KR20150056331A - Method for preparation of crosslinked thermally rearranged poly(benzoxazole-co-imide) membranes for flue gas separation and membranes for flue gas separation prepared thereby - Google Patents

Method for preparation of crosslinked thermally rearranged poly(benzoxazole-co-imide) membranes for flue gas separation and membranes for flue gas separation prepared thereby Download PDF

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Abstract

The present invention is configured to manufacture a thermally rearranged poly(benzoxazole-imide) membrane with a crosslinked structure by crosslinking and thermal rearrangement at the same time by only thermally treating an ortho-hydroxy polyimide membrane having a carboxylic acid, and to apply the same to flue gas separation. According to the present invention, a thermally rearranged poly(benzoxazole-imide) membrane with a crosslinked structure for flue gas separation can be manufactured by only thermal treatment without undergoing a chemical method for forming the crosslinked structure and a complicated process such as UV irradiation, and a membrane for flue gas separation manufactured by the same not only has excellent transmissivity and selectivity, but also us able to be industrialized by mass production by a simple manufacturing process.

Description

배연가스 분리용 가교구조를 갖는 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 막의 제조방법 및 그에 의하여 제조된 배연가스 분리용 막{Method for preparation of crosslinked thermally rearranged poly(benzoxazole-co-imide) membranes for flue gas separation and membranes for flue gas separation prepared thereby}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a process for preparing a thermally-converting poly (benzoxazole-imide) membrane having a cross-linking structure for flue gas separation and a membrane for separating flue gas produced thereby flue gas separation < RTI ID = 0.0 > and membranes < / RTI &

본 발명은 배연가스 분리용 가교구조를 갖는 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 막의 제조방법 및 그에 의하여 제조된 배연가스 분리용 막에 관한 것으로, 보다 상세하게는 카르복실산을 갖는 오르쏘-히드록시 폴리이미드 공중합체 막을 단지 열처리함으로써 직접적인 열가교와 동시에 열전환에 의하여, 배연가스 분리용 가교구조를 갖는 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 막을 제조하고 이를 배연가스 분리에 응용하는 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a process for producing a heat-converted poly (benzoxazole-imide) film having a cross-linking structure for flue gas separation and a membrane for separating flue gas produced thereby, (Benzoxazole-imide) membrane having a cross-linking structure for flue gas separation by heat conversion at the same time as thermal cross-linking by directly heat-treating the hydroxypolyimide copolymer film and applying it to flue gas separation will be.

최근 막(membrane)에 기초한 기체분리는 그 중요성에 부응하여 급속도로 성장하는 분리기술로 각광받고 있다. 이러한 막을 이용한 기체분리는 전통적인 분리공정에 비하여 에너지 소비와 운전비용이 낮으면서도 높은 수준으로 공정상의 유용성을 제공하는 등 여러 가지 장점을 갖는다. 특히, 1980년대 이래로 유기고분자 막을 이용한 기초 연구가 많이 수행되었지만, 전통적인 고분자는 미세기공이 거의 없이 고분자 사슬 공간에 효율적인 패킹을 부여하는 일반적인 속성에 기인하여 상대적으로 낮은 물질 수송률을 보인다.Recently, membrane-based gas separation has attracted attention as a rapidly growing separation technology in response to its importance. Gas separation using these membranes has several advantages, such as lower energy consumption and operating cost, but higher process availability than conventional separation processes. In particular, since the 1980s, a lot of basic research using organic polymer membranes has been conducted, but conventional polymers show relatively low mass transport rates due to the general properties of providing efficient packing in the polymer chain space with little micropores.

반면, 미세다공성 유기고분자로 알려진 높은 수준의 자유 부피를 갖는 고분자는 작은 기체분자에 대한 흡착능과 더불어 향상된 확산능 때문에 분리공정에서 가강 유력한 후보 중의 하나로 떠오르고 있다. 따라서 고분자 사슬 공간의 효율적인 패킹을 저지하는 비틀린 영역을 갖는 단단한 사다리 형태의 구조에 기초한 고유의 미세다공성 고분자가 상대적으로 높은 기체 투과도와 선택도를 나타낸다는 사실에 주목하여 기체분리막으로 응용할 수 있는 유기고분자를 개발하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다.On the other hand, polymers with a high level of free volume, known as microporous organic polymers, are emerging as one of the strong candidates in the separation process due to their ability to adsorb to small gas molecules and their enhanced diffusion capability. Therefore, attention is focused on the fact that inherent microporous polymers based on a rigid ladder-like structure having a twisted region that prevents effective packing of the polymer chain space exhibit relatively high gas permeability and selectivity, and thus organic polymers Various researches are under way to develop.

이러한 연구들 중에서 열적, 기계적, 화학적 특성이 우수한 폴리벤즈옥사졸, 폴리벤즈이미다졸 또는 폴리벤즈티아졸 등 강성의 유리상 전방향족 유기고분자들을 기체분리막으로 응용하고자 하는 시도가 활발히 전개되고 있으나, 이 유기고분자들은 대부분 일반적인 유기용매에 난용성이어서 간단하고 실용적인 용매 캐스팅법에 의하여 막을 제조하는데 어려움이 있었다. 그러므로 최근에, 본 발명자들은 이러한 어려움을 극복하고자 오르쏘 위치에 히드록시기를 갖는 폴리이미드를 열전환하는 방법으로 폴리벤즈옥사졸 막을 제조함으로써 용매 캐스팅법에 의하여 제조되는 종래 폴리벤즈옥사졸 막에 비하여 이산화탄소의 투과도가 10~100배 더 높은 결과를 보고한바 있는데, 이산화탄소/메탄(CO2/CH4)의 선택도는 여전히 종래 상업화된 셀룰로오스아세테이트 막과 동등한 수준이어서 개선의 여지가 있다(비특허문헌 1).Among these studies, attempts have been actively made to apply stiff glassy wholly aromatic organic polymers such as polybenzoxazole, polybenzimidazole, or polybenzthiazole, which have excellent thermal, mechanical and chemical properties, as gas separation membranes, Most of the polymers are insoluble in common organic solvents, and thus it has been difficult to prepare membranes by a simple and practical solvent casting method. Therefore, in order to overcome this difficulty, the present inventors have recently made a polybenzoxazole film by thermal conversion of a polyimide having a hydroxy group at orthosial position, and compared with the conventional polybenzoxazole film produced by the solvent casting method, , The selectivity of carbon dioxide / methane (CO 2 / CH 4 ) is still comparable to that of conventional commercialized cellulose acetate membranes, and there is room for improvement (see Non-Patent Document 1 ).

또한, 폴리벤즈옥사졸 막의 선택도를 개선하고자 오르쏘 위치에 히드록시기를 갖는 폴리이미드와 폴리(스티렌 술폰산)의 블렌드 막을 300~650℃에서 열전환하여 폴리벤즈옥사졸 막을 제조함으로써, 폴리(스테렌 술폰산을) 함유하지 않은 히드록시폴리이미드로부터 열전환하여 제조된 폴리벤즈옥사졸 막에 비하여 이산화탄소/메탄(CO2/CH4)의 선택도가 최대 95% 정도 향상된 결과도 보고된 바 있다. 그러나 궁극적으로 폴리벤즈옥사졸 막을 제조하기 위한 전구체라 할 수 있는 폴리이미드의 합성방법에 대해서는 구체적으로 개시된 바 없어, 히드록시폴리이미드의 이미드화 방법, 즉 용액상 열 이미드화법(solution thermal imidization) 또는 공비 열 이미드화법(azeotropic thermal imidization), 고체상 열 이미드화법(solid state thermal imidization) 및 화학 이미드화법(chemical imidization)에 따라 그로부터 열전환된 폴리벤즈옥사졸 막의 자유 부피 요소와 기체 분리 성능이 달라질 수 있는 점이 전혀 고려되지 아니한 문제점이 있다(특허문헌 1).Further, in order to improve the selectivity of the polybenzoxazole film, a polybenzoxazole film is prepared by thermally converting a blend film of polyimide and poly (styrenesulfonic acid) having a hydroxyl group at the ortho position with the poly (styrenesulfonic acid) at 300 to 650 DEG C, The selectivity of carbon dioxide / methane (CO 2 / CH 4 ) was improved by up to 95% as compared with polybenzoxazole membranes prepared by heat conversion from hydroxypolyimide containing no sulfonic acid. However, the synthesis method of the polyimide which can ultimately be a precursor for producing the polybenzoxazole film has not been specifically disclosed. The method of imidization of the hydroxy polyimide, that is, the solution thermal imidization, Or free volume factor and gas separation performance of polybenzoxazole membranes thermally converted therefrom by azeotropic thermal imidization, solid state thermal imidization and chemical imidization, (See Patent Document 1).

이에 따라, 열전환 폴리벤즈옥사졸의 특성은 방향족 폴리이미드의 합성방법에 의하여 영향을 받는다는 점에 근거하여 용액상 열 이미드화법, 고체상 열 이미드화법 및 화학 이미드화법 등의 다양한 방법으로 오르쏘 위치에 히드록시기를 갖는 폴리이미드를 합성한 후, 이를 열전환하여 폴리벤즈옥사졸 막을 제조한 사례도 보고되었으나, 이는 열전환에 의하여 특이한 다공성 구조를 가짐으로써 우수한 분리 특성을 나타내어 주로 에탄올 또는 기타 유기용매로부터 물을 제거하기 위한 분리막에 적용되는 것이지 기체분리막으로서의 성능에 관하여 개시된 바는 없다(특허문헌 2).Accordingly, the properties of the heat-converted polybenzoxazole are improved by various methods such as solution phase thermal imidization, solid-phase thermal imidization, and chemical imidization, based on the fact that the properties of the thermally- Polybenzimidazole membranes were prepared by thermal conversion of a polyimide having a hydroxyl group at the site of the polysaccharide. However, the polybenzimidazole membrane exhibited excellent separation characteristics due to its specific porous structure due to thermal conversion, The present invention is applied to a separation membrane for removing water from a solvent, and there is no description about the performance as a gas separation membrane (Patent Document 2).

