KR20160011851A - Fluorinated thermally rearranged polymer gas separation membrane for separation of natural gas and preparation method thereof - Google Patents

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KR20160011851A
KR20160011851A KR1020140093031A KR20140093031A KR20160011851A KR 20160011851 A KR20160011851 A KR 20160011851A KR 1020140093031 A KR1020140093031 A KR 1020140093031A KR 20140093031 A KR20140093031 A KR 20140093031A KR 20160011851 A KR20160011851 A KR 20160011851A
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이영무
조혜진
성종근
이소영
도유성
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a fluorinated thermally rearranged polymer gas separation membrane, and to a production method thereof. The fluorinated thermally rearranged polymer gas separation membrane can be applied in the separation of natural gas and is produced by a fluorinated thermally rearranged polymer membrane by a direct fluorination method using a thermally rearranged polymer membrane derived from polyimide or a polyimide copolymer which is obtained from acid dianhydride and aromatic diamine having at least one functional group occupying an ortho position. The fluorinated thermally rearranged polymer gas separation membrane which is used in the separation of natural gas and is produced according to the present invention retains high gas permeability which is an inherent characteristic of a thermally polymer membrane. Thus, the commercialization of the membrane is possible as a gas separation membrane for the separation of natural gas has excellent selectability of nitrogen, carbon dioxide, or helium with respect to methane.

Description

천연가스 분리용 불소화 열전환 고분자 기체분리막 및 그 제조방법{Fluorinated thermally rearranged polymer gas separation membrane for separation of natural gas and preparation method thereof}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a fluorinated thermally-reversible polymer gas separation membrane for separating natural gas,

본 발명은 천연가스 분리용 불소화 열전환 고분자 기체분리막 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 오르쏘 위치에 적어도 하나의 작용기를 갖는 방향족 디아민과 산이무수물로부터 얻어지는 폴리이미드 또는 폴리이미드 공중합체 유래 열전환 고분자막을 직접 불소화법에 의하여 불소화 열전환 고분자막을 제조하고, 이를 천연가스 분리에 응용할 수 있는 불소화 열전환 고분자 기체분리막 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a fluorinated thermal conversion polymer gas separation membrane for natural gas separation and a method for producing the same, and more particularly, to a fluorinated thermal conversion polymer gas separation membrane for natural gas separation, which comprises a polyimide or polyimide copolymer obtained from an aromatic diamine and an acid anhydride having at least one functional group at an ortho- The present invention relates to a fluorinated thermal conversion polymer membrane capable of producing a fluorinated thermal conversion polymer membrane by direct fluorination of a thermal conversion polymer membrane and applying it to natural gas separation, and a production method thereof.

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

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

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

또한, 본 발명자 등은 폴리히드록시이미드-이미드 공중합체 막을 열처리하여 열전환 폴리벤즈옥사졸-이미드 공중합체 막을 제조하고, 이를 기체분리에 응용한바 있으나, 상업화 관점에서 볼 때 CO2/CH4 혼합기체 등에서 메탄에 대한 이산화탄소의 선택도가 19.4~38.7 정도로 여전히 만족할만한 수준에 이르지는 못하였다(특허문헌 1).Further, the inventors of the present invention is poly-hydroxyimide - already converted heat to the heat treatment to stop de copolymers polybenzoxazole - already manufactured film de copolymers, although hanba applied it to the gas separation, from a commercial perspective, CO 2 / CH 4 mixed gas and the like, the selectivity of carbon dioxide to methane did not reach a satisfactory level of about 19.4 to 38.7 (Patent Document 1).

그리고 기체분리용 열전환 폴리벤즈옥사졸 막 및 폴리벤즈옥사졸-피롤론 공중합체 막을 개발하기도 하였으나, 이는 산소/질소 혼합기체를 대상으로 기체투과도 및 질소에 대한 산소의 선택도를 개선하는데 한정된 것이어서 메탄을 주성분으로 하는 혼합기체인 천연가스의 선택적 분리 등에 관해서는 추가적인 연구가 필요하였다(특허문헌 2).Thermally-converted polybenzoxazole membranes and polybenzoxazole-pyrrolone copolymer membranes for gas separation have also been developed, but this is limited to improving oxygen selectivity to gas permeability and nitrogen for oxygen / nitrogen mixed gases Further studies have been required on the selective separation of natural gas, which is a mixer mainly composed of methane (Patent Document 2).

따라서 본 발명자들은 상술한 바와 같은 다양한 열전환 고분자막의 표면을 불소로 처리하면, 열전환 고분자막 고유의 높은 기체투과도를 유지하면서 메탄에 대한 질소, 이산화탄소 또는 헬륨의 선택도가 현저하게 상승하는 것을 발견하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.Accordingly, the inventors of the present invention have found that when the surfaces of various heat-converted polymer membranes as described above are treated with fluorine, the selectivity of nitrogen, carbon dioxide, or helium to methane increases remarkably while maintaining high gas permeability inherent to the heat- The present invention has been completed.

특허문헌 1 등록특허공보 제10-0932765호Patent Document 1 Registration No. 10-0932765 특허문헌 2 공개특허공보 제10-2006-0085845호Patent Document 2: Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-2006-0085845

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

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 높은 기체투과도를 유지하면서, 메탄에 대한 질소, 이산화탄소 또는 헬륨의 선택도가 매우 우수하여 상업화 가능한 천연가스 분리용 불소화 열전환 고분자 기체분리막 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide a method for separating natural gas, A polymer gas separation membrane and a method of manufacturing the same.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 히드록시기, 티올기 또는 아미노기를 갖는 폴리이미드, 또는 상기 히드록시기, 티올기 또는 아미노기를 갖는폴리이미드를 포함하는 폴리이미드 공중합체 유래 열전환 고분자막의 표면이 불소 처리된 천연가스 분리용 불소화 열전환 고분자 기체분리막을 제공한다.In order to accomplish the above object, the present invention provides a polyimide-based thermally-converting polymer membrane comprising a polyimide having a hydroxyl group, a thiol group or an amino group, or a polyimide having a hydroxyl group, a thiol group or an amino group, A fluorinated thermal conversion polymer gas separation membrane for fluorine-treated natural gas separation is provided.

상기 히드록시기, 티올기 또는 아미노기를 갖는 폴리이미드는 하기 <화학식 1> 또는 <화학식 2>로 표시되는 반복단위를 갖는 것을 특징으로 한다.The polyimide having a hydroxyl group, a thiol group or an amino group has a repeating unit represented by the following formula (1) or (2).

<화학식 1> <화학식 2>&Lt; Formula 1 > < EMI ID =

Figure pat00001
Figure pat00002
Figure pat00001
Figure pat00002

(상기 화학식 1 또는 2에서, Ar1은 치환 또는 비치환된 4가의 탄소수 6 내지 24의 아릴렌기 및 치환 또는 비치환된 4가의 탄소수 4 내지 24의 복소환기에서 선택되는 방향족 고리기이고, 상기 방향족 고리기는 단독으로 존재하거나; 2개 이상이 서로 축합 고리를 형성하거나; 2개 이상이 단일결합, O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤P≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2 또는 CO-NH로 연결되어 있고, Q는 단일결합이거나; O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤P≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2, CO-NH, C(CH3)(CF3), 또는 치환 또는 비치환된 페닐렌기이며, Y는 OH, SH 또는 NH2로서, 서로 동일하거나 상이할 수 있다)(Wherein Ar 1 is an aromatic ring group selected from a substituted or unsubstituted quadrivalent arylene group having 6 to 24 carbon atoms and a substituted or unsubstituted quadrivalent heterocyclic group having 4 to 24 carbon atoms, O, S, CO, SO 2 , Si (CH 3 ) 2 , (CH 2 ) p (1 ≦ P ≤10), (CF 2) q (1≤q≤10), C (CH 3) 2, C (CF 3) 2 or are connected to the CO-NH, Q is a single bond or; O, S, CO , SO 2, Si (CH 3 ) 2, (CH 2) p (1≤P≤10), (CF 2) q (1≤q≤10), C (CH 3) 2, C (CF 3) 2 , and CO-NH, C (CH 3 ) (CF 3), or a substituted or unsubstituted phenylene ring, Y may be an OH, SH or NH 2, the same or different from each other)

상기 히드록시기, 티올기 또는 아미노기를 갖는 폴리이미드를 포함하는 폴리이미드 공중합체는 하기 <화학식 3> 또는 <화학식 4>로 표시되는 반복단위를 갖는 것을 특징으로 한다.The polyimide copolymer comprising a polyimide having a hydroxyl group, a thiol group or an amino group has a repeating unit represented by the following formula (3) or (4).

<화학식 3>(3)

Figure pat00003
Figure pat00003

<화학식 4>&Lt; Formula 4 >

Figure pat00004
Figure pat00004

(상기 화학식 3 또는 4에서, Ar1 , Q 및 Y는 화학식 1 또는 2에서 정의한 바와 같고, Ar2는 치환 또는 비치환된 2가의 탄소수 6 내지 24의 아릴렌기 및 치환 또는 비치환된 2가의 탄소수 4 내지 24의 복소환기에서 선택되는 방향족 고리기이고, 상기 방향족 고리기는 단독으로 존재하거나; 2개 이상이 서로 축합 고리를 형성하거나; 2개 이상이 단일결합, O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤P≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2 또는 CO-NH로 연결되어 있으며, m, l은 각각 반복단위 내 몰분율로서 0.1≤m≤0.9, 0.1≤l≤0.9, m+l=1 이다)(Wherein Ar 1 , Q and Y are as defined in formula (1) or (2), Ar 2 is a substituted or unsubstituted divalent arylene group having 6 to 24 carbon atoms and a substituted or unsubstituted divalent carbon number an aromatic group selected from a heterocyclic group of 4 to 24, where the aromatic group is independently present or; two or more form a condensed ring with each other, or; a single bond, two or more, O, S, CO, SO 2, Si (CH 3) 2, ( CH 2) p (1≤P≤10), (CF 2) q (1≤q≤10), C (CH 3) 2, C (CF 3) 2 or CO-NH M and l are the mole fractions in the repeating units, 0.1? M? 0.9, 0.1? L? 0.9, and m + l = 1,

상기 열전환 고분자막은 폴리벤즈옥사졸막, 폴리벤조티아졸막, 폴리피롤론막, 폴리벤즈옥사졸-이미드 공중합체막, 폴리벤조티아졸-이미드 공중합체막, 폴리피롤론-이미드 공중합체막, 폴리벤즈옥사졸-벤조티아졸 공중합체막, 폴리벤즈옥사졸-피롤론 공중합체막 및 폴리벤조티아졸-피롤론 공중합체막으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 것을 특징으로 한다.The thermal conversion polymer membrane may be a polybenzoxazole film, a polybenzothiazole film, a polypyrrole film, a polybenzoxazole-imide copolymer film, a polybenzothiazole-imide copolymer film, a polypyrrolone-imide copolymer film, a poly Benzoxazole-benzothiazole copolymer film, polybenzoxazole-pyrrolone copolymer film, and polybenzothiazole-pyrrolone copolymer film.

