KR20190028845A - poly(phenylene oxide) mediated anion-exchange membranes with comb-shaped structure and preparation method thereof - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a polyphenylene oxide-based polymer having a comb structure, an anion exchange membrane for a fuel cell including the same, and a manufacturing method thereof and, more specifically, to a technique which manufactures a thin film with a poly (phenylene oxide) polymer with a comb structure introduced to a hydrophobic portion to increase water content to apply the thin film to an anion exchange membrane for a fuel cell. The present invention introduces a long alkyl group of a comb structure to a hydrophobic portion in a main chain of a poly (phenylene oxide) polymer instead of a hydrophilic conduction group (hydrophilic portion) of a polymer to exhibit excellent ionic conductivity at high and low temperatures without an increase in IEC, provide stable mechanical properties due to low dimensional changes in comparison to water content, and markedly improve alkali stability. Therefore, the present invention can be commercialized as an anion exchange membrane for a fuel cell.

Description

코움 구조를 갖는 폴리페닐렌 옥사이드 고분자를 포함하는 음이온 교환막 및 이의 제조방법{poly(phenylene oxide) mediated anion-exchange membranes with comb-shaped structure and preparation method thereof}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to an anion exchange membrane comprising a polyphenylene oxide polymer having a comb structure, and an anion exchange membrane comprising a poly (phenylene oxide)

본 발명은 코움 구조를 갖는 폴리페닐렌옥사이드계 고분자, 이를 포함하는 연료전지용 음이온 교환막 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 함수율을 증가시키기 위하여 소수성 부분에 코움 구조가 도입된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자로 박막을 제조하여 연료전지용 음이온 교환막에 응용하는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a polyphenylene oxide-based polymer having a comb structure, an anion exchange membrane for a fuel cell comprising the same, and a process for producing the same. More particularly, the present invention relates to a polyphenylene oxide polymer having a comb- Oxide) polymer and applying the thin film to an anion exchange membrane for fuel cells.

음이온 교환막(anion exchange membrane)은 양이온 교환막(proton exchange membrane)에 비해 상대적으로 이온 전도도가 낮고, 고온의 알칼리 조건하에서 화학적 안정성이 떨어진다는 문제가 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 다양한 연구들이 진행되어 오고 있다.The anion exchange membrane has a lower ionic conductivity than the cation exchange membrane (proton exchange membrane) and has a problem in that its chemical stability is lowered under high temperature alkali conditions. Various studies have been conducted to solve such problems.

음이온 교환막은 grotthuss mechanism와 vehicle mechanism의 이온 전도 메커니즘에 의해 작동된다고 알려져 있으며, 이 과정에서 물은 수산화이온(OH-)전도의 중요한 매개체이다. 즉, 음이온 교환막의 함수율이 증가하면, 전도기와 수산화이온간의 해리가 용이하게 이루어지게 된다. 이로 인해 궁극적으로 확산되는 수산화이온의 양이 증가하게 되므로, 이온전도도가 향상하게 되며 알칼리에 대한 안정성도 개선되는 것이다.Anion exchange membranes are known to be activated by the ion conduction mechanisms of the grotthuss mechanism and the vehicle mechanism, and water is an important mediator of the hydroxide ion (OH-) conduction in this process. That is, when the water content of the anion exchange membrane is increased, dissociation between the conductive group and the hydroxide ion is facilitated. This leads to an increase in the amount of hydroxide ion that ultimately diffuses, thereby improving ionic conductivity and improving stability to alkali.

음이온 교환막에서 함수율을 높이기 위한 일반적인 방법으로는 고분자 무게(g)당 이온 전도기(meq)의 단위인 IEC를 향상시키는 것이다. 그러나 극도(매우 높은 은도)의 IEC 증가는 막의 물성을 감소시키게 되고, 심한 경우에는 막의 형태조차 유지할 수 없을 정도로 나빠지게 되기 때문에 연료전지 작동에 큰 문제를 일으킬 소지가 있다.A common method for increasing the water content in anion exchange membranes is to improve the IEC, the unit of ionic conductance (meq) per weight of polymer (g). However, extreme (very high silver) IEC increases the properties of the membrane, and in extreme cases, even the morphology of the membrane can not be maintained.

따라서 상술한 문제점을 인지하여 본 발명자는 IEC의 증가 없이 함수율만을 증가시키고자 예의 노력하였고, 그 결과 소수성 고분자 주쇄에 코움 형태(comb)의 긴 사슬기가 도입된 새로운 구조의 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 완성하기에 이르렀다.Therefore, the present inventor has made efforts to increase the water content only without increasing the IEC. As a result, the inventors of the present invention have found that a new structure of a poly (phenylene oxide) polymer having a comb chain long chain group introduced into the hydrophobic polymer main chain .

특허문헌 1. 대한민국 공개특허공보 제10-2017-0032876호Patent Document 1: Korean Patent Publication No. 10-2017-0032876

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 이온 교환 능력의 증가없이 함수율, 수산화이온 전도도를 향상시키고, 우수한 알칼리 안정성을 갖는, 소수성 부분에 코움 구조를 갖는 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자 박막을 기반으로 하는 연료전지용 음이온 교환막 및 이의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a poly (phenyl (meth) acrylate) having a comb structure in a hydrophobic part, which has improved water content and hydroxide ion conductivity and has excellent alkali stability, The present invention also provides an anion exchange membrane for a fuel cell based on a polymer thin film and a method of manufacturing the same.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 하기 화학식 Ⅰ로 표시되는 반복단위를 갖는 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 포함하는 연료전지용 음이온 교환막을 제공한다.In order to accomplish the above object, the present invention provides an anion exchange membrane for a fuel cell comprising a poly (phenylene oxide) polymer having a repeating unit represented by the following general formula (I).

<화학식 Ⅰ><Formula I>

Figure pat00001
Figure pat00001

상기 화학식 Ⅰ에서,In the above formula (I)

상기 R1은 직쇄 또는 분지형 탄소수 6 내지 20의 알킬기 중에서 선택되는 어느 하나이고,Wherein R &lt; 1 &gt; is any one selected from a linear or branched alkyl group having 6 to 20 carbon atoms,

상기 R3은 -(R10)N+(R11R12R13)의 4급 암모늄기이고,R 3 is a quaternary ammonium group of - (R 10 ) N + (R 11 R 12 R 13 )

상기 R2, R4, R5, R6, R7, R8, R9는 서로 동일하거나 각각 독립적으로, 수소, 직쇄 또는 분지형 탄소수 1 내지 6의 알킬기 중에서 선택되는 어느 하나이며,Wherein R 2 , R 4, R 5 , R 6 , R 7 , R 8 and R 9 are the same or different from each other and selected from the group consisting of hydrogen, straight or branched alkyl groups having 1 to 6 carbon atoms,

상기 R10, R11, R12, R13은 서로 동일하거나 각각 독립적으로, 수소, 직쇄 또는 분지형 탄소수 1 내지 6의 알킬기 중에서 선택되는 어느 하나이며, R 10 , R 11, R 12 , and R 13 are the same or different from each other and selected from the group consisting of hydrogen, a linear or branched alkyl group having 1 to 6 carbon atoms,

상기 x, y, z는 각각 임의의 반복단위이고, x, y, z는 각각 반복단위 내 몰분율로서 0.01≤x≤0.4, 0.1≤y≤0.5, x+y+z=1이며, x, y 또는 z가 0인 경우는 없다.X, y, and z are each an arbitrary repeating unit, and x, y, and z are mole ratios in the repeating unit, 0.01? X? 0.4, 0.1? Y? 0.5, x + y + z = Or z is not zero.

상기 화학식 Ⅰ에서, R1은 직쇄형 탄소수 10 내지 15의 알킬기 중에서 선택되는 어느 하나이고, 상기 R2, R4, R5, R6, R7, R8, R9는 서로 동일하며, 직쇄형 탄소수 1 내지 4의 알킬기 중에서 선택되는 어느 하나인 것일 수 있다.R 1 , R 2 , R 3, R 4, R 5 , R 6 , R 7 , R 8 , and R 9 are the same as each other, And an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms.

상기 화학식 Ⅰ에서, 상기 R5는 수소이고, 상기 R10, R11, R12, R13은 직쇄형 탄소수 1 내지 4의 알킬기인 것일 수 있다.In Formula (I), R 5 is hydrogen, and R 10 , R 11, R 12 , and R 13 may be straight chain alkyl groups having 1 to 4 carbon atoms.

상기 화학식 Ⅰ에서, x는 0.03 내지 0.11이고, y는 0.3 내지 0.4인 것일 수 있다.In Formula (I), x may be 0.03 to 0.11, and y may be 0.3 to 0.4.

상기 화학식 Ⅰ에서, x는 0.11이고, y는 0.37인 것일 수 있다.In the above formula (I), x may be 0.11 and y may be 0.37.

상기 연료전지용 음이온 교환막은 95~100% 상대습도 및 20~100 ℃에서 수산화이온 전도도가 39 내지 110 mS/㎝인 것일 수 있다.The anion exchange membrane for a fuel cell may have a relative humidity of 95 to 100% and a hydroxide ion conductivity of 39 to 110 mS / cm at 20 to 100 ° C.

본 발명은 상기 연료전지용 음이온 교환막을 포함하는 전지용 분리막을 제공한다.The present invention provides a separator for a battery comprising the anion exchange membrane for a fuel cell.

본 발명은 상기 전지용 분리막을 포함하는 연료전지를 제공한다.The present invention provides a fuel cell including the battery separator.

본 발명은 Ⅰ) 하기 화학식 Ⅱ로 표시되는 반복단위를 갖는 클로로메틸화된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 유기용매에 녹인 고분자 용액에 음이온 교환기를 갖는 화합물을 첨가하고 반응시켜 상기 화학식 Ⅰ로 표시되는 반복단위를 갖는 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 얻는 단계; 및 The present invention relates to a process for the preparation of a compound represented by the general formula (I), which comprises: (I) adding a compound having an anion-exchange group to a polymer solution obtained by dissolving a chloromethylated poly (phenylene oxide) polymer having a repeating unit represented by the following general formula To obtain a poly (phenylene oxide) polymer; And

Ⅱ) 상기 Ⅰ) 단계에서 얻은 화학식 Ⅰ로 표시되는 반복단위를 갖는 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자 박막을 형성하는 단계;를 포함하는 연료전지용 음이온 교환막의 제조방법을 제공한다.(II) a step of forming a poly (phenylene oxide) polymer thin film having a repeating unit represented by the general formula (I) obtained in the step (I); and a process for producing an anion exchange membrane for a fuel cell.

<화학식 Ⅱ>&Lt; Formula (II)

Figure pat00002
Figure pat00002

(상기 화학식 Ⅱ에서 R1, R2, R4, R5, R6, R7, R8, R9 및 x, y, z는 제1항의 화학식 Ⅰ에서 정의한 바와 같고,(Wherein R &lt; 1 &gt; R 2 , R 4, R 5 , R 6 , R 7 , R 8 , R 9 and x, y and z are as defined in formula (I)

상기 화학식 Ⅱ에서 X는 단일 결합, 탄소수 1 내지 4의 알킬기 중에서 선택되는 어느 하나이다.)In Formula (II), X is any one selected from the group consisting of a single bond and an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms.

상기 화학식 Ⅱ로 표시되는 반복단위를 갖는 클로로메틸화된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자는, a) 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 알루미늄 클로라이드와 라우릴로 클로라이드와 반응시켜 아크릴화된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 합성하는 단계;The chloromethylated poly (phenylene oxide) polymer having the repeating unit represented by the above formula (II) is obtained by a) reacting a poly (phenylene oxide) polymer with aluminum chloride and lauryl chloride to prepare an acrylated poly (phenylene oxide) ;

b) 상기 a) 단계의 아크릴화된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 환원시켜, 하기 화학식 Ⅲ으로 표시되는 반복단위를 갖는, 환원된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 합성하는 단계; 및b) reducing the acrylated poly (phenylene oxide) polymer of step a) to obtain a reduced poly (phenylene oxide) polymer having a repeating unit represented by the following formula (III); And

c) 상기 b) 단계의 환원된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 징크 클로라이드와 클로로메틸메틸에테르와 반응시키는 단계;를 통해 제조된 것일 수 있다.c) reacting the reduced poly (phenylene oxide) polymer of step b) with zinc chloride and chloromethyl methyl ether.

<화학식 Ⅲ>&Lt; Formula (III)

Figure pat00003
Figure pat00003

(상기 화학식 Ⅲ에서 R14는 직쇄 또는 분지형 탄소수 6 내지 20의 알킬기 중에서 선택되는 어느 하나이고, 상기 R15, R16, R17, R18, R19는 서로 동일하거나 각각 독립적으로, 수소, 직쇄 또는 분지형 탄소수 1 내지 6의 알킬기 중에서 선택되는 어느 하나이며, 상기 o, p는 각각 임의의 반복단위이고, o, p는 각각 반복단위 내 몰분율로서 0.0≤o≤0.9, 0.1≤p≤0.9, o+p=1 이다.)(In the above formula (III), R 14 is any one selected from a linear or branched alkyl group having 6 to 20 carbon atoms, R 15 , R 16, R 17 , R 18 and R 19 are the same or different from each other and selected from the group consisting of hydrogen, a linear or branched alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, And o and p are the mole fractions in the repeating units, 0.0? O? 0.9, 0.1? P? 0.9, o + p = 1.

상기 음이온 교환기를 갖는 화합물은 4급 암모늄인 것일 수 있다.The compound having an anion-exchange group may be quaternary ammonium.

상기 Ⅰ) 단계에서 상기 화학식 Ⅱ로 표시되는 반복단위를 갖는 클로로메틸화된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자와 음이온 교환기를 갖는 화합물의 혼합 중량비는 1 : 0.1 내지 1인 것일 수 있다.The mixing weight ratio of the chloromethylated poly (phenylene oxide) polymer having the repeating unit represented by the formula (II) in the step (I) and the compound having an anion-exchange group may be 1: 0.1 to 1.

본 발명은, 고분자의 친수성 전도기(친수성 부분)가 아닌 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자의 주쇄 내에서 소수성 부분에 코움 구조(comb)의 긴 알킬기를 도입함으로써, IEC의 증가없이 고온과 저온에서 우수한 이온 전도도를 나타내며, 함수율 대비 치수 변화가 낮아 기계적 물성이 안정적이며, 알칼리 안정성 또한 현저히 개선한 것으로, 연료전지용 음이온 교환막으로 상용화할 수 있다.The present invention relates to a method for producing a poly (phenylene oxide) polymer by introducing a long alkyl group of comb structure into a hydrophobic portion in a main chain of a poly (phenylene oxide) polymer that is not a hydrophilic electroconductor (hydrophilic portion) It shows conductivity, stability of mechanical properties is low due to low dimensional change compared to water content, and alkali stability is remarkably improved, which can be commercialized as an anion exchange membrane for fuel cells.

