KR20190088212A - Conductive polymer and preparation method of polymer electrolyte membrane using the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to an ion conductive polymer and a method for manufacturing a polymer electrolyte membrane using the same. More specifically, the present invention is to provide the polymer electrolyte membrane having excellent ion conductivity, mechanical properties, and chemical stability by using a cross-linked polymer, and the method for manufacturing the same. According to various embodiments of the present invention, it is possible to manufacture the cross-linked polymer having a spacer-type conductive group introduced into a polyphenylene oxide polymer having no electron attractors, being cheap, and having excellent mechanical strength by using an acylation reaction and a reduction reaction. In addition, the polymer electrolyte membrane manufactured by using the cross-linked polymer exhibits excellent characteristics such as ion conductivity, alkali stability, mechanical strength and the like.

Description

이온 전도성 고분자 및 이를 이용한 고분자 전해질 막의 제조방법{Conductive polymer and preparation method of polymer electrolyte membrane using the same}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an ion conductive polymer and a polymer electrolyte membrane using the ion conductive polymer.

본 발명은 이온 전도성 고분자 및 이를 이용한 고분자 전해질 막의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가교 고분자를 이용하여 우수한 이온전도도, 기계적 성질 및 화학 안정성을 갖는 고분자 전해질 막 및 이의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
The present invention relates to an ion conductive polymer and a method for producing a polymer electrolyte membrane using the same, and more particularly, to provide a polymer electrolyte membrane having excellent ion conductivity, mechanical properties, and chemical stability using a crosslinked polymer and a method for producing the same. .

화석연료의 무분별한 사용으로 인하여 발생하는 이산화탄소 등 온실가스 및 오염가스의 배출로 인한 문제점은 지구의 온난화 및 기후변화를 야기하여 인류의 생존을 위협하는 등 오래전부터 많은 이슈가 되었다. 그로 인하여 신·재생에너지 및 친환경 대체에너지원에 대한 많은 연구가 이루어지고 있으며 여러 가지 대체에너지원 중 양이온 교환막 연료전지(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)를 비롯한 연료전지 대한 관심이 증가하고 있다. 양이온 교환막 연료전지는 전해질로써 수소 이온 교환특성을 갖는 양이온 교환막을 전해질로 사용하며 이것을 사이에 두고 산화전극과 환원 전극으로 구성되어 있다. Problems caused by the emission of greenhouse gases and pollutants such as carbon dioxide, which are caused by the indiscriminate use of fossil fuels, have been a long-standing issue since they have caused global warming and climate change and threatened the survival of mankind. As a result, much research has been conducted on new and renewable energy and environmentally friendly alternative energy sources, and interest in fuel cells including proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) among various alternative energy sources is increasing. The cation exchange membrane fuel cell uses a cation exchange membrane having hydrogen ion exchange characteristics as an electrolyte, and is composed of an oxidation electrode and a reduction electrode therebetween.

이론적으로 연료전지는 산소와 수소를 연료로 사용하여 전기에너지와 부산물로써 물 이외에 어떠한 오염물질도 발생시키지 않는 무공해 기술이다. 또한 다른 발전방식과는 다르게 소음 및 발열 등의 공해가 전혀 없는 깨끗한 에너지원일 뿐만 아니라 기존 20%의 에너지 변환효율을 보이는 디젤 기관에 비하여 60%-80%의 효율을 가진다. 이러한 장점에도 불구하고 작동조건인 산성분위기 하에서 낮은 산소환원반응 뿐만 아니라 전기화학적인 이유로 인하여 값비싼 귀금속인 백금을 사용하여 비용적으로 상용화에 어려운 문제가 발생한다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 최근에 많은 주목을 받는 것이 음이온 교환막 알칼리 연료전지(anion exchange membrane alkaline fuel cell, AEMAFC)이다. 음이온 교환막 연료전지는 양이온 교환막 연료전지와는 다르게 H+가 아닌 OH-를 전도 매개체로 하여 작동하는 원리이다. 높은 pH 조건하에서 연료전지를 작동함으로써 산소환원반응이 매우 빨라 전지 효율이 높고 백금이 아닌 은이나 니켈 같은 저가의 금속촉매를 사용하여도 원하는 활성을 얻음으로써 가격적인 측면에서 상용화에 유리한 이점이 있다.Theoretically, fuel cells are pollution-free technologies that use oxygen and hydrogen as fuels to generate no pollutants other than water as electrical energy and by-products. Unlike other power generation methods, it has a 60% -80% efficiency as compared with a diesel engine that has 20% energy conversion efficiency as well as a clean energy source that has no pollution such as noise and heat. Despite these advantages, it is difficult to commercialize platinum as expensive noble metal due to electrochemical reasons as well as a low oxygen reduction reaction in an acidic atmosphere which is an operating condition. To solve this problem, anion exchange membrane alkaline fuel cell (AEMAFC) has received much attention in recent years. Unlike cation exchange membrane fuel cell, anion exchange membrane fuel cell operates by using OH - as a conduction medium instead of H + . By operating the fuel cell under high pH conditions, the oxygen reduction reaction is very fast and the cell efficiency is high and the desired activity is obtained even by using a low-cost metal catalyst such as silver or nickel other than platinum, which is advantageous for commercialization in terms of price.

반면, 이러한 장점에도 불구하고 양이온 교환막 연료전지에 비하여 낮은 이온전도도 및 알칼리 조건하에서 낮은 화학적 안정성으로 인해 개발에 어려움을 겪고 있다. 특히 화학적 안정성을 해결하는 것이 더욱 시급한 문제이며 이를 위해 여러 연구들이 진행되고 있다. On the other hand, despite these advantages, it is difficult to develop due to its low ionic conductivity and low chemical stability under alkaline conditions compared with cation exchange membrane fuel cells. Particularly, solving the chemical stability is a more urgent problem, and various studies are under way.

음이온 교환막의 화학적 안정성에 영향을 미치는 요소는 주쇄고분자 및 전도기의 열화이다. 주쇄고분자의 경우 전자 끌개가 존재하는 poly(ether ether ketone), poly(ether sulfone ketone) 등은 OH-에 의해 열화가 발생하는 문제점을 갖는다(비특허문헌 1). Factors affecting the chemical stability of the anion exchange membrane are degradation of the main chain polymer and the conductivity. In the case of the main chain polymer, poly (ether ether ketone) and poly (ether sulfone ketone) in which an electron attracting agent exists are deteriorated by OH - (Non-Patent Document 1).

따라서, 본 발명에서는 우수한 알칼리 안정도를 가지는 환원제을 제조하기 위하여 전자 끌개가 없고 저렴하며 우수한 기계적 강도를 가지는 poly(2,6-dimethyl-1,4-phenylene oxide) 고분자에 Friedel-Crafts acylation 및 환원을 이용하여 분자량의 변화없이 spacer-type의 전도기를 도입하였으며, 이는 음이온 교환막으로 제조하였을 때 이온전도도 및 알칼리 안정성, 기계적 강도 등의 우수한 특성을 나타내었다.
Therefore, in order to prepare a reducing agent having excellent alkali stability, the present invention utilizes Friedel-Crafts acylation and reduction to a poly (2,6-dimethyl-1,4-phenylene oxide) polymer having no electron attracting agent, Spacer-type conductors were introduced without any change in molecular weight, and this exhibited excellent properties such as ionic conductivity, alkali stability and mechanical strength when prepared as an anion exchange membrane.

Y.-K. Choe, C. Fujimoto, K.-S. Lee, L. T. Dalton, K. Ayers, N. J. Henson, and Y. S. Kim, "Alkaline stability of benzyl trimethyl ammonium functionalized polyaromatics: A computational and experimental study" Chem. Mater., 26, 5675 (2014). Y.-K. Choe, C. Fujimoto, K.-S. Lee, L. T. Dalton, K. Ayers, N.J. Henson, and Y. S. Kim, "Alkaline stability of benzyl trimethyl ammonium functionalized polyaromatics: A computational and experimental study" Chem. Mater., 26, 5675 (2014).

본 발명의 목적은 종래 고분자 전해질 막의 문제점인 우수한 알칼리 안정도를 가지는 고분자 전해질 막을 제조하기 위하여 전자 끌개가 없고 저렴하며 우수한 기계적 강도를 가지는 폴리페닐렌 옥사이드 고분자에 아실화 반응 및 환원 반응을 이용하여 분자량의 변화없이 spacer-type의 전도기를 도입한 가교 고분자를 제공하고자 하는 것이다.An object of the present invention is to provide a polymer electrolyte membrane having excellent alkali stability which is a problem of conventional polymer electrolyte membranes, and it is an object of the present invention to provide a polyelectrolyte membrane which is free from an electron attracting agent, The present invention provides a crosslinked polymer having a spacer-type conductive agent without any change.

또한, 상기 가교 고분자를 이용하여 고분자 전해질 막으로 제조함으로써 이온전도도 및 알칼리 안정성, 기계적 강도 등의 우수한 특성을 나타내는 고분자 전해질 막을 제공하고자 하는 것이다.
Also, it is an object of the present invention to provide a polymer electrolyte membrane having excellent characteristics such as ionic conductivity, alkali stability and mechanical strength by using the crosslinked polymer as a polymer electrolyte membrane.

본 발명의 대표적인 일 측면에 따르면, 하기 화학식 1로 표시되는 이온전도성 고분자에 관한 것이다.According to a representative aspect of the present invention, there is provided an ion conductive polymer represented by the following general formula (1).

