KR20210105738A - Sulfonated graft polymer, preparation method thereof and use thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본원 발명은 술폰화 가지형 고분자, 이의 제조방법 및 용도에 대한 것이다.The present invention relates to a sulfonated branched polymer, a method for preparing the same, and a use thereof.
보다 구체적으로는 폴리이미드(PI)계, 폴리술폰(PSU)계, 폴리에테르케톤(PEK)계, 폴리아릴렌에테르술폰(PAES)계, 폴리아릴렌설파이드술폰계(polyarylenesulfidesulfone) 및 폴리아릴렌에테르설파이드술폰계(polyaryleneethersulfidesulfone) 고분자로 이루어지는 탄화수소계 고분자 중 어느 하나를 주쇄로 가지고, 상기 주쇄에 결합되는 단일 반응성의 측쇄로서 술폰기를 함유하는 가지형 고분자 및 이를 포함하는 고분자 전해질 막과 해당 전해질 막의 용도에 대한 것이다.More specifically, polyimide (PI)-based, polysulfone (PSU)-based, polyetherketone (PEK)-based, polyarylene ethersulfone (PAES)-based, polyarylenesulfidesulfone-based, and polyarylene ether A branched polymer containing any one of hydrocarbon-based polymers made of a sulfide-based (polyaryleneethersulfidesulfone) polymer as a main chain and containing a sulfone group as a single reactive side chain bonded to the main chain, a polymer electrolyte membrane containing the same, and the use of the electrolyte membrane it is about
연료전지(fuel cell)는 연료인 수소 또는 메탄올과 산화제인 산소 또는 공기의 전기화학적 반응에 의해 화학적 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 에너지 변환장치로서, 기본적으로 연료극(anode), 산소극(cathode) 및 두 전극 사이에 배치되는 전해질 막(electrolyte membrane)을 포함하며, 이러한 구성을 막/전극 접합체(Membrane-Electrode Assembly)라 한다. 여기서, 전해질 막은 연료극에서 발생한 수소이온을 산소극으로 전달해주는 역할(수소이온 전도도가 높을 것)과 함께 연료가 산소와 섞이지 않도록 하는 격막 역할(수화에 대한 치수안정성이 높고, 메탄올 투과도가 낮을 것)을 담당한다.A fuel cell is an energy conversion device that converts chemical energy into electrical energy by an electrochemical reaction between hydrogen or methanol as a fuel and oxygen or air as an oxidizing agent. Basically, an anode, an oxygen electrode, and It includes an electrolyte membrane disposed between two electrodes, and this configuration is called a membrane-electrode assembly. Here, the electrolyte membrane serves to deliver hydrogen ions generated from the fuel electrode to the oxygen electrode (high hydrogen ion conductivity) and as a diaphragm to prevent fuel from mixing with oxygen (high dimensional stability against hydration and low methanol permeability) is responsible for
이러한 고분자 전해질 막의 종류는 크게 불소계(fluorinated PEM)와 탄화수소계(Hydrocarbon-based PEM)로 구분되는데, 그 중 탄화수소계 전해질 막은 폴리이미드(PI), 폴리술폰(PSU), 폴리에테르케톤(PEK), 폴리아릴렌에테르술폰(PAES) 등의 고분자를 사용하여 제조되며, 일반적으로 불소계 전해질 막에 비해 제조원가가 낮고, 열 안정성이 우수한 장점이 있다.These polymer electrolyte membranes are largely divided into fluorinated PEM and hydrocarbon-based PEM, among which hydrocarbon-based electrolyte membranes are polyimide (PI), polysulfone (PSU), polyether ketone (PEK), It is manufactured using a polymer such as polyarylene ether sulfone (PAES), and generally has advantages of lower manufacturing cost and excellent thermal stability compared to fluorine-based electrolyte membranes.
한편, 수소 제조 방법 중에 하나인 고분자 전해질 막을 이용한 물의 전기분해(수전해) 방법은 물을 전기화학적으로 분해하여 수소와 산소를 만들어내는 장치로서, 다른 수소 제조 방법에 비해 가동 조건이 간단하고 작은 부피가 작으며 고 순도의 수소를 얻을 수 있다는 장점을 갖고 있어 주목받고 있는 기술이다. 또한 수소 연료 전지에도 사용할 수 있다. 수소 연료 전지는 수전해의 역반응으로써 수소와 산소를 전기화학적으로 반응 시켜 전기를 생산하는 방법으로 내연 기관에 비해 친환경적이며 연료 효율이 높아 대체 에너지 기술로 꼽히고 있다. On the other hand, the electrolysis (water electrolysis) method of water using a polymer electrolyte membrane, which is one of the hydrogen production methods, is a device that electrochemically decomposes water to produce hydrogen and oxygen. Compared to other hydrogen production methods, operating conditions are simple and small volume. It is a technology attracting attention because it has the advantage of being small and high-purity hydrogen can be obtained. It can also be used for hydrogen fuel cells. Hydrogen fuel cell is a method of producing electricity by electrochemically reacting hydrogen and oxygen as a reverse reaction of water electrolysis.
수전해용 고분자 전해질 막은 일반적으로 고체 고분자 전해질 막으로, 수전해시 발생하는 산소와 수소를 나눠주고 수소이온을 통과시키는 역할을 하며 촉매 그리고 가스 확산 층으로 이루어져 있는 막-전극 접합체(MEA)를 가진다. 수전해 시 전압을 가하면 양극(anode)에서 산화반응이 일어나게 되는데 이 때, 물로부터 산소와 수소이온이 생기게 되고 이 수소 이온은 고분자 전해질 막을 통하여 음극(cathode)으로 이동하여 외부로부터 공급된 전자(e-)와 반응하여 H2를 발생시킨다.A polymer electrolyte membrane for water electrolysis is generally a solid polymer electrolyte membrane, which divides oxygen and hydrogen generated during water electrolysis and allows hydrogen ions to pass through, and has a membrane-electrode assembly (MEA) composed of a catalyst and a gas diffusion layer. When a voltage is applied during water electrolysis, an oxidation reaction occurs at the anode. At this time, oxygen and hydrogen ions are generated from water, and these hydrogen ions move to the cathode through the polymer electrolyte membrane and electrons (e) supplied from the outside -) reacts to generate H2.
위와 같은 수전해 장치 등에서, 수소를 교환하는 고분자 전해질 막으로는 일반적으로 과불소계 막인 나피온(Nafion : Dupont사 제품)이 상용화되어 있다. 그러나 나피온 막은 제조 공정이 복잡하고 가격이 매우 비싸며 불소를 사용하기 때문에 환경오염이 크며, 80℃ 이상의 고온에서는 수소 이온전도도와 같은 전기화학적인 성능이 떨어지는 문제점이 있다.In the above water electrolysis device, etc., as a polymer electrolyte membrane for exchanging hydrogen, Nafion (product of Dupont Co., Ltd.), which is generally a perfluorine-based membrane, is commercially available. However, the Nafion membrane has a problem in that the manufacturing process is complicated, the price is very expensive, the environmental pollution is large because fluorine is used, and the electrochemical performance such as hydrogen ion conductivity is deteriorated at a high temperature of 80°C or higher.
