KR20040111458A - Ion exchange composite material based on proton conductive silica particles dispersed in a polymer matrix - Google Patents
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Abstract
복합재는 폴리(방향족 에테르 케톤), 또는 폴리(벤조일 페닐렌) 또는 이들의 유도체를 기재로 하는 중합체 매트릭스 중에 분산된 산 작용화된 실리카를 포함한다. 복합재는 실리카 입장의 산성 기능 및 친수성으로 인해 우수한 수분 보유력을 특징으로 한다. 또한, 실리카 입자의 존재로 인해 수소 가스 또는 메탄올 용액과 같은 연료 전지 기술에 일반적으로 사용되는 가스 및 액체 연료로의 우수한 불침투성이 얻어진다. 복합재의 우수한 기계적 특성은 복합재가 얇은 필름 또는 막 형태로 용이하게 형성되도록 한다. 이러한 형태로, 복합재는 연료 전지용 양성자 교환막에, 가스 또는 용매 컨디션닝을 위해 막을 건조시키기거나 가습시키기 위해, 또는 산 촉매 막으로서 사용될 수 있다.Composites include acid functionalized silica dispersed in a polymer matrix based on poly (aromatic ether ketones), or poly (benzoyl phenylene) or derivatives thereof. The composite is characterized by good water retention due to the acidic function and hydrophilicity of the silica position. In addition, the presence of silica particles results in good impermeability to gas and liquid fuels commonly used in fuel cell technologies such as hydrogen gas or methanol solutions. The good mechanical properties of the composites allow the composites to be easily formed into thin films or films. In this form, the composite can be used in a proton exchange membrane for fuel cells, to dry or humidify the membrane for gas or solvent conditioning, or as an acid catalyst membrane.
Description
이온 교환재는 환경적 필요에 따라 전기화학 장치 및 화학 반응에서와 같은 여러 기술분야에서 다양한 용도로 사용된다. 청정 전력 발생에 대한 관심이 증가하면서, 이온 교환재 중에서 양성자 전도성 물질에 대한 많은 연구가 수행되고 있으며, 이의 중요한 대표적인 예가 고분자 전해질 연료 전지(PEMFC)이다.Ion exchange materials are used in a variety of applications in many technical fields, such as in electrochemical devices and chemical reactions, depending on the environmental needs. With increasing interest in generating clean power, many studies have been conducted on proton conductive materials in ion exchange materials, and an important representative example thereof is a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC).
상기 물질의 양성자 전도성은 예를 들어, 물질의 화학 구조에 양성자 교환 기를 혼입시키므로써 수득될 수 있다. 술폰산 작용기는 가장 효과적인 양성자 교환 기중 하나이나, 카르복실산 또는 포스폰산 기 등 또한 양성자 이동에 이용될 수 있다.Proton conductivity of the material can be obtained, for example, by incorporating a proton exchange group into the chemical structure of the material. Sulfonic acid functional groups are one of the most effective proton exchange groups, but carboxylic acid or phosphonic acid groups and the like can also be used for proton transfer.
술폰산 기를 함유하는 퍼플루오르화되거나 부분적으로 플루오르화된 중합체 또는 공중합체에 대한 많은 개발이 이루어졌다. 이러한 부류의 물질들은 예를 들어, 나플론®(Naflon®)(Du Pont de Nemours and Co.)[US 3,282,875; US 4,330,654], 아씨플렉스®(Aciplex®)(Asahi Chemical Industry), 플레미온TM(FlemionTM)(Asahi Glass KK) 또는 고어-실렉트®(Gore-Select®)(W.L. Gore)[US 5,635,041; US 5,547,551; US 5,549,614]라는 상표명으로 시중에서 구입할 수 있다. 친수성 산 영역과 소수성 플루오로카본 영역 간의 상 분리가 일어나 상기 물질에서의 우수한 양성자 전도도에 기여하는 것으로 보인다[참조: T.D. Gierke, G.E. Munn, F.C. Wilson, J. Polym. Sci. Polym. Phys. Ed. 1981, 19, 1687; M. Fujimura, T. Hashimoto, H. Kawai, Macromolecules, 1981, 14, 1309]. 불행히도, 고온(100℃에 근접하는)에서는 수처리가 문제되는 데, 그 이유는 물질의 플루오르화된 주쇄의 소수성이 막을 빠르게 탈수되게 하기 때문이다.Many developments have been made on perfluorinated or partially fluorinated polymers or copolymers containing sulfonic acid groups. This class of materials is described, for example, in Naflon® (Du Pont de Nemours and Co.) [US 3,282,875; US 4,330,654], Assiut Flex ® (Aciplex®) (Asahi Chemical Industry ), play lukewarm TM (Flemion TM) (Asahi Glass KK) or Gore-by Select ® (Gore-Select®) (WL Gore) [US 5,635,041; US 5,547,551; US 5,549,614, commercially available. Phase separation between the hydrophilic acid region and the hydrophobic fluorocarbon region appears to contribute to good proton conductivity in the material. See TD Gierke, GE Munn, FC Wilson, J. Polym. Sci. Polym. Phys. Ed. 1981, 19, 1687; M. Fujimura, T. Hashimoto, H. Kawai, Macromolecules, 1981, 14, 1309]. Unfortunately, at high temperatures (close to 100 ° C.) water treatment is a problem because the hydrophobicity of the fluorinated backbone of the material causes the membrane to be dehydrated quickly.