상기 불소화 열전환 고분자 기체분리막은 불소화도가 1~100%인 것을 특징으로 한다.The fluorinated thermal conversion polymer gas separation membrane has a fluorination degree of 1 to 100%.

상기 천연가스 분리는 N2/CH4, CO2/CH4 또는 He/CH4 혼합기체를 대상으로 하는 것을 특징으로 한다.The natural gas separation is characterized in that a mixed gas of N 2 / CH 4 , CO 2 / CH 4 or He / CH 4 is used.

또한, 본 발명은 i) 산이무수물과 히드록시기, 티올기 또는 아미노기를 갖는 방향족 디아민; 또는 산이무수물과 히드록시기, 티올기 또는 아미노기를 갖는 방향족 디아민 및 공단량체로서 방향족 디아민을 반응시켜 폴리아믹산 용액을 얻은 후 이미드화 시킴으로써 히드록시기, 티올기 또는 아미노기를 갖는 폴리이미드; 또는 상기 폴리이미드를 포함하는 폴리이미드 공중합체를 합성하는 단계;The present invention also relates to i) an aromatic diamine having an acid anhydride and a hydroxyl group, a thiol group or an amino group; A polyimide having a hydroxyl group, a thiol group or an amino group by reacting an aromatic dianhydride having an acid anhydride with a hydroxyl group, a thiol group or an amino group and an aromatic diamine as a comonomer to obtain a polyamic acid solution and then imidizing the polyamic acid solution; Or a polyimide copolymer containing the polyimide;

ii) 상기 i) 단계에서 합성한 폴리이미드 또는 상기 폴리이미드를 포함하는 폴리이미드 공중합체를 유기용매에 녹인 고분자용액을 캐스팅하거나 전기방사 하여 제막한 후, 열처리함으로써 열전환 고분자막을 얻는 단계; 및 ii) obtaining a heat-converted polymer membrane by casting or electrospinning a polyimide copolymer synthesized in step i) or a polyimide copolymer containing the polyimide in an organic solvent; And

iii) 상기 ii) 단계에서 얻은 열전환 고분자막의 표면을 불소 처리하는 단계;를 포함하는 천연가스 분리용 불소화 열전환 고분자 기체분리막의 제조방법을 제공한다.and iii) fluorinating the surface of the thermally-reversible polymer membrane obtained in the step ii). The present invention also provides a method for producing a fluorinated thermal conversion polymer gas separation membrane for separating natural gas.

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

<일반식 1>&Lt; General Formula 1 &

Figure pat00005
Figure pat00005

(상기 일반식 1에서, Ar1은 상기 화학식 1 내지 4에서 정의한 바와 같다)(In the general formula 1, Ar 1 is as defined in the above formulas 1 to 4)

상기 i) 단계의 히드록시기, 티올기 또는 아미노기를 갖는 방향족 디아민은 하기 <일반식 2> 또는 <일반식 3>으로 표시되는 것을 특징으로 한다.The aromatic diamine having a hydroxyl group, a thiol group or an amino group in the step i) is represented by the following formula 2 or 3:

<일반식 2> <일반식 3>&Lt; General Formula 2 > < General Formula 3 &

Figure pat00006
Figure pat00007
Figure pat00006
Figure pat00007

(상기 일반식 2 또는 3에서, Q 및 Y는 상기 화학식 1 내지 4에서 정의한 바와 같다)(In the general formula 2 or 3, Q and Y are as defined in the above formulas 1 to 4)

상기 i) 단계의 공단량체로서 방향족 디아민은 하기 <일반식 4>로 표시되는 것을 특징으로 한다.The aromatic diamine as the comonomer in the step i) is characterized by being represented by the following general formula (4).

<일반식 4>&Lt; General Formula 4 &

Figure pat00008
Figure pat00008

(상기 일반식 4에서 Ar2는 상기 화학식 1 내지 4에서 정의한 바와 같다)(In the general formula 4, Ar 2 is the same as defined in the above formulas 1 to 4)

상기 i) 단계의 이미드화는 공비 열 이미드화법에 의하여 수행되는 것을 특징으로 한다.The imidization in the step i) is performed by an azeotropic thermal imidization method.

상기 공비 열 이미드화법은 폴리아믹산 용액에 톨루엔 또는 자일렌을 첨가하고 교반하여 180~200℃에서 6~12시간 동안 이미드화 반응을 수행하는 것을 특징으로 한다.The azeotropic thermal imidization method is characterized in that toluene or xylene is added to a polyamic acid solution and the mixture is stirred to perform an imidation reaction at 180 to 200 ° C for 6 to 12 hours.

상기 ii) 단계의 열처리는 고순도의 불활성 가스 분위기에서 1~20℃/min의 승온 속도로 300~450℃까지 승온한 후 0.1~12시간 동안 등온 상태를 유지함으로써 수행되는 것을 특징으로 한다.The heat treatment in the step ii) is performed by raising the temperature to 300 to 450 ° C at a temperature raising rate of 1 to 20 ° C / min in an inert gas atmosphere of high purity, and then maintaining an isothermal state for 0.1 to 12 hours.

상기 ii) 단계의 열전환 고분자막은 폴리벤즈옥사졸막, 폴리벤조티아졸막, 폴리피롤론막, 폴리벤즈옥사졸-이미드 공중합체막, 폴리벤조티아졸-이미드 공중합체막, 폴리피롤론-이미드 공중합체막, 폴리벤즈옥사졸-벤조티아졸 공중합체막, 폴리벤즈옥사졸-피롤론 공중합체막 및 폴리벤조티아졸-피롤론 공중합체막으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 것을 특징으로 한다.The thermal conversion polymer membrane in step ii) may be selected from the group consisting of a polybenzoxazole film, a polybenzothiazole film, a polypyrrole film, a polybenzoxazole-imide copolymer film, a polybenzothiazole-imide copolymer film, a polypyrrolone- A polybenzoxazole-pyrrolone copolymer film, a polybenzothiazole-pyrrolone copolymer film, a polybenzoxazole-benzothiazole copolymer film, a polybenzoxazole-pyrrolone copolymer film and a polybenzothiazole-pyrrolone copolymer film.

상기 iii) 단계의 불소 처리는 1 ppm 내지 1 부피%의 불소가스를 함유하는 혼합가스를 이용한 직접 불소화법에 의하여 수행되는 것을 특징으로 한다.The fluorination treatment in step iii) is performed by a direct fluorination method using a mixed gas containing 1 ppm to 1 volume% of fluorine gas.

상기 혼합가스는 불소가스와 질소, 아르곤 또는 헬륨의 희석가스를 포함하는 것을 특징으로 한다.The mixed gas is characterized by containing fluorine gas and diluted gas of nitrogen, argon or helium.

상기 불소 처리는 1분~24시간 동안 수행되는 것을 특징으로 한다.The fluorine treatment is performed for 1 minute to 24 hours.

상기 불소화 열전환 고분자 기체분리막은 불소화도가 1~100%인 것을 특징으로 한다.The fluorinated thermal conversion polymer gas separation membrane has a fluorination degree of 1 to 100%.

상기 천연가스 분리는 N2/CH4, CO2/CH4 또는 He/CH4 혼합기체를 대상으로 하는 것을 특징으로 한다.The natural gas separation is characterized in that a mixed gas of N 2 / CH 4 , CO 2 / CH 4 or He / CH 4 is used.

본 발명에 따라 제조된 천연가스 분리용 불소화 열전환 고분자 기체분리막은 열전환 고분자막 고유의 높은 기체투과도를 유지하면서, 메탄에 대한 질소, 이산화탄소 또는 헬륨의 선택도가 매우 우수하여 천연가스 분리용 기체분리막으로서 상업화가 가능하다.The fluorinated thermal conversion polymer gas separation membrane for natural gas separation according to the present invention has excellent gas permeability of inherently high thermal conversion polymer membrane and excellent selectivity of nitrogen, carbon dioxide or helium to methane, Can be commercialized.

도 1은 본 발명의 실시예 4(불소 처리 120분)로부터 제조된 불소화 열전환 폴리벤즈옥사졸-이미드 공중합체막의 F-NMR 분석 스펙트럼을 불소 미처리 비교예 1의 것과 함께 도시한 그래프.
도 2는 본 발명의 실시예 6으로부터 제조된 불소화 열전환 폴리벤즈옥사졸-이미드 공중합체막의 동적기계분석(dynamic mechanical analysis, DMA) 스펙트럼.
도 3은 실시예 1 내지 4 및 비교예 1의 불소 처리 시간과 이산화탄소의 투과도에 따른 메탄에 대한 이산화탄소의 선택도(CO2/CH4)를 나타낸 그래프.
도 4는 실시예 5 내지 8 및 비교예 2의 불소 처리 시간과 이산화탄소의 투과도에 따른 메탄에 대한 이산화탄소의 선택도(CO2/CH4)를 나타낸 그래프.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a graph showing the F-NMR spectrum of a fluorinated thermally-converted polybenzoxazole-imide copolymer film prepared from Example 4 (120 minutes of fluorine treatment) of the present invention, together with those of fluorine-untreated Comparative Example 1. FIG.
2 is a dynamic mechanical analysis (DMA) spectrum of a fluorinated thermally-converted polybenzoxazole-imide copolymer film prepared from Example 6 of the present invention.
3 is a graph showing the selectivity (CO 2 / CH 4 ) of carbon dioxide to methane according to the fluorine treatment time and the permeability of carbon dioxide in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1;
4 is a graph showing the selectivity (CO 2 / CH 4 ) of carbon dioxide to methane according to fluorine treatment time and permeability of carbon dioxide in Examples 5 to 8 and Comparative Example 2;

이하에서는 본 발명에 따른 천연가스 분리용 불소화 열전환 고분자 기체분리막 및 그 제조방법에 관하여 실시예 및 첨부된 도면과 함께 상세히 설명한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a fluorinated thermal conversion polymer gas separator for natural gas separation according to the present invention and a method for producing the same will be described in detail with reference to the embodiments and the accompanying drawings.

본 발명에서는 히드록시기, 티올기 또는 아미노기를 갖는 폴리이미드, 또는 상기 폴리이미드를 포함하는 폴리이미드 공중합체 유래 열전환 고분자막의 표면이 불소 처리된 천연가스 분리용 불소화 열전환 고분자 기체분리막을 제공한다.The present invention provides a polyimide having a hydroxyl group, a thiol group, or an amino group, or a polyimide copolymer-derived thermal conversion polymer membrane having a fluorine-treated surface, and a fluorinated thermal conversion polymer gas separation membrane for separating natural gas.