이에 따라, 일본 공개특허공보 평06-93114호에서는 폴리아릴렌에테르술폰을 기초로 하는 전해질 막의 제조방법을 제안하였다. 그러나 이는 수소 이온의 교환성을 증가시키기 위해 술폰화도를 증가시키면 팽윤(swelling) 현상에 의해 막의 기계적 물성이 감소하며, 열적 안정성 또한 감소하는 문제점을 가지고 있다Accordingly, Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 06-93114 proposes a method for manufacturing an electrolyte membrane based on polyarylene ether sulfone. However, when the degree of sulfonation is increased to increase the exchangeability of hydrogen ions, the mechanical properties of the membrane are reduced due to swelling, and thermal stability is also reduced.
고분자 전해질막을 포함하는 연료전지에서 불소계 고분자 전해질막은 높은 성능과 내구성으로 그 우수성이 널리 알려져 있다. 특히, 불소계 고분자 전해질막의 경우 상대습도 사이클 시험(RH cycle test)을 통하여 기계적 물성 평가에서 내구성이 안정적으로 나타남을 확인할 수 있다, 그러나, 탄화수소계 고분자 전해질막이 불소계 고분자 전해질막에 비해 가격 경쟁력이 높기 때문에 탄화수소계 고분자 전해질막에 대한 많이 연구가 진행되고 있다. 탄화수소계 고분자 전해질막의 이온전도도를 불소계 고분자 전해질막 수준으로 높이기 위해서 낮은 당량 중량값을 가지는 고분자의 합성이 주로 이루어지고 있지만, 낮은 당량 중량값을 가지는 탄화수소계 고분자는 기계적 내구성이 더욱 저하되는 특성을 보이는 경우가 대부분인 실정이다.In a fuel cell including a polymer electrolyte membrane, a fluorine-based polymer electrolyte membrane is widely known for its high performance and durability. In particular, in the case of a fluorine-based polymer electrolyte membrane, it can be confirmed that durability is stably shown in the evaluation of mechanical properties through a relative humidity cycle test (RH cycle test). A lot of research on hydrocarbon-based polymer electrolyte membranes is being conducted. In order to increase the ionic conductivity of the hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane to the level of the fluorine-based polymer electrolyte membrane, the synthesis of a polymer having a low equivalent weight value is mainly performed, but the hydrocarbon-based polymer having a low equivalent weight value shows a characteristic that mechanical durability is further reduced. In most cases, it is.
따라서 이러한 종래기술의 단점을 개선하기 위한 탄화수소계 고분자 전해질 막의 구체적인 형태로서 랜덤(random) 공중합체, 멀티블록(multi-block) 공중합체 및 가지형(graft) 공중합체 등 다양한 분자구조를 가지는 고분자 전해질 막에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이와 관련된 종래기술로서 한국 공개특허공보 제10-2015-0143362호에는 아지도알킬기와 에티닐기와의 시클로 첨가반응에 의하여 제조되는 그래프트 구조의 폴리(아릴렌 에테르 술폰) 중합체 및 이의 제조방법에 대하여 기재되어 있다. 그러나, 가지형 고분자의 제조방법에 있어서 그라프팅 반응시 가교반응의 발생은 겔화를 유발하고, 목표 공급 비를 파괴하는 등 적절한 그라프팅 반응을 어렵게 하며, 최종적으로는 막의 제조를 어렵게 하므로 가교반응의 발생을 억제하는 것이 매우 중요함에도 불구하고 이러한 불필요한 가교반응을 피하기 위한 구체적인 해결수단을 제공하고 있지는 못하는 단점이 존재한다.Therefore, polymer electrolytes having various molecular structures such as random copolymers, multi-block copolymers, and graft copolymers as specific types of hydrocarbon-based polymer electrolyte membranes to improve the disadvantages of the prior art. Research on membranes is actively underway. As a related prior art, Korean Patent Application Laid-Open No. 10-2015-0143362 describes a poly(arylene ether sulfone) polymer having a graft structure prepared by a cycloaddition reaction between an azidoalkyl group and an ethynyl group and a method for preparing the same. has been However, in the method for preparing a branched polymer, the occurrence of a crosslinking reaction during the grafting reaction causes gelation, destroying the target supply ratio, etc. Although it is very important to suppress the occurrence, there is a disadvantage in that it does not provide a specific solution for avoiding such unnecessary cross-linking reaction.
또한, 연료전지용 막전극 접합체 및 그 제조방법에 대한 것인 한국 등록특허 제10-1229597호에는 단일 공중합체, 교대 공중합체, 랜덤 공중합체, 블록 공중합체, 멀티블록 공중합체 또는 그라프트 공중합체를 포함하는 연료전지용 전해질막에 대하여 기재되어 있으나, 전해질 막의 고분자 구조에 따른 전해질 막의 물성 및 효과에 대하여 구체적인 비교 결과를 제시하지는 못하고 있다.In addition, Korean Patent Registration No. 10-1229597, which relates to a membrane electrode assembly for a fuel cell and a method for manufacturing the same, discloses a homopolymer, an alternating copolymer, a random copolymer, a block copolymer, a multi-block copolymer, or a graft copolymer. Although it has been described with respect to an electrolyte membrane for a fuel cell containing the electrolyte membrane, specific comparative results have not been presented with respect to the physical properties and effects of the electrolyte membrane according to the polymer structure of the electrolyte membrane.
본원 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위해 개발된 것으로, 단일 반응성의 측쇄구조를 가지는 술폰화 가지형 고분자를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention was developed to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a sulfonated branched polymer having a single reactive side chain structure.
또한, 본원 발명에서는 연료전지, 이차전지, 레독스 흐름 전지 또는 수전해 등의 전해질 막으로 사용이 가능한 술폰화 가지형 고분자를 제공하고자 한다.In addition, in the present invention, it is an object of the present invention to provide a sulfonated branched polymer that can be used as an electrolyte membrane for a fuel cell, a secondary battery, a redox flow battery, or water electrolysis.
본원 발명에서는 상기 과제를 해결하기 위하여 폴리이미드(PI)계, 폴리술폰(PSU)계, 폴리에테르케톤(PEK)계, 폴리아릴렌에테르술폰(PAES)계, 폴리아릴렌설파이드술폰계(polyarylenesulfidesulfone) 및 폴리아릴렌에테르설파이드술폰계(polyaryleneethersulfidesulfone) 고분자로 이루어지는 탄화수소계 고분자 중 어느 하나를 주쇄로 가지고, 상기 주쇄에 결합되는 단일 반응성의 측쇄로서 술폰기를 함유하는 가지형 고분자 및 이를 포함하는 고분자 전해질 막을 제공한다.In the present invention, in order to solve the above problems, polyimide (PI)-based, polysulfone (PSU)-based, polyetherketone (PEK)-based, polyarylene ethersulfone (PAES)-based, polyarylenesulfidesulfone-based and a branched polymer containing a sulfone group as a single reactive side chain bonded to the main chain and having any one of a hydrocarbon-based polymer consisting of a polyaryleneethersulfidesulfone polymer as a main chain, and a polymer electrolyte membrane comprising the same do.
본원 발명에 따른 술폰화 가지형 고분자의 제조방법은, 측쇄의 분자량 및 주쇄의 펜던트 하이드록시기의 몰 백분율을 조정함으로써 IEC의 조절과 함께 가교를 방지하는 효과가 있다.The method for producing a sulfonated branched polymer according to the present invention has an effect of preventing cross-linking along with the control of IEC by adjusting the molecular weight of the side chain and the molar percentage of the pendant hydroxyl group of the main chain.