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

(단, 상기 화학식 1에서,(Wherein, in the above formula (1)

상기 R1, R2는 서로 동일하며 수소 또는 C1-C5의 알킬기이고,R 1 and R 2 are the same as each other and are hydrogen or a C 1 -C 5 alkyl group,

상기 R3, R5는 서로 동일하며 수소 또는 C1-C5의 알킬기이며,R 3 and R 5 are the same as each other and are hydrogen or a C 1 -C 5 alkyl group,

상기 R6, R8은 서로 동일하며 수소 또는 C1-C5의 알킬기이고,R 6 and R 8 are the same as each other and are hydrogen or a C 1 -C 5 alkyl group,

상기 R9, R10은 서로 동일하며 수소 또는 C1-C5의 알킬기이며,R 9 and R 10 are the same as each other and are hydrogen or a C 1 -C 5 alkyl group,

상기 R4는 -(CH)x-N+(A)2-,

Figure pat00002
,
Figure pat00003
,
Figure pat00004
Figure pat00005
중에서 선택되며,R 4 is - (CH 2) xN + (A) 2 -,
Figure pat00002
,
Figure pat00003
,
Figure pat00004
And
Figure pat00005
Lt; / RTI >

상기 R7은 -(CH)x-N+(A)3,

Figure pat00006
,
Figure pat00007
,
Figure pat00008
Figure pat00009
중에서 선택되며,Wherein R < 7 > is - (CH) xN + (A) 3 ,
Figure pat00006
,
Figure pat00007
,
Figure pat00008
And
Figure pat00009
Lt; / RTI >

상기 A는 -(CH)y이고,Wherein A is - (CH) y,

상기 l은 56-66의 자연수, m은 8-14의 자연수, n은 26-30의 자연수, 상기 x는 1-7의 자연수, y는 1-3의 자연수이다.Where l is a natural number of 56-66, m is a natural number of 8-14, n is a natural number of 26-30, x is a natural number of 1-7, and y is a natural number of 1-3.

본 발명의 다른 대표적인 일 측면에 따르면, 상기 고분자가 가교되어 형성되는 이온전도성 가교 고분자에 관한 것이다.According to another exemplary aspect of the present invention, an ion conductive crosslinked polymer is formed by crosslinking the polymer.

상기 이온전도성 가교 고분자는 하기 화학식 3으로 표시되는 골격을 갖는 것이 바람직하다.It is preferable that the ionically conductive crosslinked polymer has a skeleton represented by the following formula (3).

[화학식 3](3)

Figure pat00010
Figure pat00010

(단, 상기 화학식 3에서,(Wherein, in Formula 3,

상기 R1, R2는 서로 동일하며 수소 또는 C1-C5의 알킬기이고,R 1 and R 2 are the same as each other and are hydrogen or a C 1 -C 5 alkyl group,

상기 R3, R5는 서로 동일하며 수소 또는 C1-C5의 알킬기이며,R 3 and R 5 are the same as each other and are hydrogen or a C 1 -C 5 alkyl group,

상기 R6, R8은 서로 동일하며 수소 또는 C1-C5의 알킬기이고,R 6 and R 8 are the same as each other and are hydrogen or a C 1 -C 5 alkyl group,

상기 R9, R10은 서로 동일하며 수소 또는 C1-C5의 알킬기이며,R 9 and R 10 are the same as each other and are hydrogen or a C 1 -C 5 alkyl group,

상기 R4는 -(CH)x-N+(A)2-,

Figure pat00011
,
Figure pat00012
,
Figure pat00013
Figure pat00014
중에서 선택되며,R 4 is - (CH 2) xN + (A) 2 -,
Figure pat00011
,
Figure pat00012
,
Figure pat00013
And
Figure pat00014
Lt; / RTI >

상기 R7은 -(CH)x-N+(A)3,

Figure pat00015
,
Figure pat00016
,
Figure pat00017
Figure pat00018
중에서 선택되며,Wherein R < 7 > is - (CH) xN + (A) 3 ,
Figure pat00015
,
Figure pat00016
,
Figure pat00017
And
Figure pat00018
Lt; / RTI >

상기 R11은 -(CH)x- 이고,Wherein R < 11 > is - (CH) x-,

상기 A는 -(CH)y이며,A is - (CH) y,

상기 l은 56-66의 자연수, m은 8-14의 자연수, n은 26-30의 자연수, x는 1-7의 자연수, y는 1-3의 자연수이다.)Where l is a natural number of 56-66, m is a natural number of 8-14, n is a natural number of 26-30, x is a natural number of 1-7, and y is a natural number of 1-3.

본 발명의 또 다른 대표적인 일 측면에 따르면, 상기 이온전도성 가교 고분자를 포함하는 고분자 전해질 막에 관한 것이다.According to another exemplary aspect of the present invention, there is provided a polymer electrolyte membrane comprising the ionically conductive crosslinked polymer.

상기 고분자 전해질 막은 60 내지 70 mS/cm(80 ℃)의 이온전도도를 갖는 것이 바람직하다.The polymer electrolyte membrane preferably has an ion conductivity of 60 to 70 mS / cm (80 DEG C).

본 발명의 또 다른 대표적인 일 측면에 따르면, 상기 고분자 전해질 막을 포함하는 연료전지에 관한 것이다.According to another exemplary aspect of the present invention, there is provided a fuel cell including the polymer electrolyte membrane.

본 발명의 또 다른 대표적인 일 측면에 따르면, (A) 폴리페닐렌 옥사이드 고분자를 아실화하는 단계;According to another exemplary aspect of the present invention, there is provided a method for producing a polyphenylene oxide polymer, comprising: (A) acylating a polyphenylene oxide polymer;

(B) 상기 아실화된 고분자를 환원시키는 단계;(B) reducing the acylated polymer;

(C) 상기 환원된 고분자 용액에 가교제를 넣고 반응시켜 가교 고분자를 합성한 후 막으로 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막의 제조방법에 관한 것이다.(C) preparing a crosslinked polymer by adding a crosslinking agent to the reduced polymer solution to prepare a crosslinked polymer, and then producing the polymer electrolyte membrane.

상기 제조방법은 (D) 상기 (C) 단계를 통해 제조된 막을 치환 용액에 담지시키는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.The method may further include (D) supporting the membrane prepared in the step (C) in a replacement solution.

상기 치환 용액은 trimethylamine, imidazole, morpholine 및 piperidine, guanidine 중에서 선택되는 어느 하나인 것이 바람직하다.Preferably, the replacement solution is selected from trimethylamine, imidazole, morpholine, piperidine, and guanidine.

상기 가교제는 N,N,N',N'-tetramethyl-1,6-hexanediamine, N,N,N',N'-Tetramethyl-1,4-butanediamine 및N,N,N',N'-Tetramethyl-1,8-octanediamine 중에서 선택된 1종 이상인 것이 바람직하다.The crosslinking agent may be selected from the group consisting of N, N, N ', N'-tetramethyl-1,6-hexanediamine, N, N, N', N'-Tetramethyl- -1,8-octanediamine, and the like.

상기 (C) 단계에서 상기 환원된 고분자는 용매에 용해시켜 용액으로 제조하고,In the step (C), the reduced polymer is dissolved in a solvent to prepare a solution,

상기 용매는 N-methyl-2-pyrrolidone, N,N-Dimethylmethanamide, Dimethyl sulfoxide 및 Acetonitrile 중에서 선택된 1종 이상인 것이 바람직하다.The solvent is preferably at least one selected from N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylmethanamide, dimethyl sulfoxide and acetonitrile.

상기 (C) 단계는 상기 환원된 고분자 용액에 가교제를 넣고 패트리 디쉬에 부어 진공 오븐 안에서 50 내지 70 ℃의 온도에서 10 내지 30 시간 동안 건조시키는 1차 건조단계; 및The step (C) may include: a primary drying step in which a crosslinking agent is added to the reduced polymer solution and poured into a Patry Dish and dried in a vacuum oven at a temperature of 50 to 70 ° C for 10 to 30 hours; And

상기 1차 건조 단계 후에 70 내지 90 ℃의 온도에서 1 내지 10 시간 동안 건조시키는 2차 건조단계;를 포함하는 것이 바람직하다.
And a second drying step in which the drying is performed at a temperature of 70 to 90 DEG C for 1 to 10 hours after the primary drying step.

본 발명의 여러 구현예에 따르면, 전자 끌개가 없고 저렴하며 우수한 기계적 강도를 가지는 폴리페닐렌 옥사이드 고분자에 아실화 반응 및 환원 반응을 이용하여 분자량의 변화없이 spacer-type의 전도기를 도입한 가교 고분자를 제조할 수 있다.According to various embodiments of the present invention, a crosslinked polymer having a spacer-type conductive group introduced into a polyphenylene oxide polymer having no electron attracting agent, low cost, and excellent mechanical strength and having no molecular weight change by acylation reaction and reduction reaction Can be manufactured.

또한, 상기 가교 고분자를 이용하여 제조한 고분자 전해질 막은 이온전도도 및 알칼리 안정성, 기계적 강도 등의 우수한 특성을 나타낸다.
In addition, the polymer electrolyte membrane prepared using the crosslinked polymer exhibits excellent properties such as ionic conductivity, alkali stability, and mechanical strength.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 실시예 1의 고분자 전해질 막(X11AQ27-PPO)을 나타낸 이미지이다.
도 2는 제조예의 고분자를 1H NMR spectra로 측정한 결과를 나타낸 것으로, (a)는 제조예 1(Ac38-PPO), (b)는 CDCl3 안의 제조예 2(A38-PPO)을 나타낸다.
도 3은 제조예의 고분자를 FR-IR로 측정한 결과를 나타낸 것으로, (a)는 PPO, (b)는 제조예 1(Ac38-PPO), (c)는 제조예 2(A38-PPO)를 나타낸다.
도 4는 제조예 1(Ac38-PPO), 2(A38-PPO)의 고분자를 GPC로 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 실시예 1의 고분자 전해질 막(X11AQ27-PPO) AFM으로 분석한 이미지이다.
도 6은 실시예 1의 고분자 전해질 막(X11AQ27-PPO)의 Stress-strain curves을 나타낸 것이다.
도 7은 실시예 1의 고분자 전해질 막(X11AQ27-PPO)을 80 ℃ 온도의 물에서 1000 시간 동안 보관하기 전(0 h)과 후(1000 h)로 나누어 FT-IR을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
1 is an image showing a polymer electrolyte membrane (X11AQ27-PPO) of Example 1 according to an embodiment of the present invention.
Fig. 2 shows the result of measurement of the polymer of the production example by 1 H NMR spectra, wherein (a) shows Production Example 1 (Ac38-PPO) and (b) shows Production Example 2 (A38-PPO) in CDCl 3 .
(A38-PPO) in Production Example 1 (Ac38-PPO), (c) in Production Example 2 (A38-PPO) .
4 shows the measurement results of polymers of Production Example 1 (Ac38-PPO), 2 (A38-PPO) by GPC.
5 is an image of the polymer electrolyte membrane (X11AQ27-PPO) AFM of Example 1. Fig.
6 shows the stress-strain curves of the polymer electrolyte membrane (X11AQ27-PPO) of Example 1. Fig.
7 shows FT-IR measurement results obtained by dividing the polymer electrolyte membrane (X11AQ27-PPO) of Example 1 by water (0 h) and after (1000 h) before storage at 80 ° C for 1000 hours .