또한, 화학 이미드화법에 의하여 오르쏘 위치에 히드록시기를 갖는 폴리이미드를 합성하고, 이를 열전환하여 폴리벤즈옥사졸 막을 얻은 후, 최종적으로 자외선(UV)을 조사하여 가교구조를 갖는 폴리벤즈옥사졸 막을 제조함으로써 막의 선택도를 향상시킨 결과가 보고된 바도 있으나, 화학 이미드화법으로 폴리이미드를 제조하기 때문에 열 이미드화(thermal imidization) 과정이 생략되어 그로부터 열전환된 폴리벤즈옥사졸 막이 가교구조를 갖더라도 여전히 이산화탄소의 투과도가 상대적으로 낮고, 가교구조를 형성하기 위해서는 자외선 조사 장치를 사용하여야 하는 공정상의 단점이 있다(특허문헌 3).In addition, a polyimide having a hydroxy group at ortho position by a chemical imidization method is synthesized and thermally converted to obtain a polybenzoxazole film. Finally, ultraviolet light (UV) is irradiated to form a polybenzoxazole However, since the polyimide is prepared by the chemical imidization method, the thermal imidization process is omitted, and the polybenzoxazole film, which is thermally converted therefrom, has a cross-linking structure The permeability of carbon dioxide is still relatively low, and there is a disadvantage in the process of using an ultraviolet irradiation apparatus to form a crosslinked structure (Patent Document 3).

따라서 본 발명자들은, 열전환 폴리벤즈옥사졸 막의 기체 수송 거동은 전구체라 할 수 있는 폴리이미드의 이미드화 방법 및 고분자 사슬의 가교구조에 기인함에 주목하여, 용액상 열 이미드화법으로 폴리이미드 반복단위 내에 히드록시기 및 카르복실산을 갖는 폴리이미드 막을 합성한 후, 단지 열처리하면 가교구조를 가짐과 동시에 열전환에 의하여 폴리벤즈옥사졸 막이 얻어짐으로써, 가교구조를 형성하기 위한 화학적 방법 및 UV 조사 등의 복잡한 공정을 거치지 않고서도 배연가스 분리용 막으로서의 분리성능이 현저히 향상될 것이라는 점에 착안하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.Therefore, the inventors of the present invention have focused on the gas transporting behavior of the thermally-converted polybenzoxazole film due to the imidization method of the polyimide, which can be referred to as a precursor, and the cross-linking structure of the polymer chain, A polyimide film having a hydroxy group and a carboxylic acid is synthesized and then subjected to heat treatment only to obtain a crosslinked structure and to obtain a polybenzoxazole film by heat conversion to obtain a crosslinked structure by chemical method and UV irradiation For flue gas separation without complicated process The present inventors have completed the present invention in view of the fact that the separation performance as a film will be remarkably improved.

특허문헌 1 한국공개특허공보 제10-2012-0100920호Patent Document 1 Korean Patent Laid-Open No. 10-2012-0100920 특허문헌 2 미국공개특허공보 US 2012/0305484Patent Document 2: US Patent Publication No. US 2012/0305484 특허문헌 3 일본공표특허공보 특표2012-521871Patent document 3 Japanese patent publication Patent specification 2012-521871

비특허문헌 1 Y.M. Lee et al., Science 318, 254-258 (2007)Non-Patent Document 1 Y.M. Lee et al., Science 318, 254-258 (2007)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 가교구조를 형성하기 위한 화학적 방법 및 UV 조사 등의 복잡한 공정을 거치지 않고서도 기체 투과도 및 선택도가 동시에 우수한 배연가스 분리용 가교구조를 갖는 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 막의 제조방법과 그에 의하여 제조되는 배연가스 분리용 막을 제공하고자 하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide a method for separating flue gas, which has excellent gas permeability and selectivity, without a chemical process for forming a cross- (Benzoxazole-imide) film having a crosslinked structure and a membrane for separating the flue gas produced therefrom.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, i) 산이무수물, 오르쏘-히드록시 디아민 및 공단량체로서 3, 5-디아미노벤조산을 반응시켜 폴리아믹산 용액을 얻은 후, 공비 열 이미드화법에 의하여 카르복실산을 갖는 오르쏘-히드록시 폴리이미드 공중합체를 합성하는 단계;In order to accomplish the above object, the present invention provides a method for producing a polyamic acid solution, comprising the steps of: i) reacting an acid anhydride, ortho-hydroxy diamine and a comonomer as a comonomer with 3, 5-diaminobenzoic acid to obtain a polyamic acid solution, Synthesizing an ortho-hydroxypolyimide copolymer having a carboxylic acid by the method of the present invention;

ii) 상기 i) 단계에서 합성한 카르복실산을 갖는 오르쏘-히드록시 폴리이미드공중합체를 유기용매에 녹이고 캐스팅하여 제막하는 단계; 및ii) forming an ortho-hydroxypolyimide copolymer having a carboxylic acid synthesized in the step i) in an organic solvent and casting it; And

iii) 상기 ii) 단계에서 얻어진 막을 열처리하는 단계;를 포함하는 배연가스 분리용 가교구조를 갖는 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 막의 제조방법을 제공한다.and iii) heat-treating the film obtained in the step ii). The present invention also provides a method for producing a heat-converted poly (benzoxazole-imide) film having a crosslinked structure for separating flue gas.

상기 i) 단계의 산이무수물은 하기 일반식 1로 표시되는 것을 특징으로 한다.The acid dianhydride in step i) is characterized by being represented by the following general formula (1).

<일반식 1>&Lt; General Formula 1 &

Figure pat00001
Figure pat00001

(상기 일반식 1에서, Ar은 치환 또는 비치환된 4가의 탄소수 6 내지 24의 아릴렌기 및 치환 또는 비치환된 4가의 탄소수 4 내지 24의 복소환기에서 선택되는 방향족 고리기이고, 상기 방향족 고리기는 단독으로 존재하거나; 2개 이상이 서로 축합 고리를 형성하거나; 2개 이상이 단일결합, O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤P≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2 또는 CO-NH로 연결되어 있다)(In the above general formula (1), Ar is an aromatic ring group selected from a substituted or unsubstituted quadrivalent arylene group having 6 to 24 carbon atoms and a substituted or unsubstituted quadrivalent heterocyclic group having 4 to 24 carbon atoms, and the aromatic ring group is O, S, CO, SO 2 , Si (CH 3 ) 2 , (CH 2 ) p (1 ≦ P10 ), or two or more of them form a condensed ring; ), (CF 2 ) q ( 1 ? Q ? 10), C (CH 3 ) 2 , C (CF 3 ) 2 or CO-

상기 i) 단계의 오르쏘-히드록시 디아민은 하기 일반식 2로 표시되는 것임을 특징으로 한다.The ortho-hydroxydiamine of the step i) is represented by the following general formula (2).

<일반식 2>&Lt; General Formula 2 &

Figure pat00002
Figure pat00002

(상기 일반식 2에서, Q는 단일결합이거나; O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤P≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2, CO-NH, C(CH3)(CF3), 또는 치환 또는 비치환된 페닐렌기이다)(Wherein Q is a single bond or O, S, CO, SO 2 , Si (CH 3 ) 2 , (CH 2 ) p (1 ≦ P ≦ 10), (CF 2 ) q q≤10), C (CH 3) 2, C (CF 3) 2, is CO-NH, C (CH 3 ) (CF 3), or a substituted or unsubstituted phenylene ring)

상기 i) 단계의 공비 열 이미드화법은 폴리아믹산 용액에 톨루엔 또는 자일렌을 첨가하고 교반하여 180~200℃에서 6~12시간 동안 이미드화 반응을 수행하는 것을 특징으로 한다.In the azeotropic thermal imidization of step i), toluene or xylene is added to the polyamic acid solution, and the mixture is stirred to perform imidization reaction at 180 to 200 ° C for 6 to 12 hours.

상기 iii) 단계의 열처리는 고순도의 불활성 가스 분위기에서 1~20℃/min의 승온 속도로 350~450℃까지 승온한 후 0.1~3시간 동안 등온 상태를 유지함으로써 수행되는 것을 특징으로 한다.The heat treatment in step iii) is performed by raising the temperature to 350 to 450 ° C at a rate of 1 to 20 ° C / min in an inert gas atmosphere of high purity, and then maintaining an isothermal state for 0.1 to 3 hours.

또한, 본 발명은 상기 제조방법에 의하여 제조된 배연가스 분리용 가교구조를 갖는 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 막을 제공한다.Further, the present invention provides a heat-converted poly (benzoxazole-imide) film having a crosslinked structure for separating flue gas produced by the above-mentioned production method.

상기 막은 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 갖는 것을 특징으로 한다.The film is characterized by having a repeating unit represented by the following formula (1).

<화학식 1>&Lt; Formula 1 >

Figure pat00003
Figure pat00003

(상기 화학식 1에서, Ar은 치환 또는 비치환된 4가의 탄소수 6 내지 24의 아릴렌기 및 치환 또는 비치환된 4가의 탄소수 4 내지 24의 복소환기에서 선택되는 방향족 고리기이고, 상기 방향족 고리기는 단독으로 존재하거나; 2개 이상이 서로 축합 고리를 형성하거나; 2개 이상이 단일결합, O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤P≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2 또는 CO-NH로 연결되어 있고,Wherein Ar is an aromatic ring group selected from a substituted or unsubstituted quadrivalent arylene group having 6 to 24 carbon atoms and a substituted or unsubstituted quadrivalent heterocyclic group having 4 to 24 carbon atoms, Or two or more of them form a condensed ring or two or more of them are single bonds, O, S, CO, SO 2 , Si (CH 3 ) 2 , (CH 2 ) p (1 ≤ P ≤ 10) , (CF 2 ) q ( 1 ? Q ? 10), C (CH 3 ) 2 , C (CF 3 ) 2 or CO-

Q는 단일결합이거나; O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤P≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2, CO-NH, C(CH3)(CF3), 또는 치환 또는 비치환된 페닐렌기이며,Q is a single bond; O, S, CO, SO 2 , Si (CH 3) 2, (CH 2) p (1≤P≤10), (CF 2) q (1≤q≤10), C (CH 3) 2, C (CF 3) 2, and CO-NH, C (CH 3 ) (CF 3), or a substituted or unsubstituted phenylene ring,

x, y는 각각 반복단위 내 몰분율로서 0.75≤x≤0.975, 0.025≤y≤0.25 이고, x+y=1 이다)x and y are molar ratios in the repeating unit, 0.75? x? 0.975, 0.025? y? 0.25, and x + y =

상기 막은 면간 거리(d-spacing)가 0.62~0.67 nm인 것을 특징으로 한다.It characterized in that said film interplanar distance (d -spacing) of 0.62 ~ 0.67 nm.

상기 막은 밀도가 1.36~1.43 g/cm3인 것을 특징으로 한다.Wherein the film has a density of 1.36 to 1.43 g / cm &lt; 3 &gt;.

