KR102161977B1 - A gas separation membrane comprising an amine compound - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 폴리에틸렌옥사이드를 포함하는 매트릭스; 및 상기 매트릭스의 내부에 분산된 아민계 화합물;을 포함하는, 기체 분리막을 제공한다.An embodiment of the present invention is a matrix comprising polyethylene oxide; And an amine-based compound dispersed in the matrix.

Description

아민계 화합물을 포함하는 기체 분리막{A GAS SEPARATION MEMBRANE COMPRISING AN AMINE COMPOUND}A gas separation membrane containing an amine compound {A GAS SEPARATION MEMBRANE COMPRISING AN AMINE COMPOUND}

본 발명은, 폴리에틸렌옥사이드를 포함하는 매트릭스 및 상기 매트릭스의 내부에 분산된 아민계 화합물을 포함하는 기체 분리막에 관한 것이다.The present invention relates to a gas separation membrane comprising a matrix comprising polyethylene oxide and an amine-based compound dispersed in the matrix.

온실가스 감축을 위한 많은 노력들 중 이산화탄소 저감 기술은 지구온난화와 세계적 기후변화 극복을 위해 큰 관심을 받고 있다. 다양한 온실가스 중 80% 이상을 차지하는 이산화탄소는 주로 화석연료의 연소와 석유화학의 플랜트에서 발생된다. 따라서 연소가스에서 이산화탄소를 분리하는 기술은 중요한 분야로 떠오르고 있다. 기체 분리막 기술은 적은 제조비용, 낮은 운영비용, 친환경적 성질들로 인해 기존의 흡수, 증류, 화학적 흡착 등의 분리기술들을 대체할 것으로 여겨지고 있다.Among the many efforts to reduce greenhouse gas emissions, carbon dioxide reduction technology is receiving great attention to overcome global warming and global climate change. Carbon dioxide, which accounts for more than 80% of various greenhouse gases, is mainly generated from fossil fuel combustion and petrochemical plants. Therefore, the technology for separating carbon dioxide from the combustion gas is emerging as an important field. Gas separation membrane technology is believed to replace existing separation technologies such as absorption, distillation, and chemical adsorption due to its low manufacturing cost, low operating cost, and environmentally friendly properties.

특히, 고분자 분리막은 높은 기체 투과도(permeability)와 선택도(selectivity)를 가진다는 연구결과가 다수 보고되고 있다. 그러나, 일반적인 고분자 분리막의 기체 투과도와 선택도는 상충(trade-off) 관계에 있다는 문제점이 있다. 따라서, 이러한 문제점을 해결한 새로운 형태의 분리막들이 연구되고 있는데, 그 중 혼합 매질 분리막(mixed matrix membranes, MMMs)은 고분자 매트릭스와 다공성 충전제(filler)들로 구성되어 있으며 기존의 고분자 분리막 대비 높은 투과도를 가질 수 있는 것으로 보고되었다.In particular, a number of research results have been reported that polymer membranes have high gas permeability and selectivity. However, there is a problem in that the gas permeability and selectivity of a general polymer membrane are in a trade-off relationship. Therefore, new types of separators that solve this problem are being studied. Among them, mixed matrix membranes (MMMs) are composed of a polymer matrix and a porous filler, and have higher permeability than conventional polymer membranes. It has been reported as possible.

하지만, 이러한 장점에도 불구하고, 혼합 매질 분리막에는 몇 가지 문제점들이 존재한다. 대표적인 문제점으로 유기 고분자 매트릭스와 충전제 사이의 낮은 융화성(compatibility)으로 인해 선택성이 없는 계면 공극들이 형성되어 높은 선택도를 얻는 데에 한계가 있다는 점을 들 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 새로운 유형의 분리막이 필요하다.However, despite these advantages, there are some problems with the mixed medium separation membrane. A typical problem is that there is a limitation in obtaining high selectivity due to the formation of interfacial voids without selectivity due to low compatibility between the organic polymer matrix and the filler. To solve this problem, a new type of separator is needed.

폴리에틸렌옥사이드(Poly(ethylene oxide), PEO))는 에테르기의 산소 분자가 이산화탄소 기체 분자와 루이스 산-염기 상호작용함으로써 높은 이산화탄소 용해도를 가질 수 있어 차세대 기체 분리막의 원료물질로서 부상하고 있다. 그러나, 이러한 폴리에틸렌옥사이드를 제막하여 기체 분리막으로 사용하는 경우 폴리에틸렌옥사이드의 강한 결정화 경향으로 인해 구조적 결함(defect)이 발생하는 문제점이 있다. 폴리에틸렌옥사이드 계열의 고분자인 폴리옥시에틸렌메타아크릴레이트(Poly(oxyethylene methacrylate))는 무정형의 성질을 가지나, 기계적 강도가 불량하여 기체 분리막으로 적용이 어려운 문제점이 있다. 따라서 순수한 폴리에틸렌옥사이드를 이용하여 기체 분리막 적용한 사례는 극히 드물다.Poly(ethylene oxide) (PEO)) is emerging as a raw material for next-generation gas separation membranes as it can have high carbon dioxide solubility by interacting with carbon dioxide gas molecules and Lewis acid-bases by oxygen molecules in the ether group. However, when the polyethylene oxide is formed and used as a gas separation membrane, there is a problem in that a structural defect occurs due to the strong crystallization tendency of the polyethylene oxide. Poly(oxyethylene methacrylate), which is a polyethylene oxide-based polymer, has amorphous properties, but has a problem that it is difficult to apply as a gas separation membrane due to poor mechanical strength. Therefore, it is extremely rare to apply a gas separation membrane using pure polyethylene oxide.

덴드리머(Dendrimer)는 연속적인 배치(cascade topology)를 갖는 반복적 가지형 고분자(repetitively branched polymer)의 한 종류이다. 폴리아미도아민(Poly(amidoamine), PAMAM)은 Tomalia 연구진에 의해 1985년에 처음으로 보고되었으며, 별 모양의 폴리아미도아민 덴드리머는 높은 밀도의 아민 작용기를 갖고 있다. 따라서 많은 수의 활성점을 갖고 있으며, 이러한 특성으로 인해 바이오 분야나 광학 센서 분야에서 다양하게 적용되었다.Dendrimer is a type of repetitively branched polymer with a cascade topology. Poly(amidoamine) (PAMAM) was first reported in 1985 by Tomalia's team, and star-shaped polyamidoamine dendrimers have a high density of amine functional groups. Therefore, it has a large number of active points, and due to these characteristics, it has been applied in various fields in the bio field or optical sensor field.

D.A. Tomalia, H. Baker, J. Dewald, M. Hall, G. Kallos, S. Martin, J. Roeck, J. Ryder, P. Smith, Dendritic macromolecules: synthesis of starburst dendrimers, Macromolecules, 19 (1986) 2466-2468. D.A. Tomalia, H. Baker, J. Dewald, M. Hall, G. Kallos, S. Martin, J. Roeck, J. Ryder, P. Smith, Dendritic macromolecules: synthesis of starburst dendrimers, Macromolecules, 19 (1986) 2466- 2468. F. Zhang, B. Wang, S. He, R. Man, Preparation of graphene-oxide/polyamidoamine dendrimers and their adsorption properties toward some heavy metal ions, Journal of Chemical & Engineering Data, 59 (2014) 1719-1726. F. Zhang, B. Wang, S. He, R. Man, Preparation of graphene-oxide/polyamidoamine dendrimers and their adsorption properties toward some heavy metal ions, Journal of Chemical & Engineering Data, 59 (2014) 1719-1726.

