KR20140111086A - Fabrication of conducting polymer nanoparticle from oxidative polymerization method in aqueous medium - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전도성 고분자 나노입자를 산화중합 방법을 이용하여 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비극성 유기 용매를 사용하여, 수상에서 비극성 유기 용매와 전도성 고분자가 액적 상태로 유화제 의해 둘러싸여 있는 나노-리액터를 제조한 후, 상기 나노-리액터를 산화중합시켜 전도성 고분자 나노입자를 제조하는 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for producing conductive polymer nanoparticles using an oxidative polymerization method, and more particularly, to a method for producing conductive polymer nanoparticles using a nonpolar organic solvent, in which a nonpolar organic solvent and a conductive polymer are dispersed in a nano- Reactors, and then oxidatively polymerizing the nano-reactors to produce conductive polymer nanoparticles.
종래 일반적인 폴리티오펜 나노입자의 합성공정은 유기 용매상에서 과량의 산화제를 사용하여 중합하는 방법을 이용하였다. 상기 방법에서는 산화제를 제거하는 공정이 추가로 필요했고, 유기 용매상에서 합성하기 때문에 환경적인 측면에서 유해하다는 문제점이 있었다. The conventional process for synthesizing polythiophene nanoparticles uses a method of polymerizing an excess amount of an oxidizing agent in an organic solvent. In this method, a step of removing an oxidizing agent is further required, and since it is synthesized in an organic solvent, there is a problem in that it is harmful from the viewpoint of environment.
상기 문제점을 극복하기 위하여, 유기 용매상 대신 수상에서 폴리티오펜 나노입자를 합성하는 공정이 제시되었다. 상기 수상에서 폴리티오펜 나노입자를 합성하는 공정에서는 과량의 산화제를 사용하지 않는 대신 2종의 산화제를 도입하여, 금속 이온의 산화와 환원 과정을 통한 리사이클 공정을 이용하여 폴리티오펜 나노입자를 제조하였다. 이러한 기술의 일례로 대한민국 등록특허 10-0684913호(선행문헌 1)를 들 수 있다.In order to overcome the above problem, a process for synthesizing polythiophene nanoparticles in an aqueous phase instead of an organic solvent phase has been proposed. In the process of synthesizing the polythiophene nanoparticles in the aqueous phase, instead of using an excessive amount of an oxidizing agent, two kinds of oxidizing agents are introduced, and the polythiophene nanoparticles are produced using a recycling process through oxidation and reduction of metal ions Respectively. An example of such a technique is Korean Registered Patent No. 10-0684913 (prior art document 1).
그러나, 상기 방법에 의해 제조되는 폴리티오펜 나노입자는 유기 용매에 녹지 않기 때문에 가공성에서 문제가 있으며, OLED 또는 PLED 등의 발광층에 적용하기 어려운 단점을 가진다.
However, since the polythiophene nanoparticles prepared by the above method are insoluble in an organic solvent, they have a problem in workability and are difficult to apply to a light emitting layer such as an OLED or a PLED.
본 발명은 산화중합 방법을 이용한 전도성 고분자 나노입자의 제조방법에 관한 것으로, 우수한 가공성을 지니고, 수상에서 입자의 발광 색이 다르게 나타나므로 전자재료, 광학재료, 토너 및 잉크 등에 사용될 수 있으며, 나아가 유기 EL 소재, 에너지저장 소재, 패턴제조 소재 및 프린팅 잉크 소재 등에 적용될 수 있는 전도성 고분자 나노입자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
The present invention relates to a method for producing conductive polymer nanoparticles using an oxidative polymerization method and has excellent processability and can be used for electronic materials, optical materials, toners and inks, An object of the present invention is to provide conductive polymer nanoparticles which can be applied to an EL material, an energy storage material, a pattern manufacturing material, and a printing ink material.
본 발명에서는 보조유화제, 전도성 고분자 모노머 및 비극성 유기 용매를 포함하는 오일상과 In the present invention, the oily phase containing the auxiliary emulsifier, the conductive polymer monomer and the nonpolar organic solvent,
음이온 계면활성제를 함유하는 유화제를 포함하는 수상을 혼합하여 유화시키고 제 1 산화제를 투입한 후, 제 2 산화제를 투입하고 산화중합하는 단계를 포함하는 전도성 고분자 나노입자의 제조 방법을 제공한다. A step of mixing and emulsifying the aqueous phase containing an emulsifier containing an anionic surfactant, adding a first oxidizing agent, and then introducing a second oxidizing agent and performing an oxidative polymerization.
또한, 본 발명에서는 상기 제조 방법에 의해 제조되는 전도성 고분자 나노입자를 제공한다.
Also, the present invention provides the conductive polymer nanoparticles prepared by the above-mentioned method.
본 발명에 따른 제조방법에 의해 제조되는 전도성 고분자 나노입자는 우수한 가공성을 지니고, 수상에서 입자의 발광 색이 다르게 나타나므로 전자재료, 광학재료, 토너 및 잉크 등에 사용될 수 있고, 나아가 유기 EL 소재, 에너지저장 소재, 패턴제조 소재 및 프린팅 잉크 소재 등에 적용될 수 있다. 또한, 제조되는 전도성 고분자 나노입자는 THF나 CHCl3 등의 유기 용매에 잘 녹는 성질을 가진다.
The conductive polymer nanoparticles produced by the production method according to the present invention have excellent processability and can be used for electronic materials, optical materials, toners and inks and the like because they emit luminescent colors different from those in an aqueous phase. Further, A storage material, a pattern manufacturing material, and a printing ink material. In addition, the conductive polymer nano-particles to be produced have a property of being soluble in an organic solvent such as THF or CHCl 3 .