비교로서, 플루오르화되지 않았으나 술폰화된 중합체 또한 영향력이 적은 탈수 효과를 갖는 우수한 양성자 전도도를 나타낼 수 있다. 강한 화학적 구조, 바람직하게는 방향족 기재 구조는 실질적으로 물질을 고온에서도 우수한 안정성을 갖게 한다. 연료 전지 적용에 가치있는 특성은 이미 예를 들어 폴리(방향족 에테르 케톤류([US 6,355,149]), 폴리(방향족 에테르 술폰) 또는 폴리페닐렌([US 5,403,675])을 기재로 하는 중합체에 대해 입증되었다.As a comparison, unfluorinated but sulfonated polymers can also exhibit good proton conductivity with less influential dehydration effect. The strong chemical structure, preferably the aromatic base structure, substantially gives the material excellent stability even at high temperatures. Valuable properties for fuel cell applications have already been demonstrated for polymers based on, for example, poly (aromatic ether ketones ([US 6,355,149]), poly (aromatic ether sulfone) or polyphenylene ([US 5,403,675]).
물질의 습윤 상태와 건조 상태 간의 치수 변동을 감소시키고, 수분 보유력을증진시키기 위해, 소정의 무기 충전제가 술폰화된 중합체에 첨가될 수 있다. 이러한 경우, 양성자 전도도가 유기 상에 의해 보장되면서, 무기상이 수분 보유력을 보조하고 물질의 팽창을 감소시킨다[참조: "Proceedings of 1998 Fuel Cell Seminar", November 16-19, Palm Spring, California].Certain inorganic fillers may be added to the sulfonated polymer to reduce dimensional variation between the wet and dry states of the material and to enhance moisture retention. In this case, proton conductivity is ensured by the organic phase, while the inorganic phase aids in water retention and reduces the expansion of the material ("Proceedings of 1998 Fuel Cell Seminar", November 16-19, Palm Spring, California).
무기 상 및 유기 상의 유리한 특성들의 조합은 안정한 지속적인 양성자 전도성 상의 형성과 관련된 복합재에 대한 다수의 개발과 연관된다. 이러한 개발에 있어서, 알콕시실란 유도체는 졸-겔 또는 공중합 공정을 거쳐 중합화되어 주로 3차원적으로 가교된 규소-산소 기재 구조로 유도된다[참조: [EP 1223632A2], [EP 0560899B1], [US 6,277,304]]. 이러한 종류의 복합재는 유망하나, 이의 제법 상의 조절이 용이하지 아니하며 종종 달성하기 곤란하다. 뿐만 아니라, 이러한 종류의 구조는 일부 이온 교환능을 용이하게 제공하지 못한다. 복합재의 제법을 보다 단순화시키면, 연료 전지 막과 같은 전기화학적 장치의 개발에 대한 흥미로운 해결책을 제공할 수 있다.The combination of advantageous properties of the inorganic and organic phases is associated with a number of developments for composites involving the formation of stable, continuous proton conductive phases. In this development, the alkoxysilane derivative is polymerized via a sol-gel or copolymerization process to lead to a silicon-oxygen based structure which is mainly three-dimensionally crosslinked [EP 1223632A2], [EP 0560899B1], [US] 6,277,304]. Composites of this kind are promising, but their formulation is not easy to control and is often difficult to achieve. In addition, this kind of structure does not readily provide some ion exchange capacity. Further simplification of the preparation of the composite may provide an interesting solution to the development of electrochemical devices such as fuel cell membranes.
일본 특허 출원 평 11-336986호 [공개일: 2001년 6월 8일; 특허번호 제 2001-155744호; 출원인: 도요타 센트럴 알 앤드 디 랩스, 인크.(Toyota Central R & D Labs, Inc.]에는 작용화된 실리카를 포함하는 고분자량 전해질을 기재로 한 양성자 컨덕터가 기재되어 있다. 술폰산, 카르복실산 및 포스폰산 기로 작용화된 실리카가 언급되어 있다. 전해질에 관해서는, 퍼플루오로 술폰산 유형의 중합체, 스티렌 디비닐 벤젠 술폰산 유형의 중합체 및 스티렌-에틸렌-부타디엔-스티렌 공중합체로서 제한적으로 기술되어 있다. 술폰화된 실리카 및 퍼플루오로 술폰산 중합체를 사용하는 특정 실시예에서, 수득된 막의 전류 밀도는 1 A/㎠에서 0.5볼트이지만, 이는 만족스러운 수준은 아니다. 다른 실시예에서 수득된 막의 전류 밀도에 대해 입수된 데이터는 없다. 실질적으로 실시예 1의 막의 전류 밀도 이하인 것으로 추정된다. 따라서, 전류 밀도를 만족한 수준으로 얻을 수 있는 개선된 막을 제공할 필요가 있다.Japanese Patent Application No. Hei 11-336986 [Published: June 8, 2001; Patent number 2001-155744; Applicant: Toyota Central R & D Labs, Inc. describes proton conductors based on high molecular weight electrolytes comprising functionalized silica. Mention is made of silicas functionalized with phosphonic acid groups Regarding electrolytes, there are limited descriptions as perfluoro sulfonic acid type polymers, styrene divinyl benzene sulfonic acid type polymers and styrene-ethylene-butadiene-styrene copolymers. In certain examples using sulfonated silica and perfluoro sulfonic acid polymers, the current density of the obtained film is 0.5 volts at 1 A / cm 2, but this is not satisfactory. No data have been obtained for: It is assumed that it is substantially less than the current density of the film of Example 1. Therefore, the number satisfying the current density There is a need to provide an improved membrane can be obtained.
