KR20180086211A - 플루오로중합체 하이브리드 복합체 - Google Patents

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알베르토 프라케
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Abstract

본 발명은 플루오로중합체 하이브리드 유기/무기 복합체(fluoropolymer hybrid organic/inorganic composite), 상기 플루오로중합체 하이브리드 유기/무기 복합체를 포함하는 필름, 및 다양한 용품에 있어서의, 구체적으로는 전기화학 및 광전기화학 용품에 있어서의 상기 필름의 용도에 관한 것이다.

Description

플루오로중합체 하이브리드 복합체
본 출원은 유럽 출원 번호 EP 15306821.8(2015년 11월 17일)에 대한 우선권을 주장하며, 이 출원의 전체 내용은 모든 목적을 위하여 본 명세서에 참고로 포함된다.
기술분야
본 발명은 플루오로중합체 하이브리드 유기/무기 복합체(fluoropolymer hybrid organic/inorganic composite), 상기 플루오로중합체 하이브리드 유기/무기 복합체를 포함하는 필름, 및 다양한 용품에 있어서의, 구체적으로는 전기화학 및 광전기화학 용품에 있어서의 상기 필름의 용도에 관한 것이다.
리튬 금속 중합체(LMP) 배터리는 당업계에 알려져 있으며, 상기 배터리에서 애노드는 Li 금속 포일이고, 세퍼레이터(separator)는, 전해질 염을 혼입시킨, 폴리(알킬렌 옥사이드)와 플루오로중합체, 바람직하게는 비닐리덴 플루오라이드 중합체의 전해질 고체 중합체 블렌드이다.
이러한 세퍼레이터는 전형적으로 필름 압출에 의해 수득된다. 불행하게도, 이러한 기술의 한 가지 결점은 그렇게 수득된 세퍼레이터의 80℃ 미만의 온도에서의 낮은 이온 전도도이다.
따라서, 이 분야에서의 난제는, 안전한 세퍼레이터를 제공하여 전극들의 우수한 분리를 보장하면서, 압출 기술을 더 매력적이게 하기 위해서 이러한 세퍼레이터의 이온 전도도를 향상시키는 것이다.
본 발명의 조성물을 용융 상(molten phase)에서 가공함으로써 오염 유기 용매의 사용을 피함에 의해 플루오로중합체 하이브리드 유기/무기 복합체가 성공적으로 수득 가능함을 이제 알아내었다.
또한, 본 발명의 방법에 의해 수득 가능한 플루오로중합체 하이브리드 유기/무기 복합체는 유리하게는 규칙적인 펠릿 형태임을 알아내었는데, 이러한 규칙적인 펠릿은 자유 유동성이고, 이에 따라 용융 상에서 용이하게 취급되고 가공될 수 있다.
또한, 하나 이상의 전해질 염이 본 발명의 플루오로중합체 하이브리드 유기/무기 복합체 중에 용이하게 혼입 및/또는 분산됨으로써, 균질한 특성을 갖는 전기화학 디바이스용 및 광-전기화학 디바이스용 세퍼레이터 둘 모두를 제공할 수 있음을 알아내었다.
구체적으로는, 본 발명의 방법에 의해 수득 가능한 플루오로중합체 하이브리드 유기/무기 복합체는 현저한 이온 전도도 특성을 나타내는 전기화학 디바이스용 및 광-전기화학 디바이스용 세퍼레이터 둘 모두의 제조를 성공적으로 가능하게 한다는 것을 알아내었다.
제1 경우에, 본 발명은 하기를 포함하는 조성물[조성물(C)]에 관한 것이다:
- 하기 화학식 I의 적어도 하나의 금속 화합물[화합물(M)]의 적어도 부분 가수분해 및/또는 중축합에 의해 수득 가능한 적어도 하나의 프리-겔(pre-gel) 금속 화합물[화합물(GM)]을 포함하는 수성 매체:
[화학식 I]
X4-mM(OY)m
(상기 식에서, M은 Si, Ti 및 Zr로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속이고, 서로 동일하거나 상이한 X 및 Y는 각각의 경우에, 선택적으로 하나 이상의 작용기를 포함하는 탄화수소 기로부터 선택되고, m은 1 내지 4에 포함되는 정수임),
- 적어도 하나의 하이드록실 기를 포함하는 적어도 하나의 작용성 플루오로중합체[중합체(FF)], 및
- 하기 화학식 II의 적어도 하나의 폴리(알킬렌 옥사이드)(PAO):
[화학식 II]
HO-(CH2CHRAO)n-RB
(상기 식에서, RA는 수소 원자 또는 C1-C5　알킬 기이고, RB는 수소 원자 또는 -CH3　알킬 기이고, n은 2000 내지 40000, 바람직하게는 4000 내지 35000, 더 바람직하게는 11500 내지 30000에 포함되는 정수임).
조성물(C)은 플루오로중합체 하이브리드 유기/무기 복합체[복합체(H)]의 제조 방법에 사용하기에 특히 적합하다.
플루오로중합체 하이브리드 유기/무기 복합체[복합체(H)]의 제조 방법은 전형적으로, 하기를 포함하는 조성물[조성물(C)]을 용융 상에서 가공하는 단계를 포함한다:
- 하기 화학식 I의 적어도 하나의 금속 화합물[화합물(M)]의 적어도 부분 가수분해 및/또는 중축합에 의해 수득 가능한 적어도 하나의 프리-겔 금속 화합물[화합물(GM)]을 포함하는 수성 매체:
[화학식 I]
X4-mM(OY)m
(상기 식에서, M은 Si, Ti 및 Zr로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속이고, 서로 동일하거나 상이한 X 및 Y는 각각의 경우에, 선택적으로 하나 이상의 작용기를 포함하는 탄화수소 기로부터 선택되고, m은 1 내지 4에 포함되는 정수임),
- 적어도 하나의 하이드록실 기를 포함하는 적어도 하나의 작용성 플루오로중합체[중합체(FF)], 및
- 하기 화학식 II의 적어도 하나의 폴리(알킬렌 옥사이드)(PAO):
[화학식 I]
HO-(CH2CHRAO)n-RB
(상기 식에서, RA는 수소 원자 또는 C1-C5　알킬 기이고, RB는 수소 원자 또는 -CH3　알킬 기이고, n은 2000 내지 40000, 바람직하게는 4000 내지 35000, 더 바람직하게는 11500 내지 30000에 포함되는 정수임).
본 발명의 복합체(H)를 제조하기 위한 방법 하에서, 조성물(C)은, 전형적으로 압출기, 바람직하게는 이축 압출기를 사용하여, 용융 상에서 가공된다.
제2 경우에, 본 발명은 본 발명의 방법에 의해 수득 가능한 플루오로중합체 하이브리드 유기/무기 복합체[복합체(H)]에 관한 것이다.
복합체(H)는 전형적으로 펠릿 형태이다.
복합체(H)는 플루오로중합체 필름의 제조 방법에 사용하기에 특히 적합하다.
복합체(H)는 적어도 하나의 금속 염[염 (M)], 및 선택적으로, 적어도 하나의 플루오로중합체[중합체(F)]와 추가로 배합되어, 배합된 플루오로중합체 하이브리드 유기/무기 복합체[복합체(H')]를 제공하며, 상기 복합체(H')는 하기를 포함한다:
- 적어도 하나의 플루오로중합체 하이브리드 유기/무기 복합체[복합체(H)],
- 적어도 하나의 금속 염[염 (M)], 및
- 선택적으로, 적어도 하나의 플루오로중합체[중합체(F)].
복합체(H')는 전형적으로 펠릿 형태이다.
복합체(H')는 플루오로중합체 필름의 제조 방법에 사용하기에 특히 적합하다.
따라서, 제3 경우에, 본 발명은 플루오로중합체 필름의 제조 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 적어도 하나의 복합체(H) 또는 적어도 하나의 복합체(H')를 용융 상에서 가공하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 플루오로중합체 필름의 제조 방법은 유리하게는 적어도 하나의 복합체(H) 또는 적어도 하나의 복합체(H')를, 전형적으로 압출기, 바람직하게는 단축 압출기를 사용하여, 용융 상에서 가공하는 단계를 포함한다.
플루오로중합체 필름은 전형적으로, 필름 압출 기법, 예컨대 캐스팅 필름 압출(cast film extrusion) 또는 블로잉 필름 압출(blown film extrusion)을 사용하여 적어도 하나의 복합체(H) 또는 적어도 하나의 복합체(H')를 용융 상에서 가공함으로써 제조된다.
염(M)은 전형적으로 분말 형태로 또는 그것을 포함하는 수용액으로 제공된다.
염(M)의 성질은 특별히 제한되지 않는다.
