KR20110117318A - Ion exchange membrane comprising copolymer containing ion exchange group - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이온교환기를 가지는 (C10∼C30)이소프탈계 단량체; (C5~C20) 글리콜계 단량체; 산무수물 단량체로부터 제조된 이온교환기를 함유하는 공중합체에 가교제로 가교하여 제조되는 이온교환막 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이온교환기를 가지는 (C10∼C30)이소프탈계 단량체; (C5~C20) 글리콜계 단량체; 무수말레인산과 같은 산무수물 단량체 및 반응개시제를 포함하는 중합용 용액을 교반하여 공중합체를 제조하는 단계; 상기 공중합체 및 가교제, 광개시제를 포함하는 반응용 용액을 이용하여 용매 캐스팅(solvent casting)법에 의해 막을 형성하는 단계; 상기 막을 광개시제를 이용하여 광가교 방법으로 가교된 양이온교환막을 제조하는 단계를 포함하는 이온교환막의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 이온교환막은 이온교환용량이 우수할 뿐만 아니라 내구성이 뛰어나고, 가공성이 향상되어 수처리 및 전기투석용 복합막에 유용하게 사용될 수 있다.
The present invention is (C10 ~ C30) isophthalic monomer having an ion exchange group; (C5-C20) glycol monomers; The present invention relates to an ion exchange membrane prepared by crosslinking a copolymer containing an ion exchange group prepared from an acid anhydride monomer with a crosslinking agent, and to a method for preparing the same, more specifically (C10 to C30) isophthalic monomer having an ion exchange group; (C5-C20) glycol monomers; Preparing a copolymer by stirring a solution for polymerization containing an acid anhydride monomer such as maleic anhydride and a reaction initiator; Forming a film by a solvent casting method using a reaction solution including the copolymer, a crosslinking agent and a photoinitiator; It relates to a method for producing an ion exchange membrane comprising the step of preparing a cation exchange membrane cross-linked by a photocrosslinking method using the membrane photoinitiator.
The ion exchange membrane according to the present invention is not only excellent in ion exchange capacity but also excellent in durability and improved in workability, and thus may be usefully used in composite membranes for water treatment and electrodialysis.

Description

이온교환기를 가지는 공중합체로 제조된 이온교환막{ION EXCHANGE MEMBRANE COMPRISING COPOLYMER CONTAINING ION EXCHANGE GROUP}ION EXCHANGE MEMBRANE COMPRISING COPOLYMER CONTAINING ION EXCHANGE GROUP}

본 발명은 이온교환기를 가지는 (C10∼C30)이소프탈계 단량체; (C5~C20) 글리콜계 단량체; 산무수물 단량체로부터 제조된 이온교환기를 함유하는 공중합체를 가교제로 가교하여 제조되는 이온교환막 및 그의 제조방법에 관한 것이다.The present invention is (C10 ~ C30) isophthalic monomer having an ion exchange group; (C5-C20) glycol monomers; The present invention relates to an ion exchange membrane prepared by crosslinking a copolymer containing an ion exchange group prepared from an acid anhydride monomer with a crosslinking agent, and a method for producing the same.

일반적으로 사용되고 있는 이온교환막은 공정이 간편하고, 특정이온에 대한 선택성이 뛰어나며, 응용범위가 넓어 특히 화석원료 사용량을 감소시켜 환경오염을 저감할 수 있는 신 재생에너지 생산 청정기술로 세계적인 주목을 받고 있다. 최근 들어 소형 노트북, 컴퓨터, 핸드폰 등의 전자제품 사용 급증으로 인해 이에 필요한 고 수명, 고성능의 배터리 개발 및 핵심소재인 새로운 연료전지의 개발 필요성에 따라 이온교환에 대한 연구가 활발히 진행 되고 있다. Ion-exchange membranes that are generally used are attracting worldwide attention for their clean process of renewable energy production that can reduce the environmental pollution by reducing the amount of fossil raw materials. . Recently, due to the rapid increase in the use of electronic products such as small notebooks, computers, mobile phones, ion exchange is being actively researched according to the necessity of developing a high-life, high-performance battery and the development of a new fuel cell as a core material.

이온교환막은 수용액 중의 양이온 및 음이온을 선택적으로 분리할 수 있어 연료전지, 전기투석, 산과 염기 회수를 위한 물 분해 전기투석, 산세 폐액으로부터 산 및 금속화학종을 회수하기 위한 확산투석, 초순수 공정 등 폭 넓게 사용되고 있으며, 최근 선진국에서는 고성능 이온교환막이 개발됨에 따라 그 응용범위는 더욱 확대되고 있다. 그러나 국내의 경우, 이온교환막의 제조 및 응용에 대한 기술축적이 매우 부족한 실정으로 이 분야에 대한 학문적 발전은 물론 기술 선점을 통한 고성능의 새로운 이온교환막 제조기술 개발이 시급한 실정이다. Ion-exchange membranes can selectively separate cations and anions in aqueous solution, thus providing fuel cell, electrodialysis, water decomposition electrodialysis for acid and base recovery, diffusion dialysis to recover acid and metal species from pickling waste, ultrapure water process, etc. It is widely used, and in recent years, with the development of high-performance ion exchange membranes in developed countries, their application ranges are further expanded. However, in Korea, the technical accumulation of the ion exchange membrane production and application is very lacking, so it is urgent to develop new high-performance ion exchange membrane production technology through academic preoccupation and technology preoccupation in this field.