캐나다 출원 번호 제 2,292,703호 [공개일: 2000년 6월 8일, 출원인: 유니버시떼 라발 (Universite Laval)]에는 중합체 매트릭스, 및 막의 양성자 전도도를 개선시키는데 기여하는 충전재로 이루어진 전해질 막이 기술되어 있다. 모든 실시예에서, 중합체 매트릭스는 방향족 폴리에테르 케톤(PEEK) 또는 이의 술폰화된 유도체(SPEEK)를 기재로 하면서, 상기 충전재로는 BPO4또는 헤테로다가산을 사용하고 있다. 이 복합재는 중합체 매트릭스 내로 충전재가 점차적으로 가용화되기 때문에 시간에 대한 내성이 없을 것이다.Canadian Application No. 2,292,703 (published: June 8, 2000, Applicant: Universite Laval) describes an electrolyte membrane consisting of a polymer matrix and a filler that contributes to improving the proton conductivity of the membrane. In all examples, the polymer matrix is based on aromatic polyether ketones (PEEK) or sulfonated derivatives thereof (SPEEK), using BPO 4 or heteropolyacids as the filler. This composite will not be time resistant as the filler gradually solubilizes into the polymer matrix.
따라서, 양호한 양성자 교환능을 가지고, 우수한 전류 밀도를 갖는 막을 제공할 뿐만 아니라 시간 내성이 있으면서 용이하게 제조될 수 있는 중합체 매트릭스 내에 분산된 무기 상을 기재로 한 복합재가 요구되고 있다.Accordingly, there is a need for composites based on inorganic phases dispersed in a polymer matrix that can be easily produced while being resistant to time as well as providing membranes with good proton exchange capacity and good current density.
발명의 개요Summary of the Invention
본 발명의 목적은 상기 언급된 문제점들을 해소하는 것이다.It is an object of the present invention to solve the above mentioned problems.
본 발명의 또 다른 목적은 적절한 양자 교환능을 제공하는 이온 교환 복합재를 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide an ion exchange composite that provides adequate proton exchange capacity.
본 발명의 또 다른 목적은 이온 교환 복합재를 용이하게 제조될 수 있는 막 형태로 생산하는 방법을 제공하는 것이다.It is a further object of the present invention to provide a method for producing an ion exchange composite in the form of a membrane which can be easily produced.
본 발명의 또 다른 목적은 양호한 전류 밀도를 지닌 막을 형성하는데 적합한 복합재를 제공하는 것이다.It is a further object of the present invention to provide a composite suitable for forming a film with good current density.
본 발명의 상기 목적 및 그밖의 목적은The above and other objects of the present invention
산 작용화된 실리카 입자,Acid functionalized silica particles,
폴리(방향족 에테르 케톤) 또는 폴리(벤조일 페닐렌), 또는 이의 유도체를 기재로 하는 중합체를 포함하는 잔여물(balance)을 포함하는 복합재를 제공함에 의해 달성될 수 있고, 상기 복합재는 0.6V하에서 약 1A/cm2이상의 전류 밀도를 지닌 막을 제공할 수 있다.It can be achieved by providing a composite comprising a balance comprising a polymer based on poly (aromatic ether ketone) or poly (benzoyl phenylene), or derivatives thereof, the composite being about 0.6V. A film having a current density of 1 A / cm 2 or more can be provided.
복합재는 막 형태로 사용될 수 있다.The composite can be used in the form of a membrane.
본 발명은 고분자 매트릭스 중에 분산된 양성자 전도성 실리카 입자를 기재로 하는 복합재에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 상기 복합재를 제조하고, 예를 들어, 전기화학 장치에 사용될 수 있는 이러한 복합재를 갖는 막, 특히 연료 전지에서 기체 또는 용매 조절을 위한 건조/가습 막 또는 산 촉매 막으로서의 양성자 이온 교환 막을 형성시키는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a composite based on proton conductive silica particles dispersed in a polymer matrix. The present invention also provides a proton ion exchange as a dry / humidified membrane or acid catalyst membrane for the control of gas or solvent in a membrane, in particular a fuel cell, which produces such composite and can be used, for example, in electrochemical devices. A method of forming a film.
본 발명에 따른 복합재에서, 실리카 입자는 술폰산 기, 카르복실산 기 및/또는 포스폰산 기로 작용화되는 것이 바람직하고, 술폰산 기가 바람직하다.In the composite according to the invention, the silica particles are preferably functionalized with sulfonic acid groups, carboxylic acid groups and / or phosphonic acid groups, with sulfonic acid groups being preferred.
바람직한 구체예에 따라, 본 발명의 복합재는 일반적으로 약 10중량% 이상, 바람직하게는 20중량% 이상의 작용화된 실리카 입자를 포함한다.According to a preferred embodiment, the composite of the present invention generally comprises at least about 10% by weight, preferably at least 20% by weight of functionalized silica particles.
중합체 매트릭스를 구성하기 위해 사용된 중합체는, 예를 들어 술폰산 기, 카르복실산 기 및/또는 포스폰산 기, 또는 이들의 유도체로 산 작용화될 수 있다.The polymers used to make up the polymer matrix can be acid functionalized with, for example, sulfonic acid groups, carboxylic acid groups and / or phosphonic acid groups, or derivatives thereof.
상기 산 기는 선형 또는 분지형 알킬 사슬, 선형 또는 분지형 방향족 사슬,또는 선형 또는 분지형 알킬 또는 방향족 사슬로 선형 또는 분지형 알킬 및 방향족 사슬의 조합 (이 때, 사슬은 헤테로원자 및/또는 할로겐 원자를 포함하거나 포함하지 않는다)을 통해 실리카 입자 및/또는 중합체에 공유 결합될 수 있다.The acid group is a linear or branched alkyl chain, a linear or branched aromatic chain, or a combination of linear or branched alkyl and aromatic chains into a linear or branched alkyl or aromatic chain, wherein the chain is a heteroatom and / or a halogen atom. May or may not be covalently bonded to the silica particles and / or polymers).
