KR20020016370A - New polyimides and gas separation Membrane - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: Novel polyimides and gas separation membrane using the same is provided, which has excellent chemical resistance, and thermal resistance, selective permeation capacity to oxygen and carbon dioxide. CONSTITUTION: The novel polyimides represented by chemical formula 1 for selective gas separation is prepared by polycondensation of diamine represented by chemical formula 2 with tetracarboxylic acid anhydride represented by chemical formula 3.

Description

신규 폴리이미드와 이를 이용한 기체 분리막{New polyimides and gas separation Membrane}New polyimide and gas separation membrane using the same

본 발명은 신규 폴리이미드와 이를 이용한 기체 분리막에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다음 화학식 1로 표시되는 신규 폴리이미드와 이의 제조방법, 그리고 신규 폴리이미드를 이용하여 제조된 기체 분리막에 관한 것이다.The present invention relates to a novel polyimide and a gas separation membrane using the same, and more particularly, to a novel polyimide represented by the following Chemical Formula 1, a method for preparing the same, and a gas separation membrane manufactured using the novel polyimide.

화학식 1Formula 1

상기 화학식 1에서 :In Formula 1 above:

중에서 선택된 4가기이고,4 selected from

중에서 선택되고, 이때 n은 1 내지 3의 정수를 나타내고;N is an integer of 1 to 3;

R2및 R3는 각각 탄소수 1 내지 3의 알킬 또는 할로알킬기, 페닐기, 또는 할로겐원자로 치환된 페닐기를 나타내고;R 2 and R 3 each represent an alkyl or haloalkyl group having 1 to 3 carbon atoms, a phenyl group, or a phenyl group substituted with a halogen atom;

중에서 선택된다.Is selected from.

고분자가 상업적인 기체 분리막으로 적용되기 위해서는 높은 기체 투과도와 높은 분리특성 및 우수한 열적 기계적 성질이 요구된다. 높은 기체투과특성은 고분자 쇄간 인력이 작은 고분자에서 전형적으로 나타나며, 그 대표적인 고분자의 예로는 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리(4-메틸-1-펜텐) 등이 있다. 상기한 고분자들은 낮은 쇄간 인력으로 인하여 낮은 유리전이온도를 갖는 바, 낮은 적용온도에서 사용되지 않는다면 가교를 해야하므로 특별한 가공 조건이 요구된다. 반면에 높은 쇄간 인력을 갖는 고분자의 경우, 높은 유리전이온도를 갖으며 매우 작은 기체투과특성을 나타낸다.In order to apply the polymer as a commercial gas separation membrane, high gas permeability, high separation characteristics, and excellent thermal mechanical properties are required. High gas permeation properties are typical for polymers with low polymer pull forces, and typical polymers include polydimethylsiloxane (PDMS) and poly (4-methyl-1-pentene). Since the polymers have a low glass transition temperature due to low interchain attraction, special processing conditions are required because they must be crosslinked if they are not used at low application temperatures. On the other hand, polymers with high interchain attraction have high glass transition temperatures and very small gas permeation characteristics.

일반적인 기체 분리막 소재로서는 초산 셀룰로우스계가 잘 알려져 있지만, 초산 셀룰로우스계 분리막은 내약품성, 내열성 등이 낮기 때문에 실제로 사용하는데에는 많은 문제점이 대두되고 있다. 내열성을 향상시킨 폴리설폰계 분리막역시 고도로 요구되는 내약품성 및 투과 성능면에서 만족스럽지 못하다.As a general gas separation membrane material, cellulose acetate is well known. However, cellulose acetate-based separators have many problems due to their low chemical resistance and heat resistance. Polysulfone membranes with improved heat resistance are also unsatisfactory in terms of highly required chemical resistance and permeability.

이에, 기계적 물성 및 내열성이 우수하면서도 기체 선택투과특성이 우수한 폴리이미드를 소재로 하는 분리막의 연구개발이 행해지고 있다. 일반적으로 폴리이미드는 강한 쇄간 인력을 가지고 유리전이온도가 높음에도 불구하고 그 분자구조적 특이성에 따라 높은 기체투과특성을 갖는 것으로 보고되어 있다. 예컨대, 미국특허 제3,822,202호(1974) 및 미국재공고특허 제30,351호(1980)에서는 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리에스테르로부터 만들어진 반투막을 이용한 기체분리 과정을 기술하고 있고, 미국특허 제4,378,400호 및 제4,959,151호에서는 비페닐테트라카르복실산 무수물로부터 제조된 폴리이미드막을 이용하여 여러 가지 기체혼합물을 분리하는 것을 제안하고 있다.Accordingly, research and development of a separator made of a polyimide material having excellent mechanical properties and heat resistance and excellent gas permeation characteristics have been performed. In general, polyimide has been reported to have high gas permeation characteristics according to its molecular structural specificity despite the high intermetallic attraction and high glass transition temperature. For example, US Pat. Nos. 3,822,202 (1974) and US Pat. No. 30,351 (1980) describe gas separation processes using semipermeable membranes made from polyimide, polyamide, and polyester, and US Pat. Nos. 4,378,400 and 4,959,151 proposes to separate various gas mixtures using polyimide membranes prepared from biphenyltetracarboxylic anhydride.