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 폴리에틸렌옥사이드 매트릭스에 아민계 화합물을 도입하여 종래의 계면 결함 문제를 해결하고, 높은 이산화탄소 선택도를 갖는 기체 분리막을 제공하는 것이다.The present invention is to solve the problems of the prior art described above, the object of the present invention is to solve the problem of conventional interface defects by introducing an amine compound into a polyethylene oxide matrix, and to provide a gas separation membrane having high carbon dioxide selectivity. will be.

본 발명의 일 측면은 폴리에틸렌옥사이드를 포함하는 매트릭스; 및 상기 매트릭스의 내부에 분산된 아민계 화합물;을 포함하는, 기체 분리막을 제공한다.One aspect of the present invention is a matrix comprising polyethylene oxide; And an amine-based compound dispersed in the matrix.

일 실시예에 있어서, 상기 폴리에틸렌옥사이드의 중량평균분자량(Mw)은 100,000 내지 5,000,000 g/mol일 수 있다.In one embodiment, the weight average molecular weight (M w ) of the polyethylene oxide may be 100,000 to 5,000,000 g/mol.

일 실시예에 있어서, 상기 폴리에틸렌옥사이드의 중량평균분자량(Mw)은 500,000 내지 1,500,000 g/mol일 수 있다.In one embodiment, the weight average molecular weight (M w ) of the polyethylene oxide may be 500,000 to 1,500,000 g/mol.

일 실시예에 있어서, 상기 아민계 화합물은 폴리아미도아민 덴드리머 구조일 수 있다.In one embodiment, the amine-based compound may have a polyamidoamine dendrimer structure.

일 실시예에 있어서, 상기 아민계 화합물의 함량은 상기 기체 분리막 전체 중량에 대하여 2.5 내지 20중량% 일 수 있다.In one embodiment, the content of the amine compound may be 2.5 to 20% by weight based on the total weight of the gas separation membrane.

일 실시예에 있어서, 상기 아민계 화합물의 함량은 상기 기체 분리막 전체 중량에 대하여 7.5 내지 15중량% 일 수 있다.In one embodiment, the content of the amine-based compound may be 7.5 to 15% by weight based on the total weight of the gas separation membrane.

일 실시예에 있어서, 상기 기체 분리막은 이산화탄소에 대한 투과도가 10 내지 35 barrer일 수 있다.In one embodiment, the gas separation membrane may have a permeability of 10 to 35 barrer for carbon dioxide.

일 실시예에 있어서, 상기 기체 분리막은 질소에 대한 투과도가 0.2 내지 5 barrer일 수 있다.In one embodiment, the gas separation membrane may have a permeability of 0.2 to 5 barrer to nitrogen.

일 실시예에 있어서, 상기 기체 분리막의 질소 대비 이산화탄소 선택도가 40 내지 60인, 기체 분리막일 수 있다.In one embodiment, the gas separation membrane may be a gas separation membrane having a selectivity of 40 to 60 carbon dioxide relative to nitrogen.

본 발명의 일 측면에 따르면, 결정성이 강한 폴리에틸렌옥사이드를 포함하는 매트릭스에 아민계 화합물을 분산시켜 계면 결함의 발생을 억제함으로써 기체 분리 성능이 우수한 기체 분리막을 제공할 수 있다.According to an aspect of the present invention, a gas separation membrane having excellent gas separation performance may be provided by dispersing an amine-based compound in a matrix including polyethylene oxide having strong crystallinity to suppress the occurrence of interfacial defects.

상기 기체 분리막은 아민계 화합물과 폴리에틸렌옥사이드가 상호작용하여 폴리에틸렌옥사이드의 공극을 효과적으로 충진시킴으로써 종래 기체 분리막에 비하여 높은 이산화탄소 투과율, 높은 이산화탄소/질소 선택도 및 낮은 폴리에틸렌옥사이드 결정화율을 가질 수 있다.The gas separation membrane may have a high carbon dioxide permeability, a high carbon dioxide/nitrogen selectivity, and a low polyethylene oxide crystallization rate compared to a conventional gas separation membrane by effectively filling the pores of the polyethylene oxide by interacting with the amine compound and polyethylene oxide.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The effects of the present invention are not limited to the above effects, but should be understood to include all effects that can be inferred from the configuration of the invention described in the description or claims of the present invention.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 폴리에틸렌옥사이드 매트릭스 및 폴리아미도아민 함량을 달리하는 폴리에틸렌옥사이드/폴리아미도아민 기체 분리막의 사진이다.
도 2는 메틸아크릴레이트(methyl acrylate, MA), 트리스(2-아미노에틸)아민(tris(2-aminoethyl) amine, TAEA), 폴리아미도아민 0.5 G, 에틸렌디아민(ethylene diamine, EDA)와 폴리아미도아민 덴드리머의 푸리에변환 적외선분석(Fourier Transform Infrared analysis, FT-IR) 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 폴리에틸렌옥사이드 매트릭스, 폴리아미도아민 덴드리머 및 폴리에틸렌옥사이드/폴리아미도아민 분리막의 FT-IR 결과이다.
도 4는 폴리에틸렌옥사이드 매트릭스, 폴리아미도아민 덴드리머 그리고 폴리아미도아민 함량을 달리하는 폴리에틸렌옥사이드/폴리아미도아민 분리막의 X선 회절 (X-ray diffraction, XRD) 분석이다.
도 5는 폴리에틸렌옥사이드 매트릭스 및 폴리아미도아민 함량을 달리하는 폴리에틸렌옥사이드/폴리아미도아민 분리막의 X선 소각 산란 (small-angle X-ray scattering, SAXS) 분석이다.
도 6은 폴리에틸렌옥사이드 매트릭스, 폴리아미도아민 덴드리머 및 폴리아미도아민 함량을 달리하는 폴리에틸렌옥사이드/폴리아미도아민 분리막의 시차 주사열량곡선(differential scanning calorimeter, DSC)이다.
도 7은 폴리에틸렌옥사이드 매트릭스 및 폴리아미도아민 함량을 달리하는 폴리에틸렌옥사이드/폴리아미도아민 분리막의 응력-변형률 선도(stress-strain curve) 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 8은 폴리에틸렌옥사이드 매트릭스 및 폴리아미도아민 함량을 달리하는 폴리에틸렌옥사이드/폴리아미도아민 분리막의 이산화탄소에 대한 투과도와 질소 대비 이산화탄소의 선택도이다.
도 9는 투과막 분석기(permeation membrane analyzer, PMA)를 이용하여 측정한 폴리에틸렌옥사이드 분리막과 폴리아미도아민 함량을 달리하는 폴리에틸렌옥사이드/폴리아미도아민 분리막의 이산화탄소 용해도와 확산도이다.
1 is a photograph of a polyethylene oxide/polyamidoamine gas separation membrane having different contents of a polyethylene oxide matrix and polyamidoamine prepared according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is methyl acrylate (MA), tris (2-aminoethyl) amine (tris (2-aminoethyl) amine, TAEA), polyamidoamine 0.5 G, ethylene diamine (EDA) and polyamido. It shows the results of Fourier Transform Infrared analysis (FT-IR) of the amine dendrimer.
3 is an FT-IR result of a polyethylene oxide matrix, a polyamidoamine dendrimer, and a polyethylene oxide/polyamidoamine separator.
FIG. 4 is an X-ray diffraction (XRD) analysis of a polyethylene oxide/polyamidoamine separator having different contents of a polyethylene oxide matrix, polyamidoamine dendrimer, and polyamidoamine.
5 is an X-ray small-angle X-ray scattering (SAXS) analysis of a polyethylene oxide/polyamidoamine separation membrane having different polyethylene oxide matrix and polyamidoamine content.
6 is a differential scanning calorimeter (DSC) of a polyethylene oxide/polyamidoamine separator having different contents of polyethylene oxide matrix, polyamidoamine dendrimer, and polyamidoamine.
FIG. 7 shows the results of analyzing a stress-strain curve of a polyethylene oxide/polyamidoamine separator having different contents of a polyethylene oxide matrix and polyamidoamine.
8 is a view showing permeability to carbon dioxide and selectivity of carbon dioxide versus nitrogen of a polyethylene oxide/polyamidoamine separator having different contents of a polyethylene oxide matrix and polyamidoamine.
9 is a carbon dioxide solubility and diffusivity of a polyethylene oxide separator and a polyethylene oxide/polyamidoamine separator having different amounts of polyamidoamine measured using a permeation membrane analyzer (PMA).