도 1은 합성예 2 내지 5에 따른 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자의 1H-NMR 그래프이다. 구체적으로 도 1a는 화학식 2의 acyl-PPO 고분자의 1H NMR 스펙트럼이고, 도 1b는 화학식 3의 Racyl-PPO 고분자의 1H NMR 스펙트럼이며, 도 1c는 화학식 4의 C11Y37PPO-Cl 고분자의 1H NMR 스펙트럼이며, 도 1d는 화학식 5의 C11Y37PPO-QA 고분자의 1H NMR 스펙트럼이다.
도 2는 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자(PPO), 화학식 2의 acyl-PPO 고분자, 화학식 3의 Racyl-PPO 고분자 및 화학식 4의 C11Y37PPO-Cl 고분자의 1H NMR 스펙트럼이다.
도 3a는 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자(PPO), 화학식 2의 acyl-PPO 고분자, 화학식 3의 Racyl-PPO 고분자 및 화학식 4의 C11Y37PPO-Cl 고분자 각각을 겔 투과 크로마토그래피로 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 3b는 비교예 1의 C0Y37PPO-Cl 고분자, 합성예 7의 C3Y37PPO-Cl 고분자, 합성예 8의 C7Y37PPO-Cl 고분자 및 합성예 9의 C11Y37PPO-Cl 고분자 각각을 겔 투과 크로마토그래피로 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 4는 실시예 1 내지 3 및 비교예 3에 따른 연료전지용 음이온 교환막의 20℃, 40℃, 60℃ 및 80℃에서, 100% 상대습도(RH) 조건에서 수산화이온 전도도(hydroxide conductivity) 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 합성예 7 내지 9 및 비교예 1에 따라 제조된 CnYmPPO-Cl의 가열 조건에 따른 DSC 특성을 나타낸 DSC 그래프이다.
도 6은 실시예 1 내지 3 및 비교예 3에 따라 제조된 연료전지용 음이온 교환막의 신장율(%)에 따른 스트레스(MPa) 변화를 관찰하여 나타낸 그래프이다.
도 7은 80 ℃ 조건 하에서, 실시예 1 내지 3 및 비교예 3의 음이온 교환막을 1M KOH 용액에 침지시킨 후, 수산화이온 전도도의 손실정도(conductivity loss, %)를 시간별로 측정하여 나타낸 그래프이다.
1 is a 1 H-NMR graph of a poly (phenylene oxide) polymer according to Synthesis Examples 2 to 5. 1B is a 1 H NMR spectrum of a Racyl-PPO polymer of Formula 3, and FIG. 1C is a C 11 Y 37 PPO-Cl polymer of Formula 4. FIG. 1A is a 1 H NMR spectrum of acyl- and the 1 H NMR spectrum, Figure 1d is a 1 H NMR spectrum of 11 C Y 37 QA-PPO polymer of formula (5).
2 is a 1 H NMR spectrum of poly (phenylene oxide) polymer (PPO), acyl-PPO polymer of formula (II), Racyl-PPO polymer of formula (III) and C 11 Y 37 PPO-Cl polymer of formula (IV).
3A shows the results of measurement of each of poly (phenylene oxide) polymer (PPO), acyl-PPO polymer of formula 2, Racyl-PPO polymer of formula 3 and C 11 Y 37 PPO-Cl polymer of formula 4 by gel permeation chromatography Fig.
Figure 3b is a comparative example 1 of the C 0 Y 37 of the PPO-Cl Polymer Synthesis Example 7 C 3 Y 37 of the PPO-Cl Polymer Synthesis Example 8 C 7 Y 37 of the PPO-Cl Polymer and Preparation Example 9 C 11 Y 37 PPO-Cl &lt; / RTI &gt; polymers were measured by gel permeation chromatography.
4 shows changes in hydroxide conductivity at 100% relative humidity (RH) at 20 ° C, 40 ° C, 60 ° C and 80 ° C in the anion exchange membranes for fuel cells according to Examples 1 to 3 and Comparative Example 3 Fig.
5 is a DSC graph showing DSC characteristics according to heating conditions of C n Y m PPO-Cl prepared according to Synthesis Examples 7 to 9 and Comparative Example 1. Fig.
6 is a graph showing changes in stress (MPa) according to elongation percentage (%) of an anion exchange membrane for a fuel cell manufactured according to Examples 1 to 3 and Comparative Example 3. Fig.
7 is a graph showing the results of measuring the conductivity loss (%) of the hydroxide ion conductivity after immersing the anion exchange membranes of Examples 1 to 3 and Comparative Example 3 in a 1M KOH solution under the condition of 80 ° C.

이하에서는 본 발명에 따른 연료전지용 음이온 교환막 및 그 제조방법에 관하여 실시예 및 첨부된 도면과 함께 상세히 설명하기로 한다.
Hereinafter, an anion exchange membrane for a fuel cell and a method for producing the same according to the present invention will be described in detail with reference to examples and accompanying drawings.

본 발명에서는 하기 화학식 Ⅰ로 표시되는 반복단위를 갖는 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 포함하는 연료전지용 음이온 교환막을 제공한다.The present invention provides an anion exchange membrane for a fuel cell comprising a poly (phenylene oxide) polymer having a repeating unit represented by the following formula (I).

<화학식 Ⅰ><Formula I>

Figure pat00004
Figure pat00004

상기 화학식 Ⅰ에서,In the above formula (I)

상기 R1은 직쇄 또는 분지형 탄소수 6 내지 20의 알킬기 중에서 선택되는 어느 하나이고,Wherein R &lt; 1 &gt; is any one selected from a linear or branched alkyl group having 6 to 20 carbon atoms,

상기 R3은 -(R10)N+(R11R12R13)의 4급 암모늄기이고,R 3 is a quaternary ammonium group of - (R 10 ) N + (R 11 R 12 R 13 )

상기 R2, R4, R5, R6, R7, R8, R9는 서로 동일하거나 각각 독립적으로, 수소, 직쇄 또는 분지형 탄소수 1 내지 6의 알킬기 중에서 선택되는 어느 하나이며,Wherein R 2 , R 4, R 5 , R 6 , R 7 , R 8 and R 9 are the same or different from each other and selected from the group consisting of hydrogen, straight or branched alkyl groups having 1 to 6 carbon atoms,

상기 R10, R11, R12, R13은 서로 동일하거나 각각 독립적으로, 수소, 직쇄 또는 분지형 탄소수 1 내지 6의 알킬기 중에서 선택되는 어느 하나이며, R 10 , R 11, R 12 , and R 13 are the same or different from each other and selected from the group consisting of hydrogen, a linear or branched alkyl group having 1 to 6 carbon atoms,

상기 x, y, z는 각각 임의의 반복단위이고, x, y, z는 각각 반복단위 내 몰분율로서 0.01≤x≤0.4, 0.1≤y≤0.5, x+y+z=1이며, x, y 또는 z가 0인 경우는 없다.X, y, and z are each an arbitrary repeating unit, and x, y, and z are mole ratios in the repeating unit, 0.01? X? 0.4, 0.1? Y? 0.5, x + y + z = Or z is not zero.

또한 상기 화학식 Ⅰ에서, 상기 아래 첨자 x, y, z를 가지는 각각의 페닐렌 성분의 배열은 임의로 되거나 하나의 블록으로 정해진 것일 수 있다. Also, in the above formula (I), the arrangement of each phenylene component having the subscript x, y, z may be arbitrary or one block.

상기 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자는, 폴리(페닐렌 옥사이드) 반복단위를 골격(backbone)으로 하고, 그 측쇄에 적어도 하나의 전도성 작용기(바람직하게는 음이온 교환성 작용기)를 갖고, 나머지 일부의 측쇄에 긴 알킬기를 갖는 것으로, 상기 화학식 Ⅰ에서 정의한 반복단위의 구조를 가지며 화학적·열적 안정성이 우수하다.The poly (phenylene oxide) polymer has a poly (phenylene oxide) repeating unit as a backbone, at least one conductive functional group (preferably an anion-exchange functional group) in its side chain, Having a long alkyl group and having the structure of the repeating unit defined in the above formula (I), and having excellent chemical and thermal stability.

특히 상기 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자는, 상기 화학식 Ⅰ에서 R1은 직쇄 또는 분지형 탄소수 6 내지 20의 알킬기 중에서 선택되는 어느 하나이고, R3은 -(R10)N+(R11R12R13)의 4급 암모늄기인 것이 바람직한데, 이는 폴리(페닐렌 옥사이드)에 기초한 폴리머에 긴 알킬기 사슬로 이루어진 코움 구조가 친수성 부분(음이온 교환기)이 아닌, 음이온 교환기가 없는 소수성 부분에 도입된 것이다. 이의 고분자 형태와 특성을 비롯하여 음이온 교환막에 대한 특성들을 광범위하게 조사한 결과로부터 상기 코움 구조의 긴 알킬기가 친수성 부분(음이온 교환기)에 도입되거나, 긴 알킬기없이 음이온 교환기만 도입된 경우, IEC는 증가할지 모르나 고온에서 알칼리 안정성 및 기계적 안전성과 수산화이온 전도도 특성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.In particular, the poly (phenylene oxide) polymer is one which in the formula Ⅰ R 1 is selected from the group of straight-chain or branched having 6 to 20 carbon atoms and, R 3 is - (R 10) N + ( R 11 R 12 R 13 ), which is a quaternary ammonium group introduced into the polymer based on poly (phenylene oxide), in which the complex structure of a long alkyl chain is not a hydrophilic part (anion exchanger) but a hydrophobic part without anion exchanger . From extensive studies of the properties of anion-exchange membranes, including their polymer forms and properties, IEC may increase if long alkyl groups of the comb structure are introduced into the hydrophilic moiety (anion exchanger) or only anion exchangers are introduced without long alkyl groups There may arise a problem that alkali stability and mechanical safety and hydroxide ion conductivity property are lowered at high temperature.

상기 화학식 Ⅰ로 표시되는 반복단위를 갖는 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자는 10,000 내지 1000,000의 수평균 분자량(Mn) 또는 10,000 내지 10,000,000의 중량평균 분자량(MW)을 갖는 것일 수 있다. 상기 수평균 분자량 혹은 중량평균분자량이 10,000 미만일 경우, 제조된 음이온 교환막이 끈적이기 쉬우며, 수평균 분자량 혹은 중량 평균 분자량이 각각 1,000,000 혹은 10,000,000을 초과할 경우 용매 내에서 상기 고분자의 용해성이 감소하게 된다. 경우에 따라서는 상기 고분자를 제막하여 형성된 음이온 교환막의 유리전이온도가 감소하거나, 용매 내에서 용해성이 약화되는 문제가 발생할 수 있다.
The poly (phenylene oxide) polymer having the repeating unit represented by the formula (I) may have a number average molecular weight (M n ) of 10,000 to 1,000,000 or a weight average molecular weight (M w ) of 10,000 to 10,000,000. When the number average molecular weight or the weight average molecular weight is less than 10,000, the prepared anion exchange membrane tends to become sticky, and when the number average molecular weight or the weight average molecular weight exceeds 1,000,000 or 10,000,000, the solubility of the polymer decreases in the solvent . In some cases, the anion exchange membrane formed by forming the polymer may have a problem that the glass transition temperature of the anion exchange membrane is reduced or the solubility in the solvent is weakened.

구체적으로 상기 화학식 Ⅰ로 표시되는 반복단위를 갖는 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자는 상기 화학식 Ⅰ에서, R1은 직쇄형 탄소수 10 내지 15의 알킬기 중에서 선택되는 어느 하나이고, 상기 R2, R4, R5, R6, R7, R8, R9는 서로 동일하며, 직쇄형 탄소수 1 내지 4의 알킬기 중에서 선택되는 어느 하나인 것이 보다 바람직하고, 나아가 상기 화학식 Ⅰ에서, 상기 R5는 수소이고, 상기 R10, R11, R12, R13은 직쇄형 탄소수 1 내지 4의 알킬기인 것이 보다 더 바람직하다.Specifically, poly (phenylene oxide) having a repeating unit represented by the formula Ⅰ polymer in Formula Ⅰ, R 1 is any one selected from straight-chain alkyl group having a carbon number of 10 to 15, wherein R 2, R 4, R 5 , R 6 , R 7 , R 8 , and R 9 are the same as each other and are more preferably selected from straight chain alkyl groups having 1 to 4 carbon atoms. Further, in Formula I, R 5 is hydrogen , And more preferably R 10 , R 11, R 12 and R 13 are straight-chain alkyl groups having 1 to 4 carbon atoms.

본 발명의 연료전지용 음이온 교환막에서 상기 화학식 Ⅰ로 표시되는 반복단위를 갖는 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자는 보다 향상된 수산화이온 전도도, 함수율 및 알칼리 안정성과 더불어 안정된 기계적 물성을 갖도록 하기 위해서, 상기 화학식 Ⅰ에서, 상기 x는 0.03 내지 0.11이고, y는 0.3 내지 0.4인 것을 사용함으로써, 측쇄에 결합한 적정량의 비율로 긴 알킬기가 도입되어 고분자 주쇄 간의 상호작용을 약하게 만들어 추가적인 자유부피(free-volume)을 가지게 되므로, 상대적으로 수분을 더 많이 함유할 수 있도록 할 뿐만 아니라, 고온과 저온에서 우수한 수산화이온 전도도를 얻을 수 있으며, 증가된 함수율에 반해 치수 변화가 낮고, 알칼리 안정성이 현저히 개선된 것을 알 수 있다. 가장 바람직하게는 x는 0.11이고, y는 0.37일 경우, IEC의 증가없이, 음이온 교환기가 도입된 종래 폴리(에틸렌 옥사이드) 고분자 보다 수산화이온 전도도, 함수율 및 알칼리 안정성을 유의미한 범위 이상으로 향상시킬 수 있기 때문이다.In the anion exchange membrane for a fuel cell of the present invention, the poly (phenylene oxide) polymer having a repeating unit represented by the above-mentioned formula (I) is preferably a polymer having a repeating unit represented by the general formula (I) in order to have a more stable hydroxyl ion conductivity, a water content and an alkali stability, , X is from 0.03 to 0.11, and y is from 0.3 to 0.4, the long alkyl group is introduced at a ratio of the proper amount bound to the side chain to weaken the interaction between the main chains of the polymer to have an additional free volume , It can be seen that not only is it possible to contain a relatively large amount of water but also excellent hydroxide ion conductivity can be obtained at a high temperature and a low temperature, the dimensional change is lower than the increased water content, and the alkali stability is remarkably improved. Most preferably, x is 0.11 and y is 0.37, the hydroxide ion conductivity, water content and alkali stability can be improved beyond a significant range over conventional poly (ethylene oxide) polymers introduced with anion exchangers without an increase in IEC Because.

본 발명의 상기 화학식 Ⅰ로 표시되는 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자는, 고분자 골격을 가교시킴으로써, 기계적 물성의 향상 및 화학적 안정성을 도모하여 연료전지의 음이온 교환막에 사용할 수 있고, 이의 두께는 40 내지 50 ㎛인 것이 보다 바람직하다.The poly (phenylene oxide) polymer represented by the formula (I) of the present invention can be used for an anion exchange membrane of a fuel cell by improving the mechanical properties and chemical stability by crosslinking the polymer skeleton, and its thickness is 40 to 50 Mu m.

그러므로 본 발명에서는 상기 화학식 Ⅰ로 표시되는 반복단위를 갖는 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자(이때, n은 0.03~0.11, m은 0.37, z는 0.52~0.6)로 얻어지는 연료전지용 음이온 교환막의 두께가 40 내지 50 ㎛로 매우 얇은 것을 사용함으로써, 연료전지 적용시 최적으로 음이온 교환막이 형성될 수 있으므로, 구조 안정성이 매우 높아지기 때문에 보다 더 바람직하다 할 것이다. 이때, 상기 음이온 교환막의 두께가 40 ㎛ 미만이면 높은 작동압력에 견디기 어렵고, 그 두께가 50 ㎛를 초과하면 수산화 이온 전달에 대한 저항성에 문제가 생길 수 있다. 나아가 고분자 사슬 간에 밀집되는 정도를 조절함과 동시에 이온 교환 용량을 최대한 확보할 수 있으므로, 화학적·열적 안정성이 우수한 특성에 더하여 연료전지용 음이온 교환막에 적용할 수 있는 것이다.Therefore, in the present invention, the thickness of the anion exchange membrane for fuel cells obtained from the poly (phenylene oxide) polymer having the repeating unit represented by the above formula (I), wherein n is 0.03 to 0.11, m is 0.37 and z is 0.52 to 0.6, To 50 mu m, it is more preferable because an anion exchange membrane can be optimally formed at the time of application of a fuel cell, and the structural stability becomes very high. At this time, if the thickness of the anion exchange membrane is less than 40 탆, it is difficult to withstand a high operating pressure, and if the thickness exceeds 50 탆, resistance to hydroxide ion transfer may be problematic. Furthermore, since the degree of condensation between polymer chains can be controlled and the ion exchange capacity can be maximized, it can be applied to anion exchange membranes for fuel cells in addition to excellent chemical and thermal stability.

따라서 상술한 구성요소의 조합으로 제조된 상기 연료전지용 음이온 교환막은, 종래 음이온 교환기만 도입된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자보다, 하기 식 1에 의해 계산되는 이온 교환 용량이 0.28 meg/g 더 낮음에도 불구하고, 함수율은 10~12% 더 높고, 수산화이온 전도드는 8~17 mS/㎝ 더 높은 39~110 mS/㎝인 것을 특징으로 하며, 나아가 알칼리 화합물에 대한 화학적·열적 안정성이 우수하고, 음이온 교환 성능이 뛰어날 뿐만 아니라, 특히 간단하고 친환경적인 열처리 공정에 의하여 저비용, 고효율로 박막의 형성이 가능하다는 장점을 갖는다. 이러한 특성들을 동시에 만족하기 위해서는 앞서 서술한 조건을 모두 갖는 것이 가장 바람직하다.Therefore, the anion exchange membrane for a fuel cell manufactured by the combination of the above-described components has an ion exchange capacity of 0.28 meg / g lower than that of the conventional poly (phenylene oxide) polymer introduced only with an anion exchanger, However, it is characterized by a water content of 10 to 12% higher and a hydroxyl ion conductivity of 8 to 17 mS / cm and a higher 39 to 110 mS / cm. Further, it has excellent chemical and thermal stability against alkali compounds, Not only the exchange performance is excellent but also it is possible to form a thin film with low cost and high efficiency by a particularly simple and environmentally friendly heat treatment process. In order to simultaneously satisfy these characteristics, it is most preferable to have all of the conditions described above.

