KR20150070577A - Crosslinked hydrocarbon polymer electrolyte membranes with diols by radiation and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

According to the present invention, a cross-linked hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane is formed by mixing a hydrocarbon-based polymer and a diol cross-linking agent at the optimal ratio and irradiating radiation beams onto the mixture. The membrane is formed by a cross-linking reaction at the room temperature rapidly to be prepared with a simple cross-linking process. The present invention has a sufficient gel transition rate and moisture absorbing rate to be used at a high temperature up to 180°C. The present invention also has the hydrogen ion conductivity higher than a conventionally used polymer electrolyte membrane to be used as an ion exchange membrane or a fuel cell membrane.

Description

방사선을 이용한 다이올 가교 탄화수소계 고분자 전해질막 및 이의 제조방법{Crosslinked hydrocarbon polymer electrolyte membranes with diols by radiation and manufacturing method thereof}Technical Field [0001] The present invention relates to a diol crosslinked hydrocarbon polymer electrolyte membrane using radiation, and a process for producing the crosslinked hydrocarbon polymer electrolyte membrane,

본 발명은 방사선을 이용하여 다이올로 가교된 탄화수소계 고분자 전해질막 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane that is crosslinked with a diol using radiation, and a method for producing the same.

연료전지는 연료가스와 산화제 가스를 전기화학적으로 반응시켜 생기는 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 새로운 발전시스템으로 기존의 내연기관에 비해 효율이 높고 이산화탄소 배출을 줄일 수 있으며, 연료 사용량이 적고 황산화물(SOx) 및 질산화물(NOx) 등의 환경부화물질 배출량이 적어서 환경보전 측면에서도 효과가 크다. 또한 소형화 및 다양한 연료의 사용이 가능하므로 이동통신 장비 등의 휴대용 전원, 자동차 등의 수송용 전원, 가정용 및 군사용 발전시스템 등의 폭넓은 분야에 응용이 가능하다.The fuel cell is a new power generation system that converts the energy generated by electrochemically reacting fuel gas and oxidizer gas into electric energy. It is more efficient than conventional internal combustion engine and can reduce carbon dioxide emissions, SO x ) and oxides of nitrogen (NO x ). Also, since it can be miniaturized and various fuels can be used, it can be applied to a wide range of fields such as a portable power source for mobile communication equipment, a power source for transporting automobiles, and a household and military power generation system.

연료전지는 크게 사용하는 전해질 재료 혹은 운전온도에 따라 고분자 전해질 연료전지(polymer electrolyte fuel cell, PEFC), 알칼리 연료전지(alkaline fuel cell, AFC), 인산형 연료전지(phosphoric acid fuel cell, PAFC), 용융탄산염 연료전지(molten carbonate fuel cell, MCFC), 고체 산화물 연료전지(solid oxide fuel cell, SOFC) 등으로 구분할 수 있다. 특히 상기 고분자 전해질 연료전지는 작동온도가 낮고, 출력밀도가 높으며, 환경부하가 적어 연료전지로서 주목을 받고 있으며, 이는 다시 수소가스가 연료로 사용되는 수소이온교환막 연료전지(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC) 및 개질기 없이 메탄올이 직접 연료로 사용되는 직접메탄올 연료전지(direct methanol fuel cell, DMFC)로 구분된다.Fuel cells can be classified into polymer electrolyte fuel cell (PEFC), alkaline fuel cell (AFC), phosphoric acid fuel cell (PAFC) A molten carbonate fuel cell (MCFC), and a solid oxide fuel cell (SOFC). Particularly, the polymer electrolyte fuel cell has attracted attention as a fuel cell due to its low operating temperature, high output density, and low environmental load. The proton exchange membrane fuel cell, in which hydrogen gas is used as fuel, PEMFC) and a direct methanol fuel cell (DMFC) in which methanol is used as a direct fuel without a reformer.

고분자 전해질 연료전지용 고분자 전해질 막이 가져야 할 성질은 높은 수소이온 전도도와 화학적, 열적, 기계적 및 전기화학적 안정이 요구된다. 또한 탈수 시에는 수소이온 전도도가 급격히 떨어지므로 탈수에 저항성이 있어야 한다. 또한 90℃ 이상의 높은 온도와 극한 산성 환경에서도 운전이 가능하도록 내구성, 열적, 물리적 및 화학적으로 안정해야한다. 이러한 이유로 고분자 전해질 막의 연구가 연료전지 개발에 있어 핵심 요소로 인식되고 있다.Polymer electrolyte membranes for fuel cells require high hydrogen ion conductivity and chemical, thermal, mechanical and electrochemical stability. In dehydration, the conductivity of hydrogen ion is drastically decreased, so it must be resistant to dehydration. In addition, it must be durable, thermally, physically and chemically stable to operate at temperatures as high as 90 ° C and in extreme acidic environments. For this reason, the study of polymer electrolyte membranes is recognized as a key factor in fuel cell development.

종래의 고분자 전해질막은 주로 술폰화된 불소계 고분자를 사용하였다. 대표적으로 미국 듀퐁사의 퍼플루오로술폰산(perfloro sulfonic acid)계 양이온 교환막인 Nafion○R이 있다. 이러한 불소계 고분자는 우수한 기계적 성질, 화학적 안정성 및 이온 전도성을 가지고 있지만, 합성원료나 제조공정이 복잡하고, 생산비용이 높으며, 구동온도(1,000℃ 미만)가 낮으며, 메탄올에서 낮은 안정성을 보이는 등의 단점을 가지고 있다.Conventional polymer electrolyte membranes mainly use sulfonated fluorinated polymers. Typically, there is Nafion R, a perfluorosulfonic acid cation exchange membrane of DuPont, USA. These fluorine-based polymers have excellent mechanical properties, chemical stability and ionic conductivity, but are complicated in the synthesis of synthesis materials and manufacturing processes, have a high production cost, have a low driving temperature (less than 1,000 ° C.) It has disadvantages.

따라서 이를 보완하기 위해 전체 생산비용을 낮추거나 값싼 소재로 이루어진 탄화수소계 고분자에 대한 개발이 활발하게 이루어졌다. 대표적인 예로 술포네이트 폴리(에테르에테르케톤)(sulfonate poly(ether ether ketone), SPEEK), 술포네이트 폴리(아릴에테르술폰), 술포네이트 페놀포르말레진, 술포네이트 폴리(페닐렌옥사이드), 포스포닉 폴리(페닐렌옥사이드) 그리고 술포네이트 폴리(벤질이미다졸) 등이 있다.Therefore, in order to compensate for this, the development cost of the hydrocarbon-based polymer made of low-cost materials has been actively developed or the total production cost has been reduced. Representative examples include sulfonate poly (ether ether ketone) (SPEEK), sulfonate poly (aryl ether sulfone), sulfonate phenol formalin, sulfonate poly (phenylene oxide), phosphonic poly (Phenylene oxide), and sulfonate poly (benzylimidazole).

이러한 탄화수소계 고분자는 매우 우수한 기계적 강도 및 화학적 성질을 가지고 있으며, 제조단가가 저렴하며, 탄화수소계 고분자에 도입된 양이온 교환작용기(예를 들어 술폰산기)를 조절하여 연료전지막의 이온전도도를 조정할 수 있는 장점을 가지고 있다. Such a hydrocarbon-based polymer has excellent mechanical strength and chemical properties, is inexpensive to manufacture, and can control ion conductivity of a fuel cell membrane by controlling a cation exchange functional group (for example, a sulfonic acid group) introduced into a hydrocarbon-based polymer It has advantages.

