KR20150100301A - Porous support, method for manufacturing the same, and reinforced membrane comprising the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 다공성 지지체, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 강화막에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 통기도 및 통수도가 우수하면서 내구성, 내열성 및 내화학성이 우수할 뿐만 아니라, 친수성이 우수한 다공성 지지체, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 강화막에 관한 것이다.The present invention relates to a porous support, a method for producing the same, and a reinforcing membrane comprising the porous support. More particularly, the present invention relates to a porous support excellent in durability, heat resistance and chemical resistance as well as excellent in hydrophilicity, And a reinforcing film comprising the same.
나노섬유는 표면적이 넓고 다공성이 우수하기 때문에 정수용 필터, 공기 정화용 필터, 복합재료, 전지용 분리막 등의 다양한 용도로 이용되고 있으며, 특히 자동차용 연료전지에 사용되는 강화복합막에 유용하게 적용될 수 있다.Since nanofibers have a wide surface area and excellent porosity, they are used in various applications such as water purification filters, air purification filters, composite materials, and separators for batteries. Especially, they can be effectively applied to reinforced composite membranes used in fuel cells for automobiles.
연료전지는 수소와 산소를 연료로 작동되는 전기화학적 장치로서, 생성물이 순수한 물과 재사용가능한 열이기 때문에 현재 친환경적인 장치로 대두되고 있다. 또한 작동이 간단하고 높은 출력밀도와 무소음 등의 장점으로 인해 가정용, 자동차용, 발전용 등의 전원으로 다양하게 쓰이고 있다.Fuel cells are an electrochemical device that is powered by hydrogen and oxygen, and they are now becoming environmentally friendly because their products are pure water and reusable heat. In addition, it is widely used as a power source for household, automobile, and power generation due to simple operation, high output density and quietness.
연료전지는 전해질막의 종류에 따라 알칼리 전해질 연료전지, 직접 산화형 연료전지, 고분자 전해질막 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC) 등으로 구분될 수 있는데, 그중 고분자 전해질막 연료전지는 수소이온(H+)이 산화극(anode)에서 환원극(cathode)로 넘어가면서 전기를 발생시키는 원리로 상온에서 작동이 가능하며, 다른 연료전지에 비해 활성화되는 시간이 매우 짧다는 장점을 가지고 있다. Fuel cells can be divided into alkali electrolyte fuel cells, direct oxidation fuel cells, polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) and the like depending on the type of electrolyte membrane. Among them, polymer electrolyte membrane fuel cells are classified into hydrogen ion H + ) is generated from the anode to the cathode and generates electricity. The fuel cell can operate at room temperature and has a shorter activation time than other fuel cells.
고분자 전해질막 연료전지는 고분자 전해질막을 사이에 두고 산화극과 환원극이 형성된 막-전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA)와 세퍼레이터(바이폴라플레이트(bipolar plate) 라고도 함)를 포함하는 전기 발생부와, 상기 전기 발생부에 연료를 공급하는 연료공급부, 그리고 산소 또는 공기와 같은 산화제를 상기 전기 발생부에 공급하는 산화제 공급부로 이루어져 있다.A polymer electrolyte membrane fuel cell includes an electricity generating unit including a membrane electrode assembly (MEA) and a separator (also referred to as a bipolar plate) in which an oxide electrode and a reducing electrode are formed with a polymer electrolyte membrane interposed therebetween, A fuel supply unit for supplying fuel to the electricity generation unit, and an oxidant supply unit for supplying an oxidant such as oxygen or air to the electricity generation unit.
고분자 전해질막은 수소이온의 전도체로서 불소계나 탄화수소계 등 고분자로 이루어진 단일막과, 상기 고분자와 함께 유?무기물질 또는 다공성 지지체 등을 복합화하여 사용한 복합막으로 나눌 수 있다. 단일막의 경우 과불소계 고분자인 듀폰(DuPont)사의 나피온(Nafion™)이 가장 많이 사용되고 있지만, 가격이 비싸고 기계적 형태안정성이 낮으며 두께가 두꺼워 막 저항이 크다는 단점이 있다.The polymer electrolyte membrane can be divided into a single membrane composed of a polymer such as a fluorine-based or hydrocarbon-based polymer as a conductor of a hydrogen ion and a composite membrane formed by combining an organic or inorganic material or a porous support together with the polymer. In the case of a single membrane, Nafion (TM) of DuPont, which is a perfluorinated polymer, is most widely used, but it is expensive, has low mechanical stability, and has a thick membrane resistance.
이러한 단점을 극복하기 위해 기계적 및 형태 안정성을 강화한 복합막에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 그 중 다공성 지지체에 이온 전도체를 함침하는 개념의 세공 충진막은 가격이 저렴할 뿐만 아니라 성능 기계적, 형태안정성을 가지고 있어 많은 연구가 이루어지고 있다.In order to overcome these disadvantages, research has been actively conducted on composite membranes having enhanced mechanical and morphological stability. Among them, porous membrane having a concept of impregnating an ion conductor on a porous support is not only inexpensive, but also has performance mechanical and shape stability Many studies have been made.
세공 충진막에 쓰이는 일반적인 지지체로 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE)이 사용되고 있다. 그러나 PTFE 지지체의 경우 내화학성은 우수하지만 다공도가 40 내지 60%로 낮다는 문제점이 있다.Polytetrafluoroethylene (PTFE) is used as a general support for pore filling membranes. However, the PTFE support has a problem that the chemical resistance is excellent but the porosity is as low as 40 to 60%.
본 발명의 목적은 통기도 및 통수도가 우수하면서 내구성, 내열성 및 내화학성이 우수할 뿐만 아니라, 친수성이 우수한 다공성 지지체를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a porous support excellent in durability, heat resistance and chemical resistance as well as excellent in hydrophilicity while having excellent air permeability and passage capacity.
본 발명의 다른 목적은 상기 다공성 지지체를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for producing the porous support.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 다공성 지지체를 포함하는 강화막을 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a reinforcing membrane comprising the porous support.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 나노 섬유들이 다수의 기공을 포함하는 부직포 형태로 집적된 나노웹을 포함하며, 상기 나노웹의 일면 또는 양면의 표면에 무기물이 증착된 다공성 지지체를 제공한다.According to an embodiment of the present invention, there is provided a porous support comprising nanofibers integrated into a nonwoven fabric including a plurality of pores, the inorganic fibers being deposited on one or both surfaces of the nanofibers.
상기 무기물은 아나타제형 이산화티타늄(TiO2 anatase), 루타일형 이산화티타늄(TiO2 rutile), 브룩카이트형 이산화티타늄(TiO2 brookite), 이산화주석(SnO), 이산화지르코늄(ZrO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화 단일벽 탄소나노뷰브, 산화 다중벽 탄소나노튜브, 산화 그라파이트 옥사이드, 산화그래핀 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.The inorganic material may be selected from the group consisting of anatase type titanium dioxide (TiO 2 anatase), rutile type titanium dioxide (TiO 2 rutile), brookite type titanium dioxide (TiO 2 brookite), tin dioxide (SnO), zirconium dioxide (ZrO 2 ) Al 2 O 3 , oxidized single wall carbon nanotubes, oxidized multiwall carbon nanotubes, oxidized graphite oxide, oxidized graphene, and combinations thereof.
상기 나노웹의 포화 함습 도달 시간이 1초 내지 5분일 수 있다.The saturation hindrance time of the nano web may be 1 second to 5 minutes.
상기 나노웹은 수분율이 3.0% 이상일 수 있다.The moisture content of the nano-web may be 3.0% or more.
상기 나노웹은 위킹 테스트(wicking test)에 의한 젖음성이 2 내지 15cm일 수 있다.The nano-web may have a wettability of 2 to 15 cm by a wicking test.
상기 나노웹은 접촉각(contact angle)이 90° 이하일 수 있다.The nano-web may have a contact angle of 90 ° or less.
상기 나노 섬유는 상기 나노 섬유 고분자 100 중량부에 대하여 친수화 첨가제를 0.1 내지 20 중량부로 포함할 수 있다.The nanofiber may include 0.1 to 20 parts by weight of a hydrophilic additive to 100 parts by weight of the nanofiber polymer.
상기 나노웹의 기공 내부에 친수화 첨가제가 함침될 수 있다.The hydrophilic additive may be impregnated into the pores of the nanoweb.
상기 나노웹의 일면 또는 양면의 표면에 친수화 첨가제가 코팅될 수 있다.The hydrophilic additive may be coated on one surface or both surfaces of the nano web.
상기 친수화 첨가제는 아나타제형 이산화티타늄(TiO2 anatase), 루타일형 이산화티타늄(TiO2 rutile), 브룩카이트형 이산화티타늄(TiO2 brookite), 이산화주석(SnO), 이산화지르코늄(ZrO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화 단일벽 탄소나노뷰브, 산화 다중벽 탄소나노튜브, 산화 그라파이트 옥사이드, 산화그래핀 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.The hydrophilic additive may be selected from the group consisting of anatase type titanium dioxide (TiO 2 anatase), rutile type titanium dioxide (TiO 2 rutile), brookite type titanium dioxide (TiO 2 brookite), tin dioxide (SnO 2 ), zirconium dioxide Aluminum (Al 2 O 3 ), oxidized single wall carbon nanotube, oxidized multiwall carbon nanotube, oxidized graphite oxide, oxidized graphene, and combinations thereof.
상기 친수화 첨가제는 폴리하이드로에틸메탈크릴레이트 폴리비닐아세테이트, 폴리우레탄, 폴리디메틸실록산, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 에폭시 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.Wherein the hydrophilic additive is selected from the group consisting of polyhydroxyethyl methacrylate polyvinyl acetate, polyurethane, polydimethylsiloxane, polyimide, polyamide, polyethylene terephthalate, polymethyl methacrylate, epoxy, It can be one.
상기 친수화 첨가제의 평균 입경은 0.1 내지 1㎛인 나노 친수화 첨가제일 수 있다.The hydrophilic additive may be an nano-hydrophilic additive having an average particle diameter of 0.1 to 1 占 퐉.
상기 나노 섬유는 폴리이미드 나노 섬유일 수 있다.The nanofiber may be a polyimide nanofiber.
상기 폴리이미드의 주쇄는 아민기, 카르복실기, 하이드록시기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 치환기를 포함할 수 있다.The main chain of the polyimide may include any one substituent selected from the group consisting of an amine group, a carboxyl group, a hydroxyl group, and combinations thereof.
상기 폴리이미드는 디아민(diamine), 디언하이드라이드(dianhydride), 및 하이드록시기를 포함하는 공단량체(comonomer)를 중합시켜 제조된 폴리아믹산을 이미드화시켜 제조될 수 있다.The polyimide may be prepared by imidizing a polyamic acid prepared by polymerizing a comonomer including a diamine, a dianhydride, and a hydroxy group.
상기 하이드록시기를 포함하는 디아닐린, 하이드록시기를 포함하는 디페닐 우레아, 하이드록시기를 포함하는 디아민 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.Dianiline including a hydroxy group, diphenylurea including a hydroxy group, diamine including a hydroxy group, and combinations thereof.
상기 나노웹은 일면 또는 양면의 표면이 플라즈마 처리될 수 있다.The nanoweb may be plasma treated on one or both surfaces.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 디아민 및 디언하이드라이드를 용매에 첨가하여 전기 방사 용액을 제조하는 단계, 상기 제조된 전기 방사 용액을 전기 방사하여 나노 섬유들이 다수의 기공을 포함하는 부직포 형태로 집적된 폴리아믹산 나노웹을 제조하는 단계, 그리고 상기 폴리아믹산 나노웹을 이미드화시켜 폴리이미드 나노웹을 제조하는 단계를 포함하며, 상기 나노웹의 일면 또는 양면의 표면에 무기물을 증착시키는 단계를 더 포함하는 것인 다공성 지지체의 제조 방법을 제공한다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a method for producing an electrospinning solution, comprising the steps of: preparing an electrospinning solution by adding a diamine and a dianhydride to a solvent; electrospinning the electrospinning solution to prepare a nanofibers in the form of a nonwoven fabric Preparing an integrated polyamic acid nano-web, and imidizing the polyamic acid nano-web to produce a polyimide nano-web, wherein the step of depositing an inorganic material on one or both surfaces of the nano- Wherein the porous support is a porous support.
상기 무기물을 증착시키는 방법은 스퍼터링일 수 있다.The method of depositing the inorganic material may be sputtering.
상기 전기 방사 용액에 하이드록시기를 포함하는 공단량체를 더 첨가할 수 있다.A comonomer containing a hydroxy group may be further added to the electrospinning solution.
상기 폴리이미드 나노웹이 포함하는 상기 나노 섬유의 주쇄는 아민기, 카르복실기, 하이드록시기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 치환기로 치환될 수 있다.The main chain of the nanofibers included in the polyimide nanoweb may be substituted with any one substituent selected from the group consisting of an amine group, a carboxyl group, a hydroxyl group, and a combination thereof.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 전기 방사 용액을 전기 방사하여 나노 섬유들이 다수의 기공을 포함하는 부직포 형태로 집적된 나노웹을 제조하는 단계를 포함하며, 상기 나노웹의 일면 또는 양면의 표면에 무기물을 증착시키는 단계를 더 포함하는 것인 다공성 지지체의 제조 방법을 제공한다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing a nanofabric nanofiber, comprising the steps of: electrospinning an electrospinning solution to produce a nanofiber web in which nanofibers are integrated into a nonwoven fabric including a plurality of pores; And depositing an inorganic material on the surface of the porous support.
상기 무기물을 증착시키는 방법은 스퍼터링일 수 있다.The method of depositing the inorganic material may be sputtering.
상기 전기 방사 용액에 친수성 첨가제를 더 첨가할 수 있다.A hydrophilic additive may be further added to the electrospinning solution.
상기 나노웹의 기공 내부에 친수화 첨가제를 함침시키는 단계를 더 포함할 수 있다.And further impregnating the inside of the pores of the nano web with a hydrophilic additive.
상기 나노웹의 일면 또는 양면의 표면에 친수화 첨가제를 코팅하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include coating a hydrophilic additive on one surface or both surfaces of the nano web.
상기 나노웹의 일면 또는 양면을 플라즈마 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include plasma-treating one or both surfaces of the nano-web.
상기 플라즈마 처리는 저온 플라즈마 또는 RF(radio frequency) 플라즈마를 사용하여 상기 나노웹의 일면 또는 양면에 친수성기를 부여할 수 있는 기체로 처리하는 것일 수 있다.The plasma treatment may be performed using a gas capable of imparting a hydrophilic group to one or both surfaces of the nanoweb by using a low-temperature plasma or a radio frequency (RF) plasma.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 다공성 지지체, 그리고 상기 다공성 지지체의 기공을 채우고 있는 이온 교환 폴리머를 포함하는 강화막을 제공한다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a reinforced membrane comprising the porous support and an ion exchange polymer filling the pores of the porous support.
기타 본 발명의 실시예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.Other details of the embodiments of the present invention are included in the following detailed description.
본 발명에 따른 다공성 지지체는 통기도 및 통수도가 우수하면서 내구성, 내열성 및 내화학성이 우수할 뿐만 아니라, 친수성이 우수하다.The porous support according to the present invention is excellent in durability, heat resistance and chemical resistance as well as excellent in hydrophilicity because it has excellent air permeability and water permeability.
도 1은 노즐형 전기 방사 장치의 개략도이다.1 is a schematic view of a nozzle-type electrospinning device.
이하, 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, the present invention is not limited thereto, and the present invention is only defined by the scope of the following claims.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present invention, terms such as "comprises" or "having" are used to designate the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.
본 명세서에 기재된 용어 "나노"란 나노 스케일을 의미하며, 1 ㎛ 이하의 크기를 포함한다. The term "nano," as used herein, refers to nanoscale and includes a size of 1 μm or less.
본 명세서에 기재된 용어 "직경"이란, 섬유의 중심을 지나는 단축의 길이를 의미하고, "길이"란 섬유의 중심을 지나는 장축의 길이를 의미한다.The term "diameter " as used herein means the length of the minor axis passing through the center of the fiber, and" length "means the length of the major axis passing through the center of the fiber.
본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 지지체는 나노 섬유들이 다수의 기공을 포함하는 부직포 형태로 집적된 나노웹을 포함한다.A porous support according to an embodiment of the present invention includes a nanofiber in which nanofibers are integrated into a nonwoven fabric including a plurality of pores.
상기 나노 섬유는 우수한 내화학성을 나타내고, 소수성을 가져 고습의 환경에서 수분에 의한 형태 변형 우려가 없는 탄화수소계 고분자를 바람직하게 사용할 수 있다. 구체적으로 상기 탄화수소계 고분자로는 나일론, 폴리이미드, 폴리아라미드, 폴리에테르이미드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리아닐린, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 스티렌 부타디엔 고무, 폴리스티렌, 폴리비닐 클로라이드, 폴리비닐알코올, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐 부틸렌, 폴리우레탄, 폴리벤즈옥사졸, 폴리벤즈이미다졸, 폴리아미드이미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 이들의 공중합체, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있으며, 이중에서도 내열성, 내화학성, 및 형태 안정성이 보다 우수한 폴리이미드를 바람직하게 사용할 수 있다.The nanofiber exhibits excellent chemical resistance and can be preferably used because it has hydrophobicity and has no fear of morphological change due to moisture in a high humidity environment. Examples of the hydrocarbon-based polymer include nylon, polyimide, polyaramid, polyetherimide, polyacrylonitrile, polyaniline, polyethylene oxide, polyethylene naphthalate, polybutylene terephthalate, styrene butadiene rubber, polystyrene, polyvinyl chloride, Polyolefins such as polyvinyl alcohol, polyvinylidene fluoride, polyvinyl butylene, polyurethane, polybenzoxazole, polybenzimidazole, polyamideimide, polyethylene terephthalate, polyethylene, polypropylene, copolymers thereof and mixtures thereof . Among them, polyimide having better heat resistance, chemical resistance, and shape stability can be preferably used.
