 실시형태에서, 상기 잠재적 이온 전도성 중합체는 아래의 화학식 2로 표시되는 중합단위를 포함한다: In a preferred embodiment, the potential ion conductive polymer comprises a polymeric unit represented by the following formula (2)

[화학식 2](2)

Figure 112016126893606-pat00009
Figure 112016126893606-pat00009

상기 식에서, n은 1 내지 200의 정수이고, R은 보호기이다.
Wherein n is an integer from 1 to 200 and R is a protecting group.

상기 잠재적 이온전도성 고분자는, 탈보호 처리에 의하여 이온성 부분을 갖는 고분자로 변환될 수 있다. 탈보호 처리는, 예를 들어, 열처리나; 산, 염기와 같은 화학적 처리; 또는 가시광, UV- 또는 전자선 조사와 같은 광처리;일 수 있다. 이들 처리는 조합으로 사용될 수 있다.
The potential ion conductive polymer can be converted into a polymer having an ionic portion by deprotection treatment. The deprotection treatment is, for example, heat treatment; Chemical treatments such as acids and bases; Or a light treatment such as visible light, UV- or electron beam irradiation. These treatments can be used in combination.

비제한적인 예로서, 아래의 화학식 2로 표시되는 화합물인 폴리(알킬 p-스타이렌 설포네이트)는 예를 들어 150℃의 온도에서 열처리를 하는 경우에는, 탈보호되어 화학식 2-1로 표시되는 화합물인 폴리(p-스타이렌 설폰산)으로 전환될 수 있다. 추가적으로, 화학식 2-1의 화합물을 염기, 예를 들어, NaOH. KOH, Na2CO3 등과 같은 염기로 처리하면 화학식 2-2로 표시되는 화합물인 폴리(p-스타이렌 설폰산)의 금속염들을 얻을 수 있다.As a non-limiting example, the poly (alkyl p-styrene sulfonate) compound represented by the following general formula (2) is deprotected when heat treatment is performed at a temperature of, for example, (P-styrene sulfonic acid). ≪ / RTI > In addition, the compound of formula (2-1) can be reacted with a base, for example NaOH. KOH, Na 2 CO 3 or the like to obtain metal salts of poly (p-styrenesulfonic acid) represented by the formula (2-2).

[화학식 2] [화학식 2-1] [화학식 2-2][Chemical Formula 2] [Chemical Formula 2-1] [Chemical Formula 2-2]

Figure 112016126893606-pat00010

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상기 식에서, n은 5 내지 200의 정수이고, R은 보호기이고, M은 알칼리금속, 알킬리토금속 또는 전이금속이다.
Wherein n is an integer from 5 to 200, R is a protecting group, and M is an alkali metal, an alkylittal metal, or a transition metal.

상기에서, 화학식 2-1, 2-2는 반복단위에 이온성 화합물이 포함된 `이온성을 갖는 고분자`이다. 따라서, 이온전도성, 특히 수소이온 전도성을 갖는다. 따라서, 이를 분산상으로 형성하면 이온채널의 기능을 갖는다.
In the above, Formulas (2-1) and (2-2) are "ionic polymers having an ionic compound in the repeating unit". Therefore, it has ionic conductivity, particularly hydrogen ion conductivity. Therefore, when it is formed into a dispersed phase, it has an ion channel function.

본 발명에 따르는 이온전도성 중합체는, 2 이상의 중합단위를 포함하는 중합체일 수 있으며, 이때, 상기 잠재적 이온전도성을 갖는 펜던트 치환체는 공중합체 전체에 걸쳐 고르게 분포하거나 또는 어느 하나의 중합체 단위에 편재될 수도 있다. 이 경우, 펜던트 치환체를 가지지 않는 치환체는 타 고분자와 블렌드 되는 경우 상용성을 고려하여 선택될 수 있다.
The ion conductive polymer according to the present invention may be a polymer comprising two or more polymerized units wherein the pendant substituents with potential ionic conductivity may be evenly distributed throughout the copolymer or may be localized to either polymer unit have. In this case, the substituent having no pendant substituent can be selected in consideration of compatibility when blended with other polymer.

예를 들어, 상기 잠재적 이온전도성을 갖는 펜던트 치환체가 2 이상의 중합단위 중 어느 하나에 편재된 경우, 상기 이온전도성 중합체는 상기 화학식 2로 표시되는 중합단위와 비이온성 고분자 공중합체일 수 있으며, 이때, 상기 비이온성 고분자는 올레핀계 중합체, 아크릴계 중합체, 아세테이트계 중합체, 스타이렌계 중합체, 에스테르계 중합체, 아미드계 중합체, 불소계 또는 부분불소계 중합체, 셀룰루오스계 중합체, 글리콜계 중합체, 카보네이트계 중합체, 폴리이미드계 중합체, 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리설폰계 중합체 등 일수 있으며, 이에 제한되지 않는다.
For example, when the pendant substituent having potential ion conductivity is localized in any one of the two or more polymerized units, the ion conductive polymer may be a polymeric unit represented by Formula 2 and a nonionic polymeric copolymer, The nonionic polymer may be at least one selected from the group consisting of an olefin polymer, an acrylic polymer, an acetate polymer, a styrene polymer, an ester polymer, an amide polymer, a fluorine or partial fluorine polymer, a cellulosic polymer, a glycol polymer, A polyether ether ketone (PEEK), a polysulfone-based polymer, and the like, but are not limited thereto.

바람직한 실시형태에서, 상기 잠재적 이온 전도성을 갖는 중합체는 다음의 화학식 3으로 표시되는 것으로, 잠재적 이온전도성 고분자와 비이온성인 아크릴계 고분자의 블록 공중합체일 수 있다.In a preferred embodiment, the polymer having the potential ionic conductivity represented by the following formula (3) may be a block copolymer of a latent ion conductive polymer and a non-ionic acrylic polymer.

[화학식 3](3)

Figure 112016126893606-pat00011
Figure 112016126893606-pat00011

상기 식에서, n은 1 내지 200의 정수이고, R은 보호기이며, m은 10 내지 1,000인 정수이고, R1은 C1~C10의 직쇄상 또는 분지상의 알킬이며, R2는 수소 또는 메틸이다.
N is an integer of 1 to 200, R is a protecting group, m is an integer of 10 to 1,000, R 1 is a straight or branched alkyl of C1-C10, and R 2 is hydrogen or methyl.

보다 바람직한 실시형태에서, 상기 R1과 R2는 각각 메틸이다. 이 경우, 상기 아크릴계 고분자는 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA)이다. 다른 실시형태에서, 상기 R1은 메틸이고 R2는 H이다. 이 경우 상기 아크릴계 고분자는 폴리메틸아크릴레이트(polymethylacrylate, PMA)이다.
In a more preferred embodiment, R 1 and R 2 are each methyl. In this case, the acrylic polymer is polymethylmethacrylate (PMMA). In another embodiment, R < 1 > is methyl and R < 2 > In this case, the acrylic polymer is polymethylacrylate (PMA).

상술한 블록 공중합체에서 아크릴계 고분자 블록은 중성의 비극성 고분자이다. 또한, 상술한 폴리(알킬 p-스타이렌설포네이트)를 포함하는 중합체에 비하여 상대적으로도 비극성이다. 상기 비극성 부분은 후술하는 제2고분자와의 상용성을 향상시키기 위하여 도입된다.
In the above-mentioned block copolymer, the acrylic polymer block is a neutral nonpolar polymer. In addition, it is relatively non-polar compared to the polymer comprising the above-mentioned poly (alkyl p-styrene sulfonate). The non-polar portion is introduced to improve the compatibility with the second polymer, which will be described later.