상기 막은 d3 평균 기공 직경이 4.0 Å이고, d4 평균 기공 직경이 8.6 Å인 것을 특징으로 한다.The membrane is characterized in that the d 3 average pore diameter is 4.0 Å and the d 4 average pore diameter is 8.6 Å.

본 발명에 따르면, 가교구조를 형성하기 위한 화학적 방법 및 UV 조사 등의 복잡한 공정을 거치지 않고서도 단지 열처리만으로 배연가스 분리용 가교구조를 갖는 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 막을 제조할 수 있으며, 그에 의하여 제조되는 배연가스 분리용 막은 투과도 및 선택도가 우수할 뿐만 아니라 제조공정이 간단하여 대량생산에 의한 상업화가 가능하다.According to the present invention, a heat-converting poly (benzoxazole-imide) film having a cross-linking structure for flue gas separation can be produced only by a chemical process for forming a cross-linking structure and a complicated process such as UV irradiation For the separation of flue gas produced thereby The membrane is not only excellent in transparency and selectivity, but also has a simple manufacturing process and can be commercialized by mass production.

도 1은 합성예 4에 따라 합성된 HPIDABA-15의 1H-NMR 스펙트럼.
도 2는 제막예 4 내지 6에 따라 얻어진 HPIDABA-15, HPIDABA-20 및 HPIDABA-25 막의 ATR-FTIR 스펙트럼.
도 3은 실시예 2 내지 6에 따라 제조된 가교구조를 갖는 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 막의 ATR-FTIR 스펙트럼
도 4는 제막예 6에 따라 얻어진 HPIDABA-25 막의 열중량 감소 특성을 나타낸 열중량분석-질량분석(TG-MS) 그래프.
도 5는 각각 제막예 2 및 6에 따라 얻어진 HPIDABA-5 및 HPIDABA-25, 참고예 1에 따라 제막된 HPI, 참고예 2에 따라 제막된 HPIMPD-5의 TGA 및 DTG 그래프.
1 is a 1 H-NMR spectrum of HPIDABA-15 synthesized according to Synthesis Example 4. Fig.
2 is an ATR-FTIR spectrum of HPIDABA-15, HPIDABA-20 and HPIDABA-25 membranes obtained according to Formulation Examples 4 to 6. FIG.
FIG. 3 is a graph showing the ATR-FTIR spectra of heat-converted poly (benzoxazole-imide) copolymer membranes having crosslinked structures prepared according to Examples 2 to 6
4 is a thermogravimetric-mass spectrometry (TG-MS) graph showing the thermogravimetric reduction characteristics of the HPIDABA-25 membrane obtained according to Formulation Example 6. Fig.
5 is a TGA and DTG graph of HPIDABA-5 and HPIDABA-25 obtained according to Formulation Examples 2 and 6, HPI formed according to Reference Example 1 and HPIMPD-5 prepared according to Reference Example 2, respectively.

본 발명에 따른 배연가스는 탄화수소연료의 부분 또는 완전 연소로부터 배출되는 기체를 의미하는 것으로서, 주로 이산화탄소, 수증기 및 질소를 포함하고, 일부의 경우에 있어서는 하나 이상의 수소, 산소, 일산화탄소와 더불어 지구의 환경변화에 영향을 끼칠 여지가 있는 질소산화물, 황산화물 및 미세입자 물질을 함유하는 미량의 오염물질로 정의하며, 본 발명에서는 이러한 배연가스 분리용 막의 제조방법 및 그에 의하여 제조되는 배연가스 분리용 막을 제공하는 것이다.The flue gas according to the present invention means a gas discharged from a part of the hydrocarbon fuel or from the complete combustion, and includes mainly carbon dioxide, water vapor and nitrogen, and in some cases, at least one hydrogen, oxygen, carbon monoxide, Sulfur oxides and fine particulate matter which are likely to be influenced by the exhaust gas. In the present invention, a method for producing such a flue gas separation membrane and a membrane for separating the flue gas produced thereby are provided will be.

본 발명에 따라 제조되는 가교구조를 갖는 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 기체분리막은 산이무수물과 디아민을 반응시켜 얻은 폴리아믹산을 이미드화 시킴으로써 제조되는 폴리이미드의 합성을 기본으로 한다. 게다가 단지 열처리만으로 고분자 사슬 간에 가교구조를 갖기 위해서는 반복단위 내에 카르복실산과 같은 작용기를 가져야 한다. 또한, 이러한 열처리 과정에서 폴리이미드로부터 폴리벤즈옥사졸로 그 구조가 전환되는 것은 방향족 이미드 연결고리의 오르쏘-위치에 있는 히드록시기와 같은 작용기가 이미드 고리의 카르보닐기를 공격하여 카르복시-벤즈옥사졸 구조의 중간체를 형성한 후, 이어지는 열전환에 의하여 탈카르복시화(decarboxylation)함으로써 합성되는 것인바, 본 발명에서는 하기와 같은 간단한 공정을 거쳐 배연가스 분리용 가교구조를 갖는 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 막을 제조한다.The heat-converted poly (benzoxazole-imide) gas separation membrane having a crosslinked structure produced according to the present invention is based on the synthesis of polyimide prepared by imidizing a polyamic acid obtained by reacting an acid dianhydride with an anhydride. Furthermore, in order to have a cross-linking structure between polymer chains only by heat treatment, it is necessary to have a functional group such as a carboxylic acid in a repeating unit. Also, in the heat treatment process, the structure of polybenzoxazole is changed from polyimide to polyimide because the functional group such as a hydroxyl group at the ortho position of the aromatic imide linkage attacks the carbonyl group of the imide ring to form a carboxy-benzoxazole structure And then decarboxylation by subsequent thermal conversion. In the present invention, a thermally converting poly (benzoxazole-butadiene-styrene copolymer) having a cross-linking structure for flue gas separation is produced through a simple process as described below. Imide) film.

즉, 본 발명에서는 i) 산이무수물, 오르쏘-히드록시 디아민 및 공단량체로서 3, 5-디아미노벤조산을 반응시켜 폴리아믹산 용액을 얻은 후, 공비 열 이미드화법에 의하여 카르복실산을 갖는 오르쏘-히드록시 폴리이미드 공중합체를 합성하는 단계;That is, in the present invention, i) a polyamic acid solution is obtained by reacting acid dianhydride, ortho-hydroxydiamine and 3, 5-diaminobenzoic acid as a comonomer, followed by azide thermal imidization, Synthesizing a saw-hydroxy polyimide copolymer;

ii) 상기 i) 단계에서 합성한 카르복실산을 갖는 오르쏘-히드록시 폴리이미드공중합체를 유기용매에 녹이고 캐스팅하여 제막하는 단계; 및ii) forming an ortho-hydroxypolyimide copolymer having a carboxylic acid synthesized in the step i) in an organic solvent and casting it; And

iii) 상기 ii) 단계에서 얻어진 막을 열처리하는 단계;를 포함하는 배연가스 분리용 가교구조를 갖는 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 막의 제조방법을 제공한다.and iii) heat-treating the film obtained in the step ii). The present invention also provides a method for producing a heat-converted poly (benzoxazole-imide) film having a crosslinked structure for separating flue gas.

통상 폴리이미드를 합성하기 위해서는 먼저 산이무수물과 디아민을 반응시켜 폴리아믹산을 얻어야 하는바, 본 발명에서도 산이무수물로서 하기 일반식 1로 표시되는 화합물을 사용한다. Generally, in order to synthesize polyimide, a polyamic acid is to be obtained by first reacting an acid dianhydride with a diamine. In the present invention, a compound represented by the following Formula 1 is used as an acid anhydride.

<일반식 1>&Lt; General Formula 1 &

Figure pat00004
Figure pat00004

(상기 일반식 1에서, Ar은 치환 또는 비치환된 4가의 탄소수 6 내지 24의 아릴렌기 및 치환 또는 비치환된 4가의 탄소수 4 내지 24의 복소환기에서 선택되는 방향족 고리기이고, 상기 방향족 고리기는 단독으로 존재하거나; 2개 이상이 서로 축합 고리를 형성하거나; 2개 이상이 단일결합, O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤P≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2 또는 CO-NH로 연결되어 있다)(In the above general formula (1), Ar is an aromatic ring group selected from a substituted or unsubstituted quadrivalent arylene group having 6 to 24 carbon atoms and a substituted or unsubstituted quadrivalent heterocyclic group having 4 to 24 carbon atoms, and the aromatic ring group is O, S, CO, SO 2 , Si (CH 3 ) 2 , (CH 2 ) p (1 ≦ P10 ), or two or more of them form a condensed ring; ), (CF 2 ) q ( 1 ? Q ? 10), C (CH 3 ) 2 , C (CF 3 ) 2 or CO-

폴리이미드를 합성하기 위한 단량체로서 산이무수물은 상기 일반식 1에서 정의한 바와 같은 것이라면 어느 것이든지 제한 없이 사용할 수 있으나, 합성되는 폴리이미드의 열적, 화학적 특성을 더욱 향상시킬 수 있는 점을 고려하여 불소기를 갖고 있는 4,4'-헥사플루오로이소프로필리덴프탈산이무수물(6FDA)을 사용하는 것이 바람직하다.As the monomers for synthesizing the polyimide, any of the acid anhydrides may be used as long as they are as defined in the general formula 1. However, considering the fact that the thermal and chemical properties of the polyimide synthesized can be further improved, Hexafluoroisopropylidene phthalic acid dianhydride (6FDA) is preferably used.

또한, 본 발명에서는 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 구조를 갖기 위하여, 오르쏘-히드록시 폴리이미드를 열전환하면 폴리벤즈옥사졸 단위를 도입할 수 있음에 착안하여 오르쏘-히드록시 폴리이미드를 합성하고자 오르쏘-히드록시 디아민으로서는 하기 일반식 2로 표시되는 화합물을 사용한다.Further, in the present invention, in order to have a poly (benzoxazole-imide) copolymer structure, attention has been paid to the fact that polybenzoxazole units can be introduced by heat conversion of ortho-hydroxy polyimide, As the ortho-hydroxydiamine, a compound represented by the following general formula 2 is used to synthesize polyimide.