현재 연료전지막, 전극막 등에 사용되고 있는 상용화 이온교환막은 술폰화된 폴리스티렌(Sulfonated polystyrene), 듀퐁(Du Pont)사에서 제조한 NafionTM(이하 ‘나피온’이라 함)등을 들 수 있다. 그러나 상기 술폰화된 폴리스티렌은 건조하게 되면 취성의 증가로 부서지게 되어 박막화나 복합막 등의 형태로 성형이 어렵게 되며 전극으로 가공 시에 기계적 안정성이 뒤떨어진다는 단점을 갖고 있다. 이러한 단점을 개선하기 위해서는 폴리스티렌의 술폰화 비율을 낮추는 방법 또는 막의 두께를 두껍게 하는 방법 등이 있는데, 이때에는 막의 이온교환 능력이 현저하게 떨어져 이온교환막으로서의 성능을 기대할 수 없게 된다. 또한, 나피온은 불소계 물질로서 높은 도전성과 화학적 안정성 등으로 인해 이온교환막으로 많이 사용되어 왔으나, 포함되어 있는 불소화합물로 인해 가격이 매우 고가이며, 고온에서의 사용이 제한되는 단점을 가지고 있다. Commercially available ion exchange membranes used in fuel cell membranes and electrode membranes include sulfonated polystyrene and Nafion (hereinafter referred to as 'Nafion') manufactured by Du Pont. However, when the sulfonated polystyrene is dried, it is brittle due to an increase in brittleness, which makes it difficult to form a thin film or a composite film, and has a disadvantage in that it is inferior in mechanical stability during processing with an electrode. In order to improve this disadvantage, there is a method of lowering the sulfonation ratio of polystyrene or a method of increasing the thickness of the membrane. At this time, the ion exchange capacity of the membrane is remarkably decreased, and thus the performance as an ion exchange membrane cannot be expected. In addition, Nafion has been widely used as an ion exchange membrane due to high conductivity and chemical stability as a fluorine-based material, but has a disadvantage in that the price is very expensive due to the included fluorine compound and its use at high temperatures is limited.

그 밖의 이온교환막 소재로는 폴리벤즈이미다졸, 폴리포스파젠, PEEK, 폴리술폰, 폴리이미드, 폴리에테르이미다졸 및 폴리페닐렌 설파이드술폰과 같이 기계적 물성이 우수한 수지를 혼합하여 양이온 교환막의 기재로 사용하고 있으나 이들 막은 가격이 고가이고, 막의 제조 후 관능화 반응을 통한 이온교환기의 도입하는 방법은 관능화 도입 반응에 의해 막 표면 물성이 저하되어 기계적 물성이 취약하게 되어 내구성 향상을 위해 가소제와 같은 약품을 사용해야하는 단점을 지니고 있어 낮은 비용, 기계적 물성을 개선할 수 있는 새로운 방법의 필요성이 요구되고 있다.As other ion exchange membrane materials, resins with excellent mechanical properties such as polybenzimidazole, polyphosphazene, PEEK, polysulfone, polyimide, polyetherimidazole and polyphenylene sulfide sulfone may be mixed and used as the base material of the cation exchange membrane. However, these membranes are expensive and the method of introducing the ion exchanger through functionalization after the preparation of the membrane reduces the surface properties of the membrane due to the functionalization introduction reaction, so that the mechanical properties are weak. Due to the disadvantage of using a low cost, there is a need for a new method to improve the mechanical properties.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 이온교환기를 가지는 (C10∼C30)이소프탈계 단량체; (C5~C20) 글리콜계 단량체; 산무수물 단량체로부터 제조된 이온교환기를 함유하는 공중합체에 가교제로 가교하여 제조되는 이온교환막 및 이의 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.The present invention is to solve the problems of the prior art as described above, (C10 ~ C30) isophthalic monomer having an ion exchange group; (C5-C20) glycol monomers; An object of the present invention is to provide an ion exchange membrane prepared by crosslinking a copolymer containing an ion exchange group prepared from an acid anhydride monomer with a crosslinking agent, and a method for preparing the same.