본원 발명에 따른 단일 말단 반응성을 가지면서 모든 밴젠고리에 술폰산기가 포함된 측쇄에 해당하는 가지형 고분자는 높은 IEC 및 낮은 당량 중량값의 높은 산성도를 가지고, 단일 말단의 측쇄로 인한 그라프트 반응시 가교를 방지하는 한편, 주쇄에 술폰산기를 배제시킴으로써 우수한 가수 안전성, 치수 안정성, 기계적 물성 및 내구성이 향상되는 효과가 있다.The branched polymer having single-terminal reactivity according to the present invention and corresponding to the side chain containing a sulfonic acid group in all benzoyl rings has a high IEC and high acidity of a low equivalent weight value, and is cross-linked during graft reaction due to a single-terminal side chain On the other hand, by excluding a sulfonic acid group from the main chain, excellent hydrous stability, dimensional stability, mechanical properties and durability are improved.
본원 발명에 따른 술폰화 가지형 고분자는 친수성 클러스터 사이의 도메인 간 거리가 측쇄 길이가 증가함에 따라 증가하였고, 유사한 IEC에서 더 긴 측쇄 길이는 더 높은 물 흡수 및 양성자 전도성을 나타냈다.In the sulfonated branched polymer according to the present invention, the interdomain distance between hydrophilic clusters increased as the side chain length increased, and a longer side chain length in a similar IEC showed higher water absorption and proton conductivity.
본원 발명에 따른, 술폰화 가지형 고분자는 유사한 개념의 멀티 블록형 고분자에 비하여 낮은 스웰링(swelling), 저습도에서의 높은 이온전도도 및 우수한 성능 재현성을 가지는 장점이 있다.The sulfonated branched polymer according to the present invention has advantages of low swelling, high ionic conductivity at low humidity, and excellent performance reproducibility compared to multi-block polymers of a similar concept.
본원 발명에 따른 술폰화 가지형 고분자는 상용의 나피온 보다 높은 양성자 전도성과 함께 전류 밀도와 탁월한 화학적 및 물리적 내구성으로 연료 전지용 전해질 막으로서 우수한 성능을 가진다.The sulfonated branched polymer according to the present invention has excellent performance as an electrolyte membrane for a fuel cell due to current density and excellent chemical and physical durability along with higher proton conductivity than commercial Nafion.
도 1은 본원 발명의 일 구현예에 따라 제조된 측쇄 단량체인 (a) CMSDPS 및 (b) FMDPS의 1H-NMR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 2는 본원 발명의 일 구현예에 따라 제조된 G-sPSS의 (a) 1H-NMR 및 (b) 19F-NMR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 3은 본원 발명의 일 구현예에 따라 제조된 G-PES_OH의 1H-NMR을 나타낸 것으로 주쇄에 (a)는 -O-기, (b)는 -S- 기 및 (C)는 -SO2- 기를 가지는 G-PES_OH의 스펙트럼이다.
도 4는 본원 발명의 일 구현예에 따라 제조된 주쇄에 -O-기를 가지는 Gx/y의 1H-NMR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 5는 본원 발명의 일 구현예에 따라 제조된 주쇄에 -S-기를 가지는 Gx/y의 1H-NMR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 6은 본원 발명의 일 구현예에 따라 제조된 주쇄에 -SO2- 기를 가지는 Gx/y의 1H-NMR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 7은 본원 발명의 일 구현예에 따라 제조된 멀티블록형 고분자의 친수성 블록인M_sPSS의 (a) 1H-NMR 및 (b) 19F-NMR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 8은 본원 발명의 일 구현예에 따라 제조된 멀티블록형 고분자의 소수성 블록인 M_PES의 1H-NMR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 9는 본원 발명의 일 구현예에 따라 제조된 멀티블록형 고분자의 1H-NMR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 10은 본원 발명의 일 구현예에 따른 (a) 술폰화 가교형 고분자(양쪽 말단 반응성을 가지는 측쇄를 그래프트에 이용한 경우)와 (b) 술폰화 가지형 고분자(단일 말단 반응성을 가지는 측쇄를 그래프트에 이용한 경우)의 화학식과 제조시 반응기의 모습을 나타낸 것이다.
도 11은 본원 발명의 일구현예에 따른 측쇄 길이가 다른 Gx/y의 수분 흡수 및 치수 팽창에 대해 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 12는 본원 발명의 일구현예에 따른 측쇄 길이가 다른 Gx/y의 온도에 따른 양성자 전도도 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 13은 본원 발명의 일구현예에 따른 G1.64/7500의 연료 전지 성능을 나타낸 것이다.
도 14는 본원 발명의 일구현예에 따른 G1.64/7500의 OCV 시험결과를 나타낸 것이다.
도 15는 본원 발명의 일구현예에 따른 G1.64/7500의 시간에 따른 OCV 시험결과를 나타낸 것이다.
도 16은 본원 발명의 일 구현예에 따른 G1.64/7500의 습식-건식 사이클 테스트 결과를 나타낸 것이다.
도 17은 본원 발명의 일 구현예에 따른 가지형 고분자와 멀티블록형 고분자에 대하여 치수안정성 및 수분흡수를 비교하여 나타낸 것이다.
도 18은 본원 발명의 일 구현예에 따른 가지형 고분자, 멀티블록형 고분자 및 상용 Nafion에 대하여 상대습도에 대한 양성자 전도도를 분석한 결과를 나타낸 것이다. 1 shows 1 H-NMR spectra of (a) CMSDPS and (b) FMDPS, which are side chain monomers prepared according to an embodiment of the present invention.
2 shows (a) 1 H-NMR and (b) 19 F-NMR spectra of G-sPSS prepared according to an embodiment of the present invention.
3 shows 1 H-NMR of G-PES_OH prepared according to an embodiment of the present invention, in which (a) is an -O- group, (b) is a -S- group, and (C) is a -SO This is the spectrum of G-PES_OH with a 2 - group.
4 shows a 1 H-NMR spectrum of Gx/y having an -O- group in the main chain prepared according to an embodiment of the present invention.
5 shows a 1 H-NMR spectrum of Gx/y having a -S- group in the main chain prepared according to an embodiment of the present invention.
6 shows a 1 H-NMR spectrum of Gx/y having a -SO 2 - group in the main chain prepared according to an embodiment of the present invention.
7 shows (a) 1 H-NMR and (b) 19 F-NMR spectra of M_sPSS, which is a hydrophilic block of a multi-block polymer prepared according to an embodiment of the present invention.
8 shows a 1 H-NMR spectrum of M_PES, which is a hydrophobic block of a multi-block-type polymer prepared according to an embodiment of the present invention.
9 shows a 1 H-NMR spectrum of a multi-block-type polymer prepared according to an embodiment of the present invention.
10 shows (a) a sulfonated cross-linked polymer (when side chains having reactivity at both ends are used for grafting) and (b) a sulfonated branched polymer (side chains having single-terminal reactivity are grafted) according to an embodiment of the present invention; The chemical formula of (when used in ) and the appearance of the reactor during production are shown.
11 shows the results of analysis of water absorption and dimensional expansion of Gx/y having different side chain lengths according to an embodiment of the present invention.
12 shows the proton conductivity analysis results according to the temperature of Gx/y having different side chain lengths according to an embodiment of the present invention.
13 shows the fuel cell performance of G1.64/7500 according to an embodiment of the present invention.
14 shows the OCV test results of G1.64/7500 according to an embodiment of the present invention.
