KR20190141865A - A method for manufacturing an ion-exchange membrane using the same - Google Patents

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Abstract

One embodiment of the present invention provides a method for manufacturing an ion-exchange membrane, including the following steps: (a) hydrophilizing a porous membrane by plasma treatment of the porous membrane in the presence of mixed gas containing sulfur dioxide (SO_2) and oxygen (O_2); (b) dissolving an electrolyte in a solvent to prepare an electrolyte solution; and (c) impregnating the porous membrane hydrophilized in the step (a) in the electrolyte solution. The present invention has excellent durability and ion-exchange ability while having a low manufacturing cost.

Description

이온교환막의 제조방법{A METHOD FOR MANUFACTURING AN ION-EXCHANGE MEMBRANE USING THE SAME}Manufacturing method of ion exchange membrane {A METHOD FOR MANUFACTURING AN ION-EXCHANGE MEMBRANE USING THE SAME}

본 발명은 이온교환막의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing an ion exchange membrane.

이온교환막은 연료전지, 레독스 흐름 전지, 수처리, 해수의 담수화 등의 여러 분야에서 활용되고 있다. 이온교환막은 제조공정이 상대적으로 단순하고, 특정 이온에 대한 선택성이 뛰어나며, 응용범위가 넓어 특히 화석원료 사용량을 감소시켜 환경오염을 저감할 수 있는 주요한 청정기술로서 세계적인 주목을 받고 있다. 상기와 같은 이온교환막은 수용액 중의 양이온 및 음이온을 선택적으로 분리할 수 있어 연료전지, 전기투석, 산과 염기 회수를 위한 물 분해 전기투석, 산세 폐액으로부터 산 및 금속화학종을 회수하기 위한 확산투석, 초순수 공정 등 폭넓게 사용되고 있으며, 최근 선진국에서는 고성능 이온교환막이 개발됨에 따라 그 응용범위는 더욱 확대되고 있다.Ion exchange membranes have been used in many fields such as fuel cells, redox flow batteries, water treatment, and desalination of seawater. The ion exchange membrane is attracting worldwide attention as a major clean technology that can reduce environmental pollution by reducing the amount of fossil raw materials, in particular because of its relatively simple manufacturing process, excellent selectivity for specific ions, and wide application range. The ion exchange membrane as described above can selectively separate the cations and anions in the aqueous solution, such as fuel cells, electrodialysis, water decomposition electrodialysis for acid and base recovery, diffusion dialysis to recover acid and metal species from the pickling waste, ultrapure water It is widely used in the process, etc. Recently, the developed range of high-performance ion exchange membrane is developed in advanced countries.

이러한 이온교환막은 높은 선택성을 가져야 하며 용매 및 비 이온 용질의 낮은 투과성, 선택된 투과이온의 확산에 대한 낮은 저항, 높은 기계적 강도 및 내화학성을 필요로 한다. 이러한 이온교환막은 우수한 기계적 강도와 내구성이 요구된다. 이러한 요구를 충족시키기 위해 보편적으로 사용되는 방법은 무기물을 첨가하여 하이브리드 복합 막을 제조하는 방법, 촉매 혼합물을 가열 압착하는 핫프레스법, 경화제를 첨가하는 방법 등이 있다. 하이브리드 복합막 제조방법은 막의 스웰링 현상이 계속된다면 막의 첨가물과 고분자 막 간의 틈이 생기게 되어 정상적인 이온교환능력을 발휘할 수 없게 된다는 단점이 있다. 또한 경화제를 첨가하는 방법 역시 시간의 경과에 따라 경화제가 용출되는 단점이 있다. 앞서 기술한 바와 같은 문제점들로 인해 여전히 내구성이 높고 기계적 물성이 우수한 이온교환막의 개발이 요구되고 있다.Such ion exchange membranes must have high selectivity and require low permeability of solvent and non-ionic solutes, low resistance to diffusion of selected peroxides, high mechanical strength and chemical resistance. Such ion exchange membranes require excellent mechanical strength and durability. Commonly used methods to meet these demands include a method of preparing a hybrid composite membrane by adding an inorganic substance, a hot press method of hot pressing a catalyst mixture, a method of adding a curing agent, and the like. The hybrid composite membrane manufacturing method has a disadvantage in that if the swelling phenomenon of the membrane is continued, a gap is formed between the additive of the membrane and the polymer membrane, so that the normal ion exchange ability cannot be exhibited. In addition, the method of adding a curing agent also has a disadvantage that the curing agent is eluted with time. Due to the problems described above, there is still a need to develop an ion exchange membrane having high durability and excellent mechanical properties.

현재 상용화된 이온교환막은 술폰화된 폴리스티렌(Sulfonated polystyrene), 듀퐁(Du Pont)사에서 제조한 NafionTM(이하, "나피온")등을 들 수 있다. 그러나 상기 술폰화된 폴리스티렌은 건조하게 되면 취성의 증가로 부서지게 되어 박막화나 복합막 등의 형태로 성형이 어렵게 되며 전극으로 가공 시 기계적 안정성이 저하되는 단점이 있다. 이러한 단점을 개선하기 위해서는 폴리스티렌의 술폰화 비율을 조절하는 방법 또는 막의 두께를 두껍게 하는 방법 등이 있는데, 이 경우 막의 저항이 증가하여 막의 이온교환능력이 현저하게 저하되어 이온교환막으로서의 성능을 기대할 수 없고 시스템 제작 시 부피가 증가하여 공간의 제약을 받게 된다. 또한, 나피온은 불소계 물질로서 높은 이온전도성과 화학적 안정성 등으로 인해 이온교환막으로 널리 사용되어 왔으나, 불소화합물로 인해 가격이 매우 고가이며, 고온에서의 사용이 제한되는 단점이 있다. 실제로 상기 나피온 등과 같은 고가의 이온교환막은 스택 제조가격을 높이는 원인으로 지목되고 있다. 상기 나피온과 같은 불소계 이온교환막의 단가는 약 100만원/m2 으로 높기 때문에 해결되어야 할 과제 중 하나이다. 이에 원가가 저렴한 비불소 이온교환막에 대한 다양한 연구가 이루어졌으며, 특히, SPAES(sulfonated poly arylene ether sulfone), SPEEK(sulfonated poly ether ether ketone), PBI(Polybenzimidazole), SPSf(sulfonated polysulfone) 및 기타 합성고분자 등 탄화수소계열의 고분자들에 대한 연구가 광범위하게 이루어져 왔다.Current commercially available ion exchange membranes include sulfonated polystyrene, Nafion (hereinafter referred to as “Nafion”) manufactured by Du Pont. However, when the sulfonated polystyrene is dried, it becomes brittle due to an increase in brittleness, making it difficult to form a thin film or a composite film, and there is a disadvantage in that mechanical stability is reduced when processing the electrode. In order to improve this disadvantage, there is a method of adjusting the sulfonation ratio of polystyrene or thickening the membrane. In this case, the resistance of the membrane is increased and the ion exchange capacity of the membrane is significantly reduced, so that the performance as an ion exchange membrane cannot be expected. The volume of the system is increased and constrained by space. In addition, Nafion has been widely used as an ion exchange membrane due to high ion conductivity and chemical stability as a fluorine-based material, but has a disadvantage in that the price is very expensive due to fluorine compounds and its use at high temperatures is limited. In fact, expensive ion exchange membranes such as Nafion have been pointed out as a cause for increasing the stack manufacturing price. Since the unit cost of the fluorine-based ion exchange membrane such as Nafion is about 1 million won / m 2 , it is one of the problems to be solved. Various researches have been carried out on low-cost non-fluorine ion exchange membranes, in particular, sulfonated poly arylene ether sulfone (SPAES), sulfonated poly ether ether ketone (SPEEK), polybenzimidazole (PBI), sulfonated polysulfone (SPSf) and other synthetic polymers. Research has been extensively carried out on polymers of the same hydrocarbon series.

