KR102278518B1 - A partially crosslinked poly(phenylene oxide)-based polymer, method for preparation thereof and anion exchange membrane using the same - Google Patents

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KR102278518B1
KR102278518B1 KR1020200031952A KR20200031952A KR102278518B1 KR 102278518 B1 KR102278518 B1 KR 102278518B1 KR 1020200031952 A KR1020200031952 A KR 1020200031952A KR 20200031952 A KR20200031952 A KR 20200031952A KR 102278518 B1 KR102278518 B1 KR 102278518B1
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백현종
김노원
쿠마 모한티 어룬
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부산대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a partially crosslinked polyphenylene oxide(PPO)-based polymer, a manufacturing method thereof, and an anion exchange membrane using the same, and more specifically, to a partially crosslinked PPO-based polymer, which is partially crosslinked with dimethylhexadecylammonium groups to exhibit excellent water absorption and swelling properties and have high ion exchange capacity at the same time, and has high electrical conductivity and low electrical resistance to be applicable as a microbial fuel cell, a manufacturing method thereof, and an anion exchange membrane using the same.

Description

부분적 가교된 폴리페닐렌옥사이드 기반의 중합체, 이의 제조방법 및 이를 이용한 음이온 교환 멤브레인 {A partially crosslinked poly(phenylene oxide)-based polymer, method for preparation thereof and anion exchange membrane using the same}Partially crosslinked polyphenylene oxide-based polymer, manufacturing method thereof, and anion exchange membrane using the same {A partially crosslinked poly(phenylene oxide)-based polymer, method for preparation thereof and anion exchange membrane using the same}

본 발명은 부분적 가교된 폴리페닐렌옥사이드(poly(phenylene oxide), PPO)를 기반으로 하는 중합체, 이의 제조방법 및 이를 이용한 음이온 교환 멤브레인에 관한 것으로, 보다 구체적으로 디메틸헥사데실암모늄(dimethylhexadecylammonium) 그룹과 부분적으로 가교되어 우수한 수분 흡수성 및 팽윤 특성을 나타냄과 동시에 높은 이온 교환 용량을 가지며, 높은 전기전도도 및 낮은 전기 저항을 가져 미생물 연료 전지로 적용 가능한 부분적 가교된 PPO 기반의 중합체, 이의 제조방법 및 이를 이용한 음이온 교환 멤브레인에 관한 것이다.The present invention relates to a polymer based on partially crosslinked poly(phenylene oxide) (PPO), a method for preparing the same, and an anion exchange membrane using the same, and more particularly, to a dimethylhexadecylammonium group and Partially cross-linked PPO-based polymer that exhibits excellent water absorption and swelling properties, high ion exchange capacity, high electrical conductivity and low electrical resistance, and is applicable as a microbial fuel cell, manufacturing method thereof, and using same It relates to an anion exchange membrane.

연료전지는 연료와 산화제를 연속적으로 공급하여, 이들이 반응할 때의 화학 에너지를 전력으로서 추출하는 발전 시스템이다. 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라서, 작동 온도가 비교적 낮은 알칼리형 연료전지, 인산형 연료전지, 및 고체고분자 전해질형 연료전지, 또는 고온에서 작동하는 용융탄산염형 연료전지, 고체산화물 전해질 연료전지로 대별된다.A fuel cell is a power generation system that continuously supplies fuel and an oxidizer and extracts chemical energy when they react as electric power. Depending on the type of electrolyte used, the fuel cell may be an alkaline fuel cell, a phosphoric acid fuel cell, and a solid polymer electrolyte fuel cell having a relatively low operating temperature, or a molten carbonate fuel cell or a solid oxide electrolyte fuel cell operating at a high temperature. is distinguished by

한편, 음이온 교환막(AEM)을 사용하는 연료전지의 경우 비-귀금속 전극촉매의 활용가능성, 연료의 용이한 산화, 산소의 빠른 환원 속도, 환원된 연료의 크로스오버(crossover), 촉매의 강화된 일산화탄소 내성, 및 비교적 간단한 물 관리 등의 많은 장점으로 인해 양성자 교환막 연료전지(PEMFC)에 비해 최근 많은 관심을 받아왔고, 이에 따라 양성자 교환막(PEM)의 대안으로 음이온 교환막에 대한 연구가 진행되고 있다.On the other hand, in the case of a fuel cell using an anion exchange membrane (AEM), the availability of non-noble metal electrocatalyst, easy oxidation of fuel, fast reduction rate of oxygen, crossover of reduced fuel, enhanced carbon monoxide of catalyst Due to its many advantages such as resistance and relatively simple water management, it has recently received a lot of attention compared to the proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), and accordingly, research on an anion exchange membrane as an alternative to the proton exchange membrane (PEM) is in progress.

이러한 음이온 교환막을 제조하기 위하여, 탄화수소 계열의 고분자 내에 클로로메틸화제 반응을 진행하고, 아민화 반응을 실시하여 이온전도도 및 열적 안정성이 증가된 음이온 교환막의 제조방법이 제시되어 있다. 또한, 4차 암모늄을 포함하는 폴리아릴렌에테르설폰을 고체형 알카라인 교환막 연료전지에 적용한 연구가 제시되어 있다. In order to prepare such an anion exchange membrane, a chloromethylating agent reaction is performed in a hydrocarbon-based polymer, and an amination reaction is performed to prepare an anion exchange membrane having increased ion conductivity and thermal stability. In addition, a study in which polyarylene ether sulfone containing quaternary ammonium is applied to a solid alkaline exchange membrane fuel cell is presented.

그러나 상기의 제조방법들로 제조된 고분자를 이용하여 음이온 교환막을 제조하면 가공성이 떨어진다는 단점이 있어, 이를 해결하기 위한 연구가 필요한 실정이다.However, when an anion exchange membrane is manufactured using the polymer prepared by the above manufacturing methods, there is a disadvantage in that processability is poor, and research is required to solve this problem.

따라서, 전술한 문제점을 보완하기 위해 본 발명가들은 분리막으로 가공성이 우수한 중합체를 합성할 수 있으면, 향상된 이온전도도를 유지하며, 우수한 이온전도도 안정성, 물리적강도가 향상된 미생물 연료전지용 음이온 교환막으로 응용 가능한 중합체의 개발이 시급하다 인식하여, 본 발명을 완성하였다.Therefore, in order to supplement the above problems, the present inventors have found that if a polymer with excellent processability can be synthesized as a separator, it maintains improved ionic conductivity, and has excellent ionic conductivity stability and improved physical strength as an anion exchange membrane for a microbial fuel cell. Recognizing that development is urgent, the present invention was completed.

일본 공개특허 공보 제10-2010-0107010호Japanese Laid-Open Patent Publication No. 10-2010-0107010 한국 등록특허 공보 제10-1545229호Korean Patent Publication No. 10-1545229 한국 등록특허 공보 제10-0776375호Korean Patent Publication No. 10-0776375

Jieun Choi et. al. Int. J. Hydrogen, 39, 21223-21230(2014) Jieun Choi et. al. Int. J. Hydrogen, 39, 21223-21230 (2014)

본 발명의 목적은 디메틸헥사데실암모늄(dimethylhexadecylammonium) 그룹과 부분적으로 가교되어 우수한 수분 흡수성 및 팽윤 특성을 나타냄과 동시에 높은 이온 교환 용량을 가지며, 높은 전기전도도 및 낮은 전기 저항을 가져 미생물 연료 전지로 적용 가능한 부분적 가교된 PPO 기반의 중합체, 이의 제조방법 및 이를 이용한 음이온 교환 멤브레인을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to be partially crosslinked with a dimethylhexadecylammonium group to exhibit excellent water absorption and swelling properties, and at the same time have high ion exchange capacity, high electrical conductivity and low electrical resistance, so that it can be applied as a microbial fuel cell To provide a partially crosslinked PPO-based polymer, a method for preparing the same, and an anion exchange membrane using the same.

발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있다.The technical problems to be achieved by the invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned can be clearly understood by those of ordinary skill in the art from the description of the present invention.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 부분적 가교된 폴리페닐렌옥사이드(poly(phenylene oxide), PPO)를 기반으로 하는 중합체, 이의 제조방법 및 이를 이용한 음이온 교환 멤브레인을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a polymer based on partially crosslinked poly(phenylene oxide, PPO), a method for preparing the same, and an anion exchange membrane using the same.

이하, 본 명세서에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present specification will be described in more detail.

본 발명은 하기 [화학식 1]로 표시되는 것을 특징으로 하는 부분적 가교된 폴리페닐렌옥사이드를 기반으로 하는 중합체를 제공한다.The present invention provides a polymer based on partially cross-linked polyphenylene oxide, characterized in that represented by the following [Formula 1].

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112020027444816-pat00001
Figure 112020027444816-pat00001

상기 [화학식 1]에서 상기 a 및 b는 1 내지 30이고, 상기 m, n 및 l은 1 내지 100이며, x는 1 내지 100,000,000이다.In [Formula 1], a and b are 1 to 30, m, n and l are 1 to 100, and x is 1 to 100,000,000.

또한, 본 발명은 하기의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 부분적 가교된 폴리페닐렌옥사이드를 기반으로 하는 중합체의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for producing a polymer based on partially crosslinked polyphenylene oxide, characterized in that it comprises the following steps.

(A1) 폴리(2,6-디메틸페닐렌 옥사이드)(Poly(2,6-dimethylphenylene oxide))에 N-브로모숙신이미드(N-bromosuccinimide, NBS) 및 2,2′-아조비스(2-메틸프로피오니트릴)(2,2′-azobis(2-methylpropionitrile), AIBN)을 첨가하여 하기 [화학식 2]로 표시되는 제1 중합체를 제조하는 단계;(A1) N-bromosuccinimide (NBS) and 2,2′-azobis (2) on poly(2,6-dimethylphenylene oxide) -Methylpropionitrile) (2,2'-azobis(2-methylpropionitrile), AIBN) was added to prepare a first polymer represented by the following [Formula 2];

(A2) 상기 제1 중합체에 N,N-디메틸-1-1헥사데실아민(N,N-dimethyl-1-hexadecylamine, DMHDA)을 첨가하여 하기 [화학식 3]으로 표시되는 제2 중합체를 제조하는 단계; 및(A2) preparing a second polymer represented by the following [Formula 3] by adding N,N-dimethyl-1-hexadecylamine (DMHDA) to the first polymer step; and

(A3) 상기 제2 중합체에 N,N,N′,N′-테트라메틸-1,6-헥세인디아민(N,N,N′,N′-tetramethyl-1,6-hexanediamine, TMHDA)를 첨가하여 하기 [화학식 1]로 표시되는 부분적 가교된 폴리페닐렌옥사이드를 기반으로 하는 중합체를 제조하는 단계.(A3) N,N,N',N'-tetramethyl-1,6-hexanediamine (N,N,N',N'-tetramethyl-1,6-hexanediamine, TMHDA) to the second polymer Preparing a polymer based on partially cross-linked polyphenylene oxide represented by the following [Formula 1] by adding.