보다 구체적으로는 이온교환기를 가지는 (C10∼C30)이소프탈계 단량체; (C5~C20) 글리콜계 단량체; 무수말레인산과 같은 산무수물 단량체 및 반응개시제를 포함하는 중합용 용액을 교반하여 공중합체를 제조하는 단계; 상기 공중합체 및 가교제, 광개시제를 포함하는 반응용 용액을 이용하여 용매 캐스팅(solvent casting)법에 의해 막을 형성하는 단계; 상기 막을 광개시제를 이용하여 광가교 방법으로 가교된 양이온교환막을 제조하는 단계를 포함하는 이온교환막의 제조방법을 통하여 이온교환용량이 우수할 뿐만 아니라 내구성이 뛰어나고, 가공성이 향상된 이온교환막용 조성물 및 이를 이용한 이온교환막의 제조방법을 제공하는데 본 발명의 목적이 있다.More specifically, (C10-C30) isophthalic monomer which has an ion exchange group; (C5-C20) glycol monomers; Preparing a copolymer by stirring a solution for polymerization containing an acid anhydride monomer such as maleic anhydride and a reaction initiator; Forming a film by a solvent casting method using a reaction solution including the copolymer, a crosslinking agent and a photoinitiator; The ion exchange membrane composition, which has excellent ion exchange capacity and excellent durability, and processability through the method of preparing an ion exchange membrane including the step of preparing a cation exchange membrane crosslinked by a photocrosslinking method using a photoinitiator, and using the same It is an object of the present invention to provide a method for producing an ion exchange membrane.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여 안출된 것으로, 이온교환기를 가지는 (C10∼C30)이소프탈계 단량체; (C5~C20) 글리콜계 단량체; 산무수물 단량체로부터 제조된 이온교환기를 함유하는 공중합체에 가교제로 가교하여 제조되는 이온교환막을 제공한다.The present invention has been made to achieve the above object, the (C10 ~ C30) isophthalic monomer having an ion exchange group; (C5-C20) glycol monomers; Provided is an ion exchange membrane prepared by crosslinking a copolymer containing an ion exchange group prepared from an acid anhydride monomer with a crosslinking agent.

이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가진다.At this time, if there is no other definition in the technical terms and scientific terms used, it has a meaning commonly understood by those of ordinary skill in the art.

본 발명은 이온교환기를 가지는 (C10∼C30)이소프탈계 단량체; (C5~C20) 글리콜계 단량체; 산무수물 단량체로부터 제조된 이온교환기를 함유하는 공중합체에 가교제로 가교하여 제조되는 이온교환막 및 광개시제를 이용한 광가교방법으로 제조되는 이온교환막에 관한 것으로, 상기 공중합체는 이온교환기를 가지는 (C10∼C30)이소프탈계 단량체 5-15 mol%, (C5~C20)글리콜계 단량체 45~60 mol% 및 산무수물 단량체는 25~40 mol%를 포함한다.The present invention is (C10 ~ C30) isophthalic monomer having an ion exchange group; (C5-C20) glycol monomers; An ion exchange membrane prepared by crosslinking with a copolymer containing an ion exchange group prepared from an acid anhydride monomer and an ion exchange membrane prepared by a photocrosslinking method using a photoinitiator, wherein the copolymer has an ion exchange group (C10 to C30). 5-15 mol% of isophthalic monomers, 45-60 mol% of (C5-C20) glycol monomers and 25-40 mol% of acid anhydride monomers.

상기 공중합체 중 이소프탈계 단량체는 5~15 mol%를 포함하는 것이 좋으며, 바람직하게는 5~10 mol%인 것이다. 상기 이소프탈계 단량체가 5 mol% 미만일 경우에는 이소프탈계에 함유되어 있는 이온교환기의 함량이 낮아져 이온교환용량의 저하되기 때문에 이온교환막으로서의 성능을 기대할 수 없고, 15 mol%를 초과할 경우에는 취성의 증가로 이온교환막으로서의 성형이 어렵게 된다.The isophthalic monomer in the copolymer preferably contains 5 to 15 mol%, preferably 5 to 10 mol%. If the isophthalic monomer is less than 5 mol%, the content of the ion exchange group contained in the isophthalate is lowered and the ion exchange capacity is lowered, so the performance as an ion exchange membrane cannot be expected. If the isophthalic monomer exceeds 15 mol%, brittleness is increased. As a result, molding as an ion exchange membrane becomes difficult.

상기 공중합체 중 (C5~C20)글리콜계 단량체는 공중합체의 유연성을 부여하기 위해 도입되며, 45~60 mol%를 포함하는 것이 좋다. 상기 (C5∼C20)글리콜계 단량체가 45 mol% 미만일 경우에는 이온교환막의 유연성 효과를 기대할 수 없으며, 60 mol%를 초과할 경우에는 이온교환막의 팽윤에 따른 내구성이 저하되는 단점이 있다.The (C5-C20) glycol monomer in the copolymer is introduced to impart the flexibility of the copolymer, it is preferable to include 45 to 60 mol%. When the (C5-C20) glycol monomer is less than 45 mol%, the flexibility effect of the ion exchange membrane cannot be expected, and when it exceeds 60 mol%, durability due to swelling of the ion exchange membrane is lowered.