염(M)은 전형적으로 MeI, Me(PF6)n, Me(BF4)n, Me(ClO4)n, Me(비스(옥살레이토)보레이트)n(“Me(BOB)n”), MeCF3SO3, Me[N(CF3SO2)2]n, Me[N(C2F5SO2)2]n, Me[N(CF3SO2)(RFSO2)]n으로 이루어진 군으로부터 선택되며, 여기서 RF는 C2F5, C4F9 또는 CF3OCF2CF2, Me(AsF6)n, Me[C(CF3SO2)3]n 및 Me2Sn이며, 여기서 Me는 금속, 바람직하게는 전이 금속, 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속이며, 더 바람직하게는 Me는 Li, Na, K 또는 Cs이며, 더욱 더 바람직하게는 Me는 Li이고, n은 상기 금속의 가수(valence)이며, 전형적으로 n은 1 또는 2이다.
염(M)은 바람직하게는 MeCF3SO3, Me[N(CF3SO2)2]n, Me[N(C2F5SO2)2]n, Me[N(CF3SO2)(RFSO2)]n으로 이루어진 군으로부터 선택되며, 여기서 RF는 C2F5, C4F9 또는 CF3OCF2CF2, Me(AsF6)n, Me[C(CF3SO2)3]n 및 Me2Sn이며, 여기서 Me는 금속, 바람직하게는 전이 금속, 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속이며, 더 바람직하게는 Me는 Li, Na, K 또는 Cs이며, 더욱 더 바람직하게는 Me는 Li이고, n은 상기 금속의 가수이며, 전형적으로 n은 1 또는 2이다.
제4 경우에, 본 발명은 본 발명의 방법에 의해 수득 가능한 플루오로중합체 필름에 관한 것이다.
본 발명의 플루오로중합체 필름은 전형적으로 적어도 하나의 플루오로중합체 하이브리드 유기/무기 복합체[복합체(H)] 또는 적어도 하나의 배합된 플루오로중합체 하이브리드 유기/무기 복합체[복합체(H')]를 포함한다.
본 발명의 플루오로중합체 필름은 전형적으로 고밀도 필름이다.
본 발명의 목적상, 용어 “고밀도”는 기공이 부재하는 필름을 나타내고자 한다.
본 발명의 플루오로중합체 필름은 전형적으로, 2 μm 내지 30 μm, 바람직하게는 5 μm 내지 100 μm, 더 바람직하게는 10 μm 내지 40 μm에 포함되는 두께를 갖는다.
제5 경우에, 본 발명은 적어도 하나의 플루오로중합체 필름을 포함하는 전기화학 디바이스 또는 광-전기화학 디바이스에 관한 것이다.
본 발명의 플루오로중합체 필름은 전기화학 디바이스 또는 광-전기화학 디바이스에 사용하기에 적합하다.
적합한 전기화학 디바이스의 비제한적인 예에는 2차 배터리, 바람직하게는 리튬-이온 배터리가 포함된다.
본 발명의 플루오로중합체 필름은 유리하게는 전기화학 디바이스용, 바람직하게는 2차 배터리용 구성요소의 제조에 사용될 수 있다.
본 발명의 플루오로중합체 필름은 전기화학 디바이스용, 바람직하게는 2차 배터리용, 더 바람직하게는 리튬-이온 배터리용 세퍼레이터로서 사용하기에 특히 적합하다.
본 발명의 목적상, 용어 “플루오로중합체[중합체(F)]”는 적어도 하나의 플루오린화 단량체로부터 유래한 반복 단위를 포함하는 플루오로중합체를 나타내고자 한다.
중합체(F)는 적어도 하나의 수소화 단량체로부터 유래한 반복 단위를 추가로 포함할 수 있다.
중합체(FF)는 전형적으로, 적어도 하나의 하이드록실 기를 포함하는 적어도 하나의 작용성 단량체[단량체(OH)]로부터 유래한 반복 단위를 추가로 포함하는 중합체(F)이다.
중합체(FF)는 전형적으로, 적어도 하나의 플루오린화 단량체 및 적어도 하나의 하이드록실 기를 포함하는 적어도 하나의 작용성 단량체[단량체(OH)]로부터 유래한 반복 단위를 포함한다.
용어 “적어도 하나의 플루오린화 단량체”는 플루오로중합체가 하나 또는 하나 초과의 플루오린화 단량체로부터 유래한 반복 단위를 포함할 수 있음을 의미하는 것으로 이해된다. 본 명세서의 나머지 부분에서, “플루오린화 단량체”라는 표현은, 본 발명의 목적상, 복수형 및 단수형 둘 모두에서, 다시 말해 그것이 상기에 정의된 바와 같은 하나 또는 하나 초과의 플루오린화 단량체 둘 모두를 나타냄이 이해된다.
용어 “적어도 하나의 수소화 단량체”는 플루오로중합체가 하나 또는 하나 초과의 수소화 단량체로부터 유래한 반복 단위를 포함할 수 있음을 의미하는 것으로 이해된다. 본 명세서의 나머지 부분에서, “수소화 단량체”라는 표현은, 본 발명의 목적상, 복수형 및 단수형 둘 모두에서, 다시 말해 그것이 상기에 정의된 바와 같은 하나 또는 하나 초과의 수소화 단량체 둘 모두를 나타냄이 이해된다.
용어 “적어도 하나의 단량체(OH)”는 플루오로중합체가 하나 또는 하나 초과의 단량체(OH)로부터 유래한 반복 단위를 포함할 수 있음을 의미하는 것으로 이해된다. 본 명세서의 나머지 부분에서, “단량체(OH)”라는 표현은, 본 발명의 목적상, 복수형 및 단수형 둘 모두에서, 다시 말해 그것이 상기에 정의된 바와 같은 하나 또는 하나 초과의 단량체(OH) 둘 모두를 나타냄이 이해된다.
중합체(FF)의 단량체(OH)는 적어도 하나의 하이드록실 기를 포함하는 플루오린화 단량체 및 적어도 하나의 하이드록실 기를 포함하는 수소화 단량체로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
본 명세서에서, 용어 “플루오린화 단량체”는 적어도 하나의 플루오린 원자를 포함하는 에틸렌계 불포화 단량체를 나타내고자 한다.
본 명세서에서, 용어 “수소화 단량체”는, 적어도 하나의 수소 원자를 포함하고 플루오린 원자는 부재하는 에틸렌계 불포화 단량체를 나타내고자 한다.
플루오린화 단량체가 적어도 하나의 수소 원자를 포함한다면, 그것은 수소-함유 플루오린화 단량체로 지칭된다.
플루오린화 단량체에 수소 원자가 부재한다면, 그것은 퍼(할로)플루오로단량체로 지칭된다.
플루오린화 단량체는 하나 이상의 다른 할로겐 원자(Cl, Br, I)를 추가로 포함할 수 있다.
적합한 플루오린화 단량체의 비제한적인 예에는 특히 하기가 포함된다:
- C3-C8 퍼플루오로올레핀, 예컨대 테트라플루오로에틸렌 및 헥사플루오로프로필렌;
- C2-C8 수소화 플루오로올레핀, 예컨대 비닐리덴 플루오라이드, 비닐 플루오라이드, 1,2-디플루오로에틸렌 및 트리플루오로에틸렌;
- 화학식 CH2=CH-Rf0의 퍼플루오로알킬에틸렌(여기서, Rf0은 C1-C6 퍼플루오로알킬 기임);
- 클로로- 및/또는 브로모- 및/또는 요오도-C2-C6 플루오로올레핀, 예컨대 클로로트리플루오로에틸렌;
- 화학식 CF2=CFORf1의 (퍼)플루오로알킬비닐에테르(여기서, Rf1은 C1-C6 플루오로- 또는 퍼플루오로알킬 기, 예를 들어 CF3, C2F5, C3F7임);
- CF2=CFOX0 (퍼)플루오로-옥시알킬비닐에테르(여기서, X0은 C1-C12 알킬, 또는 C1-C12 옥시알킬, 또는 하나 이상의 에테르 기를 포함하는 C1-C12 (퍼)플루오로옥시알킬 기, 예컨대 퍼플루오로-2-프로폭시-프로필 기임);
- 화학식 CF2=CFOCF2ORf2의 (퍼)플루오로알킬비닐에테르(여기서, Rf2는 하나 이상의 에테르 기를 포함하는 C1-C6 플루오로- 또는 퍼플루오로알킬 기, 예를 들어 -CF3, -C2F5, -C3F7 또는 C1-C6 (퍼)플루오로옥시알킬 기, 예컨대 -C2F5-O-CF3임);
- 화학식 CF2=CFOY0의 작용성 (퍼)플루오로-옥시알킬비닐에테르(여기서, Y0은 C1-C12 알킬 또는 (퍼)플루오로알킬, 또는 C1-C12 옥시알킬, 또는 하나 이상의 에테르 기를 포함하는 C1-C12 (퍼)플루오로옥시알킬 기이고, Y0은 카르복실산 또는 설폰산 기(이의 산, 산 할라이드 또는 염 형태로 존재함)를 포함함); 및
- 플루오로디옥솔, 바람직하게는 퍼플루오로디옥솔.