폴리이미드를 구성하는 테트라카르복실산 무수물 성분으로서 헥사플로오르이소프로필리덴 2,2-비스(프탈산 이무수물)(이하, "6FDA"라 함)를 이용한 경우, 가용성 폴리이미드를 얻을 수 있는 것이 알려져 있다[일본특허공개 평2-160832호]. 또한 6FDA와 방향족 디아민을 중합하여 얻어지는 폴리이미드는 높은 기체 투과성과 선택투과성을 갖는 것으로 알려져 있다[J. Membr. Sci. 50, 285(1990),J. Membr. Sci.94, 1∼65(1994)]. 이와 같은 특성은 6FDA가 갖고 있는 헥사플로오르이소프로필리덴기가 부피가 커서 고분자의 내부 분절운동성을 억제하기 때문에 주쇄의 강직성을 증가시켜 선택투과성을 높여주고 분자 쇄간 상호작용을 억제하여 기체 투과성이 향상된 결과로서 큰 자유체적에 의한 높은 기체 투과성과 낮은 분자쇄의 운동성에 기인한 기체 확산 선택성을 나타내는 것으로 판단된다.It is known that a soluble polyimide can be obtained when hexafluoroisopropylidene 2,2-bis (phthalic anhydride) (hereinafter referred to as "6FDA") is used as the tetracarboxylic anhydride component constituting the polyimide. [JP-A-2160832]. Polyimide obtained by polymerizing 6FDA and aromatic diamine is also known to have high gas permeability and selective permeability [ J. Membr. Sci. 50 , 285 (1990), J. Membr. Sci . 94 , 1-65 (1994)]. This characteristic is because the hexafloorisopropylidene group of 6FDA has a large volume to inhibit the internal segmental motility of the polymer, thereby increasing the rigidity of the main chain, thereby improving the permeability and increasing the gas permeability by suppressing the interaction between molecular chains. As a result, it is judged to exhibit gas diffusion selectivity due to high gas permeability and low molecular chain motility due to large free volume.

또한, 아민 관능기에 대하여 오르소 위치가 모두 알킬기로 치환된 페닐렌 디아민 성분과 6FDA로부터 제조된 방향족 폴리이미드 분리막이 기체투과성이 매우 높은 것으로 발표되어 있으나[미국특허 제4,705,545호(1987), 일본특허공보 소63-111921호 및J. Polym. Sci. Polym. Phys. vol 30, 907∼914(1992) 등], 기체 투과선택성이 낮은 문제가 있다. 또한, 소량의 3,3',4,4'-벤조페논테트라카르복실산 이무수물(이하, "BTDA"라 함)을 6FDA와 오르소 위치가 모두 알킬기로 치환된 페닐렌디아민을 사용한 공중합체 형태의 폴리이미드에 UV를 처리하여 고분자 쇄간 가교결합을 유도하여 투과선택도를 높일 수 있다고 제안된 바도 있다[미국특허 제4,717,393호(1988)]. 그 밖에도 이산무수물 혹은 디아민을 6FDA 혹은 오르소 위치가 모두 알킬기로 치환된 페닐렌 디아민과 혼합하여 공중합체를 제조하는 기술[미국특허 제4,717,394호(1988)]과, 6FDA와 오르소 위치가 모두 알킬기로 치환된 페닐렌 디아민으로 이루어진 폴리이미드를 아민으로 처리하여 투과선택도를 향상시키는 기술[미국특허 4,981,497호(1991)] 등이 공지되어 있다.In addition, although the phenylene diamine component in which the ortho position is substituted with the alkyl group with respect to the amine functional group and the aromatic polyimide membrane prepared from 6FDA are known to have very high gas permeability [US Patent No. 4,705,545 (1987), Japanese Patent Publication No. 63-111921 and J. Polym. Sci. Polym. Phys. vol 30 , 907-914 (1992), etc., have a problem of low gas permeability. Also, a small amount of 3,3 ', 4,4'-benzophenonetetracarboxylic dianhydride (hereinafter referred to as "BTDA") is a copolymer using phenylenediamine in which both 6FDA and ortho-position are substituted with alkyl groups. It has been suggested that the polyimide in the form of UV can increase the permeation selectivity by inducing crosslinking between polymer chains (US Pat. No. 4,717,393 (1988)). In addition, a technique for preparing a copolymer by mixing diacid anhydride or diamine with phenylene diamine in which all 6FDA or ortho positions are substituted with alkyl groups (US Pat. No. 4,717,394 (1988)), and both 6FDA and ortho positions are alkyl groups Techniques for improving the permeation selectivity by treating polyimide consisting of phenylene diamine substituted with amines (US Pat. No. 4,981,497 (1991)) and the like are known.

하지만, 지금까지 알려진 대다수의 선행기술은 폴리이미드 분리막이 가지고 있는 상반된 특성 즉, 기체 투과성과 투과선택성이 동시에 우수한 소재를 개발하는데는 한계가 있었는 바, 기체투과성이 좋은 것은 선택성이 낮고, 또한 선택성이 비교적 좋은 것은 그 투과성이 뒤떨어지는 문제가 지적되어 왔다.However, most of the prior arts known so far have been limited in developing materials having excellent properties such as gas permeability and permeation selectivity of polyimide membranes. Therefore, good gas permeability has low selectivity and selectivity. It has been pointed out that the relatively good one is inferior in its permeability.

따라서 보다 높은 투과성과 높은 선택성을 동시에 갖는 새로운 구조의 폴리이미드 소재 개발과, 이러한 신소재를 이용한 새로운 기체 분리막의 개발이 절실히 요구되고 있다.Therefore, there is an urgent need to develop a polyimide material having a new structure having higher permeability and high selectivity and a new gas separation membrane using such a new material.

본 발명에서는 디아민과 테트라카르복실산 이무수물로부터 폴리이미드를 형성함에 있어, 상기한 디아민 성분으로는 부피가 큰 헥사플로오르이소프로필리덴기와 2,4,6-트리메틸벤젠기가 동시에 도입되어 있는 N,N'-비스(2,4,6-트리메틸-3-아미노페닐)-4,4'-헥사플루오르이소프로필리덴 디프탈리미드(이하, "BAHD"라 함)를 사용하여 신규 폴리이미드를 제조함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.In the present invention, in forming a polyimide from diamine and tetracarboxylic dianhydride, as the above diamine component, a bulky hexafluoroisopropylidene group and 2,4,6-trimethylbenzene group are introduced at the same time; By preparing a novel polyimide using N'-bis (2,4,6-trimethyl-3-aminophenyl) -4,4'-hexafluoroisopropylidene diphthalimide (hereinafter referred to as "BAHD") The present invention has been completed.