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the present invention may be implemented in various different forms, and therefore is not limited to the embodiments described herein. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and similar reference numerals are assigned to similar parts throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is said to be "connected" to another part, this includes not only "directly connected" but also "indirectly connected" with another member interposed therebetween. . In addition, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further provided, rather than excluding other components unless specifically stated to the contrary.

본 명세서에서 수치적 값의 범위가 제시되었을 때, 이의 구체적인 범위가 달리 기술되지 않는 한 그 값은 유효 숫자에 대한 화학에서의 표준규칙에 따라 제공된 유효 숫자의 정밀도를 갖는다. 예를 들어, 10은 5.0 내지 14.9의 범위를 포함하며, 숫자 10.0은 9.50 내지 10.49의 범위를 포함한다.When a range of numerical values is presented herein, the value has the precision of the significant digits provided according to the standard rules in chemistry for significant digits, unless a specific range thereof is stated otherwise. For example, 10 includes a range of 5.0 to 14.9, and the number 10.0 includes a range of 9.50 to 10.49.

본 명세서에서 각 공정에서 온도, 기압 등의 조건은 특별한 기재가 없으면 표준온도 및 압력(standard temperature and pressure, STP)에서 수행될 수 있다.In the present specification, conditions such as temperature and atmospheric pressure in each process may be performed at standard temperature and pressure (STP) unless otherwise specified.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

기체 분리막Gas separation membrane

본 발명의 일 측면에 따른 기체 분리막은, 폴리에틸렌옥사이드를 포함하는 매트릭스; 및 상기 매트릭스의 내부에 분산된 아민계 화합물;을 포함할 수 있다.A gas separation membrane according to an aspect of the present invention includes a matrix comprising polyethylene oxide; And an amine-based compound dispersed in the matrix.

상기 기체 분리막은 기체를 투과시킬 수 있는 다공성 매트릭스일 수 있고, 각각의 기공이 높은 이산화탄소 용해도를 가질 수 있다.The gas separation membrane may be a porous matrix capable of permeating gas, and each pore may have a high carbon dioxide solubility.

폴리에틸렌옥사이드는 에틸렌옥사이드의 개환중합(ring-opening polymerization) 등으로 제조되는 고분자로, 폴리에틸렌글리콜(poly(ethylene glycol))과 일반식이 동일하나, 일반적으로 폴리에틸렌글리콜은 바이오 분야에서 주로 활용되는 중량평균분자량이 20,000 g/mol 미만의 저분자량 올리고머를 의미하고, 폴리에틸렌옥사이드는 중량평균분자량이 20,000 g/mol 이상의 고분자를 의미한다.Polyethylene oxide is a polymer produced by ring-opening polymerization of ethylene oxide, and has the same general formula as polyethylene glycol, but in general, polyethylene glycol is a weight average molecular weight mainly used in the bio field. This means a low molecular weight oligomer of less than 20,000 g/mol, and polyethylene oxide means a polymer having a weight average molecular weight of 20,000 g/mol or more.

사슬 길이의 영향에 따라 폴리에틸렌옥사이드 및 폴리에틸렌글리콜은 기계적 성질이 상이하며, 특히, 중량평균분자량이 1,000 g/mol 이상에서 결정성을 나타내므로 폴리에틸렌옥사이드는 폴리에틸렌글리콜 대비 강한 결정성을 가질 수 있다.Depending on the effect of the chain length, polyethylene oxide and polyethylene glycol have different mechanical properties, and in particular, since the weight average molecular weight exhibits crystallinity at 1,000 g/mol or more, polyethylene oxide may have stronger crystallinity than polyethylene glycol.

상기 폴리에틸렌옥사이드의 중량평균분자량(Mw)은 100,000 내지 5,000,000 g/mol, 또는 500,000~1,500,000 g/mol일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 폴리에틸렌옥사이드의 중량평균분자량이 100,000 미만이면 분리막으로 제막하는 것이 어려울 수 있고, 5,000,000 초과이면 용융점도가 급격히 상승하여 가공성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.The weight average molecular weight (M w ) of the polyethylene oxide may be 100,000 to 5,000,000 g/mol, or 500,000 to 1,500,000 g/mol, but is not limited thereto. If the weight average molecular weight of the polyethylene oxide is less than 100,000, it may be difficult to form a film with a separator, and if it exceeds 5,000,000, the melt viscosity rapidly increases, resulting in a problem of deteriorating processability.

폴리에틸렌옥사이드의 중량평균분자량은 겔투과크로마토그래피(gel permeation chromatography, GPC)를 이용하여 측정할 수 있다. 예를 들어, 일정 농도의 샘플 시료를 준비한 후, GPC 측정 기기를 안정화시키고, 기기가 안정화되면 기기에 표준 시료와 샘플 시료를 주입하여 크로마토그램을 얻어낸 다음 중량평균분자량을 산출할 수 있다.The weight average molecular weight of polyethylene oxide can be measured using gel permeation chromatography (GPC). For example, after preparing a sample sample of a certain concentration, the GPC measuring device is stabilized, and when the device is stabilized, a standard sample and a sample sample are injected into the device to obtain a chromatogram, and then the weight average molecular weight can be calculated.

상기 아민계 화합물은 반복되는 가지형 구조를 갖는 아민계 화합물일 수 있고, 아민 또는 아마이드 작용기를 포함하는 가지형 구조를 포함하여 상기 매트릭스 및 이산화탄소와 상호작용할 수 있다.The amine compound may be an amine compound having a repeating branched structure, and may interact with the matrix and carbon dioxide by including a branched structure including an amine or amide functional group.

상기 아민계 화합물은 폴리아미도아민 덴드리머일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The amine-based compound may be a polyamidoamine dendrimer, but is not limited thereto.

상기 아민계 화합물의 함량은 상기 기체 분리막 전체 중량에 대하여 2.5 내지 20중량% 이거나, 또는 상기 기체 분리막 전체 중량에 대하여 7.5 내지 15중량% 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 아민계 화합물의 함량을 조절하여 상기 매트릭스의 결정성을 제어하거나, 이산화탄소 투과도 또는 선택도를 향상시킬 수 있다. 일반적인 혼합 매질 분리막은 선택성이 없는 계면 공극이 형성되어 이산화탄소의 선택도가 저하되는 문제점이 있으나, 본 발명의 일 측면에 따르면 상기 아민계 화합물을 매트릭스 내부에 분산시켜 상기 공극을 충진시킴으로써 기체 분리막의 이산화탄소에 대한 선택도를 향상시킬 수 있다.The content of the amine compound may be 2.5 to 20% by weight based on the total weight of the gas separation membrane, or 7.5 to 15% by weight based on the total weight of the gas separation membrane, but is not limited thereto. By controlling the content of the amine compound, crystallinity of the matrix may be controlled, or carbon dioxide permeability or selectivity may be improved. A typical mixed medium separation membrane has a problem in that the selectivity of carbon dioxide decreases due to the formation of interfacial voids without selectivity, but according to an aspect of the present invention, carbon dioxide of the gas separation membrane is filled by dispersing the amine compound in the matrix to fill the void The selectivity for can be improved.