일반적으로 폴리이미드 또는 폴리이미드 공중합체는 기체분리막으로 많이 응용되고 있으며, 특히 오르쏘 위치에 히드록시기, 티올기 또는 아미노기와 같은 작용기를 적어도 하나 갖고 있는 방향족 디아민과 산이무수물을 반응시켜 얻어지는 폴리이미드 또는 그의 공중합체는 간단한 열처리 공정에 의하여 열전환되어 그 구조가 변하므로 최근 기체분리막 소재로서 각광받고 있다.In general, a polyimide or polyimide copolymer is widely used as a gas separation membrane. In particular, a polyimide obtained by reacting an aromatic dianhydride having at least one functional group such as a hydroxyl group, a thiol group or an amino group at an ortho position with an acid anhydride, The copolymer is thermally converted by a simple heat treatment process and its structure is changed, and thus it has recently been attracting attention as a gas separation membrane material.

즉, 이러한 열전환 고분자막은 열전환 공정을 거치면서 밀도가 감소하고, 미세기공이 커짐에 따라 자유부피분율(fractional free volume)이 크게 증가하며, 면간 거리(d-spacing) 또한 증가하는 등의 구조적인 변화가 일어나 기체투과도가 향상되는 장점을 갖는 반면, 특정 기체에 대한 선택도가 떨어져 상업화의 걸림돌인 기체투과도와 선택도의 트레이드-오프 관계를 극복하기 쉽지 않다.That is, the structure such as this thermal conversion polymer film density is decreased while passing through a thermal conversion process, according to the fine pores increases and a significant increase in the free volume fraction (fractional free volume), also increased interplanar distance (d -spacing) But it is difficult to overcome the trade-off relationship between gas permeability and selectivity, which is an obstacle to commercialization due to the lack of selectivity to a specific gas.

따라서 본 발명에서는 기체투과도가 우수한 열전환 고분자막을 기본으로 하면서, 선택도를 향상시키고자 열전환 고분자막의 표면을 불소로 처리하는 간단한 공정을 통하여 천연가스처럼 메탄을 주성분으로 하는 혼합기체로부터 메탄가스에 대한 선택도가 현저히 향상된 천연가스 분리용 불소화 열전환 고분자 기체분리막을 얻을 수 있었다.Therefore, in the present invention, a simple process of improving the selectivity and treating the surface of the thermally-converted polymer membrane with fluorine, based on a thermally-converted polymer membrane having excellent gas permeability, produces methane gas from a gas mixture mainly composed of methane, It was possible to obtain a fluorinated heat conversion polymer gas separation membrane for natural gas separation which has remarkably improved selectivity for the gas.

먼저, 본 발명에서는 열전환 고분자를 얻기 위한 일종의 전구체인 상기 히드록시기, 티올기 또는 아미노기를 갖는 폴리이미드로서 하기 <화학식 1> 또는 <화학식 2>로 표시되는 반복단위를 갖는 폴리이미드를 사용한다.First, in the present invention, a polyimide having a repeating unit represented by the following formula (1) or (2) is used as a polyimide having a hydroxyl group, a thiol group, or an amino group, which is a precursor for obtaining a heat conversion polymer.

<화학식 1> <화학식 2>&Lt; Formula 1 > < EMI ID =

Figure pat00009
Figure pat00010
Figure pat00009
Figure pat00010

(상기 화학식 1 또는 2에서, Ar1은 치환 또는 비치환된 4가의 탄소수 6 내지 24의 아릴렌기 및 치환 또는 비치환된 4가의 탄소수 4 내지 24의 복소환기에서 선택되는 방향족 고리기이고, 상기 방향족 고리기는 단독으로 존재하거나; 2개 이상이 서로 축합 고리를 형성하거나; 2개 이상이 단일결합, O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤P≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2 또는 CO-NH로 연결되어 있고, Q는 단일결합이거나; O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤P≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2, CO-NH, C(CH3)(CF3), 또는 치환 또는 비치환된 페닐렌기이며, Y는 OH, SH 또는 NH2로서, 서로 동일하거나 상이할 수 있다)(Wherein Ar 1 is an aromatic ring group selected from a substituted or unsubstituted quadrivalent arylene group having 6 to 24 carbon atoms and a substituted or unsubstituted quadrivalent heterocyclic group having 4 to 24 carbon atoms, O, S, CO, SO 2 , Si (CH 3 ) 2 , (CH 2 ) p (1 ≦ P ≤10), (CF 2) q (1≤q≤10), C (CH 3) 2, C (CF 3) 2 or are connected to the CO-NH, Q is a single bond or; O, S, CO , SO 2, Si (CH 3 ) 2, (CH 2) p (1≤P≤10), (CF 2) q (1≤q≤10), C (CH 3) 2, C (CF 3) 2 , and CO-NH, C (CH 3 ) (CF 3), or a substituted or unsubstituted phenylene ring, Y may be an OH, SH or NH 2, the same or different from each other)

상기 <화학식 1> 또는 <화학식 2>로 표시되는 반복단위를 갖는 폴리이미드에서 Y가 히드록시기(OH)인 경우에는 열전환되어 폴리벤즈옥사졸로, Y가 티올기(SH)인 경우에는 열전환되어 폴리벤조티아졸졸로, 또는 Y가 아미노기(NH2 )인 경우에는 열전환되어 폴리피롤론으로 구조가 변하게 된다.In the case where Y is a hydroxyl group (OH) in a polyimide having a repeating unit represented by the formula (1) or (2), the polyimide is thermally converted to polybenzoxazole, and when Y is a thiol group (SH) Polybenzothiazolyl, or when Y is an amino group (NH 2 ) , the structure is thermally converted to polypyrrolone.

또한, 열전환 고분자를 얻기 위한 또 다른 전구체인 히드록시기, 티올기 또는 아미노기를 갖는 폴리이미드를 포함하는 폴리이미드 공중합체로서는 하기 <화학식 3> 또는 <화학식 4>로 표시되는 반복단위를 갖는 폴리이미드 공중합체를 사용한다.Further, as a polyimide copolymer containing a hydroxy group, a thiol group or a polyimide having an amino group, which is another precursor for obtaining a heat conversion polymer, a polyimide copolymer having a repeating unit represented by the following general formula (3) or (4) Use coalescence.

<화학식 3>(3)

Figure pat00011
Figure pat00011

<화학식 4>&Lt; Formula 4 >

Figure pat00012
Figure pat00012

(상기 화학식 3 또는 4에서, Ar1, Q 및 Y는 화학식 1 또는 2에서 정의한 바와 같고, Ar2는 치환 또는 비치환된 2가의 탄소수 6 내지 24의 아릴렌기 및 치환 또는 비치환된 2가의 탄소수 4 내지 24의 복소환기에서 선택되는 방향족 고리기이고, 상기 방향족 고리기는 단독으로 존재하거나; 2개 이상이 서로 축합 고리를 형성하거나; 2개 이상이 단일결합, O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤P≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2 또는 CO-NH로 연결되어 있으며, m, l은 각각 반복단위 내 몰분율로서 0.1≤m≤0.9, 0.1≤l≤0.9, m+l=1 이다)(Wherein Ar 1, Q and Y are as defined in formula (1) or (2), Ar 2 is a substituted or unsubstituted divalent arylene group having 6 to 24 carbon atoms and a substituted or unsubstituted divalent carbon number an aromatic group selected from a heterocyclic group of 4 to 24, where the aromatic group is independently present or; two or more form a condensed ring with each other, or; a single bond, two or more, O, S, CO, SO 2, Si (CH 3) 2, ( CH 2) p (1≤P≤10), (CF 2) q (1≤q≤10), C (CH 3) 2, C (CF 3) 2 or CO-NH M and l are the mole fractions in the repeating units, 0.1? M? 0.9, 0.1? L? 0.9, and m + l = 1,

상기 <화학식 3> 또는 <화학식 4>로 표시되는 반복단위를 갖는 폴리이미드 공중합체는 열전환되어 폴리벤즈옥사졸-이미드 공중합체, 폴리벤조티아졸-이미드 공중합체 또는 폴리피롤론-이미드 공중합체로 구조가 변하고, 또한 반복단위를 구성하는 각 이미드 구조단위(structural unit)에서 오르쏘 위치에 있는 작용기로서 히드록시기, 티올기 또는 아미노기를 서로 달리하는 경우에는 열전환되어 폴리벤즈옥사졸-벤조티아졸 공중합체, 폴리벤즈옥사졸-피롤론 공중합체 또는 폴리벤조티아졸-피롤론 공중합체로 구조가 변하게 된다.The polyimide copolymer having a repeating unit represented by the formula (3) or (4) is thermally converted to a polybenzoxazole-imide copolymer, a polybenzothiazole-imide copolymer or a polypyrrolone- When the structure is changed to a copolymer and the hydroxyl group, the thiol group or the amino group is different from the functional group in the ortho position in each imide structural unit constituting the repeating unit, it is thermally converted to polybenzoxazole- Benzothiazole copolymers, polybenzoxazole-pyrrolone copolymers or polybenzothiazole-pyrrolone copolymers.

그러므로 본 발명에 따른 열전환 고분자막은 폴리벤즈옥사졸막, 폴리벤조티아졸막, 폴리피롤론막, 폴리벤즈옥사졸-이미드 공중합체막, 폴리벤조티아졸-이미드 공중합체막, 폴리피롤론-이미드 공중합체막, 폴리벤즈옥사졸-벤조티아졸 공중합체막, 폴리벤즈옥사졸-피롤론 공중합체막 및 폴리벤조티아졸-피롤론 공중합체막으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 것일 수 있으며, 그 중에서도 폴리벤즈옥사졸-이미드 공중합체막 또는 폴리벤즈옥사졸-피롤론 공중합체막이 더욱 바람직하다.Therefore, the thermal conversion polymer membrane according to the present invention can be used as a polymer electrolyte membrane such as a polybenzoxazole film, a polybenzothiazole film, a polypyrroleone film, a polybenzoxazole-imide copolymer film, a polybenzothiazole-imide copolymer film, a polypyrrolone- A polybenzoxazole-pyrrolone copolymer film, a polybenzoxazole-benzothiazole copolymer film, a polybenzoxazole-pyrrolone copolymer film and a polybenzothiazole-pyrrolone copolymer film, and among these, A polybenzoxazole-imide copolymer film or a polybenzoxazole-pyrrolone copolymer film is more preferable.

또한, 상기 열전환 고분자막의 표면이 불소 처리된 본 발명의 불소화 열전환 고분자 기체분리막은 불소화도(탄소원자의 함량에 대한 불소원자의 함량비를 %로 나타낸 것)가 1~100%인 것이 기체분리막의 기계적 강도에 큰 손실을 주지 않아 바람직하며, 더욱 바람직하게는 불소화도가 10~70%일 수 있다.Further, the fluorinated thermal conversion polymeric gas separation membrane of the present invention wherein the surface of the thermally-reversible polymer membrane is fluorine-treated has a fluorination degree (in terms of% of fluorine atoms relative to the content of carbon atoms) of 1 to 100% , And more preferably, the degree of fluorination may be 10 to 70%.

