KR20110129111A - Polyimide porous nanofiber web and method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A method for fabricating a polyimide porous nanofiber web is provided to ensure chemical tolerance and thermal resistance. CONSTITUTION: A method for fabricating a polyimide porous nanofiber web comprises: a step of dissolving a polyimide precursor in an organic solvent to prepare a spinning solution; a step of electrospinning to prepare a polyimide precursor nanofiber web; and a step of treating the nanofiber web with a solvent to obtain the nanofiber web having 90% or more of imidizing rate. The nanofiber web contains fibers(4) having 0.01-5 um of average diameter.

Description

폴리이미드 다공성 나노섬유 웹 및 그 제조방법{Polyimide porous nanofiber web and Method for manufacturing the same}Polyimide porous nanofiber web and method for manufacturing the same

본 발명은 폴리이미드 다공성 나노섬유 웹 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 연료전지용 전해질막 또는 이차전지용 분리막 등에 사용 가능한 폴리이미드 다공성 나노섬유 웹 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a polyimide porous nanofiber web and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a polyimide porous nanofiber web and a method for manufacturing the same, which can be used in an electrolyte membrane for a fuel cell or a separator for a secondary battery.

다공성 나노섬유 웹은 표면적이 넓고 다공성이 우수하기 때문에 다양한 용도로 이용할 수 있는데, 예를 들면, 정수용 필터, 공기 정화용 필터, 복합재료, 및 전지용 분리막 등에 이용할 수 있다. 특히, 이러한 다공성 나노섬유 웹은 자동차용 연료전지의 전해질막에 유용하게 적용할 수 있다. Porous nanofiber webs have a wide surface area and excellent porosity, and thus can be used for various purposes. For example, the porous nanofiber webs can be used for water purification filters, air purification filters, composite materials, and battery separators. In particular, such a porous nanofiber web can be usefully applied to the electrolyte membrane of a fuel cell for automobiles.

연료전지는 연료의 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전지로서 높은 에너지 효율성과 오염물 배출이 적은 친환경적인 특징으로 인해 차세대 에너지원으로 각광받고 있다. 이러한 연료전지는 일반적으로 전해질막을 사이에 두고 그 양쪽에 산화극(anode)과 환원극(cathode)이 각각 형성된 구조를 이루고 있다.A fuel cell is a battery that converts chemical energy generated by oxidation of a fuel into electrical energy directly, and has been in the spotlight as a next-generation energy source due to its high energy efficiency and eco-friendly features with low emission of pollutants. Such a fuel cell generally has a structure in which an anode and a cathode are formed on both sides of an electrolyte membrane.

자동차용 연료전지의 대표적인 예로는 수소가스를 연료로 사용하는 수소 이온 교환막 연료전지를 들 수 있다. 이러한 수소 이온 교환막 연료전지에 사용되는 전해질막은 산화극에서 생성된 수소 이온이 환원극으로 전달되는 통로이므로 기본적으로 수소 이온의 전도도가 우수해야 한다. 또한, 전해질막은 산화극에 공급되는 수소가스와 환원극에 공급되는 산소를 분리하는 분리능이 우수해야 하고, 그 외에도 기계적 강도, 형태안정성, 내화학성 등이 우수해야 하며, 고전류밀도에서 저항손실이 작아야 하는 등의 특성이 요구된다. 특히, 자동차용 연료전지는 고온에서 장시간 사용할 경우 전해질막이 파열되지 않도록 내열성이 우수해야 한다.Representative examples of automotive fuel cells include a hydrogen ion exchange membrane fuel cell using hydrogen gas as a fuel. Since the electrolyte membrane used in the hydrogen ion exchange membrane fuel cell is a passage through which hydrogen ions generated from the anode are transferred to the cathode, the conductivity of the hydrogen ions should be excellent. In addition, the electrolyte membrane must have excellent separation ability to separate hydrogen gas supplied to the anode and oxygen supplied to the cathode, and also have excellent mechanical strength, shape stability, and chemical resistance, and have low resistance loss at high current density. Such characteristics are required. In particular, the fuel cell for automobiles should be excellent in heat resistance so as not to rupture the electrolyte membrane when used for a long time at high temperature.

현재 사용되고 있는 연료전지용 전해질막으로는 불소계 수지로서 퍼플루오로설폰산 수지(나피온, Nafion, 상품명)(이하 '나피온 수지'라 한다)가 있다. 그러나, 나피온 수지는 기계적 강도가 약하여 장시간 사용하면 핀홀이 발생하고 그로 인해 에너지 전환효율이 떨어지는 문제가 있다. 기계적 강도를 보강하기 위해서 나피온 수지의 막두께를 증가시켜 사용하는 시도가 있지만, 이 경우는 저항손실이 증가되고 또한 고가의 재료를 사용함에 따라 경제성이 떨어지는 문제가 있다.As an electrolyte membrane for fuel cells currently used, a perfluorosulfonic acid resin (Nafion, Nafion, trade name) (hereinafter referred to as 'nafion resin') is a fluorine resin. However, Nafion resins have a weak mechanical strength, so that when used for a long time, pinholes are generated, thereby lowering energy conversion efficiency. Attempts have been made to increase the film thickness of Nafion resin in order to reinforce mechanical strength. However, in this case, the resistance loss is increased, and there is a problem in that the economy is inferior as expensive materials are used.

이와 같은 문제를 해결하기 위해서, 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌 수지(테프론, Teflon, 상품명)(이하 '테프론 수지'라 한다)에 이온전도체로 나피온 수지를 함침시킴으로써 기계적 강도를 향상시킨 전해질막이 제안된 바 있다. 이 경우는 나피온 수지가 단독으로 이루어진 전해질막에 비해 기계적 강도가 상대적으로 우수하나, 이온 전도도가 다소 떨어지는 문제가 있다. 또한, 테프론 수지는 접착성이 매우 낮기 때문에 연료전지 운전 중 온도 또는 습도 등의 작동 조건 변화에 따라 테프론 수지와 나피온 수지 사이의 접착성이 저하됨에 따라 수소와 산소의 분리능이 감소하는 단점이 있다. 더불어, 나피온 수지뿐만 아니라 다공성 테프론 수지의 가격이 고가이기 때문에 대량 생산시 경제성이 떨어지는 문제가 있다.In order to solve such a problem, an electrolyte membrane having improved mechanical strength by impregnating a porous polytetrafluoroethylene resin (Teflon, Teflon, trade name) (hereinafter referred to as 'Teflon resin') with an ion conductor as an ion conductor has been proposed. There is a bar. In this case, the mechanical strength is relatively higher than that of the electrolyte membrane composed of Nafion resin alone, but there is a problem that the ionic conductivity is somewhat reduced. In addition, since the Teflon resin is very low adhesion, there is a disadvantage in that the separation between hydrogen and oxygen decreases as the adhesion between the Teflon resin and the Nafion resin decreases with the change of operating conditions such as temperature or humidity during fuel cell operation. . In addition, since the price of not only Nafion resin but also porous Teflon resin is expensive, there is a problem in that economic feasibility in mass production.

이와 같은 문제를 해결하기 위해서, 테프론 수지 대신에 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리설폰, 폴리에테르설폰, 폴리비닐리덴플루오라이드와 같은 범용의 탄화수소계 수지를 사용하고 이온전도체로서 나피온 수지 대신에 술폰산기를 포함하는 저가의 탄화수소계 수지를 사용함으로써 생산단가를 줄일 수 있는 전해질막이 제안된 바 있다.In order to solve this problem, general-purpose hydrocarbon resins such as polyethylene, polypropylene, polysulfone, polyethersulfone, polyvinylidene fluoride are used instead of teflon resin, and sulfonic acid groups are used instead of Nafion resin as an ion conductor. An electrolyte membrane has been proposed to reduce the production cost by using a low-cost hydrocarbon resin.