이와 같이, 비불소계 고분자에 다양한 관능기의 도입, 고분자 사슬의 배치, 분자량의 조절 등 다양한 인자들을 조절하여 새로운 물질들이 개발되어 그 가능성을 테스트해왔다. 그러나 대부분의 물질들은 우수한 전기적 성능에 비해 낮은 화학적, 물리적 안정성으로 인해 실제 적용이 제한적인 문제가 있다.As such, new materials have been developed and tested for their potential by controlling various factors such as introduction of various functional groups, placement of polymer chains, and control of molecular weight in non-fluorine-based polymers. However, most materials have a limited practical application due to low chemical and physical stability compared to excellent electrical performance.

이에 대해, 고분자 물질 자체의 성능을 향상시키기 위한 다양한 방법이 제시되기도 하였으나, 여전히 이온선택성과 내구성이 낮은 문제가 있다.On the other hand, various methods for improving the performance of the polymer material itself have been proposed, but there is still a problem of low ion selectivity and durability.

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 내구성과 이온교환능이 우수하면서도 제조 단가가 낮아 경제성이 우수한 이온교환막을 제조할 수 있는 이온교환막의 제조방법을 제공하는 것이다.The present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, an object of the present invention is to provide a method for producing an ion exchange membrane capable of producing an ion exchange membrane having excellent durability and ion exchange capacity, but low production cost and excellent economy. .

본 발명의 일 측면은, (a) 이산화황(SO2) 및 산소(O2)를 포함하는 혼합가스 존재하에서 다공막을 플라즈마 처리하여 상기 다공막을 친수화하는 단계; (b) 전해질을 용매 중에 용해시켜 전해질 용액을 제조하는 단계; 및 (c) 상기 (a) 단계에서 친수화된 상기 다공막을 상기 전해질 용액에 함침하는 단계;를 포함하는 이온교환막의 제조방법을 제공한다.One aspect of the invention, (a) hydrophilizing the porous membrane by plasma treatment the porous membrane in the presence of a mixed gas containing sulfur dioxide (SO 2 ) and oxygen (O 2 ); (b) dissolving the electrolyte in a solvent to prepare an electrolyte solution; And (c) impregnating the porous membrane hydrophilized in step (a) into the electrolyte solution.

일 실시예에 있어서, 상기 혼합가스가 이산화황 50~90부피% 및 산소 10~50부피%를 포함할 수 있다.In one embodiment, the mixed gas may include 50 to 90% by volume of sulfur dioxide and 10 to 50% by volume of oxygen.

일 실시예에 있어서, 상기 다공막이 중량평균분자량이 상이한 2종의 폴리에틸렌 30~90중량% 및 무기필러 10~70중량%를 포함할 수 있다.In one embodiment, the porous membrane may include 30 to 90% by weight of the two kinds of polyethylene and 10 to 70% by weight of the inorganic filler having different weight average molecular weight.

일 실시예에 있어서, 상기 폴리에틸렌이 중량평균분자량이 1,000,000~3,000,000인 제1 폴리에틸렌 및 중량평균분자량이 200,000~500,000인 제2 폴리에틸렌을 포함할 수 있다.In one embodiment, the polyethylene may include a first polyethylene having a weight average molecular weight of 1,000,000 to 3,000,000 and a second polyethylene having a weight average molecular weight of 200,000 to 500,000.

일 실시예에 있어서, 상기 무기필러의 평균 입도가 10~1,000nm일 수 있다.In one embodiment, the average particle size of the inorganic filler may be 10 ~ 1,000nm.

일 실시예에 있어서, 상기 무기필러의 표면에 생성된 탄화수소층을 포함할 수 있다.In one embodiment, it may include a hydrocarbon layer generated on the surface of the inorganic filler.

일 실시예에 있어서, 상기 다공막의 평균 공극 크기는 20~2,000nm일 수 있다.In one embodiment, the average pore size of the porous membrane may be 20 ~ 2,000nm.

일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 처리가 30~90분 간 수행될 수 있다.In one embodiment, the plasma treatment may be performed for 30 to 90 minutes.

일 실시예에 있어서, 친수화된 상기 다공막의 접촉각이 15˚ 이하일 수 있다.In one embodiment, the contact angle of the hydrophilized porous membrane may be 15 ° or less.

일 실시예에 있어서, 상기 전해질이 불소계 화합물을 포함할 수 있다.In one embodiment, the electrolyte may include a fluorine-based compound.

일 실시예에 있어서, 상기 불소계 화합물이 퍼플루오로술폰산, 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌 및 이들 중 2 이상의 공중합체 또는 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있다.In one embodiment, the fluorine-based compound is a copolymer of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing perfluorosulfonic acid, poly (perfluorosulfonic acid), poly (perfluorocarboxylic acid), sulfonic acid group, Polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, and one or more selected from the group consisting of two or more copolymers or combinations thereof.

일 실시예에 있어서, 상기 전해질 용액 중 상기 전해질의 함량이 10~60중량%일 수 있다.In one embodiment, the content of the electrolyte in the electrolyte solution may be 10 to 60% by weight.

일 실시예에 있어서, 상기 용매가 에스테르계, 에테르계, 알코올계, 케톤계, 아마이드계, 술폰계, 카보네이트계, 지방족 탄화수소계, 방향족 탄화수소계, 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있다.In one embodiment, the solvent is one selected from the group consisting of esters, ethers, alcohols, ketones, amides, sulfones, carbonates, aliphatic hydrocarbons, aromatic hydrocarbons, and mixtures of two or more thereof Can be.

본 발명의 일 측면에 따르면, 이온교환막의 지지체로 작용하는 다공막을 이산화황(SO2) 및 산소(O2)를 포함하는 혼합가스 존재하에서 플라즈마 처리하여 다공막의 표면 및 내부 공극의 표면을 친수화, 술폰화함으로써 상기 다공막에 함침된 전해질과의 결합력 및 그에 따른 이온교환막의 내구성과 이온전도성을 향상시킬 수 있다.According to an aspect of the present invention, the porous membrane acting as a support for the ion exchange membrane is subjected to plasma treatment in the presence of a mixed gas containing sulfur dioxide (SO 2 ) and oxygen (O 2 ) to hydrophilize the surface of the porous membrane and the surface of the internal pores. By sulfonation, the bonding strength with the electrolyte impregnated in the porous membrane, and thus the durability and ion conductivity of the ion exchange membrane can be improved.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.It is to be understood that the effects of the present invention are not limited to the above effects, and include all effects deduced from the configuration of the invention described in the detailed description or claims of the present invention.

도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 다공막의 친수화 단계를 도식화한 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 일 측면에 따른 이온교환막의 제조방법을 도식화한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 다공막의 단면에 대한 SEM 이미지이다.
Figure 1 is a schematic of the hydrophilization step of the porous membrane according to an aspect of the present invention.
2 is a schematic diagram illustrating a method of manufacturing an ion exchange membrane according to another aspect of the present invention.
3 is an SEM image of the cross section of the porous membrane according to the Examples and Comparative Examples of the present invention.

이하에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted for simplicity of explanation, and like reference numerals designate like parts throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is "connected" to another part, it includes not only "directly connected" but also "indirectly connected" with another member in between. . In addition, when a part is said to "include" a certain component, this means that it may further include other components, without excluding the other components unless otherwise stated.

본 발명의 일 측면은, (a) 이산화황(SO2) 및 산소(O2)를 포함하는 혼합가스 존재하에서 다공막을 플라즈마 처리하여 상기 다공막을 친수화하는 단계; (b) 전해질을 용매 중에 용해시켜 전해질 용액을 제조하는 단계; 및 (c) 상기 (a) 단계에서 친수화된 상기 다공막을 상기 전해질 용액에 함침하는 단계;를 포함하는 이온교환막의 제조방법을 제공한다.One aspect of the invention, (a) hydrophilizing the porous membrane by plasma treatment the porous membrane in the presence of a mixed gas containing sulfur dioxide (SO 2 ) and oxygen (O 2 ); (b) dissolving the electrolyte in a solvent to prepare an electrolyte solution; And (c) impregnating the porous membrane hydrophilized in step (a) into the electrolyte solution.

