KR20080045881A - Sulphonated multi block copolymer synthesized by one-step polymerization and electrolyte membrane using the same - Google Patents

Sulphonated multi block copolymer synthesized by one-step polymerization and electrolyte membrane using the same Download PDF

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KR20080045881A
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Abstract

A method for preparing sulfonated multi block copolymers is provided to improve productivity by block-copolymerizing hydrophilic blocks and hydrophobic blocks continuously in a reactor without going through a work-up step. A method for preparing sulfonated multi block copolymers includes the steps of: (a) charging a bisphenol-based monomer or aromatic dihalogen-based monomer, a bisphenol-based monomer having an acid substituent or aromatic dihalogen-based monomer having an acid substituent, a carbonate anhydride catalyst, and a first organic solvent into a reactor, and performing polymerization to prepare hydrophilic blocks; and (b) putting a bisphenol-based monomer, an aromatic dihalogen-based monomer, a carbonate anhydride catalyst, and a second organic solvent into the reactor containing the prepared hydrophilic blocks and the first organic solvent, and performing polymerization to prepare hydrophobic blocks and to prepare multi block copolymers at the same time.

Description

술폰화 멀티 블록 공중합체의 제조방법{SULPHONATED MULTI BLOCK COPOLYMER SYNTHESIZED BY ONE-STEP POLYMERIZATION AND ELECTROLYTE MEMBRANE USING THE SAME}Method for producing sulfonated multi-block copolymer {SULPHONATED MULTI BLOCK COPOLYMER SYNTHESIZED BY ONE-STEP POLYMERIZATION AND ELECTROLYTE MEMBRANE USING THE SAME}

도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 제조한 술폰화 멀티 블록 공중합체와 나피온 115의 수소이온전도도를 측정한 결과이다.1 is a result of measuring the hydrogen ion conductivity of the sulfonated multi-block copolymer prepared according to an embodiment of the present invention and Nafion 115.

본 발명은 술폰화 멀티 블록 공중합체의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 워크업 과정을 거치지 않고 한 반응기 내에서 연속적으로 친수 블록 및 소수 블럭을 블록 공중합시키는 것을 특징으로 하는 술폰화 멀티 블록 공중합체의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a sulfonated multi-block copolymer, and more particularly, sulfonated multi-block air, characterized in that the block copolymerization of the hydrophilic block and the hydrophobic block continuously in one reactor without a work-up process It relates to a method for producing the coalescence.

연료전지는 연료와 산소의 전기화학적 반응에 의해 발생하는 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 에너지 전환 장치로써 높은 에너지 효율성과 오염물 배출이 적은 친환경적인 특징으로 산업용, 가정용, 차량용 뿐만 아니라 휴대용 장치 같은 소형 전기/전자 제품의 전력공급에 적용될 수 있는 차세대 에너지원으로서 많이 연구 개발되고 있다. A fuel cell is an energy conversion device that converts chemical energy generated by the electrochemical reaction of fuel and oxygen directly into electrical energy. It is an eco-friendly feature with high energy efficiency and low emission of pollutants. It is being researched and developed a lot as a next generation energy source that can be applied to power supply of electric / electronic products.

이러한 연료전지의 종류는 40에서 80℃ 정도의 온도에서 사용되는 고분자 전해질 연료전지(PEFC : Polymer Electrolyte Fuel Cell), 65에서 220℃의 온도에서 사용되는 알칼리 전해질형 연료전지(AFC : Alkaline Fuel Cell), 200℃ 부근에서 적용되는 인산형 연료전지(PAFC : Phosphoric Acid Fuel Cell), 650℃에서 작동하는 용융탄산염 연료전지(MCFC : Molten Carbonate Fuel Cell) 그리고 600이상 1000℃정도에서 작용되는 고체산화물 연료전지(SOFC : Solid Oxide Fuel Cell) 등으로 구분될 수 있으며, 사용되는 전해질에 따라 연료전지의 작동온도 및 구성 부품의 재질들이 달라진다. The type of fuel cell is a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) used at a temperature of 40 to 80 ℃, an alkaline electrolyte fuel cell (AFC) used at a temperature of 65 to 220 ℃. Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC) applied at around 200 ℃, Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) operating at 650 ℃ and solid oxide fuel cell operating at over 600 ℃ (SOFC: Solid Oxide Fuel Cell), etc., depending on the electrolyte used, the operating temperature of the fuel cell and the materials of the components are different.

이중 고분자 전해질 연료전지(PEFC)는 낮은 작동온도, 고체 전해질 사용으로 인한 누수문제 배제, 빠른 구동 등의 장점으로 휴대용, 차량용, 및 가정용 전원장치로 각광 받고 있다. 또한 다른 형태의 연료전지에 비하여 전류밀도가 큰 고출력 연료전지로서 100 ℃ 미만의 온도에서 작동되고 구조가 간단하며 빠른 시동과 응답 특성, 및 우수한 내구성을 가지고 있을 뿐만 아니라, 높은 출력 밀도로 소형화가 가능하기 때문에 휴대용 연료전지로의 연구가 계속 진행되고 있다. 이런 고분자 전해질 연료전지는 애노드에 대한 연료 공급 방식에 따라 수소가스를 공급하는 고분자 전해질 막 연료전지(PEMFC : Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)와 액체 연료를 공급하는 직접 메탄올 연료전지(DMFC : Direct Methanol Fuel Cell)로 나뉘어 질 수 있다.The double polymer electrolyte fuel cell (PEFC) has been spotlighted as a portable, vehicle, and home power supply due to its low operating temperature, elimination of leakage due to the use of a solid electrolyte, and fast driving. In addition, it is a high-output fuel cell with a higher current density than other fuel cells, which operates at temperatures below 100 ° C, has a simple structure, fast start-up and response characteristics, and excellent durability, and can be miniaturized with high power density. As a result, research into portable fuel cells continues. The polymer electrolyte fuel cell is a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) for supplying hydrogen gas and a direct methanol fuel cell (DMFC) for supplying liquid fuel according to a fuel supply method for the anode. Can be divided into

일반적으로 고분자 전해질 연료전지에서 사용되는 전해질 막은 애노드에서 연료의 산화반응에 의해 생성된 수소이온이 캐소드로 이동하기 위한 통로역할을 할 뿐만 아니라 애노드와 캐소드를 전기적으로 분리시키고 두 전극을 격리시키는 분리막 역할을 한다. 따라서 고분자 전해질 연료전지에 사용되는 전해질 막은 많은 양의 수소이온을 빠르게 이동시키기 위해 높은 수소이온 전도도를 가져야 하며, 전기화학적으로 안정해야 하고, 두 전극을 분리시키는 분리막으로서의 기계적 강도를 가지고, 작동온도에서의 열적 안정성을 가져야 한다. 이 외에도 고분자 전해질 막 제조를 위해 고분자의 박막화가 가능해야 하며, 연료로 사용되는 메탄올등에 대한 화학적 안정성도 지녀야 한다.In general, an electrolyte membrane used in a polymer electrolyte fuel cell serves as a separator for hydrogen ions generated by oxidation of fuel at the anode to move to the cathode, as well as to electrically separate the anode and the cathode and to isolate the two electrodes. Do it. Therefore, the electrolyte membrane used in the polymer electrolyte fuel cell must have high hydrogen ion conductivity, electrochemically stable, and have mechanical strength as a separator separating the two electrodes in order to move large amounts of hydrogen ions quickly, and at operating temperature It should have thermal stability of. In addition, the thin film of the polymer should be possible for the preparation of the polymer electrolyte membrane, and should have chemical stability against methanol used as fuel.

현재 고분자 전해질 연료전지에서 가장 많이 사용되는 전해질 막은 미국 듀퐁(Du Pont)사의 상품인 나피온(Nafion, 퍼플루오르화 술폰산 중합체)으로 이는 불소화된(perfluorinated) 고분자 전해질로써 이온전도도, 화학적 안정성, 이온 선택성 등이 우수하다는 장점이 있다. 그러나 불소화된 고분자 전해질막은 우수한 성능에 반하여 높은 가격으로 인해 산업용으로써의 이용도가 낮으며, 메탄올이 고분자막을 통과하는 메탄올 투과성(methanol crossover)이 높고, 100℃ 이상의 고온에서 막이 함유하고 있는 물을 잃게 됨으로써 고분자막의 효율이 감소되는 단점이 있다. 따라서 최근 가격면에서 경쟁이 가능한 탄화수소 이온 교환막에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는 실정이다.Currently, the most commonly used electrolyte membrane in polymer electrolyte fuel cells is Nafion (perfluorinated sulfonic acid polymer), a product of Du Pont, USA. It is a perfluorinated polymer electrolyte, which has ion conductivity, chemical stability, and ion selectivity. There is an advantage that the back is excellent. However, fluorinated polyelectrolyte membranes are not suitable for industrial use due to their high price, while their performance is high, methanol has high methanol crossover through the polymer membrane, and loses the water contained in the membrane at a high temperature of 100 ° C. or higher. As a result, the efficiency of the polymer membrane is reduced. Accordingly, research on hydrocarbon ion exchange membranes that can compete in terms of price is being actively conducted.