조성물의 일 실시형태에서, 상기 블록 공중합체에 포함되는 잠재적 이온전도성 고분자와 비극성 아크릴계 고분자의 함량비는 30~80 중량%, 바람직하게는 50~70 중량%일 수 있다. 예를 들어, 블록 공중합체에 포함되는 잠재적 이온전도성 고분자의 함량이 30 중량%에 이르지 못하면 불소계 고분자와 복합체를 형성 후 이온전도 특성이 낮은 문제점이 있고, 80 중량%를 초과하면 불소계 고분자와 복합체를 형성할 때 균일한 복합체를 형성하기 어려운 문제점이 있을 수 있다.
In one embodiment of the composition, the content ratio of the potential ion conductive polymer and the non-polar acrylic polymer contained in the block copolymer may be 30 to 80% by weight, preferably 50 to 70% by weight. For example, if the content of the potential ion conductive polymer contained in the block copolymer is less than 30% by weight, there is a problem that the ion conductive property is low after forming a complex with the fluorinated polymer. When the content exceeds 80% by weight, a complex with the fluorinated polymer It may be difficult to form a homogeneous complex when it is formed.

2. 수지조성물2. Resin composition

본 발명에서는 잠재적 이온전도성 고분자를 포함하는 제1 고분자와; 상기 잠재적 이온전도성 고분자에 대하여 비상용성인 수지를 포함하는 제2 고분자를 포함하는 고분자 수지 조성물을 제공한다.
In the present invention, a first polymer containing a potential ion conductive polymer; And a second polymer comprising an emissive resin for the potential ion conductive polymer.

본 발명 조성물의 일 실시형태에서, 상기 제1 고분자에 포함되는 잠재적 이온전도성 고분자는 중합체를 형성하는 주사슬에 치환된 펜던트 치환체로서 잠재적 이온전도성 치환기를 포함하는 잠재적 이온전도성 중합체로서, 이에 관하여는 상술한 바와 같다.
In one embodiment of the composition of the present invention, the potential ion conductive polymer included in the first polymer is a potential ion conductive polymer containing a potential ion conductive substituent as a pendant substituent substituted on the main chain forming the polymer, As shown above.

한편, 제2 고분자는 비이온성으로서, 올레핀계 중합체, 아크릴계 중합체, 아세테이트계 중합체, 스타이렌계 중합체, 에스테르계 중합체, 아미드계 중합체, 불소계 또는 부분불소계 중합체, 셀룰루오스계 중합체, 글리콜계 중합체, 카보네이트계 중합체, 폴리이미드계 중합체, 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리설폰계 중합체 등 일 수 있으며, 이에 제한되지 않는다. 예시된 중합체들의 구체예에 관하여는 이온전도성 중합체의 주사슬을 형성하는 중합체들에서 열거된 것들과 같다.
On the other hand, the second polymer is nonionic and may be any of olefin polymers, acrylic polymers, acetate polymers, styrene polymers, ester polymers, amide polymers, fluorinated or partially fluorinated polymers, A polyimide-based polymer, a polyether ether ketone (PEEK), a polysulfone-based polymer, and the like. Concrete examples of the polymers exemplified are the same as those listed in the polymers forming the main chain of the ion conductive polymer.

제1 고분자와 블렌드되는 제2 고분자를 선택하는 한가지 기준은 이들의 상용성이다. 예를 들어, 제2 고분자로서 제1 고분자와 상용성이 없는 수지를 선택하는 경우에는, 블렌드, 예를 들어, 용융상태나 용액상태에서 블렌딩한 후에 상분리를 유도할 수 있다,
One criterion for selecting the second polymer to be blended with the first polymer is their compatibility. For example, when a resin that is incompatible with the first polymer as the second polymer is selected, it is possible to induce phase separation after blending, for example, in a molten state or in a solution state.

바람직한 실시형태에서, 상기 제2 고분자는 불소계 또는 부분불소계 고분자이다. 상기 불소계 고분자는 예를 들어, 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE), 폴리헥사플루오로프로필렌(polyhexafluoropopylene, PHFP) 등일 수 있다. 상기 부분불소계 고분자는 예를 들어, 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride, PVDF), 폴리트리플루오로에틸렌(trifluoroethylene, TrFE)이다. 상기 불소계 고분자와 부분불소계 고분자는 2 성분 이상이 공중합된 공중합체가 사용될 수 있다. 본 발명에 적용 가능한 상기 공중합체의 예로서는 폴리비닐리덴-트리플루오로에틸렌(PVDF-TrFE) 테트라플루오로에틸렌-co-헥사플루오로프로필렌, 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌-비닐리덴플루오라이드의 3원 공중합체 등이 있다. 상기 불소계 또는 부분불소계 고분자는 상업적으로 시판되는 제품을 구입하여 사용할 수 있다. 시판 제품의 예로서는 애시플렉스(Aciplex , Asahi Chemical 사), 플레미온(flemion , Asahi Glass사) 등이 있다.
In a preferred embodiment, the second polymer is a fluorine-based or partially fluorine-based polymer. The fluorine-based polymer may be, for example, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyhexafluoropopylene (PHFP), or the like. The partially fluorinated polymer is, for example, polyvinylidenefluoride (PVDF) or polytrifluoroethylene (TrFE). The fluoropolymer and the partial fluoropolymer may be copolymers in which two or more components are copolymerized. Examples of the copolymer applicable to the present invention include polyvinylidene-trifluoroethylene (PVDF-TrFE) tetrafluoroethylene-co-hexafluoropropylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene-vinylidene fluoride Ternary copolymers and the like. The fluorine-containing or partially fluorine-containing polymer can be used by purchasing a commercially available product. Examples of commercially available products include Aciplex (Asahi Chemical), Flemion (Asahi Glass), and the like.

제2 고분자로서 불소계 또는 부분불소계 고분자를 선택하는 경우, 상기 잠재적 이온전도성 고분자는, 불소계 또는 부분불소계 고분자와 비상용성이기는 하나, 설폰산 또는 설폰산염 형태의 그룹을 가지는 중합체에 비하여 상대적으로 제2 고분자와의 상용성이 좋다. 따라서, 제1 고분자와 제2 고분자를 포함하는 조성물로 필름을 캐스팅한 다음 자기조립의 과정을 거쳐 상분리를 유도하는 경우, 분산상으로 형성되는 도메인의 크기를 안정적으로 조절할 수 있다.
When the fluorine-based or partially fluorine-based polymer is selected as the second polymer, the potential ion-conductive polymer is relatively non-compatible with the fluorine-based or partially fluorine-based polymer, but is relatively less soluble than the polymer having the sulfonic acid or sulfonate- . Therefore, when a film is cast using a composition comprising a first polymer and a second polymer, and phase separation is induced through a self-assembly process, the size of a domain formed as a dispersed phase can be stably controlled.

일 실시형태에서, 상기 불소계 또는 부분불소계 고분자는 중량평균 분자량은 1,000 내지 100,000의 것을 사용할 수 있다. 상기 불소계 또는 부분불소계 고분자는 분자량 조절은 이온전도성 막의 모폴로지를 조절하는 다른 수단이 될 수 있다.
In one embodiment, the fluorinated or partially fluorinated polymer may have a weight average molecular weight of 1,000 to 100,000. The molecular weight control of the fluorinated or partially fluorinated polymers can be another means of controlling the morphology of the ion conductive membrane.