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112020027444816-pat00002
Figure 112020027444816-pat00002

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112020027444816-pat00003
Figure 112020027444816-pat00003

[화학식 3][Formula 3]

Figure 112020027444816-pat00004
Figure 112020027444816-pat00004

상기 [화학식 1]에서 상기 a 및 b는 1 내지 30이고, 상기 m, n 및 l은 1 내지 100이며, 상기 x는 1 내지 100,000,000이다.In [Formula 1], a and b are 1 to 30, m, n and l are 1 to 100, and x is 1 to 100,000,000.

본 발명에 있어서, 상기 (A1) 단계는 하기의 단계로 구성되는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the step (A1) is characterized in that it consists of the following steps.

(A1a) 폴리(2,6-디메틸페닐렌 옥사이드)를 제1 용매에 용해시키는 단계;(A1a) dissolving poly(2,6-dimethylphenylene oxide) in a first solvent;

(A1b) 상기 용해된 폴리(2,6-디메틸페닐렌 옥사이드)에 NBS 및 AIBN을 첨가하여 혼합물을 제조하는 단계; 및(A1b) preparing a mixture by adding NBS and AIBN to the dissolved poly(2,6-dimethylphenylene oxide); and

(A1c) 상기 혼합물에 제1 용매를 첨가하여 침전물로 상기 [화학식 2]로 표시되는 제1 중합체를 수득하는 단계.(A1c) adding a first solvent to the mixture to obtain a first polymer represented by the above [Formula 2] as a precipitate.

본 발명에 있어서, 상기 (A1) 단계의 제1 용매는 C1 내지 C4의 저가 알코올, 글리세린, 부틸렌 글리콜, 프로필렌글리콜, 메틸아세테이트, 에틸아세테이트, 아세톤, 벤젠, 헥산, 디에틸에테르, 클로로포름, 클로로벤젠 및 디클로로메탄으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 한다.In the present invention, the first solvent in step (A1) is a C1 to C4 low-cost alcohol, glycerin, butylene glycol, propylene glycol, methyl acetate, ethyl acetate, acetone, benzene, hexane, diethyl ether, chloroform, chloroform It is characterized in that at least one selected from the group consisting of benzene and dichloromethane.

본 발명에 있어서 ,상기 (A2) 단계는 하기의 단계로 구성되는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the step (A2) is characterized in that it consists of the following steps.

(A2a) 상기 제1 중합체를 메틸피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone, NMP)에 용해시키는 단계;(A2a) dissolving the first polymer in methylpyrrolidone (N-methyl-2-pyrrolidone, NMP);

(A2b) 상기 용해된 제1 중합체에 DMHDA를 첨가하여 혼합물을 제조하는 단계; 및(A2b) adding DMHDA to the dissolved first polymer to prepare a mixture; and

(A2c) 상기 혼합물에 제2 용매를 첨가하여 상기 [화학식 3]로 표시되는 제2 중합체를 수득하는 단계.(A2c) adding a second solvent to the mixture to obtain a second polymer represented by the above [Formula 3].

본 발명에 있어서, 상기 (A2) 단계의 제2 용매는 C1 내지 C4의 저가 알코올, 글리세린, 부틸렌 글리콜, 프로필렌글리콜, 메틸아세테이트, 에틸아세테이트, 아세톤, 벤젠, 헥산, 디에틸에테르, 클로로포름, 클로로벤젠 및 디클로로메탄으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 한다.In the present invention, the second solvent in step (A2) is a C1 to C4 low-cost alcohol, glycerin, butylene glycol, propylene glycol, methyl acetate, ethyl acetate, acetone, benzene, hexane, diethyl ether, chloroform, chloroform It is characterized in that at least one selected from the group consisting of benzene and dichloromethane.

또한, 본 발명은 상기 [화학식 1]로 표시되는 부분적 가교된 폴리페닐렌옥사이드를 기반으로 하는 중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 음이온 교환 멤브레인을 제공한다.In addition, the present invention provides an anion exchange membrane comprising a polymer based on partially cross-linked polyphenylene oxide represented by the above [Formula 1].

본 발명에 있어서, 상기 음이온 교환 멤브레인은 150 내지 350 ㎛의 두께를 갖는 투명 멤브레인인 것을 특징으로 한다.In the present invention, the anion exchange membrane is characterized in that it is a transparent membrane having a thickness of 150 to 350 ㎛.

또한, 본 발명은 하기의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 음이온 교환 멤브레인의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for producing an anion exchange membrane, characterized in that it comprises the following steps.

(B1) 하기 [화학식 1]로 표시되는 부분적 가교된 폴리페닐렌옥사이드(poly(phenylene oxide), PPO)를 기반으로 하는 중합체를 가열하는 단계;(B1) heating a polymer based on partially crosslinked polyphenylene oxide (poly(phenylene oxide), PPO) represented by the following [Formula 1];

(B2) 상기 가열된 중합체에 N,N,N′,N′-테트라메틸-1,6-헥세인디아민(N,N,N′,N′-tetramethyl-1,6-hexanediamine, TMHDA)에 첨가하여 멤브레인을 제조하는 단계; 및(B2) N,N,N′,N′-tetramethyl-1,6-hexanediamine (N,N,N′,N′-tetramethyl-1,6-hexanediamine, TMHDA) in the heated polymer adding to prepare a membrane; and

(B3) 상기 침지된 멤브레인을 세척 및 건조하는 단계;(B3) washing and drying the immersed membrane;

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112020027444816-pat00005
Figure 112020027444816-pat00005

상기 [화학식 1]에서,In the above [Formula 1],

상기 a 및 b는 1 내지 30이고,wherein a and b are 1 to 30,

상기 m, n 및 l은 1 내지 100이며,Wherein m, n and l are 1 to 100,

상기 x는 1 내지 100,000,000이다.wherein x is 1 to 100,000,000.

상기 부분적 가교된 폴리페닐렌옥사이드를 기반으로 하는 중합체, 이의 제조방법, 이를 이용한 음이온 교환 멤브레인 및 이를 이용한 음이온 교화 멤브레인의 제조방법에서 언급된 모든 사항은 모순되지 않는 한 동일하게 적용된다.All matters mentioned in the above partially crosslinked polyphenylene oxide-based polymer, its preparation method, an anion exchange membrane using the same, and an anion exchange membrane manufacturing method using the same apply unless contradictory.

본 발명의 부분적 가교된 PPO 기반의 중합체, 이의 제조방법 및 이를 이용한 음이온 교환 멤브레인은 디메틸헥사데실암모늄(dimethylhexadecylammonium) 그룹과 부분적으로 가교되어 우수한 수분 흡수성 및 팽윤 특성을 나타냄과 동시에 높은 이온 교환 용량을 가지며, 높은 전기전도도 및 낮은 전기 저항을 가져 미생물 연료 전지로 적용 가능하다.The partially cross-linked PPO-based polymer of the present invention, a method for preparing the same, and an anion exchange membrane using the same are partially cross-linked with a dimethylhexadecylammonium group to exhibit excellent water absorption and swelling properties, and at the same time have a high ion exchange capacity. , it has high electrical conductivity and low electrical resistance, so it can be applied as a microbial fuel cell.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description of the claims.

도 1은 본 발명에 따른 [화학식 2]로 표시되는 제1 중합체(실시예 1)의 1H NMR 스펙트럼이다.
도 2는 본 발명에 따른 [화학식 1]로 표시되는 PPO를 기반으로 하는 중합체(실시예 1)의 FT-IR 스펙트럼이다.
도 3은 본 발명에 따른 [화학식 1]로 표시되는 PPO를 기반으로 하는 중합체(실시예 1)의 X선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS) 스펙트럼이다.
도 4는 본 발명에 따른 [화학식 1]로 표시되는 PPO를 기반으로 하는 중합체(실시예 1)의 열 중량 분석(Thermogravimetric, TGA) 스펙트럼이다.
도 5는 본 발명에 따른 [화학식 1]로 표시되는 PPO를 기반으로 하는 중합체를 포함하는 음이온 교환 멤브레인(실시예 2)의 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscopy, SEM) 이미지이다.
도 6은 본 발명에 따른 [화학식 1]로 표시되는 PPO를 기반으로 하는 중합체를 포함하는 음이온 교환 멤브레인(실시예 2)의 원자 힘 현미경(Atomic Force Microscopy, AFM) 이미지이다.
도 7은 본 발명에 따른 [화학식 1]로 표시되는 PPO를 기반으로 하는 중합체를 포함하는 음이온 교환 멤브레인(실시예 2)의 싱크로트론 소각 X선 산란(Synchrotron Small-Angle X-ray Scattering, SAXS) 스펙트럼이다.
도 8은 본 발명에 따른 [화학식 1]로 표시되는 PPO를 기반으로 하는 중합체를 포함하는 음이온 교환 멤브레인(실시예 2)의 수분 흡수율을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따른 [화학식 1]로 표시되는 PPO를 기반으로 하는 중합체를 포함하는 음이온 교환 멤브레인(실시예 2)의 수분 팽윤율을 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명에 따른 [화학식 1]로 표시되는 PPO를 기반으로 하는 중합체를 포함하는 음이온 교환 멤브레인(실시예 2)를 사용한 미생물 연료 전지의 전력 밀도 vs. 전류 밀도 곡선을 나타낸 그래프이다.
1 is a 1 H NMR spectrum of a first polymer (Example 1) represented by [Formula 2] according to the present invention.
2 is an FT-IR spectrum of a polymer (Example 1) based on PPO represented by [Formula 1] according to the present invention.
3 is an X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) spectrum of a polymer (Example 1) based on PPO represented by [Formula 1] according to the present invention.
4 is a thermogravimetric (TGA) spectrum of a polymer (Example 1) based on PPO represented by [Formula 1] according to the present invention.
5 is a Scanning Electron Microscopy (SEM) image of an anion exchange membrane (Example 2) including a polymer based on PPO represented by [Formula 1] according to the present invention.
6 is an atomic force microscopy (AFM) image of an anion exchange membrane (Example 2) including a polymer based on PPO represented by [Formula 1] according to the present invention.
7 is a Synchrotron Small-Angle X-ray Scattering (SAXS) spectrum of an anion exchange membrane (Example 2) comprising a polymer based on PPO represented by [Formula 1] according to the present invention; to be.
8 is a graph showing the water absorption rate of an anion exchange membrane (Example 2) including a polymer based on PPO represented by [Formula 1] according to the present invention.
9 is a graph showing the water swelling rate of an anion exchange membrane (Example 2) including a polymer based on PPO represented by [Formula 1] according to the present invention.
10 is a power density vs. power density of a microbial fuel cell using an anion exchange membrane (Example 2) containing a polymer based on PPO represented by [Formula 1] according to the present invention. It is a graph showing the current density curve.