도 1은 상기 (a) 단계에 따른 다공막의 친수화 단계를 도식화한 것이다. 도 1을 참고하면, 상기 친수화 단계는 이산화황(SO2) 및 산소(O2)를 포함하는 혼합가스 존재하에서 다공막을 플라즈마 처리하는 단계를 포함할 수 있다.Figure 1 is a schematic of the hydrophilization step of the porous membrane according to step (a). Referring to FIG. 1, the hydrophilization may include plasma treatment of the porous membrane in the presence of a mixed gas containing sulfur dioxide (SO 2 ) and oxygen (O 2 ).

상기 플라즈마 처리를 통해 후술할 이온교환막 제조 시 지지체의 역할을 수행하는 상기 다공막의 표면 및 내부 공극의 표면을 친수화하여, 즉, 상기 다공막의 표면 및 내부 공극의 표면이 음의 전하를 띄도록 하여 전해질과의 결합력을 향상시킬 수 있고, 그에 따라 이온교환막의 내구성, 특히, 장기 내구성과 이온전도성을 현저히 향상시킬 수 있다.The plasma treatment hydrophilizes the surface of the porous membrane and the surface of the inner pores, which serve as a support when preparing an ion exchange membrane to be described later, that is, the surface of the porous membrane and the surface of the inner pores exhibit negative charges. It is possible to improve the bonding strength with the electrolyte, thereby significantly improving the durability of the ion exchange membrane, in particular, long-term durability and ion conductivity.

종래 다공막의 표면을 친수화하고 일정 수준의 이온전도성을 구현하기 위해 다공막을 황산 등에 일정 시간 동안 침지하여 술폰화시키는 습식 공정(wet process)이 주로 사용되었으나, 이 경우 상기 습식 공정이 플라즈마 처리에 선행 또는 후행되는 등 상기 플라즈마 처리와 별도로 수행되어 공정이 복잡하고, 다량의 공정 폐액이 발생하는 문제가 있다.In order to hydrophilize the surface of the porous membrane and to realize a certain level of ion conductivity, a wet process is mainly used in which the porous membrane is sulphated by immersing the porous membrane for a predetermined time in sulfuric acid or the like. In this case, the wet process precedes the plasma treatment. Alternatively, the process may be complicated by being performed separately from the plasma treatment, such as a subsequent process, and a large amount of process waste may be generated.

이에 대해, 상기 플라즈마 처리 시 사용되는 공정가스는 종래의 공기, 산소 및/또는 불활성 가스뿐만 아니라 일정 량의 이산화황 가스를 포함하므로, 상기 다공막을 황산 등에 침지하는 등의 습식 공정없이 상기 플라즈마 처리라는 단일의 건식 공정(dry process)을 통해 상기 다공막의 표면과 내부 공극의 표면에 -SO-3와 같은 작용기를 생성하여, 즉, 술폰화하여 상기 다공막의 친수성과 이온전도성을 극대화할 수 있고, 종래의 복잡한 공정을 단순화할 수 있으며, 환경적 측면에서도 유리하다.On the other hand, the process gas used in the plasma treatment includes not only conventional air, oxygen and / or inert gas, but also a certain amount of sulfur dioxide gas, so that a single process called plasma treatment is performed without a wet process such as dipping the porous membrane into sulfuric acid. Through a dry process of the functional layer such as -SO -3 on the surface of the porous membrane and the surface of the internal voids, that is, sulfonation can maximize the hydrophilicity and ion conductivity of the porous membrane, Conventional complicated processes can be simplified and are also environmentally advantageous.

상기 플라즈마 처리 시 사용되는 공정가스인 상기 혼합가스는 이산화황 50~90부피% 및 산소 10~50부피%, 바람직하게는, 이산화황 60~80부피% 및 산소 20~40부피%, 더 바람직하게는, 이산화황 70~80부피% 및 산소 20~30부피%를 포함할 수 있다. 상기 혼합가스 중 이산화황의 함량이 50부피% 미만이면 상기 다공막에 필요한 수준의 친수성을 구현할 수 없고, 90부피% 초과이면 공정이 불안정해질 수 있다.The mixed gas which is a process gas used in the plasma treatment is 50 to 90% by volume of sulfur dioxide and 10 to 50% by volume of oxygen, preferably 60 to 80% by volume of sulfur dioxide and 20 to 40% by volume of oxygen, more preferably, It may include 70 to 80% by volume of sulfur dioxide and 20 to 30% by volume of oxygen. If the content of sulfur dioxide in the mixed gas is less than 50% by volume can not implement the level of hydrophilicity required for the porous membrane, if more than 90% by volume the process may be unstable.

상기 플라즈마 처리는 0.5~20분 간 수행될 수 있다. 상기 플라즈마 처리가 0.5분 미만으로 수행되면 상기 다공막이 필요한 수준으로 친수화, 술폰화될 수 없고, 20분 초과로 수행되면 친수화도, 술폰화도가 일정 수준으로 수렴하여 공정 효율이 저하될 수 있다.The plasma treatment may be performed for 0.5 to 20 minutes. If the plasma treatment is performed in less than 0.5 minutes, the porous membrane may not be hydrophilized and sulfonated to the required level. If the plasma treatment is performed in more than 20 minutes, hydrophilicity and sulfonation may converge to a predetermined level, thereby lowering process efficiency. .

상기 방법에 의해 친수화된 다공막의 평균 공극 크기는 20~2,000nm일 수 있고, 접촉각은 15˚ 이하일 수 있으며, 상기 다공막의 표면에서 음의 값(-)으로 측정된 제타전위의 절대값은 10mV 이상, 바람직하게는, 15mV 이상, 더 바람직하게는, 20mV 이상일 수 있다. 또한, 상기 다공막의 기공율은 50~80부피%일 수 있다.The average pore size of the porous film hydrophilized by the method may be 20 ~ 2,000nm, the contact angle may be 15 degrees or less, the absolute value of the zeta potential measured as a negative value (-) on the surface of the porous film May be at least 10 mV, preferably at least 15 mV, more preferably at least 20 mV. In addition, the porosity of the porous membrane may be 50 to 80% by volume.

상기 다공막은 중량평균분자량이 상이한 2종의 폴리에틸렌 30~90중량% 및 무기필러 10~70중량%를 포함할 수 있다. 상기 폴리에틸렌은 중량평균분자량이 1,000,000~3,000,000이고 분자량분포가 3 내지 4인 제1 폴리에틸렌 및 중량평균분자량이 200,000~500,000이고 분자량분포가 4 내지 7인 제2 폴리에틸렌을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 폴리에틸렌은 상기 제1 폴리에틸렌 30~70중량% 및 제2 폴리에틸렌 30~70중량%를 포함할 수 있다.The porous membrane may include 30 to 90% by weight of two kinds of polyethylene and 10 to 70% by weight of inorganic filler having different weight average molecular weights. The polyethylene may include a first polyethylene having a weight average molecular weight of 1,000,000 to 3,000,000 and a molecular weight distribution of 3 to 4, and a second polyethylene having a weight average molecular weight of 200,000 to 500,000 and a molecular weight distribution of 4 to 7. For example, the polyethylene may include 30 to 70% by weight of the first polyethylene and 30 to 70% by weight of the second polyethylene.

일반적으로, 분자량분포(Mw/Mn)가 넓을수록 전단응력이 감소하여 점도가 낮아지므로 가공성이 향상되지만 물리적 성질은 저하되며, 분자량분포가 좁을수록 가공성은 저하되지만 물리적 성질이 향상된다. 이와 같이, 2종 이상의 고분자 물질을 혼련하여 조성물 형태로 사용하더라도 각각의 분자량분포가 유사하면 물리적 성질과 가공성이 조화롭게 구현될 수 없다. 따라서, 상기와 같이 중량평균분자량 및 분자량분포가 상이한 제1 및 제2 폴리에틸렌을 혼용함으로써, 다공막의 물리적 성질과 가공성을 더 조화롭게 구현할 수 있다.In general, the wider the molecular weight distribution (Mw / Mn), the shear stress is reduced and the viscosity is lower, so the workability is improved, but the physical properties are lowered, the narrower the molecular weight distribution is lowered, but the physical properties are improved. As such, even when two or more polymer materials are kneaded and used in the form of a composition, physical properties and processability may not be harmoniously implemented if the respective molecular weight distributions are similar. Therefore, by mixing the first and second polyethylene having a different weight average molecular weight and molecular weight distribution as described above, it is possible to more harmoniously implement the physical properties and processability of the porous membrane.