일 실시형태에서, 상기 제1 고분자와 제2 고분자의 중량비는 30:70 내지 60:40, 바람직하게는 40: 60 내지 50:50 일수 있다. 제1 고분자의 함량이 30 중량%에 이르지 못하면 이온전도 특성이 낮은 문제점이 있고, 60 중량%를 초과하면 이온전해물질이 전해질로 유출될 수 있는 문제점이 있다.
In one embodiment, the weight ratio of the first polymer to the second polymer may be 30:70 to 60:40, preferably 40:60 to 50:50. If the content of the first polymer is less than 30% by weight, the ion conductive property is low. If the content of the first polymer exceeds 60% by weight, the ion conductive material may be discharged to the electrolyte.

본 발명에 따르는 조성물의 각 성분들, 예를 들어, 제1 고분자를 구성하는 폴리(알킬 p-스타이렌설포네이트) 및 아크릴계 고분자와 제2 고분자 수지를 구성하는 불소계 또는 부분불소계 고분자를 상용성의 관점에서 살피면, 제1 고분자를 구성하는 아크릴계 고분자는 불소계 또는 부분불소계 고분자와 상용성이 우수하다. 따라서, 상기 조성물을 캐스팅한 다음 자기조립을 유도하면 상분리는 폴리(알킬 p-스타이렌설포네이트) 블록이 하나의 상을 형성하고, 제1 고분자의 아크릴계 고분자 블록과 제2 고분자가 나머지 하나의 상을 이루는 형태로, 자기조립을 유도할 수 있다.
Each of the components of the composition according to the present invention, for example, the poly (alkyl p-styrene sulfonate) constituting the first polymer and the fluoropolymer or the partial fluoropolymer constituting the acrylic polymer and the second polymer resin, , The acrylic polymer constituting the first polymer is excellent in compatibility with the fluorine-based or partially fluorine-based polymer. Accordingly, when the composition is cast and then self-assembly is induced, the phase separation is performed such that the poly (alkyl p-styrene sulfonate) block forms one phase, and the acrylic polymer block of the first polymer and the second polymer , It is possible to induce self-assembly.

33 . 이온전도성 막의 제조방법. Method for manufacturing ion conductive membrane

본 발명에서는 또한, 상술한 조성물을 이용하여 이온전도성 막을 조제하는 방법을 제공한다. 본 발명에 따르는 이온전도성 막의 제조 방법은, 잠재적 이온전도성 고분자를 포함하는 제1 고분자와, 상기 잠재적 이온전도성 고분자와 비상용성인 수지를 포함하는 제2 고분자를 포함하는 고분자 수지 조성물을 캐스팅하는 단계; 및, 상기 캐스팅 후, 잠재적 이온전도성 고분자 블록의 자기조립을 유도하여 막 전구체 필름을 수득하는 단계; 및 상기 자기조립된 잠재적 이온 전도성 고분자를 이온전도성 고분자로 전환시켜 이온채널을 형성하는 단계;를 포함한다.
The present invention also provides a method for preparing an ion conductive membrane using the above-mentioned composition. A method of manufacturing an ion conductive membrane according to the present invention includes the steps of casting a polymer resin composition comprising a first polymer containing a potential ion conductive polymer and a second polymer including a potential ion conductive polymer and a resin incompatible with the ion conductive polymer; And, after the casting, inducing self-assembly of the potentially ion conductive polymer block to obtain a film precursor film; And converting the self-assembled potential ion conductive polymer into an ion conductive polymer to form an ion channel.

상기 제조방법의 첫 번째 단계에서, 상기 제1 고분자와 제2 고분자를 포함하는 고분자 수지 조성물의 각 성분은 상술한 바와 같다.
In the first step of the above production method, the respective components of the polymer resin composition comprising the first polymer and the second polymer are as described above.

제조방법의 일 실시형태에서, 상기 캐스팅은 수지 조성물의 각 성분을 적절한 용매에 용해 또는 현탁시킨 다음, 또는 용액 또는 현탁액을 유리나 또는 당업계 공지의 반응성이 없는 필름, 예를 들어, 테프론 필름 등에 도포한 다음 건조하는 방법으로 수행될 수 있다. 다른 실시형태에서, 상기 캐스팅은 예를 들어, 연료전지의 전극과 같은, 전극 위에 직접 형성될 수도 있다. 상기 도포는 바 코팅, 스프레이 코팅, 슬릿 코팅 또는 브러시 코팅 등과 같은, 당해 기술분야에서 알려진 기법에 따라 수행될 수 있다.
In one embodiment of the manufacturing method, the casting is performed by dissolving or suspending each component of the resin composition in an appropriate solvent, or applying the solution or suspension to glass or a film which is not known in the art, such as a Teflon film Followed by drying. In another embodiment, the casting may be formed directly on the electrode, such as, for example, an electrode of a fuel cell. The application may be carried out according to techniques known in the art, such as bar coating, spray coating, slit coating or brush coating.

본 발명의 조성물 및 제조방법의 한가지 장점은, 상기 단계에서 조성물을 용해 또는 현탁시키기 위하여 사용되는 용매의 선택이 자유롭다는 점이다. 예를 들어, 이온채널을 형성할 목적으로 이온성 고분자와 비이온성 고분자를 블렌드하여 자기조립을 유도하는 경우, 극성의 차이로 인하여 이들을 동시에 용해시키는 공용매를 선택함에 있어 제한이 있고, 공용매를 선택하여 용해시킨 경우에도 극성 분자간의 응집(aggregation)이 발생하기 쉬워, 모폴로지의 제어가 용이하지 않다는 문제점이 있다. 본 발명의 경우 잠재적 이온전도성을 갖는 고분자 또는 고분자 블록이, 제2 고분자와 유사하게 중성이다. 따라서, 공용매 선택의 폭이 넓고, 나아가, 응집을 방지할 수 있어, 이하의 단계에서 유도되는 자기조립 후의 모폴로지가 안정적이다,
One advantage of the compositions and processes of the present invention is that the choice of solvent used to dissolve or suspend the composition in this step is free. For example, when self-assembly is induced by blending an ionic polymer and a non-ionic polymer for the purpose of forming an ion channel, there are limitations in selecting a co-solvent that solves these problems due to the difference in polarity. Aggregation of polar molecules is liable to occur even when it is selectively dissolved, so that it is difficult to control the morphology. In the case of the present invention, the polymer or polymer block with potential ionic conductivity is neutral similar to the second polymer. Therefore, the co-solvent selection can be made wide, and further, the coagulation can be prevented, and the morphology after the self-assembly induced in the following steps is stable.

두 번째 단계에서는, 상기 캐스팅 필름을 건조하면서 자기조립을 유도하여 막 전구체 필름이 수득된다. 이 단계의 자기조립에 의하여 막 전구체 필름, 나아가, 최종적으로 제조되는 이온전도성 막에 존재하는 이온성 채널의 모폴로지가 결정된다.
In the second step, the casting film is dried and self-assembly is induced to obtain a film precursor film. The self-assembly of this step determines the morphology of the ionic channels present in the film precursor film, and ultimately, in the ion conductive membrane to be produced.