본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.The terms used in this specification have been selected as currently widely used general terms as possible while considering the functions in the present invention, which may vary depending on the intention or precedent of a person skilled in the art, the emergence of new technology, and the like. In addition, in a specific case, there is a term arbitrarily selected by the applicant, and in this case, the meaning will be described in detail in the description of the corresponding invention. Therefore, the term used in the present invention should be defined based on the meaning of the term and the overall content of the present invention, rather than the name of a simple term.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical and scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present application. does not

수치 범위는 상기 범위에 정의된 수치를 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 최대의 수치 제한은 낮은 수치 제한이 명확히 쓰여져 있는 것처럼 모든 더 낮은 수치 제한을 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 최소의 수치 제한은 더 높은 수치 제한이 명확히 쓰여져 있는 것처럼 모든 더 높은 수치 제한을 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 수치 제한은 더 좁은 수치 제한이 명확히 쓰여져 있는 것처럼, 더 넓은 수치 범위 내의 더 좋은 모든 수치 범위를 포함할 것이다.Numerical ranges are inclusive of the values defined in that range. Every maximum numerical limitation given throughout this specification includes all lower numerical limitations as if the lower numerical limitation were expressly written. Every minimum numerical limitation given throughout this specification includes all higher numerical limitations as if the higher numerical limitation were expressly written. Any numerical limitation given throughout this specification shall include all numerical ranges within the broader numerical range, as if the narrower numerical limitation were expressly written.

이하, 본 발명의 실시예를 상세히 기술하나, 하기 실시예에 의해 본 발명이 한정되지 아니함은 자명하다.Hereinafter, examples of the present invention will be described in detail, but it is obvious that the present invention is not limited by the following examples.

PPO를 기반으로 하는 중합체Polymers based on PPO

본 발명은 하기 [화학식 1]로 표시되는 것을 특징으로 하는 부분적 가교된 폴리페닐렌옥사이드(poly(phenylene oxide), PPO)를 기반으로 하는 중합체를 제공한다.The present invention provides a polymer based on partially cross-linked polyphenylene oxide (poly(phenylene oxide), PPO), characterized in that represented by the following [Formula 1].

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112020027444816-pat00006
Figure 112020027444816-pat00006

상기 [화학식 1]에서 상기 a 및 b는 1 내지 30일 수 있고, 바람직하게 상기 [화학식 1]에서 상기 a는 1 내지 25이고, 상기 b는 1 내지 10일 수 있다.In [Formula 1], a and b may be 1 to 30, preferably, in [Formula 1], a is 1 to 25, and b may be 1 to 10.

상기 [화학식 1]에서 상기 m, n 및 l은 1 내지 100일 수 있고, 바람직하게 상기 m, n 및 l은 10 내지 80일 수 있으며, 가장 바람직하게 상기 [화학식 1]에서 상기 m 및 m은 20 내지 60이고, 상기 l은 1 내지 40일 수 있다.In [Formula 1], m, n and l may be 1 to 100, preferably, m, n and l may be 10 to 80, and most preferably, in [Formula 1], m and m are 20 to 60, and l may be 1 to 40.

상기 [화학식 1]에서 상기 x는 1 내지 100,000,000일 수 있다.In [Formula 1], x may be 1 to 100,000,000.

PPO를 기반으로 하는 중합체의 제조방법Method for the preparation of polymers based on PPO

본 발명은 하기의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 부분적 가교된 폴리페닐렌옥사이드(poly(phenylene oxide), PPO)를 기반으로 하는 중합체의 제조방법을 제공한다.The present invention provides a method for preparing a polymer based on partially crosslinked poly(phenylene oxide) (PPO), characterized in that it comprises the following steps.

(A1) 폴리(2,6-디메틸페닐렌 옥사이드)(Poly(2,6-dimethylphenylene oxide))에 N-브로모숙신이미드(N-bromosuccinimide, NBS) 및 2,2′-아조비스(2-메틸프로피오니트릴)(2,2′-azobis(2-methylpropionitrile), AIBN)을 첨가하여 하기 [화학식 2]로 표시되는 제1 중합체를 제조하는 단계;(A1) N-bromosuccinimide (NBS) and 2,2′-azobis (2) on poly(2,6-dimethylphenylene oxide) -Methylpropionitrile) (2,2'-azobis(2-methylpropionitrile), AIBN) was added to prepare a first polymer represented by the following [Formula 2];

(A2) 상기 제1 중합체에 N,N-디메틸-1-1헥사데실아민(N,N-dimethyl-1-hexadecylamine, DMHDA)을 첨가하여 하기 [화학식 3]으로 표시되는 제2 중합체를 제조하는 단계; 및(A2) preparing a second polymer represented by the following [Formula 3] by adding N,N-dimethyl-1-hexadecylamine (DMHDA) to the first polymer step; and

(A3) 상기 제2 중합체에 N,N,N′,N′-테트라메틸-1,6-헥세인디아민(N,N,N′,N′-tetramethyl-1,6-hexanediamine, TMHDA)를 첨가하여 하기 [화학식 1]로 표시되는 부분적 가교된 PPO를 기반으로 하는 중합체를 제조하는 단계.(A3) N,N,N',N'-tetramethyl-1,6-hexanediamine (N,N,N',N'-tetramethyl-1,6-hexanediamine, TMHDA) to the second polymer Preparing a polymer based on partially crosslinked PPO represented by the following [Formula 1] by adding.

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112020027444816-pat00007
Figure 112020027444816-pat00007

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112020027444816-pat00008
Figure 112020027444816-pat00008

[화학식 3][Formula 3]

Figure 112020027444816-pat00009
Figure 112020027444816-pat00009

상기 [화학식 1]에서 상기 a 및 b는 1 내지 30이고, 상기 m, n 및 l은 1 내지 100이이며, 상기 x는 1 내지 100,000,000이다.In [Formula 1], a and b are 1 to 30, m, n and l are 1 to 100, and x is 1 to 100,000,000.

상기 언급된 [화학식 1]로 표시되는 PPO를 기반으로 하는 중합체는 앞서 언급한 바와 동일하다.The polymer based on PPO represented by the above-mentioned [Formula 1] is the same as mentioned above.

상기 (A1) 단계는 상기 [화학식 2]로 표시되는 제1 중합체를 제조하는 단계로서, 하기의 단계로 구성될 수 있다.The step (A1) is a step of preparing the first polymer represented by the [Formula 2], and may consist of the following steps.

(A1a) 폴리(2,6-디메틸페닐렌 옥사이드)를 제1 용매에 용해시키는 단계;(A1a) dissolving poly(2,6-dimethylphenylene oxide) in a first solvent;

(A1b) 상기 용해된 폴리(2,6-디메틸페닐렌 옥사이드)에 NBS 및 AIBN을 첨가하여 혼합물을 제조하는 단계; 및(A1b) preparing a mixture by adding NBS and AIBN to the dissolved poly(2,6-dimethylphenylene oxide); and

(A1c) 상기 혼합물에 제1 용매를 첨가하여 침전물로 상기 [화학식 2]로 표시되는 제1 중합체를 수득하는 단계.(A1c) adding a first solvent to the mixture to obtain a first polymer represented by the above [Formula 2] as a precipitate.

보다 구체적으로, 상기 (A1a) 단계의 제1 용매는 C1 내지 C4의 저가 알코올, 글리세린, 부틸렌 글리콜, 프로필렌글리콜, 메틸아세테이트, 에틸아세테이트, 아세톤, 벤젠, 헥산, 디에틸에테르, 클로로포름, 클로로벤젠 및 디클로로메탄으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있으며, 바람직하게는 벤젠, 헥산, 디에틸에테르, 클로로포름, 클로로벤젠 및 디클로로메탄으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있고, 가장 바람직하게는 클로로포름, 클로로벤젠 및 디클로로메탄으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.More specifically, the first solvent in step (A1a) is a C1 to C4 low-cost alcohol, glycerin, butylene glycol, propylene glycol, methyl acetate, ethyl acetate, acetone, benzene, hexane, diethyl ether, chloroform, chlorobenzene And it may be at least one selected from the group consisting of dichloromethane, preferably at least one selected from the group consisting of benzene, hexane, diethyl ether, chloroform, chlorobenzene and dichloromethane, most preferably chloroform, chloro It may be at least one selected from the group consisting of benzene and dichloromethane.

상기 (A1b) 단계에서 상기 NBS 및 AIBN는 1 내지 20 : 1의 몰비(mmol ratio)로 혼합되어 첨가되는 것일 수 있으며, 바람직하게는 1 내지 15 : 1의 몰비(mmol ratio)로 혼합되어 첨가될 수 있다.In step (A1b), the NBS and AIBN may be mixed and added at a molar ratio of 1 to 20: 1, preferably 1 to 15: 1 to be mixed and added at a molar ratio of 1 can

상기 (A1b) 단계 수행 후, 상기 혼합물을 55 내지 95 ℃에서 1 내지 12시간 동안 교반하는 단계; 및 상기 혼합물을 실온으로 냉각시키고 는 단계; 및 상기 혼합물을 클로로포름, 클로로벤젠 및 디클로로메탄으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 용매로 희석시키는 단계를 추가적으로 포함할 수 있다.After performing step (A1b), stirring the mixture at 55 to 95 °C for 1 to 12 hours; and cooling the mixture to room temperature; and diluting the mixture with one or more solvents selected from the group consisting of chloroform, chlorobenzene and dichloromethane.

상기 (A1c) 단계는 상기 혼합물에 제1 용매를 첨가하여 침전물로 상기 [화학식 2]로 표시되는 제1 중합체를 수득하는 단계일 수 있다.The step (A1c) may be a step of obtaining the first polymer represented by the [Formula 2] as a precipitate by adding a first solvent to the mixture.

상기 (A1c) 단계의 제1 용매는 C1 내지 C4의 저가 알코올, 글리세린, 부틸렌 글리콜, 프로필렌글리콜, 메틸아세테이트, 에틸아세테이트, 아세톤, 벤젠, 헥산, 디에틸에테르, 클로로포름, 클로로벤젠 및 디클로로메탄으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있으며, 바람직하게는 1 내지 C4의 저가 알코올, 글리세린, 부틸렌 글리콜, 프로필렌글리콜, 메틸아세테이트, 에틸아세테이트 및 아세톤으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있고, 가장 바람직하게는 1 내지 C4의 저가 알코올, 메틸아세테이트, 에틸아세테이트 및 아세톤으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.The first solvent in step (A1c) is a C1 to C4 low-cost alcohol, glycerin, butylene glycol, propylene glycol, methyl acetate, ethyl acetate, acetone, benzene, hexane, diethyl ether, chloroform, chlorobenzene and dichloromethane. It may be one or more selected from the group consisting of, preferably 1 to C4 low-cost alcohol, glycerin, butylene glycol, propylene glycol, methyl acetate, ethyl acetate and acetone may be one or more selected from the group consisting of, most preferably may be at least one selected from the group consisting of 1 to C4 low-cost alcohols, methyl acetate, ethyl acetate, and acetone.