[식 1][Formula 1]

Figure pat00005
Figure pat00005

상기 식에서, 상기 V 0 NaOHV x NaOH는 각각의 박막 혹은 박막이 존재하지 않는 조건에서 적정시 소비된 NaOH의 부피이고, C NaOH는 표준 옥살릭 산 용액에 의해 적정된 NaOH의 몰 농도이며, W dry는 건조된 박막의 무게이다. 구체적인 내용은 후술하는 실험예(도 4 및 표 1)에 서술되어 있으므로, 생략하기로 한다.Wherein V 0 NaOH and V x NaOH are the volumes of NaOH consumed in the titration under the absence of each thin film or thin film, C NaOH is the molar concentration of NaOH titrated by standard oxalic acid solution, W dry is the weight of the dried film. The concrete contents are described in an experimental example (FIG. 4 and Table 1) to be described later, and will not be described.

다시 말해 본 발명에 따른 음이온 교환막은, 전도도 및 함수율을 증가시키기 위해 IEC를 증가시키거나 알킬기를 전도기에 도입하여 모폴로지를 개선하는 것이 대부분인데 반해, 본 발명은 이와는 전혀 다르게 긴 알킬사슬로 이루어진 코움구조를 암모늄 등의 이온 전도기를 갖는 친수성 영역이 아니라, 전도기가 없는 소수성 영역에 도입함으로써, IEC의 증가없이 함수율 및 전도도, 알칼리 안정성만을 개선하였으며, 이를 통해 IEC 증가에 의한 부정적인 효과 혹은 부작용의 발생을 현저히 감소시켰다.
In other words, the anion exchange membrane according to the present invention increases the IEC or the alkyl group to improve the morphology by increasing the IEC or the water content in order to increase the conductivity and the moisture content. On the other hand, Was introduced into a hydrophobic region having no conductive group and not a hydrophilic region having an ionic conductor such as ammonium to improve water content, conductivity and alkali stability without increasing IEC, thereby remarkably reducing the occurrence of negative effects or side effects Respectively.

또한, 본 발명은 상기 화학식 Ⅰ로 표시되는 반복단위를 갖는 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자의 구조는, 폴리(페닐렌 옥사이드)의 주쇄 내에 friedel-crafts 아크릴화로 탄소수 6 이상(바람직하게 탄소수 12)의 알킬 곁사슬을 도입함으로써, 선택적으로 벤질 위치가 아크릴기로 치환된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 얻고, 트리에틸실란과 트리플루오로아세트산을 사용하여 케톤기를 수소로 환원한 다음, 음이온 교환기를 도입하기 위하여 촉매(ZnCl2)와 단량체(CMME)를 첨가하여 클로로메틸화 시킴으로써, 다른 벤질 위치에 선택적으로 클로로메틸기를 도입하였고, 여기에 음이온 교환기를 갖는 화합물과 반응시킴으로써, 제조되는 것을 기본으로 한다. In the present invention, the structure of the poly (phenylene oxide) polymer having the repeating unit represented by the above-mentioned formula (I) is preferably a poly (phenylene oxide) polymer having a carbon number of 6 or more By introducing an alkyl side chain, a poly (phenylene oxide) polymer in which the benzyl position is substituted with an acrylic group is obtained, the ketone group is reduced to hydrogen by using triethylsilane and trifluoroacetic acid, and then anion exchanger is introduced Is prepared by adding a catalyst (ZnCl 2 ) and a monomer (CMME) to chloromethylation to selectively introduce a chloromethyl group into another benzyl group and reacting with a compound having an anion-exchange group.

또한, 폴리(에틸렌 옥사이드) 고분자의 벤질 위치가 아크릴기로 치환됨으로써, 합성된 아크릴화된 폴리(에틸렌 옥사이드) 중간체를 형성하고, 환원한 다음, 이를 다시 클로로메틸화한 후, 음이온 교환기를 갖는 화합물을 첨가하여 반응시킴으로써 합성되는 것인바, 본 발명에서는 하기와 같은 단계를 포함하는 연료전지용 음이온 교환막의 제조방법을 제공한다.In addition, the benzyl position of the poly (ethylene oxide) polymer is replaced by an acrylic group to form the synthesized acrylated poly (ethylene oxide) intermediate, followed by reduction, chloromethylation, and then adding a compound having an anion- The present invention provides a process for producing an anion exchange membrane for a fuel cell comprising the following steps.

Ⅰ) 하기 화학식 Ⅱ로 표시되는 반복단위를 갖는 클로로메틸화된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 유기용매에 녹인 고분자 용액에 음이온 교환기를 갖는 화합물을 첨가하고 반응시켜 상기 화학식 Ⅰ로 표시되는 반복단위를 갖는 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 얻는 단계; 및 (I) A polymer having a repeating unit represented by the following formula (II), in which a chloromethylated poly (phenylene oxide) polymer is dissolved in an organic solvent, is added to a polymer solution having a repeating unit represented by the formula Obtaining a poly (phenylene oxide) polymer; And

Ⅱ) 상기 Ⅰ) 단계에서 얻은 화학식 Ⅰ로 표시되는 반복단위를 갖는 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자 박막을 형성하는 단계;를 포함한다.(II) forming a poly (phenylene oxide) polymer thin film having a repeating unit represented by the formula (I) obtained in the step (I).

본 발명에 따른 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자는 통상 알카리성(높은 pH) 조건에서의 낮은 안정성 때문에 음이온 교환막 알칼리성 연료 전지(AEMFC)에서 실제적인 사용은 제한되며, 또한 물에서 H+의 이동도에 비해 OH-이온의 낮은 전기화학적 이동도 때문에 높은 OH-이온 전도도를 달성할 수 없다는 단점을 가지고 있었다. 종래에는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 단순히 음이온 교환기를 도입하거나, 음이온 교환기에 친수성 작용기를 치환하는 등, IEC를 개선하기 위한 방향만을 제안해왔다. 상술한 바와 같이 IEC를 향상시킬 경우 이온전도도가 개선되긴 하지만, 막의 물성이 연료전지 구동에 악영향을 줄 정도로 현저히 나빠지거나 막의 형태를 유지할 수 없게 될 뿐만 아니라, 고온에서 사용이 제한적이라는 등의 문제가 발생하였다.The poly (phenylene oxide) polymer according to the present invention is generally limited in its practical use in an anion-exchange membrane alkaline fuel cell (AEMFC) due to its low stability under alkaline (high pH) conditions, - ion conductivity can not be achieved due to the low electrochemical mobility of - ions. In order to overcome such a problem, conventionally, only a direction for improving IEC has been proposed, such as introduction of an anion exchanger or substitution of a hydrophilic functional group in an anion exchanger. As described above, although the ionic conductivity is improved when the IEC is improved, the physical properties of the membrane are considerably deteriorated to adversely affect fuel cell driving, the membrane can not be maintained in shape, and the use thereof is limited at high temperatures Respectively.

따라서 본 발명에서는 종래 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자가 가지고 있던 문제점을 해결함과 동시에 IEC 증가없이 함수율, 수산화이온 전도도 및 알칼리 안정을 동시에 가지는, 음이온 교환막으로 활용할 수 있는 폴리(페닐렌 옥사이드) 기반 고분자를 제조하고자 한다.Accordingly, the present invention provides a poly (phenylene oxide) -based polymer which can solve the problems of conventional poly (phenylene oxide) polymers and can be used as an anion exchange membrane having water content, hydroxide ion conductivity and alkali stability simultaneously without increasing IEC .

우선, Ⅰ) 하기 화학식 Ⅱ로 표시되는 반복단위를 갖는 클로로메틸화된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 유기용매에 녹인 고분자 용액에 음이온 교환기를 갖는 화합물을 첨가하고 반응시켜 상기 화학식 Ⅰ로 표시되는 반복단위를 갖는 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 얻는다.First, a compound having an anion-exchange group is added to a polymer solution obtained by dissolving a chloromethylated poly (phenylene oxide) polymer having a repeating unit represented by the following formula (II) in an organic solvent and reacted to obtain a polymer having a repeating unit To obtain a poly (phenylene oxide) polymer.

<화학식 Ⅱ>&Lt; Formula (II)

Figure pat00006
Figure pat00006

(상기 화학식 Ⅱ에서 R1, R2, R4, R5, R6, R7, R8, R9 및 x, y, z는 상기 화학식 Ⅰ에서 정의한 바와 같고, 상기 화학식 Ⅱ에서 X는 단일결합이거나, (CH2)q (1≤q≤4)이다.)(Wherein R &lt; 1 &gt; R 2, R 4, R 5 , R 6, R 7, R 8, R 9 and x, y, z have the same meanings as defined in formula Ⅰ, in Formula Ⅱ X is a single bond, (CH 2) q (1? Q? 4).

상기 음이온 교환기를 갖는 화합물은 4급 암모늄quaternary ammonium)을 사용하였고, 상기 화학식 Ⅱ로 표시되는 반복단위를 갖는 클로로메틸화된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자와 음이온 교환기를 갖는 화합물의 혼합 중량비는 1 : 0.1 내지 1인 것이 바람직하다.The compound having the anion-exchange group was quaternary ammonium, and the mixing weight ratio of the chloromethylated poly (phenylene oxide) polymer having the repeating unit represented by the formula (II) to the compound having an anion-exchange group was 1: 0.1 1 &lt; / RTI &gt;

상기 Ⅰ) 단계는 10 내지 100 ℃에서 10 내지 50 시간 동안 교반하면서 수행되는 것일 수 있다.The step (I) may be carried out with stirring at 10 to 100 ° C for 10 to 50 hours.

이어서, Ⅱ) 상기 Ⅰ) 단계에서 얻은 화학식 Ⅰ로 표시되는 반복단위를 갖는 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자 박막을 형성함으로써, 본 발명의 목적물인 연료전지용 음이온 교환막을 제조한다.Subsequently, an anion exchange membrane for a fuel cell, which is an object of the present invention, is prepared by forming a poly (phenylene oxide) polymer thin film having a repeating unit represented by the formula (I) obtained in step (II).

이때, 상기 Ⅱ) 단계는 상기 화학식 Ⅰ로 표시되는 반복단위를 갖는 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 N-메틸피롤리돈(NMP)과 같은 용매를 사용하여 50~70 ℃에서 10~30 시간동안 1차 열처리하고, 60~100 ℃에서 1~5 시간동안 2차 열처리함으로써 박막을 형성한다.In this case, the step (II) may be carried out by reacting a poly (phenylene oxide) polymer having a repeating unit represented by the formula (I) with a solvent such as N-methylpyrrolidone (NMP) at 50 to 70 ° C for 10 to 30 hours Followed by a primary heat treatment and a secondary heat treatment at 60 to 100 ° C for 1 to 5 hours to form a thin film.

상기 본 발명에 따른 제법은 일반적으로 통용되는 비용매 유도 상분리법(non-solvent induced phase separation, NIPS) 또는 열 유도 상분리법(thermally induced phase separation, TIPS)에 비하여 사용되는 고분자의 양이 적고, 제막공정 자체가 간단하면서도 짧기 때문에 그 제조단가에 있어서도 장점이 있다.
The method according to the present invention can reduce the amount of polymer used in comparison with a commonly used non-solvent induced phase separation (NIPS) or thermally induced phase separation (TIPS) Because the process itself is simple and short, it has advantages in its manufacturing cost.

상기 화학식 Ⅱ로 표시되는 반복단위를 갖는 클로로메틸화된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자는 하기 단계를 통해 제조된 것일 수 있다.The chloromethylated poly (phenylene oxide) polymer having the repeating unit represented by the above formula (II) may be prepared by the following steps.

a) 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 알루미늄 클로라이드와 라우릴로 클로라이드와 반응시켜 아크릴화된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 합성하는 단계;a) synthesizing an acrylated poly (phenylene oxide) polymer by reacting a poly (phenylene oxide) polymer with aluminum chloride and lauryl chloride;

b) 상기 a) 단계의 아크릴화된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 환원시켜, 하기 화학식 Ⅲ으로 표시되는 반복단위를 갖는, 환원된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 합성하는 단계; 및b) reducing the acrylated poly (phenylene oxide) polymer of step a) to obtain a reduced poly (phenylene oxide) polymer having a repeating unit represented by the following formula (III); And

c) 상기 b) 단계의 환원된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 징크 클로라이드와 클로로메틸메틸에테르와 반응시키는 단계;c) reacting the reduced poly (phenylene oxide) polymer of step b) with zinc chloride and chloromethyl methyl ether;

<화학식 Ⅲ>&Lt; Formula (III)

Figure pat00007
Figure pat00007

(상기 화학식 Ⅲ에서 R14는 직쇄 또는 분지형 탄소수 6 내지 20의 알킬기 중에서 선택되는 어느 하나이고,(In the above formula (III), R 14 is any one selected from a linear or branched alkyl group having 6 to 20 carbon atoms,

상기 R15, R16, R17, R18, R19는 서로 동일하거나 각각 독립적으로, 수소, 직쇄 또는 분지형 탄소수 1 내지 6의 알킬기 중에서 선택되는 어느 하나이며,remind R 15 , R 16, R 17 , R 18 , and R 19 are the same or different from each other and selected from the group consisting of hydrogen, a linear or branched alkyl group having 1 to 6 carbon atoms,

상기 o, p는 각각 임의의 반복단위이고, o, p는 각각 반복단위 내 몰분율로서 0.0≤o≤0.9, 0.1≤p≤0.9, o+p=1 이다.)O and p are arbitrary repeating units, and o and p are mole fractions in the repeating unit, respectively, 0.0? O? 0.9, 0.1? P? 0.9, o + p = 1.

즉, 상기 화학식 Ⅱ로 표시되는 반복단위를 갖는 클로로메틸화된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 제조하기 위하여, 가장 먼저 a) 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 알루미늄 클로라이드와 라우릴로 클로라이드와 반응시켜 아크릴화된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 합성한다.That is, in order to prepare a chloromethylated poly (phenylene oxide) polymer having a repeating unit represented by the above-mentioned formula (II), a) a poly (phenylene oxide) polymer is reacted with aluminum chloride and lauryl chloride to prepare an acrylated Thereby synthesizing a poly (phenylene oxide) polymer.

이때, 상기 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자, 알루미늄 클로라이드 및 라우릴로 클로라이드는 몰비가 5~10 : 1 : 1로 혼합된 것일 수 있고, 바람직하게는 8~9 : 1 : 1일 수 있다. 상술한 몰비로 혼합되고, 반응되어 제조된 아크릴화된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자는 아크릴화 비율이 1 내지 15%가 된다.At this time, the poly (phenylene oxide) polymer, aluminum chloride and lauryl chloride may be mixed in a molar ratio of 5 to 10: 1: 1, preferably 8: 9: 1: 1. The acrylated poly (phenylene oxide) polymer prepared by mixing and reacting at the above-mentioned molar ratio has an acrylation ratio of 1 to 15%.

상기 a) 단계는 상온에서 1 내지 10 시간동안 교반하여 수행될 수 있다.The step a) may be carried out by stirring at room temperature for 1 to 10 hours.

이후, b) 상기 a) 단계의 아크릴화된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 환원시켜, 상기 화학식 Ⅲ으로 표시되는 반복단위를 갖는, 환원된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 합성한다.Thereafter, b) the acrylated poly (phenylene oxide) polymer of step a) is reduced to synthesize a reduced poly (phenylene oxide) polymer having the repeating unit represented by the above formula (III).

이때, 상기 아크릴화된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자에 트리에틸실란 및 트리플루오로아세트산을 첨가하여 수행되며, 상기 단계는 50 내지 150 ℃에서 10 내지 40 시간동안 수행되는 것이 바람직하다.At this time, triethylsilane and trifluoroacetic acid are added to the acrylated poly (phenylene oxide) polymer, and the step is preferably performed at 50 to 150 ° C for 10 to 40 hours.

상기 b) 단계와 c) 단계 사이에, 상기 b) 단계로부터 얻어진 반응액을 KOH 용액을 이용하여 중성 pH가 될 때까지 적정하는 과정이 더 포함될 수 있다.Between the step b) and the step c), the reaction solution obtained from the step b) may be titrated to a neutral pH using a KOH solution.

최종적으로 c) 상기 b) 단계의 환원된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 징크 클로라이드와 클로로메틸메틸에테르와 반응시킴으로써, 상기 화학식 Ⅱ로 표시되는 반복단위를 갖는 클로로메틸화된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 제조한다.C) reacting the reduced poly (phenylene oxide) polymer of step b) with zinc chloride and chloromethyl methyl ether to obtain a chloromethylated poly (phenylene oxide) polymer having a repeating unit represented by the above formula (II) .