상기 공중합체 중 산무수물 단량체는 가교반응을 통한 치수안정성 및 기계적 물성을 향상시키기 위해 도입되며, 25~40 mol%를 포함하는 것이 좋다. 상기 산무수물 단량체가 25 mol% 미만일 경우에는 가교반응이 충분히 이루어 지지 않아 기계적 물성의 향상을 기대할 수 없으며, 40 mol%를 초과할 경우에는 과도한 가교로 인해 막 표면의 취성(brittleness)이 증가하여 이온교환막의 성능을 기대할 수 없게 된다. Acid anhydride monomer in the copolymer is introduced to improve the dimensional stability and mechanical properties through the crosslinking reaction, it is preferable to include 25 to 40 mol%. If the acid anhydride monomer is less than 25 mol%, crosslinking reaction is not sufficiently achieved, and mechanical properties cannot be expected to increase. If the acid anhydride monomer is more than 40 mol%, brittleness of the membrane surface is increased due to excessive crosslinking. The performance of the exchange membrane cannot be expected.

상기 이온교환기를 함유하는 (C10∼C30)이소프탈계 단량체는 디메틸이소프탈레이트(Dimethyl isophthalate), 디페닐이소프탈레이트 (Diphenyl isophthalate), 디메틸4,6-비스(벤질옥시)이소프탈레이트 (Dimethyl 4,6-bis(benzyloxy) isophthalate), 디부틸이소프탈레이트 (Dibutyl isophthalate) 등의 이소프탈계 중 벤젠링에 이온교환기가 도입되어 있는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 사용하는 것이 좋다.The (C10 to C30) isophthalic monomers containing the ion exchange group include dimethyl isophthalate, diphenyl isophthalate, dimethyl 4,6-bis (benzyloxy) isophthalate (Dimethyl 4,6- It is preferable to use any one or two or more mixtures in which an ion exchange group is introduced in the benzene ring among isophthalic systems such as bis (benzyloxy) isophthalate) and dibutyl isophthalate.

상기 이온교환기로는 술폰산기(-SO3H), 카르복실기(-COOH), 포스포닉기(-PO3H2), 포스피닉기(-HPO2H)에서 선택되는 양이온교환기 또는 4급 암모늄염(-NH3), 1~3급 아민(-NH2,-NHR, -NR2), 4급 포스포니움기(-PR4)에서 선택되는 음이온교환기가 적절하게 이용될 수 있다.Examples of the ion exchange group include a cation exchange group or a quaternary ammonium salt (-NH 3) selected from a sulfonic acid group (-SO 3 H), a carboxyl group (-COOH), a phosphonic group (-PO 3 H 2), and a phosphonic group (-HPO 2 H). Anion exchange groups selected from tertiary amines (-NH2, -NHR, -NR2) and quaternary phosphonium groups (-PR4) can be suitably used.

또한 상기 (C5~C20) 글리콜계 또는 메타크릴레이트계 단량체를 형성하는 알킬기의 탄소수가 20을 초과하는 경우에는 중합반응에 적합하지 않아 본 발명에서 목적으로 하는 효과를 얻을 수 없으므로 C5~C20을 유지하는 것이 좋다. 구체적인 예로는 디에틸렌 글리콜(Diethylene glycol), 부틸 글리콜(Butyl glycol), 헥실렌 글리콜(Hexylene glycol), 네오펜틸 글리콜(Neopentylglycol), 프로필렌 글리콜( Propylene glycol) 에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 사용하는 것이 반응의 효과 측면에서 좋고, 가장 바람직하게는 디에틸렌 글리콜(Diethylene glycol)를 사용하는 것이다.In addition, when the carbon number of the alkyl group forming the (C5-C20) glycol-based or methacrylate-based monomer is more than 20, it is not suitable for the polymerization reaction, and thus the target effect in the present invention cannot be obtained, thus maintaining C5-C20. Good to do. As a specific example, any one or a mixture selected from diethylene glycol, butyl glycol, hexylene glycol, neopentyl glycol, propylene glycol, and propylene glycol may be used. In terms of the effect of the reaction, it is preferable to use diethylene glycol.

상기 가교반응을 통해 이온교환막의 내구성 향상을 위해 사용되는 산무수물 단량체는 무수말레인산 (Maleic anhydride), 무수 프탈산(PHTHALIC ANHYDRIDE) 등이 있으며, 반응의 효과 측면 및 가교반응시 효과적인 것은 무수말레인산을 사용하는 것이다.Acid anhydride monomers used to improve the durability of the ion exchange membrane through the crosslinking reaction include maleic anhydride, phthalic anhydride, and the like. will be.

본 발명에 따른 이온교환막은,The ion exchange membrane according to the present invention,

a) 이온교환기를 가지는 (C10∼C30)이소프탈계 단량체; (C5~C20) 글리콜계 단량체; 산무수물 단량체 및 반응개시제를 포함하는 중합용 용액을 교반하여 공중합체를 제조하는 단계;a) (C10 to C30) isophthalic monomer having an ion exchange group; (C5-C20) glycol monomers; Preparing a copolymer by stirring a solution for polymerization comprising an acid anhydride monomer and a reaction initiator;

b) 상기 공중합체 및 가교제, 광개시제를 포함하는 반응용액을 이용하여 용매 캐스팅(solvent casting)법에 의해 막을 형성하는 단계;b) forming a film by a solvent casting method using a reaction solution including the copolymer, a crosslinking agent and a photoinitiator;

c) 상기 막을 광개시제를 이용하여 광가교방법으로 가교된 이온교환막을 제조하는 단계;c) preparing an ion exchange membrane crosslinked with a photoinitiator using a photoinitiator;

를 포함하는 공정으로 제조할 수 있다.It can be prepared by a process comprising a.