도 1은 전도성 고분자 나노입자의 합성 과정을 나타내는 모식도이다.
도 2는 나노-리액터 상태를 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의해 제조된 폴리옥틸티오펜 나노입자의 화학적 메커니즘을 나타내는 그림이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 의해 제조된 폴리옥틸티오펜 나노입자의 전자현미경 사진이다.
도 5는 물(a)과 본 발명의 실시예 1에 의해 제조된 폴리옥틸티오펜(b)의 발광 정도를 나타내는 사진이다. FIG. 1 is a schematic diagram showing a process of synthesizing conductive polymer nanoparticles.
2 is a schematic diagram showing a nano-reactor state.
FIG. 3 is a view showing the chemical mechanism of the poly (octylthiophene nano-particles) prepared according to one embodiment of the present invention.
4 is an electron micrograph of the poly (octylthiophene nano-particles) prepared in Example 1 of the present invention.
5 is a photograph showing the degree of light emission of water (a) and the poly (octylthiophene) (b) prepared in Example 1 of the present invention.
본 발명은 전도성 고분자 모노머, 보조유화제 및 비극성 유기 용매를 포함하는 오일상과 The present invention relates to an oily phase containing a conductive polymer monomer, a secondary emulsifier and a nonpolar organic solvent,
음이온 계면활성제를 함유하는 유화제를 포함하는 수상을 혼합하여 유화시키고 제 1 산화제를 투입한 후, 제 2 산화제를 투입하고 산화중합하는 단계를 포함하는 전도성 고분자 나노입자의 제조 방법에 관한 것이다.
Mixing an aqueous emulsion containing an anionic surfactant and emulsifying the emulsion, adding a first oxidizing agent, and then introducing a second oxidizing agent to oxidize and polymerize the conductive polymer nanoparticles.
이하, 본 발명에 따른 전도성 고분자 나노입자의 제조 방법을 보다 상세하게 설명한다. Hereinafter, a method for producing the conductive polymer nanoparticles according to the present invention will be described in more detail.
본 발명에서 오일상은 전도성 고분자 모노머, 보조유화제 및 비극성 유기 용매를 포함한다. In the present invention, the oil phase includes a conductive polymer monomer, a secondary emulsifier, and a nonpolar organic solvent.
이러한 오일상에 포함되는 전도성 고분자 모노머는 본 발명에 따른 제조 방법를 거치면서 전도성 고분자 나노입자로 중합된다. The conductive polymer monomer contained in this oil phase is polymerized into the conductive polymer nanoparticles through the production process according to the present invention.
상기 전도성 고분자 모노머의 종류는 특별히 제한되지 않고, 수용성 전도성 고분자를 포함할 수 있다. 상기 수용성 전도성 고분자는 티오펜, 피롤, 아닐린 또는 이들의 유도체를 포함할 수 있으며, 구체적으로, 티오펜 유도체는 알킬티오펜(예를 들어, 메틸티오펜, 헥실티오펜, 옥틸티오펜 등), 3,4-에틸렌디옥시티오펜, 3,4-알킬렌디옥시티오펜, 3,4-디알킬티오펜, 3,4-디알콕시티오펜 및 3,4-시클로알킬티오펜을 포함할 수 있고, 피롤 유도체는 피롤 골격에 수산기, 카르복실기, 알킬기 등의 치환기가 치환되어 있는 중합체를 포함할 수 있으며, 아닐린 유도체는 아닐린 골격에 알킬기, 시아노기, 설폰기 카르복실기 등의 치환기가 치환되어 있는 중합체를 포함할 수 있다. The kind of the conductive polymer monomer is not particularly limited and may include a water-soluble conductive polymer. The water-soluble conductive polymer may include thiophene, pyrrole, aniline or derivatives thereof. Specifically, the thiophene derivative may be an alkylthiophene (for example, methylthiophene, hexylthiophene, octylthiophene, etc.) Alkylene dioxythiophene, 3,4-dialkylthiophene, 3,4-dialkoxythiophene, and 3,4-cycloalkylthiophene, , The pyrrole derivative may include a polymer in which a substituent group such as a hydroxyl group, a carboxyl group or an alkyl group is substituted in the pyrrole skeleton, and the aniline derivative includes a polymer in which an aniline skeleton is substituted with a substituent such as an alkyl group, a cyano group, can do.
본 발명에서는 보다 구체적으로 전도성 고분자 모노머로 티오펜 또는 이들의 유도체를 사용할 수 있으며, 옥틸티오펜을 사용하는 것이 좋다. In the present invention, more specifically, thiophene or a derivative thereof may be used as the conductive polymer monomer, and octylthiophene is preferably used.
본 발명에서 오일상에 포함되는 보조유화제는 유상과 수상의 혼합물의 안정화를 위해 사용된다. 구체적으로, 유상 및 수상을 고속균질기 등을 사용하여 유화시 나노-리액터가 형성되는데, 상기 나노-리액터는 일정 시간이 지나면 동역학적으로 불안정한 상태가 되어 오스트발트 숙성(Ostwald ripening) 현상이 일어난다. 본 발명에서는 보조유화제를 사용함으로써, 오스트발트 숙성 현상을 방지하고 동역학적으로 안정한 상태를 유화 혼합물을 얻을 수 있다.In the present invention, the auxiliary emulsifier included in the oil phase is used for stabilizing the mixture of oil phase and water phase. Specifically, a nano-reactor is formed when oil and water are emulsified using a high-speed homogenizer or the like, and the nano-reactor becomes mechanically unstable after a certain time, resulting in Ostwald ripening. By using the auxiliary emulsifier in the present invention, it is possible to prevent aging of the Ostwald and obtain an emulsified mixture in a dynamically stable state.