상기 무기필러는 실리카(SiO2), TiO2, Al2O3, 제올라이트(zeolite), AlOOH, BaTiO2, 탈크(Talk), Al(OH)3, CaCO3 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있으며, 바람직하게는 10nm~1,000nm의 평균 입도를 가지는 구형의 나노입자, 바람직하게는 그 표면이 소수화 또는 친수화 처리된 나노입자일 수 있다. 상기 다공막 중 상기 무기필러의 함량은 10~70중량%, 바람직하게는 10~60중량%일 수 있다. 상기 무기필러의 함량이 10중량% 미만이면 상기 다공막의 기계적 강도, 내산성, 내화학성, 난연성이 저하될 수 있고, 70중량% 초과이면 상기 다공막의 유연성, 가공성이 저하될 수 있다.The inorganic filler is a group consisting of silica (SiO 2 ), TiO 2 , Al 2 O 3 , zeolite, AlOOH, BaTiO 2 , talc, Al (OH) 3 , CaCO 3 and mixtures of two or more thereof. It may be one selected from, it is preferably a spherical nanoparticles having an average particle size of 10nm ~ 1,000nm, preferably the surface may be hydrophobized or hydrophilized nanoparticles. The content of the inorganic filler in the porous membrane may be 10 to 70% by weight, preferably 10 to 60% by weight. When the content of the inorganic filler is less than 10% by weight, the mechanical strength, acid resistance, chemical resistance, and flame retardancy of the porous membrane may be lowered. If it is more than 70% by weight, the flexibility and processability of the porous membrane may be reduced.

예를 들어, 실리카(SiO2)는 그 표면에 소수성인 직쇄 탄화수소(linear hydrocarbon) 분자로 이루어진 탄화수소층이 형성된 것일 수 있다. 실리카 자체는 친수성 성질을 가지고 있으므로 소수성인 폴리에틸렌과 상용성을 개선하기 위해서는 직쇄 탄화수소 분자, 예를 들어, (폴리)에틸렌이 코팅된 구형 실리카 나노입자가 적합하다.For example, silica (SiO 2 ) may be formed on the surface of the hydrocarbon layer consisting of hydrophobic linear hydrocarbon (linear hydrocarbon) molecules. Since the silica itself has hydrophilic properties, spherical silica nanoparticles coated with straight chain hydrocarbon molecules such as (poly) ethylene are suitable for improving compatibility with hydrophobic polyethylene.

도 2는 본 발명의 일 측면에 따른 이온교환막의 제조방법을 도식화한 것이다. 도 2를 참고하면, 본 발명의 일 측면에 따른 이온교환막의 제조방법은, (a) 이산화황(SO2) 및 산소(O2)를 포함하는 혼합가스 존재하에서 다공막을 플라즈마 처리하여 상기 다공막을 친수화하는 단계; (b) 전해질을 용매 중에 용해시켜 전해질 용액을 제조하는 단계; 및 (c) 상기 (a) 단계에서 친수화된 상기 다공막을 상기 전해질 용액에 함침하는 단계;를 포함할 수 있다.2 is a schematic diagram illustrating a method of manufacturing an ion exchange membrane according to an aspect of the present invention. Referring to FIG. 2, in the method of manufacturing an ion exchange membrane according to an aspect of the present invention, (a) plasma treatment of the porous membrane in the presence of a mixed gas containing sulfur dioxide (SO 2 ) and oxygen (O 2 ) may be used to close the porous membrane. Hydration; (b) dissolving the electrolyte in a solvent to prepare an electrolyte solution; And (c) impregnating the porous membrane hydrophilized in step (a) into the electrolyte solution.

상기 (a) 단계에서는 이산화황(SO2) 및 산소(O2)를 포함하는 혼합가스 존재하에서 다공막을 플라즈마 처리하여 상기 다공막을 친수화할 수 있으며, 이 때 사용되는 혼합가스, 플라즈마 처리, 친수화 등에 대해서는 전술한 것과 같다.In the step (a), the porous membrane may be hydrophilized by plasma treatment of the porous membrane in the presence of a mixed gas containing sulfur dioxide (SO 2 ) and oxygen (O 2 ), and the mixed gas, plasma treatment, and hydrophilization may be used. Etc. are as described above.

상기 (b) 단계에서는 전해질을 용매 중에 용해시켜 전해질 용액을 제조할 수 있다. 상기 전해질은 불소계 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 불소계 화합물은 퍼플루오로술폰산, 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌 및 이들 중 2 이상의 공중합체 또는 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있고, 바람직하게는, 퍼플루오로술폰산일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In step (b), the electrolyte may be dissolved in a solvent to prepare an electrolyte solution. The electrolyte may include a fluorine compound. For example, the fluorine-based compound is a copolymer of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether including perfluorosulfonic acid, poly (perfluorosulfonic acid), poly (perfluorocarboxylic acid), sulfonic acid group, polytetra Fluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, and one or more selected from the group consisting of two or more copolymers or combinations thereof, and preferably, may be perfluorosulfonic acid It is not limited to this.

상기 전해질은 술폰화 고분자를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 술폰화 고분자는 폴리술폰 계열, 폴리(에테르술폰) 계열, 폴리(티오술폰) 계열, 폴리(에테르에테르케톤) 계열, 폴리이미드 계열, 폴리스티렌 계열, 폴리포스파젠 계열, 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나의 술폰화 탄화수소계 고분자일 수 있고, 바람직하게는, 술폰화 폴리술폰일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The electrolyte may further include a sulfonated polymer. For example, the sulfonated polymer may be polysulfone series, poly (ethersulfone) series, poly (thiosulfone) series, poly (etheretherketone) series, polyimide series, polystyrene series, polyphosphazene series, and the like. It may be one sulfonated hydrocarbon-based polymer selected from the group consisting of two or more mixtures, preferably sulfonated polysulfone, but is not limited thereto.

상기 술폰화 고분자의 술폰화도가 60~90%일 수 있다. 본 명세서에 사용된 용어, "술폰화도(degree of sulfonation)"는 상기 술폰화 고분자를 이루는 복수의 단량체의 총 몰 수를 m, 상기 술폰화 고분자 중 하나 이상의 술폰산기가 치환된 단량체의 몰 수를 n이라 할 때, 식 n/m으로 산출될 수 있고, 예를 들어, n/m이 1이면 술폰화도는 100%일 수 있다.The sulfonation degree of the sulfonated polymer may be 60 to 90%. As used herein, the term "degree of sulfonation" refers to the total number of moles of the plurality of monomers constituting the sulfonated polymer, m, the number of moles of monomers substituted with at least one sulfonic acid group of the sulfonated polymer. In this case, the formula n / m may be calculated. For example, when n / m is 1, the sulfonation degree may be 100%.

일반적으로, 고분자 전해질의 술폰화도가 높을수록, 고분자의 이온전도성이 증가하는 반면에, 친수성이 과도하게 높아져 물에 용해되거나 심하게 팽윤되는 현상이 발생한다. 반대로, 술폰화도가 낮은 경우에는, 소수성이 강해서 내수성, 내구성이 향상되는 반면에, 이온전도성이 저하되는 문제가 있다. 따라서, 상기 고분자 전해질의 술폰화도를 60~90%의 범위로 조절함으로써, 이온전도성과 내수성, 내구성을 균형적으로 구현할 수 있다.In general, the higher the sulfonation degree of the polymer electrolyte, the higher the ionic conductivity of the polymer, while excessively high hydrophilicity is dissolved in water or severely swelling occurs. On the contrary, when sulfonation degree is low, while hydrophobicity is strong and water resistance and durability improve, there exists a problem that ion conductivity falls. Therefore, by adjusting the sulfonation degree of the polymer electrolyte in the range of 60 to 90%, it is possible to balance the ion conductivity, water resistance and durability.