이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 살펴보도록 한다.Hereinafter, various aspects and various embodiments of the present invention will be described in more detail.

본 발명의 일 측면에 따르면, 하기 화학식 1로 표시되는 이온전도성 고분자를 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an ion conductive polymer represented by the following general formula (1).

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Figure pat00019
Figure pat00019

상기 화학식 1에서,In Formula 1,

상기 R1, R2는 서로 동일하며 수소 또는 C1-C5의 알킬기이고,R 1 and R 2 are the same as each other and are hydrogen or a C 1 -C 5 alkyl group,

상기 R3, R5는 서로 동일하며 수소 또는 C1-C5의 알킬기이며,R 3 and R 5 are the same as each other and are hydrogen or a C 1 -C 5 alkyl group,

상기 R6, R8은 서로 동일하며 수소 또는 C1-C5의 알킬기이고,R 6 and R 8 are the same as each other and are hydrogen or a C 1 -C 5 alkyl group,

상기 R9, R10은 서로 동일하며 수소 또는 C1-C5의 알킬기이며,R 9 and R 10 are the same as each other and are hydrogen or a C 1 -C 5 alkyl group,

상기 R4는 -(CH)x-N+(A)2-,

Figure pat00020
,
Figure pat00021
,
Figure pat00022
Figure pat00023
중에서 선택되며,R 4 is - (CH 2) xN + (A) 2 -,
Figure pat00020
,
Figure pat00021
,
Figure pat00022
And
Figure pat00023
Lt; / RTI >

상기 R7은 -(CH)x-N+(A)3,

Figure pat00024
,
Figure pat00025
,
Figure pat00026
Figure pat00027
중에서 선택되며,Wherein R < 7 > is - (CH) xN + (A) 3 ,
Figure pat00024
,
Figure pat00025
,
Figure pat00026
And
Figure pat00027
Lt; / RTI >

상기 A는 -(CH)y이고,Wherein A is - (CH) y,

상기 l은 56-66의 자연수, m은 8-14의 자연수, n은 26-30의 자연수, 상기 x는 1-7의 자연수, 상기 y는 1-3의 자연수이다.Wherein l is a natural number of 56-66, m is a natural number of 8-14, n is a natural number of 26-30, x is a natural number of 1-7, and y is a natural number of 1-3.

상기 R4 또는 R7은 상술한 질소계 양이온 이외에도 포스포늄 이온, 설포늄 이온 및 Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn과 같은 전이금속 이온 중에서 선택될 수 있다.The R 4 or R 7 may be selected from a transition metal ion such as a phosphonium ion, a sulfonium ion and Mn, Fe, Co, Ni, Cu, and Zn in addition to the nitrogen-based cation described above.

상기 이온전도성 고분자는 하기 화학식 2로 표시되는 것이 더욱 바람직하다.The ion conductive polymer is more preferably represented by the following formula (2).

[화학식 2](2)

Figure pat00028
Figure pat00028

(단, 상기 R1 내지 R3, R5, R6, R8 내지 R10은 상기 화학식 1과 동일하고, 상기 R4는 -(CH)x-N+(CH3)2-이고, 상기 R7은 -(CH)x-N+(CH3)3이다(x=1-7의 자연수).)(Note that the R 1 to R 3, R 5, R 6 , R 8 to R 10 are as defined in the general formula 1, wherein R 4 is - (CH) xN + (CH 3) 2 - , and wherein R 7 It is - (CH) xN + (CH 3) 3 a (a natural number of x = 1-7)).

본 발명의 다른 측면에 따르면, 하기 고분자가 가교되어 형성되는 이온전도성 가교 고분자를 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided an ionically conductive crosslinked polymer in which the polymer is formed by crosslinking.

상기 이온전도성 가교 고분자는 하기 화학식 3로 표시되는 골격을 갖는 것이 바람직하다.It is preferable that the ionically conductive crosslinked polymer has a skeleton represented by the following formula (3).

[화학식 3](3)

Figure pat00029
Figure pat00029

(단, 상기 화학식 3에서,(Wherein, in Formula 3,

상기 R1, R2는 서로 동일하며 수소 또는 C1-C5의 알킬기이고,R 1 and R 2 are the same as each other and are hydrogen or a C 1 -C 5 alkyl group,

상기 R3, R5는 서로 동일하며 수소 또는 C1-C5의 알킬기이며,R 3 and R 5 are the same as each other and are hydrogen or a C 1 -C 5 alkyl group,

상기 R6, R8은 서로 동일하며 수소 또는 C1-C5의 알킬기이고,R 6 and R 8 are the same as each other and are hydrogen or a C 1 -C 5 alkyl group,

상기 R9, R10은 서로 동일하며 수소 또는 C1-C5의 알킬기이며,R 9 and R 10 are the same as each other and are hydrogen or a C 1 -C 5 alkyl group,

상기 R4는 -(CH)x-N+(A)2-,

Figure pat00030
,
Figure pat00031
,
Figure pat00032
Figure pat00033
중에서 선택되며,R 4 is - (CH 2) xN + (A) 2 -,
Figure pat00030
,
Figure pat00031
,
Figure pat00032
And
Figure pat00033
Lt; / RTI >

상기 R7은 -(CH)x-N+(A)3,

Figure pat00034
,
Figure pat00035
,
Figure pat00036
Figure pat00037
중에서 선택되며,Wherein R < 7 > is - (CH) xN + (A) 3 ,
Figure pat00034
,
Figure pat00035
,
Figure pat00036
And
Figure pat00037
Lt; / RTI >

상기 R11은 -(CH)x- 이고,Wherein R < 11 > is - (CH) x-,

상기 A는 -(CH)y이며,A is - (CH) y,

상기 l은 65-70의 자연수, m은 20-25의 자연수, n은 5-10의 자연수, x는 1-7의 자연수, y는 1-3의 자연수이다.)Where l is a natural number of 65-70, m is a natural number of 20-25, n is a natural number of 5-10, x is a natural number of 1-7, and y is a natural number of 1-3.

더욱 바람직하게는 상기 R4는 -(CH)x-N+(CH3)2-, 상기 R7은 -(CH)x-N+(CH3)3인 것으로, 전해질 막의 이온전도도와 기계적 물성의 효과가 가장 뛰어난 것을 확인하였다.
More preferably, R 4 is - (CH 2) xN + (CH 3 ) 2 -, and R 7 is - (CH 2) xN + (CH 3 ) 3 and the ionic conductivity and mechanical properties of the electrolyte membrane are most effective I confirmed it was excellent.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, (A) 폴리페닐렌 옥사이드 고분자를 아실화하는 단계;According to another aspect of the present invention, there is provided a process for producing a polyphenylene oxide polymer, comprising: (A) acylating a polyphenylene oxide polymer;

(B) 상기 아실화된 고분자를 환원시키는 단계;(B) reducing the acylated polymer;

(C) 상기 환원된 고분자 용액에 가교제를 넣고 반응시켜 가교 고분자를 합성한 후 막으로 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막의 제조방법을 제공한다.(C) preparing a crosslinked polymer by adding a crosslinking agent to the reduced polymer solution to form a crosslinked polymer, and then producing the polymer electrolyte membrane.

상기 제조방법은 (D) 상기 (C) 단계를 통해 제조된 막을 치환 용액에 담지시키는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.The method may further include (D) supporting the membrane prepared in the step (C) in a replacement solution.

상기 (A) 단계는 폴리페닐렌 옥사이드 고분자를 아실화하는 단계이다.The step (A) is a step of acylating the polyphenylene oxide polymer.

보다 상세하게는, 먼저, (ⅰ) 상기 폴리페닐렌 옥사이드 고분자를 용매에 넣고 30 내지 50 ℃의 온도로 가열한 후 용해시키고 상온으로 냉각시킨 후, 여기에 전도기를 도입하기 위한 전구체를 투입하고 분산시키는 것이 바람직하다. 그리고 분산이 완료되면 충분한 반응이 일어날 수 있도록 상온에서 1 내지 5시간 동안 교반하는 것이 바람직하다. 반응이 완료되면 세척수로 세척한 후 여과하여 건조시키는 것이 바람직하다.(I) the polyphenylene oxide polymer is dissolved in a solvent at a temperature of 30 to 50 DEG C, and the solution is cooled to room temperature. Thereafter, a precursor for introducing a conductive group is added thereto and dispersed . And stirring is carried out at room temperature for 1 to 5 hours so that sufficient reaction can occur when the dispersion is completed. When the reaction is completed, it is preferable to wash with washing water and then to dry by filtration.

상기 전도기를 도입하기 위한 전구체는 AlCl3, 6-bromohexanoyl chloride, 4-bromobutyryl chloride, 5-bromobutyryl chloride, 6-bromobutyryl chloride, 7-bromobytyryl chlorride 및 8-bromoctanoyl chloride 중에서 선택된 1종 이상인 것이 바람직하다. The precursor for introducing the conductive group is preferably at least one selected from AlCl 3 , 6-bromohexanoyl chloride, 4-bromobutyryl chloride, 5-bromobutyryl chloride, 6-bromobutyryl chloride, 7-bromobytyryl chlorride and 8-bromoctanoyl chloride.

더욱 바람직하게는 AlCl3로, 상기 AlCl3와 6-bromohexanoyl chloride를 사용했을 때, 아실화 전환율이 30% 이상임을 확인하였다. More preferably, when AlCl 3 and 6-bromohexanoyl chloride are used as AlCl 3 , the conversion of acylation is 30% or more.

상기 (B) 단계는 상기 (A) 단계를 통해 아실화된 고분자를 환원시키는 단계로, 상기 환원은 고분자 내 카보닐기 옆의 산성을 띄는 수소가 OH-에 의하여 카보음이온을 형성하고 전도기의 열화를 촉진하는 문제를 야기하기 때문에 꼭 필요한 공정이다.The step (B) is a step of reducing the acylated polymer through the step (A), wherein the acid which is adjacent to the carbonyl group in the polymer is reduced by OH - to form a carbanion and the deterioration of the conductivity It is a necessary process because it causes problems to promote.