또한, 본 발명의 불소화 열전환 고분자 기체분리막은 메탄가스를 주성분으로 함유하는 천연가스와 같은 혼합기체로부터 특정 기체를 선택적으로 분리하는데 유용한데, 특히 N2/CH4, CO2/CH4 또는 He/CH4 혼합기체를 대상으로 하면 기체투과도 뿐만 아니라, 메탄에 대한 질소, 이산화탄소 또는 헬륨의 선택도가 매우 우수하여 바람직하다.Also, the fluorinated thermal conversion polymer gas separation membrane of the present invention is useful for selectively separating a specific gas from a mixed gas such as natural gas containing methane gas as a main component. Particularly, N 2 / CH 4 , CO 2 / CH 4 or He / CH 4 mixed gas is preferable not only for gas permeability but also for nitrogen, carbon dioxide or helium to methane, which is very excellent.

또한, 본 발명에서는 i) 산이무수물과 히드록시기, 티올기 또는 아미노기를 갖는 방향족 디아민; 또는 산이무수물과 히드록시기, 티올기 또는 아미노기를 갖는 방향족 디아민 및 공단량체로서 방향족 디아민을 반응시켜 폴리아믹산 용액을 얻은 후 이미드화 시킴으로써 히드록시기, 티올기 또는 아미노기를 갖는 폴리이미드; 또는 상기 폴리이미드를 포함하는 폴리이미드 공중합체를 합성하는 단계;Also, in the present invention, i) an aromatic diamine having an acid anhydride and a hydroxyl group, a thiol group or an amino group; A polyimide having a hydroxyl group, a thiol group or an amino group by reacting an aromatic dianhydride having an acid anhydride with a hydroxyl group, a thiol group or an amino group and an aromatic diamine as a comonomer to obtain a polyamic acid solution and then imidizing the polyamic acid solution; Or a polyimide copolymer containing the polyimide;

ii) 상기 i) 단계에서 합성한 폴리이미드 또는 상기 폴리이미드를 포함하는 폴리이미드 공중합체를 유기용매에 녹인 고분자용액을 캐스팅하거나 전기방사 하여 제막한 후, 열처리함으로써 열전환 고분자막을 얻는 단계; 및 ii) obtaining a heat-converted polymer membrane by casting or electrospinning a polyimide copolymer synthesized in step i) or a polyimide copolymer containing the polyimide in an organic solvent; And

iii) 상기 ii) 단계에서 얻은 열전환 고분자막의 표면을 불소 처리하는 단계;를 포함하는 천연가스 분리용 불소화 열전환 고분자 기체분리막의 제조방법을 제공한다.and iii) fluorinating the surface of the thermally-reversible polymer membrane obtained in the step ii). The present invention also provides a method for producing a fluorinated thermal conversion polymer gas separation membrane for separating natural gas.

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

<일반식 1>&Lt; General Formula 1 &

Figure pat00013
Figure pat00013

(상기 일반식 1에서, Ar1은 상기 화학식 1 내지 4에서 정의한 바와 같다)(In the general formula 1, Ar 1 is as defined in the above formulas 1 to 4)

폴리이미드 또는 폴리이미드 공중합체를 합성하기 위한 단량체로서 산이무수물은 상기 일반식 1에서 정의한 바와 같은 것이라면 어느 것이든지 제한 없이 사용할 수 있으나, 합성되는 폴리이미드의 열적, 화학적 특성을 더욱 향상시킬 수 있는 점을 고려하여 불소기를 갖고 있는 4,4'-헥사플루오로이소프로필리덴프탈산이무수물(6FDA)을 사용하는 것이 바람직하다.As the monomers for synthesizing the polyimide or polyimide copolymer, any of the acid dianhydrides can be used without limitation as long as they are as defined in the general formula 1. However, it is possible to further improve the thermal and chemical properties of the synthesized polyimide It is preferable to use 4,4'-hexafluoroisopropylidene phthalic acid dianhydride (6FDA) having a fluorine group.

그리고 히드록시기, 티올기 또는 아미노기를 갖는 방향족 디아민으로서 하기 <일반식 2> 또는 <일반식 3>으로 표시되는 화합물을 사용한다.As the aromatic diamine having a hydroxyl group, a thiol group or an amino group, a compound represented by the following Formula 2 or 3 is used.

<일반식 2> <일반식 3>&Lt; General Formula 2 > < General Formula 3 &

Figure pat00014
Figure pat00015
Figure pat00014
Figure pat00015

(상기 일반식 2 또는 3에서, Q 및 Y는 상기 화학식 1 내지 4에서 정의한 바와 같다)(In the general formula 2 or 3, Q and Y are as defined in the above formulas 1 to 4)

폴리이미드 또는 폴리이미드 공중합체를 합성하기 위한 또 다른 단량체인 히드록시기, 티올기 또는 아미노기를 갖는 방향족 디아민으로서는 상기 <일반식 2> 또는 <일반식 3>에서 정의한 바와 같은 것이라면 어느 것이든지 제한 없이 사용할 수 있으나, 오르쏘 위치에 히드록시기 또는 아미노기를 갖는 방향족 디아민을 바람직하게 사용한다. 특히, 오르쏘 위치에 히드록시기를 갖는 방향족 디아민으로서는 합성되는 폴리이미드의 열적, 화학적 특성을 더욱 향상시킬 수 있는 점을 고려하여 불소기를 함유한 2,2-비스(3-아미노-4-히드록시페닐)헥사플루오로프로판(APAF), 또는 3,3-디히드록시벤지딘(HAB)을, 오르쏘 위치에 아미노기를 갖는 방향족 디아민으로서는 3,3-디아미노벤지딘(DAB)을 사용하는 것이 더욱 바람직하다.The aromatic diamine having a hydroxyl group, a thiol group or an amino group, which is another monomer for synthesizing a polyimide or polyimide copolymer, may be any of those as defined in <Formula 2> or <Formula 3> However, an aromatic diamine having a hydroxyl group or an amino group at the ortho position is preferably used. Particularly, in consideration of the fact that the aromatic diamine having a hydroxyl group at the ortho position can further improve the thermal and chemical properties of the polyimide synthesized, 2,2-bis (3-amino-4-hydroxyphenyl It is more preferable to use 3,3-diaminobenzidine (DAB) as the aromatic diamine having an amino group at the ortho position, and more preferably 3,3-dihydroxybenzidine (DAB) .

또한, 본 발명에서는 공단량체로서 하기 <일반식 4>로 표시되는 방향족 디아민을 사용함으로써 폴리이미드 공중합체를 합성할 수도 있는바, 공단량체인 방향족 디아민으로서는 하기 <일반식 4>에서 정의한 바와 같은 것이라면 어느 것이든지 제한 없이 사용할 수 있으나, 저가의 것일수록 대량생산 시 전체공정의 비용이 줄어들어 바람직하며, 2,4,6-트리메틸-페닐렌디아민(DAM)을 더욱 바람직하게 사용할 수 있다.Further, in the present invention, a polyimide copolymer can be synthesized by using an aromatic diamine represented by the following formula 4 as a comonomer, and as the aromatic diamine which is a comonomer, as defined in the following <Formula 4> Any of them can be used without limitation. However, the lower the cost, the more preferable the use of 2,4,6-trimethyl-phenylenediamine (DAM) because the cost of the whole process is reduced in mass production.

<일반식 4>&Lt; General Formula 4 &

Figure pat00016
Figure pat00016

(상기 일반식 4에서 Ar2는 상기 화학식 1 내지 4에서 정의한 바와 같다)(In the general formula 4, Ar 2 is the same as defined in the above formulas 1 to 4)

즉, 상기 i) 단계에서는 <일반식 1>의 산이무수물과 <일반식 2> 또는 <일반식 3>의 히드록시기, 티올기 또는 아미노기를 갖는 방향족 디아민을, 또는 공당량체인 <일반식 4>의 방향족 디아민을 함께 N-메틸피롤리돈(NMP)과 같은 유기용매에 용해 및 교반하여 폴리아믹산 용액을 얻은 후, 이미드화 시킴으로써 히드록시기, 티올기 또는 아미노기를 갖는 폴리이미드; 또는 상기 폴리이미드를 포함하는 폴리이미드 공중합체를 합성한다. 이때, 이미드화 반응은 공지의 이미드화법이라면 어느 것이든 가능할 수 있으나, 합성되는 폴리이미드 또는 폴리이미드 공중합체의 물성을 고려하면 공비 열 이미드화법(azeotropic thermal imidization)에 의하여 수행되는 것이 바람직한바, 폴리아믹산 용액에 톨루엔 또는 자일렌을 첨가하고 교반하여 180~200℃에서 6~12시간 동안 이미드화 반응을 수행하게 되는데, 이 동안에 이미드 고리가 생성되면서 방출된 물은 톨루엔 또는 자일렌의 공비혼합물로서 분리된다.That is, in step i), an acid dianhydride of the general formula (1) and an aromatic diamine having a hydroxyl group, thiol group or amino group of the general formula (2) or the general formula (3) A polyimide having a hydroxyl group, a thiol group or an amino group by imidizing an aromatic diamine together with an organic solvent such as N-methylpyrrolidone (NMP) to obtain a polyamic acid solution and stirring; Or a polyimide copolymer containing the polyimide is synthesized. In this case, the imidization reaction may be any known imidization method, but it is preferable that the imidization reaction is performed by azeotropic thermal imidization in consideration of the physical properties of the polyimide or polyimide copolymer to be synthesized , Toluene or xylene is added to the polyamic acid solution, and the mixture is stirred to perform imidization reaction at 180 to 200 ° C for 6 to 12 hours. During this period, the water is released while the imide ring is formed and the toluene or xylene And separated as a mixture.

다음으로, 상기 i) 단계에서 합성한 히드록시기, 티올기 또는 아미노기를 갖는폴리이미드 또는 상기 폴리이미드를 포함하는 폴리이미드 공중합체를 N-메틸피롤리돈(NMP)과 같은 유기용매에 녹인 고분자용액을 캐스팅하거나 전기방사 하여 제막한 후, 열처리함으로써 열전환 고분자막을 얻는다.Next, a polyimide having a hydroxyl group, a thiol group or an amino group synthesized in the step i) or a polyimide copolymer containing the polyimide is dissolved in an organic solvent such as N-methylpyrrolidone (NMP) Cast or electrospun, and then heat-treated to obtain a thermally-converted polymer film.

상기 열처리는 고순도의 불활성 가스 분위기에서 1~20℃/min의 승온 속도로 300~450℃까지 승온한 후 0.1~12시간 동안 등온 상태를 유지함으로써 수행되는데, 바람직하기로는 400~450℃에서 30분~2시간 동안 열처리 한다. 열처리 온도가 300℃ 미만이면 제막시 잔류 용매로 인한 고분자막의 열화에 따라 기체투과도가 떨어질 수 있고, 열처리 온도가 450℃를 초과하면 고분자막의 탄소화 때문에 물성이 악화되어 기체분리막으로서의 성능을 기대하기 어려운 문제가 발생할 수 있다.The heat treatment is performed by raising the temperature to 300 to 450 DEG C at a temperature rising rate of 1 to 20 DEG C / min in an inert gas atmosphere of high purity and then maintaining an isothermal state for 0.1 to 12 hours, preferably at 400 to 450 DEG C for 30 minutes Heat treatment for ~ 2 hours. If the heat treatment temperature is less than 300 ° C, the gas permeability may be lowered due to deterioration of the polymer membrane due to the residual solvent during the film formation. If the heat treatment temperature exceeds 450 ° C, the properties of the polymer membrane may deteriorate due to carbonization of the polymer membrane. Problems can arise.