따라서, 본 발명은 신규 폴리이미드 및 이의 제조방법, 그리고 신규 폴리이미드를 소재로 사용하여 제조된 것으로 제막특성, 기계적 강도, 내열성 및 기체분리 특성이 우수한 기체 분리막을 제공하는데 그 목적이 있다. 본 발명의 기체 분리막은 혼합가스의 분리에 이용되며 특히 이산화탄소, 산소의 투과성이 극히 높으며, 또한 이들 기체와 질소, 메탄에 대한 투과선택성이 우수하여 산소 부하막 혹은 이산화탄소의 선택적 분리막에 유용하다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a gas separation membrane excellent in film forming properties, mechanical strength, heat resistance, and gas separation properties, which is manufactured using the novel polyimide and its manufacturing method, and the novel polyimide as a material. The gas separation membrane of the present invention is used for separation of a mixed gas, and in particular, the permeability of carbon dioxide and oxygen is extremely high, and the permeation selectivity to these gases, nitrogen, and methane is excellent, and thus it is useful for an oxygen load membrane or a selective separation membrane of carbon dioxide.

본 발명의 다음 화학식 1을 반복단위로 갖는 폴리이미드를 그 특징으로 한다.The polyimide having the following general formula (1) as a repeating unit of the present invention is characterized by the following.

화학식 1Formula 1

상기 화학식 1에서 :은 상기에서 정의한 바와 같다.In Formula 1 above: Is as defined above.

이와 같은 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.Referring to the present invention in more detail as follows.

본 발명의 신규 폴리이미드는 주쇄에 부피가 큰 헥사플루오르이소프로필리덴기를 가지며 모두 이미드 질소원자의 오르소 위치가 모두 메틸기로 치환된 페닐렌 디아민으로 이루어져 기체투과도가 매우 큰 폴리이미드의 분자구조를 가지며, 또한 고분자 주쇄의 반복단위에 이미드기가 일반적인 폴리이미드 보다 2배로 많아 고분자 주쇄를 강직하게 하여 높은 유리전이온도와 분리특성, 내약품성 및 내열성을 향상시킬 수 있도록 하는데 그 특징이 있다. 따라서, 본 발명의 신규 폴리이미드로부터 제조된 기체 분리막은 기체투과도와 선택성간의 우수한 균형을 갖는 효과가 있다.The novel polyimide of the present invention has a large hexafluorisopropylidene group in the main chain, and is composed of phenylene diamine in which all ortho positions of imide nitrogen atoms are substituted with methyl groups, thereby forming a molecular structure of polyimide having a very high gas permeability. In addition, since the imide groups in the repeating unit of the polymer main chain is twice as large as the general polyimide, the polymer main chain can be rigid to improve high glass transition temperature, separation characteristics, chemical resistance and heat resistance. Therefore, the gas separation membrane prepared from the novel polyimide of the present invention has the effect of having an excellent balance between gas permeability and selectivity.

본 발명에 따른 상기 화학식 1을 반복단위로 갖는 폴리이미드의 제조방법에 대해 설명하면 다음과 같다.Referring to the preparation method of the polyimide having the formula 1 as a repeating unit according to the present invention.

본 발명의 폴리이미드는 다음 화학식 2로 표시되는 N,N'-비스(2,4,6-트리메틸-3-아미노페닐)-4,4'-헥사플루오르이소프로필리덴 디프탈리미드(이하, "BAHD"라 함)와 다음 화학식 3으로 표시되는 테트라카르복실산 이무수물을 등몰량 축중합하여 제조한다.Polyimide of the present invention is N, N'-bis (2,4,6-trimethyl-3-aminophenyl) -4,4'-hexafluoroisopropylidene diphthalimide represented by the formula (2) BAHD ") and tetracarboxylic dianhydride represented by the following formula (3) to prepare by equimolar amount condensation polymerization.

상기 화학식 2에서 :은 상기에서 정의한 바와 같다.In Formula 2 above: Is as defined above.

또한, 본 발명이 특징적으로 사용하는 상기 화학식 2로 표시되는 디아민은 다음 반응식 1에 따른 제조방법에 의해 제조가 가능한 바, 메시틸렌을 디니트로화 하고 환원 반응시켜 3-니트로메시틸렌(3-NM)을 얻으며 이것을 6FDA와 반응 후 팔라듐촉매와 수소를 이용한 환원 반응을 수행하여 합성한다.In addition, the diamine represented by the formula (2), which is characteristically used in the present invention, may be prepared by the preparation method according to the following Scheme 1, and may be 3-nitromethylene (3-NM) by dinitrating and reducing the mesitylene. ) And synthesized by reacting with 6FDA followed by reduction using palladium catalyst and hydrogen.