상기 기체 분리막은 이산화탄소에 대한 투과도가 10 내지 35 barrer이거나, 질소 대비 이산화탄소 선택도가 40 내지 60일 수 있다. 상기 기체 분리막은 상기 투과도 및 선택도 조건을 각각 만족할 수 있으나, 바람직하게는 상기 조건을 동시에 만족할 수 있다.The gas separation membrane may have a carbon dioxide permeability of 10 to 35 barrer or a carbon dioxide selectivity to nitrogen of 40 to 60. The gas separation membrane may satisfy the permeability and selectivity conditions, respectively, but preferably, the gas separation membrane may simultaneously satisfy the conditions.

상기 투과도 단위인 barrer은 10-10cm3·cm/cm2·s·cmHg를 의미하며, 재료의 벌크(bulk) 상태의 기체 투과도를 나타낸다.The permeability unit, barrer, means 10 -10 cm 3 ·cm/cm 2 ·s ·cmHg, and represents the gas permeability of a material in a bulk state.

기체 분리막의 제조방법Method of manufacturing gas separation membrane

본 발명의 또 다른 일 측면에 따른 기체 분리막의 제조방법은, (a) 아민계 화합물을 제조하는 단계; (b) 폴리에틸렌옥사이드를 포함하는 매트릭스 내부에 상기 아민계 화합물을 분산시켜 아민계 화합물과 폴리에틸렌옥사이드를 포함하는 기체 분리막을 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.A method of manufacturing a gas separation membrane according to another aspect of the present invention includes the steps of: (a) preparing an amine-based compound; (b) dispersing the amine compound in a matrix including polyethylene oxide to prepare a gas separation membrane including the amine compound and polyethylene oxide; may include.

상기 (a) 단계는 TAEA를 중심으로 하여 MA과 EDA를 이용한 마이클 첨가 중합(Michael addition polymerization)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The step (a) may be a Michael addition polymerization using MA and EDA centering on TAEA, but is not limited thereto.

이하, 본 발명의 실시예에 관하여 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이하의 실험 결과는 상기 실시예 중 대표적인 실험 결과만을 기재한 것이며, 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 아래에서 명시적으로 제시하지 않은 본 발명의 여러 구현예의 각각의 효과는 해당 부분에서 구체적으로 기재하도록 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail. However, the following experimental results are only representative of the above examples, and cannot be interpreted as the scope and content of the present invention are reduced or limited by examples. Effects of each of the various embodiments of the present invention not explicitly presented below will be specifically described in the corresponding section.

본 발명의 일 측면에 따른 하기 실시예 및 실험예에 따르면, 높은 이산화탄소 선택도와 결함이 없는 기체 분리막을 제조할 수 있다. 상기 기체 분리막은 폴리에틸렌옥사이드 고분자 매트릭스와 아민이 가지화된 폴리아미도아민 첨가제로 구성된다. 폴리아미도아민 덴드리머는 하기 반응식 1로 표시되는 마이클 첨가 중합과 아미드화 과정으로 이루어진 이 단계(two-step) 첨가 중합으로 제조되었다.According to the following examples and experimental examples according to an aspect of the present invention, a gas separation membrane having high carbon dioxide selectivity and no defects can be manufactured. The gas separation membrane is composed of a polyethylene oxide polymer matrix and an amine-branched polyamidoamine additive. The polyamidoamine dendrimer was prepared by two-step addition polymerization consisting of a Michael addition polymerization and amidation process represented by the following Scheme 1.

[반응식1][Scheme 1]

Figure 112019029702587-pat00001
Figure 112019029702587-pat00001

제조된 폴리아미도의 풍부한 아민 작용기는 이산화탄소 분자와 가역적인 반응을 통해 이산화탄소의 투과를 촉진할 수 있다. 폴리아미도아민 덴드리머가 폴리에틸렌옥사이드 고분자 매트릭스에 도입된 경우, 작은 크기의 폴리아미도아민은 폴리에틸렌옥사이드의 에틸렌옥사이드 그룹과 수소결합하여 큰 폴리에틸렌옥사이드 결정들 사이의 틈을 효과적으로 막아줄 수 있다. 폴리아미도아민이 도입된 폴리에틸렌옥사이드 분리막의 경우 순수한 폴리에틸렌옥사이드 분리막에 비해 이산화탄소/질소 선택도가 큰 폭으로 향상되었다.The rich amine functional group of the prepared polyamido can promote the permeation of carbon dioxide through a reversible reaction with carbon dioxide molecules. When the polyamidoamine dendrimer is introduced into the polyethylene oxide polymer matrix, the polyamidoamine having a small size can be hydrogen-bonded with the ethylene oxide group of the polyethylene oxide to effectively block the gap between the large polyethylene oxide crystals. In the case of the polyethylene oxide membrane into which the polyamidoamine was introduced, the carbon dioxide/nitrogen selectivity was significantly improved compared to the pure polyethylene oxide membrane.

시료 내지 실험도구Sample or experimental tool

시료 내지 실험 명칭Name of sample or experiment 제조사manufacturer 비고Remark tris(2-aminoethyl)amine (TAEA)tris(2-aminoethyl)amine (TAEA) Sigma-aldrichSigma-aldrich -- methyl acrylate (MA)methyl acrylate (MA) Sigma-aldrichSigma-aldrich -- ethylenediamine (EDA)ethylenediamine (EDA) Sigma-aldrichSigma-aldrich -- poly(ethylene oxide) PEOpoly(ethylene oxide) PEO Sigma-aldrichSigma-aldrich Mw : 1,000,000 g·mol-1 M w : 1,000,000 gmol -1 메탄올 및 에탄올Methanol and ethanol J. T. BakerJ. T. Baker -- DSCDSC Perkin Elmer, DSC8000Perkin Elmer, DSC8000 질소 환경하에서 분당 10℃로 승온 측정Measurement of temperature rise at 10℃ per minute in a nitrogen environment XRDXRD RIGAKU, RINT 2000 RIGAKU, RINT 2000 -- SAXSSAXS Pohang Light Source (PLS), 4C SAXS II beamlinePohang Light Source (PLS), 4C SAXS II beamline -- 열적 안정성 측정(thermogravimetric analysis, TGA)Thermal stability measurement (thermogravimetric analysis, TGA) TA instruments, DTA/TGA analyzerTA instruments, DTA/TGA analyzer -- 기계적 강도 측정Mechanical strength measurement Universal testing machine (UTM)Universal testing machine (UTM) -- 기체 투과 성능 측정Gas permeation performance measurement Airrane, time-lag Airrane, time-lag -- FT-IRFT-IR DIGLAS Co. Hannover, Excalibur seriesDIGLAS Co. Hannover, Excalibur series --