상기 열처리 공정을 거침으로써 폴리벤즈옥사졸막, 폴리벤조티아졸막, 폴리피롤론막, 폴리벤즈옥사졸-이미드 공중합체막, 폴리벤조티아졸-이미드 공중합체막, 폴리피롤론-이미드 공중합체막, 폴리벤즈옥사졸-벤조티아졸 공중합체막, 폴리벤즈옥사졸-피롤론 공중합체막 및 폴리벤조티아졸-피롤론 공중합체막으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 열전환 고분자막을 얻는다.By subjecting to the heat treatment step, a polybenzoxazole film, a polybenzothiazole film, a polypyrrole film, a polybenzoxazole-imide copolymer film, a polybenzothiazole-imide copolymer film, a polypyrrolone-imide copolymer film, A polybenzoxazole-benzothiazole copolymer film, a polybenzoxazole-pyrrolone copolymer film, and a polybenzothiazole-pyrrolone copolymer film is obtained.

마지막으로, 본 발명의 핵심적인 기술적 특징의 하나로서 상기 열전환 고분자막의 표면을 불소 처리함으로써 목적물인 천연가스 분리용 불소화 열전환 고분자 기체분리막을 제조한다.Finally, as one of the key technical features of the present invention, the surface of the thermal conversion polymer membrane is subjected to fluorine treatment to produce a fluorinated thermal conversion polymer gas separation membrane for separating natural gas.

상기 불소 처리는 불소가스를 이용하여 열전환 고분자막의 표면을 처리하는 것으로서 그 방법에는 특별한 제한이 없으나, 일정한 농도의 불소가스를 직접 주입하여 처리하는 직접 불소화법이 간단한 공정으로 불소 처리할 수 있다는 점에서 바람직하다.The fluorine treatment is to treat the surface of the heat-converted polymer membrane using fluorine gas. There is no particular limitation on the method, but a direct fluorination method in which a fluorine gas of a certain concentration is directly injected and treated is fluorine-treated by a simple process .

이때, 고농도의 불소가스를 열전환 고분자막에 직접 주입하면 고분자막에 손상이 생길 수 있으므로, 불소가스에 희석가스를 혼합한 혼합가스를 사용하는데, 상기 희석가스로서는 불소 처리 과정에서 부반응이 생기지 않도록 질소, 아르곤 또는 헬륨과 같은 불활성 가스를 바람직하게 사용한다.In this case, since a high concentration of fluorine gas is directly injected into the heat conversion polymer membrane, damage may occur to the polymer membrane. Therefore, a mixed gas obtained by mixing a diluent gas with a fluorine gas is used. As the diluent gas, An inert gas such as argon or helium is preferably used.

따라서 상기 불소 처리는 1 ppm 내지 1 부피%의 불소가스를 함유하는 혼합가스를 이용하여 1분~24시간 동안 수행함으로써 목적물인 불소화 열전환 고분자막의 불소화도가 1~100%가 되도록, 더욱 바람직하게는 불소화도가 10~70%일 수 있도록 하는 것이 바람직하며, 한편으로 불소 처리 온도 및 압력은 특별히 한정하지 않으나, 불소의 높은 반응성과 경제성을 고려하면, 상온 및 상압에서 수행하는 것으로 충분하다.Therefore, the fluorine treatment is preferably carried out for 1 minute to 24 hours using a mixed gas containing 1 ppm to 1% by volume of fluorine gas so that the degree of fluorination of the target fluorine-containing heat converting polymer membrane is 1 to 100% It is preferable that the fluorination degree is 10 to 70%. On the other hand, the fluorination temperature and pressure are not particularly limited. However, considering the high reactivity and economical efficiency of fluorine, it is sufficient to perform at normal temperature and atmospheric pressure.

상기 불소 처리에 의하여 열전환 고분자의 방향족 또는 지방족 사슬에 있는 수소기가 불소기로 직접 치환되거나, 고분자 사슬과 불소 원자의 직접적인 상호작용이 생김에 따라 불소 원자가 열전환 고분자막의 기공을 일부 가리거나 막게 되어 기공의 크기가 현저히 감소함으로써, 본 발명에 따라 제조되는 불소화 열전환 고분자막은 기체투과도가 높을 뿐만 아니라, 선택도가 현저히 상승될 수 있다.As a result of the fluorine treatment, the hydrogen groups in the aromatic or aliphatic chain of the thermal conversion polymer are directly substituted with fluorine groups, or the fluorine atoms directly interfere with the fluorine atoms and the fluorine atoms partially cover or block the pores of the thermally- The fluorinated heat conversion polymer membrane produced according to the present invention has a high gas permeability as well as a markedly increased selectivity.

이하 구체적인 실시예를 첨부된 도면과 함께 상세히 설명한다.
Hereinafter, specific embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

[실시예 1] 불소화 열전환 폴리벤즈옥사졸-이미드 공중합체막의 제조[Example 1] Production of fluorinated thermally-converted polybenzoxazole-imide copolymer film

(I 단계) 오르쏘-히드록시 폴리이미드 공중합체의 합성(Step I) Synthesis of Ortho-Hydroxypolyimide Copolymer

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

<화학식 5>&Lt; Formula 5 >

Figure pat00017
Figure pat00017

(상기 화학식 5에서 x, y는 반복단위 내 몰분율로서 x=0.5, y=0.5이다)(X and y in the above formula (5) are mole fractions in the repeating unit, x = 0.5 and y = 0.5)

상기 I 단계에서 <화학식 5>로 표시되는 오르쏘-히드록시 폴리이미드 공중합체가 합성되었음을 다음과 같이 1H-NMR 및 FT-IR 데이터로 확인하였다. 1H-NMR(300 MHz, DMSO-d 6 , ppm): 10.41 (s, -OH), 8.10 (d, Har, J=8.0Hz), 7.92 (d, Har, J=8.0Hz), 7.85 (s, Har), 7.80 (s, Har), 7.71 (s, Har), 7.47 (s, Har), 7.20 (d, Har, J=8.3Hz), 7.04 (d, Har, J=8.3Hz). FT-IR (film) : ν(O-H) at 3400 cm-1, ν(C=O) at 1786 and 1705 cm-1, Ar (C-C) at 1619, 1519 cm-1, imide ν(C-N) at 1377 cm-1, (C-F) at 1299-1135 cm-1, imide (C-N-C) at 1102 and 720 cm-1.
The synthesis of the ortho-hydroxypolyimide copolymer represented by Formula 5 in the above Step I was confirmed by 1 H-NMR and FT-IR data as follows. 1 H-NMR (300 MHz, DMSO- d 6, ppm): 10.41 (s, -OH), 8.10 (d, H ar, J = 8.0Hz), 7.92 (d, H ar, J = 8.0Hz), 7.85 (s, H ar), 7.80 (s, H ar), 7.71 (s, H ar), 7.47 (s, H ar), 7.20 (d, H ar, J = 8.3Hz), 7.04 (d, H ar , J = 8.3 Hz). FT-IR (film): ν (OH) at 3400 cm -1 , ν (C═O) at 1786 and 1705 cm -1 , Ar (CC) at 1619, 1519 cm -1 , imide ν (CN) at 1377 cm -1 , (CF) at 1299-1135 cm -1 , imide (CNC) at 1102 and 720 cm -1 .

(II 단계) 열전환 폴리벤즈옥사졸-이미드 공중합체막의 제조(II) Preparation of heat-converted polybenzoxazole-imide copolymer membranes

상기 I 단계에서 합성된 <화학식 5>로 표시되는 오르쏘-히드록시 폴리이미드 공중합체를 NMP에 녹여 15 중량%의 고분자 용액을 준비한 후 유리판에 캐스팅하였다. 이를 진공 오븐에 넣고 100℃, 150℃ 및 200℃에서 각각 한 시간 동안 유지하면서 잔류 NMP를 증발시키고 건조하여 제막하였다. 이어서 상기 제막된 결함이 없는 필름을 3 cm x 3 cm 크기로 잘라 머플로에서 온도 상승에 따른 필름의 변형을 방지하기 위하여 석영판 사이에 두었다. 샘플을 고순도의 아르곤 가스 분위기에서 5℃/min의 승온 속도로 425℃까지 승온한 후 30분 동안 등온 상태를 유지하였다. 열처리 후, 머플로를 10℃/min 미만의 냉각속도로 서서히 상온으로 냉각하여 하기 <화학식 6>으로 표시되는 열전환 폴리벤즈옥사졸-이미드 공중합체막을 제조하였다.The ortho-hydroxypolyimide copolymer represented by Formula 5 synthesized in Step I was dissolved in NMP to prepare a 15 wt% polymer solution, which was then cast on a glass plate. This was placed in a vacuum oven and maintained at 100 ° C, 150 ° C and 200 ° C for one hour, respectively, and the remaining NMP was evaporated and dried to form a film. The film thus formed was cut into a 3 cm x 3 cm piece and placed between quartz plates to prevent deformation of the film due to temperature rise in the muffle furnace. The sample was heated to 425 DEG C at a heating rate of 5 DEG C / min in a high-purity argon gas atmosphere, and maintained in an isothermal state for 30 minutes. After the heat treatment, the muffle furnace was gradually cooled to room temperature at a cooling rate of less than 10 DEG C / min to prepare a heat-converted polybenzoxazole-imide copolymer film represented by the following formula (6).

<화학식 6>(6)

Figure pat00018
Figure pat00018

(상기 화학식 6에서 x, y는 화학식 5에서 정의한 바와 같다) (Wherein x and y are as defined in Chemical Formula 5)

상기 II 단계에서 제조된 <화학식 6>으로 표시되는 열전환 폴리벤즈옥사졸-이미드 공중합체막의 ATR-IR 스펙트럼을 분석한 결과, 3400 cm-1 부근에서 나타나는 O-H 스트레칭 피크가 사라지고, 1480 cm-1 및 1054 cm-1 부근에서 전형적인 벤즈옥사졸 고리에 기인하는 두 개의 뚜렷한 피크가 나타난 것으로 보아 열처리 과정에서 벤즈옥사졸 고리가 형성되었음을 알 수 있었다. 게다가 이미드기 고유의 흡수 밴드도 1784 cm-1 및 1717 cm-1 부근에서 발견되어 425℃에 이르는 열처리 온도에서도 방향족 이미드 연결고리의 열적 안정성을 확인할 수 있었다.The thermal conversion represented by the <Formula 6> prepared in step II polybenzoxazole-imide copolymer membrane The analysis of the ATR-IR spectrum disappear and the OH stretching peak appearing near 3400 cm -1, 1480 cm - 1 and 1054 cm -1 , indicating that the benzoxazole ring was formed during the heat treatment process. In addition, the inherent absorption band of the imide was found around 1784 cm -1 and 1717 cm -1 , and the thermal stability of the aromatic imide linkage ring was confirmed even at the heat treatment temperature reaching 425 ° C.