미국특허 제2004-186262호는 탄화수소로 이루어진 소수 블록(hydrophobic block)과 탄화수소로 이루어진 이온 전도성을 갖는 친수 블록(hydrophilic block)이 교대로 이어진 멀티 블록 공중합체(multi block copolymer) 고분자 전해질 막의 제조방법에 대하여 개시하고 있다. 상기 방법은 멀티 블록 공중합체의 낮은 용해도 로 인하여 박막 제조시 -SO3K 형태의 공중합체를 티오닐클로라이드(SOCl2)를 사용하여 -SO2Cl로 전환시켜 박막을 제조한 후, 이를 다시 -SO3H 형태의 고분자 박막으로 수화(hydrolysis)시켜 고분자 박막에 수소 이온 전도성을 부여하였다. 그러나 상기 방법은 제조공정이 복잡하고, 비록 멀티 블록 공중합체로부터 이온 전도성 고분자 박막을 제조하였으나 고분자 박막의 기계적 집적도(mechanical integrity)가 연료전지 구동 시 요구되는 수준에 미치지 못한다는 문제점이 있었다.US Patent No. 2004-186262 discloses a method for producing a multi-block copolymer polymer electrolyte membrane in which a hydrophobic block made of hydrocarbons and a hydrophilic block having ion conductivity made of hydrocarbons are alternately connected. It is disclosed. Due to the low solubility of the multi-block copolymer, a thin film was prepared by converting a -SO 3 K type copolymer into -SO 2 Cl using thionyl chloride (SOCl 2 ) during thin film preparation, and then again- Hydrolysis was performed with a SO 3 H-type polymer thin film to impart hydrogen ion conductivity to the polymer thin film. However, the method has a complicated manufacturing process, and although the ion conductive polymer thin film is manufactured from the multi-block copolymer, there is a problem that the mechanical integrity of the polymer thin film does not reach the level required for driving the fuel cell.

한국특허 10-2004-0110487호는 탄화수소로 이루어진 소수 블록(hydrophobic block)과 친수 블록(hydrophilic block)이 교대로 이어진 브렌치된 술폰화 멀티 블록 공중합체(branched and sulfonated multi block copolymer) 고분자 전해질 막의 제조방법에 대해여 개시하고 있다. 상기 방법은 기계적, 화학적 물성이 적당하고 이온 전도성이 뛰어난 고분자 전해질 막의 제조에 대한 방법을 제시하고 있으나, 멀티 블록 공중합체의 합성 과정이 다소 번거롭다는 문제점이 있었다.Korean Patent No. 10-2004-0110487 discloses a method for producing a branched and sulfonated multi block copolymer polymer electrolyte membrane in which a hydrophobic block and a hydrophilic block made of hydrocarbons are alternately connected. It is disclosed about. Although the above method suggests a method for preparing a polymer electrolyte membrane having suitable mechanical and chemical properties and excellent ion conductivity, there is a problem in that the synthesis process of the multi-block copolymer is somewhat cumbersome.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 워크업 과정을 거치지 않고 한 반응기 내에서 연속적으로 제조함으로써 생성성을 향상시킬 수 있는 술폰화 멀티 블록 공중합체의 제조방법을 제공하는 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is to provide a method for producing a sulfonated multi-block copolymer that can be produced by continuously producing in one reactor without undergoing a work-up process.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 In order to achieve the above object, the present invention

본 발명은 The present invention

a) 반응기 내에 비스페놀계 단량체 또는 방향족 디할로겐계 단량체, 산 치환체를 갖는 비스페놀계 단량체 또는 산 치환체를 갖는 방향족 디할로겐계 단량체, 탄산염 무수물 촉매 및 유기용매를 넣고 중합하여 친수 블록을 제조하는 단계; 및a) preparing a hydrophilic block by adding a bisphenol monomer or an aromatic dihalogen monomer, a bisphenol monomer having an acid substituent or an aromatic dihalogen monomer having an acid substituent, a carbonate anhydride catalyst and an organic solvent in a reactor; And

b) 상기 제조된 친수 블록 및 상기 유기용매를 포함하는 상기 반응기 내에서, 비스페놀계 단량체, 방향족 디할로겐계 단량체, 탄산염 무수물 촉매 및 유기용매를 첨가하고 중합하여 소수 블록을 제조하는 동시에 멀티 블록 공중합체를 제조하는 단계; 를 포함하는 술폰화 멀티 블록 공중합체의 제조방법을 제공한다.b) in the reactor comprising the prepared hydrophilic block and the organic solvent, a bisphenol-based monomer, an aromatic dihalogen-based monomer, a carbonate anhydride catalyst and an organic solvent are added and polymerized to prepare a hydrophobic block, while at the same time multi-block copolymer Preparing a; It provides a method for producing a sulfonated multi-block copolymer comprising a.

또한, a) 반응기 내에 비스페놀계 단량체, 방향족 디할로겐계 단량체, 탄산염 무수물 촉매 및 제1유기용매를 넣고 중합하여 소수 블록을 제조하는 단계; 및In addition, a) adding a bisphenol-based monomer, an aromatic dihalogen-based monomer, a carbonate anhydride catalyst and a first organic solvent in a reactor to prepare a hydrophobic block; And

b) 상기 제조된 소수 블록 및 상기 제1유기용매를 포함하는 상기 반응기 내에서, 비스페놀계 단량체 또는 방향족 디할로겐계 단량체, 산 치환체를 갖는 비스페놀계 단량체 또는 산 치환체를 갖는 방향족 디할로겐계 단량체, 탄산염 무수물 촉매 및 제2유기용매를 첨가하고 중합하여 친수 블록을 제조하는 동시에 멀티 블록 공중합체를 제조하는 단계; 를 포함하는 술폰화 멀티 블록 공중합체의 제조방법을 제공한다.b) a bisphenol-based monomer or an aromatic dihalogen-based monomer, a bisphenol-based monomer having an acid substituent or an aromatic dihalogen-based monomer having an acid substituent, or a carbonate in the reactor including the prepared hydrophobic block and the first organic solvent Adding and polymerizing an anhydride catalyst and a second organic solvent to prepare a hydrophilic block and simultaneously preparing a multi-block copolymer; It provides a method for producing a sulfonated multi-block copolymer comprising a.

또한, 본 발명은 상기 친수 블록 또는 소수 블록을 제조함에 있어서 브렌처를 첨가함으로써 브렌치된 술폰화 멀티 블록 공중합체의 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a method for producing a branched sulfonated multiblock copolymer by adding a brancher in preparing the hydrophilic block or the minority block.

또한, 본 발명은 술폰화 멀티 블록 공중합체에 산 용액을 가하여 술폰산염을 술폰산으로 치환하여 제조되는 것을 특징으로 하는 수소처리된 술폰화 멀티 블록 공중합체를 제공한다.The present invention also provides a hydrotreated sulfonated multiblock copolymer, which is prepared by adding an acid solution to a sulfonated multiblock copolymer to replace the sulfonate with sulfonic acid.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다. EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, this invention is demonstrated in detail.

본 발명은 술폰화 멀티 블록 공중합체의 제조방법에 관한 것으로서, 친수 블록(branched hydrophilic block)과 소수 블록(branched hydrophobic block)을 중합함에 있어서 기존과 같이 우선 제조한 블록을 분말화 하기 위해 용매 제거 후 당해 블록을 분리 건조하는 과정(이하, 상기 과정을 워크업 과정이라 함.)을 거치지 않고, 한 반응기 내에서 바로 상기 친수 블록 및 소수블럭을 블록 공중합 시킴으로써 보다 간단하게 박막의 기계적 집적도를 유지시켜주는 소수 블록과 박막에 이온전도성을 부여하는 친수 블록이 교대로된 화학적 결합을 만들어주게 된다.The present invention relates to a method for preparing a sulfonated multi-block copolymer, in which a solvent prepared for powdering a previously prepared block is polymerized after polymerizing a branched hydrophilic block and a branched hydrophobic block. Without the process of separating and drying the block (hereinafter, referred to as a work-up process), the copolymerization of the hydrophilic block and the hydrophobic block directly in a reactor to maintain the mechanical density of the thin film more simply Minority blocks and hydrophilic blocks that impart ion conductivity to the thin film create alternating chemical bonds.