상기 보조유화제의 종류는 소수성 물질이라면 특별히 제한되지 않으며, 헥사데칸(hexadecane), 세틸 알코올(cetyl alcohol), n-프로판올, 부탄올, 옥탄올, 노난올 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 또한, 상기 보조유화제의 함량은 특별히 제한되지 않으며, 전도성 고분자 모노머 100 중량부에 대하여 5 내지 10 중량부, 구체적으로는 6 내지 9 중량부로 포함될 수 있다. 상기 함량 범위에서 동역학적으로 안정한 상태를 가지는 나노-리액터를 제조할 수 있다. The kind of the auxiliary emulsifier is not particularly limited as long as it is a hydrophobic substance and may include hexadecane, cetyl alcohol, n-propanol, butanol, octanol, nonanol or a mixture thereof. The content of the auxiliary emulsifier is not particularly limited and may be 5 to 10 parts by weight, specifically 6 to 9 parts by weight, based on 100 parts by weight of the conductive polymer monomer. A nano-reactor having a dynamically stable state in the above content range can be produced.
본 발명에서 오일상에 포함되는 유기 용매는 비극성 유기 용매다. 유기 용매는 전도성 고분자 모노머를 용해시키며, 수상과의 유화시 유기 용매는 전도성 고분자 모노머와 함께 액적(droplet) 상태로 존재한다. 상기 유기 용매 및 전도성 고분자 모노머의 액적은 유화제에 의해 둘러싸인 나노-리액터를 형성하며, 유기 용매 액적 내에서 전도성 고분자 모노머의 중합이 수행된다. 종래 일반적인 전도성 고분자 나노입자의 제조 방법에서는 이러한 유기 용매를 사용하지 않는데, 이 경우, 전도성 고분자 모노머 자체가 액적이 되고 그 주위를 유화제가 둘러싸는 에멀젼 형태에서 중합이 일어나게 된다. 이 경우, 모노머가 고분자가 되는 과정에서 성장을 멈추고 저분자 형태로 가라앉는 문제가 발생할 우려가 있다.In the present invention, the organic solvent contained in the oil phase is a nonpolar organic solvent. The organic solvent dissolves the conductive polymer monomer, and when emulsifying the aqueous phase, the organic solvent is present in a droplet state together with the conductive polymer monomer. The droplets of the organic solvent and the conductive polymer monomer form a nano-reactor surrounded by the emulsifier, and the polymerization of the conductive polymer monomer is carried out in the organic solvent droplet. In the conventional method for producing conductive polymer nano-particles, the organic solvent is not used. In this case, the conductive polymer monomer itself becomes a liquid droplet, and polymerization takes place in the form of an emulsion in which the emulsifier surrounds the droplet. In this case, there is a fear that the growth may be stopped in the course of the monomer becoming a polymer and sink into a low-molecular form.
특히, 본 발명에서는 유기 용매로 비극성 유기 용매를 사용하는데, 상기 비극성 유기 용매는 높은 중합도를 가지는 전도성 고분자 나노입자를 제조하게 한다. 이러한, 비극성 유기 용매의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 구체적으로 클로로포름, 톨루엔, 클로로벤젠 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
Particularly, in the present invention, a nonpolar organic solvent is used as the organic solvent, and the nonpolar organic solvent enables the production of the conductive polymer nanoparticle having a high polymerization degree. The kind of the nonpolar organic solvent is not particularly limited, and may specifically include chloroform, toluene, chlorobenzene, or a mixture thereof.
상기 표 1은 본 발명에서 사용되는 비극성 유기 용매 및 극성 유기 용매(DMSO)의 물성을 나타내는 표이다. 상기 물성은 Polymer Handbook 4th edition P.688~694를 참조하였다. Table 1 shows the physical properties of the nonpolar organic solvent and the polar organic solvent (DMSO) used in the present invention. The above properties were referred to Polymer Handbook 4 th edition P.688 ~ 694.
상기 표에 나타난 바와 같이, DMSO는 다른 비극성 유기 용매에 비해 쌍극자 요소가 매우 높기 때문에 전도성 고분자 나노입자의 합성을 저해하게 된다. 이는 DMSO의 수소결합 요소 값이 다른 비극성 유기 용매보다 높아 중합 반응의 개시제로 쓰이는 금속산화제의 금속 양이온이 용매 액적 표면으로 이동하는 추진력을 저해하기 때문이다. As shown in the above table, DMSO inhibits the synthesis of conductive polymer nanoparticles because the dipole element is much higher than other nonpolar organic solvents. This is because the hydrogen bonding factor value of DMSO is higher than that of other nonpolar organic solvents, thereby inhibiting the propulsion of metal cations of the metal oxidizing agent used as an initiator of the polymerization reaction to the surface of the solvent droplet.
구체적으로, 첫째, 높은 쌍극자 모멘트에 의해 DMSO가 수상에 존재하는 금속 양이온을 잡는 역할을 하게 되어, 중합에 필요한 금속 양이온의 절대량이 부족하게 된다. 따라서 중합도가 낮아진다. Specifically, first, DMSO plays a role of capturing metal cations present in the water phase due to a high dipole moment, so that the absolute amount of metal cations necessary for polymerization becomes insufficient. Therefore, the polymerization degree is lowered.