(III 단계) 불소화 열전환 폴리벤즈옥사졸-이미드 공중합체막의 제조(III) Preparation of Fluorinated Thermal Conversion Polybenzoxazole-imide Copolymer Membrane

상기 II 단계에서 제조된 <화학식 6>으로 표시되는 열전환 폴리벤즈옥사졸-이미드 공중합체막을 불소화 반응이 일어나는 오븐 안에 넣어 고정시킨 후 25℃, 1기압 조건하에서, 불소가스가 500 ppm의 농도를 갖는 고순도의 질소가스로 희석된 혼합가스를 30분 동안 주입하여 공중합체막의 표면을 처리함으로써 불소화 열전환 폴리벤즈옥사졸-이미드 공중합체막을 제조하였다.
The heat-converted polybenzoxazole-imide copolymer film represented by the formula (6) prepared in the step (II) was immersed in an oven where the fluorination reaction occurred, and fixed. The fluorine gas had a concentration of 500 ppm , And the surface of the copolymer membrane was treated by injecting a mixed gas diluted with a high purity nitrogen gas for 30 minutes to prepare a fluorinated thermally converted polybenzoxazole-imide copolymer film.

[실시예 2 내지 4] 불소화 열전환 폴리벤즈옥사졸-이미드 공중합체막의 제조[Examples 2 to 4] Preparation of fluorinated thermally-converted polybenzoxazole-imide copolymer film

불소 처리 시간을 각각 60분, 90분, 120분으로 변화시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 1의 I 단계 내지 III 단계와 동일한 과정을 거쳐 불소화 열전환 폴리벤즈옥사졸-이미드 공중합체막을 제조하였다.
Except that the fluorine treatment time was changed to 60 minutes, 90 minutes, and 120 minutes, respectively, the fluorinated heat converted polybenzoxazole-imide copolymer films were prepared through the same procedures as those in steps I to III of Example 1 .

[실시예 5 내지 8] 불소화 열전환 폴리벤즈옥사졸-이미드 공중합체막의 제조[Examples 5 to 8] Production of fluorinated heat-converted polybenzoxazole-imide copolymer film

I 단계에서 3,3-디히드록시벤지딘(HAB) 대신에 2,2-비스(3-아미노-4-히드록시페닐)헥사플루오로프로판(APAF)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1 내지 4의 I 단계 내지 III 단계와 동일한 과정을 거쳐 불소화 열전환 폴리벤즈옥사졸-이미드 공중합체막을 제조하였다.
Examples 1 to 4 were repeated except that 2,2-bis (3-amino-4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane (APAF) was used in place of 3,3-dihydroxybenzidine (HAB) The fluorinated thermally-converted polybenzoxazole-imide copolymer film was prepared.

[실시예 9 내지 12] 불소화 열전환 폴리벤즈옥사졸-피롤론 공중합체막의 제조[Examples 9 to 12] Preparation of fluorinated heat-converted polybenzoxazole-pyrrolone copolymer film

(I 단계) 오르쏘-히드록시 오르쏘-아미노 폴리이미드 공중합체막의 제조(Step I) Preparation of Ortho-Hydroxyortho-Aminopolyimide Copolymer Membrane

3,3-디아미노벤지딘(DAB) 5 mmol 및 3,3-디히드록시벤지딘(HAB) 5 mmol을 무수 NMP 5ml에 용해시켜 15℃로 냉각하고, 여기에 무수 NMP 15ml에 용해시킨 4,4'-헥사플루오로이소프로필리덴프탈산이무수물(6FDA) 10 mmol을 드라핑 깔대기에 넣고 천천히 적하시켜 반응을 시켰다. 이 반응 혼합물을 15℃에서 밤새 방치하여 폴리아믹산 점성 용액을 얻었으며, 상기 점성 용액을 유리판에 캐스팅한 후, 이를 진공 오븐에 넣고 100℃, 150℃, 200℃ 및 250℃에서 각각 한 시간 동안 유지하면서 잔류 NMP를 증발시키고 건조하여 하기 <화학식 7>로 표시되는 오르쏘-히드록시 오르쏘-아미노 폴리이미드 공중합체막을 제조하였다.5 mmol of 3,3-diaminobenzidine (DAB) and 5 mmol of 3,3-dihydroxybenzidine (HAB) were dissolved in 5 ml of anhydrous NMP and cooled to 15 ° C. To this were added 4,4 '-Hexafluoroisopropylidene phthalic acid 10 mmol of anhydride (6FDA) was added dropwise to the dropping funnel and the reaction was allowed to drop slowly. This viscous solution was cast on a glass plate and placed in a vacuum oven at 100 ° C, 150 ° C, 200 ° C and 250 ° C for one hour, The remaining NMP was evaporated and dried to prepare an ortho-hydroxysso-aminopolyimide copolymer membrane represented by the following formula (7).

<화학식 7>&Lt; Formula 7 >

Figure pat00019
Figure pat00019

(상기 화학식 7에서 x, y는 반복단위 내 몰분율로서 x=0.5, y=0.5이다)
(X and y in the formula (7) are mole fractions in the repeating unit, x = 0.5 and y = 0.5)

(II 단계) 열전환 폴리벤즈옥사졸-피롤론 공중합체막의 제조(II) Preparation of heat-converted polybenzoxazole-pyrrolone copolymer membranes

상기 제막된 결함이 없는 필름을 3 cm x 3 cm 크기로 잘라 머플로에서 온도 상승에 따른 필름의 변형을 방지하기 위하여 석영판 사이에 두었다. 샘플을 고순도의 아르곤 가스 분위기에서 5℃/min의 승온 속도로 450℃까지 승온한 후 30분 동안 등온 상태를 유지하였다. 열처리 후, 머플로를 10℃/min 미만의 냉각속도로 서서히 상온으로 냉각하여 하기 <화학식 8>로 표시되는 열전환 폴리벤즈옥사졸-피롤론 공중합체막을 제조하였다.The film thus formed was cut to a size of 3 cm x 3 cm and placed between quartz plates to prevent deformation of the film due to temperature rise in the muffle furnace. The sample was heated to 450 DEG C at a rate of 5 DEG C / min in a high-purity argon gas atmosphere, and maintained in an isothermal state for 30 minutes. After the heat treatment, the muffle furnace was gradually cooled to room temperature at a cooling rate of less than 10 DEG C / min to prepare a thermally-converted polybenzoxazole-pyrrolone copolymer film represented by the following formula (8).

<화학식 8>(8)

Figure pat00020

Figure pat00020

(( IIIIII 단계) 불소화  Step) Fluorination 열전환Thermal Conversion 폴리벤즈옥사졸Polybenzoxazole -- 피롤론Pyrrolone 공중합체막의Copolymer film 제조 Produce

상기 II 단계에서 제조된 <화학식 8>로 표시되는 열전환 폴리벤즈옥사졸-피롤론 공중합체막을 실시예 1 내지 4의 III 단계와 동일한 방법으로 불소 처리함으로써 불소화 열전환 폴리벤즈옥사졸-피롤론 공중합체막을 제조하였다.
The heat-converted polybenzoxazole-pyrrolone copolymer film represented by the formula (8) prepared in the above step II was subjected to fluorination treatment in the same manner as in step III of Examples 1 to 4 to obtain a fluorinated thermally-converted polybenzoxazole-pyrrolone To prepare a copolymer film.

[비교예 1 내지 3] 불소 미처리 열전환 폴리벤즈옥사졸-이미드 공중합체막의 제조[Comparative Examples 1 to 3] Production of fluorine-free heat-converted polybenzoxazole-imide copolymer film

비교예 1 내지 3은 각각 상기 실시예 1 내지 4, 실시예 5 내지 8 및 실시예 9 내지 12의 I 단계와 II 단계만을 동일하게 수행하여 불소 미처리 열전환 폴리벤즈옥사졸-이미드 공중합체막을 제조하였다.
In Comparative Examples 1 to 3, only steps I and II of Examples 1 to 4, Examples 5 to 8, and Examples 9 to 12 were carried out in the same manner to obtain a fluorine-free heat-converted polybenzoxazole-imide copolymer membrane .

도 1에는 본 발명의 실시예 4(불소 처리 120분)로부터 제조된 불소화 열전환 폴리벤즈옥사졸-이미드 공중합체막(6FDA-HAB-DAM)의 F-NMR 분석 스펙트럼을 불소 미처리 비교예 1의 것과 함께 나타내었는바, 도 1에서 보는 바와 같이 불소 처리된 실시예 4의 불소화 열전환 폴리벤즈옥사졸-이미드 공중합체막은 -165 ppm 부근에서 불소 피크가 발견되어, 고분자 사슬에 불소 치환이 수행되었음을 확인할 수 있다(-60ppm 부근의 큰 피크는 6FDA의 불소 원자에 기인하는 것이다).1 shows the F-NMR spectrum of a fluorinated thermally-converted polybenzoxazole-imide copolymer film (6FDA-HAB-DAM) prepared from Example 4 (120 minutes of fluorine treatment) of the present invention, As shown in FIG. 1, as shown in FIG. 1, a fluorine peak was found in the vicinity of -165 ppm in the fluorine-decomposing thermally-converting polybenzoxazole-imide copolymer film of the fluorine-treated Example 4, (A large peak near -60 ppm is due to the fluorine atom of 6FDA).

도 2에는 본 발명의 실시예 6(불소 처리 60분)으로부터 제조된 불소화 열전환 폴리벤즈옥사졸-이미드 공중합체막(6FDA-APAF-DAM)의 기계적 물성을 확인하기 위하여 동적기계분석(dynamic mechanical analysis, DMA)을 수행한 스펙트럼을 나타내었는바[(a) 저장 탄성률(storage modulaus), (b) 탄 델타(tan delta)], 도 2에서 보는 바와 같이 실시예 6으로부터 제조된 불소화 열전환 폴리벤즈옥사졸-이미드 공중합체막이 비교예 2의 불소 미처리 열전환 폴리벤즈옥사졸-이미드 공중합체막에 비하여 온도에 따른 저장 탄성률(storage modulus)이 크게 향상된 것을 확인할 수 있다. 따라서 불소 처리는 고분자의 구조 및 사슬에 큰 영향을 미치지 않으면서 기계적 물성을 향상시킨다는 것을 알 수 있다.2 is a graph showing the mechanical properties of a fluorine-decomposing polybenzoxazole-imide copolymer film (6FDA-APAF-DAM) prepared from Example 6 (60 minutes of fluorine treatment) (a) storage modulus, (b) tan delta], as shown in FIG. 2, the spectrum obtained by performing the fluorination heat conversion It can be seen that the storage modulus of the polybenzoxazole-imide copolymer film according to the temperature was greatly improved as compared with the fluorine-free heat-converted polybenzoxazole-imide copolymer film of Comparative Example 2. [ Therefore, it can be seen that the fluorine treatment improves the mechanical properties without greatly affecting the structure and chain of the polymer.