제조예Manufacturing example

2.5 g의 TAEA를 10 mL의 메탄올에 용해시켜 TAEA 용액을, 19.6 mL의 MA를 20 mL의 메탄올에 용해시켜 MA 용액을 제조하였다. 상기 TAEA 및 MA 용액을 각각 30분간 교반한 후, 영하 20oC의 질소 조건에서 MA 용액을 TAEA 용액에 한 방울씩 첨가하여 반응 혼합물을 제조하였다. 상기 반응 혼합물은 상온에서 24시간동안 반응시킨 뒤 50oC에서 감압 증류를 통해 건조시켜 PAMAM 0.5 G를 제조하였다. 19.8 g의 EDA와 상기 제조된 5 g의 PAMAM 0.5 G를 각각10 mL의 메탄올에 분산시켰다. 상기 분산된 두 용액을 대상으로 앞서 언급한 폴리아미도아민 0.5 G를 만드는 과정을 동일하게 반복하여 폴리아미도아민 덴드리머를 제조하였다.2.5 g of TAEA was dissolved in 10 mL of methanol to prepare a TAEA solution, and 19.6 mL of MA was dissolved in 20 mL of methanol to prepare a MA solution. After each of the TAEA and MA solutions was stirred for 30 minutes, a reaction mixture was prepared by adding the MA solution dropwise to the TAEA solution under a nitrogen condition of -20 ° C. The reaction mixture was reacted at room temperature for 24 hours and then dried by distillation under reduced pressure at 50 o C to prepare 0.5 G of PAMAM. 19.8 g of EDA and 5 g of PAMAM 0.5 G prepared above were each dispersed in 10 mL of methanol. For the two dispersed solutions, a polyamidoamine dendrimer was prepared by repeating the same process of preparing 0.5 G of polyamidoamine mentioned above.

실시예 1Example 1

중량평균분자량(Mw)이 1,000,000인 폴리에틸렌옥사이드를 50oC에서 에탄올에 용해시켜 폴리에틸렌옥사이드 용액을 제조하였다. 상기 폴리에틸렌옥사이드 용액에 폴리아미도아민 덴드리머를 전체 용액 중량에 대하여 2.5중량%만큼 첨가하여 혼합 용액을 제조하였다. 상기 혼합 용액을 증발시킨 뒤 상온에서 6시간 동안 1차로 건조시키고 50oC에서 2차로 건조시켜 폴리에틸렌옥사이드/폴리아미도아민 기체 분리막을 제조하였다.Polyethylene oxide having a weight average molecular weight (M w ) of 1,000,000 was dissolved in ethanol at 50 o C to prepare a polyethylene oxide solution. A mixed solution was prepared by adding 2.5% by weight of polyamidoamine dendrimer to the polyethylene oxide solution based on the total weight of the solution. After evaporating the mixed solution, the mixture was first dried at room temperature for 6 hours and secondarily dried at 50 o C to prepare a polyethylene oxide/polyamidoamine gas separation membrane.

실시예 2Example 2

폴리아미도아민 덴드리머를 전체 용액 중량에 대하여 5중량% 만큼 첨가한 것을 제외하면 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 폴리에틸렌옥사이드/폴리아미도아민 기체 분리막을 제조하였다.A polyethylene oxide/polyamidoamine gas separation membrane was prepared in the same manner as in Example 1, except that 5% by weight of the polyamidoamine dendrimer was added to the total solution weight.

실시예 3Example 3

폴리아미도아민 덴드리머를 전체 용액 중량에 대하여 10중량% 만큼 첨가한 것을 제외하면 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 폴리에틸렌옥사이드/폴리아미도아민 기체 분리막을 제조하였다.A polyethylene oxide/polyamidoamine gas separation membrane was prepared in the same manner as in Example 1, except that 10% by weight of the polyamidoamine dendrimer was added to the total solution weight.

실시예 4Example 4

폴리아미도아민 덴드리머를 전체 용액 중량에 대하여 20중량% 만큼 첨가한 것을 제외하면 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 폴리에틸렌옥사이드/폴리아미도아민 기체 분리막을 제조하였다.A polyethylene oxide/polyamidoamine gas separation membrane was prepared in the same manner as in Example 1, except that 20% by weight of the polyamidoamine dendrimer was added to the total solution weight.

비교예 1Comparative Example 1

폴리아미도아민 덴드리머를 첨가하지 않고 폴리에틸렌옥사이드만으로 기체 분리막을 제조한 것을 제외하면 상기 실시예 1과 동일하게 기체 분리막을 제조하였다.A gas separation membrane was prepared in the same manner as in Example 1, except that a gas separation membrane was prepared using only polyethylene oxide without adding a polyamidoamine dendrimer.

실험예 1Experimental Example 1

도 2는 메틸아크릴레이트, 트리스(2-아미노에틸)아민, 폴리아미도아민, 에틸렌디아민 및 폴리아미도아민 덴드리머의 FT-IR 사진이다.FIG. 2 is an FT-IR photograph of methyl acrylate, tris(2-aminoethyl)amine, polyamidoamine, ethylenediamine, and polyamidoamine dendrimer.

폴리아미도아민 덴드리머의 중심핵을 구성하는 트리스(2-아미노에틸)아민은 아민 작용기의 신축 모드(stretching mode)에 의한 1,592 cm-1 띠와 진동모드(vibration mode)에 의한 3,300 cm-1 띠를 가지고 있다. 폴리아미도아민 덴드리머의 가지를 구성하는 메틸아크릴레이트는 C=O 작용기에 의한 강한 1,726 cm-1 부근 띠를 갖는다. 트리스(2-아미노에틸)아민과 메틸아크릴레이트로부터 합성된 폴리아미도아민 0.5 G의 경우 상기 1,592 cm-1 띠와 3,300 cm-1 띠가 사라진 것을 통하여 트리스(2-아미노에틸)아민의 아민 작용기와 메틸아크릴레이트의 C=C 이중결합이 반응으로 인해 사라졌음을 확인하였고, 1,726 cm-1 부근 띠가 1,731 cm-1 부근으로 이동한 것을 통하여 마이클 첨가 중합으로 C=O 작용기 사이의 거리가 멀어져 C=O 작용기의 세기가 더 강해졌음을 확인하였다.Tris(2-aminoethyl)amine, which constitutes the core core of the polyamidoamine dendrimer, has a 1,592 cm -1 band by the stretching mode of the amine functional group and a 3,300 cm -1 band by the vibration mode. have. The methyl acrylate constituting the branch of the polyamidoamine dendrimer is a strong 1,726 cm -1 by C=O functional group. It has a nearby band. In the case of 0.5 G of polyamidoamine synthesized from tris(2-aminoethyl)amine and methylacrylate, the amine functional group of tris(2-aminoethyl)amine through the disappearance of the 1,592 cm -1 band and 3,300 cm -1 band It was confirmed that the C=C double bond of methyl acrylate disappeared due to the reaction, 1,726 cm -1 Nearby band is 1,731 cm -1 Through the movement to the vicinity, it was confirmed that the strength of the C=O functional group became stronger as the distance between the C=O functional groups increased due to Michael addition polymerization.

폴리아미도아민과 에틸렌디아민으로부터 합성된 폴리아미도아민 덴드리머의 경우 C=O, N-H 및 C-H 신축모드의 결합에 의한 1,550 cm-1 과 1,642 cm-1 부근 띠를 가지고 있다. 결론적으로 상기 도2를 통하여 폴리아미도아민 덴드리머가 성공적으로 합성되었음을 알 수 있다.Polyamidoamine dendrimers synthesized from polyamidoamine and ethylenediamine have bands around 1,550 cm -1 and 1,642 cm -1 due to the bonding of C=O, NH and CH stretching modes. In conclusion, it can be seen from FIG. 2 that the polyamidoamine dendrimer was successfully synthesized.

실험예 2Experimental Example 2

도 3은 폴리에틸렌옥사이드 매트릭스, 폴리에틸렌옥사이드/폴리아미도아민 기체 분리막 및 폴리아미도아민의 FT-IR 분석 사진이다.3 is an FT-IR analysis photograph of a polyethylene oxide matrix, a polyethylene oxide/polyamidoamine gas separation membrane, and a polyamidoamine.