본 발명에 따른 복합재에서, 실리카 입자는 바람직하게 하기를 특징으로 한다:In the composite according to the invention, the silica particles are preferably characterized by:
i. 10m2/g 내지 1500m2/g의 표면적,i. Surface area from 10 m 2 / g to 1500 m 2 / g,
ii. 0.01㎛ 내지 500㎛의 실리카 입자 크기,ii. Silica particle size of 0.01 μm to 500 μm,
iii. 0 옹스트롬 내지 500 옹스트롬의 실리카 공극 직경.iii. Silica pore diameters from 0 angstroms to 500 angstroms.
이온 교환 기는 일반적으로 실리카 입자에 0.1 내지 5.0mmol/g의 양으로 존재한다.Ion exchange groups are generally present in silica particles in amounts of 0.1 to 5.0 mmol / g.
상기 산 기는 통상적으로 0 mmol/g 내지 5.0 mmol/g의 다양한 양의 중합체에 존재한다.The acid groups are typically present in the polymer in varying amounts of 0 mmol / g to 5.0 mmol / g.
본 발명에 따른 막은 바람직하게는 가습 또는 건조를 위한 연료 전지, 기체 또는 용매의 컨디셔닝, 또는 산 촉매 막으로 사용하기 위한 것이다.The membranes according to the invention are preferably for use as fuel cell, conditioning of gases or solvents for humidification or drying, or as acid catalyst membranes.
복합재는 연료 전지를 위한 양성자 교환 막, 기체 또는 용매 컨디셔닝을 위한 가습 또는 건조 막, 및 산 촉매 막과 같은 전기화학 장치에 사용될 수 있는 막 형태로 용이하게 제조될 수 있다.Composites can be readily prepared in the form of membranes that can be used in electrochemical devices such as proton exchange membranes for fuel cells, humidification or dry membranes for gas or solvent conditioning, and acid catalyst membranes.
실리카 입자는 산 잔기로 작용화되고, 중합체 매트릭스 내부에 분산되는 경우에, 이들은 양성자 교환능을 가지는 무기 친수성 상을 구성한다. 중합체 매트릭스를 포함하는 유기 상은, 중합체의 화학 구조에 초기에 존재하는 이온 교환 기 또는 복합재의 양성자 전도성을 증강시키기 위하여 중합체의 화학 구조에 결합된 이온 교환 기를 함유할 수 있다. 양성자 교환능은 작용화된 중합체 매트릭스 및 분산된 실리카 입자 둘 모두에 의해 달성된다.When the silica particles are functionalized with acid residues and dispersed within the polymer matrix, they constitute an inorganic hydrophilic phase with proton exchange capacity. The organic phase comprising the polymer matrix may contain ion exchange groups bonded to the polymer's chemical structure to enhance the proton conductivity of the composite or ion exchange groups initially present in the polymer's chemical structure. Proton exchange capacity is achieved by both the functionalized polymer matrix and the dispersed silica particles.
수개의 작용기가 상기 복합재에 양성자 교환능을 제공하기에 적절하다. 바람직한 작용기는 산 기, 보다 바람직하게는 술폰기(-SO3H)이다. 다른 산 기가 또한 화학 구조에 이전되어 카르복실(-CO2H) 또는 포스폰(-PO3H2) 산 기와 같은 흥미로운 양성자 전도성을 제공할 수 있다.Several functional groups are suitable for providing proton exchange capacity to the composite. Preferred functional groups are acid groups, more preferably sulfone groups (-SO 3 H). Other acid groups can also be transferred to the chemical structure to provide interesting proton conductivity such as carboxyl (-CO 2 H) or phosphonic (-PO 3 H 2 ) acid groups.
이온 교환 기는 바람직하게는 유기 및 무기 상의 화학 구조에 공유 결합된다. 화학 결합은 바람직하게는 알킬 또는 방향족 사슬 또는 이들의 조합으로 이루어지며, 선형이거나 분지되어 있으며, 최종적으로는 일부 헤테로원자 또는 할로겐 원자를 함유할 수 있다.Ion exchange groups are preferably covalently bonded to the chemical structure of the organic and inorganic phases. Chemical bonds preferably consist of alkyl or aromatic chains or combinations thereof, linear or branched, and may finally contain some heteroatom or a halogen atom.
상기 기술된 바와 같이, 여러 종류의 실리카는 복합재에서 무기상의 형성에 사용될 수 있다. 바람직한 실리카는 다공성 실리카이나, 다른 형태로는 무정형 실리카, 퓸드(fumed) 실리카, 구형 실리카, 불규칙 실리카, 구조화 실리카, 분자체 실리카, 실레스퀴녹산 유도체 및 이의 혼합물이 포함될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 실리카 입자의 양 및 이들의 평균 크기는 연속적인 친수성 상의 형성 및 물질의 기계적 특성에 중요한 역할을 한다.As described above, various kinds of silica can be used for the formation of the inorganic phase in the composite. Preferred silicas are porous silicas, but other forms may include, but are not limited to, amorphous silicas, fumed silicas, spherical silicas, irregular silicas, structured silicas, molecular sieve silicas, silesquinoxane derivatives, and mixtures thereof. . The amount of silica particles and their average size play an important role in the formation of continuous hydrophilic phases and the mechanical properties of the material.