상기 자기조립을 위한 캐스팅 필름의 건조는 당업계에 알려진 것으로서, 자기조립을 유도할 수 있는 방법이면 어떤 방법이라도 채택될 수 있다. 일 실시형태에서, 상기 건조는 상온(25℃)에서의 자연건조일 수 있다. 자연 건조는 고분자 블록 또는 미세 구조의 이동이 일부 용매에 용해된 상태에서 수행될 수 있기 때문에, 잠재적 이온전도성을 갖는 고분자 블록의 자기조립에 유리하다. 다른 실시형태에서, 상기 건조는 상온을 초과하여 가온 상태에서 수행될 수 있다. 가온의 온도, 시간은 용매의 비점이나 자기조립의 시간을 고려하여 적적히 선택될 수 있다.
Drying of the casting film for self-assembly is known in the art, and any method can be adopted as long as it can induce self-assembly. In one embodiment, the drying may be natural drying at room temperature (25 占 폚). Natural drying is advantageous for the self-assembly of polymer blocks with potential ionic conductivity because the migration of polymer blocks or microstructures can be carried out with some solvents dissolved. In another embodiment, the drying may be carried out in a warm state above normal temperature. The temperature and time of the heating can be appropriately selected in consideration of the boiling point of the solvent or the self-assembly time.

일 실시형태에서, 막 전구체 필름을 절건하기 위하여 필요한 경우에는 자기조립이 완료된 후에 감압조건에서 추가적인 건조를 수행할 수 있다.
In one embodiment, additional drying may be carried out under reduced pressure conditions after self-assembly is complete, if necessary to clear the film precursor film.

도 1은 두 번째 단계에서 자기조립이 유도되어 모폴로지가 제어된 막 전구체 필름의 모식도이다. 도 1을 참조하여 설명하면, 푸른색의 영역은 제1 고분자에 포함된 잠재적 이온전도성 고분자 블록으로 자기조립된 블록이고 노란색의 영역은 상기 잠재적 이온전도성 고분자와 비상용성인 제2 고분자이거나 또는, 제2 고분자와 제1 고분자 중의 아크릴계 고분자 블록의 혼합물이 형성하는 영역이다.
FIG. 1 is a schematic view of a film precursor film in which morphology is controlled by inducing self-assembly in the second step. FIG. Referring to FIG. 1, the blue region is a block self-assembled with a potential ion conductive polymer block included in the first polymer and a yellow region is a second polymer that is incompatible with the potential ion conductive polymer, Is a region formed by a mixture of the polymer and the acrylic polymer block in the first polymer.

자기조립의 결과는 통상적으로 상분리를 수반한다. 상본 발명에서, 분리의 형태는 도 1로 도시된 바와 동일한 형태일 필요는 없으며, 막의 상하를 관통하는 원통형, 또는 해도형, 층상형 등 다양할 수 있다.
The result of self-assembly typically involves phase separation. In the present invention, the form of separation is not necessarily the same as that shown in Fig. 1, but may be a cylindrical shape passing through the upper and lower portions of the membrane, a sea-island shape, a layered shape, or the like.

본 발명 제조방법의 특징 중 하나는, 제1 고분자에 포함된 잠재적 이온전도성 고분자 블록 (일 예로서, 화학식 (2)은 상용성이 측면에서 설폰산이나 설폰산염 등의 형태를 갖는 중합체들(예들로서, 화학식 (2-1), (2-2)에 비하여, 제2 고분자 수지와의 상용성이 좋다는 점이다. 이와 같은 상용성이 차이는 자기조립에 의하여 유도되는 미세구조 모폴로지의 조절을 용이하게 하는 근거가 된다.
One of the features of the method of the present invention is that the potential ion conductive polymer block included in the first polymer (for example, the polymer represented by the formula (2) is a polymer having a form such as a sulfonic acid or a sulfonate in terms of compatibility (2-1) and (2-2), the compatibility with the second polymer resin is good, and the difference in compatibility is easy to control the microstructure morphology induced by self-assembly .

본 발명 제조방법의 마지막 단계에서는, 상기 자기조립된 잠재적 이온전도성 고분자를 이온전도성 고분자로 전환시켜 이온채널을 형성된다. 다시 도 1을 참조하여 설명하면, 이 단계에서의 미세구조의 모폴로지는 변화가 없거나, 전단계의 자기조립에 의한 변화에 비하여 미미한 수준으로 유지되면서, 잠재성 이온전도성 고분자가 극성의 이온전도성 고분자로, 그 화학적 성질만이 변화된다.
In the final step of the method of the present invention, the self-assembled potential ion conductive polymer is converted into an ion conductive polymer to form an ion channel. Referring again to FIG. 1, the morphology of the microstructure at this stage does not change or remains at a level that is small compared to the change due to the self-assembly of the previous stage, and the potential ion conductive polymer is a polar ion- Only its chemical properties change.

상기 전환은 상기 전환은 보호기에 의하여 보호된 기능기, 예를 들어, 보호기에 의하여 보호된 설폰기, 카르복실기, 아크릴기 또는 인산기의 탈보호이이다.
The conversion is such that the conversion is deprotection of a functional group protected by a protecting group, for example, a sulfonic group, a carboxyl group, an acrylic group or a phosphoric acid group protected by a protecting group.

일 실시형태에서, 상기 가열은 100℃ 이상의 온도, 바람직하게는 120℃ 이상의 온도, 가장 바람직하게는 150℃ 이상의 온도에서 수행한다. 가열을 할 때에는 질소 또는 진공상태에서 가열을 함으로써 가열로 인하여 발생될 수 있는 열적 분해 현상을 줄일 수 있다. 가열 시간은 보호기의 함량에 따라 다를 수 있으며, 예를 들어, 60 내지 200분 동안 가열할 수 있다. 60분 이하의 가열은 보호그룹의 제거가 용의하지 않을 수 있으며, 200분 이상일 경우에는 열분해 현상을 일으킬 수 도 있다. 가열은 당업계 공지의 방법에 따라 수행한다. 예를 들어, 오븐, 히터 등 공지의 가열수단을 이용할 수 있으며, 이에 제한되지 않는다. 다만, 가열은 200℃, 바람직하게는 180℃를 넘지 않는 온도에서 수행되는 것이 바람직하다. 200℃ 이상의 온도에서 장시간 가열하는 경우에는 고분자 재료의 산화, 변색 등의 바람직하지 않은 부반응이 수반될 수 있다.
In one embodiment, the heating is carried out at a temperature of at least 100 ° C, preferably at least 120 ° C, most preferably at least 150 ° C. When heating is carried out, it is possible to reduce the thermal decomposition phenomenon which may be caused by the heating furnace by heating in a nitrogen or vacuum state. The heating time may vary depending on the content of the protecting group and can be, for example, 60 to 200 minutes. Heating for 60 minutes or less may not allow removal of the protecting group, and pyrolysis may occur for more than 200 minutes. Heating is carried out according to methods known in the art. For example, a known heating means such as an oven or a heater can be used, but the present invention is not limited thereto. However, the heating is preferably carried out at a temperature not exceeding 200 캜, preferably 180 캜. In case of heating at a temperature of 200 占 폚 or more for a long time, undesirable side reactions such as oxidation and discoloration of the polymer material may be involved.