상기 a) 단계의 반응개시제는 특별히 한정하지 않고 사용할 수 있으며, 특히 본 발명에서는 벤조일 퍼옥사이드(Benzoyl peroxide;BPO), 디쿠밀 퍼옥사이드(Dicumyl peroxide;DCP), 아조비스이소부티로니트릴(Azobisisobutyronitrile; AIBN), 부틸주석산(Butylstannoic acid;BuSnOOH) 등이 사용될 수 있고, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 반응개시제는 0.1 ~ 0.5 중량%로 첨가되는 것이 바람직하며, 0.1 중량% 미만일 경우에는 충분한 가교가 일어나지 않아 삼원 공중합이 어려우며, 0.5 중량%를 초과하는 경우에는 반응개시제 자체의 함량이 너무 많아 물성의 저하가 일어난다는 문제점이 있다.The reaction initiator of step a) may be used without particular limitation, and in particular, in the present invention, benzoyl peroxide (BPO), dicumyl peroxide (DCP), azobisisobutyronitrile; AIBN), Butylstannoic acid (BuSnOOH) and the like can be used, but is not limited thereto. Preferably, the reaction initiator is added in an amount of 0.1 to 0.5% by weight. If less than 0.1% by weight, sufficient crosslinking does not occur, so that terpolymerization is difficult. When the reaction initiator exceeds 0.5% by weight, the content of the reaction initiator itself is too high. There is a problem that degradation occurs.

상기 a) 단계에서 이온교환기를 가지는 (C10∼C30)이소프탈계 단량체; (C5~C20) 글리콜계 단량체; 산무수물 단량체를 2단계의 반응으로 중합이 이루어지며, 반응 후 미 반응물은 진공 탈용제법으로 제거할 수 있다.(C10 to C30) isophthalic monomer having an ion exchange group in step a); (C5-C20) glycol monomers; The acid anhydride monomer is polymerized in a two-step reaction, and after the reaction, the unreacted material can be removed by a vacuum desolvent method.

b) 단계에서 사용되는 가교제는 최종적으로 막의 팽윤도와 가교도를 좌우하는 역할을 하는 것으로 특별히 한정하지는 않으나, 특히 본 발명에서는 다관능성 아미드계, 다관능성 아크릴레이트계 , 다관능성 이소시아네이트계 등이 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 가교제는 10 ~ 30 중량%로 첨가되는 것이 좋으며, 10 중량% 미만일 경우에는 가교도가 부족하게 되며, 30 중량%를 초과하는 경우에는 가교도가 너무 높아 막이 부서지는 문제가 발생한다.Although the crosslinking agent used in step b) finally plays a role in determining the swelling degree and the degree of crosslinking of the membrane, the present invention is not particularly limited, but in the present invention, polyfunctional amide, polyfunctional acrylate, and polyfunctional isocyanate may be used. It is not limited to this. Such a crosslinking agent is preferably added in 10 to 30% by weight, when less than 10% by weight, the degree of crosslinking is insufficient, and when it exceeds 30% by weight, the crosslinking degree is too high, causing a problem of film breakage.

또한 b) 단계의 광개시제는 가교시 가교반응의 촉진 역할을 하는 것으로 특별히 한정하지는 않으나, 본 발명에서는 벤조페논(benzophenone)계열과 티옥산톤(thioxantone)계열 등이 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 광개시제는 1.0 ~ 5.0 중량%로 첨가되는 것이 좋으며, 1.0 중량% 미만일 경우에는 적은 양으로 인해 가교 촉진역할을 할 수 없는 문제점이 있으며, 5.0 중량%를 초과하는 경우에는 과량의 첨가에 따른 가교반응시 물성 저하문제가 발생한다.In addition, the photoinitiator of step b) is not particularly limited to play a role of promoting the crosslinking reaction during crosslinking, but in the present invention, benzophenone series and thioxantone series may be used, but the present invention is not limited thereto. Such photoinitiator is preferably added in 1.0 to 5.0% by weight, if less than 1.0% by weight, there is a problem that can not act as a cross-linking promotion due to the small amount, if it exceeds 5.0% by weight crosslinking reaction due to the addition of excess The problem of physical property degradation occurs.

상기 b) 단계의 용매 캐스팅(solvent casting)법에 의한 막 형성 시 막의 두께는 80 ~ 150 ㎛인 것이 좋고, 상기 범위일 때 이온교환막의 이온교환용량이 우수할 뿐만 아니라 내구성이 뛰어난 이점이 있다.When the membrane is formed by the solvent casting method of step b), the thickness of the membrane is preferably 80 to 150 μm, and the ion exchange capacity of the ion exchange membrane is excellent as well as durability in the above range.

상기 c) 단계의 가교에 의한 막을 형성하는 단계는 광가교 방법을 사용하게 되는 데 UV 조사에 의해 가교가 일어난다.The forming of the film by the crosslinking of step c) uses a photocrosslinking method, and crosslinking occurs by UV irradiation.