<일반식 2>&Lt; General Formula 2 &

Figure pat00005
Figure pat00005

(상기 일반식 2에서, Q는 단일결합이거나; O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤P≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2, CO-NH, C(CH3)(CF3), 또는 치환 또는 비치환된 페닐렌기이다)(Wherein Q is a single bond or O, S, CO, SO 2 , Si (CH 3 ) 2 , (CH 2 ) p (1 ≦ P ≦ 10), (CF 2 ) q q≤10), C (CH 3) 2, C (CF 3) 2, is CO-NH, C (CH 3 ) (CF 3), or a substituted or unsubstituted phenylene ring)

오르쏘-히드록시 디아민으로서는 상기 일반식 2에서 정의한 바와 같은 것이라면 어느 것이든지 제한 없이 사용할 수 있으나, 합성되는 폴리이미드의 열적, 화학적 특성을 더욱 향상시킬 수 있는 점을 고려하여 불소기를 갖고 있는 2,2-비스(3-아미노-4-히드록시페닐)헥사플루오로프로판(bisAPAF)을 사용하는 것이 더욱 바람직하다.As the ortho-hydroxydiamine, there can be used any of those as defined in the above-mentioned general formula 2. However, considering the fact that the thermal and chemical properties of the polyimide to be synthesized can be further improved, It is more preferable to use 2-bis (3-amino-4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane (bisAPAF).

아울러 본 발명에서는, 화학적 가교 또는 UV 조사 등의 복잡한 공정을 거치지 않고서도, 단지 간단한 열처리 공정만으로 고분자 사슬 간에 가교구조를 갖기 위해서는 반복단위 내에 카르복실산과 같은 작용기를 가져야 가능하므로, 공단량체로서 3, 5-디아미노벤조산을 사용하여 상기 일반식 1의 산이무수물 및 일반식 2의 오르쏘-히드록시 다아민과 함께 반응시킴으로써 카르복실산을 갖는 오르쏘-히드록시 폴리이미드 공중합체를 합성할 수 있다.In the present invention, since it is necessary to have a functional group such as carboxylic acid in the repeating unit in order to have a cross-linking structure between polymer chains only by a simple heat treatment process without going through a complicated process such as chemical crosslinking or UV irradiation, Diamino benzoic acid is reacted with the acid anhydride of the general formula 1 and the ortho-hydroxydaamine of the general formula 2 to synthesize an ortho-hydroxy polyimide copolymer having a carboxylic acid .

즉, 상기 i) 단계에서는 일반식 1의 산이무수물, 일반식 2의 오르쏘-히드록시 다아민 및 3, 5-디아미노벤조산을 N-메틸피롤리돈(NMP)과 같은 유기용매에 용해 및 교반하여 폴리아믹산 용액을 얻은 후, 공비 열 이미드화법(azeotropic thermal imidization)에 의하여 하기 일반식 3으로 표시되는 카르복실산을 갖는 오르쏘-히드록시 폴리이미드 공중합체를 합성한다.That is, in the step i), the acid dianhydride of the general formula 1, the ortho-hydroxydaramine of the general formula 2 and the 3,5-diaminobenzoic acid are dissolved in an organic solvent such as N-methylpyrrolidone (NMP) Followed by stirring to obtain a polyamic acid solution. Then, an ortho-hydroxypolyimide copolymer having a carboxylic acid represented by the following general formula (3) is synthesized by azeotropic thermal imidization.

<일반식 3>&Lt; General Formula 3 &

Figure pat00006
Figure pat00006

(상기 일반식 3에서, Ar, Q는 각각 일반식 1 및 2에서 정의한 바와 같고, x, y는 각각 반복단위 내 몰분율로서 0.75≤x≤0.975, 0.025≤y≤0.25 이고, x+y=1 이다)(In the above general formula 3, Ar and Q are as defined in the general formulas 1 and 2, respectively, and x and y are respectively 0.75? X? 0.975 and 0.025? Y? 0.25 and x + y = 1 to be)

이때, 공비 열 이미드화법은 폴리아믹산 용액에 톨루엔 또는 자일렌을 첨가하고 교반하여 180~200℃에서 6~12시간 동안 이미드화 반응을 수행하게 되는데, 이 동안에 이미드 고리가 생성되면서 방출된 물은 톨루엔 또는 자일렌의 공비혼합물로서 분리된다.In the azeotropic thermal imidization, toluene or xylene is added to the polyamic acid solution, and the mixture is stirred at 180 to 200 ° C. for 6 to 12 hours to perform imidation reaction. During this period, Is separated as an azeotropic mixture of toluene or xylene.

이어서 ii) 단계로서, 일반식 3으로 표시되는 상기 i) 단계의 카르복실산을 갖는 오르쏘-히드록시 폴리이미드 공중합체를 N-메틸피롤리돈(NMP)과 같은 유기용매에 녹인 고분자용액을 유리판에 캐스팅하여 제막함으로써, 카르복실산을 갖는 오르쏘-히드록시 폴리이미드 공중합체 막을 얻는다.Next, as a step ii), a polymer solution in which an ortho-hydroxypolyimide copolymer having a carboxylic acid in the step i) represented by the general formula 3 is dissolved in an organic solvent such as N-methylpyrrolidone (NMP) Cast on a glass plate to form an ortho-hydroxypolyimide copolymer film having a carboxylic acid.

마지막으로, 상기 ii) 단계에서 얻어진 막을 단지 열처리함으로써 최종 목적물인 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 갖는 배연가스 분리용 가교구조의 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 막을 제조한다.Finally, the heat-converted poly (benzoxazole-imide) film of the bridged structure for separating flue gas having the repeating unit represented by the following formula (1), which is the final object, is prepared by simply heat-treating the film obtained in the step ii).

<화학식 1>&Lt; Formula 1 >

Figure pat00007
Figure pat00007

(상기 화학식 1에서, Ar은 치환 또는 비치환된 4가의 탄소수 6 내지 24의 아릴렌기 및 치환 또는 비치환된 4가의 탄소수 4 내지 24의 복소환기에서 선택되는 방향족 고리기이고, 상기 방향족 고리기는 단독으로 존재하거나; 2개 이상이 서로 축합 고리를 형성하거나; 2개 이상이 단일결합, O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤P≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2 또는 CO-NH로 연결되어 있고,Wherein Ar is an aromatic ring group selected from a substituted or unsubstituted quadrivalent arylene group having 6 to 24 carbon atoms and a substituted or unsubstituted quadrivalent heterocyclic group having 4 to 24 carbon atoms, Or two or more of them form a condensed ring or two or more of them are single bonds, O, S, CO, SO 2 , Si (CH 3 ) 2 , (CH 2 ) p (1 ≤ P ≤ 10) , (CF 2 ) q ( 1 ? Q ? 10), C (CH 3 ) 2 , C (CF 3 ) 2 or CO-

Q는 단일결합이거나; O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤P≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2, CO-NH, C(CH3)(CF3), 또는 치환 또는 비치환된 페닐렌기이며,Q is a single bond; O, S, CO, SO 2 , Si (CH 3) 2, (CH 2) p (1≤P≤10), (CF 2) q (1≤q≤10), C (CH 3) 2, C (CF 3) 2, and CO-NH, C (CH 3 ) (CF 3), or a substituted or unsubstituted phenylene ring,

x, y는 각각 반복단위 내 몰분율로서 0.75≤x≤0.975, 0.025≤y≤0.25 이고, x+y=1 이다)x and y are molar ratios in the repeating unit, 0.75? x? 0.975, 0.025? y? 0.25, and x + y =

상기 열처리는 고순도의 불활성 가스 분위기에서 1~20℃/min의 승온 속도로 350~450℃까지 승온한 후 0.1~3시간 동안 등온 상태를 유지함으로써 완성된다.The heat treatment is completed by maintaining an isothermal state for 0.1 to 3 hours after raising the temperature to 350 to 450 DEG C at a rate of 1 to 20 DEG C / min in an inert gas atmosphere of high purity.

이하에서는 본 발명에 따른 배연가스 분리용 가교구조를 갖는 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 막을 제조하기 위한 실시예를 도면과 함께 구체적으로 설명한다.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments for producing a heat-converted poly (benzoxazole-imide) film having a cross-linking structure for separating flue gas according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

[[ 합성예Synthetic example 1]  One] 카르복실산을Carboxylic acid 갖는  Have 오르쏘Ortho -히드록시 폴리이미드 공중합체의 합성- Synthesis of Hydroxypolyimide Copolymer

2,2-비스(3-아미노-4-히드록시페닐)헥사플루오로프로판(bisAPAF) 9.75 mmol 및 3,5-디아미노벤조산(DABA) 0.25 mmol을 무수 NMP 10ml에 용해시켜 0℃로 냉각하고, 여기에 무수 NMP 10ml에 용해시킨 4,4'-헥사플루오로이소프로필리덴프탈산이무수물(6FDA) 10 mmol을 첨가하였다. 이 반응 혼합물을 0℃에서 15분 교반한 다음 상온으로 승온하여 밤새 방치한 후, 폴리아믹산 점성 용액을 얻었다. 이어서 폴리아믹산 용액에 오르쏘-자일렌 20ml를 첨가한 후 강력하게 교반 및 가열하여 180℃에서 6시간 이미드화를 수행하였다. 이 과정에서 이미드 고리의 생성에 의해 방출된 물은 자일렌 공비혼합물로서 분리되었다. 이렇게 얻어진 갈색 용액을 상온으로 냉각, 증류슈에 침적, 온수로 수회 세척 및 120℃의 컨벡션 오븐에서 12시간 건조하는 일련의 과정을 거쳐 하기 화학식 2로 표시되는 카르복실산을 갖는 오르쏘-히드록시 폴리이미드 공중합체를 합성하였고, 이를 HPIDABA-2.5라고 명명하였다.9.75 mmol of 2,2-bis (3-amino-4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane (bisAPAF) and 0.25 mmol of 3,5-diaminobenzoic acid (DABA) were dissolved in 10 ml of anhydrous NMP, , 10 mmol of 4,4'-hexafluoroisopropylidene phthalic anhydride (6FDA) dissolved in 10 ml of anhydrous NMP was added thereto. The reaction mixture was stirred at 0 占 폚 for 15 minutes, then allowed to warm to room temperature and allowed to stand overnight to obtain a polyamic acid viscous solution. Next, 20 ml of ortho-xylene was added to the polyamic acid solution, followed by vigorous stirring and heating to carry out imidization at 180 ° C for 6 hours. In this process, the water released by the formation of the imide ring was isolated as the xylene azeotropic mixture. The thus obtained brown solution was cooled to room temperature, immersed in a distillation shoe, washed several times with hot water, and dried in a convection oven at 120 ° C. for 12 hours to obtain an ortho-hydroxy compound having a carboxylic acid represented by the following formula Polyimide copolymer was synthesized and named HPIDABA-2.5.