플루오린화 단량체가, 예를 들어 비닐리덴 플루오라이드, 트리플루오로에틸렌, 비닐 플루오라이드와 같은 수소-함유 플루오린화 단량체라면, 플루오로중합체는 상기 적어도 하나의 수소-함유 플루오린화 단량체, 및 선택적으로, 적어도 하나의 다른 단량체로부터 유래한 반복 단위를 포함한다.
플루오린화 단량체가, 예를 들어 테트라플루오로에틸렌, 클로로트리플루오로에틸렌, 헥사플루오로프로필렌, (퍼)플루오로알킬비닐에테르와 같은 퍼(할로)플루오로단량체라면, 플루오로중합체는 적어도 하나의 퍼(할로)플루오로단량체 및 적어도 하나의 수소화 단량체로부터 유래한 반복 단위를 포함한다.
적합한 수소화 단량체의 비제한적인 예에는 특히 에틸렌, 프로필렌, 비닐 단량체, 예컨대 비닐 아세테이트, 및 스티렌 단량체, 예컨대 스티렌 및 p-메틸스티렌이 포함된다.
중합체(F)는 바람직하게는 25 몰% 초과, 바람직하게는 30 몰% 초과, 더 바람직하게는 40 몰% 초과의 적어도 하나의 플루오린화 단량체로부터 유래한 반복 단위를 포함한다.
중합체(F)는 전형적으로 1 몰% 초과, 바람직하게는 5 몰% 초과, 더 바람직하게는 10 몰% 초과의 적어도 하나의 수소화 단량체로부터 유래한 반복 단위를 포함한다.
중합체(F)는 바람직하게는, 비닐리덴 플루오라이드(VDF), 테트라플루오로에틸렌(TFE) 및 클로로트리플루오로에틸렌(CTFE)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 플루오린화 단량체로부터 유래한 반복 단위를 포함한다.
중합체(F)는 더 바람직하게는, 비닐리덴 플루오라이드(VDF), 및 선택적으로, VDF와 상이한 적어도 하나의 플루오린화 단량체로부터 유래한 반복 단위를 포함하는 중합체(F-1)로 이루어진 군으로부터 선택된다.
중합체(F-1)는 바람직하게는 하기로부터 유래한 반복 단위를 포함한다:
(a) 적어도 60 몰%, 바람직하게는 적어도 75 몰%, 더 바람직하게는 적어도 85 몰%의 비닐리덴 플루오라이드(VDF), 및
(b) 선택적으로, 0.1 몰% 내지 15 몰%, 바람직하게는 0.1 몰% 내지 12 몰%, 더 바람직하게는 0.1 몰% 내지 10 몰%의 플루오린화 단량체로서, 비닐 플루오라이드, 클로로트리플루오로에틸렌(CTFE), 헥사플루오로프로필렌(HFP), 테트라플루오로에틸렌(TFE), 트리플루오로에틸렌(TrFE), 퍼플루오로메틸비닐에테르(PMVE) 및 이들로부터의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는, 플루오린화 단량체.
중합체(F)는 비정질 또는 반결정질일 수 있다.
본 명세서에서, 용어 “비정질”은, ASTM D-3418-08에 따라 측정될 때, 융해열이 5 J/g 미만, 바람직하게는 3 J/g 미만, 더 바람직하게는 2 J/g 미만인 중합체(F)를 나타내는 것이다.
본 명세서에서, 용어 “반결정질”은, ASTM D3418-08에 따라 측정될 때, 융해열이 10 내지 90 J/g, 바람직하게는 30 내지 60 J/g, 더 바람직하게는 35 내지 55 J/g인 중합체(F)를 나타내고자 한다.
중합체(F)는 바람직하게는 반결정질이다.
중합체(FF)는 바람직하게는 적어도 0.01 몰%, 더 바람직하게는 적어도 0.05 몰%, 더욱 더 바람직하게는 적어도 0.1 몰%의 상기에 정의된 바와 같은 적어도 하나의 단량체(OH)로부터 유래한 반복 단위를 포함한다.
중합체(FF)는 바람직하게는 최대 20 몰%, 더 바람직하게는 최대 15 몰%, 더욱 더 바람직하게는 최대 10 몰%, 가장 바람직하게는 최대 3 몰%의 상기에 정의된 바와 같은 적어도 하나의 단량체(OH)로부터 유래한 반복 단위를 포함한다.
중합체(FF) 내의 단량체(OH) 반복 단위의 평균 몰 백분율의 결정은 임의의 적합한 방법에 의해 수행될 수 있다. 특히, 산-염기 적정 방법 또는 NMR 방법이 언급될 수 있다.
단량체(OH)는 전형적으로, 적어도 하나의 하이드록실 기를 포함하는 수소화 단량체로 이루어진 군으로부터 선택된다.
단량체(OH)는 바람직하게는 하기 화학식 III의 (메트)아크릴 단량체 및 하기 화학식 IV의 비닐에테르 단량체로 이루어진 군으로부터 선택된다:
[화학식 III]
Figure pct00001
[화학식 IV]
Figure pct00002
상기 식에서, 서로 동일하거나 상이한 각각의 R1, R2 및 R3은 독립적으로 수소 원자 또는 C1-C3 탄화수소 기이고, ROH는 적어도 하나의 하이드록실 기를 포함하는 C1-C5 탄화수소 기이다.
단량체(OH)는 바람직하게는 상기에 정의된 바와 같은 화학식 III을 갖는다.
단량체(OH)는 더 바람직하게는 하기 화학식 III'을 갖는다:
[화학식 III']
Figure pct00003
상기 식에서, R'1, R'2 및 R'3은 수소 원자이고, R'OH는 적어도 하나의 하이드록실 기를 포함하는 C1-C5 탄화수소 기이다.
단량체(OH)의 비제한적인 예에는 특히 하이드록시에틸 (메트)아크릴레이트, 하이드록시프로필(메트)아크릴레이트 및 하이드록시에틸헥실(메트)아크릴레이트가 포함된다.
단량체(OH)는 가장 바람직하게는 하기로 이루어진 군으로부터 선택된다:
- 하기 화학식의 하이드록시에틸아크릴레이트(HEA):
Figure pct00004
- 하기 화학식들 중 어느 하나의 2-하이드록시프로필 아크릴레이트(HPA):
Figure pct00005
- 및 이들의 혼합물.
중합체(FF)는 더 바람직하게는 하기로부터 유래한 반복 단위를 포함한다:
(a') 적어도 60 몰%, 바람직하게는 적어도 75 몰%, 더 바람직하게는 적어도 85 몰%의 비닐리덴 플루오라이드(VDF),
(b') 선택적으로, 0.1 몰% 내지 15 몰%, 바람직하게는 0.1 몰% 내지 12 몰%, 더 바람직하게는 0.1 몰% 내지 10 몰%의 플루오린화 단량체(상기 플루오린화 단량체는 비닐 플루오라이드, 클로로트리플루오로에틸렌(CTFE), 헥사플루오로프로필렌(HFP), 테트라플루오로에틸렌(TFE), 트리플루오로에틸렌(TrFE), 퍼플루오로메틸비닐에테르(PMVE) 및 이들로부터의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택됨), 및
(c') 0.01 몰% 내지 20 몰%, 바람직하게는 0.05 몰% 내지 15 몰%, 더 바람직하게는 0.1 몰% 내지 10 몰%의 상기에 정의된 바와 같은 화학식 III의 적어도 하나의 (메트)아크릴 단량체.
화학식 I의 화합물(M)은 기 X 및 Y 중 임의의 기 상의, 바람직하게는 적어도 하나의 기 X 상의 하나 이상의 작용기를 포함할 수 있다.
상기에 정의된 바와 같은 화학식 I의 화합물(M)이 적어도 하나의 작용기를 포함하는 경우에, 그것은 작용성 금속 화합물[작용성 화합물(M)]로 지정될 것이고; 기 X 및 Y 중 어느 것도 작용기를 포함하지 않는 경우에, 상기에 정의된 바와 같은 화학식 I의 화합물(M)은 비작용성 금속 화합물[비작용성 화합물(M)]로 지정될 것이다.
하나 이상의 작용성 화합물(M) 및 하나 이상의 비작용성 화합물(M)의 혼합물이 본 발명의 방법에 사용될 수 있다. 다르게는, 작용성 화합물(들)(M) 또는 비작용성 화합물(들)(M)이 별개로 사용될 수 있다.
화학식 I의 화합물(M)은 바람직하게는 하기 화학식 I-A를 갖는다:
[화학식 I-A]
R1 4-m'M(OR2)m'
상기 식에서, M은 Si, Ti 및 Zr로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속이고, 서로 동일하거나 상이한 R1 및 R2는 각각의 경우에, 선택적으로 하나 이상의 작용기를 포함하는 C1-C18 탄화수소 기로 이루어진 군으로부터 선택되고, m'은 1 내지 4에 포함되는 정수이다.