상기 전해질 용액 중 상기 전해질의 함량은 10~60중량%일 수 있다. 상기 고분자 전해질의 함량이 10중량% 미만이면 이온교환막의 이온전도성이 저하될 수 있고, 60중량% 초과이면 이온전도성이 더 이상 향상되지 않기 때문에 불필요한 원료를 소진하게 되어 경제성 측면에서 불리하다.The content of the electrolyte in the electrolyte solution may be 10 to 60% by weight. If the content of the polymer electrolyte is less than 10% by weight, the ion conductivity of the ion exchange membrane may be lowered. If the content of the polymer electrolyte is more than 60% by weight, the ion conductivity is no longer improved, and thus unnecessary raw materials are consumed, which is disadvantageous in terms of economic efficiency.

상기 용매는 에스테르계, 에테르계, 알코올계, 케톤계, 아마이드계, 술폰계, 카보네이트계, 지방족 탄화수소계, 방향족 탄화수소계, 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있고, 바람직하게는, 아마이드계 용매일 수 있으며, 더 바람직하게는 N-메틸-2-피롤리돈일 수 있다.The solvent may be one selected from the group consisting of esters, ethers, alcohols, ketones, amides, sulfones, carbonates, aliphatic hydrocarbons, aromatic hydrocarbons, and mixtures of two or more thereof, preferably May be an amide solvent, more preferably N-methyl-2-pyrrolidone.

상기 에스테르계 용매로는 메틸아세테이트, 에틸아세테이트, n-부틸아세테이트, 셀로솔브아세테이트, 프로필렌글리콜모노메틸아세테이트, 3-메톡시부틸아세테이트, 메틸부틸레이트, 에틸부틸레이트, 프로필프로피오네이트 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. Examples of the ester solvent include methyl acetate, ethyl acetate, n-butyl acetate, cellosolve acetate, propylene glycol monomethyl acetate, 3-methoxybutyl acetate, methyl butyrate, ethyl butyrate, and propyl propionate. However, the present invention is not limited thereto.

상기 에테르계 용매로는 디에틸에테르, 디프로필에테르, 디부틸에테르, 부틸에틸에테르, 테트라하이드로퓨란, 에틸렌글리콜모노메틸에테르, 에틸렌글리콜모노에틸에테르, 에틸렌글리콜모노부틸에테르, 옥틸에테르, 헥실에테르 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Examples of the ether solvent include diethyl ether, dipropyl ether, dibutyl ether, butyl ethyl ether, tetrahydrofuran, ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, ethylene glycol monobutyl ether, octyl ether, hexyl ether, and the like. It may include, but is not limited thereto.

상기 알코올계 용매로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올, n-부탄올, 아밀알콜, 사이클로헥산올, 옥틸알코올, 데칸올 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Examples of the alcohol solvent include methanol, ethanol, propanol, isopropanol, n-butanol, amyl alcohol, cyclohexanol, octyl alcohol, decanol, and the like, but are not limited thereto.

상기 케톤계 용매로는 아세톤, 시클로헥사논, 메틸아밀케톤, 디이소부틸케톤, 메틸에틸케톤, 메틸이소부틸케톤 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The ketone solvent may include acetone, cyclohexanone, methyl amyl ketone, diisobutyl ketone, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, and the like, but is not limited thereto.

상기 아마이드계 용매로는 N-메틸-2-피롤리돈, 2-피롤리돈, N-메틸포름아마이드, 디메틸포름아마이드, 디메틸아세트아마이드 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Examples of the amide solvent include N-methyl-2-pyrrolidone, 2-pyrrolidone, N-methylformamide, dimethylformamide, dimethylacetamide, and the like, but are not limited thereto.

상기 술폰계 용매로는 디메틸술폭사이드, 디에틸술폭사이드, 디에틸술폰, 테트라메틸렌술폰 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Examples of the sulfone solvent include dimethyl sulfoxide, diethyl sulfoxide, diethyl sulfone, tetramethylene sulfone, and the like, but are not limited thereto.

상기 카보네이트계 용매로는 에틸렌카보네이트, 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 메틸에틸카보네이트, 프로필렌카보네이트, 에틸렌카보네이트, 디부틸카보네이트 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Examples of the carbonate solvent include ethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, propylene carbonate, ethylene carbonate and dibutyl carbonate, but are not limited thereto.

상기 지방족 탄화수소계 용매로는 펜탄, 헥산, 헵탄, 옥탄, 노난, 데칸, 도데칸, 테트라데칸, 헥사데칸 등을 들 수 있으며, 상기 방향족 탄화수소계 용매로는 벤젠, 에틸벤젠, 클로로벤젠, 톨루엔, 자일렌 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The aliphatic hydrocarbon solvents include pentane, hexane, heptane, octane, nonane, decane, dodecane, tetradecane, hexadecane, and the like, and the aromatic hydrocarbon solvents include benzene, ethylbenzene, chlorobenzene, toluene, Xylene and the like, but is not limited thereto.

상기 (c) 단계에서는 상기 (a) 단계에서 친수화된 상기 다공막을 상기 전해질 용액에 함침 및/또는 코팅하여 상기 다공막의 공극에 상기 전해질을 채울 수 있고, 필요에 따라, 상기 다공막의 표면에도 상기 전해질이 일정 두께로 코팅될 수 있다. 상기 다공막의 두께는 10~100μm일 수 있고, 상기 (c) 단계에 따라 상기 전해질이 충전 및/또는 코팅된 상기 이온교환막의 두께는 30~200μm일 수 있다.In the step (c), the porous membrane hydrophilized in the step (a) may be impregnated and / or coated in the electrolyte solution to fill the pores of the porous membrane with the electrolyte, and if necessary, the surface of the porous membrane. Even the electrolyte may be coated to a certain thickness. The thickness of the porous membrane may be 10 ~ 100μm, the thickness of the ion exchange membrane filled and / or coated with the electrolyte according to step (c) may be 30 ~ 200μm.

상기 함침 및/또는 코팅은, (i) 친수화된 상기 다공막을 상기 전해질 용액이 채워진 함침조에 일정 시간 동안 함침시키는 방식, (ii) 친수화된 상기 다공막을 상기 전해질 용액을 전달하기 위한 코팅장치, 예를 들어, 롤 코터, 바 코터 등으로 코팅하는 방식, 또는 상기 (i) 및 (ii)가 조합된 방식으로 이루어질 수 있다.The impregnation and / or coating may include (i) impregnating the hydrophilized porous membrane in an impregnation tank filled with the electrolyte solution for a predetermined time, (ii) a coating apparatus for delivering the hydrophilized porous membrane to the electrolyte solution, For example, the coating may be performed by a roll coater, a bar coater, or the like, or a combination of the above (i) and (ii).

특히, 상기 (c) 단계가 상기 (ii) 중 롤 코터를 이용하는 방식으로 이루어지는 경우, 상기 롤 코터는 친수화된 상기 다공막의 일 면에 상기 전해질 용액을 전달하는 제1 롤, 및 친수화된 상기 다공막의 타 면에 접촉하여 상기 다공막을 지지, 이송하면서 내부에 미리 정해진 구조, 형태의 흡입수단이 실장되어 상기 제1 롤로부터 전달된 상기 전해질 용액이 상기 다공막의 공극에 원활하게, 빈 공간없이 채워질 수 있도록 하는 제2 롤을 포함할 수 있다. 또한, 코팅에 필요한 양을 초과하여 전달된 상기 전해질 용액은 상기 제2 롤의 내부에 실장된 상기 흡입수단에 의해 흡입된 다음 상기 제1 롤에 상기 전해질 용액을 공급하는 수단으로 이송되어 상기 전해질 용액이 재사용되도록 할 수 있다.In particular, when the step (c) is made in the manner using the roll coater of the (ii), the roll coater is a first roll to transfer the electrolyte solution to one side of the hydrophilized porous membrane, and the hydrophilized A suction means of a predetermined structure and shape is mounted therein while supporting and transporting the porous membrane in contact with the other surface of the porous membrane so that the electrolyte solution delivered from the first roll smoothly passes through the pores of the porous membrane. A second roll may be included to allow for filling without space. In addition, the electrolyte solution delivered in excess of the amount required for coating is sucked by the suction means mounted in the second roll and then transferred to the means for supplying the electrolyte solution to the first roll so that the electrolyte solution Can be reused.