이때, b) 단계의 환원된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자, 징크 클로라이드, 클로로메틸메틸에테르의 혼합 중량비는 0.5~1.5 : 0.05 : 0.75인 것이 바람직하다. 왜냐하면 상술한 중량비로 혼합되고, 반응되어 제조될 경우, 상기 화학식 Ⅱ로 표시되는 반복단위를 갖는 클로로메틸화된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자의 클로로메틸화 비율이 10 내지 50%가 된다.The mixing weight ratio of the reduced poly (phenylene oxide) polymer, zinc chloride, and chloromethyl methyl ether in step b) is preferably 0.5 to 1.5: 0.05: 0.75. If the chloromethylated poly (phenylene oxide) polymer having the repeating unit represented by the above-mentioned formula (II) has a chloromethylation ratio of 10 to 50% when mixed and reacted at the above-mentioned weight ratio and is produced.

상기 화학식 Ⅰ로 표시되는 반복단위를 갖는 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자는 상술한 일련의 과정에 따르며, 그 구체적인 합성방법 및 분석결과는 후술하는 실시예에 자세히 개시되어 있으므로 생략한다.
The poly (phenylene oxide) polymer having the repeating unit represented by the above-mentioned formula (I) is subjected to the above-mentioned series of processes, and its detailed synthesis method and analysis result are described in detail in the following embodiments.

이하에서는 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면과 함께 구체적으로 설명한다.
Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명에 따른 합성예 및 실시예에서 사용된 물질들은 다음과 같다.The materials used in the synthesis examples and examples according to the present invention are as follows.

21,000 g/㏖의 분자량을 갖는 폴리(2,6-디메틸-1,4-페닐렌 옥사이드)(poly(2,6-dimethyl-1,4-pheylene oxide;PPO)와 PDI 2.37, 징크 클로라이드(zinc chloride;ZnCl2, 98%), 라우로릴 클로라이드(lauroyl chloride, >98%), 트리플루오로아세트산(Trifluoroacetic acid, >99%), 트리에틸실란(triethylsilane, >98%)은 TCI로부터 구입하여 사용하였다.(2,6-dimethyl-1,4-phenylene oxide) having a molecular weight of 21,000 g / mol and PDI 2.37, zinc chloride; ZnCl 2, 98%), Lau reel lauroyl chloride, hydrochloride (in> 98%), acetic acid (trifluoroacetic acid trifluoroacetate,> 99%), triethylsilane (triethylsilane,> 98%) was purchased from TCI Respectively.

클로로메틸메틸에테르(Chloromethyl methyl ether)(CMME, technical grade), 6-브로모헥사노일 클로라이드(6-bromohexanoyl chloride, 97%), 알루미늄 클로라이드(aluminum chloride, 99.99%), 클로로벤젠(chlorobenzene, 99.5%), 1,2-디클로로에탄(1,2-dichloroethane)(DCE, anhydrous), 트리메틸아민(trimethyl amine;NMP, 99%)는 시그마 알드리치(sigma-Aldrich)로부터 구입하여 사용하였다. N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone;NMP, 99%)는 Daejung으로부터 구입하여 사용하였다. 모든 화합물은, 특별한 언급이 없는 이상, 일반적으로 판매되고 있는 것(commercial sources)을 사용하였다. 모든 실험은 증류수를 사용하여 수행하였다.
Chromomethyl methyl ether (CMME, technical grade), 6-bromohexanoyl chloride (97%), aluminum chloride (99.99%), chlorobenzene (99.5% 1,2-dichloroethane (DCE, anhydrous), and trimethylamine (NMP, 99%) were purchased from Sigma-Aldrich. N-methyl-2-pyrrolidone (NMP, 99%) was purchased from Daejung and used. All compounds used commercially available sources unless otherwise noted. All experiments were carried out using distilled water.

[합성예 1 내지 3] 폴리(2,6-디메틸-1,4-페닐렌 옥사이드(poly(2,6-dimethyl-1,4-phenylene oxide)의 아크릴화(acylation)(acyl-PPO:화학식 2)[Synthesis Examples 1 to 3] Acylation of poly (2,6-dimethyl-1,4-phenylene oxide) (acyl-PPO: )

<반응식 1><Reaction Scheme 1>

Figure pat00008
Figure pat00008

폴리(2,6-디메틸-1,4-페닐렌) 옥사이드(이하, PPO라고도 한다)를 탄소수 11의 알크릴기로 아크릴화하는 과정은 다음과 같다. 우선 자석 교반기(magnetic stirrer), 응축기(condenser) 및 질소 주입구(nitrogen inlet)가 구비되어 있는 500 ㎖ 2구 플라스크를 준비하였다. 상기 준비된 플라스크에 1,2 디클로로에탄(1,2 dichloroethane) 100 ㎖에 용해된 PPO(폴리(2,6-디메틸-1,4-페닐렌) 옥사이드) 6.0 g(50 mmol)을 투여하여 40 ℃에서 완전히 용해시킨 후, 상온에서 식혀주었다. 다음 알루미늄 클로라이드(AlCl3)(0.80 g, 6 m㏖)와 라우릴로 클로라이드(1.31 g, 6 m㏖)을 첨가하여 혼합액을 제조하였다. 상기 혼합액을 상온에서 4 시간동안 교반하여 반응시킨 후, 메탄올(1000 ㎖)을 가해 침전시켰다. 상기 침전물을 세 차례 세척하고 여과하여 부산물을 제거한 다음 24 시간동안 진공하에서 80℃로 건조하는 일련의 과정을 거쳐 하얀색 고체 섬유(white fiber)의 화학식 2로 표시되는 아크릴화된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 합성 및 회수하였다(수득율: 90%). 또한 합성예 1, 2, 3의 아크릴화된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자의 아크릴화비율은 순서대로 각각 3%, 7%, 11%이였고, 이를 acyl-PPO라 명명하였다.The process for acrylating poly (2,6-dimethyl-1,4-phenylene) oxide (hereinafter also referred to as PPO) with an alkenyl group having 11 carbon atoms is as follows. First, a 500 ml two-necked flask equipped with a magnetic stirrer, a condenser and a nitrogen inlet was prepared. The prepared flask was charged with 6.0 g (50 mmol) of PPO (poly (2,6-dimethyl-1,4-phenylene) oxide) dissolved in 100 ml of 1,2 dichloroethane, And then cooled at room temperature. And then the mixed solution was prepared by addition of aluminum chloride (AlCl 3) (0.80 g, 6 m㏖) and Lau reel chloride (1.31 g, 6 m㏖). The mixture was stirred at room temperature for 4 hours to react, and methanol (1000 ml) was added to precipitate. The precipitate was washed three times and filtered to remove byproducts and then dried at 80 DEG C under vacuum for 24 hours to obtain an acrylic poly (phenylene oxide) polymer represented by Formula 2 of white solid fiber Were synthesized and recovered (yield: 90%). In addition, the acrylation rates of the acrylated poly (phenylene oxide) polymers of Synthesis Examples 1, 2 and 3 were 3%, 7%, and 11%, respectively, and they were named acyl-PPO.

<화학식 2>(2)

Figure pat00009
Figure pat00009

(이때, 합성예 1로부터 제조된 상기 화학식 2는 n=0.03, m=0.97, 합성예 2로부터 제조된 상기 화학식 2는 n=0.07, m=0.93, 합성예 3으로부터 제조된 상기 화학식 3은 n=0.11, m=0.89)(Wherein n = 0.03, m = 0.97, n = 0.07, m = 0.93 in the above formula 2 and n = 3 in the above formula 3 prepared in Synthesis Example 3, = 0.11, m = 0.89)

상기 합성예 1 내지 3으로부터 화학식 2로 표시되는 아크릴화 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자가 합성되었음을 다음과 같이 1H-NMR 데이터로 확인하였다. It was confirmed by 1 H-NMR data that the acrylated poly (phenylene oxide) polymer represented by Formula 2 was synthesized from Synthesis Examples 1 to 3 as follows.

δ H (400 MHz, CDCl3)6.50-6.32(18H, br signal, ArH 1 ), 6.04-5.96 (1H, br signal ArH 2 ), 2.95-2.82 (2H, br signal, Ar-COH ­ -CH 2 ), 2.24-1.89 (58H, br signal, ArCH 3 ), 1.75-1.60 (3H, br signal, Ar-CH2-CH 2 ), 1.40-1.09 (15H, br signal, CH2-CH 2 -CH2),0.90-0.72(3H,brsignal,CH2-CH 3 )
δ H (400 MHz, CDCl 3 ) 6.50-6.32 (18H, br signal, Ar H 1 ), 6.04-5.96 (1H, br signal Ar H 2 ), 2.95-2.82 ­ - C H 2), 2.24-1.89 ( 58H, br signal, ArC H 3), 1.75-1.60 (3H, br signal, Ar-CH 2 -C H 2), 1.40-1.09 (15H, br signal, CH 2 - CH 2 --CH 2 ), 0.90-0.72 (3H, brsignal, CH 2 - CH 3 )

[합성예 4 내지 6] 아크릴화 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자의 환원(Racyl-PPO)[Synthesis Examples 4 to 6] Reduction of an acrylated poly (phenylene oxide) polymer (Racyl-PPO)

<반응식 2><Reaction Scheme 2>

Figure pat00010
Figure pat00010

Racyl-PPO를 제조하기 위한 과정은 다음과 같다. 합성예 1 내지 3으로부터 제조된 Acyl-PPO(DS=3%, 7%, 11%)(5 g)을 200 ㎖의 1,2-디클로로에탄(DCE)에 용해시켰다. 여기에 트리플루오로아세트산(TFA) 150 ㎖, 트리에틸실란 18 ㎖를 첨가하고, 100 ℃에서 24 시간 가열ㅇ교반하여 반응시켰다. 반응이 완료된 상기 반응액을 1M KOH 용액으로 중성 pH가 될 때까지 적정하였고, 메탄올(1000 ㎖)을 가해 침전시켰다. 상기 침전물을 세 차례 세척하고 여과하여 부산물을 제거한 다음 24 시간동안 진공하에서 80 ℃로 건조하는 일련의 과정을 거쳐 하얀색 고체 섬유(white fiber)의 화학식 3로 표시되는 환원된 아크릴기가 도입된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 합성 및 회수하였다(수득율: 82%, 환원율은 87%). 이를 Racyl-PPO라 명명하였다.The procedure for preparing Racyl-PPO is as follows. Acyl-PPO (DS = 3%, 7%, 11%) (5 g) prepared from Synthesis Examples 1 to 3 was dissolved in 200 ml of 1,2-dichloroethane (DCE). Thereto, 150 ml of trifluoroacetic acid (TFA) and 18 ml of triethylsilane were added, and the mixture was stirred at 100 캜 for 24 hours with stirring. After completion of the reaction, the reaction solution was titrated with 1 M KOH solution until neutral pH was reached, and methanol (1000 ml) was added to precipitate. The precipitate was washed three times, filtered to remove by-products, and then dried in vacuo at 80 캜 for 24 hours to obtain a white fiber of poly (phenyl (Yield: 82%, reduction ratio: 87%) was synthesized and recovered. This was named Racyl-PPO.

<화학식 3>(3)

Figure pat00011
Figure pat00011

(이때, 합성예 4로부터 제조된 상기 화학식 3은 n=0.03, m=0.97, 합성예 5로부터 제조된 상기 화학식 3은 n=0.07, m=0.93, 합성예 6으로부터 제조된 상기 화학식 3은 n=0.11, m=0.89)(Wherein n = 0.03, m = 0.97, n = 0.07, m = 0.93 in the above formula 3 and n = 0.93 in the above formula 3 prepared in Synthesis Example 5, = 0.11, m = 0.89)

상기 합성예 4 내지 6으로부터 화학식 3으로 표시되는 환원된 아크릴기가 도입된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자가 합성되었음을 다음과 같이 1H-NMR 데이터로 확인하였다. It was confirmed by the 1 H-NMR data that the poly (phenylene oxide) polymer having the reduced acryl group introduced thereinto synthesized from Synthesis Examples 4 to 6 was synthesized as follows.

δH(400MHz,CDCl3) 6.55-6.37 (18H, br signal, ArH 1 ), 6.03-5.96 (1H, br signal, ArH 2 ), 2.86-2.73 (2H, br signal, Ar-CH -CH2), 2.27-1.87 (57H, br signal, Ar-CH 3 ), 1.68-1.50 (3H, br signal, Ar-CH2-CH 2 ), 1.48-1.17 (15H, br signal, CH2-CH 2 -CH2),0.91-0.78(3H,brsignal,CH2-CH 3 )
δ H (400MHz, CDCl 3) 6.55-6.37 (18H, br signal, Ar H 1), 6.03-5.96 (1H, br signal, Ar H 2), 2.86-2.73 (2H, br signal, Ar-C H 2 - CH 2), 2.27-1.87 (57H , br signal, Ar-C H 3), 1.68-1.50 (3H, br signal, Ar-CH 2 -C H 2), 1.48-1.17 (15H, br signal, CH 2 - CH 2 -CH 2 ), 0.91-0.78 (3H, brsignal, CH 2 -CH 3 )

[합성예 7 내지 9] Racyl-PPO의 클로로메틸화(C[Synthesis Examples 7 to 9] Chloromethylation of Racyl-PPO (C nn YY mm PPO-Cl)PPO-Cl)

<반응식 3><Reaction Scheme 3>

Figure pat00012
Figure pat00012

CnYmPPO-Cl을 제조하기 위한 과정은 다음과 같다. 합성예 4 내지 6으로부터 제조된 Racyl-PPO(DS=3%, 7%, 11%)(3 g, 2.16 m㏖)을 45 ㎖ 클로로벤젠에 용해시켰다. 여기에 징크 클로라이드(150 ㎎, 5wt%)와 클로로메틸메틸에테르(CMME, 2.26 g)을 첨가하고, 50 ℃에서 3 시간동안 교반하여 반응시켰다. 반응이 완료된 상기 반응액을 메탄올(500 ㎖)를 가해 침전시켰다. 상기 침전물을 세 차례 세척하고 여과하여 부산물을 제거한 다음 24 시간동안 진공 하에서 80 ℃로 건조하는 일련의 과정을 거쳐 하얀색 고체 섬유(white fiber)의 화학식 4로 표시되는 클로로메틸화된 Racyl-PPO 고분자를 합성 및 회수하였다(수득율 96%, 클로로메틸화 정도(m)는 37%). 이를 CnYmPPO-Cl라고 명명하였다. 각각의 합성예로부터 제조된 고분자의 명명과 해당 화학식의 연관성을 강조하기 위하여, 각 반복단위에서의 첨자를 동일하게 적용하였고, CnYmPPO-Cl의 표기에서 n, m은 100을 기준으로 표시하였다. 구체적으로 합성예 7로부터 제조된 고분자는 C3Y37PPO-Cl라 표기하고, 합성예 8로부터 제조된 고분자는 C7Y37PPO-Cl라 표시하며 합성예 9로부터 제조된 고분자는 C11Y37PPO-Cl로 표기하였다.C n Y m The process for preparing PPO-Cl is as follows. Racyl-PPO (DS = 3%, 7%, 11%) (3 g, 2.16 mmol) prepared from Synthesis Examples 4 to 6 was dissolved in 45 ml of chlorobenzene. To this was added zinc chloride (150 mg, 5 wt%) and chloromethyl methyl ether (CMME, 2.26 g), and the mixture was reacted at 50 캜 for 3 hours with stirring. After completion of the reaction, the reaction solution was precipitated by adding methanol (500 mL). The precipitate was washed three times, filtered to remove by-products, and then dried in vacuo at 80 ° C for 24 hours to synthesize a chloromethylated Racyl-PPO polymer represented by Formula 4 of white solid fiber (Yield 96%, degree of chloromethylation (m) 37%). This was named C n Y m PPO-Cl. In order to emphasize the relationship between the names of the polymers prepared from the respective synthesis examples and the corresponding formulas, the subscripts in each repeating unit were applied equally, and in the notation of C n Y m PPO-Cl, Respectively. Specifically, the polymer prepared in Synthesis Example 7 is denoted as C 3 Y 37 PPO-Cl, the polymer prepared in Synthesis Example 8 is denoted as C 7 Y 37 PPO-Cl, and the polymer prepared in Synthesis Example 9 is denoted as C 11 Y 37 PPO-Cl. &Lt; / RTI &gt;

<화학식 4>&Lt; Formula 4 >

Figure pat00013
Figure pat00013

(이때, 합성예 7로부터 제조된 상기 화학식 4는 n=0.03, m=0.37, r=0.6, 합성예 8로부터 제조된 상기 화학식 4는 n=0.07, m=0.37, r=0.56, 합성예 9로부터 제조된 상기 화학식 4는 n=0.11, m=0.37, r=0.52)(Wherein n = 0.03, m = 0.37, r = 0.6, n = 0.07, m = 0.37, r = 0.56 in Synthetic Example 8, Synthetic Example 9 (N = 0.11, m = 0.37, r = 0.52)

상기 합성예 7 내지 9로부터 화학식 4로 표시되는 CnYmPPO-Cl 고분자가 합성되었음을 다음과 같이 1H-NMR 데이터로 확인하였다. It was confirmed by 1 H-NMR data that the C n Y m PPO-Cl polymer represented by the general formula (4) was synthesized from Synthesis Examples 7 to 9 as follows.