상기 술폰화 멀티 블록 공중합체는 대표적으로 하기와 같은 방법들로 제조할 수 있으나, 하기 제조 방법들은 본 발명의 술폰화 멀티 블록 공중합체를 제조하기 위한 일예들일 뿐, 그 제조가 하기의 방법들에 한정되지 않음은 물론이다.The sulfonated multiblock copolymer may be prepared by the following methods, but the following production methods are merely examples for preparing the sulfonated multiblock copolymer of the present invention, and the preparation may be performed in the following methods. Of course, it is not limited.

즉, 상기 술폰화 멀티 블록 공중합체는 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 반복단위로 이루어지는 술폰화 멀티 블록 공중합체 또는 브렌치된 술폰화 멀티 블록 공중합체일 수 있다.That is, the sulfonated multiblock copolymer may be a sulfonated multiblock copolymer or a branched sulfonated multiblock copolymer composed of a repeating unit represented by the following Formula 1 or Formula 2.

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112006085185883-PAT00001
Figure 112006085185883-PAT00001

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112006085185883-PAT00002
Figure 112006085185883-PAT00002

상기 화학식 1 또는 2의 식에서,In the formula of Formula 1 or 2,

A, X, 및 Y는 각각 독립적으로

Figure 112006085185883-PAT00003
,
Figure 112006085185883-PAT00004
,
Figure 112006085185883-PAT00005
,
Figure 112006085185883-PAT00006
,
Figure 112006085185883-PAT00007
,
Figure 112006085185883-PAT00008
,
Figure 112006085185883-PAT00009
,
Figure 112006085185883-PAT00010
,
Figure 112006085185883-PAT00011
,
Figure 112006085185883-PAT00012
,
Figure 112006085185883-PAT00013
,
Figure 112006085185883-PAT00014
, 또는
Figure 112006085185883-PAT00015
이고(여기서, R은 -NO2 또는 -CF3임),A, X, and Y are each independently
Figure 112006085185883-PAT00003
,
Figure 112006085185883-PAT00004
,
Figure 112006085185883-PAT00005
,
Figure 112006085185883-PAT00006
,
Figure 112006085185883-PAT00007
,
Figure 112006085185883-PAT00008
,
Figure 112006085185883-PAT00009
,
Figure 112006085185883-PAT00010
,
Figure 112006085185883-PAT00011
,
Figure 112006085185883-PAT00012
,
Figure 112006085185883-PAT00013
,
Figure 112006085185883-PAT00014
, or
Figure 112006085185883-PAT00015
Where R is -NO 2 or -CF 3 ,

Z는

Figure 112006085185883-PAT00016
,
Figure 112006085185883-PAT00017
,
Figure 112006085185883-PAT00018
,
Figure 112006085185883-PAT00019
,
Figure 112006085185883-PAT00020
,
Figure 112006085185883-PAT00021
, 또는
Figure 112006085185883-PAT00022
이고(여기서, Q는 -SO3H, -SO3 -M+, -COOH, -COO-M+, -PO3H2, -PO3H-M+, 또는 -PO3 2-2M+이며, M은 Na 또는 K임), Z is
Figure 112006085185883-PAT00016
,
Figure 112006085185883-PAT00017
,
Figure 112006085185883-PAT00018
,
Figure 112006085185883-PAT00019
,
Figure 112006085185883-PAT00020
,
Figure 112006085185883-PAT00021
, or
Figure 112006085185883-PAT00022
And (wherein, Q is -SO 3 H, -SO 3 - M +, -COOH, -COO - M +, -PO 3 H 2, -PO 3 H - M +, or -PO 3 2- 2M +, and , M is Na or K),

B는

Figure 112006085185883-PAT00023
,
Figure 112006085185883-PAT00024
,
Figure 112006085185883-PAT00025
, 또는
Figure 112006085185883-PAT00026
이고,B is
Figure 112006085185883-PAT00023
,
Figure 112006085185883-PAT00024
,
Figure 112006085185883-PAT00025
, or
Figure 112006085185883-PAT00026
ego,

G는 X이고, G'은 Z이고, G is X, G 'is Z,

b/a는 0 < b/a < 1 이고, d/c는 0 < d/c < 1이고,b / a is 0 <b / a <1, d / c is 0 <d / c <1,

1 ≤ m < 100이고, 1 ≤ n < 100이다.1 ≦ m <100 and 1 ≦ n <100.

본 발명은 비스페놀계 단량체 또는 방향족 디할로겐계 단량체, 산 치환체를 갖는 비스페놀계 단량체 또는 산 치환체를 갖는 방향족 디할로겐계 단량체, 탄산염 무수물 촉매 및 제1유기용매를 넣고 중합하여 친수 블록을 제조한 후 워크업 과정을 거치지 않고, 바로 비스페놀계 단량체, 방향족 디할로겐계 단량체, 탄산염 무수물 촉매 및 제2유기용매를 첨가하고 중합하여 소수 블록을 제조하는 동시에 멀티 블록 공중합체를 제조할 수 있다.The present invention is prepared by adding a bisphenol-based monomer or an aromatic dihalogen-based monomer, a bisphenol-based monomer having an acid substituent or an aromatic dihalogen-based monomer having an acid substituent, a carbonate anhydride catalyst and a first organic solvent to prepare a hydrophilic block. Without going through an up process, a bisphenol-based monomer, an aromatic dihalogen-based monomer, a carbonate anhydride catalyst, and a second organic solvent may be added and polymerized to prepare a hydrophobic block and at the same time prepare a multi-block copolymer.

또한, 본 발명은 반응기 내에 비스페놀계 단량체, 방향족 디할로겐계 단량체, 탄산염 무수물 촉매 및 제1유기용매를 넣고 중합하여 소수 블록을 제조한 후 워크업 과정을 거치지 않고, 바로 비스페놀계 단량체 또는 방향족 디할로겐계 단량체, 산 치환체를 갖는 비스페놀계 단량체 또는 산 치환체를 갖는 방향족 디할로겐계 단량체, 탄산염 무수물 촉매 및 제2유기용매를 첨가하고 중합하여 친수 블록을 제조하는 동시에 멀티 블록 공중합체를 제조할 수 있다.In addition, the present invention is prepared by adding a bisphenol-based monomer, aromatic dihalogen-based monomer, carbonate anhydride catalyst and the first organic solvent in the reactor to produce a hydrophobic block, without going through a work-up process, immediately bisphenol-based monomer or aromatic dihalogen A hydrophilic block may be prepared by adding and polymerizing a monomer, a bisphenol monomer having an acid substituent, or an aromatic dihalogen monomer having an acid substituent, a carbonate anhydride catalyst, and a second organic solvent to prepare a multiblock copolymer.

상기 제조방법에 있어서, 브렌치된 술폰화 멀티 블록 공중합체를 제조하기 위해서 친수 블록 또는 소수 블록을 제조하는 단계에서 브렌처를 추가로 첨가하여 친수 블록 또는 소수 블럭을 제조할 수 있다.In the above production method, a hydrophilic block or a hydrophobic block may be prepared by further adding a brancher in the step of preparing a hydrophilic block or a hydrophobic block to prepare a branched sulfonated multiblock copolymer.

상기 제조방법들에서 사용되는 상기 비스페놀계 단량체 또는 방향족 디할로겐계 단량체로는 4,4'-디플루오로벤조페논(4,4'-difluorobenzophenone), 비스(4-플루오로페닐)술폰(bis(4-fluorophenyl)sulfone), 2,2-비스(4-히드록시페닐)헥사플루오로프로판(2,2-bis(4-hydroxyphenyl)hexafluoropropane), 또는 4,4'-바이페놀(4,4-biphenol) 등을 사용할 수 있다.The bisphenol-based monomers or aromatic dihalogen-based monomers used in the production methods may be 4,4'-difluorobenzophenone (4,4'-difluorobenzophenone), bis (4-fluorophenyl) sulfone (bis ( 4-fluorophenyl) sulfone), 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane (2,2-bis (4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane), or 4,4'-biphenol (4,4- biphenol) and the like.