15 shows the OCV test results over time of G1.64/7500 according to an embodiment of the present invention.
16 shows the wet-dry cycle test results of G1.64/7500 according to an embodiment of the present invention.
17 is a comparison of dimensional stability and water absorption of the branched polymer and the multi-block polymer according to an embodiment of the present invention.
18 shows the results of analyzing the proton conductivity with respect to relative humidity for the branched polymer, the multi-block polymer, and the commercial Nafion according to an embodiment of the present invention.
이하, 본원 발명에 대해 상세하게 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본원 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail. The terms or words used in the present specification and claims should not be construed as being limited to their ordinary or dictionary meanings, and the inventor may properly define the concept of the term in order to best describe his invention. Based on the principle that there is, it should be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.
본원 발명에서는 상기 과제를 해결하기 위하여 폴리이미드(PI)계, 폴리술폰(PSU)계, 폴리에테르케톤(PEK)계, 폴리아릴렌에테르술폰(PAES)계, 폴리아릴렌설파이드술폰계(polyarylenesulfidesulfone) 및 폴리아릴렌에테르설파이드술폰계(polyaryleneethersulfidesulfone) 고분자로 이루어지는 탄화수소계 고분자 중 어느 하나를 주쇄로 가지고, 상기 주쇄에 결합되는 단일 반응성의 측쇄로서 술폰기를 함유하는 가지형 고분자를 제공한다.In the present invention, in order to solve the above problems, polyimide (PI)-based, polysulfone (PSU)-based, polyetherketone (PEK)-based, polyarylene ethersulfone (PAES)-based, polyarylenesulfidesulfone-based and a hydrocarbon-based polymer comprising a polyaryleneethersulfidesulfone-based polymer as a main chain, and provides a branched polymer containing a sulfone group as a single reactive side chain bonded to the main chain.
보다 구체적으로, 폴리이미드(PI)계, 폴리술폰(PSU)계, 폴리에테르케톤(PEK)계, 폴리아릴렌에테르술폰(PAES)계, 폴리아릴렌설파이드술폰계(polyarylenesulfidesulfone) 및 폴리아릴렌에테르설파이드술폰계(polyaryleneethersulfidesulfone) 고분자로 이루어지는 탄화수소계 고분자 중 어느 하나를 주쇄로 가지고, 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 상기 주쇄에 결합되는 측쇄로 포함하는 것을 특징으로 하는 술폰화 가지형 고분자를 제공한다.More specifically, polyimide (PI)-based, polysulfone (PSU)-based, polyetherketone (PEK)-based, polyarylene ethersulfone (PAES)-based, polyarylenesulfidesulfone-based, and polyarylene ether It provides a sulfonated branched polymer, characterized in that it has as a main chain any one of hydrocarbon-based polymers made of a sulfide sulfone-based polymer, and includes a repeating unit represented by the following Chemical Formula 1 as a side chain coupled to the main chain .
<화학식 1><
상기 화학식 1에서 L1 및 L2는 각각 독립적으로 -O-, -S-, -SO2-, -C=O-, -C(CH3)2- 또는 -C(CF3)2- 중 어느 하나이고,In
R1 및 R2는 각각 독립적으로 -SO3M 또는 -SO3H이되, 이때 M은 Li, Na 또는 K 중 어느 하나이며,R1 and R2 are each independently -SO 3 M or -SO 3 H, wherein M is any one of Li, Na or K,
a, 및 b는 각각 독립적으로 1 내지 4이고,a, and b are each independently 1 to 4,
x는 반복단위로 1 내지 5,000의 정수이며,x is an integer from 1 to 5,000 as a repeating unit,
E는 탄소수 1 내지 4의 알킬기, 탄소수 6 내지 18의 치환 또는 비치환 페닐기, -CN 또는 -NO2 치환기를 가지는 페닐기, , , 중 어느 하나의 비반응성 말단기이고, E is an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, a substituted or unsubstituted phenyl group having 6 to 18 carbon atoms, -CN or -NO 2 a phenyl group having a substituent, , , Any one of the non-reactive end groups,
R은 , , 할로겐기, 알콜기, 또는 티올기에서 유래된 연결구조 중 어느 하나의 반응성 말단기이다.R is , , a halogen group, an alcohol group, or a reactive end group of any one of a linking structure derived from a thiol group.
본원 발명의 일 구현예에 따른 술폰화 가지형 고분자에 있어서, 상기 탄화수소계 고분자의 주쇄는 하기 화학식 2의 화학구조를 포함할 수 있다.In the sulfonated branched polymer according to an embodiment of the present invention, the main chain of the hydrocarbon-based polymer may include a chemical structure of
<화학식 2><
상기 화학식 2에서 L3 및 L4는 각각 독립적으로 -O-, -S-, -SO2-, -C(O)-, -C(CH3)2- 또는 -C(CF3)2- 중 어느 하나이고,In
R3 내지 R5는 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 10의 직쇄, 분지쇄 또는 CN기를 포함하는 알킬기 또는 알킬렌기이고, R3 to R5 are each independently hydrogen or an alkyl group or an alkylene group containing a linear, branched or CN group having 1 to 10 carbon atoms,
c, 및 d는 각각 독립적으로 0 내지 4이고, e는 0 내지 3이고,c, and d are each independently 0 to 4, e is 0 to 3,
R6는 연결기로 티올기(-SH), 아민기(-NH-), 페놀기(-PhOH) 또는 알콜기(-OH)에서 유래된 화학구조 중 어느 하나이고, R6 is a linking group, any one of a chemical structure derived from a thiol group (-SH), an amine group (-NH-), a phenol group (-PhOH) or an alcohol group (-OH),
y는 반복단위로 1 내지 5,000의 정수이다.y is an integer from 1 to 5,000 as a repeating unit.
본원 발명의 일 구현예에 따른 술폰화 가지형 고분자에 있어서, 상기 술폰화 가지형 고분자는 주쇄 내에 상기 화학식 2로 표시되고 측쇄가 결합되지 않은 반복단위를 추가로 더 포함할 수 있다.In the sulfonated branched polymer according to an embodiment of the present invention, the sulfonated branched polymer may further include a repeating unit represented by
본원 발명의 일 구현예에 따른 술폰화 가지형 고분자에 있어서, 상기 술폰화 가지형 고분자의 주쇄는 하기 화학식 3의 화학구조를 가질 수 있다.In the sulfonated branched polymer according to an embodiment of the present invention, the main chain of the sulfonated branched polymer may have a chemical structure represented by
<화학식 3><
상기 화학식 3에서 L3 내지 L6는 각각 독립적으로 -O-, -S-, -SO2-, -C=O-, -C(CH3)2- 또는 -C(CF3)2- 중 어느 하나이고,In
R3 내지 R5 및 R7, R8는 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 10의 직쇄 또는 분지쇄 또는 CN기를 포함하는 알킬기 또는 알킬렌기이고, R3 to R5 and R7, R8 are each independently hydrogen or an alkyl group or an alkylene group containing a straight or branched chain having 1 to 10 carbon atoms or a CN group,
c, d, f, g는 각각 독립적으로 0 내지 4이고, e는 0 내지 3이고,c, d, f, g are each independently 0 to 4, e is 0 to 3,
R6는 연결기로 티올기(-SH), 아민기(-NH-), 페놀기(-PhOH) 또는 알콜기(-OH)에서 유래된 화학구조 중 어느 하나이고, R6 is a linking group, any one of a chemical structure derived from a thiol group (-SH), an amine group (-NH-), a phenol group (-PhOH) or an alcohol group (-OH),
y 및 z는 반복단위로 y+z는 1 내지 5,000의 정수이며,y and z are repeating units, y + z is an integer from 1 to 5,000,
E는 탄소수 1 내지 4의 알킬기, 탄소수 6 내지 18의 치환 또는 비치환 페닐기, -CN 또는 -NO2 치환기를 가지는 페닐기, , , 중 어느 하나의 비반응성 말단기이다.E is an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, a substituted or unsubstituted phenyl group having 6 to 18 carbon atoms, -CN or -NO 2 a phenyl group having a substituent, , , any one of the non-reactive end groups.