폴리에틸렌옥사이드 매트릭스는 C-O-C 신축모드에 의한 1,094 cm-1 띠와 C-H 대칭신축모드(symmetric stretching mode)에 의한 2,877 cm-1 띠를 가지며, 폴리아미도아민은 C=O 작용기의 신축모드에 의한 1,643 cm-1 띠를 가진다.The polyethylene oxide matrix has 1,094 cm -1 bands by COC stretching mode and 2,877 cm -1 bands by CH symmetric stretching mode, and polyamidoamine is 1,643 cm - by stretching mode of C=O functional groups. It has 1 strip.

폴리에틸렌옥사이드/폴리아미도아민 기체 분리막에서는 상기 C-O-C 작용기에 의한 1,094 cm-1 띠와 C-H에 의한 2,877 cm-1 띠는 거의 이동하지 않았지만, 상기 C=O 작용기에 의한 1,643 cm-1의 띠가 1,638 cm-1로 이동하여 파수가 낮아진 것을 확인하였다. 일반적으로 C=O 작용기가 다른 작용기와 상호작용하는 경우 그 파수가 감소하기 때문에, 도3을 통하여 폴리에틸렌옥사이드/폴리아미도아민 기체 분리막 내에 C-H와 C-O-C는 변화가 없지만, C=O 작용기가 다른 작용기와 상호작용하여 폴리에틸렌옥사이드 매트릭스와 폴리아미도아민이 잘 혼화되어있음을 알 수 있다.In the polyethylene oxide/polyamidoamine gas separation membrane, the 1,094 cm -1 band by the COC functional group and the 2,877 cm -1 band by CH did not move, but the 1,643 cm -1 band by the C=O functional group was 1,638 cm Moved to -1 and confirmed that the wave number was lowered. In general, when a C=O functional group interacts with another functional group, its wave number decreases.Thus, CH and COC in the polyethylene oxide/polyamidoamine gas separation membrane do not change, but C=O functional groups with other functional groups By interaction, it can be seen that the polyethylene oxide matrix and polyamidoamine are well mixed.

실험예 3Experimental Example 3

도 4는 폴리에틸렌옥사이드 매트릭스, 폴리아미도아민 및 폴리아미도아민 농도를 달리하는 폴리에틸렌옥사이드/폴리아미도아민 기체 분리막들의 XRD 패턴을 나타낸다.4 shows XRD patterns of polyethylene oxide/polyamidoamine gas separation membranes with different concentrations of polyethylene oxide matrix, polyamidoamine, and polyamidoamine.

폴리에틸렌옥사이드 매트릭스는 19.2o와 23.4o에서 뾰족한 결정성 피크를 보였다. 브래그 법칙(Bragg's law)를 이용할 때 도메인 사이 거리(d-spacing)은 각각 4.6 Å과 3.8 Å로 계산되었다. 이러한 폴리에틸렌옥사이드 매트릭스의 결정성 피크는 정렬된 폴리에테르 곁가지와 폴리에틸렌옥사이드 사이 강한 수소결합에 기인한다. 한편, 폴리아미도아민은 21.1o에서 넓은 피크를 나타내었으며 폴리에틸렌옥사이드 매트릭스와 같은 결정성 피크는 관찰되지 않았다.The polyethylene oxide matrix showed sharp crystalline peaks at 19.2 o and 23.4 o . When using Bragg's law, the d-spacing between domains was calculated to be 4.6 Å and 3.8 Å, respectively. The crystalline peak of this polyethylene oxide matrix is due to the strong hydrogen bonding between the aligned polyether branch and the polyethylene oxide. On the other hand, polyamidoamine showed a broad peak at 21.1 o , and a crystalline peak such as a polyethylene oxide matrix was not observed.

첨가되는 폴리아미도아민의 양을 늘림에 따라 폴리에틸렌옥사이드/폴리아미도아민 기체 분리막의 결정성 피크의 세기는 점차 감소하였다. 이를 통해 폴리아미도아민과 폴리에틸렌옥사이드 매트릭스 사이 상호작용이 폴리에틸렌옥사이드 매트릭스의 연쇄충진(chain-packing)을 방해하는 것을 확인할 수 있다. As the amount of polyamidoamine added was increased, the intensity of the crystalline peak of the polyethylene oxide/polyamidoamine gas separation membrane gradually decreased. Through this, it can be seen that the interaction between the polyamidoamine and the polyethylene oxide matrix interferes with the chain-packing of the polyethylene oxide matrix.

실험예 4Experimental Example 4

폴리아미도아민 함량
(중량%)
Polyamidoamine content
(weight%)
피크 1
(nm-1)
Peak 1
(nm -1 )
피크 2
(nm-1)
Peak 2
(nm -1 )
q/qmax 비율q/q max ratio d-spacing
(nm)
d-spacing
(nm)
00 0.11530.1153 0.22590.2259 1:21:2 54.5/27.854.5/27.8 2.52.5 0.09820.0982 0.19480.1948 1:21:2 64.0/32.264.0/32.2 55 0.09190.0919 0.1870.187 1:21:2 68.4/33.668.4/33.6 1010 0.10440.1044 -- -- 60.260.2 2020 0.10750.1075 -- -- 58.458.4

도 5와 표 2은 폴리에틸렌옥사이드 매트릭스 및 폴리아미도아민 농도를 달리하는 폴리에틸렌옥사이드/폴리아미도아민 분리막의 SAXS 분석 결과이다.5 and Table 2 are SAXS analysis results of polyethylene oxide/polyamidoamine separation membranes having different concentrations of polyethylene oxide matrix and polyamidoamine.

폴리에틸렌옥사이드 매트릭스는 좁고 강하며 q/qmax -비율은 1:2인 피크 2개를 나타내었다. 또한 라멜라(lamellar) 구조를 이루고 있었는데, 이러한 구조는 폴리에틸렌옥사이드의 높은 분자량으로 인해 긴 폴리에틸렌옥사이드 사슬이 근처 분자들과 일정한 거리를 유지하며 배열되어 있는 것에서 기인하였다. 브래그 식을 이용하였을 때 폴리에틸렌옥사이드의 d-spacing은 54.5 nm로 계산되었다. The polyethylene oxide matrix was narrow and strong and showed two peaks with a q/q max -ratio of 1:2. In addition, it had a lamellar structure, which was attributed to the fact that long polyethylene oxide chains are arranged at a certain distance from nearby molecules due to the high molecular weight of polyethylene oxide. When using the Bragg equation, the d-spacing of polyethylene oxide was calculated as 54.5 nm.