폴리(방향족 에테르 케톤)의 부류 중에서, 바람직한 중합체는 빅트렉스(Victrex, UK)에 의해 제조되고 하기 화학식을 지닌 폴리(옥시-1,4-페닐렌-옥시-1,4-페닐렌-카르보닐-1,4-페닐렌)(PEEK)이다.Among the class of poly (aromatic ether ketones) preferred polymers are poly (oxy-1,4-phenylene-oxy-1,4-phenylene-carbonyl, prepared by Victrex, UK) -1,4-phenylene) (PEEK).
PEEK의 유리전이 온도는 일반적으로 약 200℃이며, 이는 요망하는 내열성 및 내화학성을 가지고 있어 강한 복합물을 야기시킨다.The glass transition temperature of PEEK is generally about 200 ° C., which has the desired heat and chemical resistance leading to strong composites.
술폰화는 술폰화된 물질에 양성자 교환능을 주는 술폰산 기를 이식하여 중합체 구조를 변형시키는 일반적인 방법이다. 양성자 이동능은 물질에서 산 기의 양 및 분산도에 따른다.Sulfonation is a common method of modifying polymer structure by implanting sulfonic acid groups that give proton exchange capacity to sulfonated materials. Proton mobility depends on the amount and dispersion of acid groups in the material.
여러 연구들은 이러한 종류의 구조의 술폰화를 널리 이용하고 있다. 본 발명에서 사용되는 가장 적합한 술폰화법 중 하나는 EP 8895호 및 이후 문헌 (Br.Polym.J., Vol.17, 1985, p.4)에 기술된 바와 같이 진한 H2SO4중에서 술폰화시키는 것이다. 이러한 술폰화 반응은 현저한 사슬 절단 또는 붕괴가 일어나지 않기 때문에 클로로술폰화 공정보다 중합체에 덜 손상을 입힌다. 일단 중합체를 술폰화시키면, 술폰화된 PEEK에 대한 상응하는 화학식은 일반적으로 하기와 같다:Several studies have widely used sulfonation of this kind of structure. One of the most suitable sulfonation methods used in the present invention is sulfonation in concentrated H 2 SO 4 as described in EP 8895 and later (Br.Polym.J., Vol. 17, 1985, p.4). . This sulfonation reaction is less damaging to the polymer than the chlorosulfonation process because no significant chain cleavage or collapse occurs. Once sulfonated the polymer, the corresponding formula for sulfonated PEEK is generally as follows:
술폰화도는 x/n에 상응하며, x는 하나의 술폰산 기를 함유하는 반복 단위의 수에 상응한다. 그러므로, 100% 술폰화된 PEEK는 반복 단위 당 하나의 산 기를 지니거나, 세 개의 방향족 고리 당 하나의 산 기를 지닌다. 술폰화된 중합체 그램 당 술폰산 기의 수는 중합체의 이온 교환능 (IEC)을 결정한다. 예를 들어, 100% 술폰화된 PEEK는 2.9 mmol/g의 IEC를 지닌다.The degree of sulfonation corresponds to x / n, where x corresponds to the number of repeat units containing one sulfonic acid group. Therefore, 100% sulfonated PEEK has one acid group per repeat unit or one acid group per three aromatic rings. The number of sulfonic acid groups per gram of sulfonated polymer determines the ion exchange capacity (IEC) of the polymer. For example, 100% sulfonated PEEK has an IEC of 2.9 mmol / g.
방향족 고리에 결합된 술폰산 기의 양은 온도, 시간, 산 중의 중합체의 농도와 같은 다수의 파라미터에 좌우된다. 양성자 수용력, 용해도, 수분 보유력, 및 팽창 계수와 같은 술폰화된 PEEK (SPEEK)의 다수의 특성은 이의 술폰화율, 즉, 이의 이온 교환능에 따라 달라진다.The amount of sulfonic acid groups bonded to the aromatic ring depends on a number of parameters such as temperature, time, and the concentration of the polymer in the acid. Many properties of sulfonated PEEK (SPEEK), such as proton capacity, solubility, water retention, and coefficient of expansion, depend on its rate of sulfonation, ie its ion exchange capacity.
무기상의 경우, 술폰산 기로 작용화된 실리카를 사용하는 것은 양성자 전도도의 이점을 제공할 뿐만 아니라 비작용화된 실리카 보다 수분 보유력에서 보다 우수한 효능을 제공한다. 전형적으로 산 실리카의 수분 보유력은 통상적인 실리카 보다 2배 높다. 예를 들어, 산 실리카의 수분 보유력은 70%의 상대 습도하의 환경에서 통상적인 실리카가 15%인데 비해 약 30%이다.For the inorganic phase, the use of silica functionalized with sulfonic acid groups not only provides the benefits of proton conductivity but also provides better efficacy in water retention than nonfunctionalized silica. Typically the moisture retention of acid silica is two times higher than that of conventional silica. For example, the moisture retention of acid silica is about 30% compared to 15% of conventional silica in an environment of 70% relative humidity.