그러나, 이 경우 생산단가를 줄일 수 있어 경제성을 향상시킬 수는 있으나, 막을 이루고 있는 탄화수소계 수지가 유기용매에 용해되거나, 내열성이 떨어짐에 따라 내구성이 보장될 수 없다는 문제가 있다. However, in this case, although the production cost can be reduced, the economical efficiency can be improved, but there is a problem that durability can not be guaranteed as the hydrocarbon-based resin forming the film is dissolved in an organic solvent or the heat resistance is poor.

또한, 일반적 방법으로 제조된 부직포 또는 통상의 분리막 제조 방법에 의해 제조된 필름 형태의 탄화수소계 막은 박막화가 곤란하고 다공도가 떨어지며 공경의 조절이 용이치 않은 문제가 있다.In addition, the non-woven fabric prepared by the general method or a hydrocarbon-based membrane in the form of a film prepared by a conventional separation membrane manufacturing method has a problem that it is difficult to thin film, the porosity is poor, and the pore size is not easy to control.

특히, 탄화수소계 막은 강산성 환경에서 인장 강도가 떨어지고 중량이 감소함으로써 성능이 저하되거나 심할 경우 파열되어 폭발하는 문제가 있다. In particular, hydrocarbon-based membranes have a problem of deterioration in performance due to a decrease in tensile strength and a decrease in weight in a strongly acidic environment, or a rupture and explosion when severe.

본 발명은 박막 및 공경의 조절이 용이하고 다공도 및 내열성이 우수하며 강산성 환경에서도 형태안정성이 우수한 섬유 집합체 형태로 이루어짐에 따라, 연료전지용 전해질막 또는 이차전지용 분리막 등의 다양한 분야에 이용할 수 있는 폴리이미드 다공성 나노섬유 웹 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention is a polyimide that can be easily used in a variety of fields, such as the electrolyte membrane for fuel cells or the separator for secondary batteries, as it is easy to control the thin film and pore size, excellent porosity and heat resistance, and excellent shape stability even in a strong acid environment. An object of the present invention is to provide a porous nanofiber web and a method of manufacturing the same.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면으로서, 본 발명은 다공도가 50 내지 99 %이고; 아래의 식에 의해 구한 용매처리 후 이미드화율이 90 % 이상이며; 섬유 집합체 형태를 이루고 있는 것을 특징으로 하는 폴리이미드 다공성 나노섬유 웹을 제공한다.As an aspect of the present invention for achieving the above object, the present invention has a porosity of 50 to 99%; The imidation ratio after the solvent treatment determined by the following formula is 90% or more; It provides a polyimide porous nanofiber web characterized in that the fiber aggregate form.

용매처리 후 이미드화율(%) = [용매처리 후 나노섬유 웹의 중량/용매처리 전 나노섬유 웹의 중량]×100(단, 상기 용매처리 전 나노섬유 웹의 중량은 30 ℃의 온도로 설정된 진공오븐에서 24시간 이상 방치한 나노섬유 웹을 이용하여 측정하고, 상기 용매처리 후 나노섬유 웹의 중량은 상기 용매처리 전 나노섬유 웹을 디메틸포름아미드 유기용매에 침지시켜 상온에서 24시간 동안 교반 후 증류수에서 5회 이상 세척한 다음 30 ℃의 온도로 설정된 진공오븐에서 24시간 방치 후 용매처리 후 얻어진 나노섬유 웹을 이용하여 측정한다)Imidization rate after solvent treatment (%) = [weight of nanofiber web after solvent treatment / weight of nanofiber web before solvent treatment] × 100 (where, the weight of nanofiber web before solvent treatment is set at a temperature of 30 ° C.) Measured using a nanofiber web left at least 24 hours in a vacuum oven, and after the solvent treatment, the weight of the nanofiber web was stirred for 24 hours at room temperature by immersing the nanofiber web before the solvent treatment in a dimethylformamide organic solvent. After washing at least 5 times in distilled water and left for 24 hours in a vacuum oven set at a temperature of 30 ℃ measured using a nanofiber web obtained after the solvent treatment)

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면으로서, 본 발명은 폴리이미드 전구체(precusor)를 유기용매에 녹여 방사용액을 제조하는 공정; 상기 방사용액을 전기방사하여 0.01 내지 5 ㎛의 평균 직경을 갖는 섬유로 이루어진 폴리이미드 전구체 나노섬유 웹을 제조하는 공정; 및 상기 폴리이미드 전구체 나노섬유 웹을 이미드화시켜 아래의 식에 의해 구한 용매처리 후 이미드화율이 90 % 이상인 폴리이미드 나노섬유 웹을 제조하는 공정을 포함하는 폴리이미드 다공성 나노섬유 웹의 제조방법을 제공한다.As another aspect of the present invention for achieving the above object, the present invention comprises the steps of preparing a spinning solution by dissolving a polyimide precursor (precusor) in an organic solvent; Electrospinning the spinning solution to prepare a polyimide precursor nanofiber web made of fibers having an average diameter of 0.01 to 5 μm; And imidizing the polyimide precursor nanofiber web and preparing a polyimide nanofiber web having an imidation ratio of 90% or more after solvent treatment obtained by the following formula. to provide.

용매처리 후 이미드화율(%) = [용매처리 후 나노섬유 웹의 중량/용매처리 전 나노섬유 웹의 중량]×100(단, 상기 용매처리 전 나노섬유 웹의 중량은 30 ℃의 온도로 설정된 진공오븐에서 24시간 이상 방치한 나노섬유 웹을 이용하여 측정하고, 상기 용매처리 후 나노섬유 웹의 중량은 상기 용매처리 전 나노섬유 웹을 디메틸포름아미드 유기용매에 침지시켜 상온에서 24시간 동안 교반 후 증류수에서 5회 이상 세척한 다음 30 ℃의 온도로 설정된 진공오븐에서 24시간 방치 후 용매처리 후 얻어진 나노섬유 웹을 이용하여 측정한다)Imidization rate after solvent treatment (%) = [weight of nanofiber web after solvent treatment / weight of nanofiber web before solvent treatment] × 100 (where, the weight of nanofiber web before solvent treatment is set at a temperature of 30 ° C.) Measured using a nanofiber web left at least 24 hours in a vacuum oven, and after the solvent treatment, the weight of the nanofiber web was stirred for 24 hours at room temperature by immersing the nanofiber web before the solvent treatment in a dimethylformamide organic solvent. After washing at least 5 times in distilled water and left for 24 hours in a vacuum oven set at a temperature of 30 ℃ measured using a nanofiber web obtained after the solvent treatment)

본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.The present invention has the following effects.

첫째, 본 발명에 따른 폴리이미드 다공성 나노섬유 웹은 박막화가 용이하고 공경을 용이하게 조절할 수 있는 효과가 있다.First, the polyimide porous nanofiber web according to the present invention has an effect of easily thinning and easily adjusting the pore size.

둘째, 본 발명에 따른 폴리이미드 다공성 나노섬유 웹은 통상의 유기용매에 용해되지 않고 융점이 높기 때문에 내화학성 및 내열성이 우수한 효과가 있다.Second, since the polyimide porous nanofiber web according to the present invention has a high melting point without being dissolved in a conventional organic solvent, it has an excellent chemical resistance and heat resistance.

셋째, 본 발명에 따른 폴리이미드 다공성 나노섬유 웹은 최적의 조건에서 이미드화됨에 따라 이를 전해질막의 지지체로 이용할 경우 상기 전해질막은 강산성 환경에서 우수한 형태안정성을 갖는 효과가 있다.Third, as the polyimide porous nanofiber web according to the present invention is imidized under optimal conditions, when used as a support for the electrolyte membrane, the electrolyte membrane has an effect of having excellent shape stability in a strongly acidic environment.