본 발명에 따른 이온교환막은 이온교환기를 함유하고 있는 공중합체의 합성 및 이온교환막의 제조를 통한 이온교환용량이 우수할 뿐만 아니라 내구성이 뛰어나고 유연한 이점이 있다.The ion exchange membrane according to the present invention has not only an excellent ion exchange capacity through synthesis of a copolymer containing an ion exchange group and an ion exchange membrane, but also excellent durability and flexibility.

본 발명에 따른 이온교환기를 가지는 (C10∼C30)이소프탈계 단량체; (C5~C20) 글리콜계 단량체; 산무수물 단량체를 포함하는 이온교환기를 함유하고 있는 공중합체를 가교제로 가교하여 제조되는 이온교환막 및 그의 제조방법에 관한 것으로 합성된 공중합체는 이온교환기를 함유하고 있어 이온교환용량이 우수할 뿐만 아니라 기존의 막 제조 후 관능화 반응이 필요하지 않기 때문에 관능화 반응에 따른 막 표면의 물성 저하가 없어 내구성이 뛰어나고, 가공성이 향상되는 효과가 있다. 또한 유연성 있는 (C5~C20)글리콜계 단량체와 가교반응을 통해 치수안정성과 기계적 물성을 향상시키는 무수화물계의 도입을 통해 이온교환용량이 높고, 내구성이 우수하며 유연한 막을 제조할 수 있다.(C10 to C30) isophthalic monomer having an ion exchange group according to the present invention; (C5-C20) glycol monomers; The present invention relates to an ion exchange membrane prepared by crosslinking a copolymer containing an ion exchange group containing an acid anhydride monomer with a crosslinking agent and a method for preparing the same. Since the functionalization reaction is not required after the preparation of the membrane, there is no deterioration in the physical properties of the membrane surface due to the functionalization reaction, so that the durability is excellent and the workability is improved. In addition, through the introduction of an anhydride system that improves dimensional stability and mechanical properties through crosslinking reaction with a flexible (C5 ~ C20) glycol monomer, it is possible to manufacture a membrane with high ion exchange capacity, excellent durability.

이하, 실시예에 의해 본 발명을 보다 상세하게 설명하나, 이는 발명의 구성 및 효과를 이해시키기 위한 것 일뿐, 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, which are intended only for understanding the constitution and effects of the present invention, and are not intended to limit the scope of the present invention.

[[ 실시예Example 1] One]

공중합체 합성을 위하여 이온교환기가 함유되어 있는 이소프탈계인 디메틸 5-술포이소프탈레이트 소디움 솔트(DMISP) 10 mol%와 디에틸렌 글리콜(DEG) 60 mol%를 혼합하여 1L 플라스크에 넣고 균일하게 섞일 때까지 온도 200℃에서 교반한다. 교반 후 반응개시제인 부틸주석산(Butylstannoic acid;BuSnOOH) 0.1 중량%를 넣고 230 ℃에서 5 시간 동안 중합을 수행하였다. 이때 반응 부산물인 메탄올은 제거한다. 1차 반응을 마친 후 온도를 80℃로 내린 후 무수말레인산(MAn) 30 mol% 투입 후 반응개시제인 부틸주석산(BuSnOOH) 0.1 중량%을 투입한다. 투입 후 반응 온도를 200℃로 승온 후 4시간 동안 반응시켜 DMSIP/DEG/MAn 삼원 공중합체를 제조하였다. 제조한 DMSIP/DEG/MAn 삼원 공중합체를 디메틸 아세트아미드(DMAc)에 완전히 용해한 후, 가교제인 펜타에리트리톨 테트라아크릴레이트 (PETA) 블록 이소시아네이트 20 중량%, 광개시제인 벤조페논(BP) 3.0 중량%를 첨가하여 6시간 동안 교반하였다. 교반 후, 용매 캐스팅법을 이용하여 100 ㎛ 두께로 제막한 다음 상온에서 3 시간 동안 건조하고, UV 조사기에서 일정 세기를 이용하여 가교시켜 막을 제조하였다. When the copolymer is mixed, 10 mol% of dimethyl 5-sulfoisophthalate sodium salt (DMISP), which is an isophthalic group containing ion exchange group, and 60 mol% of diethylene glycol (DEG) are mixed and mixed in a 1L flask. Stir at a temperature of 200 ° C. until. After stirring, 0.1 wt% of butyltin acid (BuSnOOH), which is a reaction initiator, was added thereto, and polymerization was performed at 230 ° C. for 5 hours. At this time, the reaction byproduct methanol is removed. After completion of the first reaction, the temperature was lowered to 80 ° C., and 30 mol% of maleic anhydride (MAn) was added, and then 0.1 wt% of butyltin acid (BuSnOOH), a reaction initiator, was added thereto. After the addition, the reaction temperature was raised to 200 ° C., and then reacted for 4 hours to prepare a DMSIP / DEG / MAn terpolymer. After completely dissolving the prepared DMSIP / DEG / MAn terpolymer in dimethyl acetamide (DMAc), 20 wt% of pentaerythritol tetraacrylate (PETA) block isocyanate as a crosslinking agent and 3.0 wt% of benzophenone (BP) as a photoinitiator were added. Add and stir for 6 hours. After stirring, the film was formed into a film having a thickness of 100 μm using a solvent casting method, dried at room temperature for 3 hours, and crosslinked using a constant strength in a UV irradiator to prepare a film.