상기 다공성 지지체는 전기 방사에 의해 제조된 나노 섬유가 랜덤하게 배열된 나노 섬유의 집합체, 즉, 나노웹을 포함한다. 이때 상기 나노 섬유는 나노웹의 다공도 및 두께를 고려하여, 전자주사현미경(Scanning Electron Microscope, JSM6700F, JEOL)을 이용하여 50개의 섬유 직경을 측정하여 그 평균으로부터 계산했을 때, 40 내지 5000㎚의 평균 직경을 갖는 것이 바람직하다. 만일 상기 나노 섬유의 평균 직경이 40㎚ 미만일 경우 다공성 지지체의 기계적 강도가 저하될 수 있고, 상기 나노 섬유의 평균 직경이 5,000㎚를 초과할 경우 다공도가 현저히 떨어지고 두께가 두꺼워질 수 있다. The porous support includes a collection of nanofibers in which nanofibers produced by electrospinning are randomly arranged, that is, nanobubbles. In consideration of the porosity and thickness of the nanofibers, the nanofibers were measured for 50 fiber diameters using a scanning electron microscope (JSM6700F, JEOL) and the average of 40 to 5000 nm Diameter. If the average diameter of the nanofibers is less than 40 nm, the mechanical strength of the porous support may be lowered. If the average diameter of the nanofibers exceeds 5,000 nm, the porosity may be significantly decreased and the thickness may be increased.
상기 나노웹은 상기와 같은 나노 섬유로 이루어짐으로써, 50% 이상의 다공도를 가질 수 있다. 이와 같이 50% 이상의 다공도를 가짐에 따라, 다공성 지지체의 비표면적이 커지기 때문에 분리막으로 적용시 전해질의 함침이 용이하고, 그 결과로 전지의 효율을 향상시킬 수 있다. 한편, 상기 나노웹은 90% 이하의 다공도를 갖는 것이 바람직하다. 만일, 상기 나노웹의 다공도가 90%를 초과할 경우 형태 안정성이 저하됨으로써 후공정이 원활하게 진행되지 않을 수 있다. 상기 다공도는 하기 수학식 1에 따라 다공성 지지체 전체부피 대비 공기부피의 비율에 의하여 계산할 수 있다. 이때, 전체부피는 직사각형 형태의 샘플을 제조하여 가로, 세로, 두께를 측정하여 계산하고, 공기부피는 샘플의 질량을 측정 후 밀도로부터 역산한 고분자 부피를 전체부피에서 빼서 얻을 수 있다.The nano-web is made of the nanofiber as described above, and thus can have a porosity of 50% or more. Since the porous support has a specific surface area of 50% or more as described above, it is easy to impregnate the electrolyte when applied as a separation membrane, and as a result, the efficiency of the battery can be improved. On the other hand, the nano-web preferably has a porosity of 90% or less. If the porosity of the nano-web exceeds 90%, the morphology of the nano-web may be deteriorated and the post-process may not proceed smoothly. The porosity can be calculated according to the ratio of the volume of air to the total volume of the porous support according to Equation (1). In this case, a rectangular volume sample is prepared and measured by measuring the width, length, and thickness, and the air volume can be obtained by subtracting the volume of the polymer inversely calculated from the density after measuring the mass of the sample from the total volume.
[수학식 1][Equation 1]
다공도(%) = (나노웹 내 공기부피/다공성 지지체의 전체부피)×100Porosity (%) = (air volume in nano web / total volume of porous support) x 100
또한, 상기 나노웹은 5 내지 50㎛의 평균 두께를 가질 수 있다. 상기 나노웹의 두께가 5㎛ 미만이면 분리막으로 적용시 기계적 강도 및 치수안정성이 현저히 떨어질 수 있고, 반면 두께가 50㎛를 초과하면 분리막으로의 적용시 저항손실이 증가하고, 경량화 및 집적화가 떨어질 수 있다. 보다 바람직한 나노웹의 두께는 10 내지 30㎛의 범위이다.In addition, the nanoweb may have an average thickness of 5 to 50 탆. If the thickness of the nano-web is less than 5 탆, the mechanical strength and dimensional stability of the separator may be significantly deteriorated. On the other hand, when the thickness of the nano-web exceeds 50 탆, resistance loss increases, have. More preferably, the thickness of the nano-web is in the range of 10 to 30 占 퐉.
상기 나노웹이 우수한 다공도 및 최적화된 직경을 갖는 나노 섬유와 두께를 가지고, 제조가 용이하며, 전해질 함침 후 우수한 인장 강도를 나타내기 위해서는 상기 나노웹을 구성하는 고분자가 30,000 내지 500,000g/mol의 중량평균 분자량을 갖는 것이 바람직하다. 만일, 상기 나노웹을 구성하는 고분자의 중량평균 분자량이 30,000g/mol 미만일 경우 나노웹의 다공도 및 두께를 용이하게 제어할 수 있으나, 다공도 및 습윤처리 후 인장 강도가 저하될 수 있다. 반면, 상기 나노웹을 구성하는 고분자의 중량평균 분자량이 500,000g/mol을 초과할 경우 내열성은 다소 향상될 수 있으나, 제조공정이 원활하게 진행되지 않고 다공도가 저하될 수 있다. In order for the nano-web to have a thickness of nanofibers having excellent porosity and optimized diameter and being easy to manufacture and to exhibit excellent tensile strength after electrolyte impregnation, the polymer constituting the nano-web has a weight of 30,000 to 500,000 g / mol It is preferable to have an average molecular weight. If the weight average molecular weight of the polymer constituting the nano-web is less than 30,000 g / mol, porosity and thickness of the nano-web can be easily controlled, but tensile strength after porosity and wet treatment may be lowered. On the other hand, if the weight average molecular weight of the polymer constituting the nano-web exceeds 500,000 g / mol, the heat resistance may be somewhat improved, but the manufacturing process may not proceed smoothly and the porosity may be lowered.
또한, 상기 나노웹은 상술한 바와 같은 범위의 중량평균 분자량을 갖고 최적의 경화 조건에서 고분자 전구체가 고분자로 변환됨에 따라, 내열성이 180℃ 이상, 바람직하게는 300℃ 이상일 수 있다. 만일, 상기 나노웹의 내열성이 180℃ 미만일 경우 내열성이 떨어짐에 따라 고온에서 쉽게 변형될 수 있고, 이에 따라 이를 이용하여 제조한 전기화학소자는 성능이 저하될 수 있다. 또한, 상기 나노웹의 내열성이 떨어질 경우 이상 발열에 의해 형태가 변형되어 성능이 저하되고 심할 경우 파열되어 폭발하는 문제가 생길 수 있다.The nano-web may have a weight average molecular weight in the range described above, and may have a heat resistance of 180 ° C or higher, preferably 300 ° C or higher, as the polymer precursor is converted into a polymer under optimal curing conditions. If the heat resistance of the nano-web is less than 180 ° C, the nano-web may be easily deformed at a high temperature as heat resistance deteriorates, and thus the performance of the electrochemical device manufactured using the nano-web may deteriorate. Also, when the heat resistance of the nano web is deteriorated, the shape of the nano web may be deformed due to abnormal heat generation, and the performance may be deteriorated.
상기 나노웹은 상온 내지 100℃에서 유기 용매에 불용하여 화학적으로 안정성을 가질 수 있다. 상기 유기 용매는 NMP, DMF, DMAc, DMSO, THF 등의 통상의 유기 용매일 수 있다.The nano-web is insoluble in an organic solvent at room temperature to 100 < 0 > C and can be chemically stable. The organic solvent may be an organic solvent such as NMP, DMF, DMAc, DMSO, THF or the like.
상기 나노웹은 변형율이 10 길이% 이하일 수 있고, 바람직하게 5 길이% 이하일 수 있다. 상기 변형율은 시편 가로 100 mm 세로 100 mm을 200 ℃에 24시간 상기 나노웹을 방치 하여 방치 전후의 가로, 세로 변형율의 평균으로 측정할 수 있다. 상기 변형율이 10 길이%를 초과하는 경우 지지체의 치수 안정성과 고온 환경하에서 형태 변형이 이루어질 수 있다.The nano-web may have a strain of 10% or less and preferably 5% or less. The strain rate can be measured as an average of the transverse and longitudinal strains before and after leaving the nano-web at 100 ° C for 100 mm and 200 ° C for 24 hours. If the strain exceeds 10% by length, the dimensional stability of the support and morphological deformation can be achieved under high temperature environment.
상기 나노웹은 폴리이미드로 이루어진 경우 이미드 전환율이 90% 이상일 수 있고, 바람직하게 99% 이상일 수 있다. 상기 이미드 전환율은 상기 나노웹에 대하여 적외선 스펙트럼을 측정하여, 1375㎝-1에서의 이미드 C-N 흡광도 대 1500㎝-1에서의 p-치환된 C-H 흡광도의 비를 계산하여 측정할 수 있다. 상기 이미드 전환율이 90% 미만인 경우 미반응 물질로 인하여 물성 저하와 형태 안정성을 담보 할 수 없다.When the nano-web is made of polyimide, the imide conversion may be 90% or more, preferably 99% or more. The imide conversion rate was measured by the infrared spectrum with respect to the nano web, it can be determined by calculating the ratio of the p- substituted CH absorbance already de CN absorbance versus 1500㎝ -1 in 1375㎝ -1. If the imide conversion is less than 90%, the physical properties and shape stability can not be secured due to unreacted materials.
상기 나노웹은 공기 투과도가 50 내지 250lpm 일 수 있고, 바람직하게 100 내지 150lpm 일 수 있다. 상기 공기 투과도는 ISO 9237 방법에 의하여 측정할 수 있다. 상기 공기 투과도가 50lpm 미만인 경우 전해액의 흡수가 어려워질 수 있고, 250lpm을 초과하는 경우 전해액을 충분히 포함시키지 못할 수 있다.The nano-web may have an air permeability of 50 to 250 lpm, and preferably 100 to 150 lpm. The air permeability can be measured by the ISO 9237 method. When the air permeability is less than 50 lpm, absorption of the electrolyte may become difficult, and when the air permeability exceeds 250 lpm, the electrolyte may not be sufficiently contained.
상기 나노웹은 친수성이 우수하여 포화 함습 도달 시간이 1초 내지 5분일 수 있고, 바람직하게 1초 내지 3분일 수 있고, 보다 바람직하게 1초 내지 60초일 수 있다. 상기 포화 함습 도달 시간은 KS K ISO 9073-6, 텍스타일-부직포 시험방법-제 6부: 흡수 측정 규격중 액체 흡습시간 방법에 의거하여, 물을 25mm 높이에서 낙하시켜 시편이 완전히 젖는 시간을 측정할 수 있다.The nanoweb may have a saturated hydrophilic time of from 1 second to 5 minutes, preferably from 1 second to 3 minutes, and more preferably from 1 second to 60 seconds. The saturation humidification arrival time is determined by KS K ISO 9073-6, Textile - Nonwoven Fabric Test Methods - Part 6: Water Absorption Time in Absorption Measurement Standard, .
상기 포화 함습 도달 시간이 상기 범위 내인 경우 상기 나노웹에 이온 교환 폴리머를 함침시켜 강화막 제조시 상기 이온 교환 폴리머를 상기 나노웹의 기공 전체에 걸쳐 균일하게 많은 양을 함침시킬 수 있다. 또한, 상기 나노웹의 친수성이 높아지면 상기 강화막을 연료 전지용 멤브레인으로 사용시 친수화 채널이 더욱 형성되어 이온전도도를 향상시킬 수 있다.When the saturation humidification time is within the above range, the ion-exchange polymer may be impregnated into the nano-web to uniformly impregnate the ion-exchange polymer uniformly throughout the pores of the nano-web. Also, when the hydrophilic property of the nano-web is increased, a hydrophilic channel is further formed when the reinforced membrane is used as a membrane for a fuel cell, so that ion conductivity can be improved.
상기 나노웹은 전해질 흡수율이 10 내지 60 중량%일 수 있고, 바람직하게 30 내지 40 중량%일 수 있다. 상기 전해질 흡수율은 KS K ISO 9073-6, 텍스타일-부직포 시험방법-제 6부: 흡수 측정 규격중 액체 흡습시간 방법에 의거하여, 에틸 메틸 카르보네이트와 에틸렌 카르보네이트의 70/30(v/v) 혼합물을 25mm높이에서 낙하시켜 시편이 완전히 젖는 시간을 측정할 수 있다. 상기 전해질 흡수율이 10 중량% 미만인 경우 전해질 흡수가 떨어져서 전지 성능이 충분히 발현되지 못할 수 있고, 60 중량%를 초과하는 경우 지지체의 물성 저하가 발생할 수 있다.The nano-web may have an electrolyte absorption rate of 10 to 60% by weight, and preferably 30 to 40% by weight. The electrolyte absorptivity was measured according to KS K ISO 9073-6, Textile-Nonwoven Fabric Test Method, Part 6: Absorption Measurement Standard, liquid humidification time method, 70/30 (v / v) ratio of ethyl methyl carbonate and ethylene carbonate, v) The mixture can be dropped at a height of 25 mm to measure the time the specimen is completely wet. If the electrolyte absorptivity is less than 10 wt%, the electrolyte absorption may decrease and the battery performance may not be sufficiently exhibited. If the electrolyte absorptivity is more than 60 wt%, the physical properties of the support may deteriorate.
상기 나노웹은 수분율(moisture regain)이 3.0% 이상일 수 있고, 바람직하게 3.0 내지 5.0%일 수 있고, 더욱 바람직하게 3.1 내지 5.0%일 수 있다. 상기 수분율은 KS K 0221 텍스타일의 수분 측정 방법: 오븐 밸런스법에 의거하여 시편을 24시간 동안 섬유 실험실 표준상태(KS K 0901)에서 수분 평형에 도달시킨 후 무게(O: 시편의 무게)를 측정하고, 105 내지 110℃에서 1시간 30분 건조시킨 후 무게(D: 건조된 시편의 무게)를 측정하여 하기 수학식 2에 의하여 계산할 수 있다. The nano-web may have a moisture regain of 3.0% or more, preferably 3.0 to 5.0%, and more preferably 3.1 to 5.0%. The moisture content was determined by measuring the weight (O: sample weight) after reaching moisture equilibrium in a fiber laboratory standard state (KS K 0901) for 24 hours in accordance with the method of moisture measurement of KS K 0221 textile: oven balance method , And dried at 105 to 110 ° C for 1 hour and 30 minutes, and then the weight (D: weight of the dried sample) is measured.
[수학식 2]&Quot; (2) "
수분율(%) = (O-D)/D×100Moisture content (%) = (O-D) / D x 100
(O: 시편의 무게, D: 건조된 시편의 무게)(O: weight of specimen, D: weight of dried specimen)
상기 나노웹은 위킹 테스트(wicking test)에 의한 젖음성이 2 내지 15cm일 수 있고, 바람직하게 2.1 내지 15cm일 수 있고, 더욱 바람직하게 3 내지 15cm일 수 있다. 상기 위킹 테스트는 미국 AATCC Test Method 197-2011, 텍스타일의 수직방향 위킹 시험 규격(Vertical Wicking of Textiles)중 선택B(Option B,Measure distance at a given time)에 의거하여, 시편을 침지한 후 30분 후의 위킹 최대 거리를 계측하는 방법에 의하여 측정할 수 있다. 상기 위킹 테스트에 의한 젖음성이 2cm 미만인 경우 연료 전지 작동 환경에서 이온전도체와 지지체가 탈리하는 문제가 발생하거나, 저습 조건에서 작동 시간이 지연되거나, 물리적 형태 안정성이 저하될 수 있고, 15cm를 초과하는 경우 연료 전지 작동 환경에서 이온전도체의 팽윤 가속화에 의하여 내구성이 저하되거나, 이온전도체와 지지체가 탈리될 수 있다.The nano-web may have a wettability by wicking test of 2 to 15 cm, preferably 2.1 to 15 cm, and more preferably 3 to 15 cm. The wicking test was conducted according to the AATCC Test Method 197-2011, Vertical Wicking of Textiles (Option B, Measure distance at a given time), 30 minutes after immersing the specimen Can be measured by a method of measuring the maximum wicking distance. If the wettability by the wicking test is less than 2 cm, the ion conductor and the support may be separated from each other in the operating environment of the fuel cell, the operation time may be delayed or the physical form stability may be deteriorated under the low humidity condition, Acceleration of the swelling of the ion conductor in a fuel cell operating environment may result in reduced durability, or the ion conductor and support may desorb.