작용기의 비제한적인 예에는 에폭시 기, 카르복실산 기(산, 에스테르, 아미드, 무수물, 염 또는 할라이드 형태), 설폰산 기(산, 에스테르, 염 또는 할라이드 형태), 하이드록실 기, 인산 기(산, 에스테르, 염, 또는 할라이드 형태), 티올 기, 아민 기, 4차 암모늄 기, 에틸렌계 불포화 기(예컨대, 비닐 기), 시아노 기, 우레아 기, 유기-실란 기, 방향족 기가 포함된다.
화학식 I의 화합물(M)이 작용성 화합물(M)이라면, 그것은 바람직하게는 하기 화학식 I-B를 갖는다:
[화학식 I-B]
R3 4-m''M(OR4)m''
상기 식에서, M은 Si, Ti 및 Zr로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속이고, 서로 동일하거나 상이한 R3은 각각의 경우에, 하나 이상의 작용기를 포함하는 C1-C12 탄화수소 기이고, 서로 동일하거나 상이한 R4는 각각의 경우에 C1-C5 선형 또는 분지형 알킬 기이며, 바람직하게는 R4는 메틸 또는 에틸 기이고, m''은 2 또는 3에 포함되는 정수이다.
작용성 화합물(M)의 예는 특히 비닐트리에톡시실란, 비닐트리메톡시실란, 화학식 CH2=CHSi(OC2H4OCH3)3의 비닐트리스메톡시에톡시실란, 하기 화학식의 2-(3,4-에폭시사이클로헥실에틸트리메톡시실란):
Figure pct00006
하기 화학식의 글리시독시프로필메틸디에톡시실란:
하기 화학식의 글리시독시프로필트리메톡시실란:
Figure pct00007
하기 화학식의 메타크릴옥시프로필트리메톡시실란:
Figure pct00008
하기 화학식의 아미노에틸아민프로필메틸디메톡시실란:
Figure pct00009
하기 화학식의 아미노에틸아민프로필트리메톡시실란:
Figure pct00010
3-아미노프로필트리에톡시실란, 3-페닐아미노프로필트리메톡시실란, 3-클로로이소부틸트리에톡시실란, 3-클로로프로필트리메톡시실란, 3-메르캅토프로필트리에톡시실란, 3-메르캅토프로필트리메톡시실란, n-(3-아크릴옥시-2-하이드록시프로필)-3-아미노프로필트리에톡시실란, (3-아크릴옥시프로필)디메틸메톡시실란, (3-아크릴옥시프로필)메틸디클로로실란, (3-아크릴옥시프로필)메틸디메톡시실란, 3-(n-알릴아미노)프로필트리메톡시실란, 2-(4-클로로설포닐페닐)에틸트리메톡시실란, 2-(4-클로로설포닐페닐)에틸 트리클로로실란, 카르복시에틸실란트리올, 및 이의 나트륨 염, 하기 화학식의 트리에톡시실릴프로필말레암산:
Figure pct00011
화학식 HOSO2-CH2CH2CH2-Si(OH)3의 3-(트리하이드록시실릴)-1-프로판-설폰산, N-(트리메톡시실릴프로필)에틸렌-디아민 트리아세트산, 및 이의 나트륨 염, 하기 화학식의 3-(트리에톡시실릴)프로필석신산 무수물:
Figure pct00012
화학식 H3C-C(O)NH-CH2CH2CH2-Si(OCH3)3의 아세트아미도프로필트리메톡시실란, 화학식 Ti(A)X(OR)Y의 알칸올아민 티타네이트(여기서, A는 아민-치환된 알콕시 기, 예를 들어 OCH2CH2NH2이고, R은 알킬 기이고, x 및 y는 x+y = 4가 되도록 하는 정수임).
비작용성 화합물(M)의 예는 특히 트리메톡시실란, 트리에톡시실란, 테트라메톡시실란, 테트라에톡시실란(TEOS), 테트라메틸티타네이트, 테트라에틸티타네이트, 테트라-n-프로필티타네이트, 테트라이소프로필티타네이트, 테트라-n-부틸티타네이트, 테트라-이소부틸 티타네이트, 테트라-tert-부틸 티타네이트, 테트라-n-펜틸티타네이트, 테트라-n-헥실티타네이트, 테트라이소옥틸티타네이트, 테트라-n-라우릴 티타네이트, 테트라에틸지르코네이트, 테트라-n-프로필지르코네이트, 테트라이소프로필지르코네이트, 테트라-n-부틸 지르코네이트, 테트라-sec-부틸 지르코네이트, 테트라-tert-부틸 지르코네이트, 테트라-n-펜틸 지르코네이트, 테트라-tert-펜틸 지르코네이트, 테트라-tert-헥실 지르코네이트, 테트라-n-헵틸 지르코네이트, 테트라-n-옥틸 지르코네이트, 테트라-n-스테아릴 지르코네이트이다.
본 발명의 복합체(H)를 제조하기 위한 방법 하에서, 화학식 I의 화합물(M)은 수성 매체의 존재 하에서 부분 가수분해되고/되거나 중축합된다.
본 명세서에서, 용어 “수성 매체”는 대기압 하에서 20℃에서 액체 상태의 물을 포함하는 액체 매체를 나타내고자 한다.
화학식 I의 화합물(M) 대 수성 매체의 중량비는 전형적으로 50:1 내지 1:50, 바람직하게는 20:1 내지 1:20, 더 바람직하게는 10:1 내지 1:10에 포함된다.
수성 매체는 추가로 적어도 하나의 산 촉매를 포함할 수 있다.
수성 매체는 전형적으로 0.5 중량% 내지 10 중량%, 바람직하게는 1 중량% 내지 5 중량%의 적어도 하나의 산 촉매를 추가로 포함한다.
산 촉매의 선택은 특별히 제한되지 않는다.
산 촉매는 전형적으로 유기 산 및 무기 산으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 산 촉매는 바람직하게는 유기 산으로 이루어진 군으로부터 선택된다.
시트르산을 사용하여 매우 우수한 결과가 달성되었다.
수성 매체는 또한 하나 이상의 유기 용매를 추가로 포함할 수 있다.
적합한 유기 용매의 비제한적인 예에는 특히 하기가 포함된다:
-　지방족, 지환족 또는 방향족 에테르 옥사이드, 더 특히, 디에틸 옥사이드, 디프로필 옥사이드, 디이소프로필 옥사이드, 디부틸 옥사이드, 메틸테르티오부틸에테르, 디펜틸 옥사이드, 디이소펜틸 옥사이드, 에틸렌 글리콜 디메틸 에테르, 에틸렌 글리콜 디에틸 에테르, 에틸렌 글리콜 디부틸 에테르 벤질 옥사이드, 디옥산, 테트라하이드로푸란(THF),
-　글리콜 에테르, 예컨대 에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르, 에틸렌 글리콜 모노에틸 에테르, 에틸렌 글리콜 모노프로필 에테르, 에틸렌 글리콜 모노이소프로필 에테르, 에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르, 에틸렌 글리콜 모노페닐 에테르, 에틸렌 글리콜 모노벤질 에테르, 디에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르, 디에틸렌 글리콜 모노에틸 에테르, 디에틸렌 글리콜 모노-n-부틸 에테르,
-　글리콜 에테르 에스테르, 예컨대 에틸렌 글리콜 메틸 에테르 아세테이트, 에틸렌 글리콜 모노에틸 에테르 아세테이트, 에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르 아세테이트,
-　알코올, 예컨대 메틸 알코올, 에틸 알코올, 디아세톤 알코올,
-　케톤, 예컨대 아세톤, 메틸에틸케톤, 메틸이소부틸 케톤, 디이소부틸케톤, 사이클로헥사논, 이소포론, 및
-　선형 또는 사이클릭 에스테르, 예컨대 이소프로필 아세테이트, n-부틸 아세테이트, 메틸 아세토아세테이트, 디메틸 프탈레이트, γ-부티로락톤.
수성 매체가 하나 이상의 추가의 유기 용매를 포함하는 구현예에 있어서, 수성 매체에는 바람직하게는 화학물질 안전성 분류에 따라 발암성, 돌연변이성 또는 생식 독성(Carcinogenic, Mutagenic or Toxic to Reproduction)인 것으로 규정된 용매(CMR 용매)가 부재하며; 더 구체적으로는, 수성 매체에는 유리하게는 N-메틸-2-피롤리돈(NMP), N,N-디에틸아세트아미드, 디메틸포름아미드(DMF) 및 N,N-디메틸아세트아미드(DMAC)가 부재한다.