상기와 같이, 친수화된 상기 다공막은, 그 표면과 내부 공극의 표면에 생성된 -SO3기가 친수성을 가지므로, 본질적으로 친수성인 상기 전해질과의 높은 친화도(affinity)로 인해 상기 전해질과 용이하게 결합될 수 있고, 그 결합력 또한 강화될 수 있어 상기 이온교환막의 내구성이 현저히 향상될 수 있고, 상기 다공막 및 전해질에 포함된 친수성기의 소실이 최소화되므로 이온전도성 또한 향상될 수 있다.As described above, the hydrophilized porous membrane has a hydrophilicity with -SO 3 groups formed on the surface and the surface of the inner pores, and thus, due to the high affinity with the electrolyte which is inherently hydrophilic, It can be easily bonded, and the bonding strength can be enhanced, so that the durability of the ion exchange membrane can be remarkably improved, and the ion conductivity can also be improved since the loss of hydrophilic groups contained in the porous membrane and the electrolyte is minimized.

이하, 본 발명의 실시예에 관하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.

제조예 1: 다공성 지지체의 제조 및 친수화 처리Preparation Example 1 Preparation of Porous Support and Hydrophilization Treatment

에틸렌이 표면 코팅된 평균 입도가 600nm인 나노실리카 입자 20중량부, 동점도가 40cSt(@40℃)인 유동 파라핀 오일 65중량부, 중량평균분자량이 1,500,000 인 제1 폴리에틸렌 20중량부, 및 중량평균분자량이 350,000인 제2 폴리에틸렌 20중량부를 혼합하고 고속 믹서를 사용하여 나노실리카 입자를 분산시켰다.20 parts by weight of nano-silica particles having an average particle size of 600 nm coated with ethylene, 65 parts by weight of liquid paraffin oil having a kinematic viscosity of 40 cSt (@ 40 ° C.), 20 parts by weight of the first polyethylene having a weight average molecular weight of 1,500,000, and a weight average molecular weight 20 parts by weight of this 350,000 second polyethylene was mixed and the nanosilica particles were dispersed using a high speed mixer.

이후, 진공 탈포 공정을 거쳐 혼합 과정에서 생성된 미세 기포를 제거하였다. 350mm 폭의 티-다이가 장착된 이축 스크류 압출기를 사용하여 190~230℃의 온도에서 용융 혼련 토출하였다. 이 때, 다공성 지지체 중 나노실리카의 함량이 51.4중량%가 되도록 투입 함량을 제어하였다. 티-다이를 통해 압출된 용융 혼련물을 60℃의 캐스팅 롤을 거쳐 상온으로 냉각 고화시켰으며, 시트의 두께를 1~2mm로 조절하였다.Thereafter, the microbubbles generated in the mixing process were removed through a vacuum defoaming process. The melt kneading was carried out at a temperature of 190 to 230 ° C. using a twin screw extruder equipped with a 350 mm wide tee-die. At this time, the input content was controlled so that the content of nanosilica in the porous support is 51.4% by weight. The melt kneaded material extruded through the tee-die was solidified by cooling at room temperature through a casting roll at 60 ° C., and the thickness of the sheet was adjusted to 1 to 2 mm.

그 다음 과정으로 압출된 다공성 지지체를 120℃로 가열한 이축 연신기를 사용하여 가로 방향 800%, 세로 방향 800%로 연신하여 필름을 제조하였다. 연신된 필름을 40℃의 메틸렌클로라이드에 1시간 동안 침지하여 유동 파라핀 오일을 제거한 다음, 상온에서 건조시켜 잔류 용매를 제거하였다. 이후, 이축 연신기를 통해 가로 방향 10%, 연신 후 5% 수축, 세로 방향 10% 연신 후 5% 수축하고 30초 간 유지하여 열고정(heat set)한 다음, 평균 공극 크기가 150nm인 다공성 지지체를 제조하였다.Then, the extruded porous support was stretched in a transverse direction of 800% and in a longitudinal direction of 800% using a biaxial stretching machine heated to 120 ° C. to prepare a film. The stretched film was immersed in methylene chloride at 40 ° C. for 1 hour to remove liquid paraffin oil, and then dried at room temperature to remove residual solvent. Thereafter, 10% transverse direction, 5% contraction after stretching, 5% contraction after 10% stretching in longitudinal direction, heat set for 30 seconds, heat set, and then a porous support having an average pore size of 150 nm was obtained. Prepared.

상기 다공성 지지체의 표면을 개질하기 위해 진공 플라즈마로 처리하였다. 플라즈마 처리 전, 상기 다공성 지지체를 평탄하게 편 상태로 유지할 수 있는 틀에 끼우고 지지체 상의 불순물을 제거하기 위해 질소로 퍼지(purge)하였다.The surface of the porous support was treated with a vacuum plasma to modify it. Prior to the plasma treatment, the porous support was placed in a mold capable of being flattened and purged with nitrogen to remove impurities on the support.

진공 플라즈마 처리를 위한 장치의 챔버 크기는 폭 150mm, 깊이 200mm, 높이 120mm이고, 플라즈마를 발생시키는 용도의 평면 전극이 윗면으로부터 25mm 떨어진 위치에 챔버 상면과 평행하게 장착된 것을 사용하였다. 상기 평면 전극으로부터 20mm 떨어진 위치에 상기 다공성 지지체를 상기 평면 전극과 평행하게 위치시키고 챔버 내부의 압력이 0.1torr가 될 때까지 진공 조건을 조성하였다.The chamber size of the apparatus for vacuum plasma treatment was 150 mm wide, 200 mm deep, and 120 mm high, and a flat electrode for generating plasma was mounted in parallel with the chamber upper surface at a position 25 mm from the upper surface. The porous support was positioned parallel to the planar electrode at a position 20 mm away from the planar electrode, and vacuum conditions were established until the pressure in the chamber became 0.1torr.

하기 표 1에 따른 조성을 가지는 기체를 100sccm의 유량으로 챔버 내부로 유입시키면서 2분 간 챔버 내부 압력을 0.5torr로 유지하여 퍼지하였다. 또한, 주파수 50KHz인 고주파 전원을 100W의 출력으로 인가하여 하기 표 1에 따른 시간 동안 상기 다공성 지지체를 처리하였다. 처리 후, 챔버 내부로의 기체 유입을 차단하고 압력을 0.5torr로 유지한 상태에서, 공기로 2분 간 퍼지하고 진공 조건을 해소하여 챔버를 개방하였다.The gas having a composition according to Table 1 was purged while maintaining the pressure inside the chamber at 0.5torr for 2 minutes while flowing into the chamber at a flow rate of 100 sccm. In addition, a high frequency power source having a frequency of 50KHz was applied as an output of 100W to treat the porous support for the time according to Table 1 below. After the treatment, the chamber was opened by purging with air for 2 minutes while blocking the gas inflow into the chamber and maintaining the pressure at 0.5 torr, and releasing the vacuum condition.

상기 다공성 지지체의 상, 하면을 뒤집어 챔버 내부에 상기와 같은 방식으로 위치시키고, 동일한 과정을 반복하여 상기 다공성 지지체의 양면, 즉, 상면과 하면이 고르게 처리되도록 하였다.The upper and lower surfaces of the porous support were inverted and positioned in the same manner as above in the chamber, and the same process was repeated to uniformly treat both surfaces, that is, the upper and lower surfaces of the porous support.