[[ 실시예Example 2] 2]

공중합체 합성을 위하여 이소프탈계인 디메틸 5-술포이소프탈레이트 소디움 솔트(DMISP) 12.5 mol%와 디에틸렌 글리콜(DEG) 55 mol% 와 2차 반응에서 무수말레인산(MAn) 32.5 mol%를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 이온교환막을 제조하였다.Except that 12.5 mol% of isophthalic dimethyl 5-sulfoisophthalate sodium salt (DMISP) and 55 mol% of diethylene glycol (DEG) were used for the synthesis of the copolymer and 32.5 mol% maleic anhydride (MAn) in the second reaction. Then, the same procedure as in Example 1 was carried out to prepare an ion exchange membrane.

[[ 실시예Example 3] 3]

공중합체 합성을 위하여 이소프탈계인 디메틸 5-술포이소프탈레이트 소디움 솔트(DMISP) 15 mol%와 디에틸렌 글리콜(DEG) 60 mol% 와 2차 반응에서 무수말레인산(MAn) 25 mol%를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 이온교환막을 제조하였다.Except for the use of isophthalic dimethyl 5-sulfoisophthalate sodium salt (DMISP) and 60 mol% of diethylene glycol (DEG) and 25 mol% of maleic anhydride (MAn) in the second reaction for copolymer synthesis Then, the same procedure as in Example 1 was carried out to prepare an ion exchange membrane.

[[ 비교예Comparative example 1] One]

실시예 1의 이온교환기가 함유된 디메틸 5-술포이소프탈레이트 소디움 솔트(DMISP) 사용 대신 이온교환기가 함유되지 않은 디메틸 이소프탈레이트 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 막을 제조하였다. Membrane was prepared in the same manner as in Example 1 except that dimethyl isophthalate containing no ion exchange group was used instead of dimethyl 5-sulfoisophthalate sodium salt (DMISP) containing the ion exchange group of Example 1.

[[ 비교예Comparative example 2] 2]

비교예 1과 동일한 방법으로 이온교환막의 제조 후 이온교환막을 술폰화 개시제로 황산은(silver sulfate)을 첨가한 95% 황산에 상기 막을 침적시킨 다음 상온에서 2시간 동안 술폰화 반응을 진행하였으며, 술폰화 반응 종결 후, 농도별 황산( 70%, 50%, 20% 중량% 순)으로 수 회 세척하고, 최종적으로 증류수를 이용하여 미반응 황산을 제거하였다. 세척한 막은 50 ℃ 진공오븐에서 24시간 동안 건조하여 이온교환막을 제조하였다.After the ion exchange membrane was prepared in the same manner as in Comparative Example 1, the membrane was immersed in 95% sulfuric acid to which silver sulfate was added as a sulfonation initiator, followed by sulfonation at room temperature for 2 hours. After the completion of the phonation reaction, the solution was washed several times with sulfuric acid (70%, 50%, 20% by weight), and finally, unreacted sulfuric acid was removed using distilled water. The washed membrane was dried in a vacuum oven at 50 ℃ for 24 hours to prepare an ion exchange membrane.

[[ 시험예Test Example 1] One]

상기 실시예 1~3 및 비교예 1~2에서 제조한 이온교환막의 이온교환용량 및 기계적 물성에 대한 성능을 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. The performance of the ion exchange capacity and mechanical properties of the ion exchange membranes prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 were measured, and the results are shown in Table 1 below.

이온교환용량 측정Ion exchange capacity measurement

건조된 이온교환막을 1N HCl 수용액으로 1차 세척 한 후, 다시 증류수로 pH가 중성이 될 때까지 2차 세척 하였다. 50 ℃ 진공오븐에서 하루 이상 건조 시킨 다음, 건조된 이온교환막의 무게를 재고 200 mL 삼각플라스크에 넣는다. 0.1N NaOH 수용액 100 mL를 가하고 24시간 동안 상온에서 교반하였다. 이 후, 0.1N HCl 용액으로 적정을 한 후, 다음 식을 이용하여 이온교환용량을 측정하였다.The dried ion exchange membrane was first washed with 1N HCl aqueous solution, and then washed twice with distilled water until the pH was neutral. After drying in a vacuum oven at 50 ° C. for at least one day, the dried ion exchange membrane is weighed and placed in a 200 mL Erlenmeyer flask. 100 mL of 0.1N NaOH aqueous solution was added and stirred at room temperature for 24 hours. Then, after titration with 0.1N HCl solution, the ion exchange capacity was measured using the following equation.

Figure pat00001
Figure pat00001

VHCl와 VNaOH는 적정에 사용된 HCl과 NaOH의 전체 부피이며, NHCl와 NNaOH는 HCl과 NaOH의 노르말 농도를 나타낸다.V HCl and V NaOH are the total volumes of HCl and NaOH used for the titration, and N HCl and N NaOH represent the normal concentrations of HCl and NaOH.