상기 (A1c) 단계에 수득한 침전물은 1 내지 C4의 저가 알코올로 세척하고, 건조하여 상기 [화학식 2]로 표시되는 제1 중합체를 제조할 수 있다.The precipitate obtained in step (A1c) may be washed with a low-cost alcohol of 1 to C4 and dried to prepare the first polymer represented by the above [Formula 2].

상기 1 내지 C4의 저가 알코올은 메탄올, 에탄올, 이소프로필알코올 또는 부탄올일 수 있다.The low-cost alcohol of 1 to C4 may be methanol, ethanol, isopropyl alcohol, or butanol.

상기 (A2) 단계는 상기 [화학식 3]로 표시되는 제2 중합체를 제조하는 단계로서, 하기의 단계로 구성될 수 있다.The step (A2) is a step of preparing the second polymer represented by the [Formula 3], and may consist of the following steps.

(A2a) 상기 제1 중합체를 메틸피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone, NMP)에 용해시키는 단계;(A2a) dissolving the first polymer in methylpyrrolidone (N-methyl-2-pyrrolidone, NMP);

(A2b) 상기 용해된 제1 중합체에 DMHDA를 첨가하여 혼합물을 제조하는 단계; 및(A2b) adding DMHDA to the dissolved first polymer to prepare a mixture; and

(A2c) 상기 혼합물에 제2 용매를 첨가하여 상기 [화학식 3]로 표시되는 제2 중합체를 수득하는 단계.(A2c) adding a second solvent to the mixture to obtain a second polymer represented by the above [Formula 3].

상기 (A2b) 단계에 첨가되는 DMHDA는 상기 [화학식 2]로 표시되는 제1 중합체의 Br(브롬)과 작용화 될 수 있다.The DMHDA added in step (A2b) may be functionalized with Br (bromine) of the first polymer represented by Formula 2 above.

상기 (A2b) 단계 수행 후, 교반하는 단계를 추가적으로 포함할 수 있다. 상기 교반은 65 내지 95 ℃에서 1 내지 6시간 동안 1차 교반하는 단계; 및 상기 1차 교반 후, 실온에서 12 내지 36시간 동안 2차 교반하는 단계;로 수행될 수 있다.After performing the step (A2b), the step of stirring may be additionally included. The stirring is performed by primary stirring at 65 to 95 °C for 1 to 6 hours; and after the first stirring, the second stirring at room temperature for 12 to 36 hours; may be performed.

상기 (A2c) 단계의 제2 용매는 C1 내지 C4의 저가 알코올, 글리세린, 부틸렌 글리콜, 프로필렌글리콜, 메틸아세테이트, 에틸아세테이트, 아세톤, 벤젠, 헥산, 디에틸에테르, 클로로포름, 클로로벤젠 및 디클로로메탄으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있고, 바람직하게는 C1 내지 C4의 저가 알코올, 글리세린, 부틸렌 글리콜, 프로필렌글리콜, 메틸아세테이트, 에틸아세테이트 및 아세톤으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있으며, 가장 바람직하게는 메틸아세테이트, 에틸아세테이트 및 아세톤으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.The second solvent in step (A2c) is a C1 to C4 low-cost alcohol, glycerin, butylene glycol, propylene glycol, methyl acetate, ethyl acetate, acetone, benzene, hexane, diethyl ether, chloroform, chlorobenzene and dichloromethane. It may be at least one selected from the group consisting of, preferably at least one selected from the group consisting of C1 to C4 low-cost alcohol, glycerin, butylene glycol, propylene glycol, methyl acetate, ethyl acetate and acetone, most preferably may be at least one selected from the group consisting of methyl acetate, ethyl acetate and acetone.

상기 (A2c) 단계에 수득된 침전물은 헥산으로 세척하고, 건조하여 상기 [화학식 3]으로 표시되는 제2 중합체를 제조할 수 있다.The precipitate obtained in step (A2c) may be washed with hexane and dried to prepare a second polymer represented by the above [Formula 3].

상기 (A2) 단계는 멘슈킨 반응(Menshutkin reaction)에 의해 수행될 수 있다.Step (A2) may be performed by a Menshutkin reaction.

상기 멘슈킨 반응은 하기 반응식과 같이 알킬 할라이드와의 반응에 의해 3차 아민을 4차 암모늄염으로 전환시키는 반응을 의미한다. 본 발명의 경우, 상기 브롬을 포함하는 제1 중합체와 3차 아민인 DMHDA를 반응함으로써 4차 아민 형태인 제2 중합체가 제조되는 것이다.The Menshkin reaction refers to a reaction in which a tertiary amine is converted into a quaternary ammonium salt by reaction with an alkyl halide as shown in the following reaction scheme. In the present invention, the second polymer in the form of a quaternary amine is prepared by reacting the first polymer containing bromine with DMHDA, which is a tertiary amine.

[멘슈킨 반응(Menshutkin reaction)의 일반적인 반응식][General reaction formula of Menshutkin reaction]

Figure 112020027444816-pat00010
Figure 112020027444816-pat00010

상기 (A3) 단계는 상기 [화학식 1]로 표시되는 부분적 가교된 PPO를 기반으로 하는 중합체를 제조하는 단계일 수 있다.The step (A3) may be a step of preparing a polymer based on the partially cross-linked PPO represented by the [Formula 1].

보다 구체적으로, 상기 제2 중합체에 N,N,N′,N′-테트라메틸-1,6-헥세인디아민(N,N,N′,N′-tetramethyl-1,6-hexanediamine, TMHDA)를 첨가하여 상기 제2 중합체를 부분적으로 가교하여 상기 [화학식 1]로 표시되는 중합체를 제조하는 단계;일 수 있다.More specifically, N,N,N',N'-tetramethyl-1,6-hexanediamine (N,N,N',N'-tetramethyl-1,6-hexanediamine, TMHDA) in the second polymer and partially crosslinking the second polymer to prepare a polymer represented by the [Formula 1]; may be.

PPO를 기반으로 하는 중합체를 포함하는 음이온 교환 멤브레인(AEM) 및 이의 제조방법Anion exchange membrane (AEM) comprising polymer based on PPO and method for preparing same

본 발명은 하기 [화학식 1]로 표시되는 부분적 가교된 폴리페닐렌옥사이드(poly(phenylene oxide), PPO)를 기반으로 하는 중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 음이온 교환 멤브레인(Anion Exchange Membrane, AEM)을 제공한다.The present invention provides an anion exchange membrane (Anion Exchange Membrane, AEM) comprising a polymer based on partially crosslinked polyphenylene oxide (PPO) represented by the following [Formula 1] to provide.

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112020027444816-pat00011
Figure 112020027444816-pat00011

상기 [화학식 1]에서,In the above [Formula 1],

상기 a 및 b는 1 내지 30이고,wherein a and b are 1 to 30,

상기 m, n 및 l은 1 내지 100이며,Wherein m, n and l are 1 to 100,

상기 x는 1 내지 100,000,000이다.wherein x is 1 to 100,000,000.

상기 언급된 [화학식 1]로 표시되는 PPO를 기반으로 하는 중합체 및 이의 제조방법은 앞서 언급한 바와 동일하다.A polymer based on PPO represented by the above-mentioned [Formula 1] and a method for preparing the same are the same as described above.

상기 음이온 교환 멤브레인은 150 내지 350 ㎛의 두께를 갖는 투명 멤브레인일 수 있다.The anion exchange membrane may be a transparent membrane having a thickness of 150 to 350 μm.

또한, 본 발명은 하기의 단계를 포함하는 음이온 교환 멤브레인의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for manufacturing an anion exchange membrane comprising the following steps.

(B1) 하기 [화학식 1]로 표시되는 부분적 가교된 폴리페닐렌옥사이드(poly(phenylene oxide), PPO)를 기반으로 하는 중합체를 가열하는 단계;(B1) heating a polymer based on partially crosslinked polyphenylene oxide (poly(phenylene oxide), PPO) represented by the following [Formula 1];

(B2) 상기 가열된 중합체에 N,N,N′,N′-테트라메틸-1,6-헥세인디아민(N,N,N′,N′-tetramethyl-1,6-hexanediamine, TMHDA)에 첨가하여 멤브레인을 제조하는 단계; 및(B2) N,N,N′,N′-tetramethyl-1,6-hexanediamine (N,N,N′,N′-tetramethyl-1,6-hexanediamine, TMHDA) in the heated polymer adding to prepare a membrane; and

(B3) 상기 침지된 멤브레인을 세척 및 건조하는 단계.(B3) washing and drying the immersed membrane.

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112020027444816-pat00012
Figure 112020027444816-pat00012

상기 [화학식 1]에서,In the above [Formula 1],

상기 a 및 b는 1 내지 30이고,wherein a and b are 1 to 30,

상기 m, n 및 l은 1 내지 100이며,Wherein m, n and l are 1 to 100,

상기 x는 1 내지 100,000,000이다.wherein x is 1 to 100,000,000.

상기 언급된 [화학식 1]로 표시되는 PPO를 기반으로 하는 중합체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 음이온 교화 멤브레인은 앞서 언급한 바와 동일하다.A polymer based on PPO represented by the above-mentioned [Formula 1], a method for preparing the same, and an anion exchange membrane comprising the same are the same as described above.

상기 (B1) 단계는 상기 [화학식 1]로 표시되는 부분적 가교된 PPO를 기반으로 하는 중합체를 40 내지 60 ℃에서 가열하여 상기 [화학식 1]로 표시되는 PPO를 기반으로 하는 중합체 내에 존재하는 용매를 제거하는 단계;일 수 있다. In step (B1), the polymer based on the partially crosslinked PPO represented by the [Formula 1] is heated at 40 to 60 ° C. to remove the solvent present in the polymer based on the PPO represented by the [Formula 1]. removing; may be.

상기 (B2) 단계는 상기 중합체에 과량의 TMHDA에 첨가하여 멤브레인을 제조하는 단계;로서, 상기 침지는 12 내지 60 시간 동안 수행될 수 있다.Step (B2) is a step of preparing a membrane by adding an excess of TMHDA to the polymer; the immersion may be performed for 12 to 60 hours.

상기 (B3) 단계는 최종적으로 음이온 교환 멤브레인을 제조하는 단계로서, 상기 멤브레인을 세척 및 건조하는 단계일 수 있다.Step (B3) is a step of finally preparing an anion exchange membrane, and may be a step of washing and drying the membrane.