상기 페닐링에 한 개 이상의 산 치환체를 갖는 비스페놀계 단량체 또는 페닐링에 한 개 이상의 산 치환체를 갖는 방향족 디할로겐계 단량체로는 하이드로퀴논술포닉 산 포타슘 염(hydroquinonesulfonic acid potassium salt), 2,7-디하이드록시나프탈렌-3,6-디술포닉 산 디소듐 염(2,7-dihydroxynaphthalene-3,6-disulfonic acid disodium salt), 1,7-디하이드록시나프탈렌-3-술포닉 산 모노소듐 염(1,7-dihydroxynaphthalene-3-sulfonic acid monosodium salt), 2,3-디하이드록시나프탈렌-6-술포닉 산 모노소듐 염(2,3-dihydroxynaphthalene-6-sulfonic acid monosodium salt), 포타슘 5,5'-카르노빌비스(2-플루오로벤젠 술포네이트)(potassium 5,5'-carnobylbis(2-fluorobenzene sulfonate)), 또는 포타슘 2,2 -[9,9-비스(4-하이드록시페닐)플루오렌]술포네이트(potassium 2,2'-[9,9-bis(4-hydroxyphenyl)fluorene]sulfonate) 등을 사용할 수 있다. 이중 포타슘 5,5'-카르 노빌비스(2-플루오로벤젠 술포네이트)는 4,4'-디플루오로벤조페논 및 4,4'-디플루오로디페닐 술폰을 발연 황산(fuming sulfuric acid)으로 바로 술폰화(direct sulfonation)하여 제조할 수 있으며, 포타슘 2,2'-[9,9-비스(4-하이드록시페닐)플루오렌]술포네이트는 9,9-비스(4-하이드록시페닐)플루오렌을 클로로황산(CIHSO4)으로 바로 술폰화하여 제조할 수 있다.As the bisphenol-based monomer having one or more acid substituents in the phenyl ring or the aromatic dihalogen-based monomer having one or more acid substituents in the phenyl ring, hydroquinonesulfonic acid potassium salt, 2,7- Dihydroxynaphthalene-3,6-disulfonic acid disodium salt (2,7-dihydroxynaphthalene-3,6-disulfonic acid disodium salt), 1,7-dihydroxynaphthalene-3-sulphonic acid monosodium salt ( 1,7-dihydroxynaphthalene-3-sulfonic acid monosodium salt), 2,3-dihydroxynaphthalene-6-sulfonic acid monosodium salt, potassium 5,5 '-Carnobylbis (2-fluorobenzene sulfonate) (potassium 5,5'-carnobylbis (2-fluorobenzene sulfonate)), or potassium 2,2-[9,9-bis (4-hydroxyphenyl) flu Orene] sulfonate (potassium 2,2 '-[9,9-bis (4-hydroxyphenyl) fluorene] sulfonate) and the like. Dual potassium 5,5'-carnobylbis (2-fluorobenzene sulfonate) converts 4,4'-difluorobenzophenone and 4,4'-difluorodiphenyl sulfone into fuming sulfuric acid. It can be prepared by direct sulfonation, and potassium 2,2 '-[9,9-bis (4-hydroxyphenyl) fluorene] sulfonate is 9,9-bis (4-hydroxyphenyl) Fluorene can be prepared by sulfonating directly with chlorosulfuric acid (CIHSO 4 ).

또한 상기 술폰화 멀티 블록 공중합체 제조시, 친수 블록을 제조하기 위한 단량체를 탄산염 무수물과 함께 유기용매에 용해시킨 후 (또는 소수블록을 제조하기 위한 단량체를 먼저 용해시킬 수 있다.), 상기 혼합물을 140~150℃에서 3~5 시간 동안 교반하고 혼합물로부터 공비혼합물을 제거한 다음, 이를 150~190℃에서 6~24 시간 동안 교반하여 반응시킨다.In addition, in preparing the sulfonated multi-block copolymer, the monomer for preparing the hydrophilic block may be dissolved in an organic solvent together with the carbonate anhydride (or the monomer for preparing the hydrophobic block may be first dissolved), and then the mixture may be dissolved. Stir at 140-150 ° C. for 3-5 hours, remove the azeotrope from the mixture, and then react at 150-190 ° C. for 6-24 hours.

상기 탄산염 무수물은 촉매로 사용되며, 통상의 탄산염 무수물을 사용할 수 있으나, 바람직하게는 포타슘 카보네이트(K2CO3)를 사용하는 것이 좋다.The carbonate anhydride is used as a catalyst, it is possible to use a common carbonate anhydride, preferably potassium carbonate (K 2 CO 3 ) is preferably used.

상기 유기용매는 반응물과 생성물을 잘 용해시킬 수 있는 것이면 크게 제한되지 않으나, 특히 N,N'-디메틸아세트아미드(N,N-dimethylacetamide, DMAc), N-메틸피롤리돈(N-methyl pyrrolidone, NMP), 디메틸술폭시드(dimethyl sulfoxide, DMSO), 또는 N,N-디메틸포름아미드(N,N-dimethylformamide, DMF) 등을 사용하는 것이 바람직하다. 특히 술폰화 멀티 블록 공중합체 제조 시에는 N,N'-디메틸아세트아미드(N,N-dimethylacetamide, DMAc), N-메틸피롤리돈(N-methyl pyrrolidone, NMP), 디메틸술폭시드(dimethyl sulfoxide, DMSO), 또는 N,N-디메틸포름아미드(N,N- dimethylformamide, DMF) 등 단일 용매로 사용할 수 있을 뿐만 아니라, N-메틸피롤리돈(N-methyl pyrrolidone, NMP)와 디메틸술폭시드(dimethyl sulfoxide, DMSO)등의 조합에 의한 이중 용매의 사용 또한 가능하다.The organic solvent is not particularly limited as long as it can dissolve the reactants and the product well, in particular, N, N'-dimethylacetamide (DMAc), N-methylpyrrolidone (N-methyl pyrrolidone, NMP), dimethyl sulfoxide (DMSO), or N, N-dimethylformamide (N, N-dimethylformamide, DMF) or the like is preferably used. In particular, in the preparation of sulfonated multiblock copolymers, N, N'-dimethylacetamide (DMAc), N-methylpyrrolidone (NMP), dimethyl sulfoxide (dimethyl sulfoxide, DMSO), or N, N-dimethylformamide (NMF) as a single solvent, as well as N-methyl pyrrolidone (NMP) and dimethyl sulfoxide (dimethyl It is also possible to use a double solvent by combination of sulfoxide, DMSO).

또한, 브렌치된 술폰화 멀티 블록 공중합체를 제조하기 위하여 투입되는 상기 브렌처는 술폰화 멀티 블록 공중합체의 주사슬을 직접 구성하며, [3,5-비스(4-플루오로벤조일)페닐](4-플루오로페닐)메탄온(3,5-bis(4-fluorobenzoyl)phenyl)(4-fluorophenyl)methanone), [3,5-비스(4-플루오로술포닐)페닐](4-플루오로페닐)메탄온([3,5-bis(4-fluorosulfonyl)phenyl](4-fluorophenyl)methanone), (3,5-디플루오로-4'-플로오로벤조페논)(3,5-difluoro-4'-fluorobenzophenone), 또는 (3,5-디플루오로-4'-플루오로페닐)술폰((3,5-difluoro-4'-fluorophenyl)sulfone) 등을 사용할 수 있다. 이중 상기 [3,5-비스(4-플루오로벤조일)페닐](4-플루오로페닐)메탄온은 1,3,5-벤젠트리카르보닐트리클로라이드(1,3,5-benzenetricarbonyltrichloride), 알루미늄 클로라이드(aluminum chloride), 및 플루오로벤젠(fluorobenzene)을 프리델-크라프트 반응(friedel-crafts reaction)하여 제조할 수 있으며, 이외에 다른 구조의 브렌처 역시 유사한 프리델-크라프트 반응에 의해 제조할 수 있다.In addition, the branch is introduced to prepare a branched sulfonated multi-block copolymer directly constitutes the main chain of the sulfonated multi-block copolymer, [3,5-bis (4-fluorobenzoyl) phenyl] ( 4-fluorophenyl) methanone (3,5-bis (4-fluorobenzoyl) phenyl) (4-fluorophenyl) methanone), [3,5-bis (4-fluorosulfonyl) phenyl] (4-fluoro Phenyl) methanone ([3,5-bis (4-fluorosulfonyl) phenyl] (4-fluorophenyl) methanone), (3,5-difluoro-4'-fluorobenzophenone) (3,5-difluoro- 4'-fluorobenzophenone) or (3,5-difluoro-4'-fluorophenyl) sulfone ((3,5-difluoro-4'-fluorophenyl) sulfone) and the like can be used. Among the [3,5-bis (4-fluorobenzoyl) phenyl] (4-fluorophenyl) methanone, 1,3,5-benzenetricarbonyltrichloride (1,3,5-benzenetricarbonyltrichloride), aluminum Aluminium chloride and fluorobenzene may be prepared by a Friedel-crafts reaction, and other structured blenders may also be prepared by a similar Friedel-Craft reaction.