둘째, DMSO는 높은 분산 요소 값을 가지므로, 모노머 액적 상에 안정하게 머무르지 못하고 상 전체에 확산하려는 성질을 가지게 된다. 따라서, 전도성 고분자 모노머에서 고분자로 성장함에 있어 상기 모노머는 용매 액적 안에서 성장하기 전에 저분자 상태로 석출되는데, 이는 용매를 도입하는 목적과 대립하게 된다. 따라서, 중합도는 낮아지게 된다. Second, since DMSO has a high dispersion element value, it can not stably stay on the monomer droplet and has a property of diffusing into the whole phase. Therefore, when the conductive polymeric monomer is grown into a polymer, the monomer is precipitated in a low molecular state before it is grown in the solvent droplet, which is in conflict with the purpose of introducing the solvent. Therefore, the polymerization degree is lowered.
상기 유기 용매, 구체적으로 비극성 유기 용매의 함량은 특별히 제한되지 않으며, 전도성 고분자 모노머의 100 중량부에 대하여 50 내지 200 중량부, 구체적으로 70 내지 150 중량부로 포함될 수 있다. 상기 함량 범위에서 전도성 고분자 모노머의 고분자로의 성장이 용이하게 수행될 수 있다. The content of the organic solvent, specifically, the nonpolar organic solvent is not particularly limited and may be 50 to 200 parts by weight, specifically 70 to 150 parts by weight, based on 100 parts by weight of the conductive polymer monomer. The conductive polymeric monomer can be easily grown into the polymer in the above-mentioned content range.
또한, 본 발명에서 수상은 유화제를 포함하며, 상기 유화제는 음이온 계면활성제를 함유한다. Further, in the present invention, the water phase contains an emulsifier, and the emulsifier contains an anionic surfactant.
이러한 음이온 계면활성제는 친수성 물질로서, 제조되는 나노입자에 안전성을 부여할 수 있다. 상기 음이온 계면활성제의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 소듐 라우릴 셀페이드(SLS), 알킬 설페이드(AS), 알킬 에테르 설포네이트(AES) 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. Such anionic surfactant is a hydrophilic substance and can impart safety to the produced nanoparticles. The kind of the anionic surfactant is not particularly limited, and sodium lauryl cell fade (SLS), alkyl sulfide (AS), alkyl ether sulfonate (AES), or a mixture thereof can be used.
상기 유화제의 함량은 특별히 제한되지 않으며, 전도성 고분자 모노머의 100 중량부에 대하여 3 내지 5 중량부, 구체적으로 3.5 내지 4.5 중량부로 포함될 수 있다. 상기 함량 범위에서 안전한 나노입자를 제조할 수 있다.The content of the emulsifier is not particularly limited and may be 3 to 5 parts by weight, specifically 3.5 to 4.5 parts by weight based on 100 parts by weight of the conductive polymer monomer. It is possible to manufacture safe nanoparticles within the above range of content.
본 발명에서 수상에 포함되는 용매는 증류수 등일 수 있다. In the present invention, the solvent contained in the water phase may be distilled water or the like.
또한, 본 발명에서 제 1 산화제는 자신은 산화하면서 제 2 산화제를 환원시키는 역할을 한다. 이에 의해, 제 2 산화제는 본래 가지고 있는 산화력 보다 더욱 증가된 산화력을 가지게 된다. Also, in the present invention, the first oxidizing agent serves to reduce the second oxidizing agent while oxidizing itself. Thereby, the second oxidizing agent has an oxidizing power which is higher than the inherent oxidizing power.
이러한 제 1 산화제의 종류는 제 2 산화제보다 상대적으로 높은 산화력을 갖는다면 특별히 제한되지 않으며, 과산화류, 산소산류 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 구체적으로 과산화류로는 과산화수소, 과산화암모늄 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있으며, 산소산류로는 과망간산, 질산, 과염소산 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. The kind of the first oxidizing agent is not particularly limited as long as it has a relatively higher oxidizing power than the second oxidizing agent, and peroxides, oxygen acids or a mixture thereof can be used. Specific examples of the peroxides include hydrogen peroxide, ammonium peroxide or a mixture thereof. As the oxygen acid, permanganic acid, nitric acid, perchloric acid or a mixture thereof may be used.
상기 제 1 산화제의 함량은 특별히 제한되지 않으며, 전도성 고분자 모노머의 100 중량부에 대하여 50 내지 1000 중량부, 구체적으로 100 내지 500 중량부로 포함될 수 있다. 상기 함량 범위에서 제 2 산화제의 산화력을 증가시킬 수 있다.The content of the first oxidizing agent is not particularly limited and may be 50 to 1000 parts by weight, specifically 100 to 500 parts by weight based on 100 parts by weight of the conductive polymer monomer. It is possible to increase the oxidizing power of the second oxidizing agent in the above content range.
또한, 본 발명에서 제 2 산화제는 전도성 고분자 모노머를 산화시키는 역할을 한다. 상기 제 2 산화제의 종류는 특별히 제한되지 않고, 철염(Ⅲ), 철염(Ⅱ) 또는 염화구리(Ⅱ)를 함유하는 금속의 산화물일 수 있으며, 구체적으로 FeCl3, CuCl2, FeCl3/H2O2, FeCl3/O2, FeCl3/HMnO4, FeCl3/F2, FeCl2/H2O2, FeCl2/O2, FeCl2/HMnO4, FeCl2/F2, CuCl2/H2O2, CuCl2/HMnO4 , 일 수 있다. In the present invention, the second oxidant serves to oxidize the conductive polymer monomer. The type of the second oxidizing agent is not particularly limited, iron (Ⅲ), it may be an iron salt (Ⅱ) or oxide of a metal containing copper chloride (Ⅱ), Specifically, FeCl 3, CuCl 2, FeCl 3 / H 2 O 2, FeCl 3 / O 2 , FeCl 3 / HMnO 4, FeCl 3 /
상기 제 2 산화제의 함량은 특별히 제한되지 않으며, 전도성 고분자 모노머의 100 중량부에 대하여 0.1 내지 20 중량부, 구체적으로 1 내지 10 중량부로 포함될 수 있다. 상기 범위에서 고분자 모노머의 중합이 용이하게 수행되며, 함량이 0.1 중량부 미만이면, 중합반응속도가 현저히 느려질 수 있고, 10 중량부를 초과하면, 중합반응속도는 상승되지만, 고분자가 충분히 성장하지 못해 고분자의 사슬길이가 짧아지게 되며, 광도 및 발광 세기가 감소할 수 있다.