이와 같은 우수한 물성을 갖는 폴리이미드 다공성 나노섬유 웹은 경량화, 고효율, 및 고안정성이 요구되는 연료전지용 전해질막 또는 이차전지용 분리막 등에 사용 가능하다.The polyimide porous nanofiber web having such excellent physical properties can be used for electrolyte membranes for fuel cells or secondary membranes for secondary batteries requiring lightweight, high efficiency, and high stability.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기방사 장치의 개략도이다.1 is a schematic diagram of an electrospinning apparatus according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 다양한 변경 및 변형이 가능하다는 점은 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명은 특허청구범위에 기재된 발명 및 그 균등물의 범위 내에 드는 변경 및 변형을 모두 포함한다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit and scope of the invention. Therefore, the present invention encompasses all changes and modifications that come within the scope of the invention as defined in the appended claims and equivalents thereof.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리이미드 다공성 나노섬유 웹에 대해서 구체적으로 설명하기로 한다.Hereinafter, a polyimide porous nanofiber web according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

본 발명의 폴리이미드 다공성 나노섬유 웹은 90 % 이상의 이미드화율을 갖는 폴리이미드를 포함하여 이루어진다. 즉, 폴리이미드 전구체가 열처리와 같은 이미드화 공정을 통해 고리화반응이 일어남으로써 이미드기로 변화되는 것을 의미한다. 이와 같이, 폴리이미드 다공성 나노섬유 웹은 90 % 이상의 이미드화율을 가짐에 따라, 우수한 내열성을 가지게 된다. The polyimide porous nanofiber web of the present invention comprises a polyimide having an imidation ratio of at least 90%. That is, it means that the polyimide precursor is changed to the imide group by the cyclization reaction occurs through an imidization process such as heat treatment. As such, the polyimide porous nanofiber web has an imidation ratio of 90% or more, and thus has excellent heat resistance.

또한, 본 발명의 폴리이미드 다공성 나노섬유 웹은 아래의 식에 의해 구한 용매처리 후 이미드화율이 90 % 이상을 갖는다. In addition, the polyimide porous nanofiber web of the present invention has an imidation ratio of 90% or more after the solvent treatment obtained by the following formula.

용매처리 후 이미드화율(%) = (용매처리 후 나노섬유 웹의 중량/용매처리 전 나노섬유 웹의 중량)×100% Imidization after solvent treatment = (weight of nanofiber web after solvent treatment / weight of nanofiber web before solvent treatment) × 100

상기 용매처리 후 이미드화율은 30 ℃의 온도로 설정된 진공오븐에서 24시간 이상 방치한 용매처리 전 나노섬유 웹의 중량을 먼저 측정하고, 상기 용매처리 전 나노섬유 웹을 디메틸포름아미드 유기용매에 침지시켜 상온에서 24시간 동안 교반 후 증류수에서 5회 이상 세척한 다음 30 ℃의 온도로 설정된 진공오븐에서 24시간 방치 후 용매처리 후 나노섬유 웹의 중량을 측정한 후, 측정된 용매처리 전후의 중량을 상기 식에 적용하여 측정한다.After the solvent treatment, the imidization ratio is measured first by weight of the nanofiber web before solvent treatment, which is left for 24 hours in a vacuum oven set at a temperature of 30 ° C., and the nanofiber web before solvent treatment is immersed in a dimethylformamide organic solvent. After stirring for 24 hours at room temperature and washed at least 5 times in distilled water and left for 24 hours in a vacuum oven set at a temperature of 30 ℃ after measuring the weight of the nanofiber web after solvent treatment, the weight before and after the measured solvent treatment Measured by applying to the above formula.

상기 90 % 이상의 용매처리 후 이미드화율을 갖는 폴리이미드 다공성 나노섬유 웹은 연료전지의 구동 환경인 강산성 상태에서도 우수한 인장 강도를 유지할 수 있고 전해질에 대해 우수한 용해 저항성을 가지며 나노섬유 웹-전극 사이의 계면이 분리되지 않기 때문에 우수한 이온 전도도를 장시간 유지할 수 있다.The polyimide porous nanofiber web having imidization rate after the 90% or more solvent treatment can maintain excellent tensile strength even in a strong acid state, which is a driving environment of a fuel cell, and has excellent dissolution resistance to electrolytes. Since the interface is not separated, excellent ionic conductivity can be maintained for a long time.

이와 같은 우수한 내산성을 갖는 폴리이미드 다공성 나노섬유 웹은 강산성 환경에서 구동되는 연료전지의 전해질막에 사용할 경우 우수한 성능을 장시간 발현할 수 있기 때문에 고객의 신뢰를 향상시킬 수 있다.The polyimide porous nanofiber web having such excellent acid resistance can improve customer's trust because it can express excellent performance for a long time when used in an electrolyte membrane of a fuel cell driven in a strong acid environment.

상기 폴리이미드 다공성 나노섬유 웹은 전기방사시 원활하게 공정이 제어됨에 따라 요구되는 직경을 갖는 섬유(4)를 용이하게 얻을 수 있고, 이에 따라 50 % 이상의 다공도를 가질 수 있게 된다. 이와 같이 50 % 이상의 다공도를 가짐에 따라, 상기 다공성 나노섬유 웹은 비표면적이 커지기 때문에 이온 전도체가 용이하게 함침됨에 따라 이온 전도도가 우수하게 된다. 한편, 상기 다공성 나노섬유 웹은 99 % 이하의 다공도를 가질 수 있는데, 만일 상기 다공성 나노섬유 웹의 다공도가 99 %를 초과할 경우 형태 안정성이 저하됨으로써 후공정이 원활하게 진행되지 않을 수 있다. 상기 다공도는 아래의 식과 같이 전체부피 대비 공기부피의 비율에 의하여 계산하였다. 이때, 전체부피는 직사각형 형태의 샘플을 제조하여 가로, 세로, 두께를 측정하여 계산하였고, 공기부피는 샘플의 질량을 측정 후 밀도로부터 역산한 고분자 부피를 전체부피에서 빼서 얻을 수 있었다.The polyimide porous nanofiber web can easily obtain a fiber 4 having the required diameter as the process is smoothly controlled during electrospinning, and thus can have a porosity of 50% or more. As described above, as having a porosity of 50% or more, the porous nanofiber web has a large specific surface area, and thus the ion conductivity is easily impregnated as the ion conductor is easily impregnated. On the other hand, the porous nanofiber web may have a porosity of 99% or less. If the porosity of the porous nanofiber web exceeds 99%, the morphological stability may be lowered, and thus the subsequent process may not proceed smoothly. The porosity was calculated by the ratio of the air volume to the total volume as shown in the following equation. In this case, the total volume was calculated by measuring the width, length, and thickness of a sample in the form of a rectangular shape, the air volume was obtained by subtracting the volume of the polymer inverted from the density after measuring the mass of the sample from the total volume.

다공도(%) = (공기부피/전체부피)×100Porosity (%) = (air volume / total volume) × 100

상기 폴리이미드 다공성 나노섬유 웹은 5 내지 40 ㎛의 평균 두께를 가질 수 있다. 상기 폴리이미드 다공성 나노섬유 웹의 두께가 5 ㎛ 미만이면 기계적 강도 및 형태안정성이 현저히 떨어질 수 있고, 반면 상기 폴리이미드 다공성 나노섬유 웹의 두께가 40 ㎛를 초과한다면 경량화 및 집적화가 떨어질 수 있다. The polyimide porous nanofiber web may have an average thickness of 5 to 40 μm. When the thickness of the polyimide porous nanofiber web is less than 5 μm, the mechanical strength and shape stability may be remarkably inferior, whereas when the thickness of the polyimide porous nanofiber web is more than 40 μm, the weight and integration may be reduced.

상기 폴리이미드 다공성 나노섬유 웹은 0.01 내지 5 ㎛의 평균 직경을 갖는 섬유(4)를 포함하여 이루어질 수 있다.The polyimide porous nanofiber web may comprise fibers 4 having an average diameter of 0.01 to 5 μm.