δH(400MHz,CDCl3), 6.67-6.37 (10H, br signal, ArH 1 ), 6.14-5.92 (5H, br signal, ArH 2 ), 6.59-6.32 (14H, br signal, ArH), 5.06-4.79 (7H, br signal, Ar-CH 2 ­­-Cl),2.99-2.68(3H,brsignal,Ar-CH -CH2),2.47-1.85(52H,brsignal,Ar-CH 3 ), 1.67-1.48 (3H, br signal, Ar-CH2-CH 2 ), 1.48-1.15 (15H, br signal, CH2-CH 2 -CH2),0.92-0.77(3H,brsignal,CH2-CH 3 )
δ H (400MHz, CDCl 3) , 6.67-6.37 (10H, br signal, Ar H 1), 6.14-5.92 (5H, br signal, Ar H 2), 6.59-6.32 (14H, br signal, Ar H), 5.06-4.79 (7H, br signal, Ar-C H 2 ­­ -Cl), 2.99-2.68 (3H, brsignal , Ar-C H 2 - CH 2), 2.47-1.85 (52H, brsignal, Ar-C H 3), 1.67-1.48 (3H, br signal, Ar-CH 2 -C H 2), 1.48-1.15 (15H , br signal, CH 2 - CH 2 -CH 2), 0.92-0.77 (3H, brsignal, CH 2 - CH 3)

[합성예 10 내지 12] 기능화된 C[Synthesis Examples 10 to 12] Synthesis of functionalized C nn YY mm PPO-Cl 고분자의 합성(CSynthesis of PPO-Cl Polymer (C nn YY mm PPO-Cl-QA)PPO-Cl-QA)

<반응식 4><Reaction Scheme 4>

Figure pat00014
Figure pat00014

기능화된 C11Y37PPO-Cl 고분자 합성은 다음 과정을 통해 수행된다. 합성예 3으로부터 제조된 C11Y37PPO-Cl(DC=37%)(3 g, 1.91 mmol)를 N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone; NMP) 15 ㎖에 용해하였다. 여기에 트리메틸아민(trimethylamine; TMA, 45 wt%)(1.97 g, 15 mmol)을 첨가하여 혼합액을 제조하였다. 상기 혼합액을 48 시간동안 40 ℃에서 교반하여 반응액을 제조하고, 여기에 에틸 아세테이트(250 ㎖)를 첨가하였다. 이렇게 얻어진 침전물을 에틸 아세테이트로 세 차례 세척하고 여과하여 부산물을 제거한 다음 24 시간동안 진공하에서 80 oC로 건조하는 일련의 과정을 거쳐 백색 고체 분말의 화학식 5로 표시되는 기능화된 C11Y37PPO-Cl 고분자를 합성 및 회수하였다(수득율: 91%). 이를 C11Y37PPO-QA라 명명하였다.Functionalized C 11 Y 37 PPO-Cl polymer synthesis is carried out through the following procedure. C 11 Y 37 PPO-Cl (DC = 37%) (3 g, 1.91 mmol) prepared in Synthetic Example 3 was dissolved in 15 ml of N-methyl-2-pyrrolidone Lt; / RTI &gt; Trimethylamine (TMA, 45 wt%) (1.97 g, 15 mmol) was added thereto to prepare a mixed solution. The mixed solution was stirred at 40 캜 for 48 hours to prepare a reaction solution, to which ethyl acetate (250 ml) was added. The resulting precipitate was washed with ethyl acetate three times, filtered to remove byproducts, and then dried in vacuo at 80 ° C for 24 hours to obtain a white solid powder of the functionalized C 11 Y 37 PPO- Cl polymer was synthesized and recovered (yield: 91%). This was named C 11 Y 37 PPO-QA.

<화학식 5>&Lt; Formula 5 >

Figure pat00015
Figure pat00015

(이때, 상기 합성예 4로부터 제조된 화학식 5는, n이 0.11, m이 0.37, r이 1-(n+m)이다)(Wherein, n is 0.11, m is 0.37, and r is 1- (n + m) in the chemical formula 5 prepared in Synthesis Example 4)

상기 합성예 4로부터 화학식 2로 표시되는 C11Y37PPO-QA 고분자가 합성되었음을 다음과 같이 1H-NMR 데이터로 확인하였다. It was confirmed by 1 H-NMR data that the C 11 Y 37 PPO-QA polymer represented by the formula (2) was synthesized as described below.

δH(400MHz,DMSO-d6),6.66-6.38 (12H, br signal, ArH 1 ), 6.34-6.11 (4H, br signal, ArH 2 ), 5.04-4.60 (7H, br signal, ArCH 2 ),3.31-3.04 (21H, br signal, NCH ­­ 3 ­­),2.38-1.75(50H,brsignal,ArCH3), 1.66-1.45 (3H, br signal, Ar-CH2 - CH 2 ), 1.40-1.08 (15H, br signal, CH2-CH 2 -CH2),0.85-0.69(3H,brsignal,CH2-CH 3 )
δ H (400MHz, DMSO-d 6), 6.66-6.38 (12H, br signal, Ar H 1), 6.34-6.11 (4H, br signal, Ar H 2), 5.04-4.60 (7H, br signal, Ar CH 2), 3.31-3.04 (21H, br signal, N CH 3 ­­ ), 2.38-1.75 (50H, brsignal, Ar CH3), 1.66-1.45 (3H, br signal, Ar-CH 2 - CH 2), 1.40-1.08 (15H, br signal, CH 2 - CH 2 -CH 2) , 0.85-0.69 (3H, brsignal, CH 2 - CH 3)

[비교예 1] 클로로메틸화된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자(C[Comparative Example 1] A chloromethylated poly (phenylene oxide) polymer (C 00 YY 3737 PPO-Cl)의 합성PPO-Cl)

<반응식 5><Reaction Scheme 5>

Figure pat00016
Figure pat00016

상기 합성예 1 내지 3의 Acyl-PPO 고분자 대신에 상기 화학식 1로 표시되는 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 사용하였다는 것을 제외하고는 상기 합성예 7과 모두 동일하게 합성하였으며, 이를 통해 클로로메틸화된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자(C0Y37PPO-Cl)를 제조하였다(긴 알킬체인이 도입되지 않은 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자).Except that the poly (phenylene oxide) polymer represented by Formula 1 was used in place of the Acyl-PPO polymer of Synthesis Examples 1 to 3, and the same procedure as in Synthesis Example 7 was carried out to obtain chloromethylated Poly (phenylene oxide) polymer (C 0 Y 37 PPO-Cl) (poly (phenylene oxide) polymer without long alkyl chain introduced).

<화학식 6>(6)

Figure pat00017
Figure pat00017

(이때, 상기 비교예 1로부터 제조된 화학식 6은, m이 0.37, r이 0.63이다)
(Wherein m is 0.37 and r is 0.63 in the formula (6) prepared in Comparative Example 1)

[비교예 2] 기능화된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자(C[Comparative Example 2] A functionalized poly (phenylene oxide) polymer (C 00 YY 3737 PPO-QA)의 합성PPO-QA)

<반응식 6><Reaction Scheme 6>

Figure pat00018
Figure pat00018

상기 비교예 1의 C0Y37PPO-Cl 고분자를 사용하였다는 것을 제외하고는 상기 합성예 10과 모두 동일한 과정을 통해 C0Y37PPO-QA를 제조하였다.C 0 Y 37 PPO-QA was prepared in the same manner as in Synthesis Example 10, except that the C 0 Y 37 PPO-Cl polymer of Comparative Example 1 was used.

<화학식 7>&Lt; Formula 7 >

Figure pat00019
Figure pat00019

(이때, 상기 비교예 2로부터 제조된 화학식 7은, m이 0.37, r이 0.63이다)
(Wherein, in Formula 7 prepared from Comparative Example 2, m is 0.37 and r is 0.63)

[실시예 1 내지 3] 연료전지용 음이온 교환막의 제조[Examples 1 to 3] Production of anion exchange membrane for fuel cell

합성예 10 내지 12로부터 얻어진 서로 다른 알킬기를 갖는 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)에 5 wt% 농도가 되도록 용해하여 고분자용액을 제조하고, 이를 cotton plug를 사용해 여과한 다음, 11 ㎝ 직경의 페트리 접시 위에 도포하여 박막을 형성하였다. 상기 박막을 60 ℃에서 24 시간동안 1차 열처리하고, 진공하에서 80 ℃, 4 시간동안 2차 열처리하여 가교구조를 갖도록 함으로서, 가교구조의 다양한 작용기 함유 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자 박막을 제조하였다. 상기 제조된 박막을 탈이온수에 담가 페트리 접시로부터 분리하였다. 상기 분리된 박막은 기계적 물성 등의 특성을 분석하기 전에 24 시간동안 탈이온수에 보관하였다.
The poly (phenylene oxide) polymers having different alkyl groups obtained from Synthesis Examples 10 to 12 were dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) to a concentration of 5 wt% to prepare a polymer solution, And then applied on a Petri dish having a diameter of 11 cm to form a thin film. The thin film was subjected to a first heat treatment at 60 ° C. for 24 hours and a second heat treatment at 80 ° C. for 4 hours under vacuum to have a crosslinked structure, thereby preparing various functional group-containing poly (phenylene oxide) polymer thin films having a crosslinked structure. The prepared thin film was immersed in deionized water and separated from the Petri dish. The separated thin films were stored in deionized water for 24 hours before analyzing properties such as mechanical properties.

[비교예 3] 연료전지용 음이온 교환막의 제조[Comparative Example 3] Production of anion exchange membrane for fuel cell

합성예 10으로부터 얻어진 C3Y37PPO-QA 대신에 비교예 2로부터 제조된 C0Y37PPO-QA를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 모두 동일하게하여 음이온 교환막을 제조하였다.
Anion exchange membranes were prepared in the same manner as in Example 1, except that C 0 Y 37 PPO-QA prepared in Comparative Example 2 was used instead of C 3 Y 37 PPO-QA obtained in Synthesis Example 10.

도 1a는 화학식 2의 acyl-PPO 고분자의 1H NMR 스펙트럼이고, 도 1b는 화학식 3의 Racyl-PPO 고분자의 1H NMR 스펙트럼이며, 도 1c는 화학식 4의 C11Y37PPO-Cl 고분자의 1H NMR 스펙트럼이며, 도 1d는 화학식 5의 C11Y37PPO-QA 고분자의 1H NMR 스펙트럼이다. 레퍼런스로 d6-DMSO 또는 CDCl3를 사용하는 Agilent 400-MR (400 MHz) 장비를 이용하여 1H NMR 스펙트럼을 얻었다.Figure 1a is a 1 H NMR spectrum of the acyl-PPO polymer of formula (2), Fig. 1b is a 1 H NMR spectrum of Racyl-PPO polymer of formula (3), Figure 1c is of formula 4 C 11 Y 37 PPO-Cl in the polymer 1 the H NMR spectrum, Figure 1d is a 1 H NMR spectrum of 11 C Y 37 QA-PPO polymer of formula (5). 1 H NMR spectra were obtained using an Agilent 400-MR (400 MHz) instrument using d 6 -DMSO or CDCl 3 as a reference.

도 1에 나타난 바와 같이 서로 다른 알킬기를 갖는 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자의 구조를 분석한 것이다. 도 1a를 살펴보면 합성예 1로부터 제조된 acyl-PPO 고분자는 폴리(페닐렌 옥사이드)에서 소수성 부분(hydrophobic part)에 탄소수 12개의 탄소길이를 갖는 아크릴 단량체를 friedel-crafts 아크릴화 반응을 통해 도입한 것이다. 1H NMR로 구조 분석을 한 결과, 상기 아크릴 단량체의 영향으로 인해, 폴리(페닐렌 옥사이드)(화학식 1)의 벤질 자리의 수소를 나타내는 6.46 ppm 피크가 acyl-PPO 고분자(화학식 2)에서 6.07 ppm으로 이동하였음을 확인하였다. 또한 도 1a에서 아크릴 단량체의 케톤기의 수소를 나타내는 2.94 ppm 부근에서 피크가 관찰되었고, 0.9 내지 1.7 ppm 사이에 알킬기를 나타내는 특징적인 피크들이 관찰되었다. 이를 통해, 화학식 1의 PPO 고분자로부터 합성예 1 내지 3을 통해 화학식 2의 acyl-PPO 고분자가 합성되었음을 알 수 있다. As shown in FIG. 1, the structure of a poly (phenylene oxide) polymer having different alkyl groups is analyzed. 1A, the acyl-PPO polymer prepared in Synthesis Example 1 was prepared by introducing an acrylic monomer having a carbon number of 12 carbon atoms into a hydrophobic part of a poly (phenylene oxide) through a friedel-crafts acrylation reaction. As a result of the structural analysis by 1 H NMR, it was found that 6.46 ppm peak representing hydrogen of the benzylic group of poly (phenylene oxide) (Formula 1) was 6.07 ppm by mass of acyl-PPO polymer (Formula 2) . Also, in FIG. 1A, peaks were observed at about 2.94 ppm indicating the hydrogen of the ketone group of the acrylic monomer, and characteristic peaks showing alkyl groups between 0.9 and 1.7 ppm were observed. From these results, it can be seen that acyl-PPO polymer of formula (2) was synthesized from PPO polymer of formula (1) through synthesis examples 1 to 3.

나아가, acyl-PPO(화학식 2)의 아크릴화 비율은 벤질 자리의 수소 H7(6.46 ppm)와 아크릴기로 치환된 벤질 자리의 수소인 H6(6.07 ppm)의 적분비 혹은 아크릴기로 도입되기 전의 수소 H4(2.08 ppm)와 아크릴기의 수소인 H5(2.94 ppm)의 적분비로 전환율이 각각 3, 7, 11%임을 확인할 수 있었다.
Further, the acylation ratio of acyl-PPO (Formula 2) is the sum of hydrogen of H 7 (6.46 ppm) in benzylic acid and H 6 (6.07 ppm) of benzylic acid substituted with acrylic group, or hydrogen H 4 (2.08 ppm) and H 5 (2.94 ppm), which is the hydrogen of the acrylic group, were 3, 7, and 11%, respectively.

이렇게 합성된 고분자의 주쇄에 도입된 아크릴기를 트리에틸실란과 트리플루오로아세트산을 사용하여 수소로 환원하여, 각각 합성예 4 내지 6을 통해 Racyl-PPO 고분자를 제조하였다. 구체적으로 도 1b에서 화학식 3의 Racyl-PPO 고분자가 아크릴기로 치환된 벤질 자리의 수소인 H6(6.07 ppm)이 사라지고, 5.99 ppm으로 이동하였으며, 아크릴기의 수소 H5(2.94 ppm)가 사라지고, 새로운 벤질자리의 수소인 H5(2.80 ppm)가 나타난 것으로 보아, acyl-PPO 고분자의 환원이 일어났다음을 확인할 수 있다. 다만 알킬 자리의 적분지의 변화 및 자리이동은 관찰되지 않았다.
The acrylic groups introduced into the main chain of the synthesized polymer were reduced with hydrogen using triethylsilane and trifluoroacetic acid to prepare Racyl-PPO polymers through Synthesis Examples 4 to 6, respectively. Specifically, in FIG. 1B, H 6 (6.07 ppm), which is a benzylic hydrogen substituted with an acrylic group, was removed from the Racyl-PPO polymer of Chemical Formula 3 and shifted to 5.99 ppm, hydrogen H 5 (2.94 ppm) A new benzylic hydrogen, H 5 (2.80 ppm), appeared, indicating the reduction of the acyl-PPO polymer. However, no change in the integration site of the alkyl sites and no segregation was observed.

또한, 도 1c에서 합성예 7 내지 9를 통해 제조된 CnYmPPO-CI는 클로로메틸화시킨 것으로, 6.46 ppm 부근의 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자 내의 벤젠 수소 H7 자리 피크가 6.07 ppm 부근의 벤젠 수소 H8 자리로 이동하였고, 4.92 ppm 부근에 클로로메틸기를 나타내는 수소 H6 자리 피크가 뚜렷하게 관찰되었다. 이를 통해 합성과정에서 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자 내의 벤젠 수소 자리 일부가 클로로메틸기로 치환되었음을 알 수 있다.
C n Y m PPO-CI prepared in Synthesis Examples 7 to 9 in FIG. 1C was chloromethylated. The benzene hydrogen H 7 -digit peak in the poly (phenylene oxide) polymer at about 6.46 ppm had a peak near 6.07 ppm Benzene hydrogen moved to the H 8 position, and a hydrogen H 6 -digit peak showing a chloromethyl group was clearly observed near 4.92 ppm. This indicates that a portion of the benzene hydrogen residue in the poly (phenylene oxide) polymer was substituted with a chloromethyl group during the synthesis.