또한, 본원 발명에서는 폴리이미드(PI)계, 폴리술폰(PSU)계, 폴리에테르케톤(PEK)계, 폴리아릴렌에테르술폰(PAES)계, 폴리아릴렌설파이드술폰계(polyarylenesulfidesulfone) 및 폴리아릴렌에테르설파이드술폰계(polyaryleneethersulfidesulfone) 고분자로 이루어지는 탄화수소계 고분자 중 어느 하나를 주쇄로 준비하는 단계; 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 상기 주쇄에 측쇄로서 결합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 술폰화 가지형 고분자의 제조방법을 제공한다.In addition, in the present invention, polyimide (PI)-based, polysulfone (PSU)-based, polyetherketone (PEK)-based, polyarylene ethersulfone (PAES)-based, polyarylenesulfidesulfone-based and polyarylene Preparing any one of the hydrocarbon-based polymer consisting of an ether sulfide sulfone-based (polyaryleneethersulfidesulfone) polymer as a main chain; It provides a method for producing a sulfonated branched polymer comprising the step of bonding a repeating unit represented by the following formula (1) to the main chain as a side chain.
<화학식 1><
상기 화학식 1에서 L1 및 L2는 각각 독립적으로 -O-, -S-, -SO2-, -C=O-, -C(CH3)2- 또는 -C(CF3)2- 중 어느 하나이고,In
R1 및 R2는 각각 독립적으로 -SO3M 또는 -SO3H이되, 이때 M은 Li, Na 또는 K 중 어느 하나이며,R1 and R2 are each independently -SO 3 M or -SO 3 H, wherein M is any one of Li, Na or K,
a, 및 b는 각각 독립적으로 1 내지 4이고,a, and b are each independently 1 to 4,
x는 반복단위로 1 내지 5,000의 정수이며,x is an integer from 1 to 5,000 as a repeating unit,
E는 탄소수 1 내지 4의 알킬기, 탄소수 6 내지 18의 치환 또는 비치환 페닐기, -CN 또는 -NO2 치환기를 가지는 페닐기, , , 중 어느 하나의 비반응성 말단기이고, E is an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, a substituted or unsubstituted phenyl group having 6 to 18 carbon atoms, -CN or -NO 2 a phenyl group having a substituent, , , Any one of the non-reactive end groups,
R은 , , 할로겐기, 알콜기, 또는 티올기에서 유래된 연결구조 중 어느 하나의 반응성 말단기이다.R is , , a halogen group, an alcohol group, or a reactive end group of any one of a linking structure derived from a thiol group.
상기 탄화수소계 고분자의 주쇄는 하기 화학식 2의 화학구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 술폰화 가지형 고분자의 제조방법:The main chain of the hydrocarbon-based polymer is a method for producing a sulfonated branched polymer, characterized in that it includes the chemical structure of Formula 2:
<화학식 2><
상기 화학식 2에서 L3 및 L4는 각각 독립적으로 -O-, -S-, -SO2-, -C(O)-, -C(CH3)2- 또는 -C(CF3)2- 중 어느 하나이고,In
R3 내지 R5는 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 10의 직쇄, 분지쇄 또는 CN기를 포함하는 알킬기 또는 알킬렌기이고, R3 to R5 are each independently hydrogen or an alkyl group or an alkylene group containing a linear, branched or CN group having 1 to 10 carbon atoms,
c, 및 d는 각각 독립적으로 0 내지 4이고, e는 0 내지 3이고,c, and d are each independently 0 to 4, e is 0 to 3,
R6는 연결기로 티올기(-SH), 아민기(-NH-), 페놀기(-PhOH) 또는 알콜기(-OH)에서 유래된 화학구조 중 어느 하나이고, R6 is a linking group, any one of a chemical structure derived from a thiol group (-SH), an amine group (-NH-), a phenol group (-PhOH) or an alcohol group (-OH),
y는 반복단위로 1 내지 5,000의 정수이다.y is an integer from 1 to 5,000 as a repeating unit.
본원 발명의 일 구현예에 따른 술폰화 가지형 고분자의 제조방법에 있어서, 상기 술폰화 가지형 고분자의 주쇄는 하기 화학식 3의 화학구조를 가지는 것을 포함할 수 있다.In the method for producing a sulfonated branched polymer according to an embodiment of the present invention, the main chain of the sulfonated branched polymer may include one having a chemical structure of
<화학식 3><
상기 화학식 3에서 L3 내지 L6는 각각 독립적으로 -O-, -S-, -SO2-, -C=O-, -C(CH3)2- 또는 -C(CF3)2- 중 어느 하나이고,In
R3 내지 R5 및 R7, R8는 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 10의 직쇄 또는 분지쇄 또는 CN기를 포함하는 알킬기 또는 알킬렌기이고, R3 to R5 and R7, R8 are each independently hydrogen or an alkyl group or an alkylene group containing a straight or branched chain having 1 to 10 carbon atoms or a CN group,
c, d, f, g는 각각 독립적으로 0 내지 4이고, e는 0 내지 3이고,c, d, f, g are each independently 0 to 4, e is 0 to 3,
R6는 연결기로 티올기(-SH), 아민기(-NH-), 페놀기(-PhOH) 또는 알콜기(-OH)에서 유래된 화학구조 중 어느 하나이고, R6 is a linking group, any one of a chemical structure derived from a thiol group (-SH), an amine group (-NH-), a phenol group (-PhOH) or an alcohol group (-OH),
y 및 z는 반복단위로 y+z는 1 내지 5,000의 정수이며,y and z are repeating units, y + z is an integer from 1 to 5,000,
E는 탄소수 1 내지 4의 알킬기, 탄소수 6 내지 18의 치환 또는 비치환 페닐기, -CN 또는 -NO2 치환기를 가지는 페닐기, , , 중 어느 하나의 비반응성 말단기이다.E is an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, a substituted or unsubstituted phenyl group having 6 to 18 carbon atoms, -CN or -NO 2 a phenyl group having a substituent, , , any one of the non-reactive end groups.
또한, 본원 발명에서는 연료전지, 이차전지, 레독스 흐름 전지 또는 수전해 등의 전해질 막으로 사용이 가능한 술폰화 가지형 고분자를 제공한다. In addition, the present invention provides a sulfonated branched polymer that can be used as an electrolyte membrane for a fuel cell, a secondary battery, a redox flow battery, or water electrolysis.
또한, 본원 발명에서는 술폰화 가지형 고분자를 전해질 막으로 포함하는 연료전지, 이차전지, 레독스 흐름 전지 및 수전해 장치를 제공한다.In addition, the present invention provides a fuel cell, a secondary battery, a redox flow battery, and a water electrolysis device including a sulfonated branched polymer as an electrolyte membrane.