본 발명에서는 폴리이미드 합성을 위한 중합방법에는 특별히 제한이 없고, 폴리이미드의 중합방법으로서 일반적으로 행해지고 있는 방법으로 중합하는 것이 가능하다. 중합용매로는 N-메틸-2-피롤리돈 (NMP), N,N'-디메틸아세트아미드 (DMAc), 디메틸설폭시드 (DMSO), N,N'-디메틸포름아미드 (DMF) 등이 사용될 수 있고 이들을 단독으로 혹은 혼합하여 사용한다. 원료에 대한 용매 사용량은 특별히 제한되지 않으나, 통상 70 ∼ 95 중량%의 농도이다. 디아민과 테트라카르복실산 이산무수물 성분을 혼합하고 실온이하의 온도로 통상 1 ∼ 5 시간 반응시키고 폴리아믹산을 합성한다. 다음으로는 이 반응용액에 무수초산, 피리딘, 또는 트리에틸아민 등의 탈수 폐환제를 첨가하고 또한 실온에서 통상 7 ∼ 24 시간 반응시키고 그 폴리아믹산을 이미드화 한다. 또한 본 발명에 관련된 폴리이미드는 페놀계 용제에 가용성이기 때문에 4-메톡시페놀과 페놀의 혼합용매, 메타크레졸 및 클로로페놀 등을 이용하여 150 ∼ 250 ℃에서 중합과 이미드를 한번에 반응시키는 1단계 고온반응에 의하여 고분자량의 폴리이미드를 얻는 방법에 의해서도 중합체를 얻을 수 있다. 이때 촉매로서 소량의 벤조산, 이소퀴놀린 등이 사용된다. 중합 후 생성된 반응용액을 대량의 메틸알코올 중에 투입하고 침전한 중합체를 여과하고 건조하면 본 발명이 목적하는 폴리이미드 분말을 얻을 수 있다.There is no restriction | limiting in particular in the polymerization method for polyimide synthesis in this invention, It is possible to superpose | polymerize by the method generally performed as a polymerization method of polyimide. As the polymerization solvent, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), N, N'-dimethylacetamide (DMAc), dimethyl sulfoxide (DMSO), N, N'-dimethylformamide (DMF), etc. may be used. These may be used alone or in combination. The amount of the solvent used for the raw material is not particularly limited, but is usually in a concentration of 70 to 95% by weight. A diamine and tetracarboxylic dianhydride component are mixed, it is made to react at the temperature below room temperature normally for 1 to 5 hours, and a polyamic acid is synthesize | combined. Next, a dehydration ring closing agent such as acetic anhydride, pyridine, or triethylamine is added to the reaction solution, and the reaction is carried out usually at room temperature for 7 to 24 hours to imidize the polyamic acid. In addition, since the polyimide of the present invention is soluble in a phenolic solvent, one step of reacting the polymerization and imide at a time at 150 to 250 ° C. using a mixed solvent of 4-methoxyphenol and phenol, methacresol and chlorophenol, etc. A polymer can also be obtained by the method of obtaining a high molecular weight polyimide by high temperature reaction. At this time, a small amount of benzoic acid, isoquinoline and the like are used as a catalyst. The reaction solution produced after the polymerization is introduced into a large amount of methyl alcohol, and the precipitated polymer is filtered and dried to obtain the polyimide powder of the present invention.

이상의 제조방법으로 제조된 폴리이미드 0.5 g을 N,N'-디메틸아세트아미드 100 mL에 용해시킨 용액은 30 ℃로 측정한 값에 근거한 고유점도가 0.3 ∼ 1.5 dL/g의 범위의 것이 좋다. 고유점도가 너무 작으면 기체 분리막으로 만들었을 때 자기 지지성이 뒤떨어지고, 기계적 강도가 부족하다. 또한 기계적 강도가 너무 크면 균일한 용액을 얻기 어렵고 제막이 어려워 진다.The solution obtained by dissolving 0.5 g of the polyimide prepared by the above production method in 100 mL of N, N'-dimethylacetamide is preferably in the range of 0.3 to 1.5 dL / g of intrinsic viscosity based on the value measured at 30 ° C. If the intrinsic viscosity is too small, the self-support is poor when the gas separation membrane is made, and the mechanical strength is insufficient. In addition, too high mechanical strength makes it difficult to obtain a uniform solution and makes film formation difficult.

한편, 본 발명은 상기 화학식 1을 반복 단위로 갖는 신규 폴리이미드를 소재로 사용하여 제조된 기체 분리막을 포함하는 바, 기체 분리막의 제조는 여러 가지 방법에 의해 제조하는 것이 가능하다.On the other hand, the present invention includes a gas separation membrane prepared using a novel polyimide having the formula (1) as a repeating unit as a material, the production of the gas separation membrane can be prepared by various methods.

예컨대, 폴리이미드를 제막액 용제에 용해하고 균일한 제막액으로 하여 적절한 지지기재(예 : 유리판 등)에 도포한 후, 가열처리 또는 감압하에 가열처리하고 용제를 증발시켜 균질한 막을 형성한다. 실용 가능한 기체투과 성능 즉, 큰 투과속도를 위해서는 충분히 박막화된 막이 필요하지만 핀홀이 발생할 가능성과 기계적 강도가 떨어질 가능성이 있으므로 막두께는 0.03 ∼ 20 ㎛의 범위가 바람직하다. 제막액 용제로는 중합반응시와 유사하게 N-메틸-2-피롤리돈, N,N'-디메틸 아세트아미드, 디메틸설폭시드, N,N'-디메틸포름아미드 등의 유기 용제가 바람직하다. 제막액을 도포하기 위한 지지기재로서는 특별히 한정되지 않으며, 내열성 폴리머, 유리, 금속, 세라믹 등으로 표면이 평활성을 갖는 재료는 모두 이용 가능하다. 제막액을 지지기재에 도포 후 가열하는 온도는 제막에 사용하는 용재에 따르지만, 상기 용제인 경우에는 80 ∼ 200 ℃, 바람직하게는 100 ∼ 150 ℃이다. 특히 바람직한 것은 이와 같은 온도 범위에서 용제의 대부분을 증발시킨 후 200 ∼ 300 ℃까지 승온하여 완전하게 증발시키는 것이다. 게다가 제막액을 지지기재에 도포 후 상기 유기용제와 섞인 물 또는 폴리이미드에 대하여 빈용매에 침지한 후 상기의 온도범위내에서 건조하고 비균질막을 형성하는 것도 가능하다. 이들의 막 형성, 막 형태에는 제한이 없고 복합막이라도 좋다. 막 형상도 평막, 중공사막 등이 가능하다.For example, the polyimide is dissolved in a film forming solution solvent, applied as a uniform film forming solution to a suitable support base material (eg, glass plate, etc.), and then heat treated or heated under reduced pressure, and the solvent is evaporated to form a homogeneous film. The film thickness is preferably in the range of 0.03 to 20 µm, because a sufficiently thin film is required for practical gas permeation performance, that is, a large permeation rate, but there is a possibility that pinholes may occur and mechanical strength may decrease. As the film forming solvent, organic solvents such as N-methyl-2-pyrrolidone, N, N'-dimethyl acetamide, dimethyl sulfoxide, N, N'-dimethylformamide and the like are preferable as in the polymerization reaction. It does not specifically limit as a support base material for apply | coating a film forming liquid, The material which has a smooth surface on the surface of a heat resistant polymer, glass, a metal, a ceramic, etc. can be used. Although the temperature which heats a film forming liquid after apply | coating to a support base material is based on the solvent used for film forming, in the case of the said solvent, it is 80-200 degreeC, Preferably it is 100-150 degreeC. Particularly preferred is to evaporate most of the solvent in such a temperature range and then to 200-300 ° C. to evaporate completely. In addition, it is also possible to form a non-homogeneous film by applying the film forming solution to a supporting base material and then immersing it in a poor solvent in water or polyimide mixed with the organic solvent. There is no restriction on the film formation and the film form thereof, and a composite film may be used. The film shape may be a flat film, a hollow fiber film, or the like.