도 1d는 합성예 10 내지 12로부터 제조된 CnYmPPO-Cl-QA(화학식 5)에 관한 것으로, OH-의 전도를 가능하게 해주는 암모늄 작용기를 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자 주쇄 내에 도입하기 위해, 각각의 CnYmPPO-CI 고분자를 TMA와 반응시킨 것이다. 4.92 ppm 부근에 클로로메틸기를 나타내는 수소 H6 자리 피크가 사라지고, 3.18 ppm 부근에서 벤질 트리메틸암모늄의 수소 H5 자리 피크가 나타났으므로, 클로로메틸기가 4급 암모늄기로 완전히 전환되었음을 알 수 있다.
1D is a schematic diagram of the C n Y m PPO-Cl-QA (5) prepared from Synthesis Examples 10 to 12, wherein an ammonium functional group enabling the conduction of OH - is introduced into the poly (phenylene oxide) , Each C n Y m PPO-CI polymer was reacted with TMA. The hydrogen H 6 -digit peak showing the chloromethyl group disappeared at about 4.92 ppm, and the hydrogen H 5 -digit peak of the benzyltrimethylammonium appeared at around 3.18 ppm, indicating that the chloromethyl group was completely converted to the quaternary ammonium group.

도 2는 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자(PPO), 화학식 2의 acyl-PPO 고분자, 화학식 3의 Racyl-PPO 고분자 및 화학식 4의 C11Y37PPO-Cl 고분자의 1H NMR 스펙트럼이다. 도 2에 나타난 바와 같이, 화학식 2의 acyl-PPO 고분자에서 1700 ㎝-1에서 케톤기의 C=O에 의한 진동 모드(vibration mode)에 해당하는 피크가 관찰되었으나, 화학식 3의 Racyl-PPO 고분자에서는 관찰되지 않았다.2 is a 1 H NMR spectrum of poly (phenylene oxide) polymer (PPO), acyl-PPO polymer of formula (II), Racyl-PPO polymer of formula (III) and C 11 Y 37 PPO-Cl polymer of formula (IV). As shown in FIG. 2, in the acyl-PPO polymer of Formula 2, a peak corresponding to the vibration mode of C═O of the ketone group at 1700 cm -1 was observed. However, in the Racyl-PPO polymer of Formula 3 Not observed.

이를 통해, 합성예 4-6을 통해 화학식 2의 acyl-PPO 고분자에서 3, 7, 11% 아크릴기가 모두 환원되었음을 알 수 있다.
Thus, it was confirmed through synthesis example 4-6 that 3, 7, 11% acrylic groups were all reduced in the acyl-PPO polymer of formula (2).

도 3a는 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자(PPO), 화학식 2의 acyl-PPO 고분자, 화학식 3의 Racyl-PPO 고분자 및 화학식 4의 C11Y37PPO-Cl 고분자 각각을 겔 투과 크로마토그래피로 측정하여 나타낸 그래프이다.3A shows the results of measurement of each of poly (phenylene oxide) polymer (PPO), acyl-PPO polymer of formula 2, Racyl-PPO polymer of formula 3 and C 11 Y 37 PPO-Cl polymer of formula 4 by gel permeation chromatography Fig.

도 3a에 나타난 바와 같이 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자(PPO)에 비해 화학식 2의 acyl-PPO 고분자의 Mn과 Mw가 모두 증가하였음을 확인하였다. 그러나 추가적인 가교(crosslink)와 분해(degradation)은 관찰되지 않았다.As shown in Figure 3a it was confirmed that the poly (phenylene oxide) hayeoteum the M n and M w of the general formula (2) of the acyl-PPO polymer both increase as compared to the polymer (PPO). However, no additional crosslinking or degradation was observed.

마찬가지로 화학식 2의 acyl-PPO 고분자에 비해 화학식 3의 Racyl-PPO 고분자의 Mn과 Mw가 모두 약간 감소하였는 바, 이는 아크릴기에서 산소가 환원되었기 때문으로 여겨진다.Similarly, the M n and M w of the Racyl-PPO polymer of formula (3) were slightly lower than those of the acyl-PPO polymer of formula (2), suggesting that oxygen was reduced in the acrylic group.

최종적으로 화학식 3의 Racyl-PPO 고분자 및 화학식 4의 C11Y37PPO-Cl 고분자의 분자량(Mn과 Mw)을 비교한 결과 Mn, Mw 및 PDI 가 급격하게 증가하였음을 확인하였다. 이는 클로로메틸화 반응 과정에서 발생하는 부반응(side reaction)에 기인한 것으로, 벤질 클로라이드 자리의 라디칼 생성으로 인한 가교 때문이라 여겨진다.
Finally, the molecular weights (M n and M w ) of the Racyl-PPO polymer of formula (3) and the C 11 Y 37 PPO-Cl polymer of formula (4) were compared and it was confirmed that M n , M w and PDI increased sharply. It is believed that this is due to the side reaction that occurs during the chloromethylation reaction and is due to the crosslinking due to the radical generation of the benzyl chloride site.

도 3b는 비교예 1의 C0Y37PPO-Cl 고분자, 합성예 7의 C3Y37PPO-Cl 고분자, 합성예 8의 C7Y37PPO-Cl 고분자 및 합성예 9의 C11Y37PPO-Cl 고분자 각각을 겔 투과 크로마토그래피로 측정하여 나타낸 그래프이다.Figure 3b is a comparative example 1 of the C 0 Y 37 of the PPO-Cl Polymer Synthesis Example 7 C 3 Y 37 of the PPO-Cl Polymer Synthesis Example 8 C 7 Y 37 of the PPO-Cl Polymer and Preparation Example 9 C 11 Y 37 PPO-Cl &lt; / RTI &gt; polymers were measured by gel permeation chromatography.

도 3b에 나타난 바와 같이, 클로로메틸화 전환율은 37%임을 확인하였고, 오차율은 0.5% 전후였다. 고분자의 분자량은 고분자 막의 모폴로지, 물성 및 전도도에 영향을 미치는 중요한 요소로, 분자량을 측정한 결과, 비교예 1의 C0Y37PPO-Cl 고분자, 합성예 7의 C3Y37PPO-Cl 고분자, 합성예 8의 C7Y37PPO-Cl 고분자 및 합성예 9의 C11Y37PPO-Cl 고분자의 Mn, MW가 모두 약간 증가하는 경향을 보였을 뿐이고, 이러한 경향은 고분자에 도입된 아크릴 단량체의 비율이 다르기 때문에 발생한 것이라 여겨진다.
As shown in FIG. 3B, it was confirmed that the chloromethylation conversion was 37%, and the error rate was around 0.5%. Of the polymer molecular weight was a result of measuring a molecular weight as an important factor affecting the polymer film morphology, physical properties and electric conductivity, and Comparative Example 1 of the C 0 Y 37 PPO-Cl polymer of Synthesis Example 7 C 3 Y 37 PPO-Cl Polymer , The C 7 Y 37 PPO-Cl polymer of Synthesis Example 8 and the M n and M W of the C 11 Y 37 PPO-Cl polymer of Synthesis Example 9 tended to slightly increase, It is believed to have occurred because of the different proportions of monomers.

도 4는 실시예 1 내지 3 및 비교예 3에 따른 연료전지용 음이온 교환막을 제조하되, 건조하기 전과 후 박막의 이온 교환 용량(IEC) 변화와, 온도별(20℃,40℃,60℃,80℃) 수산화이온 전도도(mS/㎝)를 관찰하여 표 1에 나타내었다.4 is a graph showing changes in ion exchange capacity (IEC) of a thin film before and after drying and a change in ion exchange capacity (IEC) according to temperature (20 ° C., 40 ° C., 60 ° C., 80 ° C., Lt; 0 &gt; C) hydroxide ion conductivity (mS / cm).

구분division IEC(meq/g)IEC (meq / g) 함수율(%)Moisture content (%) 이온 전도도(mS/㎝), 100% RHIon conductivity (mS / cm), 100% RH TheThe ExpExp 20℃20 ℃ 80℃80 20℃20 40℃40 ℃ 60℃60 ° C 80℃80 ℃ 비교예 1
C0Y37PPO-QA
Comparative Example 1
C 0 Y 37 PPO-QA
2.512.51 2.132.13 33.733.7 62.262.2 37.637.6 54.954.9 72.372.3 84.984.9
실시예 1
C3Y37PPO-QA
Example 1
C 3 Y 37 PPO-QA
2.432.43 2.022.02 35.235.2 63.963.9 39.139.1 56.256.2 77.577.5 87.587.5
실시예 2
C7Y37PPO-QA
Example 2
C 7 Y 37 PPO-QA
2.322.32 1.951.95 40.040.0 69.669.6 44.844.8 65.165.1 84.184.1 94.094.0
실시예 3
C11Y37PPO-QA
Example 3
C 11 Y 37 PPO-QA
2.232.23 1.921.92 42.242.2 74.874.8 46.046.0 70.1170.11 88.988.9 101.9101.9

이때, 이온 교환 능력(IEC)은 역 적정(back titration) 방법에 의해 결정되었다. 먼저, 20 ㎎ 히드록시(OH-)의 막을 0.01 M HCl 표준용액에 48시간동안 담그었다. 그 후, 산성용액은 용액이 중성 pH에 도달할 때까지 0.01 M NaOH 용액을 사용하여 적정하였다. 지시약으로는 페놀프탈레인(phenolphthalein)을 사용하였고, 이온 교환 용량(IEC)은 적정기록으로부터 하기 계산식을 통해 계산하였다.At this time, the ion exchange capacity (IEC) was determined by a back titration method. First, a membrane of 20 mg hydroxy (OH - ) was immersed in a 0.01 M HCl standard solution for 48 hours. The acid solution was then titrated with 0.01 M NaOH solution until the solution reached neutral pH. Phenolphthalein was used as an indicator and the ion exchange capacity (IEC) was calculated from the titration record using the following formula.

[식 1][Formula 1]

Figure pat00020
Figure pat00020

상기 식에서,In this formula,

상기 V 0 NaOHV x NaOH는 각각의 박막 혹은 박막이 존재하지 않는 조건에서 적정시 소비된 NaOH의 부피이고, C NaOH는 표준 옥살산(oxalic acid) 용액에 의해 적정된 NaOH의 몰 농도이며, W dry는 건조된 박막의 무게이며, 상기 부피측정치 IEC(IECV)는 다음계산식을 통해 계산할 수 있다. V 0 NaOH and V x NaOH are the volume of NaOH consumed in the absence of the respective thin film or thin film, C NaOH is the molar concentration of NaOH titrated by the standard oxalic acid solution, and W dry is the weight of the dried film, and the volume measurement IEC (IEC V ) can be calculated from the following equation:

[식 2][Formula 2]

Figure pat00021
Figure pat00021

[식 3][Formula 3]

Figure pat00022

Figure pat00022

또한 총 수분 흡수(water uptake)(%) 및 치수 변화(swelling ratios)는 하기와 같이 20℃ 또는 80℃하에서 각각 측정하였다. 박막을 24시간 동안 증류수에 담그고, 여과지로 닦은 후 즉시 중량을 측정하였다(Wwet, twet). 그 후, 막을 일정한 중량을 얻을 때까지 진공 하에 80℃에서 건조시켰다(Wdry, tdry). 박막의 수분 흡수 및 치수 변화는 다음 식으로 결정하였다.Total water uptake (%) and swelling ratios were measured at 20 ° C or 80 ° C as described below. The film was immersed in distilled water for 24 hours, wiped with filter paper and immediately weighed (W wet , t wet ). The film was then dried under vacuum at 80 캜 until a constant weight was obtained (W dry , t dry ). The water absorption and the dimensional change of the thin film were determined by the following equation.

수분 흡수(WUW)(wt%)= [(Wwet - Wdry) / Wdry]ㅧ100%Water absorption (WU W ) (wt%) = [(W wet - W dry ) / W dry ]

치수 변화(△t)=[(twet - tdry) / tdry]ㅧ100Dimensional change (Δt) = [(t wet - t dry ) / t dry ] ㅧ 100

여기서, Wwet 및 Wdry는 각각 젖은 막의 중량 및 건조된 막의 중량이고, twet 및 tdry는 각각 적은 막의 두께와 건조된 막의 두께이다.Where W wet and W dry are respectively the weight of the wet film and the weight of the dried film, and t wet and t dry are the thickness of the film and the thickness of the dried film, respectively.

또한 부피에 기인하는 수분 흡수(WUV)는 다음 식으로 결정하였다.Water absorption (WU V ) due to volume was also determined by the following equation.

[식 4][Formula 4]

Figure pat00023
Figure pat00023

상기 식에서, ρw 및 ρm은 각각 건조된 박막과 물의 밀도이다. 각 박막으로부터 세 번의 반복 측정을 수행하였고, 상기 IEC, 수분흡수 및 치수 변화는 세 번의 측정을 통한 평균값을 표기하였다.
Where rho w and rho m are the density of the dried film and water, respectively. Three repetitive measurements were made from each film and the IEC, moisture absorption and dimensional changes were averaged over three measurements.

수분 흡수는 음이온 교환막에 매우 중요한 하나의 특성으로, 수분 흡수가 높으면서 치수 변화가 낮다면 온도변화에 의한 박막의 손상이 최소화된다는 것을 나타내는 것이라 할 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 연료전지용 음이온 교환막의 수분 흡수 변화(함수율(%))를 분석하여 상기 표 1에 나타내었다.Moisture absorption is one of the most important properties for anion exchange membranes. If moisture absorption is high and the dimensional change is low, it can be said that the damage of the thin film due to the temperature change is minimized. Therefore, the water absorption change (water content (%)) of the anion exchange membrane for a fuel cell according to the present invention was analyzed and shown in Table 1 above.

표 1를 기반으로 실시예 1 내지 3 및 비교예 3의 음이온 교환막의 이론적인 IEC와 수산화이온 전도도를 비교한 결과, 비교예 3의 음이온 교환막이 가장 높은 IEC를 가졌고, 알킬 함량이 높은 실시예 3의 음이온 교환막이 가장 낮은 IEC 값을 가지고 있음을 확인하였다.As a result of comparing the theoretical IEC and hydroxide ion conductivities of the anion exchange membranes of Examples 1 to 3 and Comparative Example 3 based on Table 1, it was found that the anion exchange membrane of Comparative Example 3 had the highest IEC and the anion exchange membranes of Example 3 Of the anion exchange membranes have the lowest IEC values.

상기 실시예 1 내지 3의 음이온 교환막에 사용된 고분자는, 고분자 주쇄 내에 도입된 전도기(4급 암모늄기)의 몰 분율이 37 mol%로, 모두 동일하다. 즉, 전도기의 함량이 동일함에도 불구하고, 알킬의 함량이 증가함에 따라 고분자 전체의 질량이 증가하기 때문에, 각각의 IEC 수치가 상이하게 됨을 알 수 있다.In the polymers used in the anion exchange membranes of Examples 1 to 3, the molar fraction of the electrophiles (quaternary ammonium groups) introduced into the polymer main chain was 37 mol%, which is all the same. That is, although the content of the conductive agent is the same, the mass of the entire polymer increases with the increase of the alkyl content, so that the respective IEC values are different from each other.

일반적으로 고분자 질량(g)을 기준으로 전도기 수(meq)의 지표인 IEC가 증가할수록 함수율이 증가하게 되고, 함수율이 증가할수록 수산화이온의 전도가 용이하게 되어, 전도도가 증가하게 된다. 이를 기준으로 실시예 1 내지 3 및 비교예 3의 음이온 교환막의 함수율을 20 ℃ 및 80 ℃에서 측정하여 나타내었다(표 1). 비교예 3의 음이온 교환막은 20 ℃에서 33.7%, 80℃에서 62.2%의 함수율을 나타내었고, 실시예 3의 음이온 교환막은 20℃에서 42.2%, 80℃에서 74.8%로 관찰되었다. 즉, 알킬 함량이 증가할수록 함수율이 증가하는 것을 확인하였다. 이는 알킬이 고분자에 도입됨에 따라 고분자들 주쇄 간의 상호작용을 간섭하여 약하게 만들고, 그로 인해 추가적인 자유 부피(free-volume)를 가지게 되어 상대적으로 수분을 더 많이 함유할 수 있게 된 것이다.Generally, the water content increases with the increase of IEC, which is an index of the number of conductors (meq), based on the polymer mass (g), and the conductivity of the hydroxide ion increases as the water content increases. The water content of the anion exchange membranes of Examples 1 to 3 and Comparative Example 3 was measured at 20 占 폚 and 80 占 폚 on the basis of this data (Table 1). The anion exchange membrane of Comparative Example 3 showed a water content of 33.7% at 20 ° C and 62.2% at 80 ° C, and the anion exchange membrane of Example 3 was observed at 42.2% at 20 ° C and 74.8% at 80 ° C. That is, it was confirmed that the water content increases as the alkyl content increases. This is because the introduction of alkyl into the polymer interferes with and weakens the interactions between the backbone of the polymers, thereby providing an additional free-volume and relatively more moisture content.