그 다음, 상기 혼합물의 온도를 60 ℃로 낮춘 후 추가로 소수 블록(또는 친수The temperature of the mixture is then lowered to 60 ° C. followed by additional fractional blocks (or hydrophilicity).

블록)을 제조하기 위한 단량체를 탄산염 무수물과 함께 유기용매에 첨가한다. Monomers for the preparation of blocks) are added to the organic solvent together with carbonate anhydride.

이때 추가로 가하는 유기용매는 앞서 사용한 유기용매와 동일한 것일 수 있 다. 이 혼합물을 140~150 ℃에서 3~5 시간 동안 교반한 후, 톨루엔 또는 벤젠과 공비혼합물을 딘-스탁 트랩(dean-stark trap)을 통하여 제거한다.In this case, the additional organic solvent may be the same as the previously used organic solvent. After stirring the mixture at 140-150 ° C. for 3-5 hours, the azeotrope with toluene or benzene is removed via a dean-stark trap.

이때, 증류되어 나오는 공비혼합물이 딘-스탁 트랩을 통하여 나오지 않을 때까지 제거한다.At this time, the distilled azeotrope is removed until it does not exit through the Dean-Stark trap.

상기와 같이 공비혼합물을 완전히 제거한 후, 반응혼합물의 온도를 150~190 ℃에서 6~24 시간 동안 계속 교반하면서 반응시킨다.After completely removing the azeotrope as described above, the reaction mixture is allowed to react with stirring at 150-190 ° C. for 6-24 hours.

상기 반응종료 후, 반응생성물을 탈이온수 또는 메탄올에 직접 첨가시키거나 반응생성물에 탈이온수 또는 메탄올을 첨가하여 희석시키고, 여과하여 반응생성물에 있는 염(salt)을 제거한 후, 여액인 반응생성물을 탈이온수에 침전시킨다. 그 다음, 상기 침전물을 여과하여 뜨거운 탈이온수(~80 ℃)와 메탄올로 수회 세척함으로써 술폰화 멀티블록 공중합체를 제조할 수 있다.After completion of the reaction, the reaction product is added directly to deionized water or methanol, or the reaction product is diluted by addition of deionized water or methanol, filtered to remove salts from the reaction product, and then the filtrate is removed from the reaction product. Precipitate in deionized water. The sulfonated multiblock copolymer can then be prepared by filtration and washing the precipitate several times with hot deionized water (˜80 ° C.) and methanol.

상기 수소 블록의 중량평균분자량은 1,000 내지 500,000 (g/mol)이고, 친수 블록의 중량평균분자량은 1,000 내지 500,000 (g/mol)일 수 있다.The weight average molecular weight of the hydrogen block may be 1,000 to 500,000 (g / mol), and the weight average molecular weight of the hydrophilic block may be 1,000 to 500,000 (g / mol).

또한 본 발명은 Q가 -SO3 -M+, -COO-M+, -PO3H-M+, 또는 -PO3 2-2M+인 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위로 이루어지는 상기 술폰화 멀티 블록 공중합체에 산 용액을 가하여 술폰산염을 술폰산으로 치환함으로써, 수소처리된 술폰화 멀티 블록 공중합체를 제조할 수 있다.In another aspect, the present invention Q is -SO 3 - M +, -COO - M +, -PO 3 H - M +, or -PO 3 2- 2M + of the sulfonated multi comprised of the repeating unit represented by the formula (1) Hydrogenated sulfonated multiblock copolymers can be prepared by adding an acid solution to the block copolymer to replace the sulfonate with sulfonic acid.

즉, 상기 제조된 술폰화 멀티 블록 공중합체는 Q가 -SO3 -M+, -COO-M+, -PO3H- M+, 또는 -PO3 2-2M+일 때 술폰화된 염을 포함하므로 술폰염 형태의 공중합체에 염산 또는 황산 용액을 가하여 술폰산염을 술폰산으로 치환한 후 고분자 전해질막으로 제조한다. 이때, 상기 산 용액은 술폰화 멀티 블록 공중합체에 25~80℃의 온도에서 0.5 내지 10 M의 농도로 1 내지 24 시간 동안 처리하는 것이 바람직하다.That is, the above prepared sulfonated multiblock copolymer is Q is -SO 3 - M +, -COO - M +, -PO 3 H - a sulfonated salt when M +, or -PO 3 2- 2M + Therefore, a hydrochloric acid or sulfuric acid solution is added to the copolymer in the form of sulfonate salt to replace the sulfonate with sulfonic acid, and then prepared as a polymer electrolyte membrane. At this time, the acid solution is preferably treated for 1 to 24 hours in a sulfonated multi-block copolymer at a concentration of 0.5 to 10 M at a temperature of 25 ~ 80 ℃.

상기 수소처리된 술폰화 멀티 블록 공중합체로부터 술폰화 멀티 블록 공중합체 전해질 막을 제조할 수 있는 바, 상기 수소처리된 술폰화 멀티 블록 공중합체를 용매에 용해, 바람직하게는 술폰화 공중합체 용액의 농도가 약 20 %(w/v)가 되도록 한 후, 용액 붓기 방법, 바람직하게는 유리판에 캐스팅하여 제조되는 것을 특징으로 한다.The sulfonated multiblock copolymer electrolyte membrane can be prepared from the hydrotreated sulfonated multiblock copolymer, and the hydrotreated sulfonated multiblock copolymer is dissolved in a solvent, preferably the concentration of the sulfonated copolymer solution. Is about 20% (w / v), and is then prepared by casting a solution, preferably by casting on a glass plate.

상기 용매는 통상의 유기용매를 사용할 수 있으며, 구체적으로 상기 술폰화 블록 공중합체의 제조시 기재한 유기용매와 동일한 것을 사용할 수 있다.As the solvent, a conventional organic solvent may be used, and specifically, the same solvent as that described in the preparation of the sulfonated block copolymer may be used.

상기 캐스팅은 통상의 방법으로 실시할 수 있으며, 전해질 막의 두께를 film applicator로 조절하여 수십~수백 ㎛가 되도록 실시하는 것이 좋다.The casting can be carried out by a conventional method, it is preferable to perform so that the thickness of the electrolyte membrane by a film applicator to be several tens to several hundred ㎛.

또한 상기와 같이 캐스팅된 술폰화 공중합체 전해질 막은 진공오븐에서 용매를 건조시켜 필름 형태의 술폰화 멀티 블록 공중합체 전해질 막을 제조하게 되는데, 이때 상기 건조는 상온에서 80 ℃까지 온도를 서서히 승온시킨 후 24 시간 동안 건조시키고, 120 ℃에서 24 시간 동안 더욱 건조시켜 실시한다.In addition, the sulfonated copolymer electrolyte membrane cast as described above is to dry the solvent in a vacuum oven to prepare a sulfonated multi-block copolymer electrolyte membrane in the form of film, wherein the drying is gradually raised to a temperature from room temperature to 80 ℃ 24 Dry for hours and further dry at 120 ° C. for 24 hours.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것 은 아니다.Hereinafter, preferred examples are provided to help understanding of the present invention, but the following examples are merely to illustrate the present invention, and the scope of the present invention is not limited to the following examples.

[실시예]EXAMPLE

실시예 1. 수소처리된 브렌치된 술폰화 멀티 블록 공중합체 제조Example 1 Preparation of Hydrotreated Branched Sulfonated Multiblock Copolymer

딘-스탁(dean-stark) 장치와 콘덴서가 장착된 2 L의 둥근 플라스크에 4,4'-디플루오로벤조페논 23.408 g, 하이드로퀴논술포닉액시드 포타슘 솔트 23.983 g 와 [3,5-비스(4-플루오로벤조일)페닐](4-플루오로페닐)메탄온 0.983 g을 넣고 디메틸술폭시드(dimethyl sulfoxide, DMSO) 150 mL 와 벤젠 200 mL 를 이용하여 질소분위기에서 포타슘 카보네이트 29.040 g을 촉매로 사용하여 반응을 개시하였다. In a 2 L round flask equipped with a dean-stark device and a condenser, 23.408 g of 4,4'-difluorobenzophenone, 23.983 g of hydroquinonesulphonic acid potassium salt and [3,5-bis] Add 0.983 g of (4-fluorobenzoyl) phenyl] (4-fluorophenyl) methanone and use 29.040 g of potassium carbonate in a nitrogen atmosphere using 150 mL of dimethyl sulfoxide (DMSO) and 200 mL of benzene. Was used to initiate the reaction.