기계적 물성 측정(Mechanical property measurement 인장강도The tensile strength ))

이온교환막의 내구성을 측정하기 위한 인장강도는 인장강도 시험기를 이용하여 측정하였으며, 시편은 길이 100 mm, 외폭 25 mm, 내폭 5 mm인 아령형을 사용하였고, 길이 20 mm, 폭 5 mm 부위의 시편으로 시험편을 잡아 늘릴 때의 Strain-Stress의 curve로 초기로부터 파단 시까지의 신장에 대한 응력의 방법으로 측정하였으며, 인장강도는 ASTM D 882의 방법으로 측정하여 확인하였다. Tensile strength for measuring the durability of the ion exchange membrane was measured by using a tensile strength tester. The specimen was a dumbbell 100 mm long, 25 mm wide and 5 mm wide. The specimen was 20 mm long and 5 mm wide. The strain-stress curve when the test piece was stretched was measured by the method of stress on the elongation from the initial stage to the break, and the tensile strength was confirmed by the method of ASTM D 882.

Figure pat00002
Figure pat00002

상기 표 1에서 살펴본 바와 같이, 실시예 1~3에 의해 제조된 이온교환막의 경우 비교예 1~2에 의해 제조된 이온교환막보다 이온교환기가 함유된 DMSIP/DEG/MAn 삼원 공중합 효과로 인해 막이 불안정(brittle)하지 않아 보는 바와 같이 아주 높은 이온교환용량을 나타낸 것을 확인할 수 있었다. 또한, 비교예 1의 경우 이온교환기가 도입되지 않은 경우에 이온교환용량이 실시예와 대비하여 저하되는 결과를 나타냈다. 또한 실시예 1~3에 의해 제조된 이온교환막의 경우 비교예 1~2에 의해 제조된 이온교환막보다 기계적 강도(인장강도)가 월등하게 향상된 수치를 보였다. 비교예 2의 경우에는 막 제조 후 술폰화 반응을 통한 이온교환기의 도입에 의해 이온교환용량은 비교예 1과 대비하여 높지만, 내구성의 척도인 인장강도의 경우에는 실시예 1∼3과 비교예 1과 대비하여 저하되는 결과를 나타냈다.As shown in Table 1, in the case of the ion exchange membrane prepared in Examples 1 to 3, the membrane is unstable due to the DMSIP / DEG / MAn terpolymerization effect containing the ion exchanger than the ion exchange membrane prepared in Comparative Examples 1-2. It was confirmed that the ion exchange capacity was very high as shown without being brittle. In addition, in the case of Comparative Example 1, the ion exchange capacity was lowered as compared with the example when no ion exchanger was introduced. In addition, the ion exchange membranes prepared in Examples 1 to 3 exhibited significantly improved mechanical strength (tensile strength) than the ion exchange membranes prepared in Comparative Examples 1 and 2. In Comparative Example 2, the ion exchange capacity was higher than that of Comparative Example 1 by introduction of an ion exchanger through sulfonation after membrane preparation, but in the case of tensile strength which is a measure of durability, Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 In contrast, the results were lowered.

Claims (4)

이온교환기를 가지는 (C10∼C30)이소프탈계 단량체; (C5~C20) 글리콜계 단량체; 산무수물 단량체로부터 제조된 이온교환기를 함유하는 공중합체를 가교제로 가교하여 제조되는 이온교환막.(C10 to C30) isophthalic monomer having an ion exchange group; (C5-C20) glycol monomers; An ion exchange membrane prepared by crosslinking a copolymer containing an ion exchange group prepared from an acid anhydride monomer with a crosslinking agent. 제 1 항에 있어서,
상기 이온교환기를 가지는 (C10∼C30)이소프탈계 단량체는 디메틸이소프탈레이트, 디페닐이소프탈레이트, 디메틸4,6-비스(벤족시)이소프탈레이트 또는 디부틸이소프탈레이트로부터 선택된 이온교환기가 도입된 것인 이온교환막.
The method of claim 1,
The (C10 to C30) isophthalic monomer having the ion exchange group is an ion into which an ion exchange group selected from dimethyl isophthalate, diphenyl isophthalate, dimethyl 4,6-bis (benzox) isophthalate or dibutyl isophthalate is introduced. Exchange membrane.
제 1 항에 있어서,
상기 (C5~C20) 글리콜계는 디에틸렌 글리콜, 부틸 글리콜, 헥실렌 글리콜, 네오펜틸 글리콜 또는 프로필렌 글리콜로부터 선택된 이온교환막.
The method of claim 1,
The (C5 ~ C20) glycol system is an ion exchange membrane selected from diethylene glycol, butyl glycol, hexylene glycol, neopentyl glycol or propylene glycol.
제 1 항에 있어서,
상기 산무수물 단량체는 무수말레인산 또는 무수 프탈산인 이온교환막.
The method of claim 1,
The acid anhydride monomer is maleic anhydride or phthalic anhydride.
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