상기 가열에 의하여, 막 전구체 필름의 미세구조 모폴로지는 그대로 유지하면서, 구성하는 수지 중 상기 잠재적 이온전도성 고분자의 보호기가 분리되어 이탈됨으로써, 극성의 이온전도성 고분자 수지로 변환된다. 상기 형성된 극성의 이온전도성 고분자 수지는 예를 들어, 연료전지의 전해질막과 같은 이온전도성 채널로 제공될 수 있다. 미세구조는 막 전구체 필름의 것을 그대로 유지한다.
By the heating, the protecting group of the potential ion conductive polymer is separated and separated from the constituting resin while the microstructure morphology of the film precursor film is maintained, and thereby the polar ion conductive polymer resin is converted. The ion conductive polymer resin of the polarity formed may be provided as an ion conductive channel, for example, as an electrolyte membrane of a fuel cell. The microstructure maintains that of the film precursor film.

본 발명의 제조방법에 의하여, 제2 고분자 수지로, 또는, 제2 고분자 수지와 제1 고분자 수지의 비극성 아크릴계 고분자로 형성된 매트릭스 내에, 이온전도성 블록으로 형성된 이온전도성 채널을 갖는, 이온전도성 막이 제조된다.
According to the manufacturing method of the present invention, an ion conductive film having an ion conductive channel formed of an ion conductive block in a matrix formed of a second polymer resin or a non-polar acrylic polymer of a second polymer resin and a first polymer resin is produced .

일 실시형태에서, 상기 이온전도성 막의 두께는 필요에 따라 임의로 조절될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따라 제조되는 이온전도성 막은 연료전지용 전해질 막으로 사용될 수 있고, 이 경우, 전해질 막은 50㎛ 이하이고, 특정의 형태에서는 40㎛ 이하, 30㎛ 이하, 더 나아가서는 15㎛ 이하의 두께를 갖는다.
In one embodiment, the thickness of the ion conductive film can be arbitrarily adjusted as needed. For example, the ion conductive membrane manufactured according to the present invention can be used as an electrolyte membrane for a fuel cell. In this case, the electrolyte membrane is 50 m or less, and in a specific embodiment is 40 m or less, 30 m or less, .

일 실시형태에서, 상기 이온전도성 막의 물 흡수율은 15~25 중량%이고; 이온전도도는 10-1 S/cm 이상일 가질 수 있다.
In one embodiment, the water absorption rate of the ion conductive membrane is 15 to 25% by weight; The ionic conductivity can be 10 < -1 > S / cm or more.

예시적인 것으로서, 상기 막이 이온전도성 전해질 막으로 사용되는 경우, 상기 이온전도성 채널의 모폴로지는 전해질 막으로서 요구되는 물성, 예를 들어, 수분 흡수율이나 수소이온 전도성을 결정하는 인자 중의 하나가 된다. 본 발명의 제조방법에 따를 경우, 상기 이온전도성 채널의 모폴로지를 용이하게 조절할 수 있다.
Illustratively, when the membrane is used as an ion conductive electrolyte membrane, the morphology of the ion conductive channel is one of the factors determining the required physical properties as an electrolyte membrane, for example, water absorption rate or hydrogen ion conductivity. According to the manufacturing method of the present invention, the morphology of the ion conductive channel can be easily controlled.

이하에서는 실시예를 통하여 본 발명이 더욱 상세하게 설명된다. 이하의 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서 이들만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. The following examples serve to illustrate the present invention and are not intended to limit the scope of the present invention.

아래의 합성경로 1에 따라, 폴리(네오펜틸스타이렌설포네이트)(poly(neopentylstyrenesulfonate), PNSS)를 합성하였다.
Poly (neopentylstyrenesulfonate) (PNSS) was synthesized according to Synthesis Route 1 below.

[합성경로 1][Synthetic route 1]

Figure 112016126893606-pat00012

Figure 112016126893606-pat00012

상기의 블록 공중합체는 리빙 라디칼 중합법에 일종인 atom transfer radical polymerization (ATRP) 중합법을 이용하여 합성경로 1에 따라 제조하였다. 50 mL 플라스크에 CuBr (0.3 mmol, 43.0 mg), 엔아이솔 (10 mL), PMDETA (0.3 mmol,51.9 mg), NSS (36 mmol, 9.15 g), 그리고 700 mM로 톨루엔에 희석된 2-EBP (0.3 mmol, 0.43 mL, toluene)를 Ar 가스를 흘려주면서 넣었다. 10분간 교반을 시킨 후 준비된 80℃ 오일 배스에 넣고 14시간 동안 반응을 보내고 난 후 -78℃로 온도를 떨어트려 반응을 멈추었다. 반응 용액에 10 mL의 THF 용매를 넣어 묽히고 이 용액을 알루미늄옥사이드로 채워져 있는 컬럼관을 통과시켜 금속 촉매를 제거하고 200 mL의 헥산에 반응용액을 부어서 하얀색 침전물을 얻었고 상온에서 2일 동안 진공건조를 시켰다. The above block copolymers were prepared according to Synthesis Route 1 using an atom transfer radical polymerization (ATRP) polymerization method, which is one of the living radical polymerization methods. A 50 mL flask was charged with CuBr EBOS (0.3 mmol, 0.43 mmol) diluted in toluene at 700 mM was added to a solution of the title compound (0.3 mmol, 43.0 mg), enisole (10 mL), PMDETA (0.3 mmol, 51.9 mg) mL, toluene) was poured while flowing Ar gas. After stirring for 10 minutes, the mixture was placed in a prepared 80 ° C oil bath, and the reaction was allowed to proceed for 14 hours and then the temperature was dropped to -78 ° C to stop the reaction. The reaction solution was diluted with 10 mL of THF solvent, and the solution was passed through a column tube filled with aluminum oxide to remove the metal catalyst. The reaction solution was poured into 200 mL of hexane to obtain a white precipitate, which was dried in vacuo at room temperature for 2 days Lt; / RTI >

MMA-b-PNSS 공중합체 합성을 위하여 50 mL 플라스크에 CuCl1 (0.3 mmol, 29.7 mg), 엔아이솔 (10 mL), dNbpy (0.6 mmol, 0.24 g), PNSS (0.3 mmol, 3.℃3 g), 그리고 MMA (24 mmol, 2.55 mL)를 Ar 가스를 흘려주면서 넣었다. 10분간 교반을 시킨 후 준비된 80℃ 오일 배스에 넣고 24시간 동안 반응을 보내고 난 후 -78℃로 온도를 떨어트려 반응을 멈추었다. 반응 용액에 10 mL의 THF 용매를 넣어 희석하고, 이 용액을 알루미늄옥사이드로 채워져 있는 컬럼관을 통과시켜 금속촉매를 제거하고 200 mL의 헥산에 PNSS-PMMA 블록 공중합체 용액을 부어서 하얀색 침전물을 얻은 다음, 상온에서 2일 동안 진공건조를 시켰다.
For the synthesis of MMA-b-PNSS copolymer, a 50 mL flask was charged with CuCl 1 (0.3 mmol, 29.7 mg), Enisole (10 mL), dNbpy (0.6 mmol, 0.24 g), PNSS I poured it in. After stirring for 10 minutes, the mixture was placed in a prepared 80 ° C oil bath, and the reaction was allowed to proceed for 24 hours and then the temperature was dropped to -78 ° C to stop the reaction. The reaction solution was diluted with 10 mL of a THF solvent. The solution was passed through a column tube filled with aluminum oxide to remove the metal catalyst, and a PNSS-PMMA block copolymer solution was poured into 200 mL of hexane to obtain a white precipitate , Followed by vacuum drying at room temperature for 2 days.