그 다음 상기 반응 혼합물을 140 ℃의 온도로 오일 바트(oil bath)에서 4시간 동안 교반하여 벤젠이 역류하면서 딘-스탁 장치의 분자체(molecular sieves)에 공비혼합물을 흡착시켜 제거한 후, 반응온도를 180 ℃로 승온시키고 20 시간 동안 축중합 반응시켰다.The reaction mixture was then stirred for 4 hours in an oil bath at 140 ° C. to remove the azeotrope by adsorbing the azeotrope to the molecular sieves of the Dean-Stark apparatus while the benzene was refluxed, and then the reaction temperature was decreased. It heated up at 180 degreeC and made it polycondensate for 20 hours.

상기 반응종료 후 상기 반응물의 온도를 60 ℃로 감온시킨 후, 동일 플라스크에 4,4'-디플루오로벤조페논 5.490 g, 9,9-비스(4-하이드록시페닐)플루오렌 11.045 g 와 [3,5-비스(4-플루오로벤조일)페닐](4-플루오로페닐)메탄온 0.246 g을 넣고 디메틸술폭시드(dimethyl sulfoxide, DMSO) 100 mL 와 벤젠 200 mL 를 이용하여 질소분위기에서 포타슘 카보네이트 8.712 g을 촉매로 사용하여 반응을 다시 개시하였다.After the reaction was completed, the temperature of the reactant was reduced to 60 ° C., and 5.490 g of 4,4′-difluorobenzophenone, 11.045 g of 9,9-bis (4-hydroxyphenyl) fluorene, and [ Add 0.246 g of 3,5-bis (4-fluorobenzoyl) phenyl] (4-fluorophenyl) methanone and use potassium carbonate in a nitrogen atmosphere using 100 mL of dimethyl sulfoxide (DMSO) and 200 mL of benzene. The reaction was restarted using 8.712 g as catalyst.

그 다음 상기 반응 혼합물을 다시 140 ℃의 온도로 오일 바트(oil bath)에서 4시간 동안 교반하여 벤젠이 역류하면서 딘-스탁 장치의 분자체(molecular sieves) 에 공비혼합물을 흡착시켜 제거한 후, 반응온도를 180 ℃로 승온시키고 20 시간 동안 축중합 반응시켰다.The reaction mixture was then stirred for 4 hours in an oil bath again at a temperature of 140 ° C. to remove the azeotrope by adsorbing the azeotrope to the molecular sieves of the Dean-Stark apparatus while refluxing the benzene, followed by reaction temperature. The temperature was raised to 180 ° C and polycondensation reaction was carried out for 20 hours.

그 다음 반응물의 온도를 실온으로 감온시키고 디메틸술폭시드(dimethyl sulfoxide, DMSO) 300 mL를 가하여 반응물을 희석시킨 후, 희석된 반응물을 과량의 메탄올에 부어 용매로부터 공중합체를 분리한 후, 여과하여 얻은 공중합체를 80 ℃의 진공오븐에서 12 시간 이상 건조하여 소수 블록과 친수 블록이 교대로 화학결합으로 이어진 브렌치된 술폰화 멀티 블록 공중합체를 제조하였다. The reaction was then cooled to room temperature and 300 mL of dimethyl sulfoxide (DMSO) was added to dilute the reaction. The diluted reaction was poured into excess methanol to separate the copolymer from the solvent, followed by filtration. The copolymer was dried in a vacuum oven at 80 ° C. for at least 12 hours to prepare a branched sulfonated multiblock copolymer in which hydrophobic blocks and hydrophilic blocks were alternately chemically bonded.

상기에서 제조한 브렌치된 술폰화 멀티 블록 공중합체 10 g을 10 %(w/V) 황산 수용액에 넣은 후 80 ℃에서 4 시간 동안 교반시켜 상기 공중합체 내 술폰산염을 술폰산으로 치환한 후, 여과액이 중성이 될 때까지 증류수로 반복하여 씻어 여과시키고, 상기 여과된 술폰산 형태의 술폰화 멀티 블록 공중합체를 80 ℃의 진공오븐에서 12 시간 건조하여 수소처리된 브렌치된 술폰화 멀티 블록 공중합체를 제조하였다.10 g of the branched sulfonated multi-block copolymer prepared above was added to an aqueous 10% (w / V) sulfuric acid solution, followed by stirring at 80 ° C. for 4 hours to replace the sulfonate in the copolymer with sulfonic acid. Washed and filtered repeatedly with distilled water until the neutral, and the filtered sulfonic acid type sulfonated multiblock copolymer was dried in a vacuum oven at 80 ° C. for 12 hours to prepare a hydrogenated branched sulfonated multiblock copolymer. It was.

실시예 2. 수소처리된 브렌치된 술폰화 멀티 블록 공중합체 제조Example 2 Preparation of Hydrotreated Branched Sulfonated Multiblock Copolymer

상기 실시예 1에서 친수 블록 및 소수 블록 제조 반응시 벤젠과 함께 용매로 사용한 디메틸술폭시드(dimethyl sulfoxide, DMSO)를 대신하여 두 반응 모두 N-메틸피롤리돈(N-methyl pyrrolidone, NMP)을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 수소처리된 브렌치된 술폰화 멀티 블록 공중합체를 제조하였다.In Example 1, both reactions using N-methyl pyrrolidone (NMP) instead of dimethyl sulfoxide (DMSO) used as a solvent in the hydrophilic block and hydrophobic block preparation reaction. A hydrogenated branched sulfonated multiblock copolymer was prepared in the same manner as in Example 1 except that.

실시예 3. 수소처리된 브렌치된 술폰화 멀티 블록 공중합체 제조Example 3 Preparation of Hydrotreated Branched Sulfonated Multiblock Copolymer

상기 실시예 1에서 친수 블록 및 소수 블록 제조 반응시 벤젠과 함께 용매로 사용한 디메틸술폭시드(dimethyl sulfoxide, DMSO)를 대신하여, 첫 친수 블록 제조반응에서는 N-메틸피롤리돈(N-methyl pyrrolidone, NMP)를, 다음 소수 블록 제조반응에서는 디메틸술폭시드(dimethyl sulfoxide, DMSO)를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 수소처리된 브렌치된 술폰화 멀티 블록 공중합체를 제조하였다.In Example 1, in place of dimethyl sulfoxide (DMSO) used as a solvent in the hydrophilic block and hydrophobic block reaction, N-methyl pyrrolidone (N-methyl pyrrolidone, NMP) was subjected to the same method as Example 1 except that dimethyl sulfoxide (DMSO) was used in the next hydrophobic block preparation to prepare a hydrotreated branched sulfonated multi-block copolymer.

실시예 4~6. 브렌치된 술폰화 멀티 블록 공중합체 전해질 막 제조Examples 4-6. Preparation of Branched Sulfonated Multiblock Copolymer Electrolyte Membranes

상기 실시예 1 내지 3에서 제조한 수소처리된 브렌치된 술폰화 멀티 블록 공중합체 각각 5 g을 N,N-디메틸아세트아미드 45 g에 용해시킨 후, 상기 용액을 BORU 유리 필터(pore size 3)로 여과시켜 먼지 등을 제거하였다. 상기 여과액 10 %(w/V)에 진공을 가하면서 동시에 120 ℃로 승온시켜 여과액 내 N,N-디메틸포름아미드을 제거하여 약 20 % (w/V)의 용액을 제조하였다. 5 g of each of the hydrotreated branched sulfonated multiblock copolymers prepared in Examples 1 to 3 were dissolved in 45 g of N, N-dimethylacetamide, and then the solution was subjected to a BORU glass filter (pore size 3). Filtration removed dust and the like. A vacuum of 10% (w / V) of the filtrate was simultaneously heated to 120 ° C. to remove N, N-dimethylformamide in the filtrate, thereby preparing a solution of about 20% (w / V).

상기 용액을 PYREX 유리기판에 붓고 film applicator로 유리판 위의 공중합체 용액 두께를 조절한 후, 80 ℃의 진공오븐에서 12 시간 이상 유리판 위의 공중합체 용액을 건조하여 50~120 ㎛ 두께의 브렌치된 술폰화 멀티 블록 공중합체 전해질 막을 제조하였다.Pour the solution onto a PYREX glass substrate, adjust the thickness of the copolymer solution on the glass plate with a film applicator, and dry the copolymer solution on the glass plate for at least 12 hours in a vacuum oven at 80 ° C. A fonned multiblock copolymer electrolyte membrane was prepared.

상기 실시예 4 내지 6에서 제조한 브렌치된 술폰화 멀티 블록 공중합체 전해질 막을 이용하여 하기와 같은 방법으로 IEC(ion exchange capacity), 수소이온전도도, 메탄올 투과도를 측정하였다.Using the branched sulfonated multiblock copolymer electrolyte membranes prepared in Examples 4 to 6, ion exchange capacity (IEC), hydrogen ion conductivity, and methanol permeability were measured in the following manner.