또한 실시예 1 내지 3 및 비교예 3의 음이온 교환막의 수산화이온 전도도(Hydroxide conductivity)를, 100% RH 조건 하에서 온도별(20℃,40℃,60℃,80℃)로 측정한 결과(도 4 및 표 1), 비교예 3의 음이온 교환막은 20℃와 80 ℃에서 각각 37.6 mS/㎝, 101.9 mS/㎝를 나타내었다. The hydroxyl ion conductivity of the anion exchange membranes of Examples 1 to 3 and Comparative Example 3 was measured at 20 ° C, 40 ° C, 60 ° C and 80 ° C under 100% RH conditions And Table 1), and the anion exchange membrane of Comparative Example 3 exhibited 37.6 mS / cm and 101.9 mS / cm at 20 ° C and 80 ° C, respectively.

일반적으로는 IEC가 높을수록 전도도가 증가한다. 그러나 실시예 1 내지 3의 음이온 교환막은 알킬기의 함량이 증가함에 따라 IEC는 감소하는데 반해 전도도와 함수율이 증가하였다. 이는 수산화이온 전도도와 함수율 간의 관계를 통해 설명되어질 수 있는데, 우선 수산화이온 전도도는 기본적으로 이온의 확산에 영향을 받으며, 온도가 증가함에 따라 수산화이온(OH-)의 확산이 증가되기 때문에, 실시예 1 내지 3의 음이온 교환막에서의 수산화이온 전도도가 향상될 수 있는 것이라 여겨진다.In general, the higher the IEC, the greater the conductivity. However, in the anion exchange membranes of Examples 1 to 3, as the content of the alkyl group was increased, the IEC was decreased while the conductivity and the water content were increased. This can be explained by the relationship between the hydroxide ion conductivity and the water content. First, the hydroxide ion conductivity is basically influenced by the ion diffusion, and the diffusion of the hydroxide ion (OH &lt; - &gt; It is considered that the hydroxide ion conductivity in the anion exchange membranes 1 to 3 can be improved.

게다가 실시예 1 내지 3의 음이온 교환막은 온도별 함수율이 상대적으로 우수하므로, 전도기와 이온간의 해리가 용이하게 이루어지게 되고, 해리되는 수산화이온이 많아져, 확산되는 이온의 숫자가 많아지게 되기 때문에, 비록 실시예 1 내지 3의 음이온 교환막의 IEC가 낮음에도 불구하고, 비교예 3의 음이온 교환막보다 유의미한 정도로 향상된 전도도를 갖게 되는 것이다. In addition, since the anion exchange membranes of Examples 1 to 3 are relatively excellent in water content at different temperatures, the dissociation between the conductive agent and the ions is facilitated, the dissociated hydroxide ions are increased, and the number of ions diffused increases, Although the IEC of the anion exchange membranes of Examples 1 to 3 is low, the conductivity of the anion exchange membranes of Comparative Example 3 is improved to a significant degree.

실시예 1 내지 3의 음이온 교환막 중에서도 실시예 3의 음이온 교환막이 비교예 3의 음이온 교환막에 비해 IEC가 0.28 meq/g 더 낮음에도 불구하고 함수율은 10~12% 더 높고, 수산화이온 전도도는 8~17 mS/㎝ 더 향상되었음을 확인할 수 있었다.
Of the anion exchange membranes of Examples 1 to 3, the anion exchange membrane of Example 3 had a water content of 10 to 12% higher than that of the anion exchange membrane of Comparative Example 3, although the IEC was 0.28 meq / g, 17 mS / cm was further improved.

도 5는 합성예 7 내지 9 및 비교예 1에 따라 제조된 CnYmPPO-Cl를 사용하여, 막을 제조하고, 이들 각각의 가열 조건에 따른 DSC 특성을 나타낸 DSC 그래프로, 알킬기의 함량에 따른 고분자 주쇄의 추가적인 free-volume을 확인하고자 측정하였다. Figure 5 is a DSC graph showing the DSC characteristics according to Preparation Example 7 to 9 and Comparative Examples 1 to the C n Y m using PPO-Cl, prepared, and each of the heating conditions, these films prepared in accordance with, the content of the alkyl group To determine the additional free-volume of the polymer backbone.

고온에서 전도기의 분해 효과를 배제하기 위하여 DSC는 4급 암모늄 전도기가 도입되지 않은 합성예 7 내지 9 및 비교예 1에 따라 제조된 CnYmPPO-Cl 고분자를 막 형태로 제막한 후, 측정하였다. In order to exclude the decomposition effect of the electroconductor at high temperature, DSC was prepared by film-forming the C n Y m PPO-Cl polymer prepared according to Synthesis Examples 7 to 9 and Comparative Example 1 in which quaternary ammonium conductivity was not introduced, Respectively.

도 5에 나타난 바와 같이 상기 합성예 7 내지 9 및 비교예 1에 따라 제조된 CnYmPPO-Cl 고분자 각각의 유리전이온도(Tg)와 상 거동을 조사한 바, 비교예 1의 C0Y37PPO-Cl 고분자로 제조된 막은 214 ℃ 부근에서 Tgr가 관찰되었으며, 알킬기의 함량이 증가하는 합성예 7 내지 합성예 9의 CnYmPPO-Cl 고분자로 제조된 각각의 막은 점차 Tg가 감소하는 것을 확인하였다. 구체적으로 합성예 9의 C11Y37PPO-Cl 고분자로 제조된 막은, 비교예 1의 C0Y37PPO-Cl 고분자로 제조된 막보다 대략 40 ℃ 더 낮은 174 ℃에서 Tg가 관찰되었다.As shown in FIG. 5, the glass transition temperature (T g ) and phase behavior of each of the C n Y m PPO-Cl polymers prepared according to Synthesis Examples 7 to 9 and Comparative Example 1 were examined . Y 37 The membrane made of PPO-Cl polymer had T gr observed at around 214 ° C., and each membrane made of C n Y m PPO-Cl polymer of Synthesis Examples 7 to 9 in which the content of alkyl groups was increased gradually increased to T g was found to decrease. Specifically, the film made from the C 11 Y 37 PPO-Cl polymer of Synthesis Example 9 had a T g at 174 ° C., which is about 40 ° C. lower than the film made from the C 0 Y 37 PPO-Cl polymer of Comparative Example 1.

이는 고분자 주쇄에 있어서, 알킬 사슬이 측쇄에 도입될수록 가소제와 같은 역할을 하여 추가적인 고분자 주쇄간의 상호작용을 약하게 하므로, free-volume이 다량 생성될 수 있기 때문인 것으로 여겨진다.
It is believed that this is because, in the polymer backbone chain, as the alkyl chain is introduced into the side chain, it plays the same role as the plasticizer, weakening the interaction between the additional polymer backbone and thus generating a large amount of free-volume.

또한, 실시예 1 내지 3 및 비교예 3의 음이온 교환막의 밀도는 OH- 형태(hydroxide form)를 완전히 건조하였을 때 및 수화되었을 때를 측정하여 계산되었다. 이때 계산은 아레니우스 측정법을 사용하며, heptane(밀도=0.679 g/㎤)을 통해 계산하여 표 2에 나타내었다.In addition, the density of the anion exchange membranes of Examples 1 to 3 and Comparative Example 3 was calculated by measuring the OH-form (hydroxide form) when completely dried and hydrated. At this time, the calculation is based on the Arrhenius method, and is shown in Table 2 by calculation using heptane (density = 0.679 g / cm 3).

구분division Density(g/㎤)Density (g / cm3) DryDry WetWet 비교예 3
C0Y37PPO-QA
Comparative Example 3
C 0 Y 37 PPO-QA
1.171.17 1.121.12
실시예 1
C3Y37PPO-QA
Example 1
C 3 Y 37 PPO-QA
1.151.15 1.111.11
실시예 2
C7Y37PPO-QA
Example 2
C 7 Y 37 PPO-QA
1.101.10 1.071.07
실시예 3
C11Y37PPO-QA
Example 3
C 11 Y 37 PPO-QA
1.081.08 1.031.03

표 2에 나타난 바와 같이 비교예 3에 따라 제조된 음이온 교환막에 대하여 건조상태에서의 밀도와 수화상태의 밀도를 측정하였다. 비교예 3의 음이온 교환막은건조상태일 때 밀도가 1.17 g/㎤이고, 수화상태일 때 밀도가 1.12 g/㎤로 확인되었다. 실시예 1 내지 3의 음이온 교환막은 알킬기의 도입 정도가 증가할수록 밀도가 감소하였으며, 구체적으로 실시예 3의 음이온 교환막은 건조상태일 때 밀도가 1.08 g/㎤이고, 수화상태일 때 밀도가 1.03 g/㎤으로 확인되었다. 이의 경향은 도 2의 DSC 결과와 동일한 경향을 나타내고 있음을 알 수 있다.
As shown in Table 2, the density in the dry state and the density in the hydration state of the anion exchange membrane prepared according to Comparative Example 3 were measured. The anion exchange membrane of Comparative Example 3 had a density of 1.17 g / cm 3 when dry and a density of 1.12 g / cm 3 when hydrated. Specifically, the anion exchange membrane of Example 3 had a density of 1.08 g / cm &lt; 3 &gt; in a dry state and a density of 1.03 g / cm &lt; 3 &gt; in a hydrated state, while the anion exchange membranes of Examples 1 to 3 decreased in density as the degree of introduction of alkyl groups increased. / Cm &lt; 3 &gt;. It can be seen that this tendency is the same as the DSC result in Fig.

도 6은 실시예 1 내지 3 및 비교예 3에 따라 제조된 연료전지용 음이온 교환막의 신장율(strain;elongation %)에 따른 인장강도(tensile strength;MPa) 변화를 관찰하여 나타낸 그래프이다(50% RH 하에서, OH-형태(hydroxide form)으로, 20 ℃와 80 ℃ 조건으로 각각 측정함). 상기 도 6의 결과를 표 3에 정리하였다.6 is a graph showing changes in tensile strength (MPa) according to elongation percentages of the anion exchange membranes for fuel cells prepared according to Examples 1 to 3 and Comparative Example 3 (under 50% RH , OH - form (hydroxide form, measured at 20 ° C and 80 ° C respectively). The results of FIG. 6 are summarized in Table 3.

구분division 함수율(%)
Water uptake
Moisture content (%)
Water uptake
팽윤율(%)
Swelling ratio(%)
Swelling rate (%)
Swelling ratio (%)
λ 수치(#)λ value (#)
20 ℃20 80 ℃80 ℃ 20 ℃(Δt)20 ° C (Δt) 80 ℃(Δt)80 ° C (Δt) 20 ℃20 80 ℃80 ℃ 비교예 3
C0Y37PPO-QA
Comparative Example 3
C 0 Y 37 PPO-QA
33.733.7 62.262.2 21.021.0 28.928.9 8.88.8 16.316.3
실시예 1
C3Y37PPO-QA
Example 1
C 3 Y 37 PPO-QA
35.235.2 63.963.9 21.221.2 29.529.5 9.79.7 17.617.6
실시예 2
C7Y37PPO-QA
Example 2
C 7 Y 37 PPO-QA
40.040.0 69.669.6 25.225.2 35.535.5 11.411.4 19.819.8
실시예 3
C11Y37PPO-QA
Example 3
C 11 Y 37 PPO-QA
42.242.2 74.874.8 26.626.6 36.236.2 12.212.2 21.321.3

연료전지의 구동을 위해서, 음이온 교환막은 강한 기계적 강도(mechanical stability)를 가져야 하고, 높은 함수율(water uptake)에 의한 팽윤현상(swellin)이 적어야 한다. 이를 기반으로 도 6을 살펴보면 비교예 3의 음이온 교환막은 인장강도 및 인장률이 각각 51.7 Mpa, 99.1%로, 높은 물성을 보이고 있다.In order to drive the fuel cell, the anion exchange membrane must have a strong mechanical stability and a low swellin due to high water uptake. Referring to FIG. 6, the anion exchange membrane of Comparative Example 3 exhibits a high tensile strength and tensile strength of 51.7 Mpa and 99.1%, respectively.

이에 반해 실시예 1 내지 3에 따라 제조된 연료전지용 음이온 교환막은 알킬의 함량이 증가할수록 인장강도 및 인장률이 지속적으로 감소하며 최종적으로 실시예 3의 음이온 교환막은 인장강도 및 인장률이 각각 40.6 Mpa, 46.0%로 현저히 감소하였다.On the contrary, the tensile strength and the tensile rate of the anion exchange membrane for fuel cells prepared according to Examples 1 to 3 were continuously decreased as the alkyl content was increased. Finally, the anion exchange membrane of Example 3 had tensile strength and tensile strength of 40.6 Mpa , And 46.0%, respectively.

기본적으로 고분자막의 물성은 고분자 주쇄간의 인력에 따른 결정성 및 비결정성에 기인하는 것으로, 고분자 주쇄에 알킬 곁사슬(side-chain)이 도입되면 될수록 주쇄 사이에 free-volume이 형성되어, 상호작용을 약하게 만들기 때문에, 고분자의 물성이 약해지게 되는 것이다. 그러나 실시예 1 내지 3에 따른 음이온 교환막이 비교예 3의 음이온 교환막에 비해 상대적으로 물성이 약한 것일뿐, 그 정도가 유의미한 정도를 벗어나는 것이거나, 연료전지에 적용시 수명이나 구동을 현저히 감소시키는 범위의 물성이 아니며, 연료전지 구동에 있어서 충분한 기계적 물성(인장강도 및 인장률)을 갖고 있다 할 것이다.Basically, the physical properties of the polymer membrane are attributed to crystallinity and amorphousness depending on attraction between the polymer chains. As the alkyl side chain is introduced into the polymer main chain, the free-volume is formed between the main chains, So that the physical properties of the polymer are weakened. However, the anion exchange membranes according to Examples 1 to 3 have relatively poor physical properties as compared with the anion exchange membranes according to Comparative Example 3, and the degree of the anion exchange membranes deviates from a significant degree, or a range (Tensile strength and tensile strength) sufficient to drive the fuel cell.

게다가 실시예 1 내지 3의 음이온 교환막은 팽윤율(%)의 증가가 최대 10%를 넘지않는 것으로, 낮아진 기계적 물성 및 높은 함수율 대비 팽윤율의 증가가 크지 않다는 것을 확인하였다.In addition, the anion exchange membranes of Examples 1 to 3 showed that the increase in the swelling rate (%) did not exceed 10% at the maximum, indicating that the increase in the swelling rate with respect to the lowered mechanical properties and the higher water content was not significant.

따라서, 실시예 1 내지 3의 음이온 교환막은 최소한의 기계적 물성을 가져, 연료전지에 해가 되거나, 연료전지 구동에 전혀 문제가 되지 않는 물성을 유지하면서, 오히려 IEC를 증가시키지 않고, 함수율 및 수산화이온 전도도만을 현저히 향상시키고 있다는 점에서, 단점을 최소화하고 장점을 현저히 개선하였다는 효과를 갖는다. 만약 실시예 1 내지 3의 음이온 교환막에서 함수율을 높이기 위해 추가적인 이온 전도기를 도입하였다면 IEC를 향상시켜 수산화이온 전도도를 개선할 수 있었을지도 모르나, 이러한 경우 앞서 배경기술에서 언급한 바와 같이 IEC 증가로 인해 막의 물성이 연료전지 구동에 악영향을 줄 정도로 현저히 나빠지거나 막의 형태를 유지할 수 없게되거나, 고온에서는 사용이 불가한 등의 문제가 나타날 수 있다.Therefore, the anion-exchange membranes of Examples 1 to 3 have a minimum mechanical property and can maintain the physical properties that are harmless to the fuel cell or are not problematic to the fuel cell drive, It has the effect of minimizing the disadvantages and remarkably improving the advantages in that the conductivity is significantly improved. If an additional ionic conductor is introduced to increase the water content in the anion exchange membranes of Examples 1 to 3, it may be possible to improve the hydroxide ion conductivity by improving the IEC. In this case, however, The physical properties may be considerably deteriorated to adversely affect the fuel cell driving, the film shape can not be maintained, or the film can not be used at high temperatures.

본 발명은 이러한 문제점들을 인지하고, 이를 개선하고자 노력한 바, IEC 증가 없이 함수율 및 수산화이온 전도도를 현저히 향상시킬 수 있는 방법을 발견한 것으로, 실시예 1 내지 3의 음이온 교환막은 종래 혹은 기존의 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자와는 현저한 혹은 이질적인 효과를 갖는다 할 것이다.
The present inventors have recognized such problems and have made efforts to improve them. As a result, they have found a method capable of significantly improving the water content and hydroxide ion conductivity without increasing the IEC. The anion exchange membranes of Examples 1 to 3 can be produced by using conventional or conventional poly Phenylene oxide) polymer will have remarkable or heterogeneous effect.