상기 아실화된 고분자는 용매에 용해시킨 후 반응기에 넣고, (ⅱ) 여기에 trifluoroacetic acid 및 triethylsilane를 넣고 반응기의 온도를 80 내지 120 ℃까지 승온시켜 10 내지 30시간 동안 반응시키는 것이 바람직하다. 반응이 종료된 용액은 KOH 등과 같은 염기성 용액으로 중화시킨 후, 세척하고 여과하여 건조시키는 것이 바람직하다. The acylated polymer is dissolved in a solvent and then charged into a reactor. (Ii) Trifluoroacetic acid and triethylsilane are added thereto, and the temperature of the reactor is elevated to 80 to 120 ° C., and the reaction is carried out for 10 to 30 hours. The solution in which the reaction has been completed is preferably neutralized with a basic solution such as KOH, washed, filtered and dried.

상기 (A), (B) 단계에서 고분자를 용해시키기 위한 용매로는 1,2-dichloroethane, dichloromethane 및 chloroform 중에서 선택된 1종 이상인 것이 바람직하다. The solvent for dissolving the polymer in the steps (A) and (B) is preferably at least one selected from 1,2-dichloroethane, dichloromethane and chloroform.

상기 (ⅰ), (ⅱ)에서의 반응 온도, 시간 및 냉각 조건과, (ⅲ) 상기 전도기를 도입하기 위한 전구체는 AlCl3와 6-bromohexanoyl chloride를 사용하고, (ⅳ) 상기 (B) 단계의 환원시키기 위한 반응물질로, trifluoroacetic acid 및 triethylsilane를 사용하는 것이 가장 바람직한데, 만일 상기 (ⅰ) 내지 (ⅳ) 조건을 하나라도 벗어나는 경우에는 고분자의 수득률이 80% 이하로 급격히 저하되는 것을 확인하였다.(Iii) using AlCl 3 and 6-bromohexanoyl chloride as precursors for introducing the conductive group, and (iv) using the reaction mixture obtained in step (B) It is most preferable to use trifluoroacetic acid and triethylsilane as the reactants for reduction. If the conditions (i) to (iv) are exceeded, the yield of the polymer sharply decreases to 80% or less.

상기 (C) 단계는 상기 (B) 단계를 통해 환원된 고분자 용액에 가교제를 넣고 반응시켜 가교 고분자를 합성한 후 막으로 제조하는 단계이다.In the step (C), a cross-linking agent is added to the polymer solution reduced through the step (B), and the cross-linked polymer is synthesized to react as a membrane.

보다 상세하게는, 상기 (B) 단계를 통해 환원된 고분자 용액에 가교제를 넣고 패트리 디쉬에 부어 진공 오븐 안에서 50 내지 70 ℃의 온도에서 10 내지 30 시간 동안 건조시키는 1차 건조단계; 및More specifically, a primary drying step in which a crosslinking agent is added to the reduced polymer solution through the step (B), poured into a Patri dish and dried in a vacuum oven at a temperature of 50 to 70 ° C for 10 to 30 hours; And

상기 1차 건조 단계 후에 70 내지 90 ℃의 온도에서 1 내지 10 시간 동안 건조시키는 2차 건조단계;를 포함하는 것이 바람직하다. And a second drying step in which the drying is performed at a temperature of 70 to 90 DEG C for 1 to 10 hours after the primary drying step.

상기 용매는 N-methyl-2-pyrrolidone, N,N-Dimethylmethanamide, Dimethyl sulfoxide 및 Acetonitrile 중에서 선택된 1종 이상인 것이 바람직하다. The solvent is preferably at least one selected from N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylmethanamide, dimethyl sulfoxide and acetonitrile.

상기 상기 가교제는 N,N,N',N'-tetramethyl-1,6-hexanediamine, N,N,N',N'-Tetramethyl-1,4-butanediamine 및N,N,N',N'-Tetramethyl-1,8-octanediamine 중에서 선택된 1종 이상인 것이 바람직하다. Wherein the crosslinking agent is selected from the group consisting of N, N, N ', N'-tetramethyl-1,6-hexanediamine, N, N, N', N'- And tetramethyl-1,8-octanediamine.

상기 (D) 단계는 상기 (C) 단계를 통해 제조된 막을 치환 용액에 담지시켜 치환기를 도입하는 단계이다.In the step (D), the membrane prepared in the step (C) is supported on a replacement solution to introduce a substituent.

상기 치환 용액은 trimethylamine, imidazole, morpholine 및 piperidine, guanidine 중에서 선택되는 어느 하나인 것이 바람직하다.
Preferably, the replacement solution is selected from trimethylamine, imidazole, morpholine, piperidine, and guanidine.

이하에서 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하며, 다만 이하에 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 또한, 이하의 실시예를 포함한 본 발명의 개시 내용에 기초한다면, 구체적으로 실험 결과가 제시되지 않은 본 발명을 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있음은 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and the like, but the scope and content of the present invention can not be construed to be limited or limited by the following Examples. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the following claims. It is natural that it belongs to the claims.

또한 이하에서 제시되는 실험 결과는 상기 실시예 및 비교예의 대표적인 실험 결과만을 기재한 것이며, 아래에서 명시적으로 제시하지 않은 본 발명의 여러 구현예의 각각의 효과는 해당 부분에서 구체적으로 기재하도록 한다.
In addition, the experimental results presented below only show representative experimental results of the embodiments and the comparative examples, and the respective effects of various embodiments of the present invention which are not explicitly described below will be specifically described in the corresponding part.

시약reagent

본 실시예에서 사용된 주쇄 고분자로는 poly(2,6-dimethyl-1,4-phenylene oxide)(PPO, Asahi kasei, Japan)로 Mn : 20.5 kg mol-1, Mw : 49.7 kg mol-1, PDI : 2.42 제품을 사용하였다. 용매로는 1,2-dichloroethane (DCE, > 99%, Sigma-Aldrich) 및 N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP, 99%, Daejung chemical, Korea)를 사용하였다. 그리고 acylation 반응을 위한 반응화합물로 aluminium chloride(AlCl3, 99.9%, Sigma-Aldrich)와 6-bromohexanoyl chloride(97%, Sigma-Aldrich)을 사용하였다. 또, 환원을 위한 반응화합물로 trifluoroacetic acid(TFA, > 99%,TCI), triethylsilane (Et3SiH, > 98%, TCI)를 사용하였고, 가교제는 N,N,N`,N`-Tetramethyl-1,6-hexanediamine(TMHDA, 99%, Sigma-Aldrich)를 사용하였다. 침전 및 세척 용매로 메탄올(Methanol, Daejung chemical, Korea)을 사용하였고 아민화 반응으로 암모늄을 도입하기 위해서 trimethylamine solution (TMA, ~45 wt% in H2O, Sigma-Aldrich)을 사용하였다.
As the main polymer used in this example, 20.5 kg mol -1 of Mn, 49.7 kg mol -1 of Mw, 2 mol of poly (2,6-dimethyl-1,4-phenylene oxide) (PPO, Asahi Kasei, Japan) PDI: 2.42 product was used. 1,2-dichloroethane (DCE,> 99%, Sigma-Aldrich) and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP, 99%, Daejung chemical, Korea) were used as solvents. Aluminum chloride (AlCl 3 , 99.9%, Sigma-Aldrich) and 6-bromohexanoyl chloride (97%, Sigma-Aldrich) were used as reaction compounds for the acylation reaction. Trifluoroacetic acid (TFA,> 99%, TCI), triethylsilane (Et3SiH,> 98%, TCI) was used as a reaction compound for the reduction, and the crosslinking agent was N, N, N`, N`-Tetramethyl- 6-hexanediamine (TMHDA, 99%, Sigma-Aldrich) was used. Methanol (Methanol, Daejung chemical, Korea) was used as a precipitation and washing solvent and trimethylamine solution (TMA, ~ 45 wt% in H 2 O, Sigma-Aldrich) was used to introduce ammonium into the amination reaction.

측정방법How to measure

1. 고분자 분석1. Polymer Analysis

고분자의 합성 여부 및 구조를 확인하기 위하여 1H-Nuclear magnetic resonance spectroscopy(NMR, 400-MR, Agilent) 및 Fourier transform infrared spectroscopy(FT-IR, PerkinElmer)을 이용하여 분석하였고 각 합성 단계의 고분자의 분자량을 polystyrene(600-106 g/mol)으로 교정된 CHCl3 Gel permeation chromatography(GPC, Alliance e2695, Waters)을 통해 확인하였다.The polymer was analyzed by 1 H-nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR, 400-MR, Agilent) and Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR, PerkinElmer) Was confirmed by CHCl 3 Gel permeation chromatography (GPC, Alliance e2695, Waters) calibrated with polystyrene (600-106 g / mol).

2. 함수율(Water uptake, WU) 및 치수안정성(Swelling ratio, SR)2. Water uptake (WU) and swelling ratio (SR)

함수율 및 치수안정성을 측정하기 위해 OH-로 치환된 지름 2 cm 및 두께 50 μm 정도의 원형 분리막을 각각 20 및 80 ℃ 온도의 증류수에서 12 시간 동안 충분히 팽윤시켰다. 그 후 분리막 표면의 수분을 제거하고 무게(Wwet)와 두께(twet) 및 길이(lwet)를 측정하였다. 측정이 끝난 분리막은 80 ℃ 진공오븐에서 건조하며 건조된 무게(Wdry)와 두께(tdry) 및 길이(ldry)를 측정하였으며 각 측정값을 하기 식 (1)-(3)에 대입하여 함수율 및 치수안정성을 계산하였다. In order to measure the water content and dimensional stability, a circular separator with a diameter of 2 cm and a thickness of 50 μm substituted with OH- was sufficiently swelled in distilled water at 20 ° C and 80 ° C for 12 hours, respectively. Then, the moisture on the surface of the membrane was removed, and the weight (Wwet), the thickness (twet) and the length (lwet) were measured. The measured membranes were dried in a vacuum oven at 80 ° C and the dried weight (Wdry), thickness (tdry) and length (ldry) were measured. The measured values were substituted into the following equations (1) - (3) Stability was calculated.

수분 흡수(WUW)(wt%)= [(Wwet - Wdry) / Wdry]×100% (1)Water absorption (WU W ) (wt%) = [(W wet - W dry ) / W dry ]

치수 변화(△t)=[(twet - tdry) / tdry]×100 (2)(T wet - t dry ) / t dry ] x 100 (2)

치수 변화(△l)=[(lwet - ldry) / ldry]×100 (3)Dimensional change (? 1) = [(l wet - l dry ) / l dry ] x 100 (3)

(단, 상기 Wwet 및 Wdry는 각각 젖은 막의 중량 및 건조된 막의 중량이고, twet 및 tdry는 각각 젖은 막의 두께 및 건조된 막의 두께이고, lwet 및 ldry은 각각 젖은 막의 길이 및 건조된 막의 길이이다.)(Where W wet and W dry are respectively the weight of the wet film and the weight of the dried film, t wet and t dry are respectively the thickness of the wet film and the thickness of the dried film, and l wet And l dry are the wet film length and the dried film length, respectively.)