수성 매체는 바람직하게는 적어도 하나의 산 촉매 및 하나 이상의 유기 용매(S)를 추가로 포함한다.
수성 매체는 더 바람직하게는 적어도 하나의 산 촉매 및 하나 이상의 알코올을 추가로 포함한다.
본 발명의 복합체(H)를 제조하기 위한 방법 하에서, 화학식 I의 화합물(M)의 가수분해 및/또는 중축합은 실온에서 또는 100℃ 미만의 온도에서 가열 시에 통상 수행된다. 온도는 수성 매체의 비점 및/또는 안정성을 고려하여 선택될 것이다. 20℃ 내지 90℃, 바람직하게는 20℃ 내지 50℃에 포함되는 온도가 바람직할 것이다.
본 발명의 복합체(H)를 제조하기 위한 방법 하에서, 화학식 I의 화합물(M)의 기 Y는 수성 매체의 존재 하에서 부분 가수분해되고/되거나 중축합되어, 프리-겔 금속 화합물[화합물(GM)]을 산출하도록 하는 것이 이해된다.
이는 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 가수분해 및/또는 중축합 반응은 상기에 정의된 바와 같은 화학식 I의 화합물(M)의 성질에 따라 저분자량 부산물을 통상 생성하며, 이는 특히 물 또는 알코올일 수 있다.
따라서, 본 발명의 복합체(H)를 제조하기 위한 방법 하에서, 적어도 하나의 화합물(GM)을 포함하는 수성 매체는 전형적으로 하나 이상의 알코올을 추가로 포함한다.
화합물(GM)은 전형적으로 화학식 -[O-MX4-m*(OY)m*-2]O-의 하나 이상의 도메인을 포함하며, 상기 식에서 M은 Si, Ti 및 Zr로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속이고, 서로 동일하거나 상이한 X 및 Y는 각각의 경우에, 선택적으로 하나 이상의 작용기를 포함하는 탄화수소 기이고, m*는 2 내지 4에 포함되는 정수이다.
본 발명의 복합체(H)를 제조하기 위한 방법 하에서, 조성물(C)은, 전형적으로 100℃ 내지 300℃, 바람직하게는 150℃ 내지 250℃에 포함되는 온도에서 용융 상에서 가공된다.
당업자는 중합체(FF)의 융점에 따라 적절한 온도를 선택할 것이다.
조성물(C)은 전형적으로 상기 적어도 하나의 중합체(FF) 및 화학식 II의 적어도 하나의 PAO의 총 중량을 기준으로 5 중량% 내지 95 중량%, 바람직하게는 20 중량% 내지 80 중량%, 더 바람직하게는 30 중량% 내지 60 중량%의 적어도 하나의 중합체(FF)를 포함한다.
조성물(C)은 중합체(FF)와 상이한 적어도 하나의 플루오로중합체[중합체(F)], 예컨대 비작용성 플루오로중합체[비작용성 중합체(F)]를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 목적상, 용어 “비작용성 중합체(F)”는 적어도 하나의 작용성 단량체, 예컨대 적어도 하나의 하이드록실 기를 포함하는 작용성 단량체[단량체(OH)]로부터 유래한 반복 단위가 부재하는 플루오로중합체를 나타내고자 한다.
비작용성 중합체(F)의 선택은, 그것이 화합물(GM) 및/또는 화학식 II의 PAO와 상호작용하지 않는다면, 특별히 제한되지 않는다.
본 발명의 복합체(H)를 제조하기 위한 방법 하에서, 화합물(GM)의 적어도 극히 일부분이 중합체(FF)의 하이드록실 기의 적어도 극히 일부분 및 화학식 II의 PAO의 하이드록실 기의 적어도 극히 일부분과 반응함으로써 복합체(H)를 제공함이 이해된다.
복합체(H)는 전형적으로 화학식 -[O-M(OZ1)(OZ2)]O-의 하나 이상의 도메인을 포함하며, 상기 식에서 M은 Si, Ti 및 Zr로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속이고, 서로 동일하거나 상이한 Z1 및 Z2는, 선택적으로 하나 이상의 작용기를 포함하는 탄화수소 기이다.
복합체(H)는 유리하게는 화학식 -[O-M(OZ1)(OZ2)]O-의 하나 이상의 도메인을 0.01 중량% 내지 60 중량%, 바람직하게는 0.1 중량% 내지 40 중량% 포함하며, 상기 식에서 M은 Si, Ti 및 Zr로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속이고, 서로 동일하거나 상이한 Z1 및 Z2는, 선택적으로 하나 이상의 작용기를 포함하는 탄화수소 기이다.
본 발명의 제1 구현예에 따르면, 복합체(H)는 화학식 -[O-M(OZ1)(OZ2)]O-의 하나 이상의 도메인을 포함하며, 상기 식에서 M은 Si, Ti 및 Zr로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속이고, 서로 동일하거나 상이한 Z1 및 Z2는, 선택적으로 하나 이상의 작용기를 포함하는 탄화수소 기이며, 상기 Z1 및 Z2 중 적어도 하나는 적어도 하나의 단량체(OH)로부터 유래한 반복 단위를 포함하는 탄화수소 기이다.
본 발명의 제2 구현예에 따르면, 복합체(H)는 화학식 -[O-M(OZ1)(OZ2)]O-의 하나 이상의 도메인을 포함하며, 상기 식에서 M은 Si, Ti 및 Zr로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속이고, 서로 동일하거나 상이한 Z1 및 Z2는, 선택적으로 하나 이상의 작용기를 포함하는 탄화수소 기이며, 상기 Z1 및 Z2 중 적어도 하나는 화학식 -(CH2CHRAO)n-의 반복 단위를 포함하는 탄화수소 기이며, 상기 식에서 RA는 수소 원자 또는 C1-C5 알킬 기이고, n은 2000 내지 40000, 바람직하게는 4000 내지 35000, 더 바람직하게는 11500 내지 30000에 포함되는 정수이다.
복합체(H)는 바람직하게는 적어도 하나의 플루오린화 단량체 및 적어도 하나의 작용성 단량체[단량체(OM)]로부터 유래한 반복 단위를 포함하며, 적어도 하나의 작용성 단량체[단량체(OM)]는 화학식 -[O-M(OZ1)(OZ2)]O-의 하나 이상의 도메인을 포함하며, 상기 식에서 M은 Si, Ti 및 Zr로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속이고, 서로 동일하거나 상이한 Z1 및 Z2는, 선택적으로 하나 이상의 작용기를 포함하는 탄화수소 기이다.
용어 “적어도 하나의 단량체(OM)”는 복합체(H)가 하나 또는 하나 초과의 단량체(OM)로부터 유래한 반복 단위를 포함할 수 있음을 의미하는 것으로 이해된다. 본 명세서의 나머지 부분에서, “단량체(OM)”라는 표현은, 본 발명의 목적상, 복수형 및 단수형 둘 모두에서, 다시 말해 그것이 상기에 정의된 바와 같은 하나 또는 하나 초과의 단량체(OM) 둘 모두를 나타냄이 이해된다.
단량체(OH)가 적어도 하나의 하이드록실 기를 포함하는 플루오린화 단량체라면, 단량체(OM)는 화학식 -[O-M(OZ1)(OZ2)]O-의 하나 이상의 도메인을 포함하는 플루오린화 단량체이며, 상기 식에서 M은 Si, Ti 및 Zr로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속이고, 서로 동일하거나 상이한 Z1 및 Z2는, 선택적으로 하나 이상의 작용기를 포함하는 탄화수소 기이다.
단량체(OH)가 적어도 하나의 하이드록실 기를 포함하는 수소화 단량체라면, 단량체(OM)는 화학식 -[O-M(OZ1)(OZ2)]O-의 하나 이상의 도메인을 포함하는 수소화 단량체이며, 상기 식에서 M은 Si, Ti 및 Zr로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속이고, 서로 동일하거나 상이한 Z1 및 Z2는, 선택적으로 하나 이상의 작용기를 포함하는 탄화수소 기이다.
단량체(OM)는 바람직하게는 하기 화학식 III-A의 (메트)아크릴 단량체 또는 하기 화학식 IV-A의 비닐에테르 단량체로 이루어진 군으로부터 선택된다:
[화학식 III-A]
Figure pct00013
[화학식 IV-A]
Figure pct00014
상기 식에서, 서로 동일하거나 상이한 각각의 R1, R2 및 R3은 독립적으로 수소 원자 또는 C1-C3 탄화수소 기이고, ROM은 화학식 -[O-M(OZ1)(OZ2)]O-의 하나 이상의 도메인을 포함하는 C1-C5 탄화수소 기이며, 상기 식에서 M은 Si, Ti 및 Zr로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속이고, 서로 동일하거나 상이한 Z1 및 Z2는, 선택적으로 하나 이상의 작용기를 포함하는 탄화수소 기이다.
단량체(OM)는 바람직하게는 화학식 III-A를 갖는다.