도 7은 80 ℃ 조건 하에서, 실시예 1 내지 3 및 비교예 3의 음이온 교환막을 1M KOH 용액에 침지시킨 후, 수산화이온 전도도의 손실정도를 나타내는 전도도 손실(conductivity loss, %)을 시간별로 측정하여 나타낸 그래프이다.7 shows the results of measuring the conductivity loss (%) indicating the degree of loss of hydroxide ion conductivity after immersing the anion exchange membranes of Examples 1 to 3 and Comparative Example 3 in a 1M KOH solution under the condition of 80 ° C Fig.

음이온 교환막은 알칼리 연료전지에 주로 사용되며, 전도 매개체는 친핵성이 강한 수산화이온(OH-)이기 때문에, 연료전지 구동시 고분자 주쇄 뿐만 아니라, 주쇄 내에 도입되어 있는 알킬기 및 4급 암모늄기의 분해를 촉진하게 된다. 따라서 음이온 교환막은 연료전지가 작동하는 고온의 알칼리 조건 하에서 안정성을 가져야한다. 이러한 알칼리 안정성을 확인하기 위하여, 실시예 1 내지 3 및 비교예 3의 음이온 교환막을 80 ℃, 1M KOH 존재하에서, 500 시간동안 담가놓고, 시간별로 수산화이온 전도도를 측정하였다.Since the anion exchange membrane is mainly used in an alkali fuel cell and the conduction medium is a strong nucleophilic hydroxide ion (OH - ), it accelerates the decomposition of the alkyl group and the quaternary ammonium group introduced into the main chain as well as the polymer main chain . Therefore, anion exchange membranes must have stability under high temperature alkaline conditions in which the fuel cell operates. In order to confirm such alkali stability, the anion exchange membranes of Examples 1 to 3 and Comparative Example 3 were soaked in the presence of 1M KOH at 80 DEG C for 500 hours, and the hydroxide ion conductivity was measured over time.

도 7에 나타난 바와 같이 실시예 1 내지 3 및 비교예 3의 음이온 교환막은 100 시간동안 전도도가 급격하게 감소하였으며, 500 시간까지 지속적으로 조금씩 감소하였다. 이 중에서도 비교예 3의 음이온 교환막은 250 시간이 지난 후에는 막이 깨져버렸다. 하지만 실시예 1 내지 3의 음이온 교환막은 수산화이온 전도도는 30~40%까지 감소하였으나, 막이 깨지지 않고 온전한 상태로 500 시간까지 유지되었음을 확인하였다.As shown in FIG. 7, the conductivity of the anion exchange membranes of Examples 1 to 3 and Comparative Example 3 decreased sharply during 100 hours, and gradually decreased until 500 hours. Among them, the anion exchange membrane of Comparative Example 3 was broken after 250 hours. However, the anion exchange membranes of Examples 1 to 3 showed that the hydroxide ion conductivity was reduced to 30 to 40%, but the membrane was maintained intact for up to 500 hours without breakage.

특히 실시예 3의 음이온 교환막은 500 시간이 지난 후에도 60%의 전도도 손실만이 발생하였을 뿐, 40% 수산화이온 전도도 성능이 유지되는 것을 확인하였는 바, 실시예 3의 음이온 교환막이, 이들 중에서 유의미한 범주에서 가장 알칼리 안정성이 우수함을 확인할 수 있다.
In particular, it was confirmed that the anion exchange membrane of Example 3 only had a conductivity loss of 60% even after 500 hours, and that the anion exchange membrane of Example 3 maintained the 40% hydroxide ion conductivity. The anion exchange membrane of Example 3 had a significant category It can be confirmed that the alkali stability is the most excellent.

상술한 실험결과를 종합하면, 본 발명에 있어서 음이온 교환막에 주로 사용되는 고분자인 폴리(페닐렌 옥사이드)(Poly(1,4-dimethyl-2,6-phenylene oxide))의 주쇄 내에 friedel-crafts 아크릴화로 탄소수 12의 알킬 곁사슬을 도입한 후, 알킬의 조성만 변화시키고 전도기의 조성은 동일하게 하여, 서로 다른 알킬기를 갖는 고분자를 제조하고, 이의 다양한 특성을 분석하였다. 그 결과 알킬기가 전혀 도입되지 않은 비교예 2의 C0Y37PPO-QA 고분자에 비해, 합성예 10 내지 12의 CnYmPPO-Cl-QA 고분자가 고분자 주쇄 간 상호작용이 약하기 때문에, free-volume이 더 많이 형성됨을 확인하였다. 상기 free-volume의 형성으로 인해 합성예 10 내지 12의 CnYmPPO-Cl-QA 고분자는 IEC가 비교예 2의 C0Y37PPO-QA 고분자보다 낮음에도 불구하고, 함수율 및 수산화이온 전도도 및 알칼리 안정도가 현저히 향상되었음을 확인하였다. 나아가 함수율 대비 팽윤율이 크게 증가하지 않으므로 물성 또한 연료전지를 구동하기 충분한 성능임을 확인하였다.The results of the above-mentioned experiment are summarized as follows. In the present invention, in the main chain of poly (1,4-dimethyl-2,6-phenylene oxide), a polymer mainly used in anion exchange membranes, friedel- , Alkyl groups having different carbon number were introduced, alkyl groups were changed, and compositions of the conductors were the same. Thus, various polymers having different alkyl groups were prepared and their various characteristics were analyzed. As a result, compared with the C 0 Y 37 PPO-QA polymer of Comparative Example 2 in which no alkyl group was introduced at all, the C n Y m PPO-Cl-QA polymer of Synthesis Examples 10 to 12 had weak intermolecular macromolecular interactions, -volumes were formed more. Due to the formation of the above free-volume, the C n Y m PPO-Cl-QA polymer of Synthesis Examples 10 to 12 had a water content and a hydroxyl ion conductivity even though the IEC was lower than that of the C 0 Y 37 PPO-QA polymer of Comparative Example 2 And the alkali stability were remarkably improved. Furthermore, it was confirmed that the physical properties were also sufficient for driving the fuel cell because the swelling rate did not increase significantly with respect to the water content.

다시 말해 본 발명에 따른 음이온 교환막은, 전도도 및 함수율을 증가시키기 위해 IEC를 증가시키거나 알킬기를 전도기에 도입하여 모폴로지를 개선하는 것이 대부분인데 반해, 본 발명은 이와는 전혀 다르게 소수성인 고분자 주쇄에 알킬 곁사슬을 도입함으로써, IEC의 증가없이 함수율 및 전도도, 알칼리 안정성만을 개선하였으며, 이를 통해 IEC 증가에 의한 부정적인 효과 혹은 부작용의 발생을 현저히 감소시켰다.In other words, the anion exchange membrane according to the present invention increases the IEC to increase the conductivity and the water content, or improves the morphology by introducing an alkyl group into the electroconductor. In contrast, the present invention is different from the present invention in that an alkyl side chain It was possible to improve water content, conductivity and alkali stability without increasing IEC, thereby significantly reducing the occurrence of negative effects or side effects due to the increase in IEC.

Claims (12)

하기 화학식 Ⅰ로 표시되는 반복단위를 갖는 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 포함하는 연료전지용 음이온 교환막.
<화학식 Ⅰ>
Figure pat00024

상기 화학식 Ⅰ에서,
상기 R1은 직쇄 또는 분지형 탄소수 6 내지 20의 알킬기 중에서 선택되는 어느 하나이고,
상기 R3은 -(R10)N+(R11R12R13)의 4급 암모늄기이고,
상기 R2, R4, R5, R6, R7, R8, R9는 서로 동일하거나 각각 독립적으로, 수소, 직쇄 또는 분지형 탄소수 1 내지 6의 알킬기 중에서 선택되는 어느 하나이며,
상기 R10, R11, R12, R13은 서로 동일하거나 각각 독립적으로, 수소, 직쇄 또는 분지형 탄소수 1 내지 6의 알킬기 중에서 선택되는 어느 하나이며,
상기 x, y, z는 각각 임의의 반복단위이고, x, y, z는 각각 반복단위 내 몰분율로서 0.01≤x≤0.4, 0.1≤y≤0.5, x+y+z=1이며, x, y 또는 z가 0인 경우는 없다.
An anion exchange membrane for a fuel cell comprising a poly (phenylene oxide) polymer having a repeating unit represented by the following formula (I).
<Formula I>
Figure pat00024

In the above formula (I)
Wherein R &lt; 1 &gt; is any one selected from a linear or branched alkyl group having 6 to 20 carbon atoms,
R 3 is a quaternary ammonium group of - (R 10 ) N + (R 11 R 12 R 13 )
Wherein R 2 , R 4, R 5 , R 6 , R 7 , R 8 and R 9 are the same or different from each other and selected from the group consisting of hydrogen, straight or branched alkyl groups having 1 to 6 carbon atoms,
R 10 , R 11, R 12 , and R 13 are the same or different from each other and selected from the group consisting of hydrogen, a linear or branched alkyl group having 1 to 6 carbon atoms,
X, y, and z are each an arbitrary repeating unit, and x, y, and z are mole ratios in the repeating unit, 0.01? X? 0.4, 0.1? Y? 0.5, x + y + z = Or z is not zero.
제1항에 있어서,
상기 화학식 Ⅰ에서, R1은 직쇄형 탄소수 10 내지 15의 알킬기 중에서 선택되는 어느 하나이고,
상기 R2, R4, R5, R6, R7, R8, R9는 서로 동일하며, 직쇄형 탄소수 1 내지 4의 알킬기 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 연료전지용 음이온 교환막.
The method according to claim 1,
In Formula (I), R 1 is any one selected from straight-chain alkyl groups having 10 to 15 carbon atoms,
Wherein R 2 , R 4, R 5 , R 6 , R 7 , R 8 and R 9 are the same as each other and are selected from straight-chain alkyl groups having 1 to 4 carbon atoms.
제2항에 있어서,
상기 화학식 Ⅰ에서, 상기 R5는 수소이고, 상기 R10, R11, R12, R13은 직쇄형 탄소수 1 내지 4의 알킬기인 것을 특징으로 하는 연료전지용 음이온 교환막.
3. The method of claim 2,
Wherein R 5 is hydrogen, and R 10 , R 11, R 12 , and R 13 are straight-chain alkyl groups having 1 to 4 carbon atoms.
제3항에 있어서,
상기 화학식 Ⅰ에서, x는 0.03 내지 0.11이고, y는 0.3 내지 0.4인 것을 특징으로 하는 연료전지용 음이온 교환막.
The method of claim 3,
Wherein x is 0.03 to 0.11 and y is 0.3 to 0.4 in the formula (I).
제1항에 있어서,
상기 화학식 1에서, x는 0.11이고, y는 0.37인 것을 특징으로 하는 연료전지용 음이온 교환막.
The method according to claim 1,
Wherein x is 0.11 and y is 0.37 in the formula (1).
제1항에 있어서,
상기 연료전지용 음이온 교환막은 95~100% 상대습도 및 20~100 ℃에서 수산화이온 전도도가 39 내지 110 mS/㎝인 것을 특징으로 하는 연료전지용 음이온 교환막.
The method according to claim 1,
Wherein the anion exchange membrane for fuel cells has a relative humidity of 95 to 100% and a hydroxide ion conductivity of 39 to 110 mS / cm at 20 to 100 占 폚.
제1항에 따른 연료전지용 음이온 교환막을 포함하는 전지용 분리막.A separator for a battery comprising an anion exchange membrane for a fuel cell according to claim 1. 제7항에 따른 전지용 분리막을 포함하는 연료전지.A fuel cell comprising the separator for a battery according to claim 7. Ⅰ) 하기 화학식 Ⅱ로 표시되는 반복단위를 갖는 클로로메틸화된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 유기용매에 녹인 고분자 용액에 음이온 교환기를 갖는 화합물을 첨가하고 반응시켜 제1항 기재의 화학식 Ⅰ로 표시되는 반복단위를 갖는 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 얻는 단계; 및
Ⅱ) 상기 Ⅰ) 단계에서 얻은 화학식 Ⅰ로 표시되는 반복단위를 갖는 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자 박막을 형성하는 단계;를 포함하는 연료전지용 음이온 교환막의 제조방법.
<화학식 Ⅱ>
Figure pat00025

(상기 화학식 Ⅱ에서 R1, R2, R4, R5, R6, R7, R8, R9 및 x, y, z는 상기 화학식 Ⅰ에서 정의한 바와 같고,
상기 화학식 Ⅱ에서 X는 단일결합이거나, (CH2)q (1≤q≤4)이다.)
(I) A polymer having a chloromethylated poly (phenylene oxide) polymer having a repeating unit represented by the following formula (II) is dissolved in an organic solvent and a compound having an anion-exchange group is added and reacted to produce a polymer represented by the formula Obtaining a poly (phenylene oxide) polymer having a repeating unit; And
(II) forming a poly (phenylene oxide) polymer thin film having a repeating unit represented by the formula (I) obtained in the step (I).
&Lt; Formula (II)
Figure pat00025

(Wherein R &lt; 1 &gt; R 2 , R 4, R 5 , R 6 , R 7 , R 8 , R 9 and x, y and z are as defined in formula (I)
In the above formula (II), X is a single bond or (CH 2 ) q ( 1 ? Q? 4 ).
제9항에 있어서,
상기 화학식 Ⅱ로 표시되는 반복단위를 갖는 클로로메틸화된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자는,
a) 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 알루미늄 클로라이드와 라우릴로 클로라이드와 반응시켜 아크릴화된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 합성하는 단계;
b) 상기 a) 단계의 아크릴화된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 환원시켜, 하기 화학식 Ⅲ으로 표시되는 반복단위를 갖는, 환원된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 합성하는 단계; 및
c) 상기 b) 단계의 환원된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 징크 클로라이드와 클로로메틸메틸에테르와 반응시키는 단계;를 통해 제조된 것을 특징으로 하는 연료전지용 음이온 교환막의 제조방법.
<화학식 Ⅲ>
Figure pat00026

(상기 화학식 Ⅲ에서 R14는 직쇄 또는 분지형 탄소수 6 내지 20의 알킬기 중에서 선택되는 어느 하나이고,
상기 R15, R16, R17, R18, R19는 서로 동일하거나 각각 독립적으로, 수소, 직쇄 또는 분지형 탄소수 1 내지 6의 알킬기 중에서 선택되는 어느 하나이며,
상기 o, p는 각각 임의의 반복단위이고, o, p는 각각 반복단위 내 몰분율로서 0.0≤o≤0.9, 0.1≤p≤0.9, o+p=1 이다.)
10. The method of claim 9,
The chloromethylated poly (phenylene oxide) polymer having the repeating unit represented by the above formula (II)
a) synthesizing an acrylated poly (phenylene oxide) polymer by reacting a poly (phenylene oxide) polymer with aluminum chloride and lauryl chloride;
b) reducing the acrylated poly (phenylene oxide) polymer of step a) to obtain a reduced poly (phenylene oxide) polymer having a repeating unit represented by the following formula (III); And
c) reacting the reduced poly (phenylene oxide) polymer of step b) with zinc chloride and chloromethyl methyl ether. The method for producing an anion exchange membrane for a fuel cell according to claim 1,
&Lt; Formula (III)
Figure pat00026

(In the above formula (III), R 14 is any one selected from a linear or branched alkyl group having 6 to 20 carbon atoms,
remind R 15 , R 16, R 17 , R 18 , and R 19 are the same or different from each other and selected from the group consisting of hydrogen, a linear or branched alkyl group having 1 to 6 carbon atoms,
O and p are arbitrary repeating units, and o and p are mole fractions in the repeating unit, respectively, 0.0? O? 0.9, 0.1? P? 0.9, o + p = 1.
제9항에 있어서,
상기 음이온 교환기를 갖는 화합물은 4급 암모늄인 것을 특징으로 하는 연료전지용 음이온 교환막의 제조방법.
10. The method of claim 9,
Wherein the compound having an anion-exchange group is quaternary ammonium.
제9항에 있어서,
상기 Ⅰ) 단계에서 상기 화학식 Ⅱ로 표시되는 반복단위를 갖는 클로로메틸화된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자와 음이온 교환기를 갖는 화합물의 혼합 중량비는 1 : 0.1 내지 1인 것을 특징으로 하는 연료전지용 음이온 교환막의 제조방법.
10. The method of claim 9,
Wherein the mixing weight ratio of the chloromethylated poly (phenylene oxide) polymer having the repeating unit represented by the formula (II) to the compound having an anion-exchange group in the step (I) is 1: 0.1 to 1, Gt;
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