하지만 이온 전도도를 높이기 위하여 양이온 교환 작용기를 과하게 도입시키면 막의 친수성이 증가하여 치수안정성 및 기계적 강도가 감소하는 단점을 가지고 있다. 따라서 이러한 단점을 보완해주기 위한 가교구조를 도입하는 연구가 활발히 이루어지고 있는 실정이다.However, when cation exchange functional groups are excessively introduced to increase the ionic conductivity, the hydrophilicity of the membrane is increased and the dimensional stability and mechanical strength are decreased. Therefore, studies are being actively carried out to introduce cross - linking structures to overcome these shortcomings.

미국 Journal of Membrane Science 2009 , 345, 119에서는 2,4,5-트리아미노피리이미딘 및 closilite를 이용하여 술포네이트 폴리(에테르에테르케톤)을 기본으로 하는 나노 복합재료 막을 제조하여 치수 안정성 및 이온전도도를 증가시키고자 하는 내용이 개시되어 있다.US Journal of Membrane In Science 2009 , 345, 119, nanocomposite membranes based on sulfonate poly (etheretherketone) were prepared using 2,4,5-triaminopyrimidine and closilite to increase the dimensional stability and ionic conductivity Is disclosed.

미국 Journal of Power Source 2007 , 168, 154에서는 술포네이트 폴리(에테르에테르케톤)을 기본구조로 하고, 사이드 체인에 이중결합 구조를 가지는 관능기를 도입한 후, 자외선 경화방법을 이용하여 가교 구조를 가지는 고분자 전해질막을 기재하고 있다.US Journal of Power Source 2007 , 168, 154 describes a polymer electrolyte membrane having a crosslinked structure by using a sulfonate poly (ether ether ketone) as a basic structure, introducing a functional group having a double bond structure into a side chain, and using an ultraviolet curing method have.

미국 Radiation Physics and Chemistry 2008 , 77, 617에서는 폴리(에테르에테르케톤)에 방사선 조사기법을 이용하여 술포네이트 스티렌을 그라프팅하는 방법을 개시하고 있다.United States Radiation Physics and Chemistry 2008 , 77, 617 discloses a method of grafting sulfonate styrene to a poly (etheretherketone) using an irradiation technique.

미국 Journal of Membrane Science 2008 , 332, 67과 Journal of Membrane Science 2006 , 285, 306에서는 술폰화 폴리(에테르에테르케톤)에 다이올을 열경화하여 가교구조를 갖는 연료전지막을 제조하는 방법을 기재하고 있다.US Journal of Membrane Science 2008 , 332, 67 and Journal of Membrane Science 2006 , 285, 306 discloses a method for producing a fuel cell membrane having a crosslinked structure by thermally curing a diol to a sulfonated poly (ether ether ketone).

그라나, 상기에 기술한 선행기술들은 새로운 고분자를 합성해야 하고, 고온에서 장시간의 가교공정이 필요하며, 가교로 인한 이온교환용량의 감소와 같은 단점이 있어 상업적으로 널리 사용하기 힘든 문제가 있었다.The prior art described above has a problem that it is difficult to widely use commercially because there are disadvantages such as synthesis of new polymer, long crosslinking process at high temperature, reduction of ion exchange capacity due to crosslinking, and the like.

방사선을 이용한 고분자 가교 기술은 열, 자외선 및 플라즈마에 의한 가교구조 형성에 비해 개시제 없이 라디칼을 형성시킬 수 있고, 개시제로 인한 내후성 감소가 일어나지 않을 뿐만 아니라 방사선의 높은 투과력 때문에 고분자 내부까지 치밀한 가교구조를 형성할 수 있으며, 또한 추가적인 열처리가 필요하지 않기 때문에 빠른 시간에 가교구조를 형성하여 에너지 효율이 높은 장점이 있다.Radiation-induced polymer crosslinking technology can form radicals without initiator as compared with formation of crosslinked structure by heat, ultraviolet ray, and plasma, and it does not cause decrease in weatherability due to initiator, and has a dense crosslinking structure to the inside of polymer due to high permeability of radiation And further, since no additional heat treatment is required, the crosslinked structure is formed in a short time, which is advantageous in energy efficiency.

이에 본 발명자들은 이러한 문제점을 해결하기 위한 연구를 수행하던 중, 다이올 가교제와 탄화수소계 수지를 최적의 조성비로 혼합하고 상온에서 적정 조사선량의 방사선을 조사하여 가교 탄화수소계 고분자 전해질막을 제조함으로써 상온에서 단시간의 가교공정으로 가교 탄화수소계 고분자막을 제조할 수 있으며, 열적 안정성이 향상되는 것을 알아내고 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the inventors of the present invention have conducted studies to solve the above problems, and have found that by mixing a diol crosslinking agent and a hydrocarbon resin at an optimal composition ratio and irradiating a radiation of an appropriate irradiation dose at room temperature to produce a crosslinked hydrocarbon- Crosslinkable hydrocarbon polymer membrane can be produced by a short-time crosslinking process, and the thermal stability is improved, thereby completing the present invention.

Journal of Membrane Science 2009, 345, 119Journal of Membrane Science 2009, 345, 119 Journal of Power Source 2007, 168, 154Journal of Power Source 2007, 168, 154 Radiation Physics and Chemistry 2008, 77, 617Radiation Physics and Chemistry 2008, 77, 617 Journal of Membrane Science 2008, 332, 67Journal of Membrane Science 2008, 332, 67 Journal of Membrane Science 2006, 285, 306Journal of Membrane Science 2006, 285, 306

본 발명의 목적은 다이올 가교제와 탄화수소계 고분자를 혼합하고 방사선을 조사하는 다이올 가교 탄화수소계 고분자 전해질막의 제조방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a process for producing a diol crosslinked hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane by mixing a diol cross-linking agent and a hydrocarbon-based polymer and irradiating the radiation.

본 발명의 다른 목적은 상기 제조방법으로 제조되는 열적 안정성이 향상된 다이올 가교 탄화수소계 고분자 전해질막을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a diol crosslinked hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane having improved thermal stability, which is produced by the above-described process.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 고분자 전해질막을 이용한 이온교환막을 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide an ion exchange membrane using the above polymer electrolyte membrane.

본 발명의 다른 목적은 상기 고분자 전해질막을 이용한 연료전지막을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a fuel cell membrane using the polymer electrolyte membrane.

본 발명은 다이올 가교 탄화수소계 고분자 전해질막의 제조방법 및 이를 이용한 고분자 전해질막에 관한 것이다.. The present invention relates to a process for producing a diol crosslinked hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane and a polymer electrolyte membrane using the same.

본 발명의 일 양태는, According to an aspect of the present invention,

a) 화학식 1로 표시되는 다이올 가교제, 탄화수소계 수지 및 용매를 포함하는 모액 제조단계; 및a) preparing a mother liquor comprising a diol crosslinking agent, a hydrocarbon resin and a solvent represented by the general formula (1); And

b) 상기 모액을 캐스팅하고 방사선을 조사하는 단계;b) casting said mother liquor and irradiating it with radiation;

를 포함하는 다이올 가교 탄화수소계 고분자 전해질막의 제조방법.Based polymer electrolyte membrane.