<화학식 2>(2)

Figure pat00008
Figure pat00008

상기 합성예 1로부터 화학식 2로 표시되는 카르복실산을 갖는 오르쏘-히드록시 폴리이미드 공중합체가 합성되었음을 다음과 같이 1H-NMR 및 FT-IR 데이터로 확인하였다. 1H-NMR(300 MHz, DMSO-d 6 , ppm): 13.50 (s,-COOH), 10.41 (s, -OH), 8.10 (d, Har, ℃J=8.0Hz), 7.92 (d, Har, J=8.0Hz), 7.85 (s, Har), 7.80 (s, Har), 7.71 (s, Har), 7.47 (s, Har), 7.20 (d, Har, J=8.3Hz), 7.04 (d, Har, J=8.3Hz). FT-IR (film) : v(O-H) at 3400 cm-1, v(C=O) at 1786 and 1716 cm-1, Ar (C-C) at 1619, 1519 cm-1, imide v(C-N) at 1377 cm-1, (C-F) at 1299-1135 cm-1, imide (C-N-C) at 1102 and 720 cm-1.
It was confirmed by 1 H-NMR and FT-IR data that the ortho-hydroxypolyimide copolymer having a carboxylic acid represented by the above-mentioned Synthesis Examples 1 to 2 was synthesized as follows. 1 H-NMR (300 MHz, DMSO- d 6, ppm): 13.50 (s, -COOH), 10.41 (s, -OH), 8.10 (d, H ar, ℃ J = 8.0Hz), 7.92 (d, H ar, J = 8.0Hz), 7.85 (s, H ar), 7.80 (s, H ar), 7.71 (s, H ar), 7.47 (s, H ar), 7.20 (d, H ar, J = 8.3 Hz), 7.04 (d, H ar , J = 8.3 Hz). FT-IR (film): v (OH) at 3400 cm -1 , v (C = O) at 1786 and 1716 cm -1 , Ar (CC) at 1619, 1519 cm -1 , imide v cm -1 , (CF) at 1299-1135 cm -1 , imide (CNC) at 1102 and 720 cm -1 .

[[ 합성예Synthetic example 2 내지 6]  2 to 6] 카르복실산을Carboxylic acid 갖는  Have 오르쏘Ortho -히드록시 폴리이미드 공중합체의 합성- Synthesis of Hydroxypolyimide Copolymer

또한, 상기 합성예 1의 반응물인 bisAPAF를 각각 9.5 mmol, 9.0 mmol, 8.5 mmol, 8.0 mmol, 7.5 mmol 및 DABA를 각각 0.5 mmol, 1.0 mmol, 1.5 mmol, 2.0 mmol, 2.5 mmol을 사용하여 반복단위 내 x, y의 몰분율이 다양한 카르복실산을 갖는 오르쏘-히드록시 폴리이미드 공중합체를 합성하였고, 이를 합성예 1과 같은 방식[HPIDABA-Y(Y는 반복단위 내에 도입된 DABA 디아민의 몰분율(percent), Y=5, 10, 15, 20, 25)]으로 명명하였다.
Also, 0.5 mmol, 1.0 mmol, 1.5 mmol, 2.0 mmol, and 2.5 mmol of bisAPAF, which is a reactant of Synthesis Example 1, were respectively used in the repeating units x and y were synthesized in the same manner as in Synthesis Example 1 [HPIDABA-Y (Y represents the mole fraction of DABA diamine introduced into the repeating unit (percent ), Y = 5, 10, 15, 20, 25).

[[ 제막예Coating Example 1 내지 6]  1 to 6] 카르복실산을Carboxylic acid 갖는  Have 오르쏘Ortho -히드록시 폴리이미드 공중합체 막의 제조- Preparation of Hydroxypolyimide Copolymer Membrane

합성예 1 내지 6으로부터 합성된 HPIDABA-Y(Y=2.5, 5, 10, 15, 20, 25)를 NMP에 녹여 15 중량%의 용액을 준비한 후 유리판에 캐스팅하였다. 이를 진공 오븐에 넣고 100℃, 150℃, 200℃ 및 250℃에서 각각 한 시간 동안 유지하면서 잔류 NMP를 증발시키고 건조하여 카르복실산을 갖는 오르쏘-히드록시 폴리이미드 공중합체 막을 얻었으며, 이를 합성예 1 내지 6과 같은 방식으로 명명하였다.
HPIDABA-Y (Y = 2.5, 5, 10, 15, 20, 25) synthesized from Synthesis Examples 1 to 6 was dissolved in NMP to prepare a 15 wt% solution and cast on a glass plate. This was placed in a vacuum oven and the remaining NMP was evaporated and maintained at 100 ° C, 150 ° C, 200 ° C and 250 ° C for one hour, respectively, to obtain an ortho-hydroxypolyimide copolymer membrane having carboxylic acid, It was named in the same manner as in Examples 1 to 6.

[[ 실시예Example 1 내지 6]  1 to 6] 가교구조를Cross-linking structure 갖는  Have 열전환Thermal Conversion 폴리Poly (( 벤즈옥사졸Benzoxazole -- 이미드Imide ) 공중합체 막의 제조) Copolymer film

제막예 1 내지 6으로부터 얻어진 결함이 없는 필름을 3 cm x 3 cm 크기로 잘라 머플로에서 온도 상승에 따른 필름의 변형을 방지하기 위하여 석영판 사이에 두었다. 샘플을 고순도의 아르곤 가스 분위기에서 5℃/min의 승온 속도로 450℃까지 승온한 후 1시간 동안 등온 상태를 유지하였다. 열처리 후, 머플로를 10℃/min 미만의 냉각속도로 서서히 상온으로 냉각하여 화학식 3으로 표시되는 가교구조를 갖는 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 막을 제조하였으며, 이를 각각 PBODABA-Y(Y=2.5, 5, 10, 15, 20, 25)라고 명명하였다.The defect-free film obtained from Film Formation Examples 1 to 6 was cut to a size of 3 cm x 3 cm and placed between quartz plates to prevent deformation of the film due to temperature rise in the muffle furnace. The sample was heated to 450 DEG C at a heating rate of 5 DEG C / min in a high-purity argon gas atmosphere, and maintained in an isothermal state for 1 hour. After the heat treatment, the muffle furnace was gradually cooled to room temperature at a cooling rate of less than 10 ° C / min to prepare a thermally-converting poly (benzoxazole-imide) copolymer film having a crosslinked structure represented by Chemical Formula 3. The PBODABA- Y (Y = 2.5, 5, 10, 15, 20, 25).

<화학식 3>(3)

Figure pat00009
Figure pat00009

상기 화학식 3에서 x, y는 각각 x=0.975, 0.95, 0.9, 0.85, 0.8, 0.75 및 y=0.025, 0.05, 0.1, 0.15, 0.2, 0.25이다.
X and y in the formula 3 are x = 0.975, 0.95, 0.9, 0.85, 0.8, 0.75 and y = 0.025, 0.05, 0.1, 0.15, 0.2 and 0.25, respectively.

[[ 참고예Reference example 1]  One] 카르복실산을Carboxylic acid 갖지 않는  Do not have 오르쏘Ortho -히드록시 폴리이미드 단일중합체 막의 제조- Preparation of Hydroxypolyimide Homopolymer Membrane

반응물로서 DABA를 사용하지 않고, bisAPAF 10 mmol 및 6FDA 10 mmol만을 사용한 것을 제외하고는 합성예 1과 동일한 방법으로 카르복실산을 갖지 않는 오르쏘-히드록시 폴리이미드 단일중합체를 합성하였고, 이어서 제막예 1에 따라 막을 얻었으며, 이를 HPI라고 명명하였다.
An ortho-hydroxypolyimide homopolymer having no carboxylic acid was synthesized in the same manner as in Synthesis Example 1, except that 10 mmol of bisAPAF and 10 mmol of 6FDA were used instead of DABA as a reactant, 1, which was named HPI.

[[ 참고예Reference example 2]  2] 카르복실산을Carboxylic acid 갖지 않는  Do not have 오르쏘Ortho -히드록시 폴리이미드 공중합체 막의 제조- Preparation of Hydroxypolyimide Copolymer Membrane

반응물로서 DABA를 사용하지 않고, bisAPAF 9.5 mmol, 메타-페닐렌디아민 0.5 mmol 및 6FDA 10 mmol만을 사용한 것을 제외하고는 합성예 1과 동일한 방법으로 카르복실산을 갖지 않는 오르쏘-히드록시 폴리이미드 공중합체를 합성하였고, 이어서 제막예 1에 따라 막을 얻었으며, 이를 HPIMPD-5라고 명명하였다.
Hydroxypolyamide having no carboxylic acid was obtained in the same manner as in Synthesis Example 1, except that 9.5 mmol of bisAPAF, 0.5 mmol of meta-phenylenediamine and 10 mmol of 6FDA were used instead of DABA as a reactant. And then a membrane was obtained according to Formulation Example 1, which was named HPIMPD-5.

[[ 비교예Comparative Example ] ] 가교구조를Cross-linking structure 갖지 않는  Do not have 열전환Thermal Conversion 폴리Poly (( 벤즈옥사졸Benzoxazole -- 이미드Imide ) 공중합체 막의 제조) Copolymer film

참고예 2로부터 얻어진 HPIMPD-5를 실시예 1과 동일한 방법으로 열처리하여 가교구조를 갖지 않는 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 막을 제조하였고, 이를 PBOMPD-5라고 명명하였다.
HPIMPD-5 obtained from Reference Example 2 was heat-treated in the same manner as in Example 1 to prepare a heat-converted poly (benzoxazole-imide) copolymer film having no crosslinked structure, which was named PBOMPD-5.

도 1에는 본 발명에 따른 카르복실산을 갖는 오르쏘-히드록시 폴리이미드 공중합체의 합성예들 중에서 합성예 4로부터 합성된 카르복실산을 갖는 오르쏘-히드록시 폴리이미드 공중합체의 1H-NMR 스펙트럼을 나타내었다. 도 1의 1H-NMR 스펙트럼으로부터 확인할 수 있는 반복단위 내 수소의 특성 피크로부터 카르복실산을 갖는 오르쏘-히드록시 폴리이미드 공중합체가 합성되었음을 알 수 있다.1 shows the synthesis of an ortho-hydroxypolyimide copolymer having carboxylic acid according to the present invention, and a 1 H- NMR spectrum. From the characteristic peak of hydrogen in the repeating unit, which can be confirmed from the 1 H-NMR spectrum of FIG. 1, it can be seen that an ortho-hydroxypolyimide copolymer having a carboxylic acid was synthesized.