상기 나노웹은 접촉각(contact angle)이 90° 이하일 수 있고, 바람직하게 1 내지 50°일 수 있고, 더욱 바람직하게 5 내지 35°일 수 있다. 상기 접촉각은 30℃ 및 RH 40%를 유지한 상태에서 증류수를 주사기에 충전하여 상기 나노웹 위에 지름 3mm 크기의 물방울을 떨어 뜨린 후 5분 동안 물방울이 퍼지기를 기다려서, 5분 이후 분리막과 물방울이 이루는 접촉각을 측정할 수 있다. 상기 접촉각이 1° 미만인 경우 나노웹의 습윤성은 우수해지나, 방사 공정상의 첨가제 함량 과다로 품질이 우수한 나노웹 제조가 어려울 수 있고, 90°를 초과하는 경우에는 습윤성이 떨어져서 전기 화학 소자의 분리막으로 사용하는 경우 충분한 성능을 발현하기 어려울 수 있다.The nano-web may have a contact angle of 90 ° or less, preferably 1 to 50 °, and more preferably 5 to 35 °. The contact angle was maintained at 30 DEG C and RH of 40%. Distilled water was charged into a syringe, water droplets having a diameter of 3 mm were dropped on the nanoweb, and water droplets were spread for 5 minutes. After 5 minutes, The contact angle can be measured. When the contact angle is less than 1 °, the wettability of the nano web is excellent. However, it may be difficult to manufacture the nano-web having an excessively high quality of the additive in the spinning process. It may be difficult to exhibit sufficient performance when used.
상기 나노 섬유가 폴리이미드 등과 같은 소수성 폴리머로 이루어진 경우 내열성, 내화학성, 및 형태 안정성이 우수하다는 장점이 있지만, 친수성 성질이 부족하여 상기 이온 전도성 폴리머를 상기 나노웹의 기공 전체에 걸쳐 균일하게 많은 양을 함침시킬 수 없고, 친수화 채널이 형성이 부족하여 이온전도도가 저하될 수도 있다. 따라서, 상기와 같은 소수성 폴리머로 이루어진 나노웹이 상기 포화 함습 도달 시간, 수분율, 위킹 테스트에 의한 젖음성 또는 접촉각을 만족시키기 위해서는 친수화 처리가 필요하다. 상기 친수화 처리는 상기 나노웹의 친수성을 향상시킬 수 있는 종래의 방법이면 어느 것이나 적용 가능하고 본 발명에서 특별히 한정되지 않는다.When the nanofiber is made of a hydrophobic polymer such as polyimide, it has an advantage of excellent heat resistance, chemical resistance, and shape stability. However, since the hydrophilic property is insufficient, the ion conductive polymer is uniformly dispersed And the ion conductivity may be lowered due to the lack of formation of the hydrophilic channel. Therefore, in order to satisfy the saturated wetting time, water content, wettability or contact angle by the wicking test, the hydrophobic polymer nanofibers need to be hydrophilized. The hydrophilization treatment can be applied to any conventional method for improving the hydrophilicity of the nano-web, and is not particularly limited in the present invention.
상기 나노웹의 친수화 처리 방법의 일 예로, 상기 나노웹은 친수화 첨가제를 포함할 수 있다. 즉, 상기 나노 섬유 자체가 상기 친수화 첨가제를 포함할 수 있고, 상기 친수성 첨가제가 상기 나노웹의 기공 내부에 함침된 것일 수도 있고, 상기 친수성 첨가제가 상기 나노웹의 일면 또는 양면의 표면에 코팅된 것일 수 있다.As an example of the hydrophilic treatment method of the nano-web, the nano-web may include a hydrophilic additive. That is, the nanofiber itself may include the hydrophilic additive, the hydrophilic additive may be impregnated into the pores of the nanoweb, and the hydrophilic additive may be coated on one or both surfaces of the nanoweb Lt; / RTI >
구체적으로, 상기 나노 섬유가 상기 친수성 첨가제를 포함하는 경우 상기 나노 섬유는 상기 나노 섬유 고분자 100 중량부에 대하여 친수화 첨가제를 0.1 내지 20 중량부, 바람직하게 0.5 내지 20 중량부, 더욱 바람직하게 1 내지 2 중량부로 포함할 수 있다.Specifically, when the nanofiber includes the hydrophilic additive, the nanofiber may include 0.1 to 20 parts by weight, preferably 0.5 to 20 parts by weight, more preferably 1 to 20 parts by weight of a hydrophilizing additive per 100 parts by weight of the nanofiber polymer, 2 parts by weight.
상기 친수화 첨가제의 함량이 상기 나노 섬유 고분자 100 중량부에 대하여 0.1 중량부 미만인 경우 친수 성능이 부족하여 습윤성이 저하되어 전기 화학 소자의 성능이 저하될 수 있고, 20 중량부를 초과하는 경우 방사 공정에서 나노 섬유 제트(jet)의 불안정성을 증가시키고 불균일한 섬유 집속이 이루어져서 전기 화학 소자의 분리막에 적용시 문제가 있을 수 있다.If the content of the hydrophilic additive is less than 0.1 parts by weight based on 100 parts by weight of the nanofiber polymer, the hydrophilic property may be insufficient and the wettability may be deteriorated to deteriorate the performance of the electrochemical device. If the amount exceeds 20 parts by weight, It is possible to increase the instability of nanofiber jets and cause uneven fiber concentration, which may cause problems when applied to a separator of an electrochemical device.
상기 나노웹의 기공 내부에 상기 친수화 첨가제가 함침되거나, 상기 친수성 첨가제가 상기 나노웹의 일면 또는 양면의 표면에 코팅된 경우 상기 나노웹은 상기 나노웹 100 중량부에 대하여 상기 친수화 첨가제를 0.1 내지 20 중량부, 바람직하게 3 내지 20 중량부, 더욱 바람직하게 5 내지 20 중량부로 포함할 수 있다.When the hydrophilic additive is impregnated into the pores of the nano-web or the hydrophilic additive is coated on one surface or both surfaces of the nano-web, the nano-web may have a hydrophilic additive of 0.1 To 20 parts by weight, preferably 3 to 20 parts by weight, more preferably 5 to 20 parts by weight.
상기 친수화 첨가제의 함량이 상기 나노웹 100 중량부에 대하여 0.1 중량부 미만인 경우 친수 성능이 부족하여 습윤성이 저하되어 전기 화학 소자의 성능이 저하될 수 있고, 20 중량부를 초과하는 경우 방사 공정에서 나노 섬유 제트(jet)의 불안정성을 증가시키고 불균일한 섬유 집속이 이루어져서 전기 화학 소자의 분리막에 적용시 문제가 있을 수 있다.If the content of the hydrophilic additive is less than 0.1 parts by weight based on 100 parts by weight of the nanoweb, the hydrophilic property may be insufficient and the wettability may be deteriorated to deteriorate the performance of the electrochemical device. If the amount exceeds 20 parts by weight, It is possible to increase the instability of the fiber jet and cause uneven fiber concentration, which may cause problems in application to the separator of the electrochemical device.
상기 나노웹은 상기 친수화 첨가제를 포함함에 따라 습윤성이 우수하여, 전기 화학 소자용 분리막으로 사용되는 경우 전해질에 대한 젖음성이 우수하여 전지의 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 다공성 지지체는 내구성, 내열성 및 내화학성이 우수하여 가혹한 작동 조건에서도 전기 화학 소자의 성능을 유지할 수 있도록 한다.The nano-web is excellent in wettability by including the hydrophilic additive, and when used as a separator for an electrochemical device, the nano-web is excellent in wettability with respect to an electrolyte, thereby improving the efficiency of the battery. In addition, the porous support has excellent durability, heat resistance, and chemical resistance, so that the performance of the electrochemical device can be maintained even under harsh operating conditions.
상기 친수화 첨가제는 무기 또는 유기 친수화 첨가제일 수 있다. 상기 무기 친수화 첨가제는 전기 화학 소자의 작동 전압 범위(예컨대, 리튬 이차 전지의 경우 Li/Li+ 기준으로 0 내지 5V)에서 양극 또는 음극 집전체와 산화 및/또는 환원 반응, 즉 전기 화학적 반응을 일으키지 않고, 통전성을 해하지 않으며, 이를 포함하는 나노 섬유 제조시 제조 공정에 견딜 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. The hydrophilic additive may be an inorganic or organic hydrophilic additive. The inorganic hydrophilic additive may be subjected to an oxidation and / or reduction reaction, that is, an electrochemical reaction, with an anode or an anode current collector in an operating voltage range of the electrochemical device (for example, 0 to 5 V based on Li / Li + And is not particularly limited as long as it can withstand the manufacturing process when manufacturing the nanofibers including the nanofibers.
예를 들면, 상기 무기 친수화 첨가제는 아나타제형 이산화티타늄(TiO2 anatase), 루타일형 이산화티타늄(TiO2 rutile), 브룩카이트형 이산화티타늄(TiO2 brookite), 이산화주석(SnO), 이산화지르코늄(ZrO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화 단일벽 탄소나노뷰브, 산화 다중벽 탄소나노튜브, 산화 그라파이트 옥사이드, 산화그래핀 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있고, 바람직하게 SiO2일 수 있다.For example, the inorganic hydrophilic additive may be selected from the group consisting of anatase type TiO 2 anatase, rutile type TiO 2 rutile, brookite type TiO 2 brookite, tin dioxide (SnO 2), zirconium dioxide ZrO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), oxidized single wall carbon nanotube, oxidized multiwall carbon nanotube, oxidized graphite oxide, oxidized graphene, and combinations thereof. Preferably SiO 2 .
또한, 상기 유기 친수화 첨가제도 전기 화학 소자의 작동 전압 범위(예컨대, 리튬 이차 전지의 경우 Li/Li+ 기준으로 0 내지 5V)에서 양극 또는 음극 집전체와 산화 및/또는 환원 반응, 즉 전기 화학적 반응을 일으키지 않고, 통전성을 해하지 않으며, 이를 포함하는 나노 섬유 제조시 제조 공정에 견딜 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. Further, the organic hydrophilic additive may also be oxidized and / or reduced with an anode or an anode current collector in an operating voltage range of the electrochemical device (for example, 0 to 5 V based on Li / Li + in the case of a lithium secondary battery) There is no particular limitation so long as it does not cause a reaction, does not impair the conductivity, and can withstand the manufacturing process when manufacturing nanofibers containing the same.
예를 들면, 상기 유기 친수화 첨가제는 폴리하이드로에틸메탈크릴레이트 폴리비닐아세테이트, 폴리우레탄, 폴리디메틸실록산, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 에폭시 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.For example, the organic hydrophilic additive may be selected from the group consisting of polyhydroxyethyl methacrylate polyvinyl acetate, polyurethane, polydimethylsiloxane, polyimide, polyamide, polyethylene terephthalate, polymethyl methacrylate, epoxy and combinations thereof Lt; / RTI > group.
상기 친수화 첨가제는 나노 친수화 첨가제일 수 있으며, 이에 따라 상기 친수화 첨가제의 평균 입경은 0.005 내지 1㎛, 바람직하게 0.005 내지 0.8㎛, 더욱 바람직하게 0.005 내지 0.5㎛일 수 있다. 상기 나노 친수화 첨가제의 평균 입경이 0.005㎛ 미만인 경우 나노 친수화 입자의 응집으로 친수화 효과가 저해되거나 취급이 어려울 수 있고, 1㎛를 초과하는 경우 지지체의 물리적 인장강도가 저하되고, 파단 신도가 감소될 수 있다.The hydrophilic additive may be a nano-hydrophilic additive, and accordingly, the average particle diameter of the hydrophilic additive may be 0.005 to 1 탆, preferably 0.005 to 0.8 탆, more preferably 0.005 to 0.5 탆. If the average particle diameter of the nano-hydrophilic additive is less than 0.005 탆, the hydrophilization effect of the nano-hydrophilic particles may be impaired or the handling may be difficult. If the average particle diameter exceeds 1 탆, the physical tensile strength of the support may be lowered, Can be reduced.
상기한 바와 같이, 상기 나노 섬유가 소수성 폴리머인 폴리이미드로 이루어진 경우 상기 포화 함습 도달 시간, 수분율, 위킹 테스트에 의한 젖음성 또는 접촉각을 만족시키기 위해서 상기 폴리이미드의 주쇄는 아민기, 카르복실기, 하이드록시기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 친수성 치환기를 포함할 수 있다.As described above, when the nanofiber is made of polyimide, which is a hydrophobic polymer, the main chain of the polyimide has an amine group, a carboxyl group, a hydroxyl group, a hydroxyl group, And a combination of any of these.
즉, 상기 폴리이미드는 폴리아믹산(polyamic acid, PAA)을 제조한 후 후속의 경화 공정에서의 이미드화 반응을 통해 제조할 수 있다. 상기 폴리아믹산은 통상의 제조 방법에 따라 제조할 수 있으며, 구체적으로는 디아민(diamine)을 용매에 혼합하고 여기에 디언하이드라이드(dianhydride)를 첨가한 후 중합하여 제조할 수 있고, 상기 디아민으로는 방향족 디아민(aromatic diamine)을, 상기 디언하이드라이드로는 방향족 디언하이드라이드(aromatic dianhydride)를 사용한 완전 방향족 폴리이미드를 바람직하게 사용할 수 있다.That is, the polyimide may be prepared by preparing polyamic acid (PAA), followed by an imidization reaction in a subsequent curing process. The polyamic acid can be prepared according to a conventional production method. Specifically, the polyamic acid can be prepared by mixing a diamine in a solvent, adding dianhydride thereto, and then polymerizing the diamine. As the dianhydride, a wholly aromatic polyimide using an aromatic dianhydride can be preferably used.
이때, 상기 폴리이미드의 주쇄가 상기 아민기, 카르복실기, 하이드록시기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 치환기를 포함하기 위하여, 상기 폴리이미드 또는 상기 폴리아믹산을 제조한 후 상기 폴리이미드 또는 상기 폴리아믹산의 주쇄에 상기 친수성 치환기를 치환시키거나, 상기 친수성 치환기를 포함하는 상기 다이민 및/또는 상기 디언하이드라이드를 이용하여 상기 폴리이미드를 제조하거나, 상기 디아민과 상기 디언하이드라이드 이외에 상기 히드록시기를 포함하는 공단량체(comonomer)를 함께 중합시켜 제조할 수 있다. 상기 하이드록시기를 포함하는 디아닐린, 하이드록시기를 포함하는 디페닐 우레아, 하이드록시기를 포함하는 디아민 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있다.At this time, in order that the main chain of the polyimide contains any one substituent selected from the group consisting of an amine group, a carboxyl group, a hydroxyl group, and a combination thereof, the polyimide or the polyamic acid is prepared, Alternatively, the hydrophilic substituent may be substituted for the main chain of the polyamic acid, or the polyimide may be prepared by using the diamine and / or the dianhydride containing the hydrophilic substituent, Can be prepared by polymerizing a comonomer containing a hydroxyl group together. Dianiline including a hydroxy group, diphenylurea including a hydroxy group, diamine including a hydroxy group, and combinations thereof.
상기 폴리이미드의 주쇄가 상기 친수성 치환기를 포함하는 경우 상기 친수성 치환기는 상기 폴리이미드 전체에 대하여 0.01 내지 0.1 몰%, 바람직하게 0.01 내지 0.08 몰%, 더욱 바람직하게 0.02 내지 0.08 몰%로 포함할 수 있다. 상기 친수성 치환기의 함량이 0.01 몰% 미만인 경우 상기 폴리이미드 주쇄의 친수화기 감소로 친수화가 미비할 수 있고, 0.1 몰%를 초과하는 경우 부반응 생성 및 물리적인 강신도 저하가 문제될 수 있다.When the main chain of the polyimide includes the hydrophilic substituent, the hydrophilic substituent may be contained in an amount of 0.01 to 0.1 mol%, preferably 0.01 to 0.08 mol%, more preferably 0.02 to 0.08 mol% based on the entire polyimide . If the content of the hydrophilic substituent is less than 0.01 mol%, hydrophilization may be insufficient due to the reduction of the hydrophilic group of the main chain of the polyimide. If the content of the hydrophilic substituent is more than 0.1 mol%, generation of side reaction and physical strength may be problematic.
상기한 바와 같이, 상기 나노 섬유가 폴리이미드 등과 같은 소수성 폴리머로 이루어진 경우 상기 포화 함습 도달 시간, 수분율, 위킹 테스트에 의한 젖음성 또는 접촉각을 만족시키기 위해서 상기 나노웹은 일면 또는 양면의 표면이 플라즈마 처리될 수 있다. 상기 나노웹을 플라즈마 처리하면 상기 나노웹 표면에 카르복실기, 하이드록시기, 아민기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 친수성을 가지는 관능기를 치환시킬 수 있다.As described above, when the nanofiber is made of a hydrophobic polymer such as polyimide or the like, in order to satisfy the saturated wetting time, water content, wettability by a wicking test, or contact angle, the surface of one or both surfaces of the nano- . When the nano-web is subjected to plasma treatment, a functional group having any hydrophilic property selected from the group consisting of a carboxyl group, a hydroxyl group, an amine group, and a combination thereof may be substituted on the surface of the nano-web.