보다 구체적으로, 상기 (B3) 단계의 세척은 C1 내지 C4의 저가 알코올, 글리세린, 부틸렌 글리콜, 프로필렌글리콜, 메틸아세테이트, 에틸아세테이트, 아세톤, 벤젠, 헥산, 디에틸에테르, 클로로포름, 클로로벤젠 및 디클로로메탄으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 용매로 수행될 수 있다. 바람직하게 상기 용매는 C1 내지 C4의 저가 알코올, 글리세린, 부틸렌 글리콜, 프로필렌글리콜, 메틸아세테이트, 에틸아세테이트 및 아세톤으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있으며, 가장 바람직하게는 메틸아세테이트, 에틸아세테이트 및 아세톤으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.More specifically, the washing in step (B3) is a C1 to C4 low-cost alcohol, glycerin, butylene glycol, propylene glycol, methyl acetate, ethyl acetate, acetone, benzene, hexane, diethyl ether, chloroform, chlorobenzene and dichloro It may be carried out with one or more solvents selected from the group consisting of methane. Preferably, the solvent may be at least one selected from the group consisting of C1 to C4 low alcohol alcohol, glycerin, butylene glycol, propylene glycol, methyl acetate, ethyl acetate and acetone, most preferably methyl acetate, ethyl acetate and acetone. It may be at least one selected from the group consisting of.

또한, 상기 (B3) 단계의 건조는 50 내지 70 ℃에서 12 내지 60 시간 동안 수행될 수 있으며, 진공 하에 건조 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In addition, the drying in step (B3) may be performed at 50 to 70 °C for 12 to 60 hours, and may be dried under vacuum, but is not limited thereto.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해 질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하세 알려 주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Advantages and features of the present invention, and methods for achieving them, will become apparent with reference to the embodiments described below in detail. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various different forms, and only the embodiments allow the disclosure of the present invention to be complete, and common knowledge in the technical field to which the present invention pertains It is provided to fully inform those who have the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims.

실시예 1. PPO를 기반으로 하는 중합체Example 1. Polymers based on PPO

1.1 [화학식 2]로 표시되는 제1 중합체 제조1.1 Preparation of the first polymer represented by Formula 2

Figure 112020027444816-pat00013
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폴리페닐렌옥사이드(poly(phenylene oxide), PPO) 분말(12 g, 100 mmol)을 3구 둥근 바닥 플라스크(three necked round-bottom flask)에서 클로로벤젠(100 ml)에 용해시키고, NBS(30.5 g, 170 mmol) 및 AIBN(2.8 g, 17 mmol)을 상기 플라스크에 첨가하여 혼합물을 제조한 다음, 응축기 및 질소를 장착하였다. 상기 혼합물을 85 ℃에서 4 시간 동안 질소 환경 하에서 교반하고, 상기 혼합물을 실온으로 냉각시킨 후, 클로로포름(chloroform, CHCl3)으로 희석시켰다. 다음으로, 상기 혼합물에 과량을 에탄올을 천천히 첨가하여 침전물을 생성하고, 상기 침전물을 여과하였다. 상기 침전물을 메탄올을 이용하여 3번 세척하고, 50 ℃에서 진공 건조 후, 상기 [화학식 2]로 표시되는 제1 중합체를 제조하였다.Polyphenylene oxide (poly(phenylene oxide), PPO) powder (12 g, 100 mmol) was dissolved in chlorobenzene (100 ml) in a three necked round-bottom flask, NBS (30.5 g) , 170 mmol) and AIBN (2.8 g, 17 mmol) were added to the flask to make a mixture, then equipped with a condenser and nitrogen. The mixture was stirred at 85° C. for 4 hours under a nitrogen environment, and the mixture was cooled to room temperature and then diluted with chloroform (CHCl 3 ). Next, an excess of ethanol was slowly added to the mixture to form a precipitate, and the precipitate was filtered. The precipitate was washed three times with methanol, and after vacuum drying at 50° C., a first polymer represented by the above [Formula 2] was prepared.

1.2 [화학식 3]으로 표시되는 제2 중합체 제조1.2 Preparation of the second polymer represented by Formula 3

Figure 112020027444816-pat00014
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상기 제2 중합체는 멘슈킨 반응(Menshutkin reaction)에 의해 수행될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 합성된 [화학식 2]로 표시되는 제1 중합체(3 g, 17 mmol)를 NMP(30 ml)에 용해시키고, DMHDA(7.22 g, 26 mmol)을 첨가하였다. 상기 DMHDA 첨가 후, 85 ℃에서 4시간 동안 질소 환경 하에서 1차 교반하고, 실온에서 24시간 동안 2차 교반하였다. 상기 혼합물을 에틸 아세테이트(ethyl acetate, EA)를 첨가하여 상기 [화학식 3]으로 표시되는 제2 중합체를 제조하였다.The second polymer may be performed by a Menshutkin reaction. More specifically, the first polymer (3 g, 17 mmol) of the synthesized [Formula 2] was dissolved in NMP (30 ml), and DMHDA (7.22 g, 26 mmol) was added thereto. After the addition of DMHDA, the mixture was first stirred at 85° C. under a nitrogen environment for 4 hours, and secondarily stirred at room temperature for 24 hours. To the mixture, ethyl acetate (EA) was added to prepare a second polymer represented by [Formula 3].

1.3 [화학식 1]로 표시되는 PPO를 기반으로 하는 중합체 제조1.3 Preparation of a polymer based on PPO represented by [Formula 1]

Figure 112020027444816-pat00015
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상기 합성된 [화학식 3]으로 표시되는 제2 중합체에 TMHDA (74 mg, 0.4 mmol)를 첨가하고, 교반하여 본 발명에 따른 상기 [화학식 1]로 표시되는 PPO를 기반으로 하는 중합체 제조하였다.TMHDA (74 mg, 0.4 mmol) was added to the synthesized second polymer represented by [Formula 3] and stirred to prepare a PPO-based polymer represented by [Formula 1] according to the present invention.

실시예 2. PPO를 기반으로 하는 중합체를 포함하는 음이온 교환 멤브레인Example 2. Anion Exchange Membrane Comprising Polymer Based on PPO

상기 실시예 1에서 제조된 상기 [화학식 1]로 표시되는 PPO를 기반으로 하는 중합체을 페트리 디쉬(petri dish)에 붓고, 55 ℃에서 24 시간 동안 가열하였다. 그리고, 상기 페트티 디쉬에 과량의 TMHDA을 첨가하여 2일 동안 방치하여 멤브레인을 제조하였다. 상기 과량의 TMHDA에서 상기 멤브레인을 건져내고, 에틸 아세테이트(ethyl acatate, EA)로 세척하고, 60 ℃에서 24 시간 동안 진공 건조하여 200-300 ㎛ 두께의 투명한 PPO를 기반으로 하는 중합체를 포함하는 음이온 교환 멤브레인을 제조하였다.The polymer based on the PPO represented by [Formula 1] prepared in Example 1 was poured into a petri dish, and heated at 55° C. for 24 hours. Then, an excess of TMHDA was added to the pet tea dish and left for 2 days to prepare a membrane. The membrane was removed from the excess TMHDA, washed with ethyl acetate (EA), and vacuum dried at 60° C. for 24 h. An anion exchange membrane containing a transparent PPO-based polymer with a thickness of 200-300 μm. was prepared.

실험예 1. Experimental Example 1. 1One H NMR 분석H NMR analysis

상기 실시예 1에서 제조된 [화학식 2]로 표시되는 제1 중합체가 제조되었음을 확인하기 위해 1H NMR 스펙트럼 분석을 수행하였다. 1 H NMR spectrum analysis was performed to confirm that the first polymer represented by [Formula 2] prepared in Example 1 was prepared.

1H NMR 스펙트럼은 CDCl3(δ(1H)=7.26ppm) 및 DMSO-d6(δ(1H)=2.50ppm; at 40oC)에서 Varian Unity Inova 500 spectrometer(400 MHz)과 Agilent Superconducting FT-NMR Spectrometer(500 MHz)를 사용하여 측정하였으며, 그 결과를 도 1에 나타내었다. 1 H NMR spectra were obtained from CDCl 3 (δ(1H)=7.26 ppm) and DMSO-d 6 (δ(1H)=2.50 ppm; at 40 o C) with a Varian Unity Inova 500 spectrometer (400 MHz) and Agilent Superconducting FT- It was measured using an NMR spectrometer (500 MHz), and the results are shown in FIG. 1 .

도 1은 [화학식 2]로 표시되는 제1 중합체의 1H NMR 스펙트럼으로, ~ 4.3 ppm의 피크는 PPO의 벤질 위치에서 약 60.5%의 선택적 브롬화에 해당하는 을 확인할 수 있다. 1 is a 1 H NMR spectrum of a first polymer represented by [Formula 2], it can be confirmed that a peak of ~ 4.3 ppm corresponds to about 60.5% of selective bromination at the benzyl position of PPO.

실험예 2. FT-IR 분석Experimental Example 2. FT-IR analysis

상기 실시예 1에서 제조된 [화학식 1]로 표시되는 PPO를 기반으로 하는 중합체가 제조되었음을 확인하기 위해 FT-IR 분석을 수행하였고, 본 분석에 사용한 FT-IR은 Nicole 6700 FT-IR spectrophotometer을 사용하여 측정하였으며, 그 결과를 도 2에 나타내었다.FT-IR analysis was performed to confirm that the polymer based on the PPO represented by [Formula 1] prepared in Example 1 was prepared, and the FT-IR used for this analysis was a Nicole 6700 FT-IR spectrophotometer. was measured, and the results are shown in FIG. 2 .

도 2를 참조하면, 4차 암모늄 그룹 또는 아민기에 상응하는 1646 cm-1에서 C-N 적외선 진동 흡수 피크(C-N infrared vibration absorption peak)를 나타나는 것을 확인할 수 있다. 또한, 1187 cm-1 및 1303 cm-1에서의 피크는 아릴 에테르 연결에서 대칭 및 비대칭 C-O 스트레칭(stretching)에 기인 한 반면, 1600 cm-1 및 1470 cm-1에서의 피크는 방향족 C-C 스트레칭(stretching)으로 인해 나타났고, 2870-2940 cm-1의 피크는 -CH2- 및 -CH3 스트레칭(stretching) 때문에 나타난 것을 확인할 수 있다. 게다가, 상기 FT-IR 스펙트럼에서 ~3300 cm-1의 광대역은 [화학식 1]로 표시되는 중합체의 친수성으로 인해 흡수 된 수분으로부터의 O-H 스트레칭(stretching) 진동에 기인한 것이라 할 수 있다. 따라서, 상기 FT-IR 스펙트럼에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 [화학식 1]로 표시되는 PPO 기반으로 하는 중합체가 성공적인 합성된 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 2 , it can be confirmed that a CN infrared vibration absorption peak appears at 1646 cm -1 corresponding to a quaternary ammonium group or an amine group. Also, the peaks at 1187 cm -1 and 1303 cm -1 are due to symmetric and asymmetric CO stretching in the aryl ether linkage, whereas the peaks at 1600 cm -1 and 1470 cm -1 are aromatic CC stretching. ), and the peak of 2870-2940 cm -1 can be confirmed to appear due to -CH 2 - and -CH 3 stretching. In addition, the broadband of ~3300 cm -1 in the FT-IR spectrum can be attributed to the OH stretching vibration from absorbed moisture due to the hydrophilicity of the polymer represented by [Formula 1]. Therefore, as can be seen from the FT-IR spectrum, it can be confirmed that the PPO-based polymer represented by [Formula 1] according to the present invention was successfully synthesized.