ㄱ) IECA) IEC

상기 실시예 4 내지 6에서 제조한 브렌치된 술폰화 멀티 블록 공중합체 전해질 막을 완전히 건조 시킨 후 각각 0.5 g을 100 ℃의 초순수에서 2 시간 동안 수화시킨 후 과포화 된 NaCl 100 mL 용액에 하루 이상 담지시켜 수소 이온(H+)을 나트륨 이온(Na+)으로 치환시켰다. 상기 치환된 수소 이온(H+)을 0.1 N NaOH 표준용액으로 적정하여 전해질 막의 그램당 수포닉액시드의 몰수를 측정하였다. 하기 수학식 1에 따라 고분자막의 IEC 값을 계산하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 이때, 듀퐁사에서 제조한 나피온 115의 IEC 값을 비교데이터로 하였다.After completely drying the branched sulfonated multiblock copolymer electrolyte membranes prepared in Examples 4 to 6, each 0.5 g of water was hydrated in ultrapure water at 100 ° C. for 2 hours and then immersed in 100 mL of supersaturated NaCl solution for at least one day. Ion (H + ) was replaced with sodium ion (Na + ). The substituted hydrogen ions (H + ) were titrated with 0.1 N NaOH standard solution to measure the number of moles of sufonic acid per gram of electrolyte membrane. IEC value of the polymer membrane was calculated according to Equation 1 below, and the results are shown in Table 1 below. At this time, the IEC value of Nafion 115 manufactured by DuPont was used as comparison data.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112006085185883-PAT00027
Figure 112006085185883-PAT00027

구분division IEC (meq./g)IEC (meq./g) 걷보기 물성Walking properties 실시예 4Example 4 1.431.43 투명, 우수한 기계적 강도Transparent, excellent mechanical strength 실시예 5Example 5 1.411.41 투명, 다소 우수한 기계적 강도Transparent, somewhat good mechanical strength 실시예 6Example 6 1.481.48 투명, 다소 우수한 기계적 강도Transparent, somewhat good mechanical strength 나피온 115Nafion 115 0.910.91 투명, 우수한 기계적 강도Transparent, excellent mechanical strength

상기 표 1을 통하여, 본 발명에 따라 제조한 실시예 4 내지 6의 브렌치된 술폰화 멀티 블록 공중합체 전해질 막은 종래 고분자막에 사용되던 나피온과 비교하여 높거나 비슷한 IEC를 나타냄을 확인할 수 있었다.Through Table 1, it was confirmed that the branched sulfonated multi-block copolymer electrolyte membranes of Examples 4 to 6 prepared according to the present invention showed higher or similar IEC than Nafion used in the conventional polymer membrane.

ㄴ) 수소이온전도도B) hydrogen ion conductivity

상기 실시예 4 내지 6에서 제조한 브렌치된 술폰화 멀티 블록 공중합체 전해질 막 각각의 수소이온전도도는 two-probe를 이용한 콤플렉스 임피던스 방법에 의해 결정 되었다.The hydrogen ion conductivity of each of the branched sulfonated multiblock copolymer electrolyte membranes prepared in Examples 4 to 6 was determined by a complex impedance method using two-probe.

먼저 면적이 2×2(㎠)(㎠)인 시편 양편에 면적이 각각 1×1(㎠), 1.5×1.5(㎠)의 카본 페이퍼(cabon paper) 전극을 일정한 압력으로 맞대고, 그 외부로 초순수를 흘려주면서 2 MHz 에서 10 Hz 의 주파수 범위에서 5 ㎷의 교류전압이 측정하고자 하는 고분자 막에 가해졌다. 이때, 임피던스 어널라이저(Impedance Anaylzer, IM6) 장비를 이용하여 나이퀴스트 플랏(Nyquist plots)을 얻을 수 있었고, 이를 이용하여 각각의 브렌치된 술폰화 멀티 블록 공중합체 전해질 막의 저항을 얻을 수 있었다. 그 후 하기 수학식 2에 따라 전해질 막의 수소이온전도도를 계산하였다.First of all, the area of 2x2 (cm2) (cm2) was faced with a carbon paper electrode of 1x1 (cm2) and 1.5x1.5 (cm2) at constant pressure, respectively. In the range of 2 MHz to 10 Hz, an alternating voltage of 5 mA was applied to the polymer membrane to be measured. In this case, Nyquist plots were obtained by using an impedance analyzer (Imp6), and the resistance of each branched sulfonated multi-block copolymer electrolyte membrane was obtained using this. Then, the hydrogen ion conductivity of the electrolyte membrane was calculated according to Equation 2 below.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112006085185883-PAT00028
Figure 112006085185883-PAT00028

상기 실시예 4 와 나피온 115의 수소이온전도도를 측정한 결과를 도 1에 나타내었다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따라 제조한 실시예 4의 브렌치된 술폰화 멀티 블록 공중합체 전해질막은 종래 고분자막에 사용되던 나피온과 비교할만한 수소이온전도도를 나타냄을 확인할 수 있었다.The hydrogen ion conductivity of Example 4 and Nafion 115 was measured and shown in FIG. 1. As shown in FIG. 1, the branched sulfonated multiblock copolymer electrolyte membrane of Example 4 prepared according to the present invention showed a hydrogen ion conductivity comparable to that of Nafion used in the conventional polymer membrane.

ㄷ) 메탄올 투과도(MeOH crossover)C) methanol permeability (MeOH crossover)

상기 실시예 4 내지 6에서 제조한 브렌치된 술폰화 멀티 블록 공중합체 전해질 막의 메탄올 투과도는 확산 셀(diffusion cell) 장치를 사용하여 측정하였다. The methanol permeability of the branched sulfonated multiblock copolymer electrolyte membrane prepared in Examples 4 to 6 was measured using a diffusion cell apparatus.

먼저 한쪽 셀에는 10 M의 메탄올 수용액을, 다른 쪽 셀에는 순수한 물을 넣고 셀의 중간을 상기 실시예 4 내지 6에서 제조한 브렌치된 술폰화 멀티 블록 공중합체 전해질 막으로 분리시킨 후, 순수한 물을 채운 셀에서 용액을 샘플링하면서 얻은 시간(t)에 따른 셀 내의 메탄올 농도(Ci(t))의 변화로부터 메탄올 투과도를 계산하였다. 이때, 메탄올 투과도(DKi)는 전해질 두께(L)와 막의 노출면적(A) 값, 우측 셀의 부피(V), 및 좌측 셀의 메탄올 초기농도(Ci0) 값으로부터 하기 수학식 3에 의하여 계산하였다.First, 10 M aqueous methanol solution was added to one cell, and pure water was added to the other cell. The middle of the cell was separated by the branched sulfonated multiblock copolymer electrolyte membrane prepared in Examples 4 to 6, followed by pure water. The methanol permeability was calculated from the change in methanol concentration (C i (t)) in the cell over time ( t ) obtained while sampling the solution in the filled cell. In this case, the methanol permeability (D i K i ) is expressed from the electrolyte thickness (L) and the exposed area (A) of the membrane, the volume of the right cell (V), and the methanol initial concentration (C i0 ) of the left cell. Calculated by 3.

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112006085185883-PAT00029
Figure 112006085185883-PAT00029

구분division 실시예 4Example 4 실시예 5Example 5 실시예 6Example 6 나피온 115Nafion 115 상온Room temperature 9.73E-79.73E-7 1.03E-61.03E-6 1.18E-61.18E-6 2.40E-62.40E-6 40 ℃40 ℃ 1.63E-61.63E-6 1.78E-61.78E-6 1.98E-61.98E-6 3.43E-63.43E-6 60 ℃60 ℃ 2.69E-62.69E-6 2.84E-62.84E-6 3.15E-63.15E-6 5.50E-65.50E-6

상기 표 2를 통하여, 본 발명에 따라 제조한 실시예 4 내지 6의 브렌치된 술폰화 멀티 블록 공중합체 전해질 막은 종래 고분자막에 사용되던 나피온과 비교하여 전체 온도 범위에서 메탄올 투과도가 적어, 보다 향상되었음을 확인할 수 있었다.Through Table 2, the branched sulfonated multiblock copolymer electrolyte membranes of Examples 4 to 6 prepared according to the present invention had a lower methanol permeability over the entire temperature range compared to the Nafion used in the conventional polymer membranes, thereby further improving. I could confirm it.