이와 같은 본 발명은 다음의 실시예에 의거하여 더욱 상세하게 설명하겠는 바, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 다음의 실시예에서 사용되는 용어는 이하와 같이 정의된다.Such a present invention will be described in more detail based on the following examples, but the present invention is not limited thereto. In addition, the term used in the following Example is defined as follows.

(1) 가스투과계수 : 막에 대한 기체의 투과속도를 나타내는 지수로 단위는 다음 수학식 1로 표기된다. 측정 데이터는 25 ℃, 1 기압에서의 값이다.(1) Gas Permeation Coefficient: An index indicating the permeation rate of a gas through a membrane. Measurement data are the values at 25 degreeC and 1 atmosphere.

배럴 = 10-10cm3(STP) cm / cm2sec cmHgBarrel = 10 -10 cm 3 (STP) cm / cm 2 sec cm Hg

상기 수학식 1에서 : STP는 0 ℃, 1 atm 조건에서 투과하는 기체의 부피를 나타내고; cm는 필름의 두께를 나타내고; cm2은 필름의 면적을 나타내고; sec는 시간(초)을 나타내고; cmHg는 압력을 나타낸다.In Equation 1: STP represents the volume of gas permeable at 0 ℃, 1 atm conditions; cm represents the thickness of the film; cm 2 represents the area of the film; sec represents time in seconds; cmHg represents pressure.

(2) 선택성 : 막의 기체 선택성은 동일한 막으로 개별기체 단독으로 측정된 투과계수의 비율로 나타낸다. 예를 들어 CO2/N2=50은 CO2가스의 투과는 질소가스의 투과보다 50배의 속도로 투과한 것을 나타낸다. 측정 데이터는 25 ℃, 1 기압에서의 값이다.(2) Selectivity: The gas selectivity of a membrane is expressed as the ratio of permeability coefficients measured by individual gases alone with the same membrane. For example, CO 2 / N 2 = 50 indicates that the permeation of CO 2 gas permeated at a rate 50 times higher than that of nitrogen gas. Measurement data are the values at 25 degreeC and 1 atmosphere.

제조예 : 단량체의 합성Preparation Example: Synthesis of Monomer

(1) 2,4-디니트로메스틸렌(DNM)(1) 2,4-dinitromethylene (DNM)

냉각기, 드로핑펀넬 및 교반기가 부착된 500 mL 3구 플라스크에 발연질산(d=1.5) 250 mL를 넣고 얼음중탕을 이용하여 냉각시켰다. 메시틸렌 100 g(0.83 mol)을 드로핑펀넬에 넣고 반응 용기에 서서히 첨가하면서 3∼4 시간동안 강하게 교반시켰다. 반응 종료 후 니트로 화합물을 분리하고 증류수로 여러 번 세척한 후 에탄올에 재결정하여 순수한 2,4-디니트로메스틸렌 145 g(83 %)을 얻었다.In a 500 mL three-necked flask equipped with a cooler, a dropping funnel, and a stirrer, 250 mL of fuming nitric acid (d = 1.5) was added and cooled using an ice bath. 100 g (0.83 mol) of mesitylene were placed in a dropping funnel and stirred vigorously for 3 to 4 hours with slow addition to the reaction vessel. After completion of the reaction, the nitro compound was separated, washed several times with distilled water and recrystallized in ethanol to obtain 145 g (83%) of pure 2,4-dinitromethylene.

녹는점 85∼86 ℃;1H-NMR(DMSO-d6) δ1.95(s, 3H, -CH3), 2.1(s, 6H, -CH3), 7.3(s,1H).Melting point 85-86 ° C .; 1 H-NMR (DMSO-d 6 ) δ 1.95 (s, 3H, —CH 3 ), 2.1 (s, 6H, —CH 3 ), 7.3 (s, 1H).