The content of the second oxidizing agent is not particularly limited and may be 0.1 to 20 parts by weight, specifically 1 to 10 parts by weight, based on 100 parts by weight of the conductive polymer monomer. When the content is less than 0.1 part by weight, the polymerization reaction rate can be significantly slowed. When the content is more than 10 parts by weight, the polymerization reaction rate is increased. However, since the polymer does not sufficiently grow, And the light intensity and the emission intensity can be reduced.
한편, 전술한 구성을 갖는 본 발명에 따른 전도성 고분자 나노입자를 제조하는 방법은 다음과 같다. Meanwhile, a method for producing the conductive polymer nanoparticles according to the present invention having the above-described structure is as follows.
본 발명에서 전도성 고분자 나노입자는 산화중합 방법을 통해 중합될 수 있다. 이 때, 상기 나노입자는 비극성 유기 용매의 액적 내에서 모노머를 산화시켜 중합되므로, 구체적으로 나노입자를 제조하는 방법을 통칭하여 나노-리액터 산화중합 방법이라 할 수 있다. In the present invention, the conductive polymer nanoparticles can be polymerized through an oxidative polymerization method. At this time, since the nanoparticles are polymerized by oxidizing the monomers in the droplets of the non-polar organic solvent, the nanoparticles can be generally referred to as the nano-reactor oxidative polymerization method.
일반적으로 전도성 고분자 나노입자의 제조방법은 일반적인 에멀젼 중합 방법을 포함하는 유화공정, 예를 들면, 모노머에 대한 개시방법에 따라 퍼설페이트계 및 아조비스계를 이용한 라디칼 개시방법, 구리, 철 및 세륨 등의 금속계 산화제를 이용한 산화 개시방법, 비스셀페이트/철, 비스설페이트/은 및 구리/타이오설페이트 등에 의한 산화 개시방법을 사용할 수 있으나, 본 발명에서 사용되는 전도성 고분자 모노머는 높은 산화력을 필요로 하고 중합 후 생상되는 고분자의 물성에 미치는 전위금속의 영향을 최소화하기 위해 특정적으로 산화 개시제로서 본 발명에 따른 제 2 산화제, 구체적으로 금속계 산화제를 사용하는 산화중합 방법을 이용할 수 있다.
Generally, the method for producing the conductive polymer nanoparticles includes an emulsification process including a general emulsion polymerization process, for example, a radical initiation method using a persulfate-based or azobisisocyanate based on a starting method for a monomer, A method of starting oxidation using a metal-based oxidizing agent of the present invention, a method of initiating oxidation by using bis-sulfate / iron, bisulfate / silver and copper / thiosulfate can be used. However, the conductive polymer monomer used in the present invention requires high oxidizing power In order to minimize the influence of the dislocation metal on the physical properties of the polymer produced after the polymerization, an oxidation polymerization method using a second oxidizing agent according to the present invention, specifically a metal-based oxidizing agent, can be used specifically as an oxidation initiator.
본 발명에 따른 제조 방법은, 구체적으로, 전술한 오일상과 수상을 혼합하여 유화시키고, 제 1 산화제를 투입한 후, 제 2 산화제를 투입하고 산화중합시키는 단계를 포함한다. Specifically, the production method according to the present invention includes a step of mixing and emulsifying the oil phase and water phase, introducing the first oxidant, adding the second oxidant, and oxidizing and polymerizing.
본 발명에서 도 1은 본 발명에 따른 전도성 고분자 나노입자의 제조방법을 나타내는 모식도로, 상기 도 1에서는 전도성 고분자 모노머로 옥틸티오펜을 사용하였다. 상기 도 1에 나타난 바와 같이, 전도성 고분자 나노입자는 용매(비극성 유기 용매), 전도성 고분자 및 유화제 등을 혼합한 후 고속유화한 다음, 제 1 산화제를 첨가하여 나노-리액터 에멀젼을 제조한 후, 제 2 산화제를 주입하여 산화중합시켜 에멀젼 입자를 제조한 뒤 건조시켜 나노입자를 최종 제조할 수 있다. FIG. 1 is a schematic view showing a method for producing a conductive polymer nanoparticle according to the present invention. In FIG. 1, octylthiophene is used as a conductive polymer monomer. As shown in FIG. 1, the conductive polymer nanoparticles are prepared by mixing a solvent (nonpolar organic solvent), a conductive polymer, an emulsifier, and the like, and emulsifying the mixture at high speed, and then adding a first oxidizing agent to prepare a nano- And then oxidized and polymerized by injecting a quaternary oxidant to prepare emulsion particles, followed by drying to finally produce nanoparticles.
또한, 도 3은 전도성 고분자 모노머로 옥틸티오펜을 사용했을 경우, 폴리옥틸티오펜 나노입자의 화학적인 메커니즘을 나타낸다. 상기 도 3에 나타난 바와 같이, 옥틸티오펜 모노머는 산화제에 의한 산화중합에 의해 고분자로 중합된다. Further, FIG. 3 shows the chemical mechanism of the poly (octylthiophene nano-particles) when octylthiophene is used as the conductive polymer monomer. As shown in FIG. 3, the octylthiophene monomer is polymerized by polymerizing by oxidative polymerization with an oxidizing agent.