상기 폴리이미드 다공성 나노섬유 웹이 상술한 바와 같은 다공도와 두께를 가지기 위해서, 섬유 집합체를 이루고 있는 상기 섬유(4)는 0.01 내지 5 ㎛ 범위의 평균 직경을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 만일 상기 섬유(4)의 평균 직경이 0.01 ㎛ 미만일 경우 기계적 강도가 저하될 수 있고, 반면 상기 섬유(4)의 평균 직경이 5 ㎛를 초과할 경우 다공도가 현저히 떨어지고 두께가 두꺼워질 수 있다. In order for the polyimide porous nanofiber web to have the porosity and thickness as described above, it may be preferable that the fibers 4 constituting the fiber aggregate have an average diameter in the range of 0.01 to 5 μm. If the average diameter of the fiber 4 is less than 0.01 μm, the mechanical strength may be lowered. On the other hand, if the average diameter of the fiber 4 is more than 5 μm, the porosity may be significantly decreased and the thickness may be thick.

상기 폴리이미드 다공성 나노섬유 웹은 상술한 바와 같은 범위의 용매처리 후 이미드화율을 가지고 후술할 최적의 조건에서 이미드화됨에 따라, 400 ℃ 이상의 융점을 가질 수 있다. 만일, 상기 폴리이미드 다공성 나노섬유 웹의 융점이 400 ℃ 미만일 경우 내열성이 떨어짐에 따라 고온에서 쉽게 변형될 수 있고, 이에 따라 이를 이용하여 제조한 연료전지 또는 이차전지는 성능이 저하될 수 있다. 또한, 상기 폴리이미드 다공성 나노섬유 웹의 내열성이 떨어질 경우 이상 발열에 의해 형태가 변형되어 성능이 저하되고 심할 경우 파열되어 폭발하는 문제가 생길 수 있다.The polyimide porous nanofiber web may have a melting point of 400 ° C. or more as it is imidized under optimum conditions to be described later with imidization ratio after the solvent treatment in the range as described above. If the melting point of the polyimide porous nanofiber web is less than 400 ° C., the heat resistance may be easily deformed at high temperatures, and thus the fuel cell or the secondary battery manufactured using the polyimide porous nanofiber web may be degraded. In addition, when the heat resistance of the polyimide porous nanofiber web is lowered, the shape is deformed by abnormal heat generation, thereby degrading the performance and, in severe cases, may burst and explode.

이와 같이 높은 안정성이 요구되는 연료전지의 전해질막이나 이차전지의 분리막의 제조에 사용할 경우, 상기 폴리이미드 다공성 나노섬유 웹은 400 ~ 800 ℃의 융점을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 만일, 상기 폴리이미드 다공성 나노섬유 웹의 융점이 800 ℃를 초과할 경우 제조공정이 원활하게 진행되지 못하기 때문에 경제성이 떨어질 수 있다.When used in the manufacture of the electrolyte membrane of the fuel cell or the separator of the secondary battery that requires high stability as described above, it may be preferable that the polyimide porous nanofiber web has a melting point of 400 ~ 800 ℃. If the melting point of the polyimide porous nanofiber web exceeds 800 ℃, the manufacturing process may not proceed smoothly, it may be economical.

상기 폴리이미드 다공성 나노섬유 웹이 연료전지용 전해질막의 지지체 등에 이용될 경우 상기 연료전지는 pH 3 정도의 강산성에 노출되고, 이와 같은 환경에서 사용되는 전해질막은 우수한 내산성이 요구되고 있다. 즉, 전해질막이 강산성 환경에서 형태안정성이 떨어질 경우 전해질막과 전극 사이의 계면이 분리됨으로써 발전 성능이 저하되는 문제가 일어날 수 있다.When the polyimide porous nanofiber web is used for a support of an electrolyte membrane for a fuel cell, the fuel cell is exposed to strong acidity of about pH 3, and the electrolyte membrane used in such an environment is required to have excellent acid resistance. In other words, when the electrolyte membrane is poor in shape stability in a strongly acidic environment, the interface between the electrolyte membrane and the electrode may be separated, thereby degrading power generation performance.

이러한 강산성 환경에서 전해질막의 형태안정성이 있는지를 확인하기 위해 연료전지의 운전 환경과 유사한 환경에서의 강도 유지율 및 중량 변화율을 측정하여 형태안정성을 평가한다. In order to confirm the stability of the electrolyte membrane in the strongly acidic environment, the shape stability is evaluated by measuring the strength retention rate and the weight change rate in an environment similar to the operating environment of the fuel cell.

본 발명의 폴리이미드 다공성 나노섬유 웹에 탄화수소계 이온 전도체를 함침하여 제조한 전해질막은 85 % 이상의 강도 유지율을 가질 수 있다. 상기 강도 유지율은 다음과 같은 식을 이용하여 측정할 수 있다.An electrolyte membrane prepared by impregnating a polyimide porous nanofiber web with a hydrocarbon-based ion conductor may have a strength retention of 85% or more. The strength retention can be measured using the following equation.

강도 유지율(%) = (산처리 후 인장 강도/산처리 전 인장 강도)×100Strength retention (%) = (tensile strength after acid treatment / tensile strength before acid treatment) × 100

상기 강도 유지율은 연료전지의 일반적인 구동 환경과 가장 유사한 상태를 가정하여 측정한다. 즉, 상기 강도 유지율은 연료전지의 일반적인 구동 환경인 pH 3의 강산성 환경에서 4 시간 이상 노출되었을 때를 가정하여 측정한다. The strength retention is measured assuming a state most similar to a general driving environment of a fuel cell. That is, the strength maintenance rate is measured assuming that the exposure time is more than 4 hours in a strong acid environment of pH 3 which is a general driving environment of the fuel cell.

상기 강도 유지율을 측정하기 위해 사용하는 산처리 후 전해질막은 황산(H2SO4)과 2 ppm 불소수소(HF)를 혼합한 pH 3의 산용액 300 ㎖에 20㎝×20㎝로 절단한 전해질막을 침지한 후 밀봉하여 80 ℃로 유지된 중탕기에서 4시간 동안 교반 후 증류수로 수 회 세척하여 얻을 수 있다. 상기 황산(H2SO4)과 2 ppm 불소수소(HF)를 혼합한 pH 3의 산용액은 연료전지용 부품의 전기화학적 특성을 측정할 때 많이 사용되는 부식 용액 중 하나이다.After the acid treatment used to measure the strength retention, the electrolyte membrane was cut into 20 cm x 20 cm in 300 ml of an acid solution of pH 3 mixed with sulfuric acid (H 2 SO 4 ) and 2 ppm hydrogen fluoride (HF). After immersion, the mixture was sealed and stirred for 4 hours in a water bath maintained at 80 ° C., and then washed several times with distilled water. The acid solution of pH 3 mixed with sulfuric acid (H 2 SO 4 ) and 2 ppm hydrogen fluoride (HF) is one of corrosion solutions that are widely used when measuring the electrochemical properties of fuel cell components.

상기 인장 강도는 20 ℃, 65 %의 상대습도로 유지된 항온항습기에서 24시간 이상 방치 후 KS M 3054 방법에 의거하여 측정할 수 있다.The tensile strength may be measured according to the KS M 3054 method after standing for at least 24 hours in a constant temperature and humidity chamber maintained at a relative humidity of 20 ℃, 65%.

본 발명의 폴리이미드 다공성 나노섬유 웹에 탄화수소계 이온 전도체를 함침하여 제조한 전해질막은 5 % 이하의 중량 변화율을 가질 수 있다. 상기 중량 변화율은 아래의 식을 이용하여 측정할 수 있다.An electrolyte membrane prepared by impregnating a polyimide porous nanofiber web with a hydrocarbon-based ion conductor may have a weight change rate of 5% or less. The weight change rate can be measured using the following formula.

중량 변화율(%) = [(Wb - Wa)/Wb]×100% Change in weight = [(Wb-Wa) / Wb] x 100

상기 Wb는 산처리 전의 전해질막의 중량이고, Wa는 산처리 후의 전해질막의 중량이다. Wb is the weight of the electrolyte membrane before acid treatment, and Wa is the weight of the electrolyte membrane after acid treatment.