(2) 3-니트로메시딘(3-NM)(2) 3-nitromesidine (3-NM)

360 mL의 증류수에 2,4-디니트로메스틸렌(DNM) 100 g(0.476 mol)을 넣고 가열한 다음, 소디움설파이드 펜타하이드레이트 120 g(0.71 mol)와 황 16 g(0.5 mol)을 360 mL의 증류수에 녹인 용액을 2 시간에 걸쳐 서서히 첨가하였다. 첨가 후 반응용액을 3.5 시간동안 환류시킨 다음, 6N-염산에 붓고 약 10 분동안 가열한 뒤 65 ℃로 냉각시켰다. 반응 용액을 여과시킨 후 5 ℃ 이하에서 하루 정도 방치하면 바늘상 형태의 3-니트로메시딘 염화물이 침전되어 얻어진다. 이것을 여과한 뒤 건조시킨 후 50∼60 ℃의 증류수 500 mL에 용해시킨 다음 진한 염산 40 mL을 가했다. 그리고 진한 암모니아 수용액을 첨가하여 알카리화시키고 냉각시키면 노란색 결정 형태로 생성물인 3-니트로메시딘(3-NM) 65 g(76 %)이 얻어졌다.100 g (0.476 mol) of 2,4-dinitromethylene (DNM) was added to 360 mL of distilled water and heated. Then, 120 g (0.71 mol) of sodium sulfide pentahydrate and 16 g (0.5 mol) of sulfur were added to 360 mL of The solution dissolved in distilled water was added slowly over 2 hours. After addition, the reaction solution was refluxed for 3.5 hours, poured into 6N hydrochloric acid, heated for about 10 minutes, and cooled to 65 ° C. After the reaction solution was filtered and left at about 5 ° C. or less for one day, 3-nitromecidine chloride in the form of needle was precipitated. After filtration and drying, the resultant was dissolved in 500 mL of distilled water at 50 to 60 DEG C, and 40 mL of concentrated hydrochloric acid was added thereto. The addition of concentrated aqueous ammonia solution to alkaline and cooling yielded 65 g (76%) of 3-nitromesidine (3-NM) as a yellow crystalline form.

녹는점 68∼70 ℃;1H-NMR(CDCl3) δ2.0(s, 1H, -CH3), 2.1(s, 6H, -CH3), 3.6(s, 2H, -NH2), 6.8(s, 1H).Melting point 68-70 ° C .; 1 H-NMR (CDCl 3 ) δ2.0 (s, 1H, —CH 3 ), 2.1 (s, 6H, —CH 3 ), 3.6 (s, 2H, —NH 2 ), 6.8 (s, 1H).

(3) N,N'-비스(2,4,6-트리메틸-3-니트로페닐)-4,4'-헥사플로로디프탈이미드(BNHD)(3) N, N'-bis (2,4,6-trimethyl-3-nitrophenyl) -4,4'-hexafluorodiphthalimide (BNHD)

딘-스타크 트랩이 달린 500 mL 3구 플라스크에 초산 180 mL를 넣고 여기에 3-니트로메시딘(3-NM) 18.02 g(0.1 mol)과 6-FDA 22.21 g(0.05 mol)을 넣고 상온, 질소 기류하에서 1 시간동안 교반시켰다. 반응 온도를 서서히 118 ℃ 까지 올려 6 시간동안 환류시켰다. 온도를 상온으로 냉각시킨 후 사이클로헥산 70 mL을 넣고 다시 12 시간동안 환류시켜 반응 중 생성되는 물을 제거하였다. 또한 용매인 초산 60 mL를 제거한 후 상온으로 냉각시키면 N,N'-비스(2,4,6-트리메틸-3-니트로페닐)-4,4'-헥사플로로디프탈이미드(BNHD)가 침전물로 얻어졌다. 침전물을 물로 세척하고 건조한 후 메탄올에 재 침전시켜 순수한 BNHD 34 g(96 %)을 얻었다.Dean-Stark Trap Add 180 mL of acetic acid to a 500 mL three-necked flask, add 18.02 g (0.1 mol) of 3-nitromesidine (3-NM) and 22.21 g (0.05 mol) of 6-FDA, and stir at room temperature and nitrogen stream for 1 hour. I was. The reaction temperature was slowly raised to 118 ° C. and refluxed for 6 hours. After the temperature was cooled to room temperature, 70 mL of cyclohexane was added thereto, and refluxed again for 12 hours to remove water generated during the reaction. After removing 60 mL of acetic acid as a solvent and cooling to room temperature, N, N'-bis (2,4,6-trimethyl-3-nitrophenyl) -4,4'-hexafluorodiphthalimide (BNHD) Obtained as a precipitate. The precipitate was washed with water, dried and reprecipitated in methanol to give 34 g (96%) of pure BNHD.

녹는점 297∼299 ℃;1H-NMR(CDCl3) δ2.08(s, 6H, -CH3), 2.17(s, 6H, -CH3), 2.32(s, 6H, -CH3), 7.15(s, 2H), 7.92∼7.95(m, 4H), 8.04∼8.07(d, 2H).Melting point 297-299 ° C .; 1 H-NMR (CDCl 3 ) δ2.08 (s, 6H, -CH 3 ), 2.17 (s, 6H, -CH 3 ), 2.32 (s, 6H, -CH 3 ), 7.15 (s, 2H), 7.92-7.95 (m, 4H), 8.04-8.07 (d, 2H).