이하, 본원 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면과 같이 본원이 속하는 기술 분야에서 일반적인 지식을 가진 자가 쉽게 실시할 수 있도록 본원의 구현 예 및 실시 예를 상세히 설명한다. 특히 이것에 의해 본원 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한을 받지 않는다. 또한, 본원 발명의 내용은 여러 가지 다른 형태의 장비로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 구현 예 및 실시 예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments and examples of the present invention will be described in detail so that a person with general knowledge in the technical field to which the present application pertains can easily carry out the preferred embodiment of the present invention as shown in the accompanying drawings. In particular, the technical spirit of the present invention and its core configuration and operation are not limited by this. In addition, the content of the present invention may be implemented in various other types of equipment, and is not limited to the implementation examples and embodiments described herein.
<제조예 1> 측쇄 단량체(CMDPS, FMDPS)의 제조<Preparation Example 1> Preparation of side chain monomers (CMDPS, FMDPS)
본원 발명의 일 구현예에 따른 가지형 중합체의 측쇄 단량체인 4-클로로-4'머캡토디페닐술폰은 CMDPS로, 4-플루오로-4’머캡토디페닐술온은 FMDPS로 표기한다. CMDPS 및 FMDPS는 다음의 반응식 1의 방법으로 제조하였다.4-chloro-4'mercaptodiphenylsulfone, which is a side chain monomer of the branched polymer according to an embodiment of the present invention, is denoted as CMDPS, and 4-fluoro-4'mercaptodiphenylsulfone is denoted as FMDPS. CMDPS and FMDPS were prepared by the method of
<반응식 1><
먼저, 아르곤 가스 주입구를 사용하여 미결정 DCDPS (100g, 0.32mol) 및 무수 DMSO(42 % 고형분)를 300mL 둥근 바닥 플라스크(RBF)에 첨가하고, 온도를 60 oC로 상승시켜 1 시간 동안 용해시켰다. 이어서 소듐 하이드로 설파이드 하이드레이트 (25.14 g, 0.32 mol), 탄산 칼륨 (21.88 g, 0.16 mol) 및 무수 DMSO를 용액에 첨가하여 용액의 색이 녹색으로 변한 후, 이 용액을 80 ℃로 온도를 올려 4시간 반응하여 용액이 오렌지색으로 변하면 최종 용액을 빙수 조에 응고시키고 여과 하였다. 여액을 회수하고 염산을 사용하여 pH 3으로 적정하여 백색 침전물을 형성 하였다. 이들 침전물을 여과하고, 여과된 고체를 5 중량 % 탄산 칼륨 수용액에 용해시켰다. 이산화탄소 기체의 생성과 함께 다시 염산을 사용하여 용액을 pH 3으로 적정 후 30 분 동안 교반 한 후, 용액을 여과하고, 여과 된 고체를 진공 오븐에서 80 ℃에서 밤새 건조시켰다.First, microcrystalline DCDPS (100 g, 0.32 mol) and anhydrous DMSO (42% solids) were added to a 300 mL round bottom flask (RBF) using an argon gas inlet, and the temperature was raised to 60 ° C to dissolve for 1 hour. Then, sodium hydrosulfide hydrate (25.14 g, 0.32 mol), potassium carbonate (21.88 g, 0.16 mol) and anhydrous DMSO were added to the solution to change the color of the solution to green, and then the solution was heated to 80 °C for 4 hours. When the reaction turned the solution orange, the final solution was coagulated in an ice-water bath and filtered. The filtrate was recovered and titrated to
본원 발명의 일 구현예에 따른 또 다른 측쇄 단량체 중 하나인 FMDPS는 디플루오로디페닐 술폰(difluorodiphenyl sulfone: DFDPS)를 사용하여 CMDPS의 제조방법과 동일한 방법을 사용하여 제조하였다.FMDPS, which is another side chain monomer according to an embodiment of the present invention, was prepared by using difluorodiphenyl sulfone (DFDPS) using the same method as that of CMDPS.
도 1은 본원 발명의 일 구현예에 따라 제조된 CMDPS 및 FMDPS의 1H-NMR을 나타낸 것으로, CMDPS의 술폰 그룹에 대한 오르토 양성자 피크는 7.73-7.83 ppm (a) 및 7.62-7.72 ppm (b)에 나타났고, 염소 그룹과 티올 그룹과 직교하는 양성자 그룹은 각각 7.35-7.44 ppm (c) 및 7.22-7.32 ppm (d)에 나타났으며, 티올 기의 양성자 피크는 3.52-3.64 ppm (e)으로 나타남을 바탕으로 CMDPS의 제조를 확인 하였고, FMDPS의 화학구조는 도 1에 나타낸 피크를 바탕으로 제조를 확인하였다. 1 shows 1 H-NMR of CMDPS and FMDPS prepared according to an embodiment of the present invention, wherein the ortho proton peaks for the sulfone group of CMDPS are 7.73-7.83 ppm (a) and 7.62-7.72 ppm (b) , the chlorine group and the proton group orthogonal to the thiol group appeared at 7.35-7.44 ppm (c) and 7.22-7.32 ppm (d), respectively, and the proton peak of the thiol group was 3.52-3.64 ppm (e). The production of CMDPS was confirmed based on the appearance, and the chemical structure of FMDPS was confirmed based on the peak shown in FIG. 1 .
<제조예 2> 술폰화 측쇄 고분자(G_sPSS)의 제조<Preparation Example 2> Preparation of sulfonated side chain polymer (G_sPSS)
본원 발명의 일 구현예에 따른, 술폰화 측쇄 고분자는 G-sPSS로 표기한다. G-sPSS는 다음의 두 가지 제조 방법으로 제조하였다.According to an embodiment of the present invention, the sulfonated side chain polymer is denoted as G-sPSS. G-sPSS was prepared by the following two preparation methods.
<제조예 2-1> 술폰화 측쇄 고분자의 제조 1<Preparation Example 2-1> Preparation of sulfonated
다양한 종류의 단량체(Monomer: M) 및 엔드 캡퍼(End-capper: E)의 조합을 사용하여 하기 반응식 2-1의 반응 루트를 따라서 측쇄 고분자를 제조하였고, 구체적인 제조방법은 다음과 같다.A side chain polymer was prepared according to the reaction route of Scheme 2-1 below using a combination of various kinds of monomers (Monomer: M) and end-capper (E), and the specific preparation method is as follows.