상기 중량 변화율을 측정하기 위해 사용하는 산처리 후의 전해질막인은 상술한 강도 유지율의 측정방법과 동일한 방법에 의해 산처리하고, 이어서 30 ℃의 진공오픈에서 24 시간 동안 건조하여 얻을 수 있다.The electrolyte membrane phosphorus after the acid treatment used for measuring the weight change rate can be obtained by acid treatment in the same manner as the above-described method of measuring the strength retention, followed by drying for 24 hours in a vacuum opening at 30 ° C.

이와 같이 85 % 이상의 강도 유지율 및 5 % 이하의 중량 변화율을 동시에 만족하는 전해질막은 우수한 내산성을 보유한다고 판단할 수 있고, 이에 따라 연료전지용 전해질막에 사용할 경우 우수한 형태안정성을 가질 수 있기 때문에 고객 신뢰도를 향상시킬 수 있다.As such, it can be determined that an electrolyte membrane that satisfies the strength retention rate of 85% or more and the weight change rate of 5% or less at the same time has excellent acid resistance, and thus can have excellent shape stability when used in an electrolyte membrane for a fuel cell. Can be improved.

다음, 도 1을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리이미드 다공성 나노섬유 웹의 제조방법에 대해 살펴보자. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기방사 장치의 개략도이다. Next, referring to FIG. 1, a method of manufacturing a polyimide porous nanofiber web according to an embodiment of the present invention will be described. 1 is a schematic diagram of an electrospinning apparatus according to an embodiment of the present invention.

먼저, 폴리이미드 전구체(precusor)를 유기용매에 녹여 방사용액을 제조한다.First, a polyimide precursor (precusor) is dissolved in an organic solvent to prepare a spinning solution.

본 발명의 폴리이미드 다공성 나노섬유 웹은 전기방사를 통해 제조되기 때문에 다공도가 높고 박막이 우수한 특성이 있다. Since the polyimide porous nanofiber web of the present invention is produced through electrospinning, it has high porosity and excellent thin film properties.

한편, 유기용매에 비용해성을 갖는 다공성 나노섬유 웹은 전기방사 공정을 통해 직접 제조할 수 없다. 즉, 유기용매에 비용해성을 갖는 폴리이미드는 유기용매에 녹지 않기 때문에 방사용액을 제조하기가 곤란하기 때문이다. On the other hand, porous nanofiber webs that are insoluble in organic solvents cannot be directly manufactured through an electrospinning process. In other words, polyimide having insolubility in organic solvents is difficult to prepare a spinning solution because it does not dissolve in organic solvents.

따라서, 유기용매에 비용해성을 갖는 폴리이미드는 유기용매에 잘 녹는 폴리이미드 전구체를 이용하여 섬유 집합체를 제조한 후 이러한 섬유 집합체를 이미드화시켜 제조할 수 있다. Therefore, polyimide having insolubility in an organic solvent can be prepared by preparing a fiber assembly using a polyimide precursor that is well soluble in an organic solvent and then imidating the fiber assembly.

상기 폴리이미드 전구체로는 폴리아믹애시드(polyamic acid)를 사용할 수 있다. 상기 폴리아믹애시드는 디아민(diamine)을 용매에 혼합하고 이에 디언하이드라이드(dianhydride)를 첨가한 후 중합하여 제조될 수 있다. 한편, 상기 디언하이드라이드로는 PMDA(pyromellyrtic dianhydride), BTDA(Benzophenonetetracarboxylic dianhydride), ODPA(4,4′-oxydiphthalic anhydride), BPDA(biphenyltetracarboxylic dianhydride), 또는 SIDA(bis(3,4-dicarboxyphenyl) dimethylsilane dianhydride) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 사용할 수 있다. 또한, 상기 디아민으로는 ODA(4,4′-oxydianiline), p-PDA(p-penylene diamine), 또는 o-PDA(openylene diamine) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 사용할 수 있다. As the polyimide precursor, polyamic acid may be used. The polyamic acid may be prepared by mixing diamine in a solvent, adding dianhydride thereto, and polymerizing the diamine. The dianhydride may be pyromellyrtic dianhydride (PMDA), benzophenonetetracarboxylic dianhydride (BTDA), ODPA (4,4′-oxydiphthalic anhydride), BPDA (biphenyltetracarboxylic dianhydride), or SIDA (bis (3,4-dicarboxyphenyl) dimethylsilane dianhydride It may be used to include at least one of). In addition, the diamine may be one containing at least one of ODA (4,4'-oxydianiline), p-PDA (p-penylene diamine), or o-PDA (openylene diamine).

상기 폴리아믹애시드를 용해시키는 용매로는 m-크레졸, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸아세트아미드(DMAc), 디메틸설폭사이드(DMSO), 아세톤, 디에틸아세테이트, 테트라하이드로퓨란(THF), 클로로포름, γ-부티로락톤 중 적어도 하나를 포함하는 용매를 사용할 수 있다.Solvents for dissolving the polyamic acid include m-cresol, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide (DMAc), dimethyl sulfoxide (DMSO), acetone, A solvent including at least one of diethyl acetate, tetrahydrofuran (THF), chloroform, and γ-butyrolactone may be used.

상기 방사용액은 5 내지 50 %의 농도를 가질 수 있다. 만일, 상기 방사용액의 농도가 5 % 미만일 경우 방사가 원활하게 진행되지 않기 때문에 섬유(4) 형성이 이루어지지 않거나 균일한 직경을 갖는 섬유(4)를 제조할 수 없고, 반면 상기 방사용액의 농도가 50 %를 초과할 경우 토출 압력이 급격히 증가함에 따라 방사가 이루어지지 않거나 공정성이 저하될 수 있다.The spinning solution may have a concentration of 5 to 50%. If the concentration of the spinning solution is less than 5%, since spinning does not proceed smoothly, the fiber 4 may not be formed or a fiber 4 having a uniform diameter may not be manufactured, whereas the concentration of the spinning solution is When 50% is exceeded, as the discharge pressure increases rapidly, spinning may not be performed or processability may decrease.

이어서, 상기 방사용액을 도 1과 같은 전기방사 장치를 이용하여 0.01 내지 5 ㎛의 평균 직경을 갖는 섬유(4)로 이루어진 폴리이미드 전구체 나노섬유 웹을 제조한다. 즉, 방사용액이 보관된 용액 탱크에서 정량 펌프를 이용하여 방사부로 상기 방사용액을 일정량으로 공급하고, 상기 방사부의 노즐(2)을 통해 상기 방사용액을 토출 후 비산과 동시에 응고시켜 섬유(4)를 형성하고 형성된 섬유(4)를 컬렉터(5)에서 집속시켜 폴리이미드 전구체 나노섬유 웹을 제조할 수 있다.Subsequently, the spinning solution is prepared using the electrospinning apparatus as shown in FIG. 1 to prepare a polyimide precursor nanofiber web made of fibers 4 having an average diameter of 0.01 to 5 μm. That is, the spinning solution is supplied in a predetermined amount to the spinning unit by using a metering pump in the solution tank in which the spinning solution is stored, and the spinning solution is discharged through the nozzle 2 of the spinning unit and coagulated simultaneously with scattering to disperse the fibers (4). The polyimide precursor nanofiber web may be manufactured by forming a polyimide precursor and focusing the formed fibers 4 on the collector 5.

이때, 고전압 발생부(3)에 의해 인가된 상기 방사부와 컬렉터(5) 사이의 전기장의 세기는 3 ~ 80 ㎸ 일 수 있다. 만일, 상기 전기장의 세기가 3 ㎸ 미만일 경우 연속적으로 방사용액이 토출되지 않기 때문에 균일한 두께의 나노섬유 웹을 제조할 수 없고, 또한 방사된 후 형성된 섬유(4)가 컬렉터(5)에 원활하게 집속될 수 없기 때문에 나노섬유 웹의 제조가 곤란할 수 있다. 반면, 상기 전기장의 세기가 80 ㎸를 초과할 경우, 비산된 섬유(4)가 컬렉터(5)에 용매가 제거되지 않는 상태로 집속되기 때문에 나노 크기의 섬유로 이루어진 나노섬유 웹을 얻지 못할 수 있다.In this case, the intensity of the electric field between the radiator and the collector 5 applied by the high voltage generator 3 may be 3 to 80 kW. If the strength of the electric field is less than 3 kW, the spinning solution is not continuously discharged, and thus, the nanofiber web of uniform thickness cannot be manufactured, and the fiber 4 formed after spinning is smoothly applied to the collector 5. Fabrication of nanofiber webs can be difficult because they cannot be focused. On the other hand, when the strength of the electric field exceeds 80 kPa, the scattered fibers 4 may be concentrated in the state in which the solvent is not removed from the collector 5, so that a nanofiber web made of nano-sized fibers may not be obtained. .