본 발명에 따른 제조방법에서, 오일상과 수상의 혼합물의 유화는 고속균질기(homogenizer)를 사용하여 수행할 수 있다. 이 때, 유화는 1000 내지 10000 RPM, 구체적으로 1000 내지 5000 RPM의 속도로 10분 내지 20 분, 구체적으로는 약 10분 동안 수행될 수 있다. In the production process according to the present invention, the emulsification of the mixture of oil phase and water phase can be carried out using a high-speed homogenizer. At this time, the emulsification can be carried out at a speed of 1000 to 10,000 rpm, specifically 1000 to 5000 rpm for 10 minutes to 20 minutes, specifically about 10 minutes.
유화가 완료되면, 유화된 혼합물 상에 제 1 산화제를 투입한 후 안정화 시키는데, 이 때, 혼합물은 나노-리액터로 존재하게 된다. 상기 나노-리액터는 도 2에 나타난 바와 같이, 수상에서 비극성 유기 용매 및 전도성 고분자 모노머가 액적 상태로 유화제에 의해 둘러싸여 있는 상태를 의미한다. 상기 나노-리액터 상태에서는 고분자 모노머의 중합이 용이하게 수행될 수 있다. 이 때, 안정화는 약 10 분 동안 이루어질 수 있다. When the emulsification is complete, the first oxidant is added to the emulsified mixture and stabilized, at which time the mixture is present as a nano-reactor. As shown in FIG. 2, the nano-reactor refers to a state in which a nonpolar organic solvent and a conductive polymer monomer are surrounded by an emulsifier in a droplet state. In the nano-reactor state, polymerization of the polymer monomer can be easily performed. At this time, the stabilization can be performed for about 10 minutes.
그 뒤, 나노-리액터 상태의 혼합물에 제 2 산화제를 투입한다. 상기 제 2 산화제는 개시제의 역할을 수행한다. 상기 제 2 산화제는 예를 들어, 주사기를 이용하여 투입할 수 있다. The second oxidant is then added to the mixture in the nano-reactor state. The second oxidant acts as an initiator. The second oxidant may be introduced using a syringe, for example.
상기 산화중합 시 반응온도는 40 내지 80℃, 구체적으로 45 내지 55℃일 수 있으며, 반응시간은 12 내지 24 시간, 구체적으로, 15 내지 20 시간일 수 있다. 상기 온도 및 시간에서 산화중합 반응이 용이하게 수행될 수 있다. The reaction temperature during the oxidation polymerization may be 40 to 80 ° C, specifically 45 to 55 ° C, and the reaction time may be 12 to 24 hours, specifically, 15 to 20 hours. The oxidation polymerization reaction can be easily performed at the above temperature and time.
상기 산화중합에 의해 전도성 고분자 모노머는 비극성 유기 용매의 액적 내에서 고분자로 중합된다. 본 발명에서는 산화중합 반응 후 반응물을 건조시키는 단계(건조 단계)를 추가로 수행함으로써, 파우더 형태의 전도성 고분자 나노입자를 얻을 수 있다. By the oxidation polymerization, the conductive polymer monomer is polymerized into the polymer in the droplet of the nonpolar organic solvent. In the present invention, the step of drying the reaction product after the oxidation polymerization reaction (drying step) is further performed to obtain the conductive polymer nanoparticles in powder form.
또한, 본 발명에서는 건조 단계를 수행하기 전에 산화중합 반응물을 염기성 용액과 반응시키는 단계를 추가로 수행할 수 있다. 상기 반응은 상온, 구체적으로 18 내지 25℃에서 수행될 수 있으며, 상기 반응에 의해 전도성 고분자 나노입자들은 dedoping되어 광특성이 증가될 수 있다. 여기서, 사용되는 염기성 용액은 일반적으로 사용되는 염기성 용액을 사용할 수 있으며, 구체적으로 수산화칼륨, 수산화나트륨 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
Further, in the present invention, it is possible to further carry out a step of reacting the oxidative polymerization reaction with a basic solution before performing the drying step. The reaction may be carried out at room temperature, specifically at 18 to 25 ° C, and the conductive polymer nanoparticles may be dedoped by the reaction to increase optical characteristics. Here, the basic solution used may be a commonly used basic solution, and specifically, potassium hydroxide, sodium hydroxide, or a mixture thereof may be used.
또한, 본 발명은 상기 제조방법에 의해 제조되는 전도성 고분자 나노입자에 관한 것이다. The present invention also relates to conductive polymer nanoparticles produced by the above-mentioned production method.
상기 전도성 고분자 나노입자의 평균입자크기는 30 nm 내지 10 ㎛, 구체적으로 100 내지 250 nm일 수 있다. The average particle size of the conductive polymer nanoparticles may be 30 nm to 10 탆, specifically 100 to 250 nm.
상기 전도성 고분자 나노입자는 뛰어난 가공성을 지니며, 수상에서 입자의 발광 색이 다르게 나타나므로 전자재료, 광학재료, 토너, 및 잉크 등에 사용될 수 있고, 더 나아가 유기 EL 소재, 에너지저장 소재, 패턴제조 소재, 프린팅 잉크 소재 등에 적용될 수 있다.
The conductive polymer nanoparticles have excellent processability and can be used for electronic materials, optical materials, toners, inks and the like because they emit light in different colors from the aqueous phase. Further, they can be used for organic EL materials, energy storage materials, , Printing ink materials, and the like.
본 발명은 이들의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법을 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 청구항의 범위에 의해 정의될 뿐이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The present invention will become more apparent by describing in detail exemplary embodiments thereof with reference to the attached drawings, in which: FIG. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as being limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. Is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and is defined only by the scope of the claims of the invention.