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

(상기 화학식 1에서 A는

Figure pat00002
이고;(Wherein A in the above formula
Figure pat00002
ego;

상기 R1 및 R3는 각각 독립적으로 (C1-C20)알킬렌, (C3-C20)시클로알킬렌, (C3-C20)헤테로시클로알킬렌, (C6-C20)아릴렌 또는 (C6-C20)헤테로아릴렌으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있고;Each R 1 and R 3 are independently (C1-C20) alkylene, (C3-C20) cycloalkylene, (C3-C20) heterocycloalkyl alkylene, (C6-C20) arylene or (C6-C20) Lt; / RTI > and heteroarylene;

상기 R2는 단일결합,

Figure pat00003
,
Figure pat00004
로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있으며;Wherein R < 2 > is a single bond,
Figure pat00003
,
Figure pat00004
≪ / RTI >

상기 m 및 n은 각각 독립적으로 0 내지 10의 정수이되 m과 n이 동시에 0인 경우는 제외한다.)M and n are each independently an integer of 0 to 10, except when m and n are 0 at the same time.

본 발명의 다른 양태는 상기 방법으로 제조된 다이올 가교 탄화수소계 고분자 전해질막에 관한 것이다.Another aspect of the present invention relates to a diol bridged hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane produced by the above method.

본 발명의 또 다른 양태는 상기 다이올 가교 탄화수소계 고분자 전해질막을 포함하는 이온교환막 또는 연료전지막에 관한 것이다.Another aspect of the present invention relates to an ion exchange membrane or fuel cell membrane comprising the diol bridged hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane.

본 발명에 따른 다이올 가교제 혼합물과 탄화수소계 고분자를 최적의 조성비로 혼합하고 방사선을 조사하여 제조한 가교 탄화수소계 고분자 전해질막은 상온에서 단시간으로 가교 반응시켜 가교 공정이 단순하다. 또한 충분한 겔화율 및 수분흡수율을 보이며 최대 180 ℃의 고온에서도 사용이 가능하다. 또한 우수한 열적안정성, 열경화를 가져 현재 통상적으로 사용되는 고분자 전해질막보다 높은 수소이온 전도도를 보여 이온교환막, 연료전지막 등의 고분자 전해질막으로 유용하게 사용할 수 있다.The crosslinked hydrocarbon polymer electrolyte membrane prepared by mixing the diol crosslinking agent mixture and the hydrocarbon polymer according to the present invention at an optimal composition ratio and irradiating the crosslinking agent is crosslinked at a room temperature for a short time to perform a crosslinking process. In addition, it exhibits sufficient gelation rate and water absorption rate and can be used at high temperatures up to 180 ° C. In addition, it has superior thermal stability and thermal curing, and exhibits a hydrogen ion conductivity higher than that of conventionally used polymer electrolyte membranes, and thus can be effectively used as a polymer electrolyte membrane such as an ion exchange membrane and a fuel cell membrane.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 전해질막의 제조과정을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1 내지 42에 따른 고분자 전해질막의 겔화도를 측정한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예 5, 11, 17, 23, 29, 35, 41 및 비교예 1 내지 7에 따른 고분자 전해질막의 이온교환용량을 측정한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예 5, 17, 29, 41에 따른 고분자 전해질막의 동적/기계적 성질을 측정한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예 5, 17, 29, 41 및 비교예 1, 3, 5, 7에 따른 고분자 전해질막의 이온전도도를 측정한 그래프이다.
FIG. 1 shows a process of manufacturing a polymer electrolyte membrane according to an embodiment of the present invention.
2 is a graph showing the gelation degree of the polymer electrolyte membrane according to Examples 1 to 42 of the present invention.
3 is a graph showing the ion exchange capacity of the polymer electrolyte membrane according to Examples 5, 11, 17, 23, 29, 35, 41 and Comparative Examples 1 to 7 of the present invention.
4 is a graph showing dynamic / mechanical properties of a polymer electrolyte membrane according to Examples 5, 17, 29 and 41 of the present invention.
5 is a graph showing the ionic conductivity of the polymer electrolyte membranes according to Examples 5, 17, 29, 41 and Comparative Examples 1, 3, 5, and 7 of the present invention.

이하 구체예 또는 실시예를 통해 본 발명에 따른 방사성 폐수 내 요오드의 선택적 분리장치를 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 구체예 또는 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다. Hereinafter, an apparatus for selectively separating iodine in radioactive wastewater according to the present invention will be described in detail with reference to specific examples or examples. It should be understood, however, that the invention is not limited thereto and that various changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention.

또한 달리 정의되지 않은 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 구체예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다.Unless otherwise defined, all technical and scientific terms have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention.

또한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.Also, the singular forms as used in the specification and the appended claims are intended to include the plural forms as well, unless the context clearly indicates otherwise.

본 발명에 따른 다이올 가교 탄화수소계 고분자 전해질막의 제조방법은 a) 화학식 1로 표시되는 다이올 가교제, 탄화수소계 수지 및 용매를 포함하는 모액 제조단계; 및 b) 상기 모액을 캐스팅하고 방사선을 조사하는 단계;를 포함할 수 있다.A process for producing a diol crosslinked hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane according to the present invention comprises the steps of: a) preparing a mother liquor comprising a diol crosslinking agent represented by the general formula (1), a hydrocarbon resin and a solvent; And b) casting the mother liquor and irradiating it with radiation.

이하 본 발명을 단계별로 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명에 따른 다이올 가교 탄화수소계 고분자 전해질막은 먼저 a) 단계와 같이 화학식 1로 표시되는 다이올 가교제, 탄화수소계 수지 및 용매를 포함하는 모액을 제조하여 시작한다.The diol crosslinked hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane according to the present invention starts by preparing a mother liquor containing a diol crosslinking agent, a hydrocarbon resin and a solvent represented by the general formula (1) as in step a).

본 발명에 따른 다이올 가교제는 고분자 전해질막의 치수안정성을 향상시키는 역할을 수행하며, 구체적으로 하기 화학식 1로 표시되는 구조를 가질 수 있다. The diol cross-linking agent according to the present invention improves the dimensional stability of the polymer electrolyte membrane, and may have a structure represented by the following formula (1).

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Figure pat00005
Figure pat00005

(상기 화학식 1에서 A는

Figure pat00006
이고;(Wherein A in the above formula
Figure pat00006
ego;

상기 R1 및 R3는 각각 독립적으로 (C1-C20)알킬렌, (C3-C20)시클로알킬렌, (C3-C20)헤테로시클로알킬렌, (C6-C20)아릴렌 또는 (C6-C20)헤테로아릴렌으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있고;Each R 1 and R 3 are independently (C1-C20) alkylene, (C3-C20) cycloalkylene, (C3-C20) heterocycloalkyl alkylene, (C6-C20) arylene or (C6-C20) Lt; / RTI > and heteroarylene;

상기 R2는 단일결합,

Figure pat00007
,
Figure pat00008
로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있으며;Wherein R < 2 > is a single bond,
Figure pat00007
,
Figure pat00008
≪ / RTI >

상기 m 및 n은 각각 독립적으로 0 내지 10의 정수이되 m과 n이 동시에 0인 경우는 제외한다.)M and n are each independently an integer of 0 to 10, except when m and n are 0 at the same time.