이어서, 상기 폴리이미드 전구체 나노섬유 웹을 이미드화시켜 폴리이미드 나노섬유 웹을 제조한다. 상기 폴리이미드 나노섬유 웹의 제조는 열이미드화, 화학이미드화, 또는 열이미드화와 화학이미드화를 병용한 공정을 통해 수행될 수 있다.The polyimide precursor nanofiber web is then imidated to produce a polyimide nanofiber web. Production of the polyimide nanofiber web may be carried out through a process using heat imidization, chemical imidization, or a combination of heat imidization and chemical imidization.

상기 화학이미드 공정은 상기 폴리이미드 전구체 나노섬유 웹에 아세트산 무수물(acetic anhydride), 또는 피리딘(pyridine) 등과 같은 이미드화 촉매를 처리하는 공정을 통해 이루어질 수 있다. The chemical imide process may be performed by treating the polyimide precursor nanofiber web with an imidation catalyst such as acetic anhydride or pyridine.

또한, 상기 열이미드 공정은 폴리이미드 전구체 섬유 집합체(10)를 고온에서 열처리하는 공정을 통해 수행될 수 있다. 특히, 상기 열이미드 공정은 전구체가 용이하게 이미드화가 될 수 있는 이점이 있다. 상기 열처리 공정은 90 % 이상의 용매처리 후 이미드화율을 갖는 폴리이미드 다공성 나노섬유 웹을 얻기 위해서 100 내지 400 ℃의 온도에서 수행될 수 있다. 만일, 상기 열처리 온도가 100 ℃ 미만일 경우, 이미드화가 원활하게 진행되지 않고 처리 시간이 길어지기 때문에 경제성이 떨어질 수 있다. 반면, 상기 열처리 온도가 400 ℃를 초과할 경우, 용매처리 후 이미드화율이 크게 향상되지 않고 오히려 물성이 저하됨으로써 성능이 떨어질 수 있다. In addition, the thermal imide process may be performed through a process of heat-treating the polyimide precursor fiber assembly 10 at a high temperature. In particular, the thermal imide process has an advantage that the precursor can be easily imidized. The heat treatment process may be performed at a temperature of 100 to 400 ℃ to obtain a polyimide porous nanofiber web having an imidization rate after 90% or more solvent treatment. If the heat treatment temperature is less than 100 ° C., since the imidization does not proceed smoothly and the processing time is long, economic efficiency may be reduced. On the other hand, when the heat treatment temperature exceeds 400 ℃, the imidization rate after the solvent treatment is not greatly improved, but rather the physical properties may be lowered, thereby deteriorating performance.

상기 이미드화 공정은 0.1 이하의 연신비 상태에서 수행될 수 있다. 즉, 균일하고 우수한 다공도를 갖는 나노섬유 웹을 얻기 위해서 상기 연신비는 0.1 이하로 설정하는 것이 바람직할 수 있다. 만일, 상기 연신비가 0.1를 초과할 경우 나노섬유 웹의 형태가 변형되어 균일한 두께를 얻을 수 없고 응집력이 저하됨에 따라 인장 강력이 떨어질 수 있다. 한편, 상기 연신비의 하한값은 원활한 공정과 다공도의 저하를 방지하고 적정한 두께를 유지하기 위해 연신하지 않은 상태이거나, + 0.1%의 과공급된 상태일 수 있다. The imidization process may be performed in a draw ratio of 0.1 or less. That is, it may be preferable to set the draw ratio to 0.1 or less in order to obtain a nanofiber web having uniform and excellent porosity. If the draw ratio is more than 0.1, the shape of the nanofiber web is deformed and a uniform thickness may not be obtained, and the tensile strength may be lowered as the cohesive force is lowered. On the other hand, the lower limit value of the draw ratio may be a state not stretched or over-supplied + 0.1% in order to prevent a smooth process and a decrease in porosity and to maintain an appropriate thickness.

이하에서는 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명의 효과를 보다 구체적으로 살펴보도록 한다. 이들 실시예는 단지 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로서 본 발명의 권리범위를 제한하지는 않는다.Hereinafter, the effects of the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples. These examples are merely to aid the understanding of the present invention and do not limit the scope of the present invention.

실시예Example 1 One

폴리아믹애시드를 디메틸포름아마이드 용매에 녹여 12 중량%의 방사용액을 제조한 후, 이를 정량펌프(1)를 통해 전기방사 장치에 설치된 노즐(2)을 통해 방사한 후 고전압 발생부(3)에 의해 전기장이 인가된 상태에서 비산 및 응고시켜 섬유(4)를 형성하고, 상기 형성된 섬유(4)들을 컬렉터(5)에 집속시켜 30 ㎛의 평균 두께를 갖는 폴리이미드 전구체 나노섬유 웹을 제조하였다. 이때, 인가된 전압은 15㎸, 방사거리는 15 ㎝이었다.After dissolving the polyamic acid in dimethylformamide solvent to prepare a 12 wt% spinning solution, it is spun through a metering pump (1) through a nozzle (2) installed in the electrospinning apparatus and then to the high voltage generator (3) By scattering and solidifying the electric field is applied to form a fiber (4), and the formed fibers (4) to focus on the collector (5) to prepare a polyimide precursor nanofiber web having an average thickness of 30 ㎛. At this time, the applied voltage was 15 kV and the radiation distance was 15 cm.

이어서, 상기 폴리이미드 전구체 나노섬유 웹을 200 ℃의 온도로 유지된 핫프레스로 30분 동안 열처리한 후 이미드화시켜 폴리이미드 다공성 나노섬유 웹을 제조하였다. Subsequently, the polyimide precursor nanofiber web was heat-treated with a hot press maintained at a temperature of 200 ° C. for 30 minutes and then imidized to prepare a polyimide porous nanofiber web.

이어서, 설폰화 폴리이미드를 N-메틸-2-피롤리돈 용매에 녹여 이온 전도체 용액을 준비하고 준비된 이온 전도체 용액에 상기 다공성 나노섬유 웹을 2회 회에 걸쳐 20분 동안 함침한 후 감압 하에서 1시간 동안 방치한 후 80 ℃의 열풍에서 3시간 동안 건조하여 40 ㎛ 두께의 전해질막을 제조하였다.Subsequently, the sulfonated polyimide was dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone solvent to prepare an ion conductor solution, and the prepared ion conductor solution was impregnated with the porous nanofiber web twice for 20 minutes, followed by 1 After leaving for an hour to dry for 3 hours in a hot air of 80 ℃ to prepare an electrolyte membrane of 40 ㎛ thickness.

실시예Example 2 2

전술한 실시예 1에서, 상기 핫프레스의 온도가 400 ℃인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 의해 폴리이미드 다공성 나노섬유 웹 및 전해질막을 제조하였다.
In Example 1 described above, a polyimide porous nanofiber web and an electrolyte membrane were manufactured by the same method as Example 1 except that the temperature of the hot press is 400 ° C.

비교예Comparative example 1 One

전술한 실시예 1에서, 설폰화 폴리이미드를 디메틸포름아미드에 녹여 12 중량%의 조성액을 준비하고 이를 필름화한 후 건조하여 30 ㎛의 평균 두께를 갖는 다공성 막을 제조하였다.In Example 1 described above, a sulfonated polyimide was dissolved in dimethylformamide to prepare a 12 wt% composition solution, which was then filmed and dried to prepare a porous membrane having an average thickness of 30 μm.