실험예 3. X선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS) 분석Experimental Example 3. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis

상기 실시예 1에서 제조된 [화학식 1]로 표시되는 PPO를 기반으로 하는 중합체의 광전자 운동에너지를 측정함으로써 화학결합이 이루어진 가교 정도를 확인하기 위해 X선 광전자 스펙트럼 분석을 수행하였으며, 본 분석에 사용한 X선 광전자 분광법(XPS)은 AR-XPS 시스템(Theta probe)을 사용하여 측정하였으며, 그 결과를 도 3에 나타내었다.X-ray photoelectron spectrum analysis was performed to confirm the degree of crosslinking in which chemical bonding was made by measuring the photoelectron kinetic energy of the polymer based on the PPO represented by [Formula 1] prepared in Example 1, and used in this analysis X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) was measured using an AR-XPS system (Theta probe), and the results are shown in FIG. 3 .

도 3을 참조하면, 높은 BE(Binding energy, eV) 피크(398.6eV)는 4차(quartenary) 암모늄 그룹에서 N의 1s-전자에 해당하는 반면, 낮은 BE 피크(396.3eV)는 3차(tertiary) 아민 그룹에서 존재하는 N의 1s-전자에 해당하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 4차 암모늄 그룹의 피크 면적 및 강도는 가교도가 증가함에 따라 증가하는 것으로, 이는 TMHDA가 보다 높은 수준의 가교를 위한 가교제로서 효과적으로 이용되었으며, 본 발명에 따른 [화학식 1]로 표시되는 PPO 기반으로 하는 중합체가 성공적인 합성된 것을 확인할 수 있다.3, the high BE (Binding energy, eV) peak (398.6 eV) corresponds to the 1s-electron of N in the quaternary ammonium group, while the low BE peak (396.3 eV) is tertiary ) It can be confirmed that it corresponds to the 1s-electron of N present in the amine group. In addition, the peak area and strength of the quaternary ammonium group increase as the degree of crosslinking increases, which is why TMHDA was effectively used as a crosslinking agent for a higher level of crosslinking, and the PPO-based compound represented by [Formula 1] according to the present invention It can be confirmed that the polymer was successfully synthesized.

실험예 4. 열 중량 분석(Thermogravimetric, TGA)Experimental Example 4. Thermogravimetric (TGA)

상기 실시예 1에서 제조된 [화학식 1]로 표시되는 PPO를 기반으로 하는 중합체의 열 안정성을 확인하기 위해 열 중량 분석(TGA)를 측정하였다.Thermogravimetric analysis (TGA) was measured to confirm the thermal stability of the polymer based on the PPO represented by [Formula 1] prepared in Example 1 above.

열 중량 분석(Thermogravimetric, TGA)은 분해 온도를 확인하기 위해 TGA Q5000(TA Instruments)을 이용하여 질소 하에서 10 °C/min의 가열 속도로 측정하였으며, 샘플을 진공 하에서 100 ℃에서 12 시간 이상 예열하여 수분을 제거하였고, 그 결과를 도 4에 나타내었다.Thermogravimetric (TGA) was measured at a heating rate of 10 °C/min under nitrogen using a TGA Q5000 (TA Instruments) to check the decomposition temperature, and the sample was preheated at 100 °C under vacuum for 12 hours or more. Moisture was removed, and the results are shown in FIG. 4 .

도 4를 참조하면, 200-370 ℃ 범위의 중량 손실은 4차 암모늄 그룹의 점진적인 분해로 확인되며, 370 ℃에서 시작하는 분해는 본 발명에 따른 중합체(화학식 1)의 골격 분해가 이어지는 것으로 확인된다. 이러한 결과는 본 발명에 따른 [화학식 1]로 표시되는 PPO를 기반으로 하는 중합체가 다양한 전기 화학적 적용 요건을 만족시키는 높은 열 안정성을 나타내는 것이라 할 수 있다.4, it is confirmed that the weight loss in the range of 200-370 °C is a gradual decomposition of the quaternary ammonium group, and the decomposition starting at 370 °C is followed by decomposition of the backbone of the polymer (Formula 1) according to the present invention. . These results can be said that the polymer based on PPO represented by [Formula 1] according to the present invention exhibits high thermal stability that satisfies various electrochemical application requirements.

실험예 5. 모폴로지(morphology) 분석Experimental Example 5. Morphology analysis

상기 실시예 2에서 제조된 [화학식 1]로 표시되는 PPO를 기반으로 하는 중합체를 포함하는 음이온 교환 멤브레인의 모폴로지를 확인하기 위해 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscopy, SEM)을 측정하였다. Scanning Electron Microscopy (SEM) was measured to confirm the morphology of the anion exchange membrane including the polymer based on PPO represented by [Formula 1] prepared in Example 2 above.

본 분석에 사용한 주사 전자 현미경(SEM)은 10 kV의 가속 전압을 갖는 필립스 XL 30 FEG 현미경(Philips XL 30 FEG microscope)을 사용하였고, 그 결과를 도 5에 나타내었다. A Philips XL 30 FEG microscope having an acceleration voltage of 10 kV was used as the scanning electron microscope (SEM) used for this analysis, and the results are shown in FIG. 5 .

도 5를 참조하면, 멤브레인의 표면(a & b)은 매끄럽고 균질한 반면, 가교에 의한 강한 결합에 의해 단면적(c & d)에는 크랙이 발생한 것을 확인할 수 있다. 그러나, 거친 표면은 비교적 매끄러운 얇은 층 사이에 끼워져 있음을 알 수 있다. 상기와 같은 결과를 통해, 본 발명에 따른 음이온 교환 멤브레인은 향상된 안정성을 제공 할 수 있음을 시사한다 할 수 있다.Referring to FIG. 5 , it can be seen that, while the surface (a & b) of the membrane is smooth and homogeneous, cracks occur in the cross-sectional area (c & d) due to strong bonding by cross-linking. However, it can be seen that the rough surface is sandwiched between relatively smooth thin layers. Through the above results, it can be said that the anion exchange membrane according to the present invention can provide improved stability.

실험예 6. 원자 힘 현미경(Atomic Force Microscopy, AFM) Experimental Example 6. Atomic Force Microscopy (AFM)

상기 실시예 2에서 제조된 [화학식 1]로 표시되는 PPO를 기반으로 하는 중합체를 포함하는 음이온 교환 멤브레인의 친수성 및 소수성 상 분리를 확인하기 위해 원자 힘 현미경(AFM)을 측정하였다. Atomic force microscopy (AFM) was measured to confirm the hydrophilic and hydrophobic phase separation of the anion exchange membrane including the polymer based on PPO represented by [Formula 1] prepared in Example 2 above.

본 분석이 사용된 원자 힘 현미경은 <8 nm의 실리콘 곡률 및 ~ 320 kHz의 공진 주파수를 갖춘 n-Tracer SPM(Nanofocus)으로 태핑 모드에서 확인하였고, 그 결과를 도 6에 나타내었다.The atomic force microscope used in this analysis was confirmed in tapping mode with an n-Tracer SPM (Nanofocus) with a silicon curvature of <8 nm and a resonance frequency of ~ 320 kHz, and the results are shown in FIG. 6 .

도 6을 참조하면, 어두운 영역은 친수성 도메인을 나타내며 밝은 영역은 소수성 도메인을 나타낸다. 본 발명에 따른 멤브레인(실시예 2)의 구조에서 접목된 소수성 알킬 사슬은 ~ 5 nm의 크기를 갖는 작은 이온성 도메인의 상호 연결된 친수성 네트워크로, 명확한 친수성 및 소수성 상 분리를 유도한 것을 확인할 수 있다 상기 결과로부터, 본 발명에 따른 음이온 교환 멤브레인은 보다 우수한 이온 전달 경로를 제공할 수 있다.Referring to FIG. 6 , dark regions indicate hydrophilic domains and bright regions indicate hydrophobic domains. It can be seen that the hydrophobic alkyl chain grafted in the structure of the membrane according to the present invention (Example 2) is an interconnected hydrophilic network of small ionic domains with a size of ~ 5 nm, which induces clear hydrophilicity and hydrophobic phase separation. From the above results, the anion exchange membrane according to the present invention can provide a better ion transport path.

실험예 7. 싱크로트론 소각 X선 산란(Synchrotron Small-Angle X-ray Scattering, SAXS)Experimental Example 7. Synchrotron Small-Angle X-ray Scattering (SAXS)

상기 실시예 2에서 제조된 [화학식 1]로 표시되는 PPO를 기반으로 하는 중합체를 포함하는 음이온 교환 멤브레인의 형태를 분석하기 위해 싱크로트론 소각 X선 산란(Synchrotron Small-Angle X-ray Scattering, SAXS) 분석을 수행하였다.Synchrotron Small-Angle X-ray Scattering (SAXS) analysis to analyze the morphology of the anion exchange membrane containing the PPO-based polymer represented by [Formula 1] prepared in Example 2 was performed.

본 분석 사용된 싱크로트론 소각 X선 산란(SAXS)은 포항 가속기 연구소(Pohang Accelerator Laboratory, PAL)에서 BL4C 빔라인(BL4C beamline)을 사용하여 수행하였다. 또한, 0.07 nm 및 Rayonix 2D SX 165 검출기에서 입사 X선 빔의 파장 (λ)을 사용하여 q-범위 0.1-1.8 nm-1에서 데이터를 확인하였다. 상기 산란 벡터 (q)는 q=4πsinθ/λ로부터 계산하였으며, 상기 θ는 입사 및 산란 된 방사선 사이의 산란 각도이고, λ는 X선 빔소스의 파장이며, 특성 분리 길이(characteristic separation length, d)는 Bragg의 법칙(d=2π/q)을 사용하여 계산하였고, 그 결과를 도 7에 나타내었다.Synchrotron small-angle X-ray scattering (SAXS) used in this analysis was performed using a BL4C beamline at Pohang Accelerator Laboratory (PAL). In addition, data were confirmed in the q-range 0.1-1.8 nm −1 using the wavelength (λ) of the incident X-ray beam at 0.07 nm and the Rayonix 2D SX 165 detector. The scattering vector (q) was calculated from q=4πsinθ/λ, where θ is the scattering angle between incident and scattered radiation, λ is the wavelength of the X-ray beam source, and characteristic separation length (d) was calculated using Bragg's law (d=2π/q), and the results are shown in FIG. 7 .