더욱 상세하게는 상기 화학식 1에서 A는 하기 화학식 2 내지 6의 구조를 가질 수 있다.More specifically, A in formula (1) may have a structure represented by the following formulas (2) to (6).

[화학식 2](2)

Figure pat00009
Figure pat00009

[화학식 3](3)

Figure pat00010
Figure pat00010

[화학식 4][Chemical Formula 4]

Figure pat00011
Figure pat00011

[화학식 5][Chemical Formula 5]

Figure pat00012
Figure pat00012

[화학식 6][Chemical Formula 6]

Figure pat00013
Figure pat00013

(상기 화학식 2에서 l는 2 내지 10의 정수이다.)(In the formula (2), 1 is an integer of 2 to 10)

더욱 더 상세하게는 상기 다이올 가교제는 하기 화학식 7 내지 13의 구조를 가질 수 있다.More specifically, the diol cross-linking agent may have a structure of the following formulas (7) to (13).

[화학식 7](7)

Figure pat00014
Figure pat00014

[화학식 8][Chemical Formula 8]

Figure pat00015
Figure pat00015

[화학식 9][Chemical Formula 9]

Figure pat00016
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[화학식 10][Chemical formula 10]

Figure pat00017
Figure pat00017

[화학식 11](11)

Figure pat00018
Figure pat00018

[화학식 12][Chemical Formula 12]

Figure pat00019
Figure pat00019

[화학식 13][Chemical Formula 13]

Figure pat00020
Figure pat00020

본 발명에 따른 다이올 가교제는 모액 제조 시, 전체 모액 100 중량%에 대하여 0.5 내지 15 중량%를 첨가하는 것이 바람직하다. 상기 다이올 가교제를 0.5 중량% 미만 첨가하는 경우 가교반응이 일어나지 않아 치수안정성을 확보하기 어려우며, 15 중량% 초과하는 경우, 치수안정성은 증가하나 수소이온 전도도와 이온교환용량이 떨어지게 된다.The diol crosslinking agent according to the present invention is preferably added in an amount of 0.5 to 15% by weight based on 100% by weight of the whole mother liquor. When the diol cross-linking agent is added in an amount of less than 0.5 wt%, crosslinking reaction does not occur and dimensional stability is difficult to secure. When the diol cross-linking agent is added in an amount of more than 15 wt%, the ionic conductivity and ion exchange capacity are deteriorated.

상기 탄화수소계 수지는 고분자 전해질막의 기본 골격을 형성하는 역할을 하게 된다. 상기 탄화수소계 수지로 예를 들면, 술포네이트폴리에테르에테르케톤, 술포네이트폴리아릴에테르술폰, 술포네이트폴리이미드 및 술포네이트폴리페닐렌옥사이드로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 사용할 수 있으며, 본 발명이 이에 한정하는 것은 아니다.The hydrocarbon resin serves to form the basic skeleton of the polymer electrolyte membrane. As the hydrocarbon resin, for example, any one or a mixture of two or more selected from the group consisting of sulfonate polyether ether ketone, sulfonate polyaryl ether sulfone, sulfonate polyimide and sulfonate polyphenylene oxide can be used , But the present invention is not limited thereto.

상기 탄화수소계 수지는 전체 모액 100 중량%에 대하여 5 내지 30 중량% 첨가하는 것이 바람직하다. 5 중량% 미만 첨가하는 경우, 고분자 전해질막이 제대로 형성되지 않는 문제점이 있으며, 30 중량% 초과하는 경우, 치수안정성이 크게 떨어지는 문제점이 있다.The hydrocarbon resin is preferably added in an amount of 5 to 30% by weight based on 100% by weight of the whole mother liquor. When the amount is less than 5% by weight, the polymer electrolyte membrane is not properly formed. When the amount is more than 30% by weight, the dimensional stability is greatly reduced.

상기 용매는 본 발명에서 모액 구성성분인 탄화수소계 수지 및 다이올 가교제를 효과적으로 용해할 수 있는 물질이라면 종류에 한정하지 않는다. 상기 용매로 예를 들면, N,N-디메틸아세트아미드, N-메틸-2-피롤리돈, 디메틸설폭사이드, 테트라히드로푸란, 디메틸포름아미드, 톨루엔, 사이클로헥산, 벤젠, 클로로벤젠, 디페닐에테르 및 1,3,5-트리메틸벤젠으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 N,N-디메틸아세트아미드, N-메틸-2-피롤리돈, 디메틸설폭사이드 등의 극성용매를 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있으나, 본 발명이 이에 한정하는 것은 아니다.The solvent is not limited to any kind as long as it is a substance capable of effectively dissolving a hydrocarbon resin and a diol cross-linking agent as mother liquor constituents in the present invention. Examples of the solvent include N, N-dimethyl acetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethyl sulfoxide, tetrahydrofuran, dimethylformamide, And 1,3,5-trimethylbenzene. Preferred examples of the solvent include N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethylsulfoxide May be used alone or in combination, but the present invention is not limited thereto.

상기 용매는 모액 100 중량%에 대하여 65 내지 90 중량% 첨가하는 것이 좋다. 65 중량% 미만 첨가하는 경우 용매의 분산이 제대로 일어나지 않으며, 가교밀도의 증가가 일어날 수 있으며, 90 중량% 초과하는 경우, 고분자 전해질막이 제대로 형성되지 않는 문제점이 있다.The solvent is preferably added in an amount of 65 to 90% by weight based on 100% by weight of the mother liquor. When the amount is less than 65% by weight, the dispersion of the solvent may not occur properly and the crosslinking density may increase. When the amount exceeds 90% by weight, the polymer electrolyte membrane may not be formed properly.

모액이 제조되면 상기 b)단계와 같이 상기 모액을 캐스팅하고 방사선을 조사하는 단계를 수행하여 고분자 전해질막을 완성할 수 있다. 구체적으로 상기 b)단계는 모액을 유리판에 캐스팅하고 건조하는 단계 후, 방사선을 조사하고 건조시키는 단계를 포함할 수 있다.When the mother liquor is produced, the step of casting the mother liquor and irradiating the mother liquor as in the step b) may be performed to complete the polymer electrolyte membrane. Specifically, the step b) may include a step of casting the mother liquor on a glass plate and drying, followed by irradiating and drying the radiation.

상기 b)단계에서 모액을 캐스팅하는 방법은 당업계에서 필름 제조에 통상적으로 사용하는 방법, 이를테면, 용액캐스팅법을 이용하여 상온에서 적정 크기의 유리판에 모액을 일정 두께로 도포한 후, 60 내지 80℃의 온도에서 1 내지 2시간동안 건조시켜 용매를 증발시킨다. 상기 조건 범위 내에서 건조공정을 실시하면 용매가 일부 남아 용액이 흐르지 않을 정도의 점성을 가지게 된다.The mother liquor can be cast by a method commonly used in the art, such as a solution casting method, by applying the mother liquor to a glass plate having a proper size at a room temperature at a predetermined thickness in the step b) Lt; 0 > C for 1 to 2 hours to evaporate the solvent. When the drying process is performed within the above-mentioned range, the solvent has some viscosity so that the solution does not flow.