단량체(OM)는 더 바람직하게는 하기 화학식 III'-A를 갖는다:
[화학식 III'-A]
Figure pct00015
상기 식에서, 서로 동일하거나 상이한 각각의 R'1, R'2 및 R'3은 독립적으로 수소 원자 또는 C1-C3 탄화수소 기이고, R'OM은 화학식 -[O-M(OZ1)(OZ2)]O-의 하나 이상의 도메인을 포함하는 C1-C5 탄화수소 기이며, 상기 식에서 M은 Si, Ti 및 Zr로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속이고, 서로 동일하거나 상이한 Z1 및 Z2는, 선택적으로 하나 이상의 작용기를 포함하는 탄화수소 기이다.
복합체(H')는 전형적으로 적어도 하나의 플루오로중합체[중합체(F)]를 추가로 포함한다.
복합체(H')가 적어도 하나의 중합체(F)를 추가로 포함한다면, 상기 적어도 하나의 중합체(F)는 바람직하게는 비작용성 중합체(F)이다.
복합체(H')는 전형적으로 하기를 포함한다:
- 30 중량% 내지 99 중량%, 바람직하게는 50 중량% 내지 95 중량%, 더 바람직하게는 60 중량% 내지 90 중량%의 적어도 하나의 복합체(H),
- 1 중량% 내지 70 중량%, 바람직하게는 5 중량% 내지 50 중량%, 더 바람직하게는 10 중량% 내지 40 중량%의 적어도 하나의 염(M), 및
- 선택적으로, 1 중량% 내지 60 중량%, 바람직하게는 5 중량% 내지 40 중량%, 더 바람직하게는 10 중량% 내지 30 중량%의 적어도 하나의 중합체(F).
본 발명의 복합체(H)를 제조하기 위한 방법의 구현예에 따르면, 무기 충전제[충전제(I)]가 추가로 사용될 수 있다.
충전제(I)는 별개로 공급될 수 있거나 화합물(GM)을 포함하는 수성 매체에 첨가될 수 있거나 조성물(C)에 첨가될 수 있다.
충전제(I)는, 존재하는 경우, 전형적으로 상기 조성물(C)의 총 중량을 기준으로 0.1 중량% 내지 90 중량%의 양으로 조성물(C)에 첨가된다.
충전제(I)는 전형적으로 입자 형태로 제공된다. 충전제(I) 입자는 일반적으로, 0.001 μm 내지 1000 μm, 바람직하게는 0.01 μm 내지 800 μm, 더 바람직하게는 0.03 μm 내지 500 μm에 포함되는 평균 크기를 갖는다.
충전제(I)의 선택은 특별히 제한되지 않지만; 그럼에도 불구하고, 화합물(GM)에 대한 표면 반응성 기를 갖는 충전제(I)가 일반적으로 바람직하다.
반응성 기 중에서, 하이드록실 기가 특히 언급될 수 있다.
본 발명의 방법에서 사용하기에 적합한 충전제(I) 중에서, 무기 산화물(금속 산화물을 포함함), 금속 황산염, 금속 탄산염, 금속 황화물 등이 언급될 수 있다.
금속 산화물 중에서, SiO2, TiO2, ZnO 및 Al2O3가 언급될 수 있다.
본 명세서에 참고로 포함된 임의의 특허, 특허 출원, 및 간행물의 개시 내용이 용어를 불명확하게 할 수 있는 정도로 본 출원의 설명과 상충된다면, 본 설명이 우선시 될 것이다.
이제, 본 발명을 하기 실시예를 참조하여 설명할 것이며, 하기 실시예의 목적은 단지 예시적일 뿐이며 본 발명의 범주를 제한하지 않는다.
원료:
중합체(FF-1): 용융 유동 지수(MFI)가 15 g/분(2.16 Kg, 230℃)인 VDF-HEA(0.8 몰%).
중합체(FF-2): 용융 유동 지수(MFI)가 15 g/분(2.16 Kg, 230℃)인 VDF-HEA(0,8 몰%)-HFP(2.4 몰%).
중합체(FF-3): 용융 유동 지수(MFI)가 15 g/분(2.16 Kg, 230℃)인 VDF-HEA(0,8 몰%)-HFP(5 몰%).
PAO-1: 1000000 내지 1200000에 포함되는 평균 분자량을 갖는 폴리(에틸렌 옥사이드).
이온 전도도의 결정
막을 2 개의 스테인리스 강 블로킹(blocking) 전극이 들어 있는 전지 내에 넣었다. 전지를 오븐에 넣고, 이온 전도도의 측정 전에 각각의 온도에서 1 시간 동안 컨디셔닝하였다.
막의 저항을 상이한 온도에서 측정하였다.
하기 식을 사용하여 이온 전도도(σ)를 계산하였다:
이온 전도도(σ) = d / (Rb × S)
상기 식에서, d는 필름의 두께[cm]이고, Rb는 벌크 저항[Ω]이고, S는 스테인리스 강 전극의 면적[cm2]이다.
중합체(FF-1)의 제조
300 rpm의 속도로 가동 중인 임펠러를 구비한 80 리터 반응기에 48204 g의 탈염수 및 20.2 g의 METHOCEL® K100 GR 현탁화제를 순차적으로 도입하였다. 반응기를 통기하고, 질소를 사용하여 1 bar로 가압하고, 이어서 10.8 g의 하이드록시에틸아크릴레이트(HEA) 단량체 및 127.7 g의 디에틸카르보네이트(DEC)를 반응기에 도입한 후, 이소도데칸 중 t-아밀 퍼피발레이트 개시제의 75 중량% 용액 204 g, 및 25187 g의 비닐리덴 플루오라이드(VDF) 단량체를 도입하였다. 이어서, 반응기를 52℃까지 점진적으로 가열하였으며, 최종 압력은 110 bar에 이르렀다. 온도를 전체 시험 내내 52℃에서 일정하게 유지하였다. 19.9 g/l의 HEA 단량체 수용액을 총 16.5 kg으로 공급함으로써 압력을 전체 시험 내내 110 bar에서 일정하게 유지하였다. 7 시간 26 후에, 대기압에 도달할 때까지 현탁액을 탈기함으로써 중합 진행을 정지시켰다. 이어서, 그렇게 수득된 중합체를 회수하고, 탈염수로 세척하고, 65℃에서 오븐-건조시켰다. 그렇게 수득된 VDF-HEA 공중합체의 양은 19.1 Kg이었다.
중합체(FF-2)의 제조
300 rpm의 속도로 가동 중인 임펠러를 구비한 80 리터 반응기에 58242 g의 탈염수 및 11.1 g의 METHOCEL® K100 GR 현탁화제를 순차적으로 도입하였다. 반응기를 순차적으로 진공(30 mmHg)으로 퍼지하고 20℃에서 질소로 퍼지하였다. 이어서, 21.6 g의 하이드록시에틸아크릴레이트(HEA) 및 1873 g의 헥사플루오로프로필렌(HFP) 단량체를 반응기에 도입한 후, 이소도데칸 중 t-아밀 퍼피발레이트 개시제의 75 중량% 용액 149.9 g을 도입하였다. 마지막으로, 16597 g의 비닐리덴 플루오라이드(VDF)를 반응기에 도입하였다. 반응기를 57℃의 설정점 온도에 도달할 때까지 점진적으로 가열하였으며, 압력은 110 bar에서 고정되었다. 중합 동안 240.6 g의 HEA를 함유하는 수용액 13 kg을 공급함으로써 압력을 110 bar로 일정하게 유지하였다. 이러한 공급 후에, 더 이상 수용액을 도입하지 않았으며, 압력은 감소하기 시작하여 80 bar에 도달하였다. 이어서, 대기압에 도달할 때까지 반응기를 탈기함으로써 중합을 정지시켰다. 일반적으로, 단량체의 약 75% 전환율이 얻어졌다. 이어서, 그렇게 수득된 중합체를 회수하고, 탈염수로 세척하고, 65℃에서 오븐-건조시켰다.
중합체(FF-3)의 제조
300 rpm의 속도로 가동 중인 임펠러를 구비한 80 리터 반응기에 57609 g의 탈염수 및 12.1 g의 METHOCEL® K100 GR 현탁화제를 순차적으로 도입하였다. 반응기를 순차적으로 진공(30 mmHg)으로 퍼지하고 20℃에서 질소로 퍼지하였다. 이어서, 이소도데칸 중 t-아밀 퍼피발레이트 개시제의 75 중량% 용액 149.9 g을 반응기에 도입한 후, 8.2 g의 하이드록시에틸아크릴레이트(HEA) 및 4087 g의 헥사플루오로프로필렌(HFP) 단량체를 도입하였다. 마지막으로, 16144 g의 비닐리덴 플루오라이드(VDF)를 반응기에 도입하였다. 반응기를 58℃의 설정점 온도에 도달할 때까지 점진적으로 가열하였으며, 압력은 110 bar에서 고정되었다. 중합 동안 193 g의 HEA를 함유하는 수용액 13.6 kg을 공급함으로써 압력을 110 bar로 일정하게 유지하였다. 이러한 공급 후에, 더 이상 수용액을 도입하지 않았으며, 압력은 감소하기 시작하여 80 bar에 도달하였다. 대기압에 도달할 때까지 반응기를 탈기함으로써 중합을 정지시켰다. 단량체의 79%의 전환율에 도달하였다. 이어서, 그렇게 수득된 중합체를 회수하고, 탈염수로 세척하고, 65℃에서 오븐-건조시켰다.