도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 음이온 교환 멤브레인(실시예 2)의 산란 벡터(q)는 max ~ 1.56 nm-1에서 뚜렷한 이오노머 피크(ionomeric peak)를 갖는 것을 확인할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 음이온 교환 멤브렌인(실시예 2)은 4.16 nm의 큰 이온 도메인 크기를 나타내는데, 이는 4차 암모늄 이온을 포함하는 친수성 주쇄(hydrophilic main chains)와 소수성 지방족 측쇄(hydrophobic aliphatic side chain) 사이의 높은 수준의 나노 상 분리로 인한 것이다. 또한, 이온 도메인의 정렬된 구조의 배열은 이온 수송을 용이하게 할 수 있는 넓은 범위에 걸쳐 유지 될 수 있는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 7 , it can be seen that the scattering vector (q) of the anion exchange membrane (Example 2) according to the present invention has a distinct ionomeric peak at max to 1.56 nm −1 . In addition, the anion exchange membrane according to the present invention (Example 2) exhibits a large ionic domain size of 4.16 nm, which includes a hydrophilic main chain including a quaternary ammonium ion and a hydrophobic aliphatic side chain. ) due to the high degree of nanophase separation between In addition, it can be confirmed that the arrangement of the ordered structures of ion domains can be maintained over a wide range that can facilitate ion transport.

실험예 8. 수분 흡수율 및 팽윤율 확인Experimental Example 8. Confirmation of water absorption rate and swelling rate

상기 실시예 2에서 제조된 [화학식 1]로 표시되는 PPO를 기반으로 하는 중합체를 포함하는 음이온 교환 멤브레인의 수분 흡수 및 팽윤을 확인하기 위해 실험을 수행하였다.An experiment was performed to confirm the water absorption and swelling of the anion exchange membrane comprising a polymer based on PPO represented by [Formula 1] prepared in Example 2 above.

수분 흡수 및 팽윤은 본 발명에 따른 음이온 교환 멤브레인(실시예 2)의 중량, 길이 및 두께(대략 5cm x 1cm)를 진공 하에서 24 시간 동안 90 ℃에서 건조시켜 사용하였다. 그리고, 상기 건조된 음이온 교환 멤브레인을 24시간 동안 탈이온수(deionized water)에 침지시키고, 상기 멤브레인을 꺼내 페이퍼로 상기 멤브레인을 닦아 내고, 상기 멤브레인의 중량, 길이 및 두께를 측정하였고, 수분 흡수량(water uptake, WUW)은 하기 식을 통해 계산하였다.Water absorption and swelling were used by drying the weight, length and thickness (approximately 5 cm x 1 cm) of an anion exchange membrane (Example 2) according to the present invention at 90° C. under vacuum for 24 hours. Then, the dried anion exchange membrane was immersed in deionized water for 24 hours, the membrane was taken out and the membrane was wiped with paper, the weight, length and thickness of the membrane were measured, and the water absorption amount (water uptake, WU W ) was calculated using the following formula.

[수분 흡수량(water uptake, WUW)][Water uptake (WU W )]

Figure 112020027444816-pat00016
Figure 112020027444816-pat00016

상기 Wwet 및 Wdry는 흡수 및 건조 멤브레인 각각의 무게이다.Where W wet and W dry are the weights of the absorbent and dry membranes, respectively.

또한, 팽윤 비율(swelling ratio)은 하기 식을 통해 계산하였다.In addition, the swelling ratio (swelling ratio) was calculated through the following formula.

[팽윤 비율(swelling ratio)][swelling ratio]

Figure 112020027444816-pat00017
Figure 112020027444816-pat00017

상기 l 및 t는 멤브레인 각각의 길이 및 두께이다.where l and t are the length and thickness of each membrane.

상기와 같은 조건 및 공식을 이용하여 수분 흡수율 및 팽윤율을 확인하였으며, 그 결과를 도 8, 도 9 및 [표 1]에 나타내었다.The moisture absorption rate and swelling rate were confirmed using the conditions and formulas as described above, and the results are shown in FIGS. 8, 9 and [Table 1].

[표 1][Table 1]

Figure 112020027444816-pat00018
Figure 112020027444816-pat00018

상기 [표 1] 및 도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 [화학식 1]로 표시되는 PPO를 기반으로 하는 중합체를 포함하는 음이온 교환 멤브레인의 수분 흡수는 63%로, 상기 비교예 1 및 2와 비교하여 우수한 수분 흡수율을 갖는 것을 확인할 수 있다.Referring to [Table 1] and FIG. 8, the moisture absorption of the anion exchange membrane comprising a polymer based on PPO represented by [Formula 1] according to the present invention is 63%, and the By comparison, it can be seen that they have excellent moisture absorption.

또한, 상기 [표 1] 및 도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 [화학식 1]로 표시되는 PPO를 기반으로 하는 중합체를 포함하는 음이온 교환 멤브레인의 수분 팽윤은 8.7%로, 상기 비교예 1 및 2와 비교하여 우수한 수분 흡수율을 갖는 것을 확인할 수 있다.In addition, referring to [Table 1] and FIG. 9, the moisture swelling of the anion exchange membrane containing the polymer based on PPO represented by [Formula 1] according to the present invention is 8.7%, and the comparative example 1 and 2, it can be seen that the water absorption rate is excellent.

실험예 9. 전력 밀도 vs. 전류 밀도 확인Experimental Example 9. Power density vs. Check current density

9.1 미생물 연료 전지 제작9.1 Fabrication of Microbial Fuel Cells

미생물 연료 전지(Microbial Fuel Cell, MFC)는 250 ml의 유리병을 기준 전극용 유리 측면 암(glass side arm, 13mm 직경) 및 연결 유리 튜브(21mm 직경)를 갖는 양극 및 음극 챔버를 사용하였다. 전극은 양극 및 음극용 탄소 펠트(40 mm ⅹ 50 mm NARA Cell-tech Co., Korea)를 사용하였고, 유리병 사이에 상기 실시예 2에서 제조된 [화학식 1]로 표시되는 PPO를 기반으로 하는 중합체를 포함하는 음이온 교환 멤브레인을 클램핑하여 미생물 연료 전지 반응기를 제작하였다.Microbial Fuel Cell (MFC) used a 250 ml glass bottle with anode and cathode chambers with a glass side arm (13 mm diameter) and a connecting glass tube (21 mm diameter) for a reference electrode. Carbon felt (40 mm × 50 mm NARA Cell-tech Co., Korea) for the positive electrode and negative electrode was used as the electrode, and between the glass bottles based on PPO represented by [Formula 1] prepared in Example 2 A microbial fuel cell reactor was fabricated by clamping an anion exchange membrane comprising a polymer.

또한, 대조군으로 내피온(nafion 117, Dufont, USA) 및 종래의 음이온 교환 멤브레인(AEM, FAB-PK-130, Fumasep, Fumatech BWT GmbH, Germany)을 이용하여 상기와 동일한 방법으로, 비교 미생물 연료 전지 반응기 1 및 2를 제작하였다.In addition, a comparative microbial fuel cell was used in the same manner as above using Nafion (nafion 117, Dufont, USA) and a conventional anion exchange membrane (AEM, FAB-PK-130, Fumasep, Fumatech BWT GmbH, Germany) as a control. Reactors 1 and 2 were fabricated.

9.2 미생물 연료 전지 환경9.2 Microbial fuel cell environment

미생물 연료 전지의 양극 챔버는 혐기성 2차 소화조 슬러지(anaerobic secondary digester sludge)(10 % v/v)를 접종하고 폐수 처리장(Suyeong WWT Plant, Busan, Korea)에서 획득하였다. 두 챔버(양극 및 음극)의 배지(media)는 50 mM 포스페이트 완충액(phosphate buffer, pH 7.0), CH3COONa(3.28 g/L); NH4Cl(0.23 g/L), NaCl(0.04 g/L), MgSO4·H2O(0.01 g/L) 및 KCl(0.02 g/L)의 혼합물로 구성되었다. 또한, 양극액(anolyte)은 미지의 미네랄(unknown mineral)의 보충을 위해 효모 추출물(Yeast Extract) 0.02 g/L을 첨가 한 반면, 음극액(catholyte)은 양성자 환원 반응을 위해 칼륨 페리시안화물(potassium ferricyanide, 0.1M, 0.323 g/L)을 첨가하였다. 마지막으로, 반응기를 자동 온도 조절실에서 30 ℃로 배양하였다. The anode chamber of the microbial fuel cell was inoculated with anaerobic secondary digester sludge (10% v/v) and obtained from a wastewater treatment plant (Suyeong WWT Plant, Busan, Korea). The media of the two chambers (anode and cathode) were 50 mM phosphate buffer (pH 7.0), CH 3 COONa (3.28 g/L); It consisted of a mixture of NH 4 Cl (0.23 g/L), NaCl (0.04 g/L), MgSO 4 .H 2 O (0.01 g/L) and KCl (0.02 g/L). In addition, in the anolyte, 0.02 g/L of yeast extract was added for replenishment of an unknown mineral, whereas in the catholyte, potassium ferricyanide (potassium ferricyanide ( potassium ferricyanide, 0.1M, 0.323 g/L) was added. Finally, the reactor was incubated at 30 °C in a thermostatically controlled room.

9.3 전력 밀도 vs. 전류 밀도 확인9.3 Power Density vs. Check current density

상기 실시예 2에서 제조된 [화학식 1]로 표시되는 PPO를 기반으로 하는 중합체를 포함하는 음이온 교환 멤브레인을 사용한 미생물 연료 전지의 전력 밀도 vs. 전류 밀도를 확인하기 위해 실험을 수행하였고, 그 결과를 도 10에 나타내었다.Power density vs. power density of a microbial fuel cell using an anion exchange membrane comprising a polymer based on PPO represented by [Formula 1] prepared in Example 2 above. An experiment was performed to confirm the current density, and the results are shown in FIG. 10 .

도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 미생물 연료 전지 반응기는 비교 미생물 연료 전지 1(Nafion) 및 비교 미생물 연료 전지 2(AEM)와 비교하여 개방 회로 전압에서 약 0.68 내지 0.71 V 및 184.4 mW/m2로 높은 전압 및 전력 밀도를 나타내었다. 또한, 본 발명에 따른 미생물 연료 전지 반응기는 비교 미생물 연료 전지 1(361.7 Ω) 및 비교 미생물 연료 전지 2(351.5 Ω)와 비교하여 333.4 Ω으로 낮은 내부 저항을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 10 , the microbial fuel cell reactor according to the present invention is about 0.68 to 0.71 V and 184.4 mW/m 2 at an open circuit voltage compared to comparative microbial fuel cell 1 (Nafion) and comparative microbial fuel cell 2 (AEM). showed high voltage and power density. In addition, it can be seen that the microbial fuel cell reactor according to the present invention exhibits a low internal resistance of 333.4 Ω compared to the comparative microbial fuel cell 1 (361.7 Ω) and the comparative microbial fuel cell 2 (351.5 Ω).