또한, 본 발명의 상기 실시예 1 내지 12에 따라 제조된 불소화 열전환 폴리이미드 공중합체막과 비교예 1 내지 3으로부터 제조된 불소 미처리 열전환 폴리이미드 공중합체막의 기체분리 성능을 확인하기 위하여 헬륨, 수소, 이산화탄소, 질소 및 메탄가스의 투과도를 측정하고, 이들의 혼합기체로부터 메탄에 대한 질소, 이산화탄소 및 헬륨의 선택도를 계산한 결과를 하기 [표 1] 및 [표 2]에 나타내었다.
Further, in order to confirm the gas separation performance of the fluorinated heat-converted polyimide copolymer film prepared in Examples 1 to 12 and the fluorine-free heat-converted polyimide copolymer films prepared in Comparative Examples 1 to 3, The results of measurement of the permeability of hydrogen, carbon dioxide, nitrogen and methane gas and the selectivities of nitrogen, carbon dioxide and helium to methane from these mixed gases are shown in the following Tables 1 and 2.

샘플Sample 기체투과도(barrer)a Gas permeability (barrer) a HeHe H2 H 2 CO2 CO 2 N2 N 2 CH4 CH 4 실시예 1Example 1 256256 249249 9292 5.15.1 1.21.2 실시예 2Example 2 200200 214214 5959 2.62.6 0.60.6 실시예 3Example 3 250250 216216 4141 1.71.7 0.50.5 실시예 4Example 4 196196 186186 2828 1.31.3 0.40.4 실시예 5Example 5 179179 183183 3131 1.71.7 0.40.4 실시예 6Example 6 290290 301301 115115 5.25.2 1.71.7 실시예 7Example 7 179179 156156 2020 1.61.6 0.30.3 실시예 8Example 8 300300 253253 5151 2.92.9 0.60.6 실시예 9Example 9 170170 193193 8181 3.63.6 1.01.0 실시예 10Example 10 242242 303303 151151 7.07.0 2.42.4 실시예 11Example 11 175175 177177 3636 1.61.6 0.40.4 실시예 12Example 12 124124 126126 1111 0.540.54 0.30.3 비교예 1Comparative Example 1 195195 254254 207207 1010 7.87.8 비교예 2Comparative Example 2 313313 333333 331331 1515 1212 비교예 3Comparative Example 3 173173 192192 144144 6.06.0 4.24.2

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

샘플Sample 선택도b Selectivity b N2/CH4 N 2 / CH 4 CO2/CH4 CO 2 / CH 4 He/CH4 He / CH 4 실시예 1Example 1 4.34.3 7575 213213 실시예 2Example 2 4.34.3 9595 333333 실시예 3Example 3 3.43.4 8787 500500 실시예 4Example 4 3.33.3 7373 490490 실시예 5Example 5 4.34.3 7878 448448 실시예 6Example 6 3.13.1 6969 171171 실시예 7Example 7 5.35.3 7171 597597 실시예 8Example 8 4.84.8 8787 500500 실시예 9Example 9 3.63.6 7676 170170 실시예 10Example 10 2.92.9 6363 101101 실시예 11Example 11 4.04.0 8484 438438 실시예 12Example 12 2.62.6 5454 413413 비교예 1Comparative Example 1 1.31.3 2626 2525 비교예 2Comparative Example 2 1.41.4 2828 2626 비교예 3Comparative Example 3 1.41.4 3535 4141

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

또한, 도 3에는 실시예 1 내지 4 및 비교예 1의 불소 처리 시간과 이산화탄소의 투과도에 따른 메탄에 대한 이산화탄소의 선택도(CO2/CH4)를, 도 4에는 실시예 5 내지 8 및 비교예 2의 불소 처리 시간과 이산화탄소의 투과도에 따른 메탄에 대한 이산화탄소의 선택도(CO2/CH4)를 각각 나타내었다.3 shows the selectivity (CO 2 / CH 4 ) of carbon dioxide to methane according to the fluorine treatment time and the permeability of carbon dioxide in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1, And the selectivity (CO 2 / CH 4 ) of carbon dioxide to methane according to the fluorine treatment time and the permeability of carbon dioxide in Example 2, respectively.

상기 표 1, 2 및 도 3, 4에서 보는 바와 같이, 불소 처리 시간이 증가할수록 이산화탄소를 비롯한 다른 기체의 투과도는 전반적으로 떨어지는 경향을 보이고 있는 반면, 본 발명에 따라 제조되는 불소화 열전환 고분자 기체분리막은 불소를 처리하지 않은 열전환 고분자막에 비하여 메탄에 대한 이산화탄소의 선택도(CO2/CH4) 및 메탄에 대한 질소의 선택도(N2/CH4)가 3~4배 이상, 특히 메탄에 대한 헬륨의 선택도(He/CH4)는 약 24배까지 현저히 상승함을 알 수 있다.As shown in Tables 1 and 2 and FIGS. 3 and 4, as the fluorine treatment time increases, the permeability of other gases such as carbon dioxide tends to decline as a whole, while the fluorinated heat conversion polymer gas separator (CO 2 / CH 4 ) and selectivity to nitrogen (N 2 / CH 4 ) for methane are 3 to 4 times higher than those of the thermally-converted polymer membranes not treated with fluorine, (He / CH 4 ) of helium is significantly increased up to about 24 times.

그러므로 본 발명으로부터 제조되는 불소화 열전환 고분자 기체분리막은 메탄을 주성분으로 하는 천연가스와 같은 혼합기체로부터 메탄에 대한 특정 기체의 선택도가 매우 우수할 것으로 기대되므로 천연가스 분리용에 적용하여 상업화가 가능할 것이다.Therefore, the fluorinated thermal conversion polymer gas separation membrane produced from the present invention is expected to have a very high selectivity for methane from a mixed gas such as natural gas containing methane as a main component, so that it can be commercialized by applying it to natural gas separation will be.

Claims (19)

히드록시기, 티올기 또는 아미노기를 갖는 폴리이미드, 또는 상기 히드록시기, 티올기 또는 아미노기를 갖는폴리이미드를 포함하는 폴리이미드 공중합체 유래 열전환 고분자막의 표면이 불소 처리된 천연가스 분리용 불소화 열전환 고분자 기체분리막.A polyimide having a hydroxyl group, a thiol group, or an amino group, or a polyimide copolymer containing a polyimide having a hydroxyl group, a thiol group, or an amino group, is fluorinated on the surface of the heat-converted polymer membrane, . 제1항에 있어서, 상기 히드록시기, 티올기 또는 아미노기를 갖는 폴리이미드는 하기 <화학식 1> 또는 <화학식 2>로 표시되는 반복단위를 갖는 것을 특징으로 하는 천연가스 분리용 불소화 열전환 고분자 기체분리막.
<화학식 1> <화학식 2>
Figure pat00021
Figure pat00022

(상기 화학식 1 또는 2에서, Ar1은 치환 또는 비치환된 4가의 탄소수 6 내지 24의 아릴렌기 및 치환 또는 비치환된 4가의 탄소수 4 내지 24의 복소환기에서 선택되는 방향족 고리기이고, 상기 방향족 고리기는 단독으로 존재하거나; 2개 이상이 서로 축합 고리를 형성하거나; 2개 이상이 단일결합, O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤P≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2 또는 CO-NH로 연결되어 있고, Q는 단일결합이거나; O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤P≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2, CO-NH, C(CH3)(CF3), 또는 치환 또는 비치환된 페닐렌기이며, Y는 OH, SH 또는 NH2로서, 서로 동일하거나 상이할 수 있다)
The fluorinated thermal conversion polymer gas separation membrane for natural gas separation according to claim 1, wherein the polyimide having a hydroxyl group, a thiol group or an amino group has a repeating unit represented by the following formula (1) or (2)
&Lt; Formula 1 >< EMI ID =
Figure pat00021
Figure pat00022

(Wherein Ar 1 is an aromatic ring group selected from a substituted or unsubstituted quadrivalent arylene group having 6 to 24 carbon atoms and a substituted or unsubstituted quadrivalent heterocyclic group having 4 to 24 carbon atoms, O, S, CO, SO 2 , Si (CH 3 ) 2 , (CH 2 ) p (1 ≦ P ≤10), (CF 2) q (1≤q≤10), C (CH 3) 2, C (CF 3) 2 or are connected to the CO-NH, Q is a single bond or; O, S, CO , SO 2, Si (CH 3 ) 2, (CH 2) p (1≤P≤10), (CF 2) q (1≤q≤10), C (CH 3) 2, C (CF 3) 2 , and CO-NH, C (CH 3 ) (CF 3), or a substituted or unsubstituted phenylene ring, Y may be an OH, SH or NH 2, the same or different from each other)
제1항에 있어서, 상기 히드록시기, 티올기 또는 아미노기를 갖는 폴리이미드를 포함하는 폴리이미드 공중합체는 하기 <화학식 3> 또는 <화학식 4>로 표시되는 반복단위를 갖는 것을 특징으로 하는 천연가스 분리용 불소화 열전환 고분자 기체분리막.
<화학식 3>
Figure pat00023

<화학식 4>
Figure pat00024

(상기 화학식 3 또는 4에서, Ar1 , Q 및 Y는 청구항 2에서 정의한 바와 같고, Ar2는 치환 또는 비치환된 2가의 탄소수 6 내지 24의 아릴렌기 및 치환 또는 비치환된 2가의 탄소수 4 내지 24의 복소환기에서 선택되는 방향족 고리기이고, 상기 방향족 고리기는 단독으로 존재하거나; 2개 이상이 서로 축합 고리를 형성하거나; 2개 이상이 단일결합, O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤P≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2 또는 CO-NH로 연결되어 있으며, m, l은 각각 반복단위 내 몰분율로서 0.1≤m≤0.9, 0.1≤l≤0.9, m+l=1 이다)
The polyimide copolymer according to claim 1, wherein the polyimide copolymer comprising a polyimide having a hydroxyl group, a thiol group or an amino group has a repeating unit represented by the following Chemical Formula 3 or 4: Fluorinated Thermal Conversion Polymer Gas Membrane.
(3)
Figure pat00023