<반응식 2-1><Reaction Scheme 2-1>
단량체 CMDPS (0.070 mol), 2-나프탈렌 티올 (0.0046 mol), 탄산 칼륨 (0.045 mol) 및 무수 NMP (17 % 고형분)를 먼저 첨가하여 목표 분자량이 8000 g/mol 인 측쇄 고분자를 합성하였다. 130 ℃에서 3 시간 동안 아르곤 가스 유입구와 함께 250mL RBF에 넣고, 이후 용액을 실온으로 냉각시킨다. 추가의 엔드 캡퍼 (0.035 mol)를 60 ℃에서 2 시간 동안 첨가하고, 용액을 다시 실온으로 냉각시켰다. 한편, 실온에서 데카플루오로비페닐 (0.27mol) 및 무수 NMP (15 % 고형분)를 300mL RBF에 용해시키고, 얻어진 용액을 냉장고에 보관 하였다. 실온 이하로 냉각 한 후, 빙조를 사용하여 반응 온도를 0 ℃로 유지 한 후, 상기 언급 된 CMDPS 용액을 데카플루오로비페닐 용액에 적가하고 아르곤 가스 퍼지로 2 시간 동안 교반 하였다. 최종 용액을 메틸 알콜로 침전시키고, 탈 이온수 메틸 알콜로 수회 세척 하였다. 생성물을 60 ℃에서 밤새 진공 건조시켰다.Monomers CMDPS (0.070 mol), 2-naphthalene thiol (0.0046 mol), potassium carbonate (0.045 mol) and anhydrous NMP (17% solids) were first added to synthesize a branched polymer having a target molecular weight of 8000 g/mol. Put in a 250mL RBF with argon gas inlet for 3 hours at 130°C, after which the solution is cooled to room temperature. Additional end capper (0.035 mol) was added at 60 °C for 2 h, and the solution was cooled back to room temperature. Meanwhile, decafluorobiphenyl (0.27 mol) and anhydrous NMP (15% solids) were dissolved in 300 mL RBF at room temperature, and the resulting solution was stored in a refrigerator. After cooling to room temperature or lower, the reaction temperature was maintained at 0 °C using an ice bath, and then the above-mentioned CMDPS solution was added dropwise to the decafluorobiphenyl solution and stirred with an argon gas purge for 2 hours. The final solution was precipitated with methyl alcohol and washed several times with deionized water and methyl alcohol. The product was vacuum dried at 60 °C overnight.
이전 단계로부터 수득 된 생성물을 사용하여, 설 폰화 공정을 수행하여 측쇄 상에 설폰산기를 도입하였다. 비설폰화된 측쇄 올리고머 (0.0030 mol, 1 당량) 및 발연 황산 (5 당량)을 250 mL 재킷 RFB에 첨가하고, 이를 아르곤 퍼징 한 후, -10 ℃에서 5 일 동안 사전에 아르곤 퍼지 하였다. 이어서, 술폰화 된 생성물 G_sPSS를 빙수 조에 부어 올리고머를 용해시켰다. 염화나트륨으로 수용액을 포화시켜 생성물을 침전시켰다. 여과 후, 여과 된 고체를 수용액에 용해시키고 10 N 수산화 나트륨 용액으로 pH 7로 적정 하였다. 염화나트륨으로 포화시켜 용해 된 용액을 다시 침전시켰다. 여과 후, 여과 된 고체를 60 ℃에서 밤새 진공 건조시켰다. 이어서 진공 건조 된 생성물을 DMSO에 용해시켰다. 이어서, G_sPSS 용액을 여과하여 염화나트륨을 제거하고, 여액을 침전시키고 2-프로판올에서 여러 번 세척 하였다. 최종 생성물을 60 ℃에서 밤새 진공 건조시켰다.Using the product obtained from the previous step, a sulfonation process was performed to introduce a sulfonic acid group on the side chain. Unsulfonated branched oligomers (0.0030 mol, 1 eq) and fuming sulfuric acid (5 eq) were added to a 250 mL jacketed RFB, which was purged with argon, followed by argon purging beforehand at -10 °C for 5 days. The sulfonated product G_sPSS was then poured into an ice-water bath to dissolve the oligomers. The product was precipitated by saturating the aqueous solution with sodium chloride. After filtration, the filtered solid was dissolved in aqueous solution and titrated to
단량체 FMDPS 및 다른 엔드 캡퍼에 대하여도 동일한 절차 및 당량을 사용 하여 제조하였다.The same procedures and equivalents were used for the monomeric FMDPS and other end cappers were prepared.
<제조예 2-2> 술폰화 측쇄 고분자의 제조 2<Preparation Example 2-2> Preparation of sulfonated
본원 발명의 일 구현예에 따른 또 다른 형태의 측쇄 고분자는 다양한 종류의 단량체(Monomer: M) 및 엔드 캡퍼(End-capper: E)를 사용하여 하기 반응식 2-2의 반응 루트를 따라서 측쇄 고분자를 제조하였고, 구체적인 제조방법은 다음과 같다.Another type of side chain polymer according to an embodiment of the present invention uses various types of monomers (Monomer: M) and end-capper (End-capper: E) to form a side chain polymer according to the reaction route of Scheme 2-2 below. was prepared, and the specific manufacturing method is as follows.
<반응식 2-2><Scheme 2-2>
단량체 CMDPS (0.032mol), 4-플루오로 벤조 니트릴 (0.0021mol), 탄산 칼륨 (0.020mol) 및 무수 NMP (17 % 고형분)를 먼저 첨가하여 목표 분자량이 8000g/mol 인 측쇄 고분자를 합성 하였다. 130 ℃에서 3 시간 동안 아르곤 가스 유입구와 함께 250mL RBF에 넣고, 이후 용액을 실온으로 냉각시킨다. 추가의 엔드 캡퍼 (0.0010 mol)를 60 ℃에서 2 시간 동안 첨가하고, 용액을 다시 실온으로 냉각시켰다. NaSH (0.0027 mol) 및 탄산 칼륨 (0.0032 mol)을 4 시간 동안 80 ℃에서 올리고머에 첨가 하였다. 한편, 실온에서, 데카플루오로비페닐 (0.011mol) 및 무수 NMP (15 % 고형분)를 300mL RBF에 용해시키고, 얻어진 용액을 냉장고에 보관했다. 실온 이하로 냉각 한 후, 빙조를 사용하여 반응 온도를 0 ℃로 유지 한 후, 상기 언급 된 CMDPS 용액을 데카플루오로비페닐 용액에 적가하고 아르곤 가스 퍼지로 2 시간 동안 교반 하였다. 최종 용액을 메틸 알콜로 침전시키고, 탈 이온수 메틸 알콜로 수회 세척 하였다. 생성물을 60 ℃에서 밤새 진공 건조시켰다.The monomers CMDPS (0.032 mol), 4-fluorobenzonitrile (0.0021 mol), potassium carbonate (0.020 mol) and anhydrous NMP (17% solids) were first added to synthesize a branched polymer with a target molecular weight of 8000 g/mol. Put in a 250mL RBF with argon gas inlet for 3 hours at 130°C, after which the solution is cooled to room temperature. Additional end capper (0.0010 mol) was added at 60 °C for 2 h, and the solution was cooled back to room temperature. NaSH (0.0027 mol) and potassium carbonate (0.0032 mol) were added to the oligomers at 80 °C for 4 h. On the other hand, at room temperature, decafluorobiphenyl (0.011 mol) and anhydrous NMP (15% solids) were dissolved in 300 mL RBF, and the resulting solution was stored in a refrigerator. After cooling to room temperature or lower, the reaction temperature was maintained at 0 °C using an ice bath, and then the above-mentioned CMDPS solution was added dropwise to the decafluorobiphenyl solution and stirred with an argon gas purge for 2 hours. The final solution was precipitated with methyl alcohol and washed several times with deionized water and methyl alcohol. The product was vacuum dried at 60 °C overnight.