도 2에는 본 발명에 따른 카르복실산을 갖는 오르쏘-히드록시 폴리이미드 공중합체 막의 제막예들 중에서 제막예 4 내지 6에 따라 얻어진 HPIDABA-15, HPIDABA-20 및 HPIDABA-25의 ATR-FTIR 스펙트럼을 나타내었다. 도 2에서 보는 바와 같이 3400 cm-1 부근에서 O-H에 기인하는 넓은 영역의 스트레칭 바이브레이션 피크, 1786 cm-1 및 1716 cm-1에서의 C=O 스트레칭 바이브레이션 피크, 1619 cm-1 및 1519 cm -1에서의 방향족 C-C 흡수 피크, 1377 cm-1 부근에서 이미드기의 C-N 스트레칭 바이브레이션 피크, 1299-1135 cm-1에서의 C-F 흡수 피크, 1102 cm-1 부근에서 이미드기의 C-N-C 흡수 피크와 같은 특성 피크가 확인되어 카르복실산을 갖는 오르쏘-히드록시 폴리이미드 공중합체 막이 얻어졌음을 알 수 있다.2 shows the ATR-FTIR spectra of HPIDABA-15, HPIDABA-20 and HPIDABA-25 obtained according to Formulation Examples 4 to 6 among the film formulations of ortho-hydroxypolyimide copolymer membranes having a carboxylic acid according to the present invention Respectively. As shown in FIG. 2, broad stretching vibration peaks due to OH at around 3400 cm -1 , C = O stretching vibration peaks at 1786 cm -1 and 1716 cm -1 , 1619 cm -1 and 1519 cm -1 An aromatic CC absorption peak at 1377 cm -1 , a CN stretching vibration peak at imide, a CF absorption peak at 1299-1135 cm -1 , and a characteristic peak such as a CNC absorption peak of imide near 1102 cm -1 It was confirmed that an ortho-hydroxypolyimide copolymer film having a carboxylic acid was obtained.

도 3에는 본 발명의 실시예 2 내지 6의 제조방법에 따라 단지 열처리만으로 가교구조를 가짐과 동시에, 열전환된 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 막과 통상의 폴리벤즈옥사졸 막(PBO)의 ATR-FTIR 스펙트럼을 나타내었다. 3400 cm-1 부근에서 나타나는 O-H 스트레칭 피크가 사라지고, 1476 cm-1 및 1014 cm-1 부근에서 전형적인 벤즈옥사졸 고리에 기인하는 두 개의 뚜렷한 피크가 나타난 것으로 보아 열처리 과정에서 벤즈옥사졸 고리가 형성되었음을 알 수 있었다. 게다가 이미드기 고유의 흡수 밴드도 발견되어 450℃에 이르는 열처리 온도에서도 방향족 이미드 연결고리의 열적 안정성을 확인할 수 있었다.3 shows a cross-sectional structure of a thermally-converted poly (benzoxazole-imide) copolymer film and a conventional polybenzoxazole film (FIG. 3) in accordance with the manufacturing methods of Examples 2 to 6 of the present invention, PBO). &Lt; tb &gt;&lt; TABLE &gt; The OH stretching peak appearing at around 3400 cm -1 disappears, and two distinct peaks due to the typical benzoxazole ring appear at about 1476 cm -1 and 1014 cm -1 , indicating that the benzoxazole ring was formed during the heat treatment Could know. In addition, the inherent absorption band of the imide was also found, and the thermal stability of the aromatic imide linkage was confirmed even at the heat treatment temperature up to 450 ° C.

또한, 하기 표 1에는 제막예 1 내지 6, 실시예 1 내지 6, 참고예 2 및 비교예에 따라 제조된 샘플의 밀도와 면간 거리(d-spacing)를 나타내었는바, 실시예 1 내지 6에 따라 가교구조를 갖는 열전환된 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 막의 면간 거리는 0.62~0.67 nm로서, 제막예 1 내지 6에 따라 열전환되기 전의 히드록시 폴리이미드 공중합체 막의 면간 거리(0.54~0.57 nm), 참고예 2에 따라 DABA를 포함하지 않는 열전환되기 전의 히드록시 폴리이미드 공중합체 막의 면간 거리(0.53 nm) 및 비교예에 따라 가교구조를 갖지 않는 열전환된 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 막의 면간 거리(0.59 nm)에 비하여 더 길어, 평균 사슬간 거리가 현저히 증가하였음을 쉽게 알 수 있고, 이는 열전환된 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 막의 밀도가 1.38~1.43 g/cm3로서, 열전환되기 전의 히드록시 폴리이미드 공중합체 막의 밀도(1.50~1.52 g/cm3)에 비하여 많이 감소한 사실과도 부합되는 결과이다.In Table 1, densities and interplanar spacings ( d- spacings) of the samples prepared according to Formulation Examples 1 to 6, Examples 1 to 6, Reference Example 2 and Comparative Examples are shown. The interplanar distance of the thermally-converted poly (benzoxazole-imide) copolymer film having a crosslinked structure was 0.62 to 0.67 nm, and the interplanar distance (0.54 (m)) of the hydroxypolyimide copolymer film before heat conversion according to Formulation Examples 1 to 6 To 0.57 nm), the interplanar distance (0.53 nm) of the hydroxypolyimide copolymer film before thermal conversion without DABA according to Reference Example 2, and the heat-converted poly (benzoxazole -Imide) copolymer film is longer than the interplanar distance (0.59 nm) of the copolymer film, it is easy to see that the average interchain distance is remarkably increased. This is because the density of the thermally converted poly (benzoxazole-imide) 1.38 ~ 1.43 as g / cm 3, before the thermal conversion Hydroxy polyimide is much reduced as a result in fact to be also consistent as compared to the copolymer film density (1.50 ~ 1.52 g / cm 3 ).

샘플Sample 밀도(g/cm3)Density (g / cm 3) d-spacing(nm) d- spacing (nm) HPIDABA-2.5HPIDABA-2.5 1.511.51 0.540.54 HPIDABA-5HPIDABA-5 1.521.52 0.550.55 HPIDABA-10HPIDABA-10 1.511.51 0.550.55 HPIDABA-15HPIDABA-15 1.511.51 0.540.54 HPIDABA-20HPIDABA-20 1.521.52 0.570.57 HPIDABA-25HPIDABA-25 1.501.50 0.550.55 PBODABA-2.5PBODABA-2.5 1.411.41 0.620.62 PBODABA-5PBODABA-5 1.421.42 0.620.62 PBODABA-10PBODABA-10 1.401.40 0.660.66 PBODABA-15PBODABA-15 1.381.38 0.670.67 PBODABA-20PBODABA-20 1.381.38 0.660.66 PBODABA-25PBODABA-25 1.431.43 0.650.65 HPIMPD-5HPIMPD-5 1.501.50 0.530.53 PBOMPD-5PBOMPD-5 1.451.45 0.590.59

따라서 본 발명에 따라 제조된 가교구조를 갖는 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 막은 고분자 사슬이 덜 패킹되고, 더 많은 공간을 갖는 구조를 가지므로 작은 분자들이 투과 및 확산될 수 있는 여지가 충분하여 기체분리막으로 사용될 수 있는 것이다.Therefore, the thermally-converting poly (benzoxazole-imide) copolymer membrane prepared according to the present invention has a structure in which the polymer chains are less packed and have a larger space, so that small molecules can permeate and diffuse It can be used as a gas separation membrane because of sufficient space.

또한, 본 발명의 제막예 2 및 6에 따른 HPIDABA-5 및 HPIDABA-25, 참고예 1 및 2에 따른 HPI 및 HPIMPD-5로부터 열전환 폴리벤즈옥사졸이 제조되는 과정에서의 탈카르복실화(decarboxylation)에 따른 중량 감소를 열중량분석기(TGA)로 시험하여 도 4 및 도 5에 그 결과를 나타내었고, 유리전이온도의 변화를 포함한 기타 열적 특성은 표 2에 나타내었다.In addition, decarboxylation in the course of preparing heat-converted polybenzoxazole from HPIDABA-5 and HPIDABA-25 according to Formulation Examples 2 and 6 of the present invention, HPI and HPIMPD-5 according to Reference Examples 1 and 2 decarboxylation was tested with a thermogravimetric analyzer (TGA). The results are shown in FIGS. 4 and 5, and other thermal properties including changes in glass transition temperature are shown in Table 2.

도 4 에서 고분자 사슬의 일반적인 분해온도인 500~600℃ 이전에 370~450℃에서 뚜렷한 중량 감소 피크를 볼 수 있는데, 이러한 최초의 중량 감소 단계 동안에 CO2가 방출되는 것이 질량분석기에 의하여 입증되며, 열전환 공정이 수반되는 것임을 의미한다. 또한, 도 5로부터는 열전환 온도가 가교도에 따른 고분자 사슬의 유동성에 의하여 영향을 받는 것임을 확실히 알 수 있으며, 이는 표 2에 나타낸 바와 같은 유리전이온도의 변화와 PBO로의 최대 열전환율에서의 온도 변화 경향으로부터도 확인된다.In Figure 4, there is a pronounced weight loss peak at 370-450 ° C. prior to the typical decomposition temperature of the polymer chain, 500-600 ° C. The release of CO 2 during this initial weight loss phase is evidenced by a mass spectrometer, Which means that a thermal conversion process is involved. From FIG. 5, it can be clearly seen that the heat conversion temperature is influenced by the fluidity of the polymer chain depending on the degree of crosslinking. This is because the glass transition temperature changes as shown in Table 2 and the temperature change It is also confirmed from the tendency.