[실시예][Example]
< 실시예 1 >≪ Example 1 >
25℃의 탈이온수 65g에 유화제인 SLS 0.25g을 혼입시킨 뒤 교반하여 상기 유화제를 완전히 용해시켜 수상을 제조하였다. 0.25 g of SLS as an emulsifier was added to 65 g of deionized water at 25 캜 and stirred to prepare a water phase.
그 다음, 옥틸티오펜 단량체 0.5g과 보조유화제인 세틸 알코올 0.045g, 클로로포름 0.5g을 용해시켜 오일상을 제조하였다. Then, 0.5 g of octylthiophene monomer, 0.045 g of cetyl alcohol as a secondary emulsifier and 0.5 g of chloroform were dissolved to prepare an oily phase.
그 다음, 수상과 오일상을 혼합하고 고속균질기(Homogenizer)로 8000 RPM으로 5분간 유화시켜 혼합물을 제조한 후, 상기 혼합물을 반응기에 놓고 30분간 교반(stirring) 시켜서 안정화 시켰다. 그 다음, 상기 혼합물에 제 1 산화제로서 50% 과산화수소 0.866g을 혼입한 후 개시제로 제 2 산화제인 FeCl3 0.207g을 탈이온수 5g에 녹여서 투입, 반응시켰다. 이 때, 반응온도는 50℃로 하고, 24 시간 동안 반응시켜 폴리옥틸티오펜 나노입자 수분산액을 제조하였다. The mixture was then prepared by mixing the water phase with the oil phase and emulsifying with a high speed homogenizer at 8000 RPM for 5 minutes and then the mixture was placed in a reactor and stabilized by stirring for 30 minutes. Next, 0.866 g of 50% hydrogen peroxide as a first oxidizing agent was added to the mixture, and then 0.207 g of FeCl 3 , which is a second oxidizing agent, was dissolved in 5 g of deionized water as an initiator, and the mixture was reacted. At this time, the reaction temperature was set to 50 ° C and the reaction was carried out for 24 hours to prepare an aqueous dispersion of poly (octylthiophene nano-particles).
그 다음, 상기 제조된 폴리옥틸티오펜 나노입자 수분산액을 진공 오븐에서 70℃의 온도로 건조시켜 폴리옥틸티오펜 나노입자 파우더를 얻었다.
Then, the poly-octylthiophene nano-particle water dispersion thus prepared was dried in a vacuum oven at a temperature of 70 ° C to obtain a poly-octylthiophene nano-particle powder.
< 실시예 2 >≪ Example 2 >
실시예 1과 동일한 방법으로 실시하되, SLS의 양을 0.5g을 사용하여 폴리옥틸티오펜 나노입자 피우더를 제조하였다.
The polythiothiophene nanoparticle powder was prepared in the same manner as in Example 1 except that 0.5 g of SLS was used.
< 실시예 3>≪ Example 3 >
실시예 1과 동일한 방법으로 실시하되, 제 1 산화제인 과산화수소를 1.4434g(5eq) 사용하여 폴리옥틸티오펜 나노입자 파우더를 제조하였다.
The procedure of Example 1 was repeated except that 1.4434 g (5 eq) of hydrogen peroxide, which is the first oxidizing agent, was used to prepare a polyoxytriaphone nano-particle powder.
<비교예 1>≪ Comparative Example 1 &
실시예 1과 동일한 방법으로 실시하되, 클로로포름 대신 DMSO를 사용하였으나, 폴리옥틸티오펜 나노입자의 합성은 이루어지지 않았다. , .
The procedure of Example 1 was repeated except that DMSO was used instead of chloroform, but no synthesis of poly (octylthiophene nano-particles) was carried out. ,.
상기 실시예 및 비교예에 의해 제조된 폴리옥틸티오펜 나노입자의 전환율 및 평균입자크기를 표 2에 나타냈다.Table 2 shows conversion ratios and average particle sizes of the poly (octylthiophene nano particles) prepared by the above Examples and Comparative Examples.
상기 전환율은 중량법을 이용하여 측정하였으며, 또한, 평균입자크기는 Dynamic Light Scattering(DLS)을 사용하여 측정하였다.
The conversion was measured using the gravimetric method and the average particle size was measured using Dynamic Light Scattering (DLS).
비교예 1의 경우, 낮은 전환율에 의해 폴리옥틸티오펜 나노입자의 합성이 이루어지지 않았다. In the case of Comparative Example 1, the synthesis of polyoctylthiophene nanoparticles was not achieved by a low conversion rate.
상기 표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 제조방법에 의해 제조되는 폴리옥틸티오펜 나노입자는 우수한 전환율을 가지며, 또한 100 내지 250 nm의 평균입자크기를 가진다. As shown in Table 2, the poly (octylthiophene nanoparticles) prepared by the process according to the present invention had an excellent conversion and an average particle size of 100 to 250 nm.
본 발명에서 도 4는 실시예 1 에 의해 제조된 폴리옥틸티오펜 나노입자의 전자현미경 사진(in net 투과전자현미경)이다. 구형의 형태를 띠고 있으며, 제조되는 폴리옥틸티오펜 나노입자는 수상에서 분산성이 우수하며, 200 nm 이내의 평균입자크기를 가지는 것을 확인할 수 있다. In the present invention, Fig. 4 is an electron micrograph (in net transmission electron microscope) of the poly (octylthiophene nano-particle) prepared in Example 1. Fig. The poly (octylthiophene) nanoparticles prepared are excellent in dispersibility in aqueous phase and have an average particle size within 200 nm.