구체적으로, 상기 플라즈마 처리는 저온 플라즈마 또는 RF(radio frequency) 플라즈마를 사용하여 상기 나노웹의 일면 또는 양면에 친수성기를 부여할 수 있는 기체로 처리하는 것일 수 있다. 상기 친수성기를 부여할 수 있는 기체는 암모니아 가스, 아르곤 가스, 산소 가스 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있고, 상기 친수성기를 부여할 수 있는 기체의 유량은 10 내지 200sccm일 수 있고, 상기 플라즈마의 파워는 50 내지 200W일 수 있고, 상기 플라즈마 처리 시간은 10초 내지 5분일 수 있다.Specifically, the plasma treatment may be performed using a gas capable of imparting a hydrophilic group to one or both sides of the nanoweb by using a low temperature plasma or a radio frequency (RF) plasma. The gas capable of imparting the hydrophilic group may be any one selected from the group consisting of ammonia gas, argon gas, oxygen gas, and combinations thereof. The flow rate of the gas capable of imparting the hydrophilic group may be 10-200 sccm , The power of the plasma may be 50 to 200 W, and the plasma treatment time may be 10 seconds to 5 minutes.
또한, 상기한 바와 같이, 상기 나노 섬유가 폴리이미드 등과 같은 소수성 폴리머로 이루어진 경우 상기 포화 함습 도달 시간, 수분율, 위킹 테스트에 의한 젖음성 또는 접촉각을 만족시키기 위해서 상기 나노웹의 일면 또는 양면의 표면에 무기물이 증착될 수 있다. 상기 무기물은 아나타제형 이산화티타늄(TiO2 anatase), 루타일형 이산화티타늄(TiO2 rutile), 브룩카이트형 이산화티타늄(TiO2 brookite), 이산화주석(SnO), 이산화지르코늄(ZrO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화 단일벽 탄소나노뷰브, 산화 다중벽 탄소나노튜브, 산화 그라파이트 옥사이드, 산화그래핀 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.As described above, when the nanofiber is made of a hydrophobic polymer such as polyimide or the like, in order to satisfy the saturated wetting time, water content, wettability or contact angle by wicking test, the surface of one or both surfaces of the nano- Can be deposited. The inorganic material may be selected from the group consisting of anatase type titanium dioxide (TiO 2 anatase), rutile type titanium dioxide (TiO 2 rutile), brookite type titanium dioxide (TiO 2 brookite), tin dioxide (SnO), zirconium dioxide (ZrO 2 ) Al 2 O 3 , oxidized single wall carbon nanotubes, oxidized multiwall carbon nanotubes, oxidized graphite oxide, oxidized graphene, and combinations thereof.
상기 다공성 지지체는 통기도 및 통수도가 우수할 뿐만 아니라, 내열성 및 내화학성이 우수하여 내열성 및 내화학성이 요구되는 기체 또는 액체 필터용 여과재, 방진 마스크용 여과재, 자동차용 벤팅(venting), 휴대폰용 벤팅, 프린터용 벤팅 등과 같은 필터용 소재, 투습 방수포와 같은 고급 의류용 소재, 연료 전지의 고분자 전해질, 이차 전지, 전기 분해 장치 또는 커패시터의 분리막과 같은 전기 화학용 소재, 상처 치료용 드레싱, 인공 혈관용 지지체, 붕대, 화장품용 마스크 등과 같은 의료용 소재 등으로 사용될 수 있다. The porous support is excellent in gas permeability and water permeability, and is excellent in heat resistance and chemical resistance, and is required to have heat resistance and chemical resistance, and is used as a filter medium for gas or liquid filters, a filter medium for dustproof masks, , Materials for filters such as ventilation for printers, materials for high-grade clothes such as moisture-proof tarpaulins, electro-chemical materials such as polymer electrolyte for fuel cell, secondary battery, separator of electrolytic device or capacitor, wound dressing, artificial blood vessel And can be used as a medical material such as a support, a bandage, a mask for cosmetics, and the like.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 다공성 지지체의 제조 방법은 전기 방사 용액을 전기 방사하여 나노 섬유들이 다수의 기공을 포함하는 부직포 형태로 집적된 나노웹을 제조하는 단계를 포함한다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing a porous support, which comprises: electrospinning an electrospinning solution to produce a nanofabricated nanofibers integrated into a nonwoven fabric including a plurality of pores.
일 예로, 상기 나노 섬유가 소수성 폴리머인 폴리이미드로 이루어진 경우 상기 다공성 지지체의 제조 방법은 디아민 및 디언하이드라이드를 용매에 첨가하여 전기 방사 용액을 제조하는 단계, 상기 제조된 전기 방사 용액을 전기 방사하여 나노 섬유들이 다수의 기공을 포함하는 부직포 형태로 집적된 폴리아믹산 나노웹을 제조하는 단계, 그리고 상기 폴리아믹산 나노웹을 이미드화시켜 폴리이미드 나노웹을 제조하는 단계를 포함한다. For example, when the nanofiber is formed of polyimide, which is a hydrophobic polymer, the method of producing the porous support comprises: preparing an electrospun solution by adding a diamine and a dianhydride to a solvent; electrospinning the electrospun solution Preparing a polyamic acid nanoweb integrated with nanofibers in the form of a nonwoven fabric including a plurality of pores, and preparing a polyimide nanoweb by imidizing the polyamic acid nanoweb.
이하 각 단계별로 살펴보면, 상기 전기 방사 용액은 상기 나노 섬유를 형성하기 위한 단량체들을 포함하는 용액으로서, 상기 나노 섬유를 형성하기 위한 단량체들은 우수한 내화학성을 나타내고, 소수성을 가져 고습의 환경에서 수분에 의한 형태 변형 우려가 없는 탄화수소계 고분자를 바람직하게 사용할 수 있다. The electrospinning solution is a solution containing monomers for forming the nanofibers. The monomers for forming the nanofibers exhibit excellent chemical resistance and are hydrophobic. In the environment of high humidity, A hydrocarbon-based polymer free from concern for shape deformation can be preferably used.
구체적으로 상기 탄화수소계 고분자로는 나일론, 폴리이미드, 폴리아라미드, 폴리에테르이미드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리아닐린, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 스티렌 부타디엔 고무, 폴리스티렌, 폴리비닐 클로라이드, 폴리비닐알코올, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐 부틸렌, 폴리우레탄, 폴리벤즈옥사졸, 폴리벤즈이미다졸, 폴리아미드이미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 이들의 공중합체, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있으며, 이중에서도 내열성, 내화학성, 및 형태안정성이 보다 우수한 폴리이미드를 사용하는 것이 바람직하다. 이하, 나노 섬유가 소수성 폴리머인 폴리이미드로 이루어진 경우에 대하여 구체적으로 설명한다.Examples of the hydrocarbon-based polymer include nylon, polyimide, polyaramid, polyetherimide, polyacrylonitrile, polyaniline, polyethylene oxide, polyethylene naphthalate, polybutylene terephthalate, styrene butadiene rubber, polystyrene, polyvinyl chloride, Polyolefins such as polyvinyl alcohol, polyvinylidene fluoride, polyvinyl butylene, polyurethane, polybenzoxazole, polybenzimidazole, polyamideimide, polyethylene terephthalate, polyethylene, polypropylene, copolymers thereof and mixtures thereof . Among these, polyimide having better heat resistance, chemical resistance, and shape stability is preferably used. Hereinafter, the case where the nanofiber is made of polyimide which is a hydrophobic polymer will be described in detail.
상기 나노 섬유를 형성하기 위한 단량체로는 상기 탄화수소계 고분자를 형성할 수 있는 것이라면 특별한 제한없이 사용할 수 있다. 예를 들면, 폴리이미드를 포함하는 나노웹은 유기 용매에 잘 녹는 폴리이미드 전구체로서 폴리아믹산(polyamic acid, PAA)을 이용하여 폴리아믹산 나노웹을 제조한 후 후속의 경화공정에서의 이미드화 반응을 통해 제조할 수 있다.The monomers for forming the nanofibers may be used without particular limitation as long as they can form the hydrocarbon polymer. For example, a polyimide-containing nano-web is a polyimide precursor that is well soluble in an organic solvent. Polyamic acid (PAA) is used to prepare a polyamic acid nano-web, and imidization reaction in a subsequent curing process ≪ / RTI >
상기 폴리아믹산 나노웹은 통상의 제조 방법에 따라 제조할 수 있으며, 구체적으로는 디아민(diamine)을 용매에 혼합하고 여기에 디언하이드라이드(dianhydride)를 첨가한 후 이를 전기방사하여 제조할 수 있다. The polyamic acid nano-web may be prepared by a conventional method. Specifically, the polyamic acid nano-web may be prepared by mixing a diamine in a solvent, adding dianhydride thereto, and electrospinning the mixture.
상기 디언하이드라이드로는 피로멜리트산 무수물(pyromellyrtic dianhydride, PMDA), 3,3’,4,4’-벤조페논 테트라카르복실산 이무수물(3,3’,4,4’-benzophenonetetracarboxylic dianhydride, BTDA), 4,4′-옥시디프탈산무수물(4,4′-oxydiphthalic anhydride, ODPA), 3,4,3′,4’-비페닐테트라카르복실산 무수물(3,4,3’,4’-biphenyltetracarboxylic dianhydride, BPDA), 및 비스(3,4-카르복시페닐디메틸실란 이무수물(bis(3,4-dicarboxyphenyl)dimethylsilane dianhydride, SiDA) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 화합물을 사용할 수 있다. 또한, 상기 디아민으로는 4,4′-옥시디아닐린(4,4′-oxydianiline, ODA), 1,3-비스(4-아미노페녹시)벤젠(1,3-bis(4-aminophenoxy)benzene, RODA), p-페닐렌 디아민(p-phenylene diamine, p-PDA), o-페닐렌 디아민(o-phenylene diamine, o-PDA) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. 상기 폴리아믹산을 용해시키는 용매로는 m-크레졸, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸아세트아미드(DMAc), 디메틸설폭사이드(DMSO), 아세톤, 디에틸아세테이트, 테트라하이드로퓨란(THF), 클로로포름, γ-부티로락톤 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 용매를 사용할 수 있다.Examples of the dianhydride include pyromellitic dianhydride (PMDA), 3,3 ', 4,4'-benzophenone tetracarboxylic dianhydride (3,3', 4,4'-benzophenonetetracarboxylic dianhydride, BTDA ), 4,4'-oxydiphthalic anhydride (ODPA), 3,4,3 ', 4'-biphenyltetracarboxylic acid anhydride (3,4,3', 4 ' -biphenyltetracarboxylic dianhydride (BPDA), bis (3,4-dicarboxyphenyl) dimethylsilane dianhydride (SiDA), and mixtures thereof. Examples of the diamine include 4,4'-oxydianiline (ODA), 1,3-bis (4-aminophenoxy) benzene , RODA), p-phenylene diamine (p-PDA), o-phenylene diamine (o-PDA), and mixtures thereof. Prize Examples of the solvent for dissolving polyamic acid include m-cresol, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide (DMAc), dimethylsulfoxide (DMSO) Acetone, tetrahydrofuran (THF), chloroform, gamma -butyrolactone, and mixtures thereof.
상기 나노 섬유를 형성하기 위한 단량체들은 상기 전기 방사 용액 전체 중량에 대하여 5 내지 20중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 만일, 상기 단량체들의 함량이 5중량% 미만일 경우 방사가 원활하게 진행되지 않기 때문에 섬유 형성이 이루어지지 않거나 균일한 직경을 갖는 섬유를 제조할 수 없고, 반면 상기 단량체들의 함량이 20중량%를 초과할 경우 토출 압력이 급격히 증가함에 따라 방사가 이루어지지 않거나 공정성이 저하될 수 있다.The monomers for forming the nanofibers are preferably included in an amount of 5 to 20% by weight based on the total weight of the electrospinning solution. If the content of the monomers is less than 5% by weight, the fiber can not be formed or fibers having a uniform diameter can not be produced because the spinning does not proceed smoothly, whereas the content of the monomers exceeds 20% by weight If the discharge pressure increases suddenly, the radiation may not be produced or the fairness may deteriorate.
단계 2에서는 상기 전기 방사 용액을 방사하여 나노웹 전구체, 즉 폴리아믹산 나노웹을 제조한다. 상기 방사는 본 발명에서 특별히 한정되지 않으나, 전기 방사(electrospinning), 일렉트로-블로운 방사(electro-blown spinning), 원심 방사(centrifugal spinning) 또는 멜트 블로잉(melt blowing) 등일 수 있고, 바람직하게는 전기 방사를 이용할 수 있다.In
이하에서는 전기 방사를 이용하는 경우에 대하여 상세하게 설명한다. Hereinafter, the case of using electrospinning will be described in detail.
도 1은 노즐형 전기 방사 장치의 개략도이다. 상기 도 1을 참조하면, 상기 전기 방사는 상기 나노 섬유 전구체 용액이 보관된 용액 탱크(1)에서 정량 펌프(2)를 이용하여 노즐(3)로 상기 전구체 용액을 일정량으로 공급하고, 상기 노즐(3)을 통해 상기 나노 섬유 전구체 용액을 토출한 후 비산과 동시에 응고된 나노 섬유 전구체를 형성하고, 추가적으로 이러한 응고된 나노 섬유 전구체를 콜렉터(4)에서 집속시켜 다공성 지지체의 전구체 나노 섬유를 제조할 수 있다.1 is a schematic view of a nozzle-type electrospinning device. 1, the electrospinning is performed by supplying the precursor solution to the nozzle 3 in a predetermined amount by using a
이때, 상기 전기 방사는 상기 노즐 주변의 양전하 밀도를 높이고, 상기 콜렉터 주변의 음전하 밀도를 높인 상태에서 이루어질 수 있다. 이를 통하여 고분자 액적이 방사되고 비산됨과 동시에 상호 반발하여 나노 섬유로 수집되는 효과를 얻을 수 있다. 상기 노즐 주변 또는 상기 콜렉터 주변은 상기 노즐 또는 상기 콜렉터의 표면으로부터 반경 10cm 이내의 공간을 의미할 수 있으나, 본 발명에서 특별히 한정되지 않는다.At this time, the electrospinning may be performed while increasing the positive charge density around the nozzle and increasing the negative charge density around the collector. As a result, polymer droplets are radiated and scattered, and at the same time, the effect of collecting into nanofibers can be obtained. The periphery of the nozzle or the periphery of the collector may mean a space within a radius of 10 cm from the surface of the nozzle or the collector, but is not particularly limited in the present invention.
구체적으로, 상기 노즐 주변의 양전하 밀도는 상기 노즐 주변에 양전하를 공급할 수 있는 고전압 발생기(도시하지 않음)를 설치하여 조절할 수 있고, 상기 콜렉터 주변의 음전하 밀도는 상기 콜렉터 주변에 음전하를 공급할 수 있는 고전압 발생기(도시하지 않음)를 설치하여 조절할 수 있다.Specifically, the positive charge density around the nozzle can be adjusted by providing a high voltage generator (not shown) capable of supplying a positive charge around the nozzle, and the negative charge density around the collector is controlled by a high voltage A generator (not shown) may be provided and controlled.
상기 노즐 주변의 양전하 밀도를 높이는 정도는 상기 노즐 주변에 양전하를 +10 내지 +100kV로 공급함으로써 조절할 수 있고, 상기 콜렉터 주변의 음전하 밀도를 높이는 정도는 상기 콜렉터 주변에 음전하를 0 내지 -100kV로 공급함으로써 조절할 수 있다. 상기 양전하 공급량이 +10kV 미만인 경우 방사력이 부족할 수 있고, +100kV를 초과하는 경우 전기 절연이 파괴될 수 있으며, 상기 음전하 공급량이 0 미만인 경우 전위차가 부족할 수 있고, -100kV를 초과하는 경우 절연이 파괴될 수 있다.The degree of the increase of the positive charge density around the nozzle can be adjusted by supplying a positive charge around the nozzle at +10 to +100 kV, and the degree of increase of the negative charge density around the collector is set to be 0 to -100 kV . When the positive charge supply amount is less than +10 kV, the radiation force may be insufficient. When the positive charge supply amount is more than +100 kV, the electrical insulation may be broken. If the negative charge supply amount is less than 0, the potential difference may be insufficient. It can be destroyed.
이때, 고전압 발생부(6) 및 전압 전달 로드(5)에 의해 인가된 상기 노즐(3)과 콜렉터(4) 사이의 전기장의 세기는 850 내지 3,500V/㎝인 것이 바람직하다. 만일, 상기 전기장의 세기가 850V/㎝ 미만일 경우 연속적으로 전구체 용액이 토출되지 않기 때문에 균일한 두께의 나노 섬유를 제조하기 어렵고, 또한 방사된 후 형성된 나노 섬유가 콜렉터에 원활하게 집속될 수 없기 때문에 나노웹의 제조가 곤란할 수 있고, 전기장의 세기가 3,500V/㎝를 초과하는 경우 나노 섬유가 콜렉터(4)에 정확하게 안착되지 않기 때문에 정상적인 형태를 갖는 나노웹이 얻어질 수 없다.At this time, the intensity of the electric field between the nozzle 3 and the
상기 방사 공정을 통해 균일한 섬유 직경, 바람직하게는 0.01 내지 5㎛의 평균 직경을 갖는 나노 섬유 전구체가 제조되며, 상기 나노 섬유 전구체는 일정 방향 또는 랜덤하게 배열되어 부직포 형태를 가진다.Through the spinning process, a nanofiber precursor having a uniform fiber diameter, preferably an average diameter of 0.01 to 5 탆, is produced, and the nanofiber precursor has a nonwoven fabric shape in a predetermined direction or randomly arranged.