실리카의 구조는 수분 보유력에서 또한 중요한 역할을 한다. 예를 들어, 낮은 벌크 밀도 구조는 주로 이의 높은 비면적(specific area)으로 인해 높은 벌크 밀도 실리카에 비해 수분 보유력을 증가시킨다. 전형적으로, 낮은 벌크 밀도 구조는 높은 벌크 밀도 구조 보다 2배 많은 수분을 수용할 수 있다. 예를 들어, 낮은 벌크 밀도 구조를 지닌 실리카의 수분 보유력은 70%의 상대 습도하에서 높은 벌크 밀도 구조를 지닌 실리카의 경우에 7%인데 비해 약 15%이다. 더우기, 낮은 벌크 밀도 구조에서 직면하게 되는 바와 같은 큰 표면적은 무기 화합물에 있어서 산 작용기의 로딩을 개선시킨다. 예를 들어, 작용화된 낮은 벌크 밀도 실리카의 로딩은일반적으로 1.7mmol/g이며, 이는 일반적으로 다공성의 높은 벌크 밀도 실리카에 대한 0.9mmol/g인 것에 두배이다.The structure of the silica also plays an important role in water retention. For example, low bulk density structures increase water retention compared to high bulk density silicas primarily due to their high specific area. Typically, low bulk density structures can receive twice as much moisture as high bulk density structures. For example, the moisture retention of silica with low bulk density structure is about 15% compared to 7% for silica with high bulk density structure under 70% relative humidity. Moreover, the large surface area as encountered in low bulk density structures improves the loading of acid functional groups in inorganic compounds. For example, the loading of functionalized low bulk density silica is generally 1.7 mmol / g, which is generally doubled to 0.9 mmol / g for porous high bulk density silica.
낮은 벌크 밀도 술폰산 실리카는 일반적으로 문헌(Chem. Mater. 2000, Vol. 12, p. 2448)에 기재된 바와 같은 공축합 공정을 거쳐 제조될 수 있다. 또한, 술폰산 기는 예를 들어 문헌(J. Chromato. 1976, Vol. 117, p. 269)에 기술된 방법을 사용하여 높은 벌크 밀도 실리카 상에서 그라프팅될 수 있다. 술폰산 기를 실리카 입자에 결합시키는 데는 여러 결합 유형이 가능하다. 본 발명에서는 바람직하게는 결합이 프로필페닐 사슬에 의하여 이루어지나 이로 제한되는 것은 아니다. 또한, 이러한 결합은 화학 구조에 헤테로원자 및/또는 할로겐의 존재 또는 부재 하에, 임의의 알킬 유도체 또는 방향족 유도체 및 이들의 조합을 포함할 수 있다.Low bulk density sulfonic acid silicas can generally be prepared via a co-condensation process as described in Chem. Mater. 2000, Vol. 12, p. 2448. In addition, sulfonic acid groups can be grafted on high bulk density silica using, for example, the methods described in J. Chromato. 1976, Vol. 117, p. 269. Several bonding types are possible for bonding sulfonic acid groups to silica particles. In the present invention, the bonding is preferably made by a propylphenyl chain, but not limited thereto. Such bonds may also include any alkyl derivative or aromatic derivative and combinations thereof, with or without heteroatoms and / or halogens in the chemical structure.
복합재는 산 실리카 입자를 중합체 매트릭스에 첨가하고, 둘을 균질하게 혼합하므로써 제조된다. 바람직한 방법은 중합체 용액의 동일 용매 또는 혼화가능한 용매 중의 실리카 현탁액 또는 실리카 입자가 첨가되는 중합체 용액을 통해 진행한다. 이후, 상기 현탁액은 균질환된 후, 균일한 박층으로 펼쳐지고 건조된다. 또한, 용융 상 기재 공정과 같은 용매를 사용하지 않고도, 만족스러운 혼합물이 얻어질 수 있다.The composite is made by adding acid silica particles to the polymer matrix and mixing the two homogeneously. The preferred method proceeds through a polymer solution to which silica suspension or silica particles in the same solvent or miscible solvent of the polymer solution is added. The suspension is then homogenized, then spread out to a uniform thin layer and dried. In addition, satisfactory mixtures can be obtained without using a solvent, such as a melt phase substrate process.
복합재의 기계적 특성은 주로 중합체 매트릭스 상의 특성 및 실리카 함량에 의존한다. 기계적 특성은 파괴없이 조작될 수 있는 필름 두께의 최저치를 결정한다. 지나치게 경질인 중합체는 파괴하지 않고 얇은 필름이 충분히 변형되도록 하지 않으며, 지나치게 가용성인 구조는 얇은 필름 형태에 복합재를 보유하지 않는다. 이와 동일하게, 지나치게 많은 무기 입자는 우수한 내인렬성을 방해하여 필름을 매우 부서지기 쉽게 한다.The mechanical properties of the composite depend mainly on the properties on the polymer matrix and on the silica content. The mechanical properties determine the lowest value of the film thickness that can be manipulated without breaking. Overly rigid polymers do not break and do not allow thin films to be sufficiently deformed, and overly soluble structures do not have composites in the form of thin films. Equally, too many inorganic particles interfere with good tear resistance, making the film very brittle.
복합재의 용해도 특성은 특히 중합체 매트릭스의 특성에 의존한다. 앞서 언급된 바와 같이, 중합체의 용해도는 온도 및 이온 교환능에 의존한다. 복합재가 수화 상태를 위해 물과 같은 특정 액체 중에 사용될 수 있는 최대 온도는 직접적으로 중합체의 용해도 특성과 관련된다. 10 내지 30중량%에서 변동할 수 있는 복합재 중 충분량의 실리카는 양성자 전도도를, 사용된 상응하는 실리카의 밀도에 의존하는 정도로 개선시킨다.The solubility properties of the composites depend in particular on the properties of the polymer matrix. As mentioned above, the solubility of the polymer depends on the temperature and the ion exchange capacity. The maximum temperature at which the composite can be used in certain liquids, such as water for hydration, is directly related to the solubility properties of the polymer. A sufficient amount of silica in the composite, which can vary from 10 to 30% by weight, improves the proton conductivity to an extent that depends on the density of the corresponding silica used.