본 발명에 따른 전해질 막은 한 반응기 내에서 바로 소수 블록 및 친수블럭을 블록 공중합 시킴으로써 보다 단순하고 효과적으로 멀티 블록 공중합체를 제조할 수 있으며, 상기 제조된 멀티 블록 공중합체를 이용한 전해질막은 메탄올 같은 용매에 화학적으로 안정하며 높은 수소이온전도도를 가지고 동시에 기계적 물성이 우수할 뿐만 아니라, 고분자 골격내 술폰산기의 분포, 위치, 수 등을 제어할 수 있고, 술폰산기의 증가에 따른 막 물성의 저하가 거의 없다는 장점이 있다.The electrolyte membrane according to the present invention can be prepared more simply and effectively multi-block copolymer by block copolymerization of the hydrophobic block and the hydrophilic block directly in one reactor, the electrolyte membrane using the prepared multi-block copolymer is chemical It is stable and has high hydrogen ion conductivity and at the same time excellent mechanical properties, and can control the distribution, position, number, etc. of sulfonic acid groups in the polymer skeleton, and there is almost no deterioration of membrane properties due to the increase of sulfonic acid groups. There is this.

이상에서 본 발명의 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만, 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.Although only described in detail with respect to the described embodiments of the present invention, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations are possible within the technical spirit of the present invention, it is natural that such variations and modifications belong to the appended claims. .

Claims (9)

a) 반응기 내에 비스페놀계 단량체 또는 방향족 디할로겐계 단량체, 산 치환체를 갖는 비스페놀계 단량체 또는 산 치환체를 갖는 방향족 디할로겐계 단량체, 탄산염 무수물 촉매 및 제1유기용매를 넣고 중합하여 친수 블록을 제조하는 단계; 및a) preparing a hydrophilic block by adding a bisphenol monomer or an aromatic dihalogen monomer, a bisphenol monomer having an acid substituent or an aromatic dihalogen monomer having an acid substituent, a carbonate anhydride catalyst and a first organic solvent in a reactor ; And b) 상기 제조된 친수 블록 및 상기 제1유기용매를 포함하는 상기 반응기 내에서, 비스페놀계 단량체, 방향족 디할로겐계 단량체, 탄산염 무수물 촉매 및 제2유기용매를 첨가하고 중합하여 소수 블록을 제조하는 동시에 멀티 블록 공중합체를 제조하는 단계;b) in the reactor including the prepared hydrophilic block and the first organic solvent, a bisphenol-based monomer, an aromatic dihalogen-based monomer, a carbonate anhydride catalyst and a second organic solvent are added and polymerized to prepare a hydrophobic block. Preparing a multi-block copolymer; 를 포함하는 술폰화 멀티 블록 공중합체의 제조방법.Method for producing a sulfonated multi-block copolymer comprising a. a) 반응기 내에 비스페놀계 단량체, 방향족 디할로겐계 단량체, 탄산염 무수물 촉매 및 제1유기용매를 넣고 중합하여 소수 블록을 제조하는 단계; 및a) preparing a hydrophobic block by adding a bisphenol-based monomer, an aromatic dihalogen-based monomer, a carbonate anhydride catalyst and a first organic solvent in a reactor and polymerizing the same; And b) 상기 제조된 소수 블록 및 상기 제1유기용매를 포함하는 상기 반응기 내에서, 비스페놀계 단량체 또는 방향족 디할로겐계 단량체, 산 치환체를 갖는 비스페놀계 단량체 또는 산 치환체를 갖는 방향족 디할로겐계 단량체, 탄산염 무수물 촉매 및 제2유기용매를 첨가하고 중합하여 친수 블록을 제조하는 동시에 멀티 블록 공중합체를 제조하는 단계;b) a bisphenol-based monomer or an aromatic dihalogen-based monomer, a bisphenol-based monomer having an acid substituent or an aromatic dihalogen-based monomer having an acid substituent, or a carbonate in the reactor including the prepared hydrophobic block and the first organic solvent Adding and polymerizing an anhydride catalyst and a second organic solvent to prepare a hydrophilic block and simultaneously preparing a multi-block copolymer; 를 포함하는 술폰화 멀티 블록 공중합체의 제조방법.Method for producing a sulfonated multi-block copolymer comprising a. 제1항 또는 제2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 비스페놀계 단량체 또는 방향족 디할로겐계 단량체로는 4,4'-디플루오로벤조페논, 비스(4-플루오로페닐)술폰, 2,2-비스(4-히드록시페닐)헥사플루오로프로판 또는 4,4'-바이페놀 인 것을 특징으로 하는 술폰화 멀티 블록 공중합체의 제조방법.As the bisphenol-based monomer or aromatic dihalogen-based monomer, 4,4'-difluorobenzophenone, bis (4-fluorophenyl) sulfone, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane or Method for producing a sulfonated multiblock copolymer, characterized in that 4,4'-biphenol. 제1항 또는 제2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 산 치환체를 갖는 비스페놀계 단량체 또는 산 치환체를 갖는 방향족 디할로겐계 단량체는 하이드로퀴논술포닉 산 포타슘 염, 2,7-디하이드록시나프탈렌-3,6-디술포닉 산 디소듐 염, 1,7-디하이드록시나프탈렌-3-술포닉 산 모노소듐 염, 2,3-디하이드록시나프탈렌-6-술포닉 산 모노소듐 염, 포타슘 5,5'-카르노빌비스(2-플루오로벤젠 술포네이트), 또는 포타슘 2,2'-[9,9-비스(4-하이드록시페닐)플루오렌]술포네이트 인 것을 특징으로 하는 술폰화 멀티 블록 공중합체의 제조방법.The bisphenol-based monomer having an acid substituent or the aromatic dihalogen-based monomer having an acid substituent is hydroquinone sulfonic acid potassium salt, 2,7-dihydroxynaphthalene-3,6-disulfonic acid disodium salt, 1,7 -Dihydroxynaphthalene-3-sulfonic acid monosodium salt, 2,3-dihydroxynaphthalene-6-sulphonic acid monosodium salt, potassium 5,5'-carnobylbis (2-fluorobenzene sulfonate ), Or potassium 2,2 '-[9,9-bis (4-hydroxyphenyl) fluorene] sulfonate. 제1항 또는 제2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 브렌치된 친수 블록 또는 소수 블록을 제조하기 위하여, 상기 친수 블록 또는 소수 블록 제조 시에 브렌처를 첨가하는 것을 특징으로 하는 멀티 블록 공중합체의 제조방법. In order to manufacture a branched hydrophilic block or a hydrophobic block, a method for producing a multi-block copolymer, characterized in that the addition of a brancher in the hydrophilic block or hydrophobic block manufacturing. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 브렌처는 [3,5-비스(4-플루오로벤조일)페닐](4-플루오로페닐)메탄온, [3,5-비스(4-플루오로술포닐)페닐](4-플루오로페닐)메탄온, 3,5-디플루오로-4'-플로오로벤조페논 및 (3,5-디플루오로-4'-플루오로페닐)술폰으로 이루어지는 군으로부터 1 종 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 술폰화 멀티 블록 공중합체의 제조방법.The brancher is [3,5-bis (4-fluorobenzoyl) phenyl] (4-fluorophenyl) methanone, [3,5-bis (4-fluorosulfonyl) phenyl] (4-fluoro Phenyl) methanone, 3,5-difluoro-4'-fluorobenzophenone and (3,5-difluoro-4'-fluorophenyl) sulfone Method for producing a sulfonated multiblock copolymer. 제1항 또는 제2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 탄산염 무수물 촉매는 포타슘 카보네이트인 것을 특징으로 하는 술폰화 멀티 블록 공중합체의 제조방법.The carbonate anhydride catalyst is a method for producing a sulfonated multi-block copolymer, characterized in that potassium carbonate. 제1항 또는 제2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 제1유기용매 또는 제2유기용매는 N,N'-디메틸아세트아미드, N-메틸피롤리돈, 디메틸술폭시드, 및 N,N-디메틸포름아미드로 이루어진 군 중에서 1종 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 술폰화 멀티 블록 공중합체의 제조방법.The first organic solvent or the second organic solvent is selected from the group consisting of N, N'-dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, dimethyl sulfoxide, and N, N-dimethylformamide The manufacturing method of the sulfonated multiblock copolymer made into these. 제1항 또는 제2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 소수 블록의 중량평균분자량이 1,000 내지 500,000 (g/mol)이고, 친수 블록의 중량평균분자량은 1,000 내지 500,000 (g/mol)인 것을 특징으로 하는 술폰화 멀티 블록 공중합체 전해질막의 제조방법. Method for producing a sulfonated multi-block copolymer electrolyte membrane, characterized in that the weight average molecular weight of the hydrophobic block is 1,000 to 500,000 (g / mol), the weight average molecular weight of the hydrophilic block is 1,000 to 500,000 (g / mol).
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