이어서, 제조된 다공성 막을 이용하여 실시예 1과 동일한 방법에 의해 전해질막을 제조하였다.Subsequently, an electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Example 1 using the prepared porous membrane.

비교예Comparative example 2 2

시판 중인 30 ㎛의 두께를 갖는 ePTFE 다공성 필름(W.L.Gore, Teflon)의 다공성 막을 준비하였다. A porous membrane of a commercially available ePTFE porous film (W.L.Gore, Teflon) with a thickness of 30 μm was prepared.

이어서, 제조된 다공성 막을 이용하여 실시예 1과 동일한 방법에 의해 전해질막을 제조하였다.Subsequently, an electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Example 1 using the prepared porous membrane.

비교예Comparative example 3 3

전술한 실시예 1에서, 상기 핫프레스의 온도가 80 ℃인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 의해 폴리이미드 다공성 나노섬유 웹 및 전해질막을 제조하였다.In Example 1 described above, a polyimide porous nanofiber web and an electrolyte membrane were manufactured by the same method as Example 1 except that the temperature of the hot press is 80 ° C.

비교예Comparative example 4 4

전술한 실시예 1에서, 상기 폴리이미드 다공성 나노섬유 웹을 사용하지 않고 상기 탄화수소계 이온 전도체인 설폰화 폴리이미드를 이용하여 필름화하여 40 ㎛ 두께의 전해질막을 제조하였다.In Example 1 described above, an electrolyte membrane having a thickness of 40 μm was prepared by using a sulfonated polyimide, which is the hydrocarbon-based ion conductor, without using the polyimide porous nanofiber web.

실시예 및 비교예에 의해 제조된 다공성 나노섬유 웹, 다공성 막, 및 전해질막들의 물성은 다음의 방법으로 측정하여 아래의 표 1에 나타내었다.
Physical properties of the porous nanofiber webs, porous membranes, and electrolyte membranes prepared by Examples and Comparative Examples were measured by the following method and are shown in Table 1 below.

용매처리 후 After solvent treatment 이미드화율Imidization rate (%) 측정(%) Measure

용매처리 후 이미드화율(%)은 아래의 식을 이용하여 측정하였다.The imidation ratio (%) after solvent treatment was measured using the following formula.

용매처리 후 이미드화율(%) = [(용매처리 후 나노섬유 웹(다공성 막)의 중량/용매처리 전 나노섬유 웹(다공성 막)의 중량)]×100% Imidization after solvent treatment = [(weight of nanofiber web (porous membrane) after solvent treatment / weight of nanofiber web (porous membrane) before solvent treatment)] × 100

상기 용매처리 전 나노섬유 웹(다공성 막)의 중량은 30 ℃의 온도로 설정된 진공오븐에서 24시간 이상 방치한 나노섬유 웹(다공성 막)을 이용하여 측정하였다. 상기 용매처리 후 나노섬유 웹(다공성 막)의 중량은 상기 용매처리 전 나노섬유 웹(다공성 막)을 디메틸포름아미드 유기용매에 침지시켜 상온에서 24시간 동안 교반 후 증류수에서 5회 이상 세척한 다음 30 ℃의 온도로 설정된 진공오븐에서 24시간 방치 후 용매처리 후 얻어진 나노섬유 웹(다공성 막)을 이용하여 측정하였다.
The weight of the nanofiber web (porous membrane) before the solvent treatment was measured using a nanofiber web (porous membrane) left at least 24 hours in a vacuum oven set at a temperature of 30 ℃. After the solvent treatment, the weight of the nanofiber web (porous membrane) was immersed in the dimethylformamide organic solvent before the solvent treatment in dimethylformamide organic solvent, stirred for 24 hours at room temperature, washed at least 5 times in distilled water, and then 30 After standing for 24 hours in a vacuum oven set to a temperature of ℃ was measured using a nanofiber web (porous membrane) obtained after the solvent treatment.

강도 유지율(%) 측정Strength retention (%) measurement

강도 유지율(%)은 다음의 식을 이용하여 측정하였다.Strength retention (%) was measured using the following formula.

강도 유지율(%) = [산처리 후 인장 강도/산처리 전 인장 강도]×100Strength retention (%) = [Tensile strength after acid treatment / Tensile strength before acid treatment] × 100

상기 산처리 후 인장 강도는 황산과 2 ppm의 불화수소가 혼합된 80 ℃의 산 용액 300 ㎖에서 4 시간 동안 교반 후 증류수로 5회 세정된 20㎝×20㎝의 전해질막을 이용하여 KS M 3054에 의거하여 측정하였다.
After the acid treatment, the tensile strength was stirred in 300 ml of an acid solution of 80 ° C. mixed with sulfuric acid and 2 ppm of hydrogen fluoride for 4 hours, and then subjected to KS M 3054 using an electrolyte membrane of 20 cm × 20 cm washed five times with distilled water. It measured based on.

중량 변화율(%) 측정% Change in weight

중량 변화율(%)은 다음의 식을 이용하여 측정하였다.The weight change rate (%) was measured using the following formula.

중량 변화율(%) = [(Wb - Wa)/Wb]×100% Change in weight = [(Wb-Wa) / Wb] x 100

상기 Wb는 산처리 전의 전해질막의 중량이고, Wa는 산처리 후의 전해질막의 중량이다. 상기 산처리 후의 전해질막의 중량은 상술한 강도 유지율 측정 방법과 동일한 방법으로 산처리하고, 이어서 세정하고 30 ℃의 진공오픈에서 24 시간 동안 건조한 전해질막을 이용하여 측정하였다. 상기 산처리 전의 전해질막의 중량은 30 ℃의 진공오픈에서 24 시간 동안 건조된 전해질막을 이용하여 측정하였다.
Wb is the weight of the electrolyte membrane before acid treatment, and Wa is the weight of the electrolyte membrane after acid treatment. The weight of the electrolyte membrane after the acid treatment was acid treated in the same manner as the above-described method for measuring the strength retention, and then washed and measured using an electrolyte membrane dried for 24 hours in a vacuum open at 30 ° C. The weight of the electrolyte membrane before the acid treatment was measured using an electrolyte membrane dried for 24 hours at 30 ℃ vacuum open.

구분division 나노섬유 웹 종류Nanofiber web type 열처리온도(℃)Heat treatment temperature (℃) 산처리후이미드화율(%)Acid treatment after imidization rate (%) 강도유지율(%)Strength retention rate (%) 중량변화율(%)% Change in weight 실시예Example PIPI 200200 93.393.3 89.089.0 4.54.5 실시예 2Example 2 PIPI 400400 96.596.5 88.388.3 4.34.3 비교예 1Comparative Example 1 S-PIS-PI -- -- 82.382.3 6.86.8 비교예 2Comparative Example 2 ePTFEePTFE -- -- 83.883.8 5.35.3 비교예 3Comparative Example 3 PIPI 8080 70.870.8 80.180.1 5.35.3

단, PI는 폴리이미드이고, S-PI는 설폰화 폴리이미드이다.With the proviso that PI is a polyimide and S-PI is a sulfonated polyimide.