본 발명에서, 다수의 파라미터는 최종 복합재의 특성을 조절하도록 용이하게 변경될 수 있다. 일반적으로, 하기 파라미터는 복합재의 제형에 고려되어야 된다: 용매 용해도, 이용 온도, 최종 형태의 복합재의 두께 및 예상된 이온 교환값. 이후, 중합체 매트릭스의 상응하는 술폰화율이 결정된다. 실리카의 특성은 이후 주로 바람직한 산 로딩 및 수분 보유력에 의존하는 다공성 요건을 고려하여 평가된다.In the present invention, a number of parameters can be easily changed to adjust the properties of the final composite. In general, the following parameters should be considered in the formulation of the composite: solvent solubility, temperature of use, thickness of the composite in the final form and expected ion exchange values. The corresponding sulfonation rate of the polymer matrix is then determined. The properties of the silica are then evaluated taking into account the porosity requirements, which mainly depend on the desired acid loading and water retention.
도면의 간단한 설명Brief description of the drawings
본 발명은 첨부되는 도면에 의해 예시된다.The invention is illustrated by the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 막의 전류 밀도 대 전압의 분극화 곡선이다.1 is a polarization curve of current density versus voltage of a film according to the present invention.
본 발명은 또한 하기 비제한적 실시예에 의해 예시된다.The invention is also illustrated by the following non-limiting examples.
실시예 1Example 1
PEEK의 술폰화Sulfonation of PEEK
55% 술폰화된 SPEEK를, 예를 들어, 2ℓ의 H2SO4(H2O중의 95 내지 98%)중의 50g의 PEEK를 48 시간 동안 실온에서 교반함으로써 얻었다. 용액을 H2O에 붓고, 술폰화된 PEEK(SPEEK)에 상응하는 고형상을 5ℓ의 순수한 물 중에서 2 내지 3회 격렬하게 세척하였다. 분리한 고형물을 먼저 약 70℃의 오븐에서 하루밤 동안 건조시키고, 이어서, 다시 세척한 후에, 진공하에 100℃에서 수 일 동안 건조시켰다. 약 40g의 SPEEK를 얻었다(수율 약 80%). 기초적인 분석을 통해서 술폰화된 중합체의 황 함량을 얻고 상응하는 이온 교환능(IEC: ion exchange capacity)을 계산하였다. 1.6±0.1 mmol/g의 IEC를 얻었으며, 이는 약 55%의 술폰화율에 상응한다.55% sulfonated SPEEK was obtained, for example, by stirring 50 g PEEK in 2 L of H 2 SO 4 (95-98% in H 2 O) at room temperature for 48 hours. The solution was poured into H 2 O and the solid corresponding to sulfonated PEEK (SPEEK) was washed vigorously two or three times in 5 L of pure water. The separated solid was first dried overnight in an oven at about 70 ° C., then washed again and then dried at 100 ° C. for several days under vacuum. About 40 g of SPEEK was obtained (yield about 80%). Basic analysis yielded the sulfur content of the sulfonated polymer and calculated the corresponding ion exchange capacity (IEC). An IEC of 1.6 ± 0.1 mmol / g was obtained, which corresponds to a sulfonation rate of about 55%.
실시예 2Example 2
복합 필름 제제Composite film formulation
a) 1g의 55% 술폰화된 PEEK(SPEEK55)를 실온에서 10ml의 디메틸포름아미드(DMF)에 용해시키고, 필터지상에서 여과하였다. 2ml의 DMF중의 0.2707g의 술폰산 그라프팅된 실리카의 현탁액을 등명한 중합체 용액에 가하였다. 교반 후에, 균질한 혼합물을 385cm2유리판 상에 펼치고, 70℃에서 수 일 동안 건조시켰다. 용매를 완전히 증발시킨 후에, 유리판을 물에 침지시켜 필름을 제거하였다. 건조시킨 후에, 80중량%의 55% 술폰화된 PEEK 및 20중량%의 산 실리카로 구성된 복합 필름의 두께는 40±10㎛였다.a) 1 g of 55% sulfonated PEEK (SPEEK55) was dissolved in 10 ml of dimethylformamide (DMF) at room temperature and filtered over filter paper. A suspension of 0.2707 g of sulfonic acid grafted silica in 2 ml of DMF was added to the clear polymer solution. After stirring, the homogeneous mixture was spread on a 385 cm 2 glass plate and dried at 70 ° C. for several days. After the solvent was completely evaporated, the glass plate was immersed in water to remove the film. After drying, the thickness of the composite film consisting of 80% by weight 55% sulfonated PEEK and 20% by weight acid silica was 40 ± 10 μm.
b) 0.1755g의 SPEEK55를 1.7ml의 DMF에 용해시키고, 여과하였다. 0.0195g의술폰산 그라프팅된 실리카를 중합체 용액에 가하였다. 균질화시킨 후에, 혼합물을 25cm2유리판 상에 펼쳤다. 건조시킨 후에, 90중량%의 55% 술폰화된 PEEK 및 10중량%의 산 실리카로 구성된 복합 필름의 두께는 50㎛였다.b) 0.1755 g of SPEEK55 was dissolved in 1.7 ml of DMF and filtered. 0.0195 g of sulfonic acid grafted silica was added to the polymer solution. After homogenization, the mixture was spread on a 25 cm 2 glass plate. After drying, the thickness of the composite film consisting of 90% by weight 55% sulfonated PEEK and 10% by weight acid silica was 50 μm.