위의 실험과정을 통하여 얻은 PNSS-PMMA블록 공중합체의 분자량 및 각 블록의 무게분율은 상기의 반응조건에서 모노머인 NSS 와 MMA의 비율 조정 및 반응시간 조절을 통하여 조절이 가능하다.
The molecular weight and the weight fraction of each block of the PNSS-PMMA block copolymer obtained through the above experiment can be controlled by adjusting the ratio of the monomer NSS and the MMA and controlling the reaction time under the above reaction conditions.

도 2a는 실시예에서 합성된 PNSS들에 대한 분자량 및 분자량 분포도를 GPC 분석을 한 결과들이고, 도 2b는 PNSS와 PNSS-PMMA의 분자량 및 분자량 분포도를 GPC 분석한 결과를 비교한 것이다. 도 2a로부터, [NSS]/[2-EBP]/[CuBr]/[PMDETA]=(60/1/1/1) 비율로 반응을 보내고 반응 시간에 따른 PNNS의 분자량 및 분자량 분포도를 나타낸 것으로 반응시간을 3시간에서 21시간까지 증가시켰을 때 그 모노머 변환율이 21%에서 84%까지 증가하는 경향을 보이게 되고 이때의 분자량은 2,800 g/mol에서 7,500 g/mol까지 증가하는 경향을 보였다. 실험결과에서 화살표로 표시된 부분은 체인 간의 결합으로 인하여 나타나는 현상으로 공중합을 위해서는 지양되어야한다. 이러한 이유에서 공중합을 위해서는 NSS 변환율을 50%이하로 하는 것이 바람직하다.
FIG. 2A shows the results of GPC analysis of molecular weights and molecular weight distributions for the PNSSs synthesized in the examples, and FIG. 2B is a comparison of results of GPC analysis of PNSS and PNSS-PMMA molecular weights and molecular weight distributions. From FIG. 2A, the molecular weight and molecular weight distribution of PNNS were shown in terms of [NSS] / [2-EBP] / [CuBr] / [PMDETA] = (60/1/1/1) When the time was increased from 3 hours to 21 hours, the monomer conversion tended to increase from 21% to 84%, and the molecular weight tended to increase from 2,800 g / mol to 7,500 g / mol. In the experimental results, the parts indicated by the arrows are due to the coupling between the chains, which must be avoided for copolymerization. For this reason, it is preferable to set the NSS conversion rate to 50% or less for copolymerization.

도 2b는 [MMA]/[PNSS]/[CuCl]/[dNbpy]=(80/1/1/2)의 비율로 반응을 한고 얻어진 MMA-b-NSS의 GPC 분석결과를 PNSS와 비교한 결과이다. GPC 그래프의 이동을 통하여 블록 공중합체가 잘 얻어졌음을 확인할 수 있으며 이때, 얻어진 PNSS-PMMA의 분자량은 9,400 g/mol에서 15,000 g/mol로 성장하였음을 확인할 수 있다.
FIG. 2B shows the results of GPC analysis of MMA-b-NSS obtained by reacting at a ratio of [MMA] / [PNSS] / [CuCl] / [dNbpy] = (80/1/1/2) to be. The molecular weight of the obtained PNSS-PMMA was increased from 9,400 g / mol to 15,000 g / mol by the GPC graph.

도 3a는 분자량 Mn 9,400 g/mol인 PNSS와 Mn 15,000 g/mol인 PNSS-PMMA의 1H NMR 스펙트럼이다. 도 3a에서 1H NMR 스펙트라를 통하여 PNSS와 PNSS-PMMA의 화학구조를 확인할 수 있으며 이를 통하여 PNSS-PMMA 블록 공중합체가 잘 합성되었음을 확인할 수 있다. 또한 PNSS-PMMA의 각 블록의 무게분율을 계산할 수 있는데, 이때 계산된 PNSS의 무게분율은 70 중량%이다.
FIG. 3A is a 1 H NMR spectrum of PNSS having a molecular weight Mn of 9,400 g / mol and PNSS-PMMA having a Mn of 15,000 g / mol. In FIG. 3A, the chemical structure of PNSS and PNSS-PMMA can be confirmed by 1 H NMR spectra and it can be confirmed that the PNSS-PMMA block copolymer is synthesized well. Also, the weight fraction of each block of PNSS-PMMA can be calculated, where the weight fraction of calculated PNSS is 70% by weight.

2. 불소계 고분자와의 블렌드, 필름 캐스팅, 및 어닐링
2. Blending with fluorinated polymers, film casting, and annealing

THF 용매에, 상기 준비된 PNSS-PMMA 0.3g과 PVDF-TrFE 0.7g을, 전제의 농도가 10중량%가 되도록 용해시켰다. 원활한 용해를 위하여 하루 동안 교반을 진행하였다. 상기 용액은 주사기필터를 이용하여 필터 후 유리재질의 기판에 부어 코팅하였다. 상기 준비된 용액을 상온(25℃)의 대기조건에서 2일 동안 건조 후 상온의 진공오븐에서 1일 동안 건조하여 THF를 완전히 제거하여 자기조립된 막 전구체 필름을 수득하였다.
To the THF solvent, 0.3 g of the prepared PNSS-PMMA and 0.7 g of PVDF-TrFE were dissolved so that the concentration of the premix was 10% by weight. Stirring was carried out for one day for smooth dissolution. The solution was poured onto a glass substrate after filtering using a syringe filter. The prepared solution was dried at room temperature (25 ° C) for 2 days and then dried in a vacuum oven at room temperature for 1 day to completely remove THF to obtain a self-assembled film precursor film.

도 3b는 PNSS-PMMA, PVDF-TrFE, 그리고 앞에 두 물질의 복합체 (PNM-PDFE)의 IR-스펙트라이다. 도 3b에서의 IR 스펙트라를 통하여 PNSS-PMMA 블록 공중합체와 PVDF-TrFE의 고유 기능기를 확인할 수 있는데 특히 1730 cm-1에서 확인된 피크는 PNSS-PMMA 공중합체의 카르복실 기능기에서 나타나는 피크로 PVDF-TrFE 와 PNSS-PMMA:PVDF-TrFE = 30:70 비율로 복합화 후 얻은 IR 스펙트럼에서 카르복실 기능기에서 나오는 피크 확인을 통하여 PVDF-TrFE에 PNSS-PMMA 블록 공중합체가 포함되어있음을 확인할 수 있으며, 특히 두 물질의 복합물질인 PNM_PDFE에서 확인된 카르복실 기능기의 피크가 1730에서 1720cm- 1으로 이동함으로써 PNSS-PMMA의 PMMA 그룹이 PVDF-TrFE와 상용성을 가짐을 확인할 수 있다.
3B is an IR-spectrum of PNSS-PMMA, PVDF-TrFE, and a complex of the two preceding materials (PNM-PDFE). The intrinsic functional groups of the PNSS-PMMA block copolymer and the PVDF-TrFE can be identified through IR spectra in FIG. 3B. In particular, the peak observed at 1730 cm -1 is the peak appearing in the carboxyl functional group of the PNSS- It can be confirmed that PVDF-TrFE contains PNSS-PMMA block copolymer by confirming the peak from the carboxyl functional group in the IR spectrum obtained after the compounding at the ratio of -TrFE and PNSS-PMMA: PVDF-TrFE = 30:70 , in particular a carboxylic acid functional group at the peak of the 1730 1720cm found in a composite material of two materials PNM_PDFE - can be moved by a group of PMMA in 1-PNSS PMMA check having a PVDF-TrFE and compatible with each other.