폴리아미도아민의 함량이 증가함에 따라 피크의 세기와 위치는 변화하였지만, 폴리에틸렌옥사이드/폴리아미도아민 기체 분리막은 여전히 라멜라 구조를 유지하였다. 함량이 5중량%일 때까지는 d-spacing이 증가하였다. 이는 폴리에틸렌옥사이드의 무정형(amorphous) 부분의 양과 결정성 영역 사이의 거리가 증가한 것을 의미한다. 즉, 강한 상호작용을 할 수 있는 폴리아미도아민이 도입됨에 따라 폴리아미도아민이 폴리에틸렌옥사이드가 결정화 되는 과정을 방해하여 분리막의 결정성을 감소시키는 것이다. 폴리아미도아민의 회전 반경(radius of gyration, Rg)는 약 7.5 Å로 보고된 바 있으며 작은 크기의 폴리아미도아민은 결정성 영역들 사이에 효과적으로 도입되어 계면의 결함들을 채워줄 수 있다. 따라서 첨가되는 폴리아미도아민의 양이 늘어남에 따라 d-spacing이 늘어나는 것을 해석 할 수 있다. 함량이 10중량% 이상일 경우 폴리아미도아민이 폴리에틸렌옥사이드 사슬들이 라멜라 결정 구조를 형성하는 것을 크게 방해하여 SAXS 곡선상 라멜라 결정성 피크가 사라졌다. As the content of polyamidoamine increased, the intensity and position of the peaks changed, but the polyethylene oxide/polyamidoamine gas separation membrane still maintained the lamellar structure. The d-spacing increased until the content was 5% by weight. This means that the amount of the amorphous portion of the polyethylene oxide and the distance between the crystalline region are increased. That is, as polyamidoamine capable of strong interaction is introduced, polyamidoamine interferes with the process of crystallization of polyethylene oxide, thereby reducing the crystallinity of the separator. The radius of gyration (R g ) of polyamidoamine has been reported to be about 7.5 Å, and polyamidoamine having a small size can be effectively introduced between crystalline regions to fill defects at the interface. Therefore, it can be interpreted that d-spacing increases as the amount of added polyamidoamine increases. When the content was 10% by weight or more, the polyamidoamine greatly prevented the polyethylene oxide chains from forming the lamellar crystal structure, and thus the lamellar crystal peak on the SAXS curve disappeared.

실험예 5Experimental Example 5

폴리아미도아민 함량
(중량%)
Polyamidoamine content
(weight%)
Tm PEO (oC)T m PEO ( o C) Xc PEO X c PEO
00 66.466.4 50.850.8 2.52.5 66.666.6 49.649.6 55 66.566.5 48.048.0 1010 66.066.0 44.044.0 2020 66.066.0 39.839.8

도 6과 표 3는 폴리에틸렌옥사이드 매트릭스 및 폴리아미도아민 농도를 달리하는 폴리에틸렌옥사이드/폴리아미도아민 분리막의 DSC 분석 결과이다.6 and Table 3 are DSC analysis results of polyethylene oxide/polyamidoamine separators having different concentrations of polyethylene oxide matrix and polyamidoamine.

폴리에틸렌옥사이드 매트릭스는 높은 결정성 때문에 66.4oC에서 녹는점 (melting temperature, Tm)를 나타냈다. 폴리아미도아민이 첨가됨에 따라 녹는점은 거의 변화하지 않았지만 피크의 강도는 점차 감소하였다.The polyethylene oxide matrix exhibited a melting temperature (T m ) at 66.4 o C due to its high crystallinity. As polyamidoamine was added, the melting point hardly changed, but the intensity of the peak gradually decreased.

구조적 특성에 관한 정량적 수치를 확인하기 위하여 아래의 식으로 계산되는 결정도(Degree of crystallinity, Xc)를 활용하였다. The degree of crystallinity (X c ) calculated by the following equation was used to confirm the quantitative value of the structural properties.

Xc(%) = ΔHf/ΔHf(100% crystal) x 100X c (%) = ΔH f /ΔH f(100% crystal) x 100

ΔHf는 DSC 곡선의 녹는점의 면적으로부터 계산된 융해열(Heat of fusion)이며 ΔHf(100% crystal)는 100 % 결정화된 고분자의 융해열이다. 폴리에틸렌옥사이드의 ΔHf(100% crystal)은 205 J/g 로 알려져 있다. 앞서 XRD분석과 SAXS 분석에서 확인한 것과 마찬가지로 폴리에틸렌옥사이드/폴리아미도아민 기체 분리막의 결정도는 첨가되는 폴리아미도아민의 양이 증가함에 따라 꾸준히 감소하였다. ΔH f is the heat of fusion calculated from the melting point area of the DSC curve, and ΔH f (100% crystal) is the heat of fusion of the 100% crystallized polymer. The ΔH f (100% crystal) of polyethylene oxide is known to be 205 J/g. As previously confirmed in XRD analysis and SAXS analysis, the crystallinity of the polyethylene oxide/polyamidoamine gas separation membrane steadily decreased as the amount of added polyamidoamine increased.

실험예 6Experimental Example 6

도 7은 폴리에틸렌옥사이드 매트릭스 및 폴리아미도아민 농도를 달리하는 폴리에틸렌옥사이드/폴리아미도아민 분리막의 UTM 분석 결과이다.7 is a result of UTM analysis of a polyethylene oxide/polyamidoamine separator having different concentrations of a polyethylene oxide matrix and polyamidoamine.

모든 분리막은 전형적인 반결정(semi-crystalline) 고분자의 변형 곡선의 형태를 나타냈다. 폴리아미도아민의 도입이 곡선의 형태를 변화시키지 않았지만, 변형율(strain)과 응력(stress)는 폴리아미도아민의 양이 늘어남에 따라 꾸준히 증가하였다.All membranes exhibited the shape of a typical semi-crystalline polymer strain curve. Although the introduction of polyamidoamine did not change the shape of the curve, strain and stress increased steadily as the amount of polyamidoamine increased.

일반적으로 고분자의 결정도가 높아질수록 기계적 강도는 증가하는 추세를 나타낸다. 폴리에틸렌옥사이드/폴리아미도아민 기체 분리막의 경우 폴리아미도아민의 함량이 증가할수록 기계적 강도가 증가하는 결과를 보였는데, 이는 작은 크기의 폴리아미도아민이 효과적으로 큰 폴리에틸렌옥사이드 결정을 사이를 메꾸며, 마치 접착제의 역할을 수행함으로써 분리막의 결정성을 낮추는 것으로 이해할 수 있다. In general, as the crystallinity of the polymer increases, the mechanical strength increases. In the case of the polyethylene oxide/polyamidoamine gas separation membrane, as the content of polyamidoamine increased, the mechanical strength increased. This is because the small sized polyamidoamine effectively fills the large polyethylene oxide crystals, as if the adhesive It can be understood as lowering the crystallinity of the separator by performing a role.

실험예 7Experimental Example 7

폴리아미도아민 함량
(중량%)
Polyamidoamine content
(weight%)
두께
(㎛)
thickness
(㎛)
투과도 (Barrer)Transmittance (Barrer) 선택도
(CO2/N2)
Selectivity
(CO 2 /N 2 )
CO2 CO 2 N2 N 2 0 (순수한 PEO)0 (pure PEO) 6060 23882388 25892589 0.920.92 00 5757 34.234.2 4.564.56 7.57.5 2.52.5 5252 32.332.3 0.770.77 4242 55 6060 25.825.8 0.60.6 4343 1010 7575 25.525.5 0.450.45 56.756.7 2020 5555 10.110.1 0.420.42 24.024.0

도 8과 표 4는 폴리에틸렌옥사이드 매트릭스 및 폴리아미도아민 농도를 달리하는 폴리에틸렌옥사이드/폴리아미도아민 분리막의 기체 분리 특성을 35oC, 1 bar의 조건에서 time-lag 방식을 통하여 측정한 결과이다.8 and Table 4 are the results of measuring the gas separation characteristics of the polyethylene oxide matrix and the polyethylene oxide / polyamidoamine separation membrane having different concentrations of polyamidoamine in a time-lag method at 35 o C, 1 bar.