&Lt; Formula 4 >
Figure pat00024

(Wherein Ar 1 , Q and Y are as defined in claim 2, Ar 2 is a substituted or unsubstituted divalent arylene group having 6 to 24 carbon atoms and a substituted or unsubstituted divalent group having 4 to 20 carbon atoms, O, S, CO, SO 2 , Si ((CH 2) n C (O) O), and the aromatic ring group may be independently selected from the group consisting of CH 3) 2, (CH 2 ) p (1≤P≤10), (CF 2) q (1≤q≤10), C (CH 3) 2, C (CF 3) 2 , or connection to the CO-NH M and l are the mole fractions in the repeating units, 0.1? M? 0.9, 0.1? L? 0.9, and m + l = 1)
제1항에 있어서, 상기 열전환 고분자막은 폴리벤즈옥사졸막, 폴리벤조티아졸막, 폴리피롤론막, 폴리벤즈옥사졸-이미드 공중합체막, 폴리벤조티아졸-이미드 공중합체막, 폴리피롤론-이미드 공중합체막, 폴리벤즈옥사졸-벤조티아졸 공중합체막, 폴리벤즈옥사졸-피롤론 공중합체막 및 폴리벤조티아졸-피롤론 공중합체막으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 것을 특징으로 하는 천연가스 분리용 불소화 열전환 고분자 기체분리막.The method of claim 1, wherein the thermal conversion polymer membrane is a polybenzoxazole membrane, a polybenzothiazole membrane, a polypyrrole membrane, a polybenzoxazole-imide copolymer membrane, a polybenzothiazole-imide copolymer membrane, A polybenzoxazole-pyrrolone copolymer film, and a polybenzothiazole-pyrrolone copolymer film, wherein the polybenzoxazole-pyrrolone copolymer film is at least one selected from the group consisting of polybenzoxazole-benzothiazole copolymer films, polybenzoxazole- Fluorinated Thermal Conversion Polymer Gas Separation Membrane for Natural Gas Separation. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 불소화 열전환 고분자 기체분리막은 불소화도가 1~100%인 것을 특징으로 하는 천연가스 분리용 불소화 열전환 고분자 기체분리막.The fluorinated thermal conversion polymer gas separation membrane according to any one of claims 1 to 4, wherein the fluorinated thermal conversion polymer gas separation membrane has a fluorination degree of 1 to 100%. 제5항에 있어서, 상기 천연가스 분리는 N2/CH4, CO2/CH4 또는 He/CH4 혼합기체를 대상으로 하는 것을 특징으로 하는 천연가스 분리용 불소화 열전환 고분자 기체분리막.The fluorinated thermal conversion polymer gas separation membrane for natural gas separation according to claim 5, wherein the natural gas separation is performed on N 2 / CH 4 , CO 2 / CH 4 or He / CH 4 mixed gas. i) 산이무수물과 히드록시기, 티올기 또는 아미노기를 갖는 방향족 디아민; 또는 산이무수물과 히드록시기, 티올기 또는 아미노기를 갖는 방향족 디아민 및 공단량체로서 방향족 디아민을 반응시켜 폴리아믹산 용액을 얻은 후 이미드화 시킴으로써 히드록시기, 티올기 또는 아미노기를 갖는 폴리이미드; 또는 상기 폴리이미드를 포함하는 폴리이미드 공중합체를 합성하는 단계;
ii) 상기 i) 단계에서 합성한 폴리이미드 또는 상기 폴리이미드를 포함하는 폴리이미드 공중합체를 유기용매에 녹인 고분자용액을 캐스팅하거나 전기방사 하여 제막한 후, 열처리함으로써 열전환 고분자막을 얻는 단계; 및
iii) 상기 ii) 단계에서 얻은 열전환 고분자막의 표면을 불소 처리하는 단계;를 포함하는 천연가스 분리용 불소화 열전환 고분자 기체분리막의 제조방법.
i) an aromatic diamine having an acid anhydride and a hydroxyl group, a thiol group or an amino group; A polyimide having a hydroxyl group, a thiol group or an amino group by reacting an aromatic dianhydride having an acid anhydride with a hydroxyl group, a thiol group or an amino group and an aromatic diamine as a comonomer to obtain a polyamic acid solution and then imidizing the polyamic acid solution; Or a polyimide copolymer containing the polyimide;
ii) obtaining a heat-converted polymer membrane by casting or electrospinning a polyimide copolymer synthesized in step i) or a polyimide copolymer containing the polyimide in an organic solvent; And
and iii) fluorinating the surface of the heat-converted polymer membrane obtained in the step ii).
제7항에 있어서, 상기 i) 단계의 산이무수물은 하기 <일반식 1>로 표시되는 것을 특징으로 하는 천연가스 분리용 불소화 열전환 고분자 기체분리막의 제조방법.
<일반식 1>
Figure pat00025

(상기 일반식 1에서, Ar1은 청구항 2에서 정의한 바와 같다)
[8] The method according to claim 7, wherein the acid dianhydride in step i) is represented by the following general formula (1).
&Lt; General Formula 1 &
Figure pat00025

(In the general formula 1, Ar 1 is the same as defined in claim 2)
제7항에 있어서, 상기 i) 단계의 히드록시기, 티올기 또는 아미노기를 갖는 방향족 디아민은 하기 <일반식 2> 또는 <일반식 3>으로 표시되는 것을 특징으로 하는 천연가스 분리용 불소화 열전환 고분자 기체분리막의 제조방법.
<일반식 2> <일반식 3>
Figure pat00026
Figure pat00027

(상기 일반식 2 또는 3에서, Q 및 Y는 청구항 2에서 정의한 바와 같다)
The method of claim 7, wherein the aromatic diamine having a hydroxyl group, a thiol group or an amino group in step i) is represented by the following general formula (2) or (3) (2).
&Lt; General Formula 2 >< General Formula 3 &
Figure pat00026
Figure pat00027

(In the general formula 2 or 3, Q and Y are the same as defined in claim 2)
제7항에 있어서, 상기 i) 단계의 공단량체로서 방향족 디아민은 하기 <일반식 4>로 표시되는 것을 특징으로 하는 천연가스 분리용 불소화 열전환 고분자 기체분리막의 제조방법.
<일반식 4>
Figure pat00028

(상기 일반식 4에서 Ar2는 청구항 3에서 정의한 바와 같다)
The process according to claim 7, wherein the aromatic diamine as the comonomer in step i) is represented by the following general formula (4).
&Lt; General Formula 4 &
Figure pat00028

(In the general formula 4, Ar < 2 > is the same as defined in claim 3)
제7항에 있어서, 상기 i) 단계의 이미드화는 공비 열 이미드화법에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 천연가스 분리용 불소화 열전환 고분자 기체분리막의 제조방법.[8] The method of claim 7, wherein the imidization in step i) is performed by an azeotropic thermal imidization method. 제11항에 있어서, 상기 공비 열 이미드화법은 폴리아믹산 용액에 톨루엔 또는 자일렌을 첨가하고 교반하여 180~200℃에서 6~12시간 동안 이미드화 반응을 수행하는 것을 특징으로 하는 천연가스 분리용 불소화 열전환 고분자 기체분리막의 제조방법.12. The method of claim 11, wherein the azeotropic thermal imidization is carried out by adding toluene or xylene to the polyamic acid solution, stirring the mixture at 180 to 200 DEG C for 6 to 12 hours, Process for the preparation of fluorinated thermal conversion polymeric gas separation membranes. 제7항에 있어서, 상기 ii) 단계의 열처리는 고순도의 불활성 가스 분위기에서 1~20℃/min의 승온 속도로 300~450℃까지 승온한 후 0.1~12시간 동안 등온 상태를 유지함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 천연가스 분리용 불소화 열전환 고분자 기체분리막의 제조방법.[7] The method of claim 7, wherein the heat treatment in step ii) is performed by raising the temperature to 300 to 450 DEG C at a rate of 1 to 20 DEG C / min in an inert gas atmosphere of high purity and then maintaining an isothermal state for 0.1 to 12 hours Wherein the fluorinated thermal conversion polymer gas separating membrane for natural gas separation is produced. 제7항에 있어서, 상기 ii) 단계의 열전환 고분자막은 폴리벤즈옥사졸막, 폴리벤조티아졸막, 폴리피롤론막, 폴리벤즈옥사졸-이미드 공중합체막, 폴리벤조티아졸-이미드 공중합체막, 폴리피롤론-이미드 공중합체막, 폴리벤즈옥사졸-벤조티아졸 공중합체막, 폴리벤즈옥사졸-피롤론 공중합체막 및 폴리벤조티아졸-피롤론 공중합체막으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 것을 특징으로 하는 천연가스 분리용 불소화 열전환 고분자 기체분리막의 제조방법.[7] The method of claim 7, wherein the thermal conversion polymer membrane in step ii) is selected from the group consisting of polybenzoxazole, polybenzothiazole, polypyrrole, polybenzoxazole-imide copolymer, polybenzothiazole- A polybenzimidazole copolymer, a polybenzimidazole copolymer, a polypyrrolone-imide copolymer film, a polybenzoxazole-benzothiazole copolymer film, a polybenzoxazole-pyrrolone copolymer film and a polybenzothiazole-pyrrolone copolymer film Wherein the fluorine-containing thermally-decomposable polymer gas separator is a fluorine-containing thermally decomposable polymer gas separator. 제7항에 있어서, 상기 iii) 단계의 불소 처리는 1 ppm 내지 1 부피%의 불소가스를 함유하는 혼합가스를 이용한 직접 불소화법에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 천연가스 분리용 불소화 열전환 고분자 기체분리막의 제조방법.The fluorinated thermal conversion polymer gas for separating natural gas according to claim 7, wherein the fluorine treatment in step iii) is carried out by a direct fluorination method using a mixed gas containing 1 ppm to 1 vol% (2). 제15항에 있어서, 상기 혼합가스는 불소가스와 질소, 아르곤 또는 헬륨의 희석가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 분리용 불소화 열전환 고분자 기체분리막의 제조방법.16. The method of claim 15, wherein the mixed gas comprises fluorine gas and diluent gas of nitrogen, argon or helium. 제15항에 있어서, 상기 불소 처리는 1분~24시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 천연가스 분리용 불소화 열전환 고분자 기체분리막의 제조방법.16. The method of claim 15, wherein the fluorine treatment is performed for 1 minute to 24 hours. 제7항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 불소화 열전환 고분자 기체분리막은 불소화도가 1~100%인 것을 특징으로 하는 천연가스 분리용 불소화 열전환 고분자 기체분리막의 제조방법.The process for producing a fluorinated thermal conversion polymer gas separation membrane according to any one of claims 7 to 17, wherein the fluorinated heat conversion polymer gas separation membrane has a fluorination degree of 1 to 100%. 제18항에 있어서, 상기 천연가스 분리는 N2/CH4, CO2/CH4 또는 He/CH4 혼합기체를 대상으로 하는 것을 특징으로 하는 천연가스 분리용 불소화 열전환 고분자 기체분리막의 제조방법.The method of claim 18, wherein the natural gas separation is performed on a mixed gas of N 2 / CH 4 , CO 2 / CH 4, or He / CH 4. .
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20190138135A (en) * 2018-06-04 2019-12-12 민영하이테크 주식회사 Manufacturing method for nanofiber separation membrane and additive for electrolyte
CN111918712A (en) * 2018-02-28 2020-11-10 赢创(上海)投资管理有限公司 Functionalized polyimides and membranes for gas separation
CN115725076A (en) * 2021-09-01 2023-03-03 中国科学院大连化学物理研究所 Block copolymer, preparation method thereof and application thereof in gas separation membrane

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