실시예 3Example 3
연료 전지 시험을 위한 복합 필름상의 전극 침착Electrode Deposition on Composite Films for Fuel Cell Testing
시판중인 Pt/C 전극(일렉트로켐 인코포레이티드사(ElectroChem Inc.)로부터의 Pt/Vulcan XC-72)을 복합 필름상에 고착시키는데, 두 개의 전극의 한 측면에 소량의 SPEEK55 10% DMF 용액(w/v)을 도포하여 두 전극 사이에 막을 끼워넣으므로써 복합 필름상에 고착시켰다. 어셈블리를 진공하에 실온에서 하루 동안 건조시키고, 진공하에 60℃에서 하루 밤 동안 건조시키고, 80℃에서 수 일 동안 건조시켰다.A commercially available Pt / C electrode (Pt / Vulcan XC-72 from ElectroChem Inc.) is fixed on the composite film, with a small amount of SPEEK55 10% DMF solution on one side of the two electrodes. (w / v) was applied to fix the film on the composite film by sandwiching the membrane between the two electrodes. The assembly was dried for one day at room temperature under vacuum, overnight at 60 ° C. under vacuum, and for several days at 80 ° C.
실시예 4Example 4
성능 비교Performance Comparison
본 발명에 따른 막에 의해서 얻은 성능을 JP 2001-155744호(예 1)에 따른 막에 의해서 얻은 성능과 비교하였다.The performance obtained by the membrane according to the invention was compared with the performance obtained by the membrane according to JP 2001-155744 (Example 1).
일본국 참조 특허의 복합재는 5%(w/v)의 중합체 용액내에 혼합된 무기상을 함유한다. 무기상은 결합제로서 페닐실란으로 그라프팅된 퓸드 실리카(fumed silica)이며, 그 후에, H2SO4cc와 반응된다. 유기상은 무기상의 결합제이다. 본 경우에 있어서, 나피온®(Nafion®), 즉, 퍼플루오르화된 중합체 함유 술폰산 기가 사용된다. 실험을 위해서, 연료 전지를 22psig의 H2/공기하에 80℃에서작동시켰다. 0.6V 내지 0.7V의 전압하에, 연료 전지는 0.5A/cm2의 전류 밀도를 생성시켰으며, 0.5V하에서는 1A/cm2를 생성시켰다. 일본국 참조 특허에 따른 막은 1 중량%의 실리카를 함유하지만, 본 발명에 따른 막은 20중량%의 실리카를 함유함을 주지할 수 있다.The composite of the Japanese reference patent contains an inorganic phase mixed in 5% (w / v) polymer solution. The inorganic phase is fumed silica grafted with phenylsilane as binder, which is then reacted with H 2 SO 4 cc. The organic phase is a binder of the inorganic phase. In this case, Nafion®, ie perfluorinated polymer containing sulfonic acid groups, are used. For the experiment, the fuel cell was operated at 80 ° C. under 22 psig H 2 / air. Under a voltage of 0.6V to 0.7V, the fuel cell is a stylized create a current density of 0.5A / cm 2, 0.5V was produced under the 1A / cm 2. It can be noted that the membrane according to the Japanese reference patent contains 1% by weight of silica, while the membrane according to the present invention contains 20% by weight of silica.
본 발명에 따른 복합재는 10%(w/v)의 양으로 중합체 용액내에 혼합된 무기상을 함유한다. 무기상은 공축합에 의해 얻고 클로로술폰화에 의해서 작용화된 실리카를 함유한다. 유기상은 SPEEK이다. 실험을 위해서, 연료 전지를 20/30psig의 H2/공기 하에 75℃에서 작동시켰다. 0.7V의 전압하에, 연료 전지는 1A/cm2의 전류 밀도를 생성시켰으며, 0.6V의 전압 하에서는 1.7A/cm2내지 1.8A/cm2를 생성시켰고, 0.5V의 전압 하에에서는 2.2 A/cm2내지 2.3A/cm2를 생성시켰다.The composite according to the invention contains the inorganic phase mixed in the polymer solution in an amount of 10% (w / v). The inorganic phase contains silica which is obtained by cocondensation and functionalized by chlorosulfonation. The organic phase is SPEEK. For the experiment, the fuel cell was operated at 75 ° C. under 20/30 psig H 2 / air. Under a voltage of 0.7 V, the fuel cell produced a current density of 1 A / cm 2 , produced 1.7 A / cm 2 to 1.8 A / cm 2 under a voltage of 0.6 V, and 2.2 A / under a voltage of 0.5 V cm 2 to 2.3 A / cm 2 were produced.
유사한 작동 조건하에서, 본 발명은 일본국 특허의 전류 밀도 보다 아주 더 높은 전류 밀도를 생성시켰는데, 이러한 결과는 사용되는 물질이 실시예 1에서와 같이 제조되는 g당 1.4mmol의 술폰산 기를 함유하는 20중량%의 실리카와 80중량%의 SPEEK55로 제조되고 있는 도 1로부터 알 수 있을 것이다.Under similar operating conditions, the present invention produced a much higher current density than the current density of the Japanese patent, which results in that the material used contains 20 mmoles of sulfonic acid groups per g produced as in Example 1. It can be seen from FIG. 1, which is made of wt% silica and 80 wt% SPEEK55.
본 발명은 상기 구체예로 제한되는 것이 아니며 많은 변화가 첨부된 청구범위내에서 가능하다는 것을 이해해야 한다.It is to be understood that the invention is not limited to the above embodiments, and that many variations are possible within the scope of the appended claims.
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