샘플Sample Tga
(℃)
Tg a
(° C)
TTR b
(℃)
T TR b
(° C)
DABA CO2
중량감소c(%)
DABA CO 2
Weight reduction c (%)
열전환 공정 CO2
중량감소d(%)
Thermal Conversion Process CO 2
Weight reduction d (%)
전체 CO2
중량감소d(%)
Total CO 2
Weight reduction d (%)
전체 CO2
중량감소e(%)
Total CO 2
Weight reduction e (%)
HPIHPI 300300 407407 -- 11.3611.36 11.3611.36 11.2511.25 HPIDABA-2.5HPIDABA-2.5 308308 410410 0.200.20 11.0811.08 11.2811.28 11.0411.04 HPIDABA-5HPIDABA-5 305305 417417 0.390.39 10.7910.79 11.1811.18 11.0411.04 HPIDABA-10HPIDABA-10 313313 426426 0.780.78 10.2210.22 11.0011.00 8.988.98 HPIDABA-15HPIDABA-15 314314 430430 1.181.18 9.669.66 10.8410.84 8.878.87 HPIDABA-20HPIDABA-20 314314 423423 1.571.57 9.099.09 10.6610.66 9.989.98 HPIDABA-25HPIDABA-25 300300 429429 1.961.96 8.528.52 10.4810.48 8.808.80 HPIMPD-5HPIMPD-5 280280 400400 -- 10.7910.79 10.7910.79 10.7810.78

a 질소분위기하에서 20/min의 승온 속도로 DSC 2차 스캔한 흡열 전이의 중간점 a midpoint of the endothermic transition DSC secondary scan at a heating rate of 20 / min under a nitrogen atmosphere

b 최대 중량 감소점 또는 PBO로의 최대 열전환율에서의 온도 b Temperature at the maximum weight reduction point or maximum heat transfer rate to the PBO

c DABA 카르복실산의 제거에 상응하는 CO2 중량 감소의 이론값 c Theoretical value of CO 2 weight loss corresponding to removal of DABA carboxylic acid

d 열전환반응에 상응하는 CO2 중량 감소의 이론값 d theoretical value of the CO 2 weight loss corresponding to the thermal conversion reaction

e TGA에 의한 최초 단계에 상응하는 CO2 중량 감소의 실험값
e Experimental value of CO 2 weight loss corresponding to the initial stage by TGA

또한, 본 발명의 실시예 1 내지 6에 따라 제조된 가교구조를 갖는 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 막 PBODABA-Y 중에서 PBODABA-5, PBODABA-10, PBODABA-15, PBODABA-20, PBODABA-25, 및 비교예에 따라 제조된 가교구조를 갖지 않는 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 막 PBOMPD-5의 자유 부피 크기와 분포를 정량분석하기 위하여 양전자 소멸 수명 분석기(PALS : positron annihilation lifetime spectroscopy)를 이용하였고, 그 결과를 표 3에 나타내었다.PBODABA-5, PBODABA-10, PBODABA-15 and PBODABA-5 in a heat-converted poly (benzoxazole-imide) copolymer film PBODABA-Y having crosslinked structures prepared according to Examples 1 to 6 of the present invention, To quantitatively analyze the free volume and distribution of PBOMPD-5, a thermally-transforming poly (benzoxazole-imide) copolymer membrane prepared according to Comparative Example 20, PBODABA-25 and no crosslinked structure, a positron decay lifetime analyzer (PALS: positron annihilation lifetime spectroscopy). The results are shown in Table 3.

샘플Sample τ3
(ns)
τ 3
(ns)
I3
(%)
I 3
(%)
τ4
(ns)
τ 4
(ns)
I4
(%)
I 4
(%)
기공
직경
d3(Å)
pore
diameter
d 3 (A)
기공
직경
d4(Å)
pore
diameter
d 4 (A)
PBOMPD-5PBOMPD-5 1.118±0.1441.118 + 0.144 7.223±0.9367.223 + - 0.936 3.750±0.0463.750 + 0.046 12.987±0.36912.987 + 0.369 3.69±
0.86
3.69 ±
0.86
8.20±0.118.20 0.11
PBODABA-5PBODABA-5 1.097±0.1121.097 + - 0.112 7.040±0.8137.040 + - 0.813 4.034±0.0414.034 + 0.041 12.316±0.74612.316 + 0.746 3.63±
0.68
3.63 ±
0.68
8.52±0.098.52 ± 0.09
PBODABA-10PBODABA-10 1.073±0.0541.073 + - 0.054 6.165±0.4166.165 + 0.416 4.146±0.0304.146 + 0.030 10.342±0.09710.342 + 0.097 3.55±
0.33
3.55 ±
0.33
8.64±0.068.64 ± 0.06
PBODABA-15PBODABA-15 1.194±0.0531.194 + 0.053 6.655±0.7336.655 ± 0.733 4.332±0.0114.332 + 0.011 11.942±0.38711.942 + 0.387 3.91±
0.30
3.91 ±
0.30
8.84±0.028.84 ± 0.02
PBODABA-20PBODABA-20 1.155±0.1071.155 + 0.107 6.689±0.7706.689 ± 0.770 4.198±0.0564.198 ± 0.056 10.919±0.33210.919 ± 0.332 3.80±
0.62
3.80
0.62
8.69±0.128.69 ± 0.12
PBODABA-25PBODABA-25 1.205±0.1211.205 + 0.121 6.257±0.8756.257 + 0.875 3.987±0.0373.987 ± 0.037 11.887±0.37511.887 ± 0.375 3.94±
0.67
3.94 ±
0.67
8.47±0.088.47 ± 0.08

표 3에서 알 수 있는 것처럼 본 발명의 실시예에 따라 제조된 가교구조를 갖는 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 막 PBODABA-Y는 두 가지 o-Ps 성분 즉, τ3 및 τ4 를 가지며, 이는 막 내에 두 종류의 기공이 존재함을 의미한다. PALS 분석 결과, d3 평균 기공 직경이 4Å인 것에 상응하는 τ3 ~1.2 ns의 초극세공 및 d4 평균 기공 직경이 8.6Å인 것에 상응하는 τ4 ~4 ns의 미세공을 확인할 수 있었고, PBODABA-15, PBODABA-20 및 PBODABA-25의 d3 평균 기공 직경과 PBODABA-5, PBODABA-10, PBODABA-15, PBODABA-20 및 PBODABA-25의 d4 평균 기공 직경은 모두 비교예에 따라 제조된 PBOMPD-5의 평균 기공 직경보다 더 큼을 알 수 있다.As can be seen in Table 3, the heat-converted poly (benzoxazole-imide) copolymer membrane PBODABA-Y having a crosslinked structure prepared according to an embodiment of the present invention has two o-Ps components:? 3 and? 4 , which means that there are two kinds of pores in the film. As a result of PALS analysis, micropores of τ 3 ~1.2 ns corresponding to d 3 average pore diameter of 4 Å and micropores of τ 4 ~ 4 ns corresponding to d 4 average pore diameter of 8.6 Å were confirmed, and PBODABA The d 3 average pore diameter of PBODABA-15, PBODABA-20 and PBODABA-25 and the d 4 average pore diameter of PBODABA-5, PBODABA-10, PBODABA-15, PBODABA-20 and PBODABA-25 were all Which is larger than the average pore diameter of PBOMPD-5.

또한, 본 발명의 실시예 1 내지 6에 따라 제조된 가교구조를 갖는 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 막 PBODABA-Y와 비교예에 따라 제조된 가교구조를 갖지 않는 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 막 PBOMPD-5의 기체분리 성능을 확인하기 위하여 다양한 기체의 투과도 및 선택도를 측정한 결과를 각각 표 4 및 5에 나타내었다.In addition, the heat-converted poly (benzoxazole-imide) copolymer membrane PBODABA-Y having a crosslinked structure prepared according to Examples 1 to 6 of the present invention and the heat-converted poly (Benzoxazole-imide) copolymer membrane PBOMPD-5 were measured and the permeability and selectivity of various gases were measured. The results are shown in Tables 4 and 5, respectively.

샘플Sample 기체 투과도 (barrer)a Gas permeability (barrer) a HeHe H2 H 2 CO2 CO 2 O2 O 2 N2 N 2 CH4 CH 4 PBODABA-2.5PBODABA-2.5 328328 387387 415415 7272 1717 10.810.8 PBODABA-5PBODABA-5 422422 540540 600600 115115 28.128.1 18.618.6 PBODABA-10PBODABA-10 359359 440440 514514 9494 21.521.5 13.713.7 PBODABA-15PBODABA-15 398398 522522 615615 117117 28.828.8 19.619.6 PBODABA-20PBODABA-20 382382 481481 521521 97.497.4 24.024.0 15.315.3 PBODABA-25PBODABA-25 342342 446446 498498 9595 24.724.7 17.317.3 PBOMPD-5PBOMPD-5 427427 469469 358358 82.582.5 20.520.5 13.013.0

a 1 barrer= 10-10 cm3(STP) cm/(s cm2 cmHg)
a 1 barrr = 10 -10 cm 3 (STP) cm / (s cm 2 cmHg)

샘플Sample 선택도b Selectivity b O2/N2 O 2 / N 2 CO2/N2 CO 2 / N 2 CO2/CH4 CO 2 / CH 4 CO2/H2 CO 2 / H 2 H2/CH4 H 2 / CH 4 N2/CH4 N 2 / CH 4 PBODABA-2.5PBODABA-2.5 4.24.2 24.424.4 38.438.4 1.11.1 35.835.8 1.61.6 PBODABA-5PBODABA-5 4.14.1 21.321.3 32.332.3 1.11.1 29.029.0 1.51.5 PBODABA-10PBODABA-10 4.44.4 23.923.9 37.537.5 1.21.2 32.132.1 1.61.6 XTR-PBOI-15XTR-PBOI-15 4.14.1 21.321.3 31.431.4 1.21.2 26.626.6 1.51.5 PBODABA-20PBODABA-20 4.14.1 21.721.7 34.134.1 1.11.1 31.431.4 1.61.6 PBODABA-25PBODABA-25 3.93.9 20.220.2 28.828.8 1.11.1 29.129.1 1.41.4 PBOMPD-5PBOMPD-5 4.04.0 17.417.4 27.327.3 0.80.8 35.835.8 1.61.6

b 선택도는 두 기체의 투과도의 비
b selectivity is the ratio of the permeability of the two gases

표 4 및 5로부터 본 발명의 실시예 1 내지 6에 따라 제조된 가교구조를 갖는 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 막 PBODABA-Y의 투과도 및 선택도는 비교예에 따라 제조된 가교구조를 갖지 않는 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 막 PBOMPD-5의 투과도 및 선택도보다 전반적으로 높은 것을 알 수 있다. 일반적으로 유리상 고분자의 기체 투과 특성은 자유 부피 요소의 분포와 크기에 좌우된다고 알려져 있는바, PBODABA-Y 막의 투과도 계수는 PBOMPD-5 막의 투과도 계수보다 큰 것임을 입증하였고, 이는 PALS에 의해 분석된 더 큰 크기의 기공을 갖는 결과와도 일치한다.From Tables 4 and 5, the transmittance and selectivity of the heat-transferable poly (benzoxazole-imide) copolymer membrane PBODABA-Y having crosslinked structures prepared according to Examples 1 to 6 of the present invention were measured (Benzoxazole-imide) copolymer film PBOMPD-5 having no cross-linking structure is generally higher than that of the heat-converted poly (benzoxazole-imide) copolymer film PBOMPD-5. In general, it is known that the gas permeation characteristics of glassy polymers depend on the distribution and size of the free volume elements. The permeability coefficient of the PBODABA-Y membrane is greater than the permeability coefficient of the PBOMPD-5 membrane, Size pores. &Lt; RTI ID = 0.0 &gt;

본 발명의 PBODABA-Y 막은 투과도 및 선택도가 동시에 우수하여 일반적인 투과도-선택도의 트레이드-오프 관계를 극복할 수 있었다. 특히, CO2/CH4 혼합가스에 대해서는 CO2의 투과도가 615 barrer에 이를 정도로 매우 높으면서도 선택도를 높은 수준으로 유지하고 있음을 알 수 있다.The PBODABA-Y film of the present invention was excellent in both the transmittance and the selectivity, and was able to overcome the trade-off relationship of the general transmittance-selectivity. Particularly, it can be seen that the CO 2 permeability of the CO 2 / CH 4 mixed gas is as high as 615 barrer and the selectivity is maintained at a high level.