(4) N,N'-비스(2,4,6-트리메틸-3-아미노페닐l)-4,4'-헥사플로로디프탈이미드(BAHD)(4) N, N'-bis (2,4,6-trimethyl-3-aminophenyll) -4,4'-hexafluorodiphthalimide (BAHD)

N,N'-비스(2,4,6-트리메틸-3-니트로페닐)-4,4'-헥사플로로디프탈이미드(BNHD) 10 g(13.01 mmol)을 DMF 200 mL에 녹인 다음, 10% Pd/C 1 g을 넣고 수소반응장치에 설치하여 50 ℃에서 3 atm의 압력으로 48 시간동안 반응시켰다. 반응 후 여과하여 Pd/C를 제거하였으며, 여과된 반응 용액을 증류하여 DMF를 제거한 다음 n-헥산과 에틸아세테이트 혼합 용매를 이용하여 순수한 N,N'-비스(2,4,6-트리메틸-3-아미노페닐l)-4,4'-헥사플로로디프탈이미드(BAHD)를 얻었다.10 g (13.01 mmol) of N, N'-bis (2,4,6-trimethyl-3-nitrophenyl) -4,4'-hexafluorodiphthalimide (BNHD) was dissolved in 200 mL of DMF, 1 g of 10% Pd / C was placed in a hydrogen reactor, and reacted at 50 ° C. at a pressure of 3 atm for 48 hours. After the reaction, the resultant was filtered to remove Pd / C, and the filtered reaction solution was distilled to remove DMF, followed by pure N, N'-bis (2,4,6-trimethyl-3) using a mixed solvent of n-hexane and ethyl acetate. -Aminophenyll) -4,4'-hexafluoro diphthalimide (BAHD) was obtained.

녹는점 182∼184 ℃; 수득율 약 60 %;1H-NMR(DMSO-d6) δ1.83(s, 6H, -CH3), 1.90(s, 6H, -CH3), 2.11(s, 6H, -CH3), 4.64(s, 4H, -NH2), 6.83 (s, 2H), 7.90∼7.93(d, 4H), 8.12∼8.15(d, 2H).Melting point 182-184 ° C .; Yield about 60%; 1 H-NMR (DMSO-d 6 ) δ 1.83 (s, 6H, -CH 3 ), 1.90 (s, 6H, -CH 3 ), 2.11 (s, 6H, -CH 3 ), 4.64 (s, 4H -NH 2 ), 6.83 (s, 2H), 7.90-7.73 (d, 4H), 8.12-8.15 (d, 2H).

실시예 : 중합체의 합성Example Synthesis of Polymer

교반기, 온도계, 냉각관이 달린 100 mL 4구 플라스크에 m-크레졸 37 mL, AATB 5.999 g(8.465 mmol), 피로멜리트산 이산무수물 2.151 g(8.465 mmol) 그리고 1∼2방울의 이소퀴놀린을 넣고 80 ℃에서 3 시간동안 반응시켰다. 온도를 서서히 195 ℃로 승온시킨 후 8 시간동안 환류시키면서 질소를 불어 주어 생성된 물을 제거하였다. 반응 종료 후 온도를 서서히 상온으로 냉각시킨 다음 과량의 메탄올에 침전시켰다. 침전물을 메탄올로 세척한 다음 120 ℃ 진공 건조기에 넣어 건조시켜 폴리이미드 분말을 제조하였다. 이때 수득율은 95%이었고 N,N'-디메틸아세트아미드(DMAc)를 용매로 하여 0.5 g/dL의 농도로 30 ℃에서 측정한 고유점도는 0.98 dL/g 이었다. 이 폴리이미드 분말 0.5 g이 용해되어 있는 10 wt%의 N,N'-디메틸아세트아미드(DMAc) 용액 100 mL를 유리판상에 도포하고 진공하에서 200 ∼ 300 ℃로 5시간 가열처리하여 용제를 완전히 제거하였다. 그리고, 제조된 폴리이미드의 점도, 유리전이온도 및 기체투과특성은 다음 표 1 및 표 2에 나타내었다.In a 100 mL four-necked flask with a stirrer, thermometer and cooling tube, add 37 mL of m-cresol, 5.999 g (8.465 mmol) AATB, 2.151 g (8.465 mmol) pyromellitic dianhydride and 1-2 drops of isoquinoline. The reaction was carried out for 3 hours at ℃. The temperature was slowly raised to 195 ° C. and nitrogen was blown while refluxing for 8 hours to remove the produced water. After the reaction was completed, the temperature was slowly cooled to room temperature, and then precipitated in excess methanol. The precipitate was washed with methanol and then dried in a 120 ° C. vacuum dryer to prepare a polyimide powder. The yield was 95% and the intrinsic viscosity measured at 30 ° C. at a concentration of 0.5 g / dL using N, N′-dimethylacetamide (DMAc) as a solvent was 0.98 dL / g. 100 mL of 10 wt% N, N'-dimethylacetamide (DMAc) solution in which 0.5 g of this polyimide powder is dissolved is applied onto a glass plate and heated under vacuum at 200 to 300 DEG C for 5 hours to completely remove the solvent. It was. In addition, the viscosity, glass transition temperature and gas permeation characteristics of the prepared polyimide are shown in Table 1 and Table 2.

실시예 2 ∼ 6Examples 2-6

상기 실시예 1과 동일한 방법에 의하되, 다만 테트라카르복실산 이무수물을 변화하여 폴리이미드를 제조하였다. 그리고, 제조된 폴리이미드의 점도, 유리전이온도 및 기체투과특성은 다음 표 1 및 표 2에 나타내었다.By the same method as in Example 1, except that tetracarboxylic dianhydride was changed to prepare a polyimide. In addition, the viscosity, glass transition temperature and gas permeation characteristics of the prepared polyimide are shown in Table 1 and Table 2.