1 : 정량펌프 2 : 노즐
3 : 고전압 발생부 4 : 섬유
5 : 컬렉터
1: metering pump 2: nozzle
3: high voltage generating unit 4: fiber
5: collector

Claims (8)

다공도가 50 내지 99 %이고;
아래의 식에 의해 구한 용매처리 후 용매처리 후 이미드화율이 90 % 이상이며;
섬유 집합체 형태를 이루고 있는 것을 특징으로 하는 폴리이미드 다공성 나노섬유 웹.
용매처리 후 이미드화율(%) = [용매처리 후 나노섬유 웹의 중량/용매처리 전 나노섬유 웹의 중량]×100(단, 상기 용매처리 전 나노섬유 웹의 중량은 30 ℃의 온도로 설정된 진공오븐에서 24시간 이상 방치한 나노섬유 웹을 이용하여 측정하고, 상기 용매처리 후 나노섬유 웹의 중량은 상기 용매처리 전 나노섬유 웹을 디메틸포름아미드 유기용매에 침지시켜 상온에서 24시간 동안 교반 후 증류수에서 5회 이상 세척한 다음 30 ℃의 온도로 설정된 진공오븐에서 24시간 방치 후 용매처리 후 얻어진 나노섬유 웹을 이용하여 측정한다)
Porosity 50 to 99%;
After the solvent treatment determined by the following formula, the imidation ratio after the solvent treatment is 90% or more;
Polyimide porous nanofiber web comprising a fiber aggregate form.
Imidization rate after solvent treatment (%) = [weight of nanofiber web after solvent treatment / weight of nanofiber web before solvent treatment] × 100 (where, the weight of nanofiber web before solvent treatment is set at a temperature of 30 ° C.) Measured using a nanofiber web left at least 24 hours in a vacuum oven, and after the solvent treatment, the weight of the nanofiber web was stirred for 24 hours at room temperature by immersing the nanofiber web before the solvent treatment in a dimethylformamide organic solvent. After washing at least 5 times in distilled water and left for 24 hours in a vacuum oven set at a temperature of 30 ℃ measured using a nanofiber web obtained after the solvent treatment)
제1항에 있어서,
상기 다공성 나노섬유 웹에 탄화수소계 이온 전도체가 함침되어 제조된 전해질막의 강도 유지율이 아래의 식에 의해 측정될 경우 85 % 이상인 것을 특징으로 하는 폴리이미드 다공성 나노섬유 웹.
강도 유지율(%) = [산처리 후 인장 강도/산처리 전 인장 강도]×100(단, 산처리 후 인장 강도는 황산과 2 ppm의 불화수소가 혼합된 80 ℃의 산 용액에서 4 시간 동안 교반 후 증류수로 세정한 전해질막을 이용하여 KS M 3054에 의거하여 측정한다)
The method of claim 1,
Polyimide porous nanofiber web, characterized in that the strength retention of the electrolyte membrane prepared by impregnating the hydrocarbon-based ion conductor in the porous nanofiber web is more than 85% as measured by the following equation.
Strength retention (%) = [Tensile strength after acid treatment / Tensile strength before acid treatment] × 100 (However, the tensile strength after acid treatment was stirred for 4 hours in an acid solution at 80 ° C. in which sulfuric acid and 2 ppm of hydrogen fluoride were mixed. After the measurement using the electrolyte membrane washed with distilled water according to KS M 3054)
제1항에 있어서,
상기 다공성 나노섬유 웹에 탄화수소계 이온 전도체가 함침되어 제조된 전해질막의 중량 변화율이 아래의 식에 의해 측정될 경우 5 % 이하인 것을 특징으로 하는 폴리이미드 다공성 나노섬유 웹.
중량 변화율(%) = [(Wb - Wa)/Wb]×100(단, Wb는 산처리 전의 상기 전해질막의 중량이고, Wa는 산처리 후의 전해질막의 중량이다. 상기 산처리 후의 전해질막의 중량은 황산과 2 ppm의 불화수소가 혼합된 80 ℃의 산 용액에서 4 시간 동안 교반 후 증류수로 세정하고 이어서 30 ℃의 진공오픈에서 24 시간 동안 건조하여 측정한다)
The method of claim 1,
Polyimide porous nanofiber web, characterized in that the weight change rate of the electrolyte membrane prepared by impregnating the hydrocarbon-based ion conductor in the porous nanofiber web is 5% or less when measured by the following equation.
% Change in weight = [(Wb-Wa) / Wb] x 100 (Wb is the weight of the electrolyte membrane before acid treatment, and Wa is the weight of the electrolyte membrane after acid treatment. The weight of the electrolyte membrane after acid treatment is sulfuric acid. After stirring for 4 hours in an acid solution of 80 ℃ mixed with 2 ppm hydrogen fluoride and washed with distilled water and then dried for 24 hours in a vacuum opening of 30 ℃)
제1항에 있어서,
상기 폴리이미드 다공성 나노섬유 웹은 0.01 내지 5 ㎛의 평균 직경을 갖는 섬유로 이루어진 것을 특징으로 하는 폴리이미드 다공성 나노섬유 웹.
The method of claim 1,
The polyimide porous nanofiber web is a polyimide porous nanofiber web, characterized in that consisting of fibers having an average diameter of 0.01 to 5 ㎛.
제1항에 있어서,
상기 폴리이미드 다공성 나노섬유 웹은 5 내지 40 ㎛의 평균 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 폴리이미드 다공성 나노섬유 웹.
The method of claim 1,
The polyimide porous nanofiber web has an average thickness of 5 to 40 ㎛ polyimide porous nanofiber web.
폴리이미드 전구체(precusor)를 유기용매에 녹여 방사용액을 제조하는 공정;
상기 방사용액을 전기방사하여 0.01 내지 5 ㎛의 평균 직경을 갖는 섬유로 이루어진 폴리이미드 전구체 나노섬유 웹을 제조하는 공정; 및
상기 폴리이미드 전구체 나노섬유 웹을 이미드화시켜 아래의 식에 의해 구한 용매처리 후 용매처리 후 이미드화율이 90 % 이상인 폴리이미드 나노섬유 웹을 제조하는 공정을 포함하는 폴리이미드 다공성 나노섬유 웹의 제조방법.
용매처리 후 이미드화율(%) = [용매처리 후 나노섬유 웹의 중량/용매처리 전 나노섬유 웹의 중량]×100(단, 상기 용매처리 전 나노섬유 웹의 중량은 30 ℃의 온도로 설정된 진공오븐에서 24시간 이상 방치한 나노섬유 웹을 이용하여 측정하고, 상기 용매처리 후 나노섬유 웹의 중량은 상기 용매처리 전 나노섬유 웹을 디메틸포름아미드 유기용매에 침지시켜 상온에서 24시간 동안 교반 후 증류수에서 5회 이상 세척한 다음 30 ℃의 온도로 설정된 진공오븐에서 24시간 방치 후 용매처리 후 얻어진 나노섬유 웹을 이용하여 측정한다)
Preparing a spinning solution by dissolving a polyimide precursor (precusor) in an organic solvent;
Electrospinning the spinning solution to prepare a polyimide precursor nanofiber web made of fibers having an average diameter of 0.01 to 5 μm; And
Preparation of a polyimide porous nanofiber web comprising the step of imidating the polyimide precursor nanofiber web and preparing a polyimide nanofiber web having an imidation ratio of 90% or more after the solvent treatment obtained by the following formula Way.
Imidization rate after solvent treatment (%) = [weight of nanofiber web after solvent treatment / weight of nanofiber web before solvent treatment] × 100 (where, the weight of nanofiber web before solvent treatment is set at a temperature of 30 ° C.) Measured using a nanofiber web left at least 24 hours in a vacuum oven, and after the solvent treatment, the weight of the nanofiber web was stirred for 24 hours at room temperature by immersing the nanofiber web before the solvent treatment in a dimethylformamide organic solvent. After washing at least 5 times in distilled water and left for 24 hours in a vacuum oven set at a temperature of 30 ℃ measured using a nanofiber web obtained after the solvent treatment)
제6항에 있어서,
상기 폴리이미드 다공성 나노섬유 웹을 제조하는 공정은 100 내지 400 ℃의 온도에서 열처리되는 공정을 포함하는 폴리이미드 다공성 나노섬유 웹의 제조방법.
The method of claim 6,
The process of producing the polyimide porous nanofiber web comprises a step of heat treatment at a temperature of 100 to 400 ℃.
제6항에 있어서,
상기 폴리이미드 다공성 나노섬유 웹을 제조하는 공정은 0.1 이하의 연신비에서 열처리되는 공정을 포함하는 폴리이미드 다공성 나노섬유 웹의 제조방법.
The method of claim 6,
The manufacturing method of the polyimide porous nanofiber web is a method of producing a polyimide porous nanofiber web comprising a heat treatment at a draw ratio of 0.1 or less.
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