상기와 같이 모액을 캐스팅하고 건조한 후, 제조된 막에 방사선을 조사하여 가교시킴으로써 고분자 전해질막의 기계적 강도를 향상시킬 수 있다. After the mother liquor is cast and dried as described above, the resulting film is irradiated with radiation to cause crosslinking, thereby improving the mechanical strength of the polymer electrolyte membrane.

상기 방사선으로는 감마선, 자외선 및 전자선으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 조사할 수 있으며, 바람직하게는 전자선을 조사하는 것이 좋다. As the radiation, one or two or more selected from the group consisting of gamma rays, ultraviolet rays and electron rays may be irradiated, and it is preferable to irradiate electron rays.

또한 상기 방사선은 0.1 내지 10 kGy/min의 선량율로 50 내지 600 kGy 조사선량으로 조사하는 것이 바람직하고, 1 내지 7 kGy/min의 선량율로 200 내지 400 kGy 조사선량으로 조사하는 것이 더욱 바람직하다. 상기 방사선의 조사선량이 0.1 kGy/min 미만일 경우, 반응이 너무 느려 전해질막의 제조시간이 크게 늘어나게 되며, 10 kGy/min를 초과하는 경우, 가교가 고르게 되지 않거나 분자간의 결합이 끊어져 기계적인 강도가 떨어지게 된다.The radiation is preferably irradiated at an irradiation dose of 50 to 600 kGy at a dose rate of 0.1 to 10 kGy / min, more preferably at an irradiation dose of 200 to 400 kGy at a dose rate of 1 to 7 kGy / min. When the irradiation dose of the radiation is less than 0.1 kGy / min, the reaction is too slow to increase the production time of the electrolyte membrane. When the irradiation dose exceeds 10 kGy / min, the crosslinking is not uniformized or the intermolecular bond is broken, do.

가교가 끝난 전해질막은 100 내지 140℃에서 10 내지 14시간 동안 진공 건조하여 잔류하는 용매를 제거한 후, 상온까지 식힌 다음, 제조된 다이올 가교 탄화수소계 고분자 전해질막을 유리판에서 분리함으로써, 다이올 가교 탄화수소계 고분자 양이온교환막을 제조할 수 있다. The crosslinked electrolyte membrane was vacuum dried at 100 to 140 ° C for 10 to 14 hours to remove residual solvent, cooled to room temperature, and then the diol crosslinked hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane was separated from the glass plate to obtain a diol crosslinked hydrocarbon- A polymeric cation exchange membrane can be produced.

여기에 추가적으로 제조된 양이온교환막을 세척 및 건조시킴으로써 불순물을 제거하는 공정을 더 포함할 수 있다. 상기 불순물 제거 공정의 일 양태로 상기 제조된 양이온 교환막을 0.5 내지 2 M HCl 수용액과 증류수에 12 내지 72 시간 동안 침지시켜 불순물을 제거한 후 건조할 수 있다.The method may further include a step of removing the impurities by washing and drying the cation exchange membrane prepared additionally. In one embodiment of the impurity removal process, the prepared cation exchange membrane may be immersed in an aqueous solution of 0.5 to 2 M HCl and distilled water for 12 to 72 hours to remove impurities and then dried.

본 발명에 따른 탄화수소계 고분자 전해질막은 다이올 가교제와 탄화수소계 수지를 최적의 조성비로 혼합하여 첨가하고, 방사선을 조사하여 제조함으로써, 상온에서 단시간으로 가교반응시켜 가교공정이 단순하며, 충분한 겔화율 및 수분흡수율, 최대 180℃ 까지의 고온에서도 사용이 가능한 열적안정성을 가지고 있으며, 열경화로 제조된 고분자 전해질막보다 높은 수소이온 전도도를 보여 이온교환막, 연료전지막 등의 고분자 전해질막으로 유용하게 사용할 수 있다.
The hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane according to the present invention can be produced by mixing a diol cross-linking agent and a hydrocarbon-based resin at an optimum composition ratio and irradiating it with radiation to produce a cross-linking reaction at room temperature for a short time, It has a water absorption rate and thermal stability that can be used even at high temperatures up to 180 ° C. It has a hydrogen ion conductivity higher than that of a thermo-cured polymer electrolyte membrane and can be used as a polymer electrolyte membrane such as an ion exchange membrane and a fuel cell membrane have.

이하 본 발명에 따른 다이올 가교 탄화수소계 고분자 전해질막을 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 더욱 상세히 설명하기 위한 하나의 예시일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the diol crosslinked hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane according to the present invention will be described in more detail. However, the following examples are only illustrative of the present invention in further detail, and the present invention is not limited by the following examples.

하기 실시예 및 비교예를 통해 제조된 고분자 전해질막의 물성을 다음과 같이 측정하였다. Physical properties of the polymer electrolyte membrane prepared through the following examples and comparative examples were measured as follows.

(겔화도)(Degree of gelation)

제조된 고분자 전해질막을 DMAc에 하루 동안 담가둔 후, 무게 변화를 측정한 후 하기 식 1을 통해 겔화도를 측정하여 도 2에 기재하였다.The resulting polymer electrolyte membrane was immersed in DMAc for one day, and the change in weight was measured, and then the degree of gelation was measured by the following formula 1, and it is shown in FIG.

[식 1][Formula 1]

Figure pat00021
Figure pat00021

(상기 식 1에서 Wdry는 DMAc 용매에 담그기 전의 고분자 전해질막의 무게, Wdissolved는 DMAc 용매에 담근 후의 전해질막의 무게이다.)(W dry in the above formula 1 is the weight of the polymer electrolyte membrane before being immersed in the DMAc solvent, and W dissolved is the weight of the electrolyte membrane after immersing in the DMAc solvent.)

(이온교환용량(Ion exchange capacity, IEC))(Ion exchange capacity, IEC)

실시예 5, 11, 17, 23, 29, 35, 41에서 제조한 고분자 전해질막을 3M NaCl 용액에 24시간 넣어두어 술폰기의 H+를 Na+ 형태로 중화시킨 후, 0.1M NaOH를 이용하여 역중화 적정하였다. 정확한 중화 적정을 위해 automatic titrator DL22(Mettler Toledo Company, Switzerland)를 사용하였고, 하기 식 2를 이용하여 IEC 값을 계산하여 도 3에 기재하였다.The polymer electrolyte membranes prepared in Examples 5, 11, 17, 23, 29, 35 and 41 were placed in a 3M NaCl solution for 24 hours to neutralize H + of the sulfone group into Na + form, Respectively. For accurate neutralization titration, an automatic titrator DL22 (Mettler Toledo Company, Switzerland) was used and the IEC value was calculated using the following equation 2 and shown in FIG.

[식 2][Formula 2]

Figure pat00022
Figure pat00022

(상기 식 2에서 CNaOH는 NaOH의 농도, VNaOH는 중화 적정 중에 사용된 0.1M NaOH 용액의 부피, Wdry는 가교된 고분자 전해질막의 건조상태 무게이다.)(In the formula 2, C NaOH is the concentration of NaOH, V NaOH is the volume of 0.1 M NaOH solution used during neutralization titration, and W dry is the dry weight of the crosslinked polymer electrolyte membrane).