따라서 본 발명의 제조방법에 따르면, 가교구조를 형성하기 위한 화학적 방법 및 UV 조사 등의 복잡한 공정을 거치지 않고서도, 카르복실산을 갖는 히드록시 폴리이미드 공중합체 막을 단지 열처리함으로써 배연가스 분리용 가교구조를 갖는 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 막을 제조할 수 있으며, 그에 따라 제조되는 배연가스 분리용 막은 투과도 및 선택도가 우수할 뿐만 아니라 제조공정이 간단하여 대량생산에 의한 상업화가 가능하다.Therefore, according to the production method of the present invention, the hydroxypolyimide copolymer film having carboxylic acid can be heat treated only by a chemical method for forming a crosslinked structure and a complicated process such as UV irradiation, (Benzoxazole-imide) membrane having a high catalytic activity can be produced. The membrane for separating the flue gas thus produced has excellent permeability and selectivity as well as a simple manufacturing process and can be commercialized by mass production .

Claims (10)

i) 산이무수물, 오르쏘-히드록시 디아민 및 공단량체로서 3, 5-디아미노벤조산을 반응시켜 폴리아믹산 용액을 얻은 후, 공비 열 이미드화법에 의하여 카르복실산을 갖는 오르쏘-히드록시 폴리이미드 공중합체를 합성하는 단계;
ii) 상기 i) 단계에서 합성한 카르복실산을 갖는 오르쏘-히드록시 폴리이미드공중합체를 유기용매에 녹이고 캐스팅하여 제막하는 단계; 및
iii) 상기 ii) 단계에서 얻어진 막을 열처리하는 단계;를 포함하는 배연가스 분리용 가교구조를 갖는 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 막의 제조방법.
i) reacting an acid anhydride, ortho-hydroxydiamine and 3, 5-diaminobenzoic acid as a comonomer to obtain a polyamic acid solution, and then, by azeotropic thermal imidization, an ortho-hydroxypoly Methyl copolymer;
ii) forming an ortho-hydroxypolyimide copolymer having a carboxylic acid synthesized in the step i) in an organic solvent and casting it; And
and iii) heat-treating the film obtained in the step ii). The method for producing a heat-converted poly (benzoxazole-imide) film having a cross-linking structure for flue gas separation.
제1항에 있어서, 상기 i) 단계의 산이무수물은 하기 일반식 1로 표시되는 것을 특징으로 하는 배연가스 분리용 가교구조를 갖는 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 막의 제조방법.
<일반식 1>
Figure pat00010

(상기 일반식 1에서, Ar은 치환 또는 비치환된 4가의 탄소수 6 내지 24의 아릴렌기 및 치환 또는 비치환된 4가의 탄소수 4 내지 24의 복소환기에서 선택되는 방향족 고리기이고, 상기 방향족 고리기는 단독으로 존재하거나; 2개 이상이 서로 축합 고리를 형성하거나; 2개 이상이 단일결합, O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤P≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2 또는 CO-NH로 연결되어 있다)
The process for producing a heat-converted poly (benzoxazole-imide) membrane according to claim 1, wherein the acid dianhydride in step i) is represented by the following general formula (1).
&Lt; General Formula 1 &
Figure pat00010

(In the above general formula (1), Ar is an aromatic ring group selected from a substituted or unsubstituted quadrivalent arylene group having 6 to 24 carbon atoms and a substituted or unsubstituted quadrivalent heterocyclic group having 4 to 24 carbon atoms, and the aromatic ring group is O, S, CO, SO 2 , Si (CH 3 ) 2 , (CH 2 ) p (1 ≦ P10 ), or two or more of them form a condensed ring; ), (CF 2 ) q ( 1 ? Q ? 10), C (CH 3 ) 2 , C (CF 3 ) 2 or CO-
제1항에 있어서, 상기 i) 단계의 오르쏘-히드록시 디아민은 하기 일반식 2로 표시되는 것을 특징으로 하는 배연가스 분리용 가교구조를 갖는 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 막의 제조방법.
<일반식 2>
Figure pat00011

(상기 일반식 2에서, Q는 단일결합이거나; O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤P≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2, CO-NH, C(CH3)(CF3), 또는 치환 또는 비치환된 페닐렌기이다)
The process for producing a heat-converted poly (benzoxazole-imide) film according to claim 1, wherein the ortho-hydroxydiamine of the step i) is represented by the following general formula (2) Way.
&Lt; General Formula 2 &
Figure pat00011

(Wherein Q is a single bond or O, S, CO, SO 2 , Si (CH 3 ) 2 , (CH 2 ) p (1 ≦ P ≦ 10), (CF 2 ) q q≤10), C (CH 3) 2, C (CF 3) 2, is CO-NH, C (CH 3 ) (CF 3), or a substituted or unsubstituted phenylene ring)
제1항에 있어서, 상기 i) 단계의 공비 열 이미드화법은 폴리아믹산 용액에 톨루엔 또는 자일렌을 첨가하고 교반하여 180~200℃에서 6~12시간 동안 이미드화 반응을 수행하는 것을 특징으로 하는 배연가스 분리용 가교구조를 갖는 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 막의 제조방법.The azeotropic thermal imidization method according to claim 1, wherein the azeotropic thermal imidization is carried out by adding toluene or xylene to the polyamic acid solution and stirring the mixture at 180 to 200 ° C for 6 to 12 hours (Poly (benzoxazole - imide) film having a crosslinking structure for flue gas separation. 제1항에 있어서, 상기 iii) 단계의 열처리는 고순도의 불활성 가스 분위기에서 1~20℃/min의 승온 속도로 350~450℃까지 승온한 후 0.1~3시간 동안 등온 상태를 유지함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 배연가스 분리용 가교구조를 갖는 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 막의 제조방법.The method according to claim 1, wherein the heat treatment in step iii) is performed by raising the temperature to 350 to 450 DEG C at a rate of 1 to 20 DEG C / min in an inert gas atmosphere of high purity, and then maintaining an isothermal state for 0.1 to 3 hours (Benzoxazole-imide) film having a cross-linking structure for separating flue gas. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 제조방법에 의하여 제조된 배연가스 분리용 가교구조를 갖는 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 막.A heat-converted poly (benzoxazole-imide) film having a crosslinked structure for separating flue gas produced by the method of any one of claims 1 to 5. 제6항에 있어서, 상기 막은 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 갖는 것을 특징으로 하는 배연가스 분리용 가교구조를 갖는 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 막.
<화학식 1>
Figure pat00012

(상기 화학식 1에서, Ar은 치환 또는 비치환된 4가의 탄소수 6 내지 24의 아릴렌기 및 치환 또는 비치환된 4가의 탄소수 4 내지 24의 복소환기에서 선택되는 방향족 고리기이고, 상기 방향족 고리기는 단독으로 존재하거나; 2개 이상이 서로 축합 고리를 형성하거나; 2개 이상이 단일결합, O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤P≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2 또는 CO-NH로 연결되어 있고,
Q는 단일결합이거나; O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤P≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2, CO-NH, C(CH3)(CF3), 또는 치환 또는 비치환된 페닐렌기이며,
x, y는 각각 반복단위 내 몰분율로서 0.75≤x≤0.975, 0.025≤y≤0.25 이고, x+y=1 이다)
The thermally-converting poly (benzoxazole-imide) membrane according to claim 6, wherein the membrane has a repeating unit represented by the following formula (1).
&Lt; Formula 1 >
Figure pat00012

Wherein Ar is an aromatic ring group selected from a substituted or unsubstituted quadrivalent arylene group having 6 to 24 carbon atoms and a substituted or unsubstituted quadrivalent heterocyclic group having 4 to 24 carbon atoms, Or two or more of them form a condensed ring or two or more of them are single bonds, O, S, CO, SO 2 , Si (CH 3 ) 2 , (CH 2 ) p (1 ≤ P ≤ 10) , (CF 2 ) q ( 1 ? Q ? 10), C (CH 3 ) 2 , C (CF 3 ) 2 or CO-
Q is a single bond; O, S, CO, SO 2 , Si (CH 3) 2, (CH 2) p (1≤P≤10), (CF 2) q (1≤q≤10), C (CH 3) 2, C (CF 3) 2, and CO-NH, C (CH 3 ) (CF 3), or a substituted or unsubstituted phenylene ring,
x and y are molar ratios in the repeating unit, 0.75? x? 0.975, 0.025? y? 0.25, and x + y =
제7항에 있어서, 상기 막은 면간 거리(d-spacing)가 0.62~0.67 nm인 것을 특징으로 하는 배연가스 분리용 가교구조를 갖는 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 막.The method of claim 7, wherein the film interplanar distance (d -spacing) the thermal conversion polyester having a crosslinked structure for separating the flue gas, characterized in that 0.62 ~ 0.67 nm (benzoxazole-imide) film. 제7항에 있어서, 상기 막은 밀도가 1.36~1.43 g/cm3인 것을 특징으로 하는 배연가스 분리용 가교구조를 갖는 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 막.The thermally-converting poly (benzoxazole-imide) membrane according to claim 7, wherein the membrane has a density of 1.36 to 1.43 g / cm 3 . 제7항에 있어서, 상기 막은 d3 평균 기공 직경이 4.0 Å이고, d4 평균 기공 직경이 8.6 Å인 것을 특징으로 하는 배연가스 분리용 가교구조를 갖는 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 막.The thermally-converting poly (benzoxazole-imide) resin composition according to claim 7, wherein the membrane has a d 3 average pore diameter of 4.0 Å and a d 4 average pore diameter of 8.6 Å. membrane.
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