플루오로중합체 하이브리드 유기/무기 복합체의 제조 - 일반적 절차
이 공정은 이축 동방향-회전 치합형 압출기(twin screw co-rotating intermeshing extruder)(스크루 직경 D가 18 mm이고 스크루 길이가 720 mm(40 D)인 Leistritz 18 ZSE 18 HP)에서 수행하였다. 압출기는 주 공급기 및 2 개의 탈기 유닛을 구비하였다. 배럴은 8 개의 온도 제어 구역 및 냉각 구역(공급기에서)으로 구성되었으며, 이들 구역은 원하는 온도 프로파일을 설정할 수 있게 하였다. 다이는, 각각의 직경이 3 mm인 2 개의 홀로 구성되었다. 2 개의 압출물을 수조(water tank)에서 냉각시켰다. 후속으로, 물질을 견인 롤러에 의해 동시에 당기고, 펠릿으로 컷-오프하기 직전에 압축 공기에 의해 건조시켰다.
단계 (i) 하에서, SiO2의 이론량이 약 18 중량%인 프리-겔 금속 화합물을 하기와 같이 제조하였다:
a) 온화한 속도로 가동 중인 자석 교반기를 구비한 500 ml 비커에 하기 성분들을 순차적으로 도입하였으며:
- TEOS: 200 g
- 물: 69.45 g (몰비 TEOS:H2O = 1:4)
- 에탄올: 50 g (중량비 TEOS:EtOH = 4:1)
- 시트르산: 2.69 g (1 중량%의 TEOS + H2O); 그리고
b) 시스템을 실온에서 약 3 시간 동안 그대로 두었다.
그렇게 수득된 프리-겔 금속 화합물 시스템을 모든 공정 동안 격렬한 교반 하에서 유지하였다.
단계 (ii) 하에서, 각각의 중합체(FF-1), 중합체(FF-2) 및 중합체(FF-3) 및 PAO-1을 혼합하고, 주 호퍼로부터 압출기에 함께 공급하였다. 동시에, 단계 (i)에서 제공된 프리-겔 금속 화합물을 또한 주 호퍼를 통해 압출기에 공급하였다.
이 단계를 위한 스크루 프로파일은 피치(pitch)의 규칙적인 감소를 갖는 이송 요소들의 영역(구역 0에서 구역 1까지), 이어서 2 개의 혼련 요소로 구성된 혼련 블록(구역 2), 이어서 긴 이송 구역(구역 3에서 구역 4까지)으로 구성되었으며, 이러한 일련의 요소 이후에는, 3 개의 혼련 요소로 구성되고 2 개의 이송 요소와 교번되는 2 개의 혼련 블록이 위치하였다(구역 4에서 구역 6까지). 마지막으로, 4 개의 이송 요소 및 탈기 유닛이 다이 출구 앞에 위치하였다(구역 6에서 구역 8까지).
사용된 온도 프로파일이 본 명세서의 하기 표 1에 기록되어 있다. 중합체(FF)의 융점에 따라, 하기의 2 개의 상이한 프로파일을 사용하였다: 중합체(FF-2) 및 중합체(FF-3)에 대한 프로파일 A와 중합체(FF-1)에 대한 프로파일 B. 압출기 회전 속도는 350 rpm이었다.
구역 0 1 2 3 4 5 6 7
프로파일 A [℃] 90 100 100 120 160 160 160 165
프로파일 B [℃] 90 100 100 120 180 180 180 185
단계 (iii) 하에서, 단계 (ii)에서 제공된 펠릿 및 Li[N(CF3SO2)2](LiTFSI) 수용액(50 중량%)을 주 호퍼를 통해 압출기에 공급하였다. 펠릿은 중량식 공급기에 장입하였고, LiTFSI 수용액은 연동 펌프에 장입하였다.
이 단계를 위한 스크루 프로파일은 제1 이송 구역(구역 0 및 구역 1), 이어서 3 개의 혼련 요소로 형성된 혼련 블록(구역 2)으로 구성되었으며; 이들 블록 이후에는 긴 이송 구역이 있었으며, 이 구역에서는 스크루의 피치가 최대였다(구역 3). 이 구역에는, 대기압 상태의 탈기 유닛이 존재하였다. 이어서, 2 개의 혼련 요소 및 역류(backflow) 요소로 구성된 혼련 블록이 있었다(구역 5). 이 블록 이후에, 스크루는 최대 피치를 갖는 이송 구역으로 구성되었으며(구역 6); 이 구역에는, LiTFSI 용액 중 존재하는 수증기를 주로 소기하기 위하여 -400 mbar 상태의 탈기 유닛이 존재하였다. 스크루의 최종 부분(구역 7 및 구역 8)은 이송 요소로 구성되었다.
사용된 온도 프로파일이 본 명세서의 하기 표 2에 기록되어 있다. 중합체(FF)의 융점에 따라, 하기의 2 개의 상이한 프로파일을 사용하였다: 중합체(FF-2) 및 중합체(FF-3)에 대한 프로파일 C와 중합체(FF-1)에 대한 프로파일 D. 압출기 회전 속도는 400 rpm이었다.
구역 0 1 2 3 4 5 6 7
프로파일 C [℃] 165 165 165 160 160 160 160 165
프로파일 D [℃] 185 185 185 180 180 180 180 185
실시예 1
31:69 중량비의 중합체(FF-1) 및 PAO-1의 분말 블렌드를 제조하였다.
프리-겔 금속 화합물을 단계 (i) 하에서 제조하였다. 그렇게 수득된 프리-겔 금속 화합물 및 분말 블렌드를 주 호퍼에 연속해서 공급하고, 온도 프로파일 B에 따라 압출하였다. 중합체 블렌드에 대한 속도는 0.795 kg/h이고, 프리-겔 금속 화합물에 대한 속도는 0.520 kg/h였다.
압출물을 펠릿화하고, 45℃에서 4 시간 동안 진공 오븐에서 건조시켰다. 그렇게 수득된 복합체는 EDS 측정에 따라 7.85 중량%의 SiO2를 함유하였다.
단계 (ii) 하에서 제조된 펠릿 및 LiTFSI 용액을 각각 1.2 kg/h 및 0.6 kg/h의 속도로 압출기에 공급하였다. 물질을 수집하고 펠릿화기에 의해 절단하였다.
최종 복합체의 조성은 하기와 같았다: 73.7 중량%의 중합체(FF-1) 및 PAO-1의 블렌드(중량비 중합체(FF-1):PAO-1 = 31:69), 6.3 중량%의 SiO2 및 20 중량%의 LiTFSI.
그렇게 수득된 복합체로 제조된 필름의 이온 전도도 값이 표 3에 제시되어 있다.
비교예 1
단계 (i)을 생략한 것(프리-겔 금속 화합물을 반응기에 공급하지 않음)을 제외하고는, 실시예 1 하에서와 동일한 절차에 따랐다.
프리-겔 금속 화합물의 부재로 인해 단계 (ii) 및 단계 (iii)을 동시에 수행하였다.
최종 복합체의 조성은 하기와 같았다: 80 중량%의 중합체(FF-1) 및 PAO-1의 블렌드(중량비 중합체(FF-1):PAO-1 = 38:62) 및 20 중량%의 LiTFSI.
그렇게 수득된 복합체로 제조된 필름의 이온 전도도 값이 표 3에 제시되어 있다.
실시예 2
중합체(FF-1)를 중합체(FF-2)로 대체하고 단계 (ii) 후에 공정을 정지한 것을 제외하고는, 실시예 1 하에서와 동일한 절차에 따랐다. 따라서, 단계 (iii)은 생략하였다.
최종 복합체의 조성은 하기와 같았다: 90.6 중량%의 중합체(FF-2) 및 PAO-1의 블렌드(중량비 중합체(FF-2):PAO-1 = 31:69) 및 9.4 중량%의 SiO2.
그렇게 수득된 복합체는 규칙적인 펠릿 형태였으며, 이것은 용융 상에서 용이하게 취급 및 가공될 수 있다.