순수한 PEO의 경우 추가적인 열처리 없이 상온에서 건조과정만을 거친 폴리에틸렌옥사이드 분리막으로서 구조적 결함들 때문에 0.92라는 매우 낮은 선택도를 나타내었다. 6시간의 열처리를 거친 폴리에틸렌옥사이드 분리막의 경우 큰 결함들을 막아주어 순수한 PEO에 비해 상대적으로 증가된 7.5의 기체 선택도를 나타내었다. 하지만 여전히 10 미만의 기체 선택도를 나타내는 것은 폴리에틸렌옥사이드 결정들 사이의 계면 결함에 기인한 것이다.In the case of pure PEO, a polyethylene oxide separator that was only dried at room temperature without additional heat treatment, and exhibited a very low selectivity of 0.92 due to structural defects. The polyethylene oxide membrane after 6 hours of heat treatment showed a relatively increased gas selectivity of 7.5 compared to pure PEO by preventing large defects. However, still showing a gas selectivity of less than 10 is due to the interface defects between the polyethylene oxide crystals.

폴리아미도아민의 함량이 증가함에 따라 이산화탄소와 질소에 대한 투과도는 모두 감소하였다. 질소에 대한 투과도가 감소하는 것은 폴리아미도아민의 채움 효과(filling effect)에 의한 것이다. 폴리아미도아민의 일차 아민 작용기는 폴리에틸렌옥사이드 사슬들과 상호작용하여 선택도가 없는 공극(non-selective voids)들을 채우는데 도움을 준다. 질소에 대한 투과도가 크게 감소한 것에 비해 이산화탄소에 대한 투과도가 조금만 감소한 것은 폴리아미도아민의 일차 아민과 이산화탄소 분자가 강한 친화도를 갖기 때문이다. As the content of polyamidoamine increased, both carbon dioxide and nitrogen permeability decreased. The decrease in permeability to nitrogen is due to the filling effect of the polyamidoamine. The primary amine functional group of polyamidoamines interacts with polyethylene oxide chains to help fill non-selective voids. The reason that the permeability to carbon dioxide is slightly reduced compared to the large decrease in nitrogen permeability is because the primary amine of the polyamidoamine and the carbon dioxide molecule have strong affinity.

수치도 증가하다가 10중량%일 경우 최대값을 가지며, 그 후에는 감소한다. 이러한 경향성은 과량의 폴리아미도아민이 폴리에틸렌옥사이드 매트릭스와 수소결합을 하여 기체 투과를 막은 장애물(barrier)로서 역할하기 때문이다. The numerical value also increases and has a maximum value when it is 10% by weight, and then decreases. This tendency is because excess polyamidoamine acts as a barrier to gas permeation by hydrogen bonding with the polyethylene oxide matrix.

실험예 8Experimental Example 8

폴리아미도아민 함량
(중량%)
Polyamidoamine content
(weight%)
CO2 용해도
(Х10-1)
CO 2 solubility
(Х10 -1 )
CO2 확산도
(Х10-9 )
CO 2 diffusivity
(Х10 -9 )
CO2 투과도
(Barrer)
CO 2 transmittance
(Barrer)
00 3.013.01 11.3511.35 34.234.2 2.52.5 4.034.03 8.028.02 32.332.3 55 3.383.38 7.647.64 25.825.8 1010 3.733.73 6.836.83 25.525.5 2020 3.293.29 3.093.09 10.110.1 (단위 : 용해도=cm3(STP)·cm-3·cmHg-1, 확산도=cm2·s-1)(Unit: solubility = cm 3 (STP) cm -3 cmHg -1 , diffusivity = cm 2 s -1 )

도 9와 표 5는 폴리에틸렌옥사이드 매트릭스 및 폴리아미도아민 농도를 달리하는 폴리에틸렌옥사이드/폴리아미도아민 분리막의 PMA 측정 결과이다. 또한 측정된 용해도와 확산도를 곱하여 이산화탄소에 대한 투과도를 구하였다.9 and 5 are PMA measurement results of polyethylene oxide/polyamidoamine separators having different concentrations of polyethylene oxide matrix and polyamidoamine. In addition, the permeability to carbon dioxide was obtained by multiplying the measured solubility and diffusivity.

폴리에틸렌옥사이드/폴리아미도아민 기체 분리막의 이산화탄소에 대한 용해도는 순수한 폴리에틸렌옥사이드 매트릭스 보다 높았다. 이는 폴리아미도아민의 일차 아민 작용기가 이산화탄소의 용해도를 향상시키는 데에 효과적이기 때문이다. The solubility of the polyethylene oxide/polyamidoamine gas separation membrane in carbon dioxide was higher than that of the pure polyethylene oxide matrix. This is because the primary amine functional group of polyamidoamine is effective in improving the solubility of carbon dioxide.

폴리아미도아민의 함량이 증가함에 따라 폴리에틸렌옥사이드 매트릭스의 결정성이 감소함에도 불구하고, 폴리에틸렌옥사이드/폴리아미도아민 기체 분리막의 이산화탄소에 대한 확산도 및 투과도는 감소하였다. 투과도의 감소 경향은 투과도가 용해도보다 확산도에 의해 지배되기 때문이다. Although the crystallinity of the polyethylene oxide matrix decreased as the polyamidoamine content increased, the diffusivity and permeability of the polyethylene oxide/polyamidoamine gas separation membrane to carbon dioxide decreased. The tendency to decrease in permeability is because permeability is dominated by diffusivity rather than solubility.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The above description of the present invention is for illustrative purposes only, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be able to understand that it can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not limiting. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as being distributed may also be implemented in a combined form.

본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the claims to be described later, and all changes or modified forms derived from the meaning and scope of the claims and the concept of equivalents thereof should be construed as being included in the scope of the present invention.

Claims (9)

폴리에틸렌옥사이드를 포함하는 매트릭스; 및
상기 매트릭스의 내부에 분산된 폴리아미도아민 덴드리머;를 포함하고,
상기 폴리아미도아민 덴드리머의 함량은 기체 분리막 전체 중량에 대하여 2.5 내지 15중량%인, 기체 분리막.
A matrix comprising polyethylene oxide; And
Including; polyamidoamine dendrimer dispersed in the interior of the matrix,
The content of the polyamidoamine dendrimer is 2.5 to 15% by weight based on the total weight of the gas separation membrane, gas separation membrane.
제1항에 있어서,
상기 폴리에틸렌옥사이드의 중량평균분자량(Mw)은 100,000 내지 5,000,000 g/mol인, 기체 분리막.
The method of claim 1,
The weight average molecular weight (M w ) of the polyethylene oxide is 100,000 to 5,000,000 g/mol, gas separation membrane.
제2항에 있어서,
상기 폴리에틸렌옥사이드의 중량평균분자량(Mw)은 500,000 내지 1,500,000 g/mol인, 기체 분리막.
The method of claim 2,
The weight average molecular weight (M w ) of the polyethylene oxide is 500,000 to 1,500,000 g/mol, gas separation membrane.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 폴리아미도아민 덴드리머의 함량은 상기 기체 분리막 전체 중량에 대하여 7.5 내지 15중량% 인, 기체 분리막.
The method of claim 1,
The content of the polyamidoamine dendrimer is 7.5 to 15% by weight based on the total weight of the gas separation membrane, gas separation membrane.
제1항에 있어서,
상기 기체 분리막의 이산화탄소에 대한 투과도는 10 내지 35 barrer인 기체 분리막.
The method of claim 1,
The gas separation membrane has a permeability of 10 to 35 barrer for carbon dioxide.
제1항에 있어서,
상기 기체 분리막의 질소에 대한 투과도는 0.2 내지 5 barrer인 기체 분리막.
The method of claim 1,
The gas separation membrane has a permeability of 0.2 to 5 barrer to nitrogen.
제1항에 있어서,
상기 기체 분리막의 질소 대비 이산화탄소 선택도는 40 내지 60인, 기체 분리막.
The method of claim 1,
The gas separation membrane has a selectivity of carbon dioxide to nitrogen of 40 to 60.
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