단계 3에서는 상기 나노웹 전구체의 나노 섬유 전구체를 경화시킨다.In step 3, the nanofiber precursor of the nanobubbles precursor is cured.
상기 나노 섬유 전구체를 상기 나노 섬유로 전환시키기 위해서는 상기 나노 섬유 전구체에 대한 추가의 공정으로서 경화 공정을 실시한다. 예를 들어, 상기 전기 방사를 통해 제조된 나노 섬유 전구체가 폴리아믹산으로 이루어진 경우, 경화 공정 동안의 이미드화를 통해 폴리이미드로 변환 된다.In order to convert the nanofiber precursor into the nanofiber, a curing process is performed as an additional process for the nanofiber precursor. For example, if the nanofibrous precursor produced through electrospinning is made of polyamic acid, it is converted to polyimide through imidization during the curing process.
이에 따라, 상기 경화 공정시 온도는 상기 나노 섬유 전구체의 변환율을 고려하여 적절히 조절하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 80 내지 650℃에서의 경화 공정이 수행되는 것이 바람직하다. 상기 경화시 온도가 80℃ 미만인 경우 변환율이 낮아지고, 그 결과로 나노웹의 내열성 및 내화학성이 저하될 우려가 있으며, 경화 온도가 650℃를 초과하는 경우에는 상기 나노 섬유의 분해로 인하여 나노웹의 물성이 저하될 우려가 있다.Accordingly, it is preferable that the temperature during the curing process is appropriately adjusted in consideration of the conversion rate of the nanofiber precursor. Concretely, it is preferable that the curing process is carried out at 80 to 650 ° C. When the curing temperature is lower than 80 ° C, the conversion rate is lowered. As a result, the heat resistance and chemical resistance of the nanoweb may be deteriorated. When the curing temperature is higher than 650 ° C, There is a possibility that the physical properties of the resin are deteriorated.
한편, 상기한 바와 같이, 상기 나노 섬유가 폴리이미드 등과 같은 소수성 폴리머로 이루어진 경우 상기 포화 함습 도달 시간, 수분율, 위킹 테스트에 의한 젖음성 또는 접촉각을 만족시키기 위해서 상기 나노웹은 친수화 첨가제를 포함할 수 있다. 즉, 상기 나노 섬유 자체가 상기 친수화 첨가제를 포함할 수 있고, 상기 친수성 첨가제가 상기 나노웹의 기공 내부에 함침된 것일 수도 있고, 상기 친수성 첨가제가 상기 나노웹의 일면 또는 양면의 표면에 코팅된 것일 수 있다.As described above, when the nanofiber is made of a hydrophobic polymer such as polyimide, in order to satisfy the saturated wetting time, water content, wettability or contact angle by wicking test, the nanoweb may include a hydrophilic additive have. That is, the nanofiber itself may include the hydrophilic additive, the hydrophilic additive may be impregnated into the pores of the nanoweb, and the hydrophilic additive may be coated on one or both surfaces of the nanoweb Lt; / RTI >
구체적으로, 상기 나노 섬유가 상기 친수성 첨가제를 포함하는 경우 상기 전기 방사 용액에 상기 친수성 첨가제를 더 첨가한 후 전기 방사할 수 있다. 이 경우 상기 친수성 첨가제는 상기 나노 섬유를 제조하기 위한 단량체 100 중량부에 대하여 상기 친수화 첨가제를 0.1 내지 20 중량부, 바람직하게 3 내지 20 중량부, 더욱 바람직하게 5 내지 20 중량부로 포함할 수 있다. Specifically, when the nanofiber includes the hydrophilic additive, the hydrophilic additive may be further added to the electrospinning solution, followed by electrospinning. In this case, the hydrophilic additive may include 0.1 to 20 parts by weight, preferably 3 to 20 parts by weight, more preferably 5 to 20 parts by weight, of the hydrophilizing additive relative to 100 parts by weight of the monomer for producing the nanofibers .
상기 친수화 첨가제의 함량이 상기 나노 섬유를 제조하기 위한 단량체 100 중량부에 대하여 0.1 중량부 미만인 경우 친수 성능이 부족하여 습윤성이 저하되어 전기 화학 소자의 성능이 저하될 수 있고, 20 중량부를 초과하는 경우 방사 공정에서 나노 섬유 제트(jet)의 불안정성을 증가시키고 불균일한 섬유 집속이 이루어져서 전기 화학 소자의 분리막에 적용시 문제가 있을 수 있다.If the amount of the hydrophilic additive is less than 0.1 parts by weight based on 100 parts by weight of the monomer for producing the nanofibers, the hydrophilic property may be insufficient and the wettability may be deteriorated to deteriorate the performance of the electrochemical device. In the spinning process, instability of nanofiber jets is increased and nonuniform fiber concentration occurs, which may cause problems when applied to a separator of an electrochemical device.
또한, 상기 전기 방사 용액의 방사시에는 일반적인 방사 조건에서 제조가 가능하나, 상기 친수화 첨가제를 포함하는 전구체 용액의 방사시에는 방사 제트(jet)의 불안정성이 증가하여 나노 섬유가 콜렉터에 균일하게 집속되지 않기 때문에 품질이 우수한 나노웹을 제조할 수 없다. 따라서, 상기 친수화 첨가제를 포함하는 전구체 용액의 방사시에는 방사 주변 환경에 양이온 블로워를 설치하여 양이온 밀도를 높여주고, 콜렉터 표면의 기재는 음이온 블로워에 노출되어 콜렉터 기재의 음이온 밀도를 높여주어야 한다. 그렇지 않은 경우 안정적인 방사 제트를 얻을 수 없어 균일하고 품질이 우수한 지지체 제조가 어려울 수 있다.When the precursor solution containing the hydrophilic additive is spun, the instability of the jet is increased, and the nanofiber is uniformly focused on the collector. In this case, It is impossible to manufacture a nano-web having excellent quality. Therefore, when spinning the precursor solution containing the hydrophilic additive, a cation blower is installed in the radial environment to increase the cation density, and the base material of the collector surface should be exposed to the anion blower to increase the anion density of the collector base. Otherwise, a stable radiant jet can not be obtained and it may be difficult to produce a uniform and high-quality support.
상기 나노웹의 기공 내부에 상기 친수화 첨가제가 함침되거나, 상기 친수성 첨가제가 상기 나노웹의 일면 또는 양면의 표면에 코팅된 경우, 상기 친수화 첨가제를 용매에 첨가하여 제조된 친수화 첨가제 용액에 상기 나노웹을 침지시켜 함침시키거나, 상기 친수화 첨가제 용액을 상기 나노웹의 표면에 코팅하여 상기 다공성 지지체를 제조할 수 있다.In the case where the hydrophilic additive is impregnated into the pores of the nano web or the hydrophilic additive is coated on one surface or both surfaces of the nano web, the hydrophilic additive may be added to the hydrophilic additive solution prepared by adding the hydrophilic additive to the solvent. The porous support may be prepared by impregnating the nano-web with impregnation or by coating the surface of the nano-web with the solution of the hydrophilic additive.
상기 친수화 첨가제 용액에 상기 나노웹을 함침하는 방법은 상기 나노웹을 상기 친수화 첨가제 용액에 상온에서 5 내지 30분 동안 침지한 후 50 내지 100℃ 열풍오븐에서 3시간 이상 건조하며, 이와 같은 침지, 건조 작업을 2 내지 5회 수행하여 이루어질 수 있다.In the method for impregnating the nanoweb with the hydrophilic additive solution, the nanoweb is dipped in the hydrophilic additive solution at room temperature for 5 to 30 minutes, and then dried in a hot air oven at 50 to 100 ° C. for 3 hours or more. , And performing the drying
또한, 상기 친수화 첨가제 용액을 상기 나노웹의 표면에 코팅하는 방법은 라미네이팅 공정, 스프레이 공정, 스크린 프린팅 공정, 닥터 블레이드 공정 등 당업계에 공지된 다양한 방법을 이용할 수 있다.The method of coating the surface of the nanoweb with the hydrophilic additive solution may be various methods known in the art such as a laminating process, a spray process, a screen printing process, and a doctor blade process.
상기 친수화 첨가제 용액은 상기한 아나타제형 이산화티타늄(TiO2 anatase), 루타일형 이산화티타늄(TiO2 rutile), 브룩카이트형 이산화티타늄(TiO2 brookite), 이산화주석(SnO), 이산화지르코늄(ZrO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화 단일벽 탄소나노뷰브, 산화 다중벽 탄소나노튜브, 산화 그라파이트 옥사이드, 산화그래핀 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 무기 친수화 첨가제 또는 폴리하이드로에틸메탈크릴레이트 폴리비닐아세테이트, 폴리우레탄, 폴리디메틸실록산, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 에폭시 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 유기 친수화 첨가제를 N-메틸-2-피롤리돈(N-ㅡmethyl-2-pyrrolidine, NMP), 디메틸포름아마이드(dimethylformamide, DMF), 디메틸 아세트아마이드(dimethylacetamide, DMA), 디메틸설폭사이드(dimethylsulfoxide, DMSO) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 용매에 첨가하고 혼합하여 제조할 수 있다.The hydrophilic additive solution may be at least one selected from the group consisting of anatase type TiO 2 anatase, rutile type TiO 2 rutile, brookite type TiO 2 brookite, tin dioxide (SnO 2), zirconium dioxide (ZrO 2 ), Aluminum oxide (Al 2 O 3 ), oxidized single-walled carbon nanotubes, oxidized multi-walled carbon nanotubes, oxidized graphite oxide, oxidized graphene, and combinations thereof, or Polyimide, polyamide, polyethylene terephthalate, polymethylmethacrylate, epoxy, and combinations thereof, wherein the organic hydrophilic polymer is selected from the group consisting of polyhydroxyethyl acrylate, polyhydroxyethyl acrylate, polyvinyl acetate, polyhydroxyethyl methacrylate, polyvinyl acetate, polyurethane, The additives were mixed with N-methyl-2-pyrrolidine (NMP), dimethylformamide (DMF), dimethylacetate Polyimide may be (dimethylacetamide, DMA), it added to any one of the solvents selected from the group consisting of dimethyl sulfoxide (dimethylsulfoxide, DMSO), and a combination thereof and prepared by mixing.
상기한 바와 같이, 상기 제조된 나노웹이 소수성 폴리머인 폴리이미드로 이루어진 경우 상기 포화 함습 도달 시간, 수분율, 위킹 테스트에 의한 젖음성 또는 접촉각을 만족시키기 위해서 상기 폴리이미드의 주쇄는 아민기, 카르복실기, 하이드록시기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 친수성 치환기를 포함할 수 있다.As described above, in order to satisfy the saturated wetting time, water content, wettability or contact angle by wicking test, the main chain of the polyimide may be an amine group, a carboxyl group, a hydrolyzate, And a hydrophilic substituent selected from the group consisting of a combination thereof.
즉, 주쇄에 상기 친수성 치환기를 포함하는 폴리이미드로 이루어진 나노웹을 제조하기 위하여, 상기 다공성 지지체의 제조 방법은 상기 폴리이미드 또는 상기 폴리아믹산을 제조한 후 상기 폴리이미드 또는 상기 폴리아믹산의 주쇄에 상기 친수성 치환기를 치환시키거나, 상기 친수성 치환기를 포함하는 다이민 및/또는 디언하이드라이드를 이용하여 폴리이미드를 제조하거나, 상기 디아민과 디언하이드라이드 이외에 상기 하이드록시기를 포함하는 공단량체(comonomer)를 함께 중합시켜 제조할 수 있다.That is, in order to produce a nanobeb made of a polyimide including the hydrophilic substituent group in the main chain, the porous support may be prepared by preparing the polyimide or the polyamic acid and then adding the polyimide or polyamic acid to the main chain of the polyimide or the polyamic acid. A polyimide is prepared by using a diamine and / or a dianhydride containing the hydrophilic substituent, or a comonomer including the hydroxy group in addition to the diamine and a dianhydride is added together Followed by polymerization.
상기 폴리이미드 또는 상기 폴리아믹산의 주쇄에 상기 친수성 치환기를 치환시키는 방법은 KOH나 NaOH와 같은 알칼리 수용액으로 처리하여 주쇄의 일부에 카르복실기와 아민기를 치환시킬 수 있다.The hydrophilic substituent may be substituted for the main chain of the polyimide or the polyamic acid by a treatment with an aqueous alkali solution such as KOH or NaOH to replace the carboxyl group and the amine group in a part of the main chain.
또한, 상기 하이드록시기를 포함하는 공단량체는 상기 친수성 치환기를 포함하면서 상기 디아민 및/또는 상기 디언하이드라이드와 중합이 가능한 것은 어느 것이나 사용 가능하고, 예를 들면, 하이드록시기를 포함하는 디아닐린, 하이드록시기를 포함하는 디페닐 우레아, 하이드록시기를 포함하는 디아민 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있다.Further, the comonomer containing a hydroxy group may be any of those capable of polymerizing with the diamine and / or the dianhydride, including the hydrophilic substituent, for example, dianiline including a hydroxy group, Diphenylurea including a hydroxyl group, a diamine including a hydroxy group, and combinations thereof.
상기한 바와 같이, 상기 나노 섬유가 폴리이미드 등과 같은 소수성 폴리머로 이루어진 경우 상기 포화 함습 도달 시간, 수분율, 위킹 테스트에 의한 젖음성 또는 접촉각을 만족시키기 위해서 상기 나노웹은 일면 또는 양면의 표면이 플라즈마 처리될 수 있다. 상기 나노웹을 플라즈마 처리하면 상기 나노웹 표면에 카르복실기, 하이드록시기, 아민기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 친수성을 가지는 관능기를 치환시킬 수 있다.As described above, when the nanofiber is made of a hydrophobic polymer such as polyimide or the like, in order to satisfy the saturated wetting time, water content, wettability by a wicking test, or contact angle, the surface of one or both surfaces of the nano- . When the nano-web is subjected to plasma treatment, a functional group having any hydrophilic property selected from the group consisting of a carboxyl group, a hydroxyl group, an amine group, and a combination thereof may be substituted on the surface of the nano-web.
구체적으로, 상기 플라즈마 처리는 저온 플라즈마 또는 RF(radio frequency) 플라즈마를 사용하여 상기 나노웹의 일면 또는 양면에 친수성기를 부여할 수 있는 기체로 처리하는 것일 수 있다. 상기 친수성기를 부여할 수 있는 기체는 암모니아 가스, 아르곤 가스, 산소 가스 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있고, 상기 친수성기를 부여할 수 있는 기체의 유량은 10 내지 200sccm일 수 있고, 상기 플라즈마의 파워는 50 내지 200W일 수 있고, 상기 플라즈마 처리 시간은 10초 내지 5분일 수 있다.Specifically, the plasma treatment may be performed using a gas capable of imparting a hydrophilic group to one or both sides of the nanoweb by using a low temperature plasma or a radio frequency (RF) plasma. The gas capable of imparting the hydrophilic group may be any one selected from the group consisting of ammonia gas, argon gas, oxygen gas, and combinations thereof. The flow rate of the gas capable of imparting the hydrophilic group may be 10-200 sccm , The power of the plasma may be 50 to 200 W, and the plasma treatment time may be 10 seconds to 5 minutes.
상기한 바와 같이, 상기 나노 섬유가 폴리이미드 등과 같은 소수성 폴리머로 이루어진 경우 상기 포화 함습 도달 시간, 수분율, 위킹 테스트에 의한 젖음성 또는 접촉각을 만족시키기 위해서 상기 나노웹의 일면 또는 양면의 표면에 무기물이 증착될 수 있다.As described above, when the nanofiber is made of a hydrophobic polymer such as polyimide or the like, an inorganic material is deposited on the surface of one or both surfaces of the nanoweb in order to satisfy the saturated wetting time, water content, wettability or contact angle by wicking test .
상기 증착된 무기물층은 아나타제형 이산화티타늄(TiO2 anatase), 루타일형 이산화티타늄(TiO2 rutile), 브룩카이트형 이산화티타늄(TiO2 brookite), 이산화주석(SnO), 이산화지르코늄(ZrO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화 단일벽 탄소나노뷰브, 산화 다중벽 탄소나노튜브, 산화 그라파이트 옥사이드, 산화그래핀 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 전구체를 화학기상증착(CVD) 또는 스퍼터링을 포함한 물리기상증착(PVD) 방법을 이용하여 증착시킬 수 있다. 상기 증착의 조건은 RF 스퍼터 또는 증착기를 사용하여 표면 에 친수성기를 부여할 수 있는 카겟를 위치시킨후 50 내지 300℃ 온도 분위기에서 1분 내지 60분 처리하는 것일 수 있다.The deposited inorganic layer may be selected from the group consisting of anatase type TiO 2 anatase, rutile type TiO 2 rutile, boukite type TiO 2 brookite, tin dioxide (SnO 2 ), zirconium dioxide (ZrO 2 ) Any precursor selected from the group consisting of aluminum oxide (Al 2 O 3 ), oxidized single wall carbon nanotube, oxidized multiwall carbon nanotube, oxidized graphite oxide, graphene oxide, and combinations thereof may be deposited by chemical vapor deposition ) Or physical vapor deposition (PVD) methods including sputtering. The deposition may be performed using a RF sputter or an evaporator, placing a substrate capable of imparting a hydrophilic group to the surface, and then treating the substrate at a temperature of 50 to 300 DEG C for 1 minute to 60 minutes.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 강화막은 상기 다공성 지지체 및 상기 다공성 지지체의 기공 내에 충진된 이온 교환 폴리머를 포함한다.According to another embodiment of the present invention, the reinforcing membrane comprises the porous support and the ion exchange polymer filled in the pores of the porous support.