3. 이온교환용량(Ion exchange capacity, IEC)3. Ion exchange capacity (IEC)

이온교환용량(Ion exchange capacity, IEC)은 고분자 무게 대비 전도기의 양을 나타내는 지표이다. 이온교환용량을 확인하기 위해서 역적정 방법(back-titration)으로 측정하여 계산하였다. 음이온 교환막에 대한 이온교환용량을 측정하기 위해 1 M KOH 용액에 함침하여 Br- 음이온을 OH-기로 치환하였다. 그 후 20-30 mg의 교환막을 0.01 M HCl 20 mL 용액에 함침하여 중화시키고, 잔여 H+기를 0.01 M NaOH 용액으로 역적정하여 이온교환용량을 계산하였다. 아래 식의 과 CNaOH은 교환막을 넣지 않고 중화한 NaOH 용액의 부피와 몰농도를, VxNaOH와 CNaOH는 교환막을 넣고 중화한 NaOH 용액의 부피를, Wdry는 건조된 sample의 무게를 나타내고 있다.Ion exchange capacity (IEC) is an indicator of the amount of conductive material relative to the weight of polymer. The ion exchange capacity was determined by back-titration. In order to measure the ion exchange capacity for the anion exchange membrane, Br - anion was replaced with OH - group by impregnation with 1 M KOH solution. 20-30 mg of exchange membrane was then neutralized by impregnation with 20 mL of 0.01 M HCl and the residual H + group was reversed with 0.01 M NaOH solution to calculate the ion exchange capacity. The volume and molarity of the neutralized NaOH solution without the exchange membrane, the volume of the neutralized NaOH solution with VxNaOH and CNaOH exchanged membrane, and the weight of the dried sample, respectively.

4. 기계적 강도4. Mechanical Strength

고분자 전해질 막의 기계적 특성은 Universal Testing Machine(UTM, EZ-TEST E2-L, Shimadzu)를 사용해 OH- 처리가 된 (1 × 4) cm2의 막으로 상온의 상대습도 50% 하에서 5 mm/min의 속도로 측정하였다.The mechanical properties of the polymer electrolyte membranes were (1 × 4) cm 2 membranes OH - treated using a Universal Testing Machine (UTM, EZ-TEST E2-L, Shimadzu) at room temperature and a relative humidity of 50% .

5. 이온전도도5. Ion conductivity

음이온 교환막의 이온전도도는 SP-300 electrochemical impedance spectroscope (Bio Logic Science Instrument, UK)을 사용하였다. 먼저 OH-로 처리된 막을 (1 × 4) cm2 크기로 자르고 4개의 백금 전극의 테프론 셀 전극 사이에 고정하였다. 그 후 물 조건 하에서 2MHz - 100 Hz의 frequency range의 4-probe AC impedance법으로 측정하였으며 전도도는 아래의 공식으로 계산하였다. 아래 식의 L은 전극 사이의 거리이며 R과 A는 각각 막의 impedance 및 면적이다.The ionic conductivity of the anion-exchange membrane was measured by SP-300 electrochemical impedance spectroscope (Bio-Logic Science Instrument, UK). First, the OH - treated film was cut into (1 × 4) cm 2 and fixed between the Teflon cell electrodes of four platinum electrodes. It was then measured by a 4-probe AC impedance method with a frequency range of 2 MHz to 100 Hz under water conditions and the conductivity was calculated by the following formula. Where L is the distance between the electrodes and R and A are the impedance and area of the membrane, respectively.

6. AFM (Atomic Force Microscopy)6. Atomic Force Microscopy (AFM)

AFM은 OH- 처리된 음이온 교환막의 morphology를 관찰하기 위하여 사용되었다. AFM은 Bruker사의 multimode instrument를 사용하였으며 non-contact tapping mode로 반지름이 10 nm이고 힘상수가 40 N/m인 silcon cantilever (NCH-8, nanosensors, f = 300 kHz)를 이용하여 상온의 상대습도 50% 하에서 측정하였다.AFM was used to observe morphology of OH - treated anion exchange membranes. AFM was performed using a Bruker multimode instrument and non-contact tapping mode with a silcon cantilever (NCH-8, nanosensors, f = 300 kHz) with a radius of 10 nm and a force constant of 40 N / %.

7. 알칼리 안정도7. Alkali stability

고분자 전해질 막의 화학적 안정도를 측정하기 위하여 OH-로 치환된 음이온 교환막을 물이 담긴 유리병에 함침하여 80 ℃ 온도의 오븐 하에서 1000 시간 동안 보관하였다. 보관 전 후 막의 IEC를 측정하여 감소한 수치를 분율(%)로 나타내었으며 각 음이온 교환막의 구조를 FT-IR를 이용하여 분석하였다.
In order to measure the chemical stability of the polymer electrolyte membrane, the OH-substituted anion exchange membrane was impregnated with a glass bottle containing water and stored for 1000 hours in an oven at 80 ° C. The IEC of the membranes before and after storage was measured and the reduced values were expressed as a percentage (%). The structure of each anion-exchange membrane was analyzed using FT-IR.

제조예Manufacturing example 1:  One: PPOPPO 고분자의  Polymeric acylationacylation 화(anger( Ac38Ac38 -- PPOPPO ))

먼저, acylation 반응을 진행하기 위한 고분자 용액을 제조하였다. 고분자 용액은 2구 둥근 바닥 플라스크에 PPO 고분자 6 g (50 mmol) 및 1,2-dichloroethane 용매를 90 mL 첨가하여 40 ℃의 온도로 가열 후 용해하고 상온으로 냉각시켜 제조하였다. 다음으로 AlCl3(2.66 g, 20 mmol)을 제조된 고분자 용액에 골고루 분산시켜준 후 6-bromohexanoyl chloride(4.27 g, 20 mmol)를, AlCl3와 동일한 당량으로 반응기에 넣어준 후 상온에서 3 시간 동안 교반하였다. 충분한 반응이 진행된 뒤, 반응이 종료된 용액을 메탄올(500 mL)에 침전 후 3번 세척을 진행하였다. 그리고 세척된 고분자를 여과로 걸러 80 ℃ 온도의 진공오븐에서 건조하였다. 합성된 고분자는 흰색 가루 형태의 수득률은 92%이며 acylation 전환율은 38%이다(하기 반응식 참조).
First, a polymer solution for the acylation reaction was prepared. The polymer solution was prepared by adding 6 g (50 mmol) of PPO polymer and 90 mL of 1,2-dichloroethane solvent to a 2-neck round bottom flask, heating to 40 ° C, dissolving, and cooling to room temperature. Followed by AlCl 3 (2.66 g, 20 mmol ) then gave was evenly dispersed in the polymeric solution 6-bromohexanoyl chloride (4.27 g, 20 mmol) a, then it gave into the reactor in the same equivalent weight with AlCl 3 3 hours at room temperature Lt; / RTI > After the reaction was completed, the reaction solution was precipitated in methanol (500 mL) and washed three times. The washed polymer was filtered and dried in a vacuum oven at 80 ° C. The synthesized polymer had a yield of 92% in the form of a white powder and an acylation conversion of 38% (see the following reaction formula).

제조예Manufacturing example 2:  2: AcylationAcylation anger PPOPPO 고분자의 환원(A38- Reduction of polymer (A38- PPOPPO ))

합성 후 건조를 마친 제조예 1의 Ac38-PPO(6 g, mmol)를 환류 냉각기를 결합한 2구 둥근 바닥 플라스크에 1,2-dichloroethane(200 mL)를 첨가 후 완전히 용해시켜 고분자 용액을 제조하였다. 완전히 용해가 이루어진 용액에 TFA(150 mL) 및 Et3SiH(20 g)을 반응기에 넣어준 후 교반하였다. 그 후, 온도를 100 ℃까지 승온하였고, 24 시간 동안 반응을 진행하였다. 충분한 반응이 진행된 후, 반응이 종료된 용액을 2M KOH 수용액에 천천히 넣어 중화시켜주며 2 시간 동안 세척을 진행하였다. 그 후 반응 용액 및 KOH 수용액을 분별깔대기를 이용해 층분리를 시켜주었으며, 반응 용액층을 메탄올(500 mL)을 이용하여 침전하였다. 그리고 동일하게 메탄올로 3번 세척을 진행해주고 80 ℃ 온도의 진공오븐 하에 건조를 진행하였다. 합성된 고분자는 흰색 가루형태이며 수득률은 86%이다(하기 반응식 참조).
The polymer solution was prepared by adding 1,2-dichloroethane (200 mL) to a 2-necked round bottom flask equipped with a reflux condenser and then completely dissolving Ac38-PPO (6 g, mmol) of Preparation Example 1 after the synthesis. To the completely dissolved solution, TFA (150 mL) and Et 3 SiH (20 g) were added to the reactor and stirred. Thereafter, the temperature was raised to 100 DEG C and the reaction was carried out for 24 hours. After the reaction was completed, the reaction solution was neutralized by slowly adding the solution to 2M KOH aqueous solution and washed for 2 hours. Thereafter, the reaction solution and the KOH aqueous solution were separated using a separating funnel, and the reaction solution layer was precipitated with methanol (500 mL). The same procedure was repeated three times with methanol, followed by drying under a vacuum oven at 80 ° C. The synthesized polymer is in the form of a white powder with a yield of 86% (see the reaction scheme below).