또한, 본 발명에서 도 5는 실시예 1 에 의해 제조된 폴리옥틸티오펜 나노입자를 물에 분산시켰을 때의 발광 정도를 나타내는 알아보기 위해 UV lamp를 조사한 사진이다. 구체적으로, (a)는 대조군으로 사용한 물이며, (b)는 실험군으로 물에 분산된 폴리옥틸티오펜 나노입자의 사진이다. 5 is a photograph of a UV lamp irradiated to determine the degree of light emission when the poly (octylthiophene nano-particles) prepared in Example 1 is dispersed in water. Specifically, (a) is water used as a control group and (b) is a photograph of poly octylthiophene nanoparticles dispersed in water as an experimental group.
상기 도 5에 나타난 바와 같이, 폴리옥틸티오펜 나노입자를 물에 분산시켰을 경우 UV lamp 상에서 주황색계열의발광이 일어나는 것을 확인할 수 있다. 이는 옥틸티오펜의 고유색이며 수상의 농도조절을 통해 그 Intensity를 조절할 수 있음을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 5, when the poly (octylthiophene) nanoparticles are dispersed in water, it can be confirmed that orange light emission occurs on a UV lamp. It can be seen that the intrinsic color of octylthiophene can be controlled by adjusting the concentration of water.
Claims (17)
음이온 계면활성제를 함유하는 유화제를 포함하는 수상을 혼합하여 유화시키고 제 1 산화제를 투입한 후, 제 2 산화제를 투입하고 산화중합하는 단계를 포함하는 전도성 고분자 나노입자의 제조 방법.
An oily phase containing a conductive polymer monomer, a secondary emulsifier and a nonpolar organic solvent,
Mixing an aqueous emulsion containing an anionic surfactant and emulsifying the emulsion, adding a first oxidizing agent, and then introducing a second oxidizing agent to oxidize and polymerize the aqueous polymer nanoparticles.
전도성 고분자 모노머는 수용성 전도성 고분자인 전도성 고분자 나노입자의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the conductive polymer monomer is a water-soluble conductive polymer.
수용성 전도성 고분자는 티오펜, 피롤, 아닐린 또는 이들의 유도체인 전도성 고분자 나노입자의 제조 방법.
3. The method of claim 2,
Wherein the water-soluble conductive polymer is thiophene, pyrrole, aniline or a derivative thereof.
보조유화제는 헥사데칸, 세틸알코올, n-프로판올, 부탄올, 옥탄올, 노난올 또는 이들의 혼합물인 전도성 고분자 나노입자의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the auxiliary emulsifier is hexadecane, cetyl alcohol, n-propanol, butanol, octanol, nonanol or mixtures thereof.
보조유화제의 함량은 전도성 고분자 모노머 중량에 대하여 5 내지 10 중량부인 전도성 고분자 나노입자의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the content of the auxiliary emulsifier is 5 to 10 parts by weight based on the weight of the conductive polymer monomer.
비극성 유기 용매는 클로로포름, 톨루엔, 클로로벤젠 또는 이들의 혼합물인 전도성 고분자 나노입자의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the nonpolar organic solvent is chloroform, toluene, chlorobenzene or a mixture thereof.
비극성 유기 용매의 함량은 전도성 고분자 모노머 중량에 대하여 50 내지 200 중량부인 전도성 고분자 나노입자의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the content of the non-polar organic solvent is 50 to 200 parts by weight based on the weight of the conductive polymer monomer.
음이온 계면활성제는 소듐 라우릴 셀페이드, 알킬 설페이드, 알킬 에테르 설포네이트 또는 이들의 혼합물인 전도성 고분자 나노 입자의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the anionic surfactant is sodium lauryl cell fade, alkyl sulfide, alkyl ether sulfonate or a mixture thereof.
유화제의 함량은 전도성 고분자 모노머 중량에 대하여 3 내지 5 중량부인 전도성 고분자 나노입자의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the content of the emulsifier is 3 to 5 parts by weight based on the weight of the conductive polymer monomer.
제 1 산화제는 과산화류, 산소산류 또는 이들의 혼합물인 전도성 고분자 나노입자의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the first oxidizing agent is a peroxide, an oxygen acid, or a mixture thereof.
제 1 산화제의 함량은 전도성 고분자 모노머 중량에 대하여 50 내지 1000 중량부인 전도성 고분자 나노입자의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the content of the first oxidizing agent is 50 to 1000 parts by weight based on the weight of the conductive polymer monomer.
제 2 산화제는 철염(Ⅲ), 철염(Ⅱ) 또는 염화구리(Ⅱ)를 함유하는 금속의 산화물인 전도성 고분자 나노입자의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the second oxidant is an oxide of a metal containing iron (III), iron (II) chloride or copper (II) chloride.
제 2 산화제의 함량은 전도성 고분자 모노머 중량에 대하여 0.1 내지 10 중량부인 전도성 고분자 나노입자의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the content of the second oxidizing agent is 0.1 to 10 parts by weight based on the weight of the conductive polymer monomer.
산화중합은 40 내지 80℃ 및 12 시간 내지 24 시간 동안 수행되는 전도성 고분자 나노입자의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the oxidative polymerization is carried out at 40 to 80 캜 and for 12 to 24 hours.
산화중합을 수행한 후 염기성 용액과 반응시키는 단계를 추가로 포함하는 전도성 고분자 나노입자의 제조 방법.
The method according to claim 1,
And then conducting an oxidation polymerization and then reacting with a basic solution.
A conductive polymer nanoparticle produced by the manufacturing method according to claim 1.
전도성 고분자 나노입자의 평균입자크기는 30 nm 내지 10 ㎛인 전도성 고분자 나노입자.17. The method of claim 16,
The average particle size of the conductive polymer nanoparticles is 30 nm to 10 탆.
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