비교예 2
단계 (i) 및 단계 (iii)을 생략한 것을 제외하고는, 실시예 2 하에서와 동일한 절차에 따랐다. 따라서, 프리-겔 금속 화합물 및 전해질 염은 복합체에 첨가되지 않았다. 단계 (ii)의 압출물은 현저한 다이 팽윤을 가졌다. 용융 강도는 매우 불량하였으며, 이 공정 동안에, 용융 펄스화 및 파괴가 관찰되었다. 이러한 이유로, 자동 시스템을 사용하여 물질을 인발하고 절단기를 사용하여 그것을 절단하여 규칙적인 펠릿을 수득하는 것이 불가능하였다.
그렇게 수득된 최종 복합체는 31:69 중량비의 중합체(FF-2) 및 PAO-1의 블렌드를 함유하였다.
실시예 3
중합체(FF-1) 대신에 중합체(FF-2)를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1 하에서와 동일한 절차에 따랐다.
그렇게 수득된 복합체로 제조된 필름의 이온 전도도 값이 표 3에 제시되어 있다.
실시예 4
중합체(FF-1) 대신에 중합체(FF-3)를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1 하에서와 동일한 절차에 따랐다.
그렇게 수득된 복합체로 제조된 필름의 이온 전도도 값이 표 3에 제시되어 있다.
실시예 이온 전도도 (μS/mm)
23℃ 40℃ 55℃ 70℃ 80℃
1 3.09 6.45 21.8 29.8 78.7
비교예 1 1.22 2.24 13.4 20.5 38.5
3 3.77 6.49 17.5 35.3 51.5
4 3.71 8.86 22.6 36.7 65.9
상기 내용을 고려할 때, 본 발명에 따른 방법에 의해 수득 가능한 복합체(H) 또는 복합체(H')는 유리하게는 규칙적인 펠릿 형태임을 놀랍게도 알아내었는데, 이러한 규칙적인 펠릿은 자유 유동성이고, 이에 따라 용융 상에서 용이하게 취급 및 가공될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 방법에 의해 수득 가능한 복합체(H) 또는 복합체(H')는 현저한 이온 전도도 값을 나타내는 전기화학 디바이스용 및 광-전기화학 디바이스용 세퍼레이터 둘 모두의 제조를 성공적으로 가능하게 한다는 것을 놀랍게도 알아내었다.

Claims (15)

  1. - 하기 화학식 I의 적어도 하나의 금속 화합물[화합물(M)]의 적어도 부분 가수분해 및/또는 중축합에 의해 수득 가능한 적어도 하나의 프리-겔(pre-gel) 금속 화합물[화합물(GM)]을 포함하는 수성 매체:
    [화학식 I]
    X4-mM(OY)m
    (상기 식에서, M은 Si, Ti 및 Zr로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속이고, 서로 동일하거나 상이한 X 및 Y는 각각의 경우에, 선택적으로 하나 이상의 작용기를 포함하는 탄화수소 기이고, m은 1 내지 4에 포함되는 정수임),
    - 적어도 하나의 하이드록실 기를 포함하는 적어도 하나의 작용성 플루오로중합체[중합체(FF)], 및
    - 하기 화학식 II의 적어도 하나의 폴리(알킬렌 옥사이드)(PAO):
    [화학식 II]
    HO-(CH2CHRAO)n-RB
    (상기 식에서, RA는 수소 원자 또는 C1-C5　알킬 기이고, RB는 수소 원자 또는 -CH3　알킬 기이고, n은 2000 내지 40000, 바람직하게는 4000 내지 35000, 더 바람직하게는 11500 내지 30000에 포함되는 정수임)
    를 포함하는 조성물[조성물(C)].
  2. 제1항에 있어서, 중합체(FF)는 적어도 하나의 플루오린화 단량체 및 적어도 하나의 하이드록실 기를 포함하는 적어도 하나의 작용성 단량체[단량체(OH)]로부터 유래한 반복 단위를 포함하는 것인, 조성물(C).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 단량체(OH)는 하기 화학식 III의 (메트)아크릴 단량체 및 하기 화학식 IV의 비닐에테르 단량체로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인, 조성물(C):
    [화학식 III]
    Figure pct00016

    [화학식 IV]
    Figure pct00017

    (상기 식에서, 서로 동일하거나 상이한 각각의 R1, R2 및 R3은 독립적으로 수소 원자 또는 C1-C3 탄화수소 기이고, ROH는 적어도 하나의 하이드록실 기를 포함하는 C1-C5 탄화수소 기임).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 중합체(FF)는
    (a') 적어도 60 몰%, 바람직하게는 적어도 75 몰%, 더 바람직하게는 적어도 85 몰%의 비닐리덴 플루오라이드(VDF),
    (b') 선택적으로, 0.1 몰% 내지 15 몰%, 바람직하게는 0.1 몰% 내지 12 몰%, 더 바람직하게는 0.1 몰% 내지 10 몰%의 플루오린화 단량체로서, 비닐 플루오라이드, 클로로트리플루오로에틸렌(CTFE), 헥사플루오로프로필렌(HFP), 테트라플루오로에틸렌(TFE), 트리플루오로에틸렌(TrFE), 퍼플루오로메틸비닐에테르(PMVE) 및 이들로부터의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는, 상기 플루오린화 단량체, 및
    (c') 0.01 몰% 내지 20 몰%, 바람직하게는 0.05 몰% 내지 15 몰%, 더 바람직하게는 0.1 몰% 내지 10 몰%의 화학식 III의 적어도 하나의 (메트)아크릴 단량체
    로부터 유래한 반복 단위를 포함하는 것인, 조성물(C).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 화합물(M)은 하기 화학식 I-A를 갖는 것인, 조성물(C):
    [화학식 I-A]
    R1 4-m'M(OR2)m'
    (상기 식에서, M은 Si, Ti 및 Zr로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속이고, 서로 동일하거나 상이한 R1 및 R2는 각각의 경우에, 선택적으로 하나 이상의 작용기를 포함하는 C1-C18 탄화수소 기로 이루어진 군으로부터 선택되고, m'은 1 내지 4에 포함되는 정수임).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 화합물(GM)은 화학식 -[O-MX4-m*(OY)m*-2]O-의 하나 이상의 도메인을 포함하며, 상기 식에서 M은 Si, Ti 및 Zr로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속이고, 서로 동일하거나 상이한 X 및 Y는 각각의 경우에, 선택적으로 하나 이상의 작용기를 포함하는 탄화수소 기이고, m*는 2 내지 4에 포함되는 정수인, 조성물(C).
  7. 플루오로중합체 하이브리드 유기/무기 복합체[복합체(H)]의 제조 방법으로서,
    상기 방법은 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 조성물(C)을 용융 상(molten phase)에서 가공하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
  8. 제7항에 있어서, 조성물(C)은 압출기, 바람직하게는 이축 압출기를 사용하여 용융 상에서 가공되는 것인, 방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 따른 방법에 의해 수득 가능한 플루오로중합체 하이브리드 유기/무기 복합체[복합체(H)]로서,
    상기 복합체(H)는 적어도 하나의 플루오린화 단량체 및 적어도 하나의 작용성 단량체[단량체(OM)]로부터 유래한 반복 단위를 포함하며, 적어도 하나의 작용성 단량체[단량체(OM)]는 화학식 -[O-M(OZ1)(OZ2)]O-의 하나 이상의 도메인을 포함하며, 상기 식에서 M은 Si, Ti 및 Zr로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속이고, 서로 동일하거나 상이한 Z1 및 Z2는, 선택적으로 하나 이상의 작용기를 포함하는 탄화수소 기인, 복합체(H).
  10. - 제9항에 따른 적어도 하나의 복합체(H),
    - 적어도 하나의 금속 염[염 (M)], 및
    - 선택적으로, 적어도 하나의 플루오로중합체[중합체(F)]
    를 포함하는, 배합된(compounded) 플루오로중합체 하이브리드 유기/무기 복합체[복합체(H')].
  11. 제9항에 따른 적어도 하나의 복합체(H) 또는 제10항에 따른 적어도 하나의 복합체(H')를 포함하는 플루오로중합체 필름.
  12. 제11항에 따른 플루오로중합체 필름의 제조 방법으로서,
    상기 방법은 제9항에 따른 적어도 하나의 복합체(H) 또는 제10항에 따른 적어도 하나의 복합체(H')를 용융 상에서 가공하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 방법은 제9항에 따른 적어도 하나의 복합체(H) 또는 제10항에 따른 적어도 하나의 복합체(H')를 압출기, 바람직하게는 단축 압출기를 사용하여 용융 상에서 가공하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
  14. 제11항에 따른 적어도 하나의 플루오로중합체 필름을 포함하는 전기화학 디바이스 또는 광-전기화학 디바이스.
  15. 전기화학 디바이스용, 바람직하게는 2차 배터리용, 더 바람직하게는 리튬-이온 배터리용 세퍼레이터(separator)로서의 제11항에 따른 플루오로중합체 필름의 용도.
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