표면 처리된 상기 다공성 지지체의 표면에서 2차 증류수 물방울의 접촉각을 측정하여 상기 다공성 지지체의 친수성 특성 변화를 평가하였고, 흐름 전위 방법을 이용하여 상기 다공성 지지체 표면의 제타전위(zeta potential)를 측정하여 상기 다공성 지지체의 하전 특성을 평가하였다. 측정, 평가 결과는 하기 표 1과 같다.The contact angle of the secondary distilled water droplets was measured on the surface of the surface-treated porous support to evaluate the hydrophilic property change of the porous support, and the zeta potential of the surface of the porous support was measured by using a flow potential method. The charging properties of the porous support were evaluated. Measurement and evaluation results are shown in Table 1 below.

구분division 실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 실시예 3Example 3 실시예 4Example 4 실시예 5Example 5 비교예 1Comparative Example 1 비교예 2Comparative Example 2 기체 조성
(O2 : SO2, vol%)
Gas composition
(O 2 : SO 2 , vol%)
50 : 5050: 50 20 : 8020: 80 20 : 8020: 80 20 : 8020: 80 20 : 8020: 80 -- 공기air
플라즈마 처리시간(초)Plasma Treatment Time (sec) 120120 120120 9090 6060 3030 -- 120120 접촉각(도, ˚)Contact angle (degrees, degrees) 22 00 00 33 1111 105105 9292 제타전위(mV)Zeta potential (mV) -10-10 -25-25 -23-23 -18-18 -12-12 00 -2-2

상기 표 1을 참고하면, 플라즈마 표면 처리를 거치지 않은 다공성 지지체는(비교예 1) 소수성이 매우 강하고 표면이 전혀 하전되지 않은 반면에, 산소와 이산화황이 일정 비율로 혼합된 가스를 공정 기체로 하여 플라즈마 표면 처리된 다공성 지지체(실시예 1~5)는 그 표면이 음전하를 띠고 친수성이 현저히 향상되었다.Referring to Table 1, the porous support without plasma surface treatment (Comparative Example 1), while the hydrophobicity is very strong and the surface is not charged at all, the plasma is mixed with oxygen and sulfur dioxide in a certain ratio as a process gas Surface-treated porous supports (Examples 1 to 5) had a negative charge on the surface thereof and markedly improved hydrophilicity.

또한, 비교예 1의 플라즈마 표면 처리되지 않은 폴리에틸렌 기재 다공막과 실시예 1의 플라즈마 표면처리된 기재 다공막을 증류수에 침지했을 때, 비교예 1의 기재 다공막은 공극으로 물이 침투하지 못하고 표면이 공기와 접촉하려는 성질로 인해 물에 뜨며 공극과 폴리에틸렌 소재 사이의 굴절율 차이로 인한 광산란에 의해 불투명한 반면에, 실시예 1의 기재 다공막은 기공 내부로 물이 침투하여 물 속에 양호하게 침지될 수 있고, 공극을 채우는 물과 폴리에틸렌 소재 사이의 완화된 굴절율 차이로 인해 투명하게 보이게 된다.In addition, when the polyethylene surface porous film of Comparative Example 1 and the plasma surface treated substrate porous film of Example 1 were immersed in distilled water, the substrate porous film of Comparative Example 1 did not penetrate water into the pores and the surface was uneven. On the other hand, the substrate porous film of Example 1 can be immersed in water well due to water penetration into the pores while floating in water due to the nature of contact with air and opaque due to the difference in refractive index between the pores and the polyethylene material. And appear transparent due to the relaxed refractive index difference between the water filling the voids and the polyethylene material.

또한, 실시예 1, 2를 통해, 공정 기체 중 이산화황의 비율이 산소에 비해 큰 경우 다공성 지지체의 표면이 더 효과적으로 친수성 개질됨을 알 수 있다.In addition, it can be seen from Examples 1 and 2 that the surface of the porous support is more effectively hydrophilic when the ratio of sulfur dioxide in the process gas is larger than oxygen.

제조예 2: 이온교환막의 제조Preparation Example 2 Preparation of Ion Exchange Membrane

기계적 교반기, 가스 주입구, 냉각기를 구비한 5구 150mL 불소계 이오노머인 퍼플루오로술폰산 20g, 물 30mL 및 알코올 70mL을 포함하는 혼합용매에 질소 분위기 하에서 용해하였고, 충분한 용해를 위해 상온에서 2시간 이상 교반하였다. 교반 후 NMP 10mL를 추가로 투입하여 30분 이상 교반하여 전해질 용액을 제조하였다. 실시예 1, 2 및 비교예 1의 다공성 지지체를 상기 전해질 용액에 함침하여 이온교환막을 제조하였다.It was dissolved in a mixed solvent containing 20 g of perfluorosulfonic acid, 20 mL of perfluorosulfonic acid, 30 mL of water, and 70 mL of alcohol, equipped with a mechanical stirrer, a gas inlet, and a cooler, and stirred at room temperature for at least 2 hours for sufficient dissolution. . After stirring, 10 mL of NMP was further added thereto, followed by stirring for 30 minutes or more to prepare an electrolyte solution. The porous supports of Examples 1, 2 and Comparative Example 1 were impregnated into the electrolyte solution to prepare ion exchange membranes.

제조된 막의 성능과 내구성을 아래의 방법으로 평가하였고, 그 결과는 하기 표 2와 같다.The performance and durability of the prepared membrane was evaluated by the following method, and the results are shown in Table 2 below.

-이온전환율(IEC, meq/g): 이온전환율을 통해 이온교환막 내의 이온교환기의 포함 정도를 알 수 있으며, 산-염기 적정법을 이용하여 측정하였다. 상기 이온교환막을 0.01N 염화나트륨 수용액에 24시간 동안 침적한 후 0.01N 수산화나트륨 용액을 이용하여 적정하였고, 하기 식 1을 이용하여 이온전환율을 계산하였다.Ion conversion rate (IEC, meq / g): The ion conversion rate indicates the degree of inclusion of ion exchange groups in the ion exchange membrane, and was measured using an acid-base titration method. The ion exchange membrane was immersed in 0.01 N sodium chloride solution for 24 hours and then titrated using 0.01 N sodium hydroxide solution, and the ion conversion rate was calculated using Equation 1 below.

<식 1><Equation 1>

이온전환율(meq/g) = (VNaOH X NNaOH) / Wdry Ion Conversion Rate (meq / g) = (V NaOH XN NaOH ) / W dry

상기 식 1에서, VNaOH는 적정에 사용된 수산화나트륨 수용액의 부피를, NNaOH는 수산화나트륨 수용액의 노르말 농도를, Wdry는 건조된 이온교환막의 중량이다.In Formula 1, V NaOH is the volume of the aqueous sodium hydroxide solution used for titration, N NaOH is the normal concentration of the aqueous sodium hydroxide solution, W dry is the weight of the dried ion exchange membrane.

-물 흡수율(water uptake, %): 이온교환막의 물 흡수율을 측정하기 위해, 이온교환막을 탈이온수로 수차례 여러 번 세척하고, 세척된 이온교환막을 탈이온수에 24시간 동안 침지시킨 후 꺼내어 표면에 존재하는 물을 제거한 후 중량(Wwet)을 측정하였다. 이어서, 동일한 이온교환막을 다시 120℃의 감압건조기에서 24시간 동안 건조한 후 다시 중량(Wdry)을 측정하였고, 하기 식 2를 이용하여 물 흡수율을 계산하였다.Water uptake (%): In order to measure the water absorption rate of the ion exchange membrane, the ion exchange membrane was washed several times with deionized water, and the washed ion exchange membrane was immersed in deionized water for 24 hours and then taken out to the surface. The weight (W wet ) was measured after removing the water present. Subsequently, the same ion exchange membrane was dried again in a reduced pressure dryer at 120 ° C. for 24 hours, and then measured again by weight (W dry ), and water absorption was calculated using Equation 2 below.