3. 가열에 의한 이온 전도성 막의 제조
3. Preparation of ion conductive membrane by heating

마지막으로, 상기 준비된 막 전구체 필름을 150℃에서 80시간 동안 가열하여, 네오펜틸스타이렌 설포네이트의 네오핀틸기를 제거하며, 스타이렌설폰산기로 변환시킴으로써 이온전도성 막을 제조하였다.
Finally, the prepared membrane precursor film was heated at 150 캜 for 80 hours to remove the neopentyl group of neopentylstyrene sulfonate and converted into a styrene sulfonic acid group, thereby preparing an ion conductive membrane.

도 4는 막 전구체 필름을 열처리하면서 시간에 따른 중량변화를 기록한 그래프이다. 도 4로부터, 150℃의 항온조건으로 열처리하는 경우 초기에는 시간당, 약 5%의 네오펜틸 그룹의 감소를 보였고, 약 60시간 경과 시점부터는 더 이상의 중량감소는 없는 것으로 확인되었다.
4 is a graph showing the change in weight with time while the film precursor film is heat-treated. From FIG. 4, it was confirmed that when the heat treatment was performed at a constant temperature of 150 ° C, the neopentyl group was reduced by about 5% per hour at the beginning, and no further decrease in weight was observed after about 60 hours.

도 5는 어닐링이 완료된 후 자기조립된 막 전구체 필름과, 열처리가 완료된 후 이온채널이 형성된 이온전도성 막의 표면에 대한 ATM 페이즈 사진들이다. 도 5로부터, 상기에 언급된 150℃에서 12시간 동안 진공조건에서 가열 전후에 표면의 구조변화를 확인할 수 있다. 가열 전/후에 있어 전체적으로 유사한 구조를 유지하고 있으나 이온전도 채널 역할을 하는 스타이렌설폰산기를 포함하는 도메인의 크기가 확장되었음을 확인할 수 있다. 이러한 현상은 이온성기를 띄는 스타이렌설폰산기에 의하여 메트릭스로 적용된 PVDF-TrFE와의 반발력이 커져서 스타이렌설폰산기를 포함하는 블록인 PSPS끼리의 도메인형성이 활성화되어 나타나는 현상이다.
5 is an ATM phase photograph of the self-assembled film precursor film after annealing is completed and the surface of the ion conductive membrane where the ion channel is formed after the heat treatment is completed. From Fig. 5, it is possible to confirm the structural change of the surface before and after heating at the aforementioned 150 ° C under vacuum condition for 12 hours. It can be confirmed that the size of the domain including the styrene sulfonic acid group which serves as an ion conduction channel is enlarged although the overall structure is maintained before and after heating. This phenomenon is a phenomenon in which the repulsive force with the PVDF-TrFE applied as a matrix by the styrene sulfonic acid group having an ionic group becomes large, and the domain formation between the PSPSs containing the styrene sulfonic acid group is activated.

도 6은 제조된 이온전도성 막의 물 흡수율을 시간에 따라 측정하여 기록한 그래프이다. 물 흡수능력 측정은 제조된 막을 상온에서 초순수에 담그고 시간에 따라 증가한 무게를 측정하고, "(팽윤 후 막의 무게-팽윤 전 막의 무게)/(팽윤 전 막의 무게)x100"으 식으로 계산하였다.
FIG. 6 is a graph recording the water absorption rate of the ion conductive film manufactured over time. The water absorption capacity was measured by immersing the prepared membrane in ultra-pure water at room temperature, measuring the weight with increasing time, and calculating "(weight of membrane after swelling-weight of membrane before swelling) / (weight of membrane before swelling)".

실시예에서 PVDF-TrFE는 시간에 따라 무게변화를 나타내지 않았으나 PNSS-PMMA 블록 공중합체와 PVDF-TrFE의 복합체에 스타이렌설폰산기를 도입한 PSM_PDFE (PNSS-PMMA:PVDF-TrFE = 30:70) 복합체의 경우 5분 만에 11 중량%의 증가가 발생하였고 이후에는 천천히 그 무게가 증가하다가 45분부터는 무게의 변화가 나타나지 않았다. 이를 통하여 PSM_PDFE 복합체의 경우 15 중량%의 초순수를 함유할 수 있음을 확인할 수 있었다.
In the examples, PVDF-TrFE showed no change in weight with time but PSM_PDFE (PNSS-PMMA: PVDF-TrFE = 30:70) complex in which a styrene sulfonic acid group was introduced into a composite of a PNSS-PMMA block copolymer and PVDF- , The weight increased by 11% in 5 minutes and slowly increased after that, but the weight did not change after 45 minutes. As a result, it was confirmed that the PSM_PDFE composite can contain 15 wt% of ultrapure water.

도 7은 본 발명의 방법에 따라 제조된 이온전도성 막의 수소이온 전도도를 측정하여 기록한 그래프이다. 수소이온전도도를 측정하기 위한 사극자 전극구조는 전기화학적 인터페이스 (Solatron 1287, Solatron Analytical, Farnborough Hampshire, GU14, ONR, UK) 및 임피던스 위상 분석기(Solatron 1260)와 연결된 일정온도 및 일정 습도를 제어할 수 있는 항온항습 챔버에 설치되어 있고, 이를 통해 Nyquist 선도와 Bode 선도를 이용하여 옴저항이 측정되었다.
FIG. 7 is a graph showing the hydrogen ion conductivity of the ion conductive membrane prepared according to the method of the present invention. The quadrupole electrode structure for measuring hydrogen ion conductivity can control the constant temperature and constant humidity connected to an electrochemical interface (Solatron 1287, Solatron Analytical, Farnborough Hampshire, GU14, ONR, UK) and an impedance phase analyzer (Solatron 1260) , Which measures the ohmic resistance using the Nyquist line and the Bode line.

표에서, 검은 색의 (-■-)로 표시된 것은 PSM-PDFE 막의 수소이온 전도도를 측정한 것이고, 붉은 색의 (-●-)로 표시된 것은 대조군으로서, PNM-PDGE 막의 수소이온 전도도를 측정한 것이다. 상기 표로부터, 본 발명에 따르는 이온 전도성 막은 대조군에 비하여 이온전도도가 월등하게 높을 뿐만이 아니라, 상업적으로 시판되는 나피온 제품에 비하여도 우수함을 확인할 수 있다.In the table, the black (- - -) indicates the hydrogen ion conductivity of the PSM-PDFE membrane, while the red (- • -) indicates the hydrogen ion conductivity of the PNM-PDGE membrane will be. From the above table, it can be confirmed that the ion conductive membrane according to the present invention is not only superior in ion conductivity but also superior to commercially available Nafion products as compared with the control group.