(수분흡수율)(Water absorption rate)

실시예 5, 11, 17, 23, 29, 35, 41에서 제조한 고분자 전해질막을 상온에서 24시간 동안 증류수에 담가둔 후, 전해질막 표면에 존재하는 수분을 제거하고 무게변화를 관찰한 후, 식 3을 이용하여 수분흡수율을 측정하여 하기 표 4에 기재하였다.After the polymer electrolyte membranes prepared in Examples 5, 11, 17, 23, 29, 35 and 41 were immersed in distilled water for 24 hours at room temperature, water present on the surface of the electrolyte membrane was removed, 3, and the results are shown in Table 4 below.

[식 3][Formula 3]

Figure pat00023
Figure pat00023

(상기 식 3에서 Wd는 건조된 필름의 무게이고, Ws는 수분을 흡수한 필름의 무게이다.)(Where W d is the weight of the dried film and W s is the weight of the film that has absorbed water).

(동적/기계적 성질)(Dynamic / mechanical properties)

실시예 5, 17, 29, 41로 제조한 고분자 전해질막의 동적/기계적 성질을 TA DMA Q800(TA Instruments, USA)를 이용하여 -50 내지 300℃ 온도 범위에서 1Hz 주파수로 실험을 실시하였고, 승온속도는 2℃/min으로 설정하여 측정된 값을 도 4에 기재하였다. The dynamic and mechanical properties of the polymer electrolyte membranes prepared in Examples 5, 17, 29 and 41 were tested at a frequency of 1 Hz in a temperature range of -50 to 300 ° C using a TA DMA Q800 (TA Instruments, USA) Is set at 2 [deg.] C / min and measured values are shown in Fig.

(이온전도도)(Ion conductivity)

실시예 5, 17, 29, 41로 제조한 고분자 전해질막 및 비교예 1, 3, 5, 7로 제조한 고분자 전해질막을 AC impedance analyzer (SI 1260, Solatron Company)를 이용하여 전해질의 저항을 측정하였다. 이때 임피던스 측정은 0.01 내지 100kHz의 주파수 범위에서 온도 변화에 따라 기록하였으며, 하기 식 4를 이용하여 수소이온 전도도를 계산하였고 그 결과를 도 5에 기재하였다.The polymer electrolyte membranes prepared in Examples 5, 17, 29 and 41 and the polymer electrolyte membranes prepared in Comparative Examples 1, 3, 5 and 7 were measured for the resistance of the electrolyte using an AC impedance analyzer (SI 1260, Solatron Company) . At this time, the impedance measurement was recorded according to the temperature change in the frequency range of 0.01 to 100 kHz, and the hydrogen ion conductivity was calculated using the following equation 4, and the results are shown in FIG.

[식 4][Formula 4]

Figure pat00024
Figure pat00024

(상기 식 4에서 L은 두 개의 전극간 거리, A는 고분자 전해질막의 두께 방향에 대한 넓이, R은 전기 저항이다)
(Where L is the distance between two electrodes, A is the width in the thickness direction of the polymer electrolyte membrane, and R is the electrical resistance)

<< 실시예Example 1> 방사선 가교 방법을 이용한 가교  1> Crosslinking using radiation crosslinking method SPEEKSPEEK 를 기본 골격으로 하는 As a basic skeleton 고분자전해질막의Polymer electrolyte membrane 제조 Produce

본 발명에 따른 고온 및 치수 안정성이 향상된 SPEEK(Sulfonate poly(ether ether ketone))를 기본 골격으로 하는 탄화수소계 가교구조를 가지는 고분자전해질막을 도 1에 나타낸 것과 같이 제조하였다.A polymer electrolyte membrane having a hydrocarbon-based crosslinking structure having SPEEK (sulfonate poly (ether ether ketone)) as a basic skeleton having improved high-temperature and dimensional stability according to the present invention was prepared as shown in Fig.

구체적으로,Specifically,

단계 1: Step 1: 모액을Mother liquor 제조하는 단계 Steps to manufacture

N,N-디메틸 아세트아미드(DMAc) 용매에 설포네이트 폴리(에테르 에테르 케톤)(SPEEK)과 화학식 1로 표시되는 가교제를 하기 표 1에 나타낸 조성비로 혼합하여 상온에서 모액을 제조하였다.
Sulfonate poly (ether ether ketone) (SPEEK) and a crosslinking agent represented by the formula (1) were mixed in the N, N-dimethylacetamide (DMAc) solvent at the composition ratios shown in Table 1 below to prepare a mother liquor at room temperature.

단계 2: Step 2: 모액을Mother liquor 유리판에 캐스팅하고  Cast on a glass plate 건조시키는Dry 단계 step

상기 단계 1에서 제조한 모액을 용액 케스팅 방법을 이용하여 상온에서 15 cm × 15cm 유리판에 골고루 분사시켰다. 상기 모액이 분산된 유리판을 70 ℃ 고온에서 건조시켜 용매인 N,N-디메틸 아세트아미드(DMAc)를 1시간 동안 증발시켰다.
The mother liquor prepared in the step 1 was uniformly sprayed on a 15 cm x 15 cm glass plate at room temperature using a solution casting method. The glass plate on which the mother liquor was dispersed was dried at 70 캜 and N, N-dimethylacetamide (DMAc) as a solvent was evaporated for 1 hour.

단계 3: 방사선을 조사하고 Step 3: Exposure to radiation 건조시키는Dry 단계 step

상기 단계 2에서 용매를 증발시킨 유리판을 6 kGy/min의 선량률로 전자선을 표 1에 나타낸 조사선량으로 조사하였다. 조사된 유리판을 120 ℃에서 약 12시간 진공 건조하여 잔류해 있는 DMAc 용매를 제거한 후 상온까지 식힌 다음, 제조된 고분자전해질막을 증류수를 이용하여 유리판에서 분리하였다. 마지막으로, 상기에서 제조한 고분자전해질막을 1 M HCl 수용액에 48시간 동안 넣어 두어 불순물을 제거하고 본 발명에 따른 가교 탄화수소계 고분자전해질막을 제조하였다.The glass plate on which the solvent was evaporated in the step 2 was irradiated with an irradiation dose shown in Table 1 at a dose rate of 6 kGy / min. The irradiated glass plate was vacuum dried at 120 ° C. for about 12 hours to remove residual DMAc solvent, and then cooled to room temperature. Then, the prepared polymer electrolyte membrane was separated from the glass plate using distilled water. Finally, the polyelectrolyte membrane prepared above was placed in a 1 M HCl aqueous solution for 48 hours to remove impurities to prepare a crosslinked hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane according to the present invention.

하기 표 1 및 2와 같이 실시예 1 내지 42를 제조하였다.Examples 1 to 42 were prepared as shown in Tables 1 and 2 below.

[표 1][Table 1]

Figure pat00025
Figure pat00025

[표 2][Table 2]

Figure pat00026
Figure pat00026

<< 비교예Comparative Example > > 열가교Thermal crosslinking 방법을 이용한 가교  Bridging method SPEEKSPEEK 를 기본 골격으로 하는 As a basic skeleton 고분자전해질막의Polymer electrolyte membrane 제조 Produce

기존에 사용되고 있는 열 경화 방법을 이용한 PEEK(Sulfonate poly(ether ether ketone))를 기본 골격으로 하는 탄화수소계 가교구조를 가지는 고분자 전해질막을 제조하였다.A polymer electrolyte membrane having a hydrocarbon bridge structure having a basic skeleton of PEEK (sulfonate poly (ether ether ketone)) using a thermosetting method which has been used in the prior art was prepared.