상기 다공성 지지체의 기공 내에 상기 이온 교환 폴리머를 충진시키는 방법으로는 함침(impregnation)을 들 수 있다. 상기 함침 방법은 상기 다공성 지지체를 이온 교환 폴리머를 포함한 용액에 침지시켜 수행될 수 있다. 또한, 상기 이온 교환 폴리머는 관련 모노머 또는 저분자량 올리고머를 상기 다공성 지지체에 침지시킨 후, 상기 다공성 지지체 내에서 in-situ 중합하여 형성될 수도 있다.The method of filling the ion exchange polymer in the pores of the porous support may include impregnation. The impregnation method may be performed by immersing the porous support in a solution containing an ion exchange polymer. In addition, the ion-exchange polymer may be formed by in-situ polymerization in the porous support after the relevant monomer or low molecular weight oligomer is immersed in the porous support.
상기 함침 온도 및 시간은 다양한 요소들의 영향을 받을 수 있다. 예를 들면, 나노웹의 두께, 이온 교환 폴리머의 농도, 용매의 종류, 다공성 지지체에 함침시키고자 하는 이온 교환 폴리머의 농도 등에 의하여 영향을 받을 수 있다. 다만, 상기 함침 공정은 상기 용매의 어느점 이상에서 100℃ 이하의 온도에서 이루어질 수 있으며, 더욱 일반적으로 상온에서 70℃ 이하의 온도에서 이루어질 수 있다. 다만, 상기 온도는 상기 나노 섬유의 융점 이상일 수는 없다. The impregnation temperature and time may be influenced by various factors. For example, the thickness of the nano-web, the concentration of the ion exchange polymer, the type of the solvent, the concentration of the ion exchange polymer to be impregnated in the porous support, and the like can be influenced. However, the impregnation process may be performed at a temperature of 100 ° C or less at any point of the solvent, and more usually at a temperature of 70 ° C or less at room temperature. However, the temperature can not be higher than the melting point of the nanofiber.
상기 이온 교환 폴리머는 프로톤과 같은 양이온 교환 그룹을 가지는 양이온 교환 폴리머이거나, 또는 하이드록시 이온, 카보네이트 또는 바이카보네이트와 같은 음이온 교환 그룹을 가지는 음이온 교환 폴리머일 수 있다. The ion exchange polymer may be a cation exchange polymer having a cation exchange group such as a proton, or an anion exchange polymer having an anion exchange group such as a hydroxy ion, a carbonate or a bicarbonate.
상기 양이온 교환 그룹은 술폰산기, 카르복실기, 보론산기, 인산기, 이미드기, 술폰이미드기, 술폰아미드기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있고, 일반적으로 술폰산기 또는 카르복실기일 수 있다.The cation exchange group may be any one selected from the group consisting of a sulfonic acid group, a carboxyl group, a boronic acid group, a phosphoric acid group, an imide group, a sulfonimide group, a sulfonamide group and a combination thereof. Generally, the cationic exchange group may be a sulfonic acid group or a carboxyl group have.
상기 양이온 교환 폴리머는 상기 양이온 교환 그룹을 포함하며, 주쇄에 불소를 포함하는 플루오르계 고분자; 벤즈이미다졸, 폴리아미드, 폴리아미드이미드, 폴리이미드, 폴리아세탈, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 아크릴 수지, 폴리에스테르, 폴리술폰, 폴리에테르, 폴리에테르이미드, 폴리에스테르, 폴리에테르술폰, 폴리에테르이미드, 폴리카보네이트, 폴리스티렌, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르케톤, 폴리아릴에테르술폰, 폴리포스파젠 또는 폴리페닐퀴녹살린 등의 탄화수소계 고분자; 폴리스티렌-그라프트-에틸렌테트라플루오로에틸렌 공중합체, 또는 폴리스티렌-그라프트-폴리테트라플루오로에틸렌 공중합체 등의 부분 불소화된 고분자; 술폰 이미드 등을 들 수 있다.Wherein the cation exchange polymer comprises the cation exchange group and a fluorine-based polymer containing fluorine in the main chain; Polyimides, polyacetals, polyethylenes, polypropylenes, acrylic resins, polyesters, polysulfones, polyethers, polyetherimides, polyesters, polyethersulfones, polyetherimides, polyamides, polyamides, Hydrocarbon polymers such as carbonates, polystyrene, polyphenylene sulfide, polyether ether ketone, polyether ketone, polyaryl ether sulfone, polyphosphazene or polyphenylquinoxaline; Partially fluorinated polymers such as polystyrene-graft-ethylene tetrafluoroethylene copolymer, or polystyrene-graft-polytetrafluoroethylene copolymer; Sulfonimide, and the like.
보다 구체적으로, 상기 양이온 교환 폴리머가 수소 이온 양이온 교환 폴리머인 경우 상기 고분자들은 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 포함할 수 있으며, 그 구체적인 예로는 술폰산기를 포함하는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤 또는 이들의 혼합물을 포함하는 플루오르계 고분자; 술폰화된 폴리이미드(sulfonated polyimide, S-PI), 술폰화된 폴리아릴에테르술폰(sulfonated polyarylethersulfone, S-PAES), 술폰화된 폴리에테르에테르케톤(sulfonated polyetheretherketone, SPEEK), 술폰화된 폴리벤즈이미다졸(sulfonated polybenzimidazole, SPBI), 술폰화된 폴리술폰(sulfonated polysulfone, S-PSU), 술폰화된 폴리스티렌(sulfonated polystyrene, S-PS), 술폰화된 폴리포스파젠(sulfonated polyphosphazene) 및 이들의 혼합물을 포함하는 탄화수소계 고분자를 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.More specifically, when the cation exchange polymer is a hydrogen ion cation exchange polymer, the polymer may include a cation exchanger selected from the group consisting of a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphoric acid group, a phosphonic acid group and derivatives thereof in the side chain , Specific examples thereof include poly (perfluorosulfonic acid) containing sulfonic acid group, poly (perfluorocarboxylic acid), copolymer of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing sulfonic acid group, desulfurized sulfurized polyether A fluorine-based polymer including a ketone or a mixture thereof; Sulfonated polyimide (S-PI), sulfonated polyarylethersulfone (S-PAES), sulfonated polyetheretherketone (SPEEK), sulfonated polybenzyl ether A sulfonated polybenzimidazole (SPBI), a sulfonated polysulfone (S-PSU), a sulfonated polystyrene (S-PS), a sulfonated polyphosphazene, But is not limited thereto.
상기 음이온 교환 폴리머는 하이드록시 이온, 카보네이트 또는 바이카보네이트와 같은 음이온을 이송시킬 수 있는 폴리머로서, 음이온 교환 폴리머는 하이드록사이드 또는 할라이드(일반적으로 클로라이드) 형태가 상업적으로 입수 가능하며, 상기 음이온 교환 폴리머는 산업적 정수(water purification), 금속 분리 또는 촉매 공정 등에 사용될 수 있다.The anion exchange polymer is a polymer capable of transporting an anion such as a hydroxide ion, a carbonate or a bicarbonate. The anion exchange polymer is commercially available in the form of hydroxide or halide (generally chloride), and the anion exchange polymer Can be used for water purification, metal separation or catalytic processes, and the like.
상기 음이온 교환 폴리머로는 일반적으로 금속 수산화물이 도핑된 폴리머를 사용할 수 있으며, 구체적으로 금속 수산화물이 도핑된 폴리(에테르술폰), 폴리스티렌, 비닐계 폴리머, 폴리(비닐 클로라이드), 폴리(비닐리덴 플루오라이드), 폴리(테트라플루오로에틸렌), 폴리(벤즈이미다졸) 또는 폴리(에틸렌글리콜) 등을 사용할 수 있다.As the anion exchange polymer, a metal hydroxide-doped polymer may be used. Specifically, metal hydroxide doped poly (ether sulfone), polystyrene, vinyl polymer, poly (vinyl chloride), poly (vinylidene fluoride) ), Poly (tetrafluoroethylene), poly (benzimidazole), poly (ethylene glycol), and the like.
상기 이온 교환 폴리머는 상기 강화막 전체 중량에 대하여 50 내지 99중량%로 포함될 수 있다. 상기 이온 교환 폴리머의 함량이 50 중량% 미만이면 상기 강화막의 이온 전도도가 저하될 우려가 있고, 상기 이온 교환 폴리머의 함량이 99 중량%를 초과하면 상기 강화막의 기계적 강도 및 치수안정성이 저하될 수 있다.The ion exchange polymer may be included in an amount of 50 to 99% by weight based on the total weight of the reinforcing film. If the content of the ion-exchange polymer is less than 50% by weight, the ionic conductivity of the reinforced membrane may be lowered. If the content of the ion-exchange polymer exceeds 99% by weight, the mechanical strength and dimensional stability of the reinforced membrane may be deteriorated .
상기 이온 교환 폴리머는 상기 다공성 지지체의 기공 내부에 충진되는 것과 더불어 그 제조 공정상 상기 다공성 지지체의 일면 또는 양면의 표면에 코팅층을 형성할 수도 있다. 상기 이온 교환 폴리머의 코팅층은 그 두께를 30㎛ 이하로 조절하는 것이 바람직한데, 상기 이온 교환 폴리머의 코팅층이 상기 다공성 지지체의 표면에 30㎛를 초과한 두께로 형성될 경우에는 상기 강화막의 기계적 강도가 저하될 수 있고, 상기 강화막의 전체 두께 증가로 이어져 저항손실이 증가될 수 있다.The ion-exchange polymer may be filled in the pores of the porous support, and the coating layer may be formed on one or both surfaces of the porous support in the manufacturing process. If the coating layer of the ion-exchange polymer is formed on the surface of the porous support to a thickness exceeding 30 탆, the mechanical strength of the reinforcing membrane is preferably in the range of And the resistance loss can be increased by increasing the total thickness of the reinforcing film.
상기 강화막은 상기 다공성 지지체의 기공 내에 상기 이온 교환 폴리머를 충진한 구조이기 때문에, 40MPa 이상의 우수한 기계적 강도를 나타낸다. 이와 같이 기계적 강도가 증진됨에 따라 상기 강화막 전체의 두께를 80㎛ 이하로 줄일 수 있으며, 그 결과로 재료비 절약과 더불어 이온 전도 속도가 증가되고 저항손실이 감소된다.Since the reinforcing membrane has the structure in which the ion exchange polymer is filled in the pores of the porous support, it exhibits excellent mechanical strength of 40 MPa or more. As the mechanical strength is increased, the total thickness of the reinforced membrane can be reduced to 80 탆 or less. As a result, the ion conduction rate is increased and the resistance loss is reduced along with the material cost saving.
또한, 상기 강화막은 내구성이 우수한 다공성 지지체를 포함하는 동시에 다공성 지지체를 구성하는 나노 섬유와 이온 교환 폴리머의 결착력이 우수하기 때문에, 수분에 의한 강화막의 3차원적 팽창을 억제할 수 있어 길이 및 두께 팽창률이 상대적으로 낮아진다. 구체적으로, 상기 강화막은 물에 팽윤시켰을 때 5% 이하의 우수한 치수안정성을 나타낸다. 상기 치수안정성은 상기 강화막을 물에 팽윤시켰을 때 팽윤 전 후 길이 변화로부터 하기 수학식 3에 따라 평가되는 물성이다.In addition, since the reinforcing membrane includes a porous support having excellent durability, and the binding force between the nanofibers constituting the porous support and the ion exchange polymer is excellent, the three-dimensional expansion of the reinforced membrane due to moisture can be suppressed, Is relatively low. In particular, the reinforcing membrane exhibits excellent dimensional stability of less than 5% when swollen in water. The dimensional stability is a physical property which is evaluated from the change in length before and after swelling when the reinforcing membrane is swelled in water according to the following formula (3).
[수학식 3]&Quot; (3) "
치수안정성=[(팽윤 후 길이-팽윤 전 길이)/팽윤 전 길이]×100Dimensional stability = [(length after swelling-length before swelling) / length before swelling] × 100
상기 강화막은 우수한 치수 안정성과 이온 전도도를 가지기 때문에 연료 전지용 고분자 전해질 막 또는 역삼투 필터용 멤브레인으로 바람직하게 사용될 수 있다.
Since the reinforced membrane has excellent dimensional stability and ionic conductivity, it can be preferably used as a polymer electrolyte membrane for a fuel cell or a membrane for a reverse osmosis filter.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.
[[ 제조예Manufacturing example 1: 다공성 지지체의 제조] 1: Preparation of porous support]
(( 실시예Example 1-1) 1-1)
PMDA 및 ODA와 PDA 단량체 100 중량부 및 아나타제형 나노 TiO2인 친수화 첨가제 5 중량부를 디메틸포름아마이드 용액에 용해시켜 12.5 중량%에 620poise의 방사용액 5L를 제조하였다. 제조된 방사용액을 용액 탱크에 이송한 후, 이를 정량 기어펌프를 통해 노즐이 26개로 구성되고 고전압이 49kV로 인가된 방사챔버로 공급하여 방사하여 폴리아믹산 나노웹을 제조하였다. 이때 용액 공급량은 1.0ml/min이었다. 또한, 각각 양이온 블로워와 음이온 블로워를 방사챔버와 콜렉터 기재에 설치하여 방사환경은 양이온밀도를 높여주고, 콜렉터 기재는 음이온 밀도를 높여주었다.100 parts by weight of PMDA and ODA and a PDA monomer and 5 parts by weight of an anatase-type nano TiO 2 hydrophilizing additive were dissolved in a dimethylformamide solution to prepare 5 L of a 620 poise spinning solution at 12.5 wt%. The prepared spinning solution was transferred to a solution tank, and the solution was supplied to a spinning chamber having 26 nozzles and a high voltage of 49 kV through a metering gear pump to spin the polyamic acid nanoweb. At this time, the solution supply amount was 1.0 ml / min. In addition, cationic blowers and anion blowers were installed in the spinning chamber and the collector base, respectively, to increase the cation density in the spinning environment and to increase the anion density in the collector base.
이어서, 상기 폴리아믹산 나노웹을롤투롤 방식으로 이송시키면서 420℃의 온도로 유지된 연속 경화로에서 10분 동안 열경화를 실시하여 폴리이미드 나노웹으로 구성된 다공성 지지체를 제조하였다.Then, the polyamic acid nanoweb was thermally cured in a continuous curing furnace maintained at a temperature of 420 ° C. for 10 minutes while transferring the polyamic acid nanoweb in a roll-to-roll manner, thereby preparing a porous support composed of a polyimide nano-web.
(( 실시예Example 1-2) 1-2)
친수화 첨가제로 아나타제형 나노 TiO2를 0.1 중량부로 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1-1에서와 동일한 방법으로 실시하여 다공성 지지체를 제조하였다.A porous support was prepared in the same manner as in Example 1-1 except that 0.1 part by weight of anatase-type nano-TiO 2 was used as a hydrophilic additive.
(( 실시예Example 1-3) 1-3)
친수화 첨가제로 아나타제형 나노 TiO2를 20 중량부로 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1-1에서와 동일한 방법으로 실시하여 다공성 지지체를 제조하였다.A porous support was prepared in the same manner as in Example 1-1 except that 20 parts by weight of anatase-type nano-TiO 2 was used as a hydrophilic additive.
(( 비교예Comparative Example 1-1) 1-1)
PMDA 및 ODA, PDA 단량체 100 단량체를 디메틸포름아마이드 용액에 용해시켜 12.5 중량%에 620poise의 방사용액 5L를 제조하였다. 제조된 방사용액을 용액 탱크에 이송한 후, 이를 정량 기어펌프를 통해 노즐이 26개로 구성되고 고전압이 49kV로 인가된 방사챔버로 공급하여 방사하여 폴리아믹산 나노웹을 제조하였다. 이때 용액 공급량은 1.0 ml/min이었다. 이어서, 상기 폴리아믹산 나노웹을 420℃의 온도로 유지된 연속 경화로에서 10분 동안 열경화를 실시하여 폴리이미드 나노웹으로 구성된 다공성 지지체를 제조하였다.
100 monomers of PMDA, ODA and PDA monomers were dissolved in a dimethylformamide solution to prepare 5 L of a 620 poise spinning solution at 12.5 wt%. The prepared spinning solution was transferred to a solution tank, and the solution was supplied to a spinning chamber having 26 nozzles and a high voltage of 49 kV through a metering gear pump to spin the polyamic acid nanoweb. At this time, the solution supply amount was 1.0 ml / min. The polyamic acid nanoweb was thermally cured in a continuous curing furnace maintained at a temperature of 420 DEG C for 10 minutes to prepare a porous support composed of a polyimide nanoweb.
[[ 시험예Test Example 1: 다공성 지지체의 특성 측정] 1: Characteristic measurement of porous support]
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 다공성 지지체의 포화 함습 도달 시간, 수분율, 젖음성, 접촉각을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 1에 정리하였다.The saturation hindrance time, moisture content, wettability and contact angle of the porous support prepared in the above Examples and Comparative Examples were measured, and the results are summarized in Table 1 below.