실시예Example 1:  One: PPOPPO membrane( membrane ( X11AQ27X11AQ27 -- PPOPPO )의 제조)

합성 후 건조를 마친 제조예 2의 A38-PPO 고분자 400 mg을 NMP에 완전히 용해시켜 3 wt% 용액을 제조하였다. 완전히 용해가 이루어진 용액에 가교제인 TMHDA 20 mg을 넣고 petri-dish에 부어 진공 오븐 안에서 60 ℃의 온도로 24 시간 동안 용매를 휘발시킨 후 80 ℃의 온도에서 4 시간 동안 건조시켜 막을 제조하였다. 제조된 막의 잔존하는 용매를 제거해주기 위해 물에다 막을 1 시간 동안 세척한 후 실온에서 막을 건조하였다. 건조된 가교 PPO membrane을 아민화시키기 위해 20 wt%의 TMA 용액에 24 시간 동안 함침을 하여 암모늄기로 치환하였다. 충분히 치환된 가교 PPO membrane을 증류수에 여러 번 세척을 진행한 후 보관하였다(하기 반응식 참조).After the synthesis and drying, 400 mg of the A38-PPO polymer of Preparation Example 2 was completely dissolved in NMP to prepare a 3 wt% solution. Twenty milligrams of TMHDA, a crosslinking agent, was added to the completely dissolved solution, and the solution was poured into a petri dish to volatilize the solvent in a vacuum oven at 60 ° C for 24 hours and then dried at 80 ° C for 4 hours to prepare a membrane. The membrane was washed with water for 1 hour to remove residual solvent of the prepared membrane, and then the membrane was dried at room temperature. In order to aminize the dried crosslinked PPO membrane, it was impregnated with 20 wt% TMA solution for 24 hours to replace with ammonium group. The fully substituted crosslinked PPO membrane was washed several times with distilled water and stored (see the reaction scheme below).

[반응식][Reaction Scheme]

Figure pat00038

Figure pat00038

실험예Experimental Example : 이온 전도성 가교 고분자와 상기 가교 고분자를 이용한 전해질 막의 구조 및 분자량 분석: Structure and Molecular Weight Analysis of Ion Conducting Crosslinked Polymer and Electrolyte Membrane Using the Crosslinked Polymer

Spacer-type 형태의 전도기를 가지는 가교형 PPO 고분자 5 (X11AQ27-PPO)를 합성하는 방법은 앞서 상술한 바와 같이 상기 반응식에 나타내었다. 이를 다시 한번 살펴보면, 먼저 고분자 1 (PPO)에 전도기를 도입하기 위한 전구체인 6-bromohexanoyl chloride 및 AlCl3를 고분자 반복단위(120 g/mol) 기준으로 40 mol%로 사용하여 Friedel-Crafts acyaltion 반응으로 고분자 2(Ac38-PPO)를 합성하였다. 그 후 고분자 2 (Ac38-PPO)의 카보닐기를 Et3SiH 및 TFA와 과량 반응시킨 후 -CH2-으로 환원하여 고분자 3 (A38-PPO)을 합성하였다. 이는 카보닐기 옆의 산성을 띄는 수소가 OH-에 의하여 카보음이온을 형성하고 전도기의 열화를 촉진하는 문제를 야기하기 때문이다. 따라서, 위와 같은 방법으로 합성된 제조예 및 실시예의 고분자를 반응 단계마다 1H-NMR, FT-IR 및 GPC를 통하여 확인하였으며, 그 결과를 도 2 내지 4에 나타내었다.A method of synthesizing crosslinked PPO polymer 5 (X11AQ27-PPO) having a spacer-type conductive group is shown in the above reaction scheme as described above. First, the Friedel-Crafts acyaltion reaction was carried out using 40 mol% of 6-bromohexanoyl chloride and AlCl 3 as a repeating unit (120 g / mol) as a precursor for introducing a conductive group into polymer 1 (PPO) Polymer 2 (Ac38-PPO) was synthesized. After that, the carbonyl group of the polymer 2 (Ac38-PPO) was excessively reacted with Et 3 SiH and TFA and then reduced to -CH 2 - to synthesize Polymer 3 (A38-PPO). This is because the acidic hydrogen next to the carbonyl group forms a carbo-anion by OH- and promotes deterioration of the conductivity. Thus, the polymers of the preparation examples and examples synthesized by the above method were confirmed by 1 H-NMR, FT-IR and GPC for each reaction step, and the results are shown in FIGS. 2 to 4.

제조예 1의 고분자 (Ac38-PPO)는 acylation 이후 도입된 전구체의 영향으로 PPO의 벤젠수소 피크인 H2 (6.47 ppm)가 H2a (6.07 ppm)로 이동하게 되며 추가적으로 카보닐기의 알파수소 H6 (2.97ppm) 및 브롬기 옆에 수소인 H7 (3.37 ppm)가 관찰이 되었다. 이때 도입된 아실 단량체의 전환율은 H2 (6.47 ppm) 및 H2a (6.07 ppm) 혹은 H7 (3.37 ppm) 및 H1 (2.07 ppm)의 비율로 계산하였으며 그 결과 38% 비율의 아실 단량체가 도입되었음을 확인하였다(도 2a). 그 후 환원시킨 제조예 2의 고분자(A38-PPO)의 카보닐기의 환원을 확인하기 위하여 1H-NMR 및 FT-IR 분광법을 이용하여 분석을 진행하였다. 먼저 1H-NMR상에서 환원 이후에 H2a (6.07 ppm)의 수소피크들이 모두 사라지고 H2b (6.00 ppm)에 새로운 피크가 나타났으며 마찬가지로 카보닐기 옆의 H6이 모두 사라지고 새로운 벤질의 H8이 생성되었다. 이때 사라진 피크의 적분비와 생성된 피크의 적분 비가 일치하였으며 이를 통해 환원이 모두 일어났다고 간주하였다(도 2b). 추가적으로 카보닐기의 환원을 확인하기 위하여 FT-IR을 측정하였으며 그 결과 스펙트럼에서 acylation 이후에 1700 cm-1에서 카보닐기의 C=O 진동모드 피크가 관찰되었으나 환원 이후에는 관찰되지 않았다(도 3). In the polymer (Ac38-PPO) of Production Example 1, the benzene hydrogen peak H 2 (6.47 ppm) of PPO was moved to H 2a (6.07 ppm) due to the influence of the precursor introduced after acylation, and additionally the alpha hydrogen H 6 (2.97 ppm) and H 7 (3.37 ppm) which is hydrogen beside the bromine group were observed. The conversion of the introduced acyl monomer was calculated by the ratio of H 2 (6.47 ppm) and H 2 a (6.07 ppm) or H 7 (3.37 ppm) and H 1 (2.07 ppm) (Fig. 2A). Thereafter, analysis was carried out using 1 H-NMR and FT-IR spectroscopy to confirm the reduction of the carbonyl group of the polymer (A38-PPO) of Production Example 2 which was reduced. First one hydrogen peak of H 2a (6.07 ppm) after reduction on H-NMR were all disappear H 2b had a new peak appeared in (6.00 ppm), like lost all H 6 next to the carbonyl group H 8 New benzyl . At this time, the integral ratio of the disappearing peak was equal to the integral ratio of the generated peak, and it was considered that all the reduction occurred (FIG. 2B). In addition, FT-IR was measured to confirm the reduction of the carbonyl group. As a result, the C = O mode peak of the carbonyl group was observed at 1700 cm -1 after acylation in the spectrum, but not after the reduction (FIG.

또한, 각 합성단계마다 고분자들의 분자량을 측정하였으며 그 결과를 하기 1 및 도 4에 나타내었다. acylation 이후 제조예 1의 고분자 (Ac38-PPO)의 분자량은 PPO 고분자 대비 Mn과 Mw 모두 증가하나 그 증가폭이 단량체의 무게정도이며 PDI의 큰 변화가 없다. 또한 환원 이후 제조예 2의 고분자 (A38-PPO) Mn과 Mw 모두 제조예 1의 고분자 (Ac38-PPO)보다 감소하나 PPO 고분자보다 높은 수치이며 PDI의 변화는 관찰되지 않았다. 이를 통하여 각 반응 단계에서 추가적인 가교나 고분자 주쇄의 열화가 일어나지 않았음을 확인하였다.In addition, the molecular weights of the polymers were measured at each synthesis step, and the results are shown in the following (1) and (4). After acylation, the molecular weight of the polymer (Ac38-PPO) of Preparation Example 1 increased in both Mn and Mw compared to the PPO polymer, but the increase was about the weight of the monomer and there was no significant change in PDI. Also, Mn and Mw of the polymer (A38-PPO) of Production Example 2 after the reduction were lower than those of the polymer of Production Example 1 (Ac38-PPO) but higher than that of PPO polymer and no change of PDI was observed. As a result, it was confirmed that no additional crosslinking or deterioration of the polymer main chain occurred at each reaction step.

구분division MnMn MwMw PDIPDI PPOPPO 22,00022,000 52,00052,000 2.372.37 Ac38-PPOAc38-PPO 31,00031,000 66,00066,000 2.112.11 A38-PPOA38-PPO 26,00026,000 54,00054,000 2.092.09

4.2. 가교 고분자 전해질 막4.2. Crosslinked polymer electrolyte membrane

실시예 1를 통해 제조된 제조된 고분자 전해질 막의 가교도는 첨가한 가교제가 모두 반응이 되었다고 가정하였다. 첨가한 가교제의 함량(20 mg, 116 mmol)을 400 mg 제조예 2의 고분자 (A38-PPO)에 있는 총 반응자리의 몰 수(834 mmol)로 전환하여 계산한 결과(116/834 × 100%) × 2 (가교제는 반응 자리가 2개)로 가교율은 28%이다. 가교의 성공 여부를 확인하기 위하여 겔 분율 테스트 및 용해도 테스트를 진행하였다. 겔 분율 테스트는 NMP 용매에 무게가 측정된 건조한 고분자 전해질 막을 넣어 상온에서 24 시간 보관하였으며, 용매 처리 후 남아있는 무게를 측정하여 이를 고분자 전해질 막의 무게 분율(%)로 계산하여 구해졌다. 측정 결과 96.2%의 겔 분율이 나왔으며 NMP, DMSO, DMF, DMAc 등 가교하기 전에 용해되었던 용매들에 전혀 용해되지 않는 등 높은 가교도를 나타내었다(하기 표 2).The crosslinking degree of the prepared polymer electrolyte membrane prepared in Example 1 was assumed to be all of the added crosslinking agent. The amount (20 mg, 116 mmol) of the added crosslinking agent was converted into the number of moles of the total reaction sites (834 mmol) in 400 mg of the polymer (A38-PPO) of Production Example 2 (116/834 × 100% ) X 2 (the cross-linking agent has two reaction sites), and the crosslinking rate is 28%. Gel fraction test and solubility test were conducted to confirm the success of crosslinking. Gel fraction test was carried out by placing a dried polymer electrolyte membrane weighed in NMP solvent for 24 hours at room temperature, measuring the remaining weight after solvent treatment and calculating the weight fraction (%) of the polymer electrolyte membrane. As a result, a gel fraction of 96.2% was obtained and exhibited a high degree of crosslinking such as NMP, DMSO, DMF, DMAc and the like, which were not dissolved in solvents previously dissolved before crosslinking (Table 2 below).