구체적으로,Specifically,

단계 1: Step 1: 모액을Mother liquor 제조하는 단계 Steps to manufacture

N,N-디메틸 아세트아미드(DMAc) 용매에 설포네이트 폴리(에테르에테르케톤)(SPEEK)과 화학식 1로 표시되는 가교제를 하기 표 2에 나타낸 조성비로 혼합하여 상온에서 모액을 제조하였다.
Sulfonate poly (ether ether ketone) (SPEEK) and a crosslinking agent represented by the formula (1) were mixed in a N, N-dimethylacetamide (DMAc) solvent at the composition ratios shown in Table 2 below to prepare a mother liquor at room temperature.

단계 2: Step 2: 모액을Mother liquor 유리판에 캐스팅하고  Cast on a glass plate 건조시키는Dry 단계 step

상기 단계 1에서 제조한 모액을 용액 케스팅 방법을 이용하여 상온에서 15 cm × 15cm 유리판에 골고루 분사시켰다. 상기 모액이 분산된 유리판을 80 ℃ 고온에서 건조시켜 용매인 N,N-디메틸 아세트아미드(DMAc)를 12시간 동안 증발시켰다.
The mother liquor prepared in the step 1 was uniformly sprayed on a 15 cm x 15 cm glass plate at room temperature using a solution casting method. The glass plate on which the mother liquor was dispersed was dried at a high temperature of 80 캜, and N, N-dimethylacetamide (DMAc) as a solvent was evaporated for 12 hours.

단계 3: 열 경화를 이용한 가교 단계Step 3: Cross-linking step using thermosetting

상기 단계 2에서 용매를 증발시킨 유리판을 진공 건조 조건에서 60 ℃에서 2시간, 80℃에서 2시간, 100 ℃에서 2시간, 120 ℃에서 2시간, 135 ℃에서 16시간 동안 열 가교 반응을 진행한 후 상온까지 식힌 다음, 제조된 고분자 전해질막을 증류수를 이용하여 유리판에서 분리하였다. 마지막으로, 상기에서 제조한 고분자전해질막을 1 M HCl 수용액에 48시간 동안 넣어 두어 불순물을 제거하고 탄화수소계 가교 구조를 가지는 고분자 전해질막을 제조하였다.The glass plate in which the solvent was evaporated in the step 2 was thermally crosslinked under vacuum drying conditions at 60 ° C for 2 hours, 80 ° C for 2 hours, 100 ° C for 2 hours, 120 ° C for 2 hours and 135 ° C for 16 hours After cooling to room temperature, the prepared polymer electrolyte membrane was separated from the glass plate using distilled water. Finally, the polyelectrolyte membrane prepared above was placed in a 1 M aqueous HCl solution for 48 hours to remove impurities, and a polymer electrolyte membrane having a hydrocarbon crosslinked structure was prepared.

하기 표 3과 같이 비교예 1 내지 7를 제조하였다.Comparative Examples 1 to 7 were prepared as shown in Table 3 below.

[표 3][Table 3]

Figure pat00027
Figure pat00027

먼저 겔화도의 경우, 도 2에 기재된 바와 같이 C5 내지 C60 조성비로 제조한 고분자 전해질막의 겔화도는 조사율 200 kGy에서 40%가 넘는 수치를 보이고 있다. 또한 조사율이 200 kGy 미만의 경우에도, 가교제 함량이 높을수록 겔화도가 증가하는 경향을 보이고 있다.First, in the case of gelation degree, as shown in FIG. 2, the gelation degree of the polymer electrolyte membrane prepared at the C5 to C60 composition ratio is more than 40% at the irradiation rate of 200 kGy. Also, even if the irradiation rate is less than 200 kGy, the degree of gelation tends to increase as the crosslinking agent content increases.

이온교환용량의 경우, 도 3에 기재된 바와 같이 방사선 가교방법으로 제조된(EB-irradiation) 실시예가 열가교 방법으로 제조된(thermal curing) 비교예에 비해 더 우수한 이온교환용량을 가짐을 알 수 있다. 특히 모든 실시예에서 이온교환용량이 1.61 meq/g인 것을 확인할 수 있다.In the case of the ion exchange capacity, it can be seen that the EB-irradiation embodiment prepared by the radiation crosslinking method as shown in Fig. 3 has better ion exchange capacity than the thermal curing comparative example . In particular, it can be confirmed that the ion exchange capacity is 1.61 meq / g in all the examples.

수분흡수율의 경우 하기 표 4와 같이 약 48% 미만으로 나타남을 확인할 수 있었다.As shown in Table 4 below, the moisture absorption rate was found to be less than about 48%.

[표 4][Table 4]

Figure pat00028
Figure pat00028

동적/기계적 성질의 경우, 도 4에 기재된 바와 같이 실시예에서 가교제 혼합물을 첨가하여 제조한 고분자 전해질막은 온도가 증가함에 따라 유리상, 고분자 주사슬의 유리전이온도, 이온 탄성율, 이온 결합에 의해 나타나는 유리전이온도를 보여준 후, 흐르는 성질을 가지고 있음을 확인할 수 있었다. 또한 모든 가교된 고분자 전해질막의 흐름이 시작되는 온도가 약 190℃임을 확인할 수 있었다.In the case of the dynamic / mechanical properties, as shown in FIG. 4, the polymer electrolyte membrane prepared by adding the crosslinking agent mixture in the Examples shows a glass transition temperature, ionic modulus, ionic bond After showing the transition temperature, it was confirmed that it had a flowing property. Also, it was confirmed that the temperature at which the flow of all the crosslinked polymer electrolyte membranes starts is about 190 ° C.

이온 전도도의 경우, 도 5에 기재된 바와 같이 실시예에 따른 고분자 전해질막의 수소이온 전도도는 온도 증가에 따라 모두 증가하고 있음을 확인할 수 있었다. 하지만 실시예 5의 경우, 60℃ 이상 온도가 상승할 경우, 이온 전도도가 감소하는 모습을 보이고 있다. 이러한 현상의 원인은 너무 많은 수분을 흡수하여 기계적 강도가 감소하기 때문에 나타나는 현상이다. 따라서 수화 안정성을 가지기 위해서는 겔화율 50% 이상의 막을 제조해야 함을 알 수 있다. 한편 비교예와 같이 열경화로 제조된 경우, 실시예에 비해 낮은 이온 전도도를 보여주고 있음을 확인할 수 있었다.In the case of ionic conductivity, as shown in FIG. 5, it was confirmed that the hydrogen ion conductivity of the polyelectrolyte membrane according to each example increased with increasing temperature. However, in the case of Example 5, the ionic conductivity decreases when the temperature rises above 60 ° C. This phenomenon is caused by the absorption of too much moisture and the decrease in mechanical strength. Therefore, it is understood that a film having a gelation rate of 50% or more is required to have hydration stability. On the other hand, when the thermosetting composition was prepared as in the comparative example, it was confirmed that the ion conductivity was lower than that of the examples.