<식 2><Equation 2>

물 흡수율(%) = {(Wwet - Wdry)/ Wdry} X 100% Water absorption = {(W wet -W dry ) / W dry } X 100

-치수안정성(Δl, Δt, ΔV, %): 치수안정성은 물 흡수율의 측정방법과 동일하되, 중량 대신, 이온교환막의 길이, 두께, 부피변화를 측정하였고, 하기 식 3을 이용하여 치수변화율을 계산하였다.-Dimensional stability (Δl, Δt, ΔV,%): Dimensional stability is the same as the method of measuring the water absorption rate, but instead of weight, the length, thickness, volume change of the ion exchange membrane was measured, and the dimensional change rate was Calculated.

<식 3><Equation 3>

길이변화율(Δl, %) = {(lwet - ldry)/ ldry} X 100Length change rate (Δl,%) = {(l wet -l dry ) / l dry } X 100

두께변화율(Δt, %) = {(twet - tdry)/ tdry} X 100Thickness Change (Δt,%) = {(t wet -t dry ) / t dry } X 100

부피변화율(ΔV, %) = {(Vwet - Vdry)/ Vdry} X 100Volume change rate (ΔV,%) = {(V wet -V dry ) / V dry } X 100

구분division IECIEC ΔlΔl ΔtΔt ΔVΔV 물 흡수율Water absorption 비교예Comparative example 1.051.05 5.635.63 6.996.99 19.4119.41 13.0213.02 실시예 1Example 1 1.201.20 0.700.70 0.770.77 2.812.81 9.469.46 실시예 2Example 2 1.151.15 0.450.45 10.3710.37 21.1721.17 5.875.87

상기 표 2를 참고하면, 이산화황(SO2) 및 산소(O2)를 포함하는 혼합가스 존재하에서 플라즈마 표면처리된 기재 다공막에 전해질을 함침시켜 제조된 이온교환막(실시예 1, 2)은, 플라즈마 표면처리를 거치지 않은 기재 다공막에 전해질을 함침시켜 제조된 이온교환막(비교예 1)에 비해 이온전환율이 약 1.1meq/g 이상으로 높아 이온전도성이 우수할 뿐만 아니라, 길이변화율이 약 80~90% 감소하여 치수안정성이 향상되었으며, 물 흡수율 또한 10% 이하로 낮아 이온교환막으로서의 내구성이 우수한 것으로 나타났다.Referring to Table 2, an ion exchange membrane (Examples 1 and 2) prepared by impregnating an electrolyte in a substrate porous membrane treated with plasma in the presence of a mixed gas containing sulfur dioxide (SO 2 ) and oxygen (O 2 ), Compared to the ion exchange membrane (Comparative Example 1) prepared by impregnating the electrolyte in the substrate porous membrane which has not been subjected to plasma surface treatment, the ion conversion rate is about 1.1 meq / g or more, so that the ion conductivity is excellent and the length change rate is about 80 ~. The dimensional stability was improved by 90%, and the water absorption rate was also lowered to 10% or less, indicating that the durability as an ion exchange membrane was excellent.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The above description of the present invention is intended for illustration, and it will be understood by those skilled in the art that the present invention may be easily modified in other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may be implemented in a combined form.

본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the invention is indicated by the following claims, and it should be construed that all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents are included in the scope of the present invention.

Claims (13)

(a) 이산화황(SO2) 및 산소(O2)를 포함하는 혼합가스 존재하에서 다공막을 플라즈마 처리하여 상기 다공막을 친수화하는 단계;
(b) 전해질을 용매 중에 용해시켜 전해질 용액을 제조하는 단계; 및
(c) 상기 (a) 단계에서 친수화된 상기 다공막을 상기 전해질 용액에 함침하는 단계;를 포함하는 이온교환막의 제조방법.
(a) hydrophilizing the porous membrane by plasma treating the porous membrane in the presence of a mixed gas containing sulfur dioxide (SO 2 ) and oxygen (O 2 );
(b) dissolving the electrolyte in a solvent to prepare an electrolyte solution; And
(c) impregnating the porous membrane hydrophilized in step (a) into the electrolyte solution.
제1항에 있어서,
상기 혼합가스가 이산화황 50~90부피% 및 산소 10~50부피%를 포함하는 이온교환막의 제조방법.
The method of claim 1,
The mixed gas is 50 to 90% by volume sulfur dioxide and 10 to 50% by volume of the ion exchange membrane production method.
제1항에 있어서,
상기 다공막이 중량평균분자량이 상이한 2종의 폴리에틸렌 30~90중량% 및 무기필러 10~70중량%를 포함하는 이온교환막의 제조방법.
The method of claim 1,
A method for producing an ion exchange membrane, wherein the porous membrane comprises 30 to 90 wt% of two kinds of polyethylene having different weight average molecular weights and 10 to 70 wt% of an inorganic filler.
제3항에 있어서,
상기 폴리에틸렌이 중량평균분자량이 1,000,000~3,000,000인 제1 폴리에틸렌 및 중량평균분자량이 200,000~500,000인 제2 폴리에틸렌을 포함하는 이온교환막의 제조방법.
The method of claim 3,
Wherein said polyethylene comprises a first polyethylene having a weight average molecular weight of 1,000,000 to 3,000,000 and a second polyethylene having a weight average molecular weight of 200,000 to 500,000.
제3항에 있어서,
상기 무기필러의 평균 입도가 10~1,000nm인 이온교환막의 제조방법.
The method of claim 3,
Method for producing an ion exchange membrane having an average particle size of the inorganic filler 10 ~ 1,000nm.
제3항에 있어서,
상기 무기필러의 표면에 생성된 탄화수소층을 포함하는 이온교환막의 제조방법.
The method of claim 3,
Method of producing an ion exchange membrane comprising a hydrocarbon layer formed on the surface of the inorganic filler.
제1항에 있어서,
상기 다공막의 평균 공극 크기는 20~2,000nm인 이온교환막의 제조방법.
The method of claim 1,
Method for producing an ion exchange membrane of the average pore size of the porous membrane is 20 ~ 2,000nm.
제1항에 있어서,
상기 플라즈마 처리가 30~90분 간 수행되는 이온교환막의 제조방법.
The method of claim 1,
Method for producing an ion exchange membrane wherein the plasma treatment is performed for 30 to 90 minutes.
제1항에 있어서,
친수화된 상기 다공막의 접촉각이 15˚ 이하인 이온교환막의 제조방법.
The method of claim 1,
A method for producing an ion exchange membrane, wherein the contact angle of the hydrophilized porous membrane is 15 ° or less.
제1항에 있어서,
상기 전해질이 불소계 화합물을 포함하는 이온교환막의 제조방법.
The method of claim 1,
A method of producing an ion exchange membrane wherein the electrolyte contains a fluorine compound.
제10항에 있어서,
상기 불소계 화합물이 퍼플루오로술폰산, 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌 및 이들 중 2 이상의 공중합체 또는 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나인 이온교환막의 제조방법.
The method of claim 10,
The fluorine-based compound is a copolymer of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing perfluorosulfonic acid, poly (perfluorosulfonic acid), poly (perfluorocarboxylic acid), sulfonic acid group, polytetrafluoroethylene, Polyvinyl fluoride, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene and a method for producing an ion exchange membrane is one selected from the group consisting of two or more of these copolymers or combinations thereof.
제1항에 있어서,
상기 전해질 용액 중 상기 전해질의 함량이 10~60중량%인 이온교환막의 제조방법.
The method of claim 1,
Method of producing an ion exchange membrane of the content of the electrolyte in the electrolyte solution 10 to 60% by weight.
제1항에 있어서,
상기 용매가 에스테르계, 에테르계, 알코올계, 케톤계, 아마이드계, 술폰계, 카보네이트계, 지방족 탄화수소계, 방향족 탄화수소계, 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나인 이온교환막의 제조방법.
The method of claim 1,
Method for producing an ion exchange membrane wherein the solvent is one selected from the group consisting of esters, ethers, alcohols, ketones, amides, sulfones, carbonates, aliphatic hydrocarbons, aromatic hydrocarbons, and mixtures of two or more thereof .
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