1) 포화 함습 도달 시간(초): KS K ISO 9073-6, 텍스타일-부직포 시험방법-제 6부: 흡수 측정 규격중 액체 흡습시간 방법에 의거하여, 물을 25mm높이에서 낙하시켜 시편이 완전히 젖는 시간을 측정함.1) Time to reach saturation humidification in seconds: KS K ISO 9073-6, textile - test method for nonwoven fabrics - Part 6: Absorption measurement method Under the liquid absorption time method, water is dropped at a height of 25 mm, Time is measured.
2) 수분율(%): KS K 0221텍스타일의 수분 측정 방법: 오븐 밸런스법에 의거하여 시편을 24시간 동안 섬유 실험실 표준상태(KS K 0901)에서 수분 평형에 도달시킨 후, 105 내지 110℃에서 1시간 30분 건조시키 후 무게 변화율을 측정함.2) Moisture content (%): KS K 0221 Method of moisture measurement of textile: After reaching moisture equilibrium in fiber laboratory standard condition (KS K 0901) for 24 hours according to oven balance method, After drying for 30 minutes, the weight change rate is measured.
3) 젖음성(cm): 미국 AATCC Test Method 197-2011, 텍스타일의 수직방향 위킹 시험 규격(Vertical Wicking of Textiles)중 선택B(Option B,Measure distance at a given time )에 의거하여, 시편을 침지한 후 30분 후의 위킹 최대 거리를 측정함.3) Wettability (cm): According to AATCC Test Method 197-2011, Vertical Wicking of Textiles (Option B, Measure distance at a given time), the specimens were immersed Measure the maximum wicking distance after 30 minutes.
4) 접촉각(°): 30℃ 및 RH 40%를 유지한 상태에서 증류수를 주사기에 충전하여 분리막 위에 지름 3mm 크기의 물방울을 떨어 뜨린 후 5분 동안 물방울이 퍼지기를 기다려서, 5분 이후 분리막과 물방울이 이루는 접촉각을 측정함.4) Contact angle (°): The distilled water was filled into the syringe while keeping the temperature at 30 ° C and RH 40%. After dropping water droplets having a diameter of 3 mm on the separation membrane and waiting for the water droplets to spread for 5 minutes, Measure the contact angle.
상기 표 1을 참조하면, 실시예에서 제조된 다공성 멤브레인은 비교예에서 제조된 멤브레인에 비하여 친수성이 우수함을 알 수 있다.
Referring to Table 1, it can be seen that the porous membranes prepared in the Examples are superior in hydrophilicity to the membranes prepared in the Comparative Examples.
[[ 제조예Manufacturing example 2 다공성 지지체의 제조] 2 Preparation of porous support]
(( 실시예Example 2-1) 2-1)
PMDA 및 ODA와 PDA 단량체를 디메틸포름아마이드 용액에 용해시켜 12.5 중량%에 620poise의 방사용액 5L를 제조하였다. 제조된 방사용액을 용액 탱크에 이송한 후, 이를 정량 기어펌프를 통해 노즐이 26개로 구성되고 고전압이 49kV로 인가된 방사챔버로 공급하여 방사하여 폴리아믹산 나노웹을 제조하였다. 이때 용액 공급량은 1.0 ml/min이었다.PMDA, ODA and PDA monomers were dissolved in a dimethylformamide solution to prepare 5 L of a 620 poise spinning solution at 12.5 wt%. The prepared spinning solution was transferred to a solution tank, and the solution was supplied to a spinning chamber having 26 nozzles and a high voltage of 49 kV through a metering gear pump to spin the polyamic acid nanoweb. At this time, the solution supply amount was 1.0 ml / min.
이어서, 상기 폴리아믹산 나노웹을 420℃의 온도로 유지된 연속 경화로에서 10분 동안 열경화를 실시하여 폴리이미드 나노웹을 제조하였다.Then, the polyamic acid nano-web was thermally cured in a continuous curing furnace maintained at a temperature of 420 ° C for 10 minutes to prepare a polyimide nano-web.
한편, 친수화 첨가제인 아나타제형 나노 TiO2를 디메틸포름아마이드에 첨가하고 교반하여 친수화 첨가제 용액을 제조하였다. 상기 제조된 친수화 첨가제 용액에 상기 제조된 나노웹을 상온에서 10분 동안 침지한 후 80℃ 열풍오븐에서 3시간 이상 건조하며, 이와 같은 침지, 건조 작업을 2 내지 5회 수행하여 상기 친수화 첨가제를 상기 나노웹에 함침시켰다.On the other hand, a hydrophilic additive, anatase type nano TiO 2 , was added to dimethylformamide and stirred to prepare a hydrophilic additive solution. The prepared nanoweb was immersed in the prepared hydrophilic additive solution at room temperature for 10 minutes and then dried in a hot air oven at 80 DEG C for 3 hours or longer. Such immersion and drying operations were performed 2 to 5 times, Was impregnated into the nanoweb.
(( 실시예Example 2-2) 2-2)
상기 실시예 2-1에서 상기 친수화 첨가제 용액을 상기 나노웹 양면 표면에 스프레이를 이용하여 코팅한 후 건조하는 작업을 반복한 것을 제외하고는 실시예 2-1과 동일하게 실시하여 다공성 지지체를 제조하였다.The procedure of Example 2-1 was repeated except that the hydrophilic additive solution was coated on both surfaces of the nanoweb by spraying and then dried in Example 2-1 to prepare a porous support Respectively.
(( 실시예Example 2-3) 2-3)
PMDA 및 ODA와 PDA 단량체를 디메틸포름아마이드 용액에 용해시켜 12.5 중량%에 620poise의 방사용액 5L를 제조하였다. 제조된 방사용액을 용액 탱크에 이송한 후, 이를 정량 기어펌프를 통해 노즐이 26개로 구성되고 고전압이 49kV로 인가된 방사챔버로 공급하여 방사하여 폴리아믹산 나노웹을 제조하였다. 이때 용액 공급량은 1.0ml/min이었다.PMDA, ODA and PDA monomers were dissolved in a dimethylformamide solution to prepare 5 L of a 620 poise spinning solution at 12.5 wt%. The prepared spinning solution was transferred to a solution tank, and the solution was supplied to a spinning chamber having 26 nozzles and a high voltage of 49 kV through a metering gear pump to spin the polyamic acid nanoweb. At this time, the solution supply amount was 1.0 ml / min.
이어서, 상기 폴리아믹산 나노웹을 420℃의 온도로 유지된 연속 경화로에서 10분 동안 열경화를 실시하여 폴리이미드 나노웹을 제조하였다 상기 제조된 폴리이미드 나노웹의 양면 표면을 저온 플라즈마를 사용하여 산소 기체를 150sccm유량으로 플라즈마 처리 챔버에 투입한 후 20W로 5분 동안 플라즈마 처리하였다.Then, the polyamic acid nano-web was thermally cured in a continuous curing furnace maintained at a temperature of 420 ° C for 10 minutes to prepare a polyimide nano-web. Both surfaces of the polyimide nano- Oxygen gas was introduced into the plasma processing chamber at a flow rate of 150 sccm and then subjected to plasma treatment at 20 W for 5 minutes.
(( 실시예Example 2-4) 2-4)
PMDA 및 ODA와 PDA 단량체를 디메틸포름아마이드 용액에 용해시켜 12.5 중량%에 620poise의 방사용액 5L를 제조하였다. 제조된 방사용액을 용액 탱크에 이송한 후, 이를 정량 기어펌프를 통해 노즐이 26개로 구성되고 고전압이 49kV로 인가된 방사챔버로 공급하여 방사하여 폴리아믹산 나노웹을 제조하였다. 이때 용액 공급량은 1.0 ml/min이었다.PMDA, ODA and PDA monomers were dissolved in a dimethylformamide solution to prepare 5 L of a 620 poise spinning solution at 12.5 wt%. The prepared spinning solution was transferred to a solution tank, and the solution was supplied to a spinning chamber having 26 nozzles and a high voltage of 49 kV through a metering gear pump to spin the polyamic acid nanoweb. At this time, the solution supply amount was 1.0 ml / min.
이어서, 상기 폴리아믹산 나노웹을 420℃의 온도로 유지된 연속 경화로에서 6분 동안 열경화를 실시하여 폴리이미드 나노웹을 제조하였다. 상기 제조된 폴리이미드 나노웹의 양면 표면을RF 스퍼터를 사용하여 증착 파워는 150W로 유지하고, 시편 온도는 200℃로 고정하여, 10분 동안 스퍼터링하여 TiO2 무기물층을 형성하였다.
Then, the polyamic acid nano-web was thermally cured in a continuous curing furnace maintained at a temperature of 420 ° C for 6 minutes to prepare a polyimide nano-web. The surface of both surfaces of the polyimide nanoweb was RF sputtered at a deposition power of 150 W, a specimen temperature of 200 ° C. and sputtering for 10 minutes to form a TiO 2 inorganic layer.
[[ 시험예Test Example 2: 다공성 지지체의 특성 측정] 2: Characteristic measurement of porous support]
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 다공성 지지체의 포화 함습 도달 시간, 수분율, 젖음성, 접촉각을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 2에 정리하였다.The saturation hindrance time, moisture content, wettability and contact angle of the porous support prepared in the above Examples and Comparative Examples were measured and the results are summarized in Table 2 below.
1) 포화 함습 도달 시간(초): KS K ISO 9073-6, 텍스타일-부직포 시험방법-제 6부: 흡수 측정 규격중 액체 흡습시간 방법에 의거하여, 물을 25mm높이에서 낙하시켜 시편이 완전히 젖는 시간을 측정함.1) Time to reach saturation humidification in seconds: KS K ISO 9073-6, textile - test method for nonwoven fabrics - Part 6: Absorption measurement method Under the liquid absorption time method, water is dropped at a height of 25 mm, Time is measured.
2) 수분율(%): KS K 0221텍스타일의 수분 측정 방법: 오븐 밸런스법에 의거하여 시편을 24시간 동안 섬유 실험실 표준상태(KS K 0901)에서 수분 평형에 도달시킨 후, 105 내지 110℃에서 1시간 30분 건조시키 후 무게 변화율을 측정함.2) Moisture content (%): KS K 0221 Method of moisture measurement of textile: After reaching moisture equilibrium in fiber laboratory standard condition (KS K 0901) for 24 hours according to oven balance method, After drying for 30 minutes, the weight change rate is measured.
3) 젖음성(cm): 미국 AATCC Test Method 197-2011, 텍스타일의 수직방향 위킹 시험 규격(Vertical Wicking of Textiles)중 선택B(Option B,Measure distance at a given time )에 의거하여, 시편을 침지한 후 30분 후의 위킹 최대 거리를 측정함.3) Wettability (cm): According to AATCC Test Method 197-2011, Vertical Wicking of Textiles (Option B, Measure distance at a given time), the specimens were immersed Measure the maximum wicking distance after 30 minutes.
4) 접촉각(°): 30℃ 및 RH 40%를 유지한 상태에서 증류수를 주사기에 충전하여 분리막 위에 지름 3mm 크기의 물방울을 떨어 뜨린 후 5분 동안 물방울이 퍼지기를 기다려서, 5분 이후 분리막과 물방울이 이루는 접촉각을 측정함.4) Contact angle (°): The distilled water was filled into the syringe while keeping the temperature at 30 ° C and RH 40%. After dropping water droplets having a diameter of 3 mm on the separation membrane and waiting for the water droplets to spread for 5 minutes, Measure the contact angle.
상기 표 2를 참조하면, 실시예에서 제조된 다공성 멤브레인은 비교예에서 제조된 멤브레인에 비하여 친수성이 우수함을 알 수 있다.
Referring to Table 2, it can be seen that the porous membrane prepared in the examples is superior in hydrophilicity to the membrane prepared in the comparative example.
[[ 제조예Manufacturing example 3 다공성 지지체의 제조] 3 Preparation of Porous Support]
(( 실시예Example 3-1) 3-1)
PMDA, ODA와 PDA 및 하이드록시기를 포함하는 디페닐 우레아 단량체를50:45:5의 중량비로 디메틸포름아마이드 용액에 용해시켜 12.5 중량%에 620poise의 방사용액 5L를 제조하였다.PMDA, ODA and PDA, and diphenyl Urea The monomers were dissolved in a dimethylformamide solution at a weight ratio of 50: 45: 5 to prepare 5 L of a 620 poise spinning solution at 12.5 wt%.
제조된 방사용액을 용액 탱크에 이송한 후, 이를 정량 기어펌프를 통해 노즐이 26개로 구성되고 고전압이 49kV로 인가된 방사챔버로 공급하여 방사하여 폴리아믹산 나노웹을 제조하였다. 이때 용액 공급량은 1.0 ml/min이었다.The prepared spinning solution was transferred to a solution tank, and the solution was supplied to a spinning chamber having 26 nozzles and a high voltage of 49 kV through a metering gear pump to spin the polyamic acid nanoweb. At this time, the solution supply amount was 1.0 ml / min.
이어서, 상기 폴리아믹산 나노웹을 420℃의 온도로 유지된 연속 경화로에서 10분 동안 열경화를 실시하여 폴리이미드 나노웹을 제조하였다.Then, the polyamic acid nano-web was thermally cured in a continuous curing furnace maintained at a temperature of 420 ° C for 10 minutes to prepare a polyimide nano-web.
(( 실시예Example 3-2) 3-2)
PMDA 및 ODA와 PDA 단량체를 디메틸포름아마이드 용액에 용해시켜 12.5중량%에 620poise를 제조하였다. 제조된 방사용액을 용액 탱크에 이송한 후, 이를 정량 기어펌프를 통해 노즐이 26개로 구성되고 고전압이 49kV로 인가된 방사챔버로 공급하여 방사하여 폴리아믹산 나노웹을 제조하였다. 이때 용액 공급량은 1.0 ml/min이었다.PMDA, ODA and PDA monomers were dissolved in a dimethylformamide solution to prepare 620poise at 12.5% by weight. The prepared spinning solution was transferred to a solution tank, and the solution was supplied to a spinning chamber having 26 nozzles and a high voltage of 49 kV through a metering gear pump to spin the polyamic acid nanoweb. At this time, the solution supply amount was 1.0 ml / min.
이어서, 상기 폴리아믹산 나노웹을 420℃의 온도로 유지된 연속 경화로에서 10분 동안 열경화를 실시하여 폴리이미드 나노웹을 제조하였다.Then, the polyamic acid nano-web was thermally cured in a continuous curing furnace maintained at a temperature of 420 ° C for 10 minutes to prepare a polyimide nano-web.
상기 제조된 폴리이미드 나노웹 표면에 스프레이를 이용하여0.1N KOH용액을 1초간 살포후 건조하여 상기 폴리이미드의 주쇄에 카르복실기를 0.02몰%로 치환시켰다.A 0.1 N KOH solution was sprayed on the surface of the polyimide nano-web prepared by spraying for 1 second and then dried to replace the carboxyl group in the main chain of the polyimide with 0.02 mole%.
(( 실시예Example 3-3) 3-3)
PMDA 및 ODA와 PDA 단량체를 디메틸포름아마이드 용액에 용해시켜 12.5 중량%에 620poise를 제조하였다. 제조된 방사용액을 용액 탱크에 이송한 후, 이를 정량 기어펌프를 통해 노즐이 26개로 구성되고 고전압이 49kV로 인가된 방사챔버로 공급하여 방사하여 폴리아믹산 나노웹을 제조하였다. 이때 용액 공급량은 1.0 ml/min이었다.PMDA, ODA and PDA monomers were dissolved in a dimethylformamide solution to prepare 620poise at 12.5% by weight. The prepared spinning solution was transferred to a solution tank, and the solution was supplied to a spinning chamber having 26 nozzles and a high voltage of 49 kV through a metering gear pump to spin the polyamic acid nanoweb. At this time, the solution supply amount was 1.0 ml / min.
이어서, 상기 폴리아믹산 나노웹을 420℃의 온도로 유지된 연속 경화로에서 10분 동안 열경화를 실시하여 폴리이미드 나노웹을 제조하였다.Then, the polyamic acid nano-web was thermally cured in a continuous curing furnace maintained at a temperature of 420 ° C for 10 minutes to prepare a polyimide nano-web.
상기 제조된 폴리이미드 나노웹 표면에 스프레이를 이용하여 0.1N NaOH용액을 1초간 살포후 건조하여 상기 폴리이미드의 주쇄에 카르복실기를 0.01몰%로 치환시켰다.
A 0.1 N NaOH solution was sprayed on the surface of the polyimide nano-web by spraying for 1 second and then dried to replace the carboxyl group in the main chain of the polyimide with 0.01 mol%.
[[ 시험예Test Example 3: 다공성 지지체의 특성 측정] 3: Characteristic measurement of porous support]
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 다공성 지지체의 포화 함습 도달 시간, 수분율, 젖음성, 접촉각을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 3에 정리하였다.The saturation damping time, moisture content, wettability and contact angle of the porous support prepared in the above Examples and Comparative Examples were measured and the results are summarized in Table 3 below.