상기 결과로부터, 본 발명에 따른 미생물 연료 전지가 상업적인 멤브레인과 비교하여 상당히 높은 출력을 나타내는 것을 확인할 수 있다.From the above results, it can be confirmed that the microbial fuel cell according to the present invention exhibits significantly higher output compared to a commercial membrane.

이상 설명으로부터, 본 발명에 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이와 관련하여, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다.From the above description, those skilled in the art to which the present invention pertains will understand that the present invention may be implemented in other specific forms without changing the technical spirit or essential characteristics thereof. In this regard, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.

Claims (9)

하기 [화학식 1]로 표시되는 것을 특징으로 하는 부분적 가교된 폴리페닐렌옥사이드(poly(phenylene oxide), PPO)를 기반으로 하는 중합체;
[화학식 1]
Figure 112020027444816-pat00019

상기 [화학식 1]에서,
상기 a 및 b는 1 내지 30이고,
상기 m, n 및 l은 1 내지 100이며,
상기 x는 1 내지 100,000,000이다.
A polymer based on partially crosslinked polyphenylene oxide (poly(phenylene oxide), PPO), characterized in that represented by the following [Formula 1];
[Formula 1]
Figure 112020027444816-pat00019

In the above [Formula 1],
wherein a and b are 1 to 30,
Wherein m, n and l are 1 to 100,
wherein x is 1 to 100,000,000.
(A1) 폴리(2,6-디메틸페닐렌 옥사이드)(Poly(2,6-dimethylphenylene oxide))에 N-브로모숙신이미드(N-bromosuccinimide, NBS) 및 2,2′-아조비스(2-메틸프로피오니트릴)(2,2′-azobis(2-methylpropionitrile), AIBN)을 첨가하여 하기 [화학식 2]로 표시되는 제1 중합체를 제조하는 단계;
(A2) 상기 제1 중합체에 N,N-디메틸-1-1헥사데실아민(N,N-dimethyl-1-hexadecylamine, DMHDA)을 첨가하여 하기 [화학식 3]으로 표시되는 제2 중합체를 제조하는 단계; 및
(A3) 상기 제2 중합체에 N,N,N′,N′-테트라메틸-1,6-헥세인디아민(N,N,N′,N′-tetramethyl-1,6-hexanediamine, TMHDA)를 첨가하여 하기 [화학식 1]로 표시되는 부분적 가교된 폴리페닐렌옥사이드(poly(phenylene oxide), PPO)를 기반으로 하는 중합체를 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 부분적 가교된 폴리페닐렌옥사이드를 기반으로 하는 중합체의 제조방법;
[화학식 1]
Figure 112020027444816-pat00020

[화학식 2]
Figure 112020027444816-pat00021

[화학식 3]
Figure 112020027444816-pat00022

상기 [화학식 1]에서,
상기 a 및 b는 1 내지 30이고,
상기 m, n 및 l은 1 내지 100이고,
상기 x는 1 내지 100,000,000이다.
(A1) N-bromosuccinimide (NBS) and 2,2′-azobis (2) on poly(2,6-dimethylphenylene oxide) -Methylpropionitrile) (2,2'-azobis(2-methylpropionitrile), AIBN) was added to prepare a first polymer represented by the following [Formula 2];
(A2) preparing a second polymer represented by the following [Formula 3] by adding N,N-dimethyl-1-hexadecylamine (DMHDA) to the first polymer step; and
(A3) N,N,N',N'-tetramethyl-1,6-hexanediamine (N,N,N',N'-tetramethyl-1,6-hexanediamine, TMHDA) to the second polymer Partially cross-linked polyphenylene oxide, characterized in that it comprises; preparing a polymer based on partially cross-linked polyphenylene oxide (poly (phenylene oxide), PPO) represented by the following [Formula 1] by adding A method for producing a polymer based on;
[Formula 1]
Figure 112020027444816-pat00020

[Formula 2]
Figure 112020027444816-pat00021

[Formula 3]
Figure 112020027444816-pat00022

In the above [Formula 1],
wherein a and b are 1 to 30,
Wherein m, n and l are 1 to 100,
wherein x is 1 to 100,000,000.
제2항에 있어서,
상기 (A1) 단계는
(A1a) 폴리(2,6-디메틸페닐렌 옥사이드)를 제1 용매에 용해시키는 단계;
(A1b) 상기 용해된 폴리(2,6-디메틸페닐렌 옥사이드)에 NBS 및 AIBN을 첨가하여 혼합물을 제조하는 단계; 및
(A1c) 상기 혼합물에 제1 용매를 첨가하여 침전물로 상기 [화학식 2]로 표시되는 제1 중합체를 수득하는 단계;로 구성되는 것을 특징으로 하는 부분적 가교된 폴리페닐렌옥사이드를 기반으로 하는 중합체의 제조방법.
3. The method of claim 2,
The step (A1) is
(A1a) dissolving poly(2,6-dimethylphenylene oxide) in a first solvent;
(A1b) preparing a mixture by adding NBS and AIBN to the dissolved poly(2,6-dimethylphenylene oxide); and
(A1c) adding a first solvent to the mixture to obtain a first polymer represented by the above [Formula 2] as a precipitate; manufacturing method.
제3항에 있어서,
상기 (A1) 단계의 제1 용매는 알코올, 글리세린, 부틸렌 글리콜, 프로필렌글리콜, 메틸아세테이트, 에틸아세테이트, 아세톤, 벤젠, 헥산, 디에틸에테르, 클로로포름, 클로로벤젠 및 디클로로메탄으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 부분적 가교된 폴리페닐렌옥사이드를 기반으로 하는 중합체의 제조방법.
4. The method of claim 3,
The first solvent of step (A1) is 1 selected from the group consisting of alcohol, glycerin, butylene glycol, propylene glycol, methyl acetate, ethyl acetate, acetone, benzene, hexane, diethyl ether, chloroform, chlorobenzene and dichloromethane A method for producing a polymer based on partially cross-linked polyphenylene oxide, characterized in that more than one species.
제2항에 있어서,
상기 (A2) 단계는
(A2a) 상기 제1 중합체를 메틸피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone, NMP)에 용해시키는 단계;
(A2b) 상기 용해된 제1 중합체에 DMHDA를 첨가하여 혼합물을 제조하는 단계; 및
(A2c) 상기 혼합물에 제2 용매를 첨가하여 상기 [화학식 3]로 표시되는 제2 중합체를 수득하는 단계;로 구성되는 것을 특징으로 하는 부분적 가교된 폴리페닐렌옥사이드를 기반으로 하는 중합체의 제조방법.
3. The method of claim 2,
The step (A2) is
(A2a) dissolving the first polymer in methylpyrrolidone (N-methyl-2-pyrrolidone, NMP);
(A2b) adding DMHDA to the dissolved first polymer to prepare a mixture; and
(A2c) adding a second solvent to the mixture to obtain a second polymer represented by [Formula 3]; Method for producing a polymer based on partially crosslinked polyphenylene oxide, characterized in that it consists of .
제5항에 있어서,
상기 (A2) 단계의 제2 용매는 알코올, 글리세린, 부틸렌 글리콜, 프로필렌글리콜, 메틸아세테이트, 에틸아세테이트, 아세톤, 벤젠, 헥산, 디에틸에테르, 클로로포름, 클로로벤젠 및 디클로로메탄으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 부분적 가교된 폴리페닐렌옥사이드를 기반으로 하는 중합체의 제조방법.
6. The method of claim 5,
The second solvent of step (A2) is 1 selected from the group consisting of alcohol, glycerin, butylene glycol, propylene glycol, methyl acetate, ethyl acetate, acetone, benzene, hexane, diethyl ether, chloroform, chlorobenzene and dichloromethane A method for producing a polymer based on partially crosslinked polyphenylene oxide, characterized in that more than one species.
하기 [화학식 1]로 표시되는 부분적 가교된 폴리페닐렌옥사이드(poly(phenylene oxide), PPO)를 기반으로 하는 중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 음이온 교환 멤브레인;
[화학식 1]
Figure 112020027444816-pat00023

상기 [화학식 1]에서,
상기 a 및 b는 1 내지 30이고,
상기 m, n 및 l은 1 내지 100이며,
상기 x는 1 내지 100,000,000이다.
An anion exchange membrane comprising a polymer based on partially crosslinked polyphenylene oxide (PPO) represented by the following [Formula 1];
[Formula 1]
Figure 112020027444816-pat00023

In the above [Formula 1],
wherein a and b are 1 to 30,
Wherein m, n and l are 1 to 100,
wherein x is 1 to 100,000,000.
제7항에 있어서,
상기 음이온 교환 멤브레인은 150 내지 350 ㎛의 두께를 갖는 투명 멤브레인인 것을 특징으로 하는 음이온 교환 멤브레인.
8. The method of claim 7,
The anion exchange membrane is an anion exchange membrane, characterized in that the transparent membrane having a thickness of 150 to 350 ㎛.
(B1) 하기 [화학식 1]로 표시되는 부분적 가교된 폴리페닐렌옥사이드(poly(phenylene oxide), PPO)를 기반으로 하는 중합체를 가열하는 단계;
(B2) 상기 가열된 중합체에 N,N,N′,N′-테트라메틸-1,6-헥세인디아민(N,N,N′,N′-tetramethyl-1,6-hexanediamine, TMHDA)에 첨가하여 멤브레인을 제조하는 단계; 및
(B3) 상기 침지된 멤브레인을 세척 및 건조하여 음이온 교환 멤브레인을 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 음이온 교환 멤브레인의 제조방법;
[화학식 1]
Figure 112020027444816-pat00024

상기 [화학식 1]에서,
상기 a 및 b는 1 내지 30이고,
상기 m, n 및 l은 1 내지 100이며,
상기 x는 1 내지 100,000,000이다.
(B1) heating a polymer based on partially crosslinked polyphenylene oxide (poly(phenylene oxide), PPO) represented by the following [Formula 1];
(B2) N,N,N′,N′-tetramethyl-1,6-hexanediamine (N,N,N′,N′-tetramethyl-1,6-hexanediamine, TMHDA) in the heated polymer adding to prepare a membrane; and
(B3) manufacturing an anion exchange membrane by washing and drying the immersed membrane;
[Formula 1]
Figure 112020027444816-pat00024

In the above [Formula 1],
wherein a and b are 1 to 30,
Wherein m, n and l are 1 to 100,
wherein x is 1 to 100,000,000.
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