비교예Comparative example

교반기, 온도계, 냉각관이 달린 100 mL 4구 플라스크에 m-크레졸 37 mL, 2,4,6-트리메틸-1,3-페닐렌디아민 1.272 g(8.465 mmol), 6FDA 3.7604 g(8.465 mmol) 그리고 1∼2방울의 이소퀴놀린을 넣고 70 ℃에서 3 시간동안 반응시켰다. 온도를 서서히 200 ℃로 승온시킨 후 10 시간동안 환류시키면서 질소를 불어 주어 생성된 물을 제거하였다. 반응 종료 후 온도를 서서히 상온으로 냉각시킨 다음 과량의 메탄올에 침전시켰다. 침전물을 메탄올로 세척한 다음 150 ℃ 진공 건조기에 넣어 건조시켜 폴리이미드 분말을 제조하였다. 이때 수득율은 93% 이었고 N,N'-디메틸아세트아미드(DMAc)를 용매로 하여 0.5 g/dL의 농도로 30 ℃에서 측정한 고유점도는 0.55 dL/g 이었다. 이 폴리이미드 분말 0.5 g이 용해되어 있는 10 wt%의 N,N'-디메틸아세트아미드(DMAc) 용액 100 mL를 유리판상에 도포하고 진공하에서 200 ∼ 300 ℃로 7시간 가열처리하여 용제를 완전히 제거하였다. 그리고, 제조된 폴리이미드의 점도, 유리전이온도 및 기체투과특성은 다음 표 1 및 표 2에 나타내었다.In a 100 mL four-necked flask with stirrer, thermometer, cooling tube, 37 mL of m-cresol, 1.272 g (8.465 mmol) of 2,4,6-trimethyl-1,3-phenylenediamine, 3.7604 g (8.465 mmol) of 6FDA, and 1 to 2 drops of isoquinoline were added and reacted at 70 ° C. for 3 hours. The temperature was slowly raised to 200 ° C. and nitrogen was blown while refluxing for 10 hours to remove the produced water. After the reaction was completed, the temperature was slowly cooled to room temperature, and then precipitated in excess methanol. The precipitate was washed with methanol and then dried in a 150 ° C. vacuum dryer to prepare a polyimide powder. The yield was 93% and the intrinsic viscosity measured at 30 ° C. at a concentration of 0.5 g / dL using N, N′-dimethylacetamide (DMAc) as a solvent was 0.55 dL / g. 100 mL of 10 wt% N, N'-dimethylacetamide (DMAc) solution in which 0.5 g of this polyimide powder is dissolved is applied onto a glass plate, and is heated under vacuum at 200 to 300 ° C for 7 hours to completely remove the solvent. It was. In addition, the viscosity, glass transition temperature and gas permeation characteristics of the prepared polyimide are shown in Table 1 and Table 2.

본 발명에 따른 신규 폴리이미드는 실용적으로 사용할 수 있는 우수한 기계강도를 갖는 가용성의 폴리이미드로서 필름화 및 중공사화가 극히 용이하게 할 수 있는 이점이 있다. 또한, 본 발명의 신규 폴리이미드는 주쇄에 부피가 큰 헥사플루오르이소프로필리덴기를 가지며 모두 이미드의 질소원자의 오르소 위치가 모두 메틸기로 치환된 페닐렌 디아민으로 이루어져 기체투과도가 매우 큰 폴리이미드의 분자구조를 가지며 또한 고분자 주쇄의 반복단위에 이미드기가 일반적인 폴리이미드 보다 2배로 많아 고분자 주쇄를 강직하게 하여 높은 유리전이온도와 분리특성 및 내열성을 향상시키게 된다. 따라서, 본 발명의 신규 폴리이미드를 소재로사용하여 제조된 기체 분리막은 기체투과도와 선택성과의 우수한 균형을 갖는 효과가 있다The novel polyimide according to the present invention is an soluble polyimide having excellent mechanical strength that can be practically used, and has an advantage of making filming and hollow fiber extremely easy. In addition, the novel polyimide of the present invention has a large hexafluorisopropylidene group in the main chain, and is composed of phenylene diamine in which all ortho positions of nitrogen atoms of the imide are substituted with methyl groups. It has a molecular structure and the imide groups in the repeating unit of the polymer main chain is twice as large as the general polyimide, which makes the polymer main chain rigid, thereby improving high glass transition temperature, separation characteristics and heat resistance. Therefore, the gas separation membrane prepared by using the novel polyimide of the present invention has an effect of excellent balance between gas permeability and selectivity.

Claims (4)

다음 화학식 1을 반복단위로 갖는 폴리이미드.The polyimide having the following formula (1) as a repeating unit. 화학식 1Formula 1 상기 화학식 1에서 :In Formula 1 above: 중에서 선택된 4가기이고,4 selected from 중에서 선택되고, 이때 n은 1 내지 3의 정수를 나타내고;N is an integer of 1 to 3; R2및 R3는 각각 탄소수 1 내지 3의 알킬 또는 할로알킬기, 페닐기, 또는 할로겐원자로 치환된 페닐기를 나타내고;R 2 and R 3 each represent an alkyl or haloalkyl group having 1 to 3 carbon atoms, a phenyl group, or a phenyl group substituted with a halogen atom; 중에서 선택된다.Is selected from. 다음 화학식 2로 표시되는 디아민과, 다음 화학식 3으로 표시되는 테트라카르복실산 무수물을 축중합시키는 것을 특징으로 하는 다음 화학식 1을 반복단위로 갖는 폴리이미드의 제조방법.A method for producing a polyimide having the following formula (1) as a repeating unit by condensation polymerization of a diamine represented by the following formula (2) and a tetracarboxylic anhydride represented by the following formula (3). 화학식 2Formula 2 화학식 3Formula 3 화학식 1Formula 1 상기 화학식에서:은 상기 청구항 1에서 정의한 바와 같다.In the above formula: Is as defined in claim 1 above. 다음 화학식 1을 반복단위로 갖는 폴리이미드를 사용하여 제조된 것임을 특징으로 하는 기체 분리막.Gas separation membrane, characterized in that prepared by using a polyimide having a formula 1 as a repeating unit. 화학식 1Formula 1 상기 화학식 1에서 :은 청구항 1에서 정의한 바와 같다.In Formula 1 above: Is as defined in claim 1. 제 3 항에 있어서, 상기 분리막은 평막형 또는 중공사막형인 것임을 특징으로 하는 기체 분리막.4. The gas separation membrane of claim 3, wherein the separation membrane is a flat membrane or a hollow fiber membrane.
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