구분division Gel fraction(%)Gel fraction (%) SolubilitySolubility DMFDMF DMAcDMAc DMSODMSO NMPNMP 실시예 1Example 1 96.296.2 ×× ×× ×× ××

4.3. 이온교환용량(IEC)4.3. Ion Exchange Capacity (IEC)

이온교환용량(Ion Exchange Capacity, IEC)은 고분자의 분자량 대비 전도기의 양을 나타내는 지표로써 IEC가 높을수록 고분자 전해질 막에 전도기가 많이 도입되어 있음을 의미한다. 가교된 spacer형 실시예 1(X11AQ27-PPO) 막의 이론적인 IEC는 가교제의 양과 acylation의 전환율을 통하여 계산하였으며 이론적인 IEC는 NaOH를 이용한 역적정법으로 계산하였다. 각 각의 이론 IEC 및 실험 IEC는 2.03 및 1.86으로 실험 IEC가 이론 IEC에 비해 낮은 이유는 OH-와 전도기의 강한 정전기적 인력 및 고분자 입체장애로 인한 H+와 OH-의 중화반응이 완전히 이루어지지 않음에 기인한 것으로 보여진다(표 3).Ion Exchange Capacity (IEC) is an indicator of the amount of conductors relative to the molecular weight of the polymer, which means that the higher the IEC, the greater the number of conductors introduced into the polymer electrolyte membrane. Theoretical IEC of crosslinked spacer-type Example 1 (X11AQ27-PPO) membrane was calculated from the amount of crosslinker and the conversion rate of acylation, and the theoretical IEC was calculated by the back titration method using NaOH. The theoretical IEC and experimental IEC are 2.03 and 1.86, respectively, and the experimental IEC is lower than the theoretical IEC because the strong electrostatic attraction of OH- and the electrostatic attraction and the neutralization reaction of H + and OH- due to polymer steric hindrance are not completely realized (Table 3).

구분division Theoretical IECTheoretical IEC Experimental IECExperimental IEC OH- Conductivity(mS/cm)OH - Conductivity (mS / cm) 20 ℃20 40 ℃40 ℃ 60 ℃60 ° C 80 ℃80 ℃ 실시예 1Example 1 2.032.03 1.86±0.041.86 + 0.04 32.7±0.332.7 ± 0.3 44.8±0.344.8 ± 0.3 57.2±1.757.2 + 1.7 67.9±1.567.9 ± 1.5

4.4. 함수율(WU) 및 치수안정성(SR)4.4. Moisture content (WU) and dimensional stability (SR)

음이온 교환막에서 물은 OH-의 전도에 중요한 역할을 미치기 때문에 일반적으로 함수율이 증가할수록 OH- 전도도가 향상된다. 뿐만 아니라 최근 문헌들에 의하면 물은 OH-를 전도기로부터 해리시키어 OH-의 친핵성을 감소시키므로 전도기 및 주쇄고분자의 열화를 낮추는 역할을 한다. 그러나 일반적으로 높은 함수율은 막의 팽윤현상을 증가시키어 막의 기계적 성질을 낮추기 때문에 치수안정성 또한 중요한 요소이다. 가교된 음이온 교환막의 함수율 및 치수안정성을 20 및 80 ℃에서 측정하였으며 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다. 함수율의 경우 20 대비 80 ℃에서 2배 정도 증가하였으며 상당히 많은 물을 함유하였다. 반면에 가교의 영향으로 인하여 두께 및 길이의 치수안정성은 20 및 80 ℃에서 모두 함수율에 비해 낮은 수치를 나타내고 있다.Since water plays an important role in the conduction of OH - in anion exchange membranes, OH - conductivity is generally improved as the water content increases. In addition, recent literature suggests that water dissociates OH - from electroconductors to reduce the nucleophilicity of OH - , thus lowering the deterioration of electrical conductors and main chain polymers. However, in general, the high water content increases the swelling of the film and lowers the mechanical properties of the film, so dimensional stability is also an important factor. The water content and the dimensional stability of the crosslinked anion exchange membrane were measured at 20 and 80 캜, and the results are shown in Table 4. The water content increased by 2 times at 80 ℃ compared to 20 and contained considerably more water. On the other hand, due to the effect of crosslinking, the dimensional stability of thickness and length are lower than those of water content at 20 and 80 ℃.

구분division 실시예 1Example 1 Water uptake(%)Water uptake (%) 20 ℃20 ℃ 42.1±3.342.1 ± 3.3 80 ℃80 ℃ 81.2±7.081.2 ± 7.0 Swelling ratio(%)Swelling ratio (%) 20 ℃(△l)20 < 0 > C (DELTA l) 10.8±1.210.8 ± 1.2 80 ℃(△l)80 DEG C (DELTA l) 25.2±3.325.2 ± 3.3 20 ℃(△t)20 캜 (Δt) 6.3±0.76.3 ± 0.7 80 ℃(△l)80 DEG C (DELTA l) 13.8±1.713.8 ± 1.7

4.5. 모폴로지 및 이온전도도4.5. Morphology and ion conductivity

실시예 1의 X11AQ27-PPO 고분자 전해질 막의 모폴로지를 분석하기 위해 AFM 이미지를 얻었으며, 그 결과를 도 5에 나타내었다. 도 5에 따르면, 고분자 주쇄가 블록형 고분자나 공중합체가 아님에도 불구하고 뚜렷한 상분리와 큰 크기의 이온클러스터들이 관찰되었는데 이는 spacer-type의 전도기를 도입함으로 전도기의 유동성이 증가하고 그로 인하여 이온클러스터가 형성된 것으로 보여진다. 이처럼 뚜렷한 상 분리가 이루어진 AFM 이미지의 결과는 고분자 전해질 막이 높은 이온전도도를 가질 수 있음을 의미하고 이를 바탕으로 물에서 20 ℃부터 80 ℃까지의 온도범위에서 OH- 이온전도도를 측정하였으며, 그 결과를 상기 표 3에 나타내었다. 그 결과 가교율이 28%임에도 불구하고 제조된 실시예 1의 X11AQ27-PPO 막은 20 ℃에서 32.7 mS cm-1 및 80 ℃에서 67.9 mS cm-1의 높은 전도도를 보임을 확인하였다.An AFM image was obtained to analyze the morphology of the X11AQ27-PPO polyelectrolyte membrane of Example 1, and the results are shown in FIG. According to FIG. 5, even though the polymer main chain is not a block-type polymer or copolymer, distinct phase separation and large size ion clusters are observed. By introducing a spacer-type conductivity, flowability of the electroplating increases, Respectively. The results of AFM images with distinct phase separation mean that the polymer electrolyte membrane can have a high ionic conductivity. Based on this, the OH-ion conductivity was measured in water at a temperature range of 20 ° C to 80 ° C, Table 3 shows the results. As a result, it was confirmed that the prepared X11AQ27-PPO film of Example 1 exhibited a high conductivity of 32.7 mS cm -1 at 20 ° C and 67.9 mS cm -1 at 80 ° C, even though the crosslinking ratio was 28%.

4.6. 기계적 안정성 및 알칼리 안정성4.6. Mechanical Stability and Alkali Stability

음이온 교환막 연료전지를 오랜 시간 구동시키기 위해서는 막의 강한 기계적 강도 및 화학적 안정성이 요구된다. 제조된 고분자 전해질 막의 기계적 성질을 상온 상대습도 50%에서 측정한 결과 인장강도 16.4 MPa, 인장강도 36% 및 영률 0.53 GPa의 연료전지 구동에 적합한 수치를 보여주었다(도 6). 이러한 결과는 고분자의 가교로 인하여 고분자의 사슬 간 상호작용이 증가하는 것에 기인한다. 또한 가교 고분자 전해질 막의 장기 안정성을 확인하기 위하여 OH- 처리를 시킨 막을 80 ℃ 온도의 물에서 1000 시간 동안 보관하였으며, 보관 후 막의 IEC 측정 및 IR로 구조변화를 확인하여 그 결과를 도 7에 나타내었다. In order to operate an anion exchange membrane fuel cell for a long time, a strong mechanical strength and chemical stability of the membrane are required. The mechanical properties of the prepared polymer electrolyte membranes were measured at a room temperature relative humidity of 50%, and the values were suitable for driving a fuel cell having a tensile strength of 16.4 MPa, a tensile strength of 36% and a Young's modulus of 0.53 GPa (FIG. 6). These results are due to the increase of the interchain interactions of the polymer due to crosslinking of the polymer. In order to confirm the long-term stability of the crosslinked polymer electrolyte membrane, OH - treated membranes were stored in water at 80 ° C. for 1000 hours. Structural changes were confirmed by IEC measurement and IR after storage, and the results are shown in FIG. 7 .

이는 연료전지가 실제로 구동되는 조건은 일반적으로 KOH 용액이 아닌 60 ℃ 95%의 상대습도이기 때문이다. 보관 전 측정한 IEC와 비교하여 감소율을 계산한 결과 1000 시간 후 의 IEC는 6.8% 감소율을 나타냈었으나 FT-IR의 경우 변화가 관찰되지 않았다. 이는 보관 동안 고분자 전해질 막의 고분자 주쇄나 전도기에 별다른 영향이 없다는 것을 의미하며 IEC의 경우 오차범위로 추정되어 이러한 결과를 바탕으로 제조된 고분자 전해질 막은 연료전지의 장기간 구동에 적합함을 확인하였다.
This is because the condition under which the fuel cell is actually driven is not a KOH solution but a relative humidity of 60 ° C and 95%. Compared with the IEC measured before storage, the reduction rate was calculated to be 6.8% after 1000 hours, but no change was observed in FT-IR. This means that there is no significant influence on the polymer backbone or the conductive phase of the polymer electrolyte membrane during storage, and it is estimated to be within the error range in IEC. Based on these results, it was confirmed that the polymer electrolyte membrane manufactured is suitable for long-term operation of the fuel cell.