1) 포화 함습 도달 시간(초): KS K ISO 9073-6, 텍스타일-부직포 시험방법-제 6부: 흡수 측정 규격중 액체 흡습시간 방법에 의거하여, 물을 25mm높이에서 낙하시켜 시편이 완전히 젖는 시간을 측정함.1) Time to reach saturation humidification in seconds: KS K ISO 9073-6, textile - test method for nonwoven fabrics - Part 6: Absorption measurement method Under the liquid absorption time method, water is dropped at a height of 25 mm, Time is measured.
2) 수분율(%): KS K 0221텍스타일의 수분 측정 방법: 오븐 밸런스법에 의거하여 시편을 24시간 동안 섬유 실험실 표준상태(KS K 0901)에서 수분 평형에 도달시킨 후, 105 내지 110℃에서 1시간 30분 건조시키 후 무게 변화율을 측정함.2) Moisture content (%): KS K 0221 Method of moisture measurement of textile: After reaching moisture equilibrium in fiber laboratory standard condition (KS K 0901) for 24 hours according to oven balance method, After drying for 30 minutes, the weight change rate is measured.
3) 젖음성(cm): 미국 AATCC Test Method 197-2011, 텍스타일의 수직방향 위킹 시험 규격(Vertical Wicking of Textiles)중 선택B(Option B,Measure distance at a given time )에 의거하여, 시편을 침지한 후 30분 후의 위킹 최대 거리를 측정함.3) Wettability (cm): According to AATCC Test Method 197-2011, Vertical Wicking of Textiles (Option B, Measure distance at a given time), the specimens were immersed Measure the maximum wicking distance after 30 minutes.
4) 접촉각: 30℃ 및 RH 40%를 유지한 상태에서 증류수를 주사기에 충전하여 분리막 위에 지름 3mm 크기의 물방울을 떨어 뜨린 후 5분 동안 물방울이 퍼지기를 기다려서, 5분 이후 분리막과 물방울이 이루는 접촉각을 측정함.4) Contact angle: The distilled water was charged into the syringe while maintaining the temperature at 30 ° C and RH 40%. Drops of water 3 mm in diameter were dropped on the separation membrane, and the water droplets spread for 5 minutes. After 5 minutes, .
상기 표 3을 참조하면, 실시예에서 제조된 다공성 멤브레인은 비교예에서 제조된 멤브레인에 비하여 친수성이 우수함을 알 수 있다.
Referring to Table 3, it can be seen that the porous membrane prepared in the examples is superior in hydrophilicity to the membrane prepared in the comparative example.
[[ 제조예Manufacturing example 4: 4: 강화막의Reinforced membrane 제조] Produce]
페트리 디쉬에 상기 제조예 1 내지 3에서 제조된 다공성 지지체와 함께 5중량%의 나피온 용액을 웹의 단위면적(cm2) 당 0.06g의 나피온이 함침될 수 있도록 넣어주고, 오븐을 사용하여 60℃에서 4시간 이상 건조하여 강화막을 제조하였다.
5% by weight of a Nafion solution together with the porous support prepared in the above Preparation Examples 1 to 3 was put into a Petri dish so that 0.06 g of Nafion per unit area (cm 2 ) of the web could be impregnated, And dried at 60 DEG C for 4 hours or more to prepare a reinforced membrane.
[[ 시험예Test Example 4] 4]
상기 제조예 4에서 제조된 강화막을 각각 친수성 기가 충분히 활성화되도록 1몰 황산 용액에 3시간 동안 침지시킨 후 초순수로 깨끗이 표면을 닦아 전도도 측정 샘플을 준비한 후, 저항 측정 장치를 통해 90% 가습, 4전극법에 의해 25℃ 및 80℃에서 이온전도도를 각각 측정하였다. Each of the reinforcing membranes prepared in Preparation Example 4 was immersed in 1 molar sulfuric acid solution for sufficiently activating the hydrophilic groups, and then the surface of each membrane was cleaned with ultra pure water to prepare conductivity measurement samples. Then, 90% At 25 DEG C and 80 DEG C, respectively.
또한, 상기 제조예 4에서 제조된 강화막을 60℃ 오븐에서 6시간 이상 건조 후 80℃ 열수에서 2시간 보관하는 것을 1회로 하여 5회 반복 실시한 후 결과의 강화막에 대해 UTM-3365 기기를 사용하여 인장강도를 측정하였고, 탈리 현상 발생 여부를 측정하였다.The reinforced membrane prepared in Preparation Example 4 was dried for 6 hours or more in an oven at 60 ° C, and then stored for 2 hours in hot water at 80 ° C for 5 times. The resultant reinforced membrane was subjected to UTM-3365 The tensile strength was measured and the occurrence of desorption was measured.
또한, 상기 제조예 4에서 제조된 강화막의 형태안정성을 평가하기 위하여, 상기 강화막을 열풍오븐내에서 50℃의 온도에서 6시간 건조한 후 초순수에 24시간 동안 침지하여 강화막의 치수변화를 측정하였다. In order to evaluate the morphological stability of the reinforced membrane prepared in Preparation Example 4, the reinforced membrane was dried in a hot air oven at a temperature of 50 ° C for 6 hours and immersed in ultrapure water for 24 hours to measure the dimensional change of the reinforced membrane.
상기 측정 결과를 하기 표 4에 나타내었다.The measurement results are shown in Table 4 below.
1) 대조예: 듀폰사의 나피온 117 막을 초순수에 3시간 이상 침지하여 막내 물이 충분히 존재하도록 하여 준비된 고분자 전해질막.1) Control Example: A polymer electrolyte membrane prepared by immersing Nafion 117 membrane of DuPont in ultrapure water for 3 hours or more to make water in the membrane sufficiently present.
상기 표 4에 나타난 바와 같이, 실시예의 강화막 및 비교예의 강화막은, 우수한 수소이온 전도도를 나타내는 것으로 알려진 대조예의 플루오르계 강화막과 비교하여 25℃에서는 동등 수준의 수소이온 전도도를 나타내었다. 그러나, 80℃ 고온에서 실시예의 강화막은 대조예의 플루오르계 강화막과 동등 수준의 수소이온 전도도를 나타낸 반면, 비교예의 강화막은 대조예의 플루오르계 강화막에 비해 현저히 저하된 이온전도도를 나타내었다.As shown in Table 4, the reinforced membrane of the example and the reinforced membrane of the comparative example exhibited the same level of hydrogen ion conductivity at 25 ° C as compared with the fluorine-containing reinforced membrane of the comparative example, which is known to exhibit excellent hydrogen ion conductivity. However, at a high temperature of 80 占 폚, the reinforced membrane of the Example exhibited the same level of hydrogen ion conductivity as that of the fluorinated reinforced membrane of the Control Example, while the reinforced membrane of Comparative Example exhibited significantly lower ion conductivity than the fluorinated reinforced membrane of the Control Example.
또한, 실시예의 강화막은 종래 우수한 수소 이온 전도도를 나타내는 것으로 알려진 대조예의 플루오르계 고분자의 전해질막에 비해 현저히 개선된 형태 안정성을 나타냄을 알 수 있다.
In addition, it can be seen that the reinforced membrane of the example exhibits remarkably improved morphological stability as compared with the electrolyte membrane of the fluorine-based polymer which is conventionally known to exhibit excellent hydrogen ion conductivity.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, Of the right.
1 : 용액 탱크
2 : 정량 펌프
3 : 노즐
4 : 콜렉터
5 : 전압 전달 로드
6 : 고전압 발생부1: solution tank
2: metering pump
3: Nozzle
4: Collector
5: Voltage transferring rod
6: High voltage generator
Claims (29)
상기 나노웹의 일면 또는 양면의 표면에 무기물이 증착된 다공성 지지체.Wherein the nanofibers include a nanoweb integrated into a nonwoven fabric including a plurality of pores,
Wherein the inorganic support is deposited on one surface or both surfaces of the nanoweb.
상기 무기물은 아나타제형 이산화티타늄(TiO2 anatase), 루타일형 이산화티타늄(TiO2 rutile), 브룩카이트형 이산화티타늄(TiO2 brookite), 이산화주석(SnO), 이산화지르코늄(ZrO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화 단일벽 탄소나노뷰브, 산화 다중벽 탄소나노튜브, 산화 그라파이트 옥사이드, 산화그래핀 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것인 다공성 지지체.The method according to claim 1,
The inorganic material may be selected from the group consisting of anatase type titanium dioxide (TiO 2 anatase), rutile type titanium dioxide (TiO 2 rutile), brookite type titanium dioxide (TiO 2 brookite), tin dioxide (SnO), zirconium dioxide (ZrO 2 ) Al 2 O 3 ), an oxidized single-walled carbon nanotube, an oxidized multi-walled carbon nanotube, an oxidized graphite oxide, an oxidized graphene, and a combination thereof.
상기 나노웹의 포화 함습 도달 시간이 1초 내지 5분인 것인 다공성 지지체.The method according to claim 1,
Wherein the saturation impingement reaching time of the nanoweb is from 1 second to 5 minutes.
상기 나노웹은 수분율이 3.0% 이상인 것인 다공성 지지체.The method according to claim 1,
Wherein the nano-web has a moisture content of 3.0% or more.
상기 나노웹은 위킹 테스트(wicking test)에 의한 젖음성이 2 내지 15cm인 것인 다공성 지지체.The method according to claim 1,
Wherein the nano-web has a wettability of 2 to 15 cm by a wicking test.
상기 나노웹은 접촉각(contact angle)이 90° 이하인 것인 다공성 지지체.The method according to claim 1,
Wherein the nano-web has a contact angle of 90 DEG or less.
상기 나노 섬유는 상기 나노 섬유 고분자 100 중량부에 대하여 친수화 첨가제를 0.1 내지 20 중량부로 포함하는 것인 다공성 지지체.The method according to claim 1,
Wherein the nanofiber comprises 0.1 to 20 parts by weight of a hydrophilic additive to 100 parts by weight of the nanofiber polymer.
상기 나노웹의 기공 내부에 친수화 첨가제가 함침된 것인 다공성 지지체.The method according to claim 1,
Wherein a hydrophilic additive is impregnated in the pores of the nano-web.
상기 나노웹의 일면 또는 양면의 표면에 친수화 첨가제가 코팅된 것인 다공성 지지체.The method according to claim 1,
Wherein a hydrophilic additive is coated on one surface or both surfaces of the nano web.
상기 친수화 첨가제는 아나타제형 이산화티타늄(TiO2 anatase), 루타일형 이산화티타늄(TiO2 rutile), 브룩카이트형 이산화티타늄(TiO2 brookite), 이산화주석(SnO), 이산화지르코늄(ZrO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화 단일벽 탄소나노뷰브, 산화 다중벽 탄소나노튜브, 산화 그라파이트 옥사이드, 산화그래핀 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것인 다공성 지지체.10. The method according to any one of claims 7 to 9,
The hydrophilic additive may be selected from the group consisting of anatase type titanium dioxide (TiO 2 anatase), rutile type titanium dioxide (TiO 2 rutile), brookite type titanium dioxide (TiO 2 brookite), tin dioxide (SnO 2 ), zirconium dioxide Wherein the porous support is any one selected from the group consisting of aluminum (Al 2 O 3 ), oxidized single wall carbon nanotube, oxidized multiwall carbon nanotube, oxidized graphite oxide, graphene oxide, and combinations thereof.
상기 친수화 첨가제는 폴리하이드로에틸메탈크릴레이트 폴리비닐아세테이트, 폴리우레탄, 폴리디메틸실록산, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 에폭시 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것인 다공성 지지체.10. The method according to any one of claims 7 to 9,
Wherein the hydrophilic additive is selected from the group consisting of polyhydroxyethyl methacrylate polyvinyl acetate, polyurethane, polydimethylsiloxane, polyimide, polyamide, polyethylene terephthalate, polymethyl methacrylate, epoxy, One is a porous support.
상기 친수화 첨가제의 평균 입경은 0.1 내지 1㎛인 나노 친수화 첨가제인 것인 다공성 지지체.10. The method according to any one of claims 7 to 9,
Wherein the hydrophilic additive is a nano-hydrophilic additive having an average particle diameter of 0.1 to 1 占 퐉.
상기 나노 섬유는 폴리이미드 나노 섬유인 것인 다공성 지지체.The method according to claim 1,
Wherein the nanofiber is a polyimide nanofiber.
상기 폴리이미드의 주쇄는 아민기, 카르복실기, 하이드록시기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 치환기를 포함하는 것인 다공성 지지체.14. The method of claim 13,
Wherein the main chain of the polyimide includes any one substituent selected from the group consisting of an amine group, a carboxyl group, a hydroxyl group, and combinations thereof.
상기 폴리이미드는 디아민(diamine), 디언하이드라이드(dianhydride), 및 하이드록시기를 포함하는 공단량체(comonomer)를 중합시켜 제조된 폴리아믹산을 이미드화시켜 제조된 것인 다공성 지지체.14. The method of claim 13,
Wherein the polyimide is prepared by imidizing a polyamic acid prepared by polymerizing a comonomer comprising diamine, dianhydride, and a hydroxy group.
상기 하이드록시기를 포함하는 디아닐린, 하이드록시기를 포함하는 디페닐 우레아, 하이드록시기를 포함하는 디아민 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것인 다공성 지지체.16. The method of claim 15,
A dianiline having a hydroxy group, a diphenylurea having a hydroxy group, a diamine having a hydroxy group, and a combination thereof.
상기 나노웹은 일면 또는 양면의 표면이 플라즈마 처리된 것인 다공성 지지체. The method according to claim 1,
Wherein the surface of the one or both surfaces of the nano-web is plasma-treated.
상기 제조된 전기 방사 용액을 전기 방사하여 나노 섬유들이 다수의 기공을 포함하는 부직포 형태로 집적된 폴리아믹산 나노웹을 제조하는 단계, 그리고
상기 폴리아믹산 나노웹을 이미드화시켜 폴리이미드 나노웹을 제조하는 단계를 포함하며,
상기 나노웹의 일면 또는 양면의 표면에 무기물을 증착시키는 단계를 더 포함하는 것인 다공성 지지체의 제조 방법.Adding diamine and dianhydride to a solvent to prepare an electrospinning solution,
Preparing a polyamic acid nano-web by integrating the nanofibers in the form of a nonwoven fabric including a plurality of pores, and
And imidizing the polyamic acid nano-web to prepare a polyimide nano-web,
Further comprising the step of depositing an inorganic material on one or both surfaces of the nano web.
상기 무기물을 증착시키는 방법은 스퍼터링인 것인 다공성 지지체의 제조 방법.19. The method of claim 18,
Wherein the method of depositing the inorganic material is sputtering.
상기 전기 방사 용액에 하이드록시기를 포함하는 공단량체를 더 첨가하는 것인 다공성 지지체의 제조 방법.19. The method of claim 18,
Wherein a comonomer having a hydroxy group is further added to the electrospinning solution.
상기 폴리이미드 나노웹이 포함하는 상기 나노 섬유의 주쇄는 아민기, 카르복실기, 하이드록시기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 치환기로 치환된 것인 다공성 지지체의 제조 방법.19. The method of claim 18,
Wherein the main chain of the nanofibers included in the polyimide nanoweb is substituted with any one substituent selected from the group consisting of an amine group, a carboxyl group, a hydroxyl group, and a combination thereof.
상기 나노웹의 일면 또는 양면의 표면에 무기물을 증착시키는 단계를 더 포함하는 것인 다공성 지지체의 제조 방법.And electrospinning the electrospinning solution to produce a nanofiber composite in which the nanofibers are integrated in the form of a nonwoven fabric including a plurality of pores,
Further comprising the step of depositing an inorganic material on one or both surfaces of the nano web.
상기 무기물을 증착시키는 방법은 스퍼터링인 것인 다공성 지지체의 제조 방법.23. The method of claim 22,
Wherein the method of depositing the inorganic material is sputtering.
상기 전기 방사 용액에 친수성 첨가제를 더 첨가하는 것인 다공성 지지체의 제조 방법.23. The method of claim 22,
Wherein a hydrophilic additive is further added to the electrospinning solution.
상기 나노웹의 기공 내부에 친수화 첨가제를 함침시키는 단계를 더 포함하는 것인 다공성 지지체의 제조 방법.23. The method of claim 22,
And impregnating a hydrophilic additive into the pores of the nanoweb.
상기 나노웹의 일면 또는 양면의 표면에 친수화 첨가제를 코팅하는 단계를 더 포함하는 것인 다공성 지지체의 제조 방법.23. The method of claim 22,
Further comprising coating a hydrophilic additive on one surface or both surfaces of the nano web.
상기 나노웹의 일면 또는 양면을 플라즈마 처리하는 단계를 더 포함하는 것인 다공성 지지체의 제조 방법.23. The method of claim 22,
Further comprising the step of plasma-treating one or both surfaces of the nano-web.
상기 플라즈마 처리는 저온 플라즈마 또는 RF(radio frequency) 플라즈마를 사용하여 상기 나노웹의 일면 또는 양면에 친수성기를 부여할 수 있는 기체로 처리하는 것인 다공성 지지체의 제조 방법. 28. The method of claim 27,
Wherein the plasma treatment is performed with a gas capable of imparting a hydrophilic group to one or both surfaces of the nanoweb by using a low-temperature plasma or a radio frequency (RF) plasma.
상기 다공성 지지체의 기공을 채우고 있는 이온 교환 폴리머
를 포함하는 강화막.
A porous support according to claim 1, and
The ion exchange polymer filling the pores of the porous support
≪ / RTI >
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