따라서, 본 발명에 따른 고분자 전해질막은 상온에서 단시간으로 가교 반응시켜 가교공정이 단순하며, 충분한 겔화율 및 수분흡수율, 최대 180℃의 고온에서도 사용이 가능하여 열적 안정성이 우수하며, 열경화로 제조된 고분자 전해질막에 비해 높은 수소이온 전도도를 보여 이온교환막 연료전지막 등의 고분자 전해질막으로 유용하게 사용할 수 있다.Therefore, the polymer electrolyte membrane according to the present invention has a simple crosslinking process at a room temperature for a short period of time, has a sufficient gelation rate and water absorption rate, can be used even at a high temperature of 180 ° C, The polymer electrolyte membrane exhibits a higher hydrogen ion conductivity than the polymer electrolyte membrane and can be usefully used as a polymer electrolyte membrane such as an ion exchange membrane fuel cell membrane.

Claims (12)

a) 화학식 1로 표시되는 다이올 가교제, 탄화수소계 수지 및 용매를 포함하는 모액 제조단계; 및
b) 상기 모액을 캐스팅하고 방사선을 조사하는 단계;
를 포함하는 다이올 가교 탄화수소계 고분자 전해질막의 제조방법.
[화학식 1]
Figure pat00029

(상기 화학식 1에서 A는
Figure pat00030
이고;
상기 R1 및 R3는 각각 독립적으로 (C1-C20)알킬렌, (C3-C20)시클로알킬렌, (C3-C20)헤테로시클로알킬렌, (C6-C20)아릴렌 또는 (C6-C20)헤테로아릴렌으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있고;
상기 R2는 단일결합,
Figure pat00031
,
Figure pat00032
로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있으며;
상기 m 및 n은 각각 독립적으로 0 내지 10의 정수이되 m과 n이 동시에 0인 경우는 제외한다.)
a) preparing a mother liquor comprising a diol crosslinking agent, a hydrocarbon resin and a solvent represented by the general formula (1); And
b) casting said mother liquor and irradiating it with radiation;
Based polymer electrolyte membrane.
[Chemical Formula 1]
Figure pat00029

(Wherein A in the above formula
Figure pat00030
ego;
Each R 1 and R 3 are independently (C1-C20) alkylene, (C3-C20) cycloalkylene, (C3-C20) heterocycloalkyl alkylene, (C6-C20) arylene or (C6-C20) Lt; / RTI &gt; and heteroarylene;
Wherein R &lt; 2 &gt; is a single bond,
Figure pat00031
,
Figure pat00032
&Lt; / RTI &gt;
M and n are each independently an integer of 0 to 10, except when m and n are 0 at the same time.
제 1항에 있어서,
상기 A는 하기 화학식 2 내지 6으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나인 다이올 가교 탄화수소계 고분자 전해질막의 제조방법.
[화학식 2]
[화학식 2]
Figure pat00033

[화학식 3]
Figure pat00034

[화학식 4]
Figure pat00035

[화학식 5]
Figure pat00036

[화학식 6]
Figure pat00037

(상기 화학식 2에서 l는 2 내지 10의 정수이다.)
The method according to claim 1,
Wherein A is any one selected from the group consisting of the following formulas (2) to (6).
(2)
(2)
Figure pat00033

(3)
Figure pat00034

[Chemical Formula 4]
Figure pat00035

[Chemical Formula 5]
Figure pat00036

[Chemical Formula 6]
Figure pat00037

(In the formula (2), 1 is an integer of 2 to 10)
제 1항에 있어서,
상기 다이올 가교제는 하기 화학식 7 내지 13에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상인 다이올 가교 탄화수소계 고분자 전해질막의 제조방법.
[화학식 7]
Figure pat00038

[화학식 8]
Figure pat00039

[화학식 9]
Figure pat00040

[화학식 10]
Figure pat00041

[화학식 11]
Figure pat00042

[화학식 12]
Figure pat00043

[화학식 13]
Figure pat00044
The method according to claim 1,
Wherein the diol cross-linking agent is any one or two or more selected from the following formulas (7) to (13).
(7)
Figure pat00038

[Chemical Formula 8]
Figure pat00039

[Chemical Formula 9]
Figure pat00040

[Chemical formula 10]
Figure pat00041

(11)
Figure pat00042

[Chemical Formula 12]
Figure pat00043

[Chemical Formula 13]
Figure pat00044
제 1항에 있어서,
상기 모액은 다이올 가교제 0.5 내지 15 중량%, 탄화수소계 수지 5 내지 30 중량% 및 용매 65 내지 90 중량%를 포함하는 것인 다이올 가교 탄화수소계 고분자 전해질막의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the mother liquor comprises 0.5 to 15% by weight of a diol cross-linking agent, 5 to 30% by weight of a hydrocarbon-based resin and 65 to 90% by weight of a solvent.
제 1항에 있어서,
상기 용매는 N,N-디메틸아세트아미드, N-메틸-2-피롤리돈, 디메틸설폭사이드, 테트라히드로푸란, 디메틸포름아미드, 톨루엔, 사이클로헥산, 벤젠, 클로로벤젠, 디페닐에테르 및 1,3,5-트리메틸벤젠으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 다이올 가교 탄화수소계 고분자 전해질막의 제조방법.
The method according to claim 1,
The solvent is selected from the group consisting of N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethylsulfoxide, tetrahydrofuran, dimethylformamide, toluene, cyclohexane, benzene, chlorobenzene, , 5-trimethylbenzene, or a mixture of two or more thereof.
제 1항에 있어서,
상기 탄화수소계 수지는 술포네이트폴리에테르에테르케톤, 술포네이트폴리아릴에테르술폰, 술포네이트폴리이미드 및 술포네이트폴리페닐렌옥사이드로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 다이올 가교 탄화수소계 고분자 전해질막의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the hydrocarbon resin is at least one selected from the group consisting of a sulfonate polyether ether ketone, a sulfonate polyaryl ether sulfone, a sulfonate polyimide, and a sulfonate polyphenylene oxide, wherein the diol crosslinked hydrocarbon polymer electrolyte &Lt; / RTI &gt;
제 1항에 있어서,
상기 방사선은 감마선, 자외선 및 전자선으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나인 다이올 가교 탄화수소계 고분자 전해질막의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the radiation is any one selected from the group consisting of gamma rays, ultraviolet rays, and electron beams.
제 7항에 있어서,
상기 방사선은 전자선인 다이올 가교 탄화수소계 고분자 전해질막의 제조방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the radiation is an electron beam.
제 7항에 있어서,
상기 방사선은 0.1 내지 10 kGy/min의 선량율로 50 내지 600 kGy 조사선량으로 조사하는 것인 다이올 가교 탄화수소계 고분자 전해질막의 제조방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the radiation is irradiated at an irradiation dose of 50 to 600 kGy at a dose rate of 0.1 to 10 kGy / min.
제 1항 내지 제 9항 중에서 선택되는 어느 하나의 방법으로 제조된 다이올 가교 탄화수소계 고분자 전해질막.10. A diol crosslinked hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane produced by any one of the methods selected from the group consisting of the first to the ninth aspects. 제 10항의 다이올 가교 탄화수소계 고분자 전해질막을 포함하는 이온교환막.An ion exchange membrane comprising the diol bridged hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane of claim 10. 제 10항의 다이올 가교 탄화수소계 고분자 전해질막을 포함하는 연료전지막.A fuel cell membrane comprising the diol bridged hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane of claim 10.
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