따라서, 본 발명에 따르면, 아실화 및 환원을 이용하여 spacertype의 전도기를 가지는 PPO 고분자를 합성하였다. 합성된 고분자의 구조 및 전환율을 1H NMR 및 FT-IR로확인하였으며 각 합성 단계의 고분자량은 GPC를 통하여 확인하였다. 그 후 합성된 고분자를 N,N,N',N'-tetramethyl-1,6-hexanediamine로 가교 및 TMA로 암모늄 전도기를 도입하여 높은 화학적 안정성을 가지는 음이온 교환막을 제조하였다. 제조된 실시예 1의 X11AQ27-PPO 고분자 전해질 막의 경우 DMSO, NMP, DMF 등의 유기용매에 용해되지 않았으며 96.2%의 겔 분율을 나타내어 가교가 성공적으로 되었음을 확인하였고 이러한 가교를 통한 고분자들의 상호작용으로 인하여 영률이 0.53 GPa의 높은 기계적 성질을 가지었다. 뿐만 아니라 AFM 이미지를 통하여 우수한 상분리 및 80 ℃의 물에서 67.9 mS cm-1의 높은 전도도 및 1000 시간 동안 80 ℃ 온도의 물에서 전혀 변화가 관찰되지 않는 등 우수한 화학적 안정성을 가짐을 확인하였다. Therefore, according to the present invention, a PPO polymer having a spacer of spacertype was synthesized using acylation and reduction. The structure and conversion of the synthesized polymer were confirmed by 1 H NMR and FT-IR. The high molecular weight of each synthesis step was confirmed by GPC. The anion exchange membrane with high chemical stability was prepared by cross-linking the synthesized polymer with N, N, N ', N'-tetramethyl-1,6-hexanediamine and introducing ammonium protector into TMA. The X11AQ27-PPO polyelectrolyte membrane prepared in Example 1 was not dissolved in organic solvents such as DMSO, NMP, and DMF, and showed a gel fraction of 96.2%, indicating that the crosslinking was successful. And the Young's modulus was 0.53 GPa. In addition, it has been confirmed through AFM image that it has excellent chemical stability such as excellent phase separation and high conductivity of 67.9 mS cm -1 at 80 ° C water and no change at 80 ° C water temperature for 1000 hours.

Claims (12)

하기 화학식 1로 표시되는 이온전도성 고분자:
[화학식 1]
Figure pat00039

상기 화학식 1에서,
상기 R1, R2는 서로 동일하며 수소 또는 C1-C5의 알킬기이고,
상기 R3, R5는 서로 동일하며 수소 또는 C1-C5의 알킬기이며,
상기 R6, R8은 서로 동일하며 수소 또는 C1-C5의 알킬기이고,
상기 R9, R10은 서로 동일하며 수소 또는 C1-C5의 알킬기이며,
상기 R4는 -(CH)x-N+(A)2-,
Figure pat00040
,
Figure pat00041
,
Figure pat00042
Figure pat00043
중에서 선택되며,
상기 R7은 -(CH)x-N+(A)3,
Figure pat00044
,
Figure pat00045
,
Figure pat00046
Figure pat00047
중에서 선택되며,
상기 A는 -(CH)y이고,
상기 l은 56-66의 자연수, m은 8-14의 자연수, n은 26-30의 자연수, x는 1-7의 자연수, y는 1-3의 자연수이다.
An ion conductive polymer represented by the following general formula (1)
[Chemical Formula 1]
Figure pat00039

In Formula 1,
R 1 and R 2 are the same as each other and are hydrogen or a C 1 -C 5 alkyl group,
R 3 and R 5 are the same as each other and are hydrogen or a C 1 -C 5 alkyl group,
R 6 and R 8 are the same as each other and are hydrogen or a C 1 -C 5 alkyl group,
R 9 and R 10 are the same as each other and are hydrogen or a C 1 -C 5 alkyl group,
R 4 is - (CH 2) xN + (A) 2 -,
Figure pat00040
,
Figure pat00041
,
Figure pat00042
And
Figure pat00043
Lt; / RTI >
Wherein R < 7 > is - (CH) xN + (A) 3 ,
Figure pat00044
,
Figure pat00045
,
Figure pat00046
And
Figure pat00047
Lt; / RTI >
Wherein A is - (CH) y,
Where l is a natural number of 56-66, m is a natural number of 8-14, n is a natural number of 26-30, x is a natural number of 1-7, and y is a natural number of 1-3.
제1항에 따른 상기 고분자가 가교되어 형성되는 이온전도성 가교 고분자.
The ionically conductive crosslinked polymer according to claim 1, wherein the polymer is formed by crosslinking.
제2항에 있어서,
상기 이온전도성 가교 고분자는 하기 화학식 3으로 표시되는 골격을 갖는 것을 특징으로 하는 이온전도성 가교 고분자:
[화학식 3]
Figure pat00048

상기 화학식 3에서,
상기 R1, R2는 서로 동일하며 수소 또는 C1-C5의 알킬기이고,
상기 R3, R5는 서로 동일하며 수소 또는 C1-C5의 알킬기이며,
상기 R6, R8은 서로 동일하며 수소 또는 C1-C5의 알킬기이고,
상기 R9, R10은 서로 동일하며 수소 또는 C1-C5의 알킬기이며,
상기 R4는 -(CH)x-N+(A)2-,
Figure pat00049
,
Figure pat00050
,
Figure pat00051
Figure pat00052
중에서 선택되며,
상기 R7은 -(CH)x-N+(A)3,
Figure pat00053
,
Figure pat00054
,
Figure pat00055
Figure pat00056
중에서 선택되며,
상기 R11은 -(CH)x- 이고,
상기 A는 -(CH)y이며,
상기 l은 56-66의 자연수, m은 8-14의 자연수, n은 26-30의 자연수, x는 1-7의 자연수, y는 1-3의 자연수이다.
3. The method of claim 2,
Wherein the ionically conductive crosslinked polymer has a skeleton represented by the following formula (3): < EMI ID =
(3)
Figure pat00048

In Formula 3,
R 1 and R 2 are the same as each other and are hydrogen or a C 1 -C 5 alkyl group,
R 3 and R 5 are the same as each other and are hydrogen or a C 1 -C 5 alkyl group,
R 6 and R 8 are the same as each other and are hydrogen or a C 1 -C 5 alkyl group,
R 9 and R 10 are the same as each other and are hydrogen or a C 1 -C 5 alkyl group,
R 4 is - (CH 2) xN + (A) 2 -,
Figure pat00049
,
Figure pat00050
,
Figure pat00051
And
Figure pat00052
Lt; / RTI >
Wherein R < 7 > is - (CH) xN + (A) 3 ,
Figure pat00053
,
Figure pat00054
,
Figure pat00055
And
Figure pat00056
Lt; / RTI >
Wherein R < 11 > is - (CH) x-,
A is - (CH) y,
Where l is a natural number of 56-66, m is a natural number of 8-14, n is a natural number of 26-30, x is a natural number of 1-7, and y is a natural number of 1-3.
제2항에 따른 이온전도성 가교 고분자를 포함하는 고분자 전해질 막.
A polymer electrolyte membrane comprising the ionically conductive crosslinked polymer according to claim 2.
제4항에 있어서,
상기 고분자 전해질 막은 60 내지 70 mS/cm(80 ℃)의 이온전도도를 갖는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막.
5. The method of claim 4,
Wherein the polymer electrolyte membrane has an ion conductivity of 60 to 70 mS / cm (80 캜).
제4항 또는 제5항에 따른 고분자 전해질 막을 포함하는 연료전지.
A fuel cell comprising the polymer electrolyte membrane according to claim 4 or 5.
(A) 폴리페닐렌 옥사이드 고분자를 아실화하는 단계;
(B) 상기 아실화된 고분자를 환원시키는 단계;
(C) 상기 환원된 고분자 용액에 가교제를 넣고 반응시켜 가교 고분자를 합성한 후 막으로 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막의 제조방법.
(A) acylating a polyphenylene oxide polymer;
(B) reducing the acylated polymer;
(C) preparing a crosslinked polymer by adding a crosslinking agent to the reduced polymer solution to form a crosslinked polymer.
제7항에 있어서,
상기 제조방법은 (D) 상기 (C) 단계를 통해 제조된 막을 치환 용액에 담지시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막의 제조방법.
8. The method of claim 7,
The method may further include (D) supporting the membrane prepared in the step (C) in a replacement solution.
제8항에 있어서,
상기 치환 용액은 trimethylamine, imidazole, morpholine 및 piperidine, guanidine 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막의 제조방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the replacement solution is selected from the group consisting of trimethylamine, imidazole, morpholine, piperidine, and guanidine.
제7항에 있어서,
상기 가교제는 N,N,N',N'-tetramethyl-1,6-hexanediamine, N,N,N',N'-Tetramethyl-1,4-butanediamine 및N,N,N',N'-Tetramethyl-1,8-octanediamine 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막의 제조방법.
8. The method of claim 7,
The crosslinking agent may be selected from the group consisting of N, N, N ', N'-tetramethyl-1,6-hexanediamine, N, N, N', N'-Tetramethyl- -1,8-octanediamine. ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
제7항에 있어서,
상기 (C) 단계에서 상기 환원된 고분자는 용매에 용해시켜 용액으로 제조하고,
상기 용매는 N-methyl-2-pyrrolidone, N,N-Dimethylmethanamide, Dimethyl sulfoxide 및 Acetonitrile 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막의 제조방법.
8. The method of claim 7,
In the step (C), the reduced polymer is dissolved in a solvent to prepare a solution,
Wherein the solvent is at least one selected from the group consisting of N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylmethanamide, dimethyl sulfoxide and acetonitrile.
제7항에 있어서,
상기 (C) 단계는 상기 환원된 고분자 용액에 가교제를 넣고 패트리 디쉬에 부어 진공 오븐 안에서 50 내지 70 ℃의 온도에서 10 내지 30 시간 동안 건조시키는 1차 건조단계; 및
상기 1차 건조 단계 후에 70 내지 90 ℃의 온도에서 1 내지 10 시간 동안 건조시키는 2차 건조단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막의 제조방법.

8. The method of claim 7,
The step (C) may include: a primary drying step in which a crosslinking agent is added to the reduced polymer solution and poured into a Patry Dish and dried in a vacuum oven at a temperature of 50 to 70 ° C for 10 to 30 hours; And
And a second drying step of drying the polymer electrolyte membrane at a temperature of 70 to 90 DEG C for 1 to 10 hours after the primary drying step.

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