Claims (22)

잠재적 이온전도성 고분자와 비이온성 고분자의 공중합체인 제1 고분자와, 상기 잠재적 이온전도성 고분자와 비상용성인 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride, PVDF)를 포함하는 고분자 수지 조성물을 캐스팅하는 단계;
상기 캐스팅 후, 잠재적 이온전도성 고분자 블록의 자기조립을 유도하여 막 전구체 필름을 수득하는 단계; 및,
상기 자기조립된 잠재적 이온전도성 고분자를 이온전도성 고분자로 전환시켜 이온채널을 형성하는 단계;를 포함하는 이온전도성 막의 제조 방법으로서,
상기 자기조립은 잠재적 이온전도성 고분자 블록이 하나의 상을 형성하고, 제1 고분자의 비이온성 고분자 블록과 폴리비닐리덴플루오라이드가 나머지 하나의 상을 이루는 형태인 것인, 제조 방법.
Casting a first polymer, which is a copolymer of a potential ion conductive polymer and a non-ionic polymer, and a polymeric resin composition comprising the potential ion conductive polymer and a non-compatible polyvinylidene fluoride (PVDF);
After the casting, inducing self-assembly of the potentially ion conductive polymer block to obtain a film precursor film; And
And converting the self-assembled potential ion conductive polymer into an ion conductive polymer to form an ion channel,
Wherein the self-assembling is such that the potential ion conductive polymer block forms one phase, and the non-ionic polymer block of the first polymer and the polyvinylidene fluoride form one remaining phase.
제1항에 있어서, 상기 이온전도성 막은 폴리비닐리덴플루오라이드, 또는 폴리비닐리덴플루오라이드와 제1 고분자의 비이온성 고분자 블록이 매트릭스를 형성하고; 제1 고분자의 잠재적 이온전도성 고분자가 전환되어 형성된 이온성 고분자 수지가 이온채널을 형성;하는 것인, 제조 방법.
The ion conductive membrane according to claim 1, wherein the ion conductive membrane is formed by forming a matrix of polyvinylidene fluoride or polyvinylidene fluoride and a nonionic polymer block of the first polymer; Wherein the ionic polymeric resin formed by converting the potential ion conductive polymer of the first polymer forms an ion channel.
제1항에 있어서, 상기 잠재적 이온전도성 고분자는 중합체를 형성하는 주사슬에 치환된 펜던트 치환체로서 잠재적 이온전도성 치환기를 포함하는 것인, 제조 방법.3. The method of claim 1, wherein the potential ionically conductive polymer comprises a potential ionically conductive substituent as a pendant substituent substituted on the main chain that forms the polymer. 제3항에 있어서, 상기 잠재적 이온전도성 치환기는 이온전도성 관능기의 이온전도성을 갖는 부분이 보호기에 의하여 보호된 것인, 제조 방법.
4. The method according to claim 3, wherein the potential ion conductive substituent is one in which an ion-conductive portion of the ion conductive functional group is protected by a protecting group.
제4항에 있어서, 상기 이온전도성 관능기는 설폰기, 카르복실기, 아크릴산기 및 인산기로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것인, 제조 방법.
5. The method according to claim 4, wherein the ion conductive functional group is at least one selected from the group consisting of a sulfonic group, a carboxyl group, an acrylic acid group and a phosphoric acid group.
제4항에 있어서, 상기 보호기는 C3 내지 C10의 알킬기인 것인, 제조 방법.
5. The method of claim 4, wherein the protecting group is a C3 to C10 alkyl group.
제4항에 있어서, 상기 보호기는 tert-부틸, tert-펜틸 또는 네오펜틸인 것인, 제조 방법.
The process according to claim 4, wherein the protecting group is tert-butyl, tert-pentyl or neopentyl.
제3항에 있어서, 상기 주사슬을 형성하는 중합체는 올레핀계 중합체, 아크릴계 중합체, 아세테이트계 중합체, 스타이렌계 중합체, 에스테르계 중합체, 아미드계 중합체, 불소계 또는 부분불소계 중합체, 셀룰루오스계 중합체, 글리콜계 중합체, 카보네이트계 중합체, 폴리이미드계 중합체, 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 및 폴리설폰계 중합체로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것인, 제조 방법.
4. The polymer composition according to claim 3, wherein the main chain forming polymer is at least one selected from the group consisting of an olefin polymer, an acrylic polymer, an acetate polymer, a styrene polymer, an ester polymer, an amide polymer, a fluorinated or partially fluorinated polymer, a cellulosic polymer, Wherein the polymer is at least one selected from the group consisting of an ethylene-based polymer, an ethylene-based polymer, a polyimide-based polymer, a polyetheretherketone (PEEK), and a polysulfone-based polymer.
제3항에 있어서, 상기 잠재적 이온 전도성 치환기는 아래의 화학식 1-1, 1-2 또는 1-3으로 표시되는 치환기인 것인, 제조 방법:
[화학식 1-1] [화학식 1-2] [화학식 1-3]
Figure 112017126014747-pat00032
Figure 112017126014747-pat00033
Figure 112017126014747-pat00034

상기 식에서, R 및 R`는 각각 독립적으로 C3 내지 C10의 알킬기이다.
4. The method according to claim 3, wherein the potential ion conductive substituent is a substituent represented by the following formula (1-1), (1-2) or (1-3)
[Formula 1-1] [Formula 1-2] [Formula 1-3]
Figure 112017126014747-pat00032
Figure 112017126014747-pat00033
Figure 112017126014747-pat00034

Wherein R and R 'are each independently a C3 to C10 alkyl group.
제3항에 있어서, 상기 중합체는 아래의 화학식 2로 표시되는 단위를 포함하는 것인, 제조 방법:
[화학식 2]
Figure 112017126014747-pat00035

상기 식에서, n은 1 내지 200의 정수이고, R은 보호기이다.
4. The method according to claim 3, wherein the polymer comprises a unit represented by the following formula (2):
(2)
Figure 112017126014747-pat00035

Wherein n is an integer from 1 to 200 and R is a protecting group.
제3항에 있어서, 상기 중합체는 아래의 화학식 3으로 표시되는, 잠재적 이온전도성 고분자와 아크릴계 고분자의 블록 공중합체인 것인, 제조 방법:
[화학식 3]
Figure 112017126014747-pat00036

상기 식에서, n은 1 내지 200의 정수이고, R은 보호기이며, m은 10 내지 1,000인 정수이고, R1은 C1~C10의 직쇄상 또는 분지상의 알킬이며, R2는 수소 또는 메틸이다.
4. The method according to claim 3, wherein the polymer is a block copolymer of a potential ion conductive polymer and an acrylic polymer represented by the following formula (3)
(3)
Figure 112017126014747-pat00036

N is an integer of 1 to 200, R is a protecting group, m is an integer of 10 to 1,000, R 1 is a straight or branched alkyl of C1-C10, and R 2 is hydrogen or methyl.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 조성물 내에서 제1 고분자와 폴리비닐리덴플루오라이드의 중량비는 30:70 내지 60:40인 것인, 제조 방법.
The method according to claim 1, wherein the weight ratio of the first polymer to the polyvinylidene fluoride in the composition is from 30:70 to 60:40.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항의 방법으로 제조되고, 폴리비닐리덴플루오라이드 매트릭스 내에 극성 고분자 수지의 이온채널이 형성된 것인, 이온전도성 막.
An ion conductive membrane produced by the method of claim 1, wherein an ion channel of the polar polymer resin is formed in the polyvinylidene fluoride matrix.
제21항에 있어서, 물 흡수율은 15~25 중량%이고; 이온전도도는 10-1 S/cm 이상인 것을 특징으로 하는, 이온전도성 막.
22. The composition of claim 21, wherein the water absorption rate is from 15 to 25% by weight; Wherein the ionic conductivity is 10 < -1 > S / cm or more.
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