이전 단계로부터 수득 된 생성물을 사용하여, 설폰화 공정을 수행하여 측쇄 상에 설폰산기를 도입하였다. 비설폰화된 측쇄 올리고머 (0.0022 mol, 1 당량) 및 발연 황산 (5 당량)을 250 mL 재킷 RFB에 첨가하고, 이를 아르곤 퍼징 한 후, -10 ℃에서 5 일 동안 사전에 아르곤 퍼지 하였다. 이어서, 술폰화 된 생성물 G_sPSS를 빙수 조에 부어 올리고머를 용해시켰다. 염화나트륨으로 수용액을 포화시켜 생성물을 침전시켰다. 여과 후, 여과 된 고체를 수용액에 용해시키고 10 N 수산화 나트륨 용액으로 pH 7로 적정 하였다. 염화나트륨으로 포화시켜 용해 된 용액을 다시 침전시켰다. 여과 후, 여과 된 고체를 60 ℃에서 밤새 진공 건조시켰다. 이어서 진공 건조 된 생성물을 DMSO에 용해시켰다. 이어서, G_sPSS 용액을 여과하여 염화나트륨을 제거하고, 여액을 침전시키고 2-프로판올에서 여러 번 세척 하였다. 최종 생성물을 60 ℃에서 밤새 진공 건조시켰다.Using the product obtained from the previous step, a sulfonation process was performed to introduce a sulfonic acid group on the side chain. Unsulfonated branched oligomer (0.0022 mol, 1 eq) and fuming sulfuric acid (5 eq) were added to a 250 mL jacketed RFB, which was purged with argon, followed by argon purging beforehand at -10 °C for 5 days. The sulfonated product G_sPSS was then poured into an ice-water bath to dissolve the oligomers. The product was precipitated by saturating the aqueous solution with sodium chloride. After filtration, the filtered solid was dissolved in aqueous solution and titrated to
단량체 FMDPS 및 다른 엔드 캡퍼에 대해 동일한 절차 및 당량을 사용 하여 제조하였다.It was prepared using the same procedure and equivalents for the monomeric FMDPS and other end cappers.
도 2는 본원 발명의 일 구현예에 따라 제조된 G-sPSS의 (a) 1H-NMR 및 (b) 19F-NMR 스펙트럼을 나타낸 것으로, 1H-NMR에서, 반복 단위의 설포네이트 염기에 대한 양성자 피크 오르토는 8.31-8.38 ppm (a)에서 7.73-7.81 ppm (b)의 설포네이트 염 그룹, 및 7.26-7.32 ppm (c)의 술폰 그룹에 대한 메타 말단 설파이드 그룹에 대한 양성자 피크 오르토는 7.11-7.16 ppm (d)에 나타났다. 19F-NMR에서, 데카플루오로비페닐 단위의 불소 피크는 -170 ppm 내지 -106 ppm으로 나타났다. G_sPSS는 1H-NMR에서 말단 피크의 강도를 사용하여 계산된 다양한 분자량 (4,994-8,523g/mol)으로 제조되었으며, 이러한 결과를 하기 표 1에 정리하였다. 2 shows (a) 1 H-NMR and (b) 19 F-NMR spectra of G-sPSS prepared according to an embodiment of the present invention . In 1 H-NMR, the sulfonate base of the repeating unit is The proton peak ortho for the sulfonate salt group at 8.31-8.38 ppm (a) to 7.73-7.81 ppm (b), and for the sulfone group at 7.26-7.32 ppm (c) the proton peak ortho for the meta-terminal sulfide group is 7.11 appeared at -7.16 ppm (d). In 19 F-NMR, the fluorine peak of the decafluorobiphenyl unit was -170 ppm to -106 ppm. G_sPSS was prepared with various molecular weights (4,994-8,523 g/mol) calculated using the intensity of the terminal peak in 1 H-NMR, and these results are summarized in Table 1 below.
<제조예 3> 주쇄 고분자(G_PES_OH)의 제조<Preparation Example 3> Preparation of main chain polymer (G_PES_OH)
본원 발명의 일 구현예에 따른 주쇄 고분자는 G-PES_OH로 표기하고, G-PES_OH는 다음의 반응식 3-1의 방법으로 제조하였다.The main chain polymer according to an embodiment of the present invention is denoted as G-PES_OH, and G-PES_OH was prepared by the method of Scheme 3-1 below.
<반응식 3-1><Scheme 3-1>
본원 발명의 일 구현예에 따른 G-PES_OH의 제조에 있어서, 펜던트 메톡시 그룹에 대한 몰 백분율이 6 %이고 분자량 목표가 150,000 g/mol인 -O- 연결기를 가지는 주쇄 고분자인 G_PES_OH를 다음과 같이 제조하였다. In the preparation of G-PES_OH according to an embodiment of the present invention, G_PES_OH, which is a main chain polymer having an -O- linkage having a molar percentage to pendant methoxy group of 6% and a molecular weight target of 150,000 g/mol, was prepared as follows did.
아르곤 가스 유입구를 사용하여 2-메톡시 하이드로 퀴논 (0.19 g, 0.0013 mol), DHDPE (4.19 g, 0.021 mol), DFDPS (5.62g, 0.22mol)), 탄산 칼륨 (3.62g, 0.026mol), 무수 DMAc (40mL, 20 % 고형분) 및 무수 톨루엔 (40mL)을 250 mL의 둥근 바닥 프라스크에서 환류하여 물을 공비적으로 제거하면서 175 oC까지 온도를 상승시켰다. 딘-스타크 트랩을 통해 톨루엔을 완전히 제거한 후, 용액을 175 ℃에서 5 시간 동안 반응시키고, 실온으로 냉각시켰다. 2-나프탈렌 티올 (0.11 g, 0.00067 mol), 탄산 칼륨 (0.11 g, 0.00080 mol) 및 무수 DMAc를 아르곤 가스 유입구가 있는 슐 렌크 플라스크에 첨가하고, 130 ℃의 온도에서 용해시켰다. 탄산 칼륨에 의해 촉매 된 2-나프탈렌 티올 용액을 2-메톡시 하이드로 퀴논, DHDPE 및 DFDPS를 함유하는 상기 제조된 용액에 투입하여, 온도를 130 ℃로 올리고 2 시간 동안 반응시켜 최종 용액을 합성 하였다. 최종 생성물 G_PES_OCH3를 탈 이온수에서 응고시켰다. 탈 이온수 및 2-프로판올로 수회 철저히 세척 한 후, G_PES_OCH3를 여과하고, 여과 된 고체를 80 ℃에서 밤새 진공 건조시켰다.2-Methoxy hydroquinone (0.19 g, 0.0013 mol), DHDPE (4.19 g, 0.021 mol), DFDPS (5.62 g, 0.22 mol)), potassium carbonate (3.62 g, 0.026 mol), anhydrous using an argon gas inlet. DMAc (40 mL, 20% solids) and anhydrous toluene (40 mL) were refluxed in a 250 mL round bottom flask to raise the temperature to 175 °C while azeotropically removing water. After toluene was completely removed through a Dean-Stark trap, the solution was reacted at 175° C. for 5 hours and cooled to room temperature. 2-Naphthalene thiol (0.11 g, 0.00067 mol), potassium carbonate (0.11 g, 0.00080 mol) and anhydrous DMAc were added to a Schlenk flask with an argon gas inlet and dissolved at a temperature of 130°C. The 2-naphthalene thiol solution catalyzed by potassium carbonate was added to the prepared solution containing 2-methoxyhydroquinone, DHDPE and DFDPS, the temperature was raised to 130 ° C, and the reaction was carried out for 2 hours to synthesize the final solution. The final product G_PES_OCH 3 was coagulated in deionized water. After thorough washing several times with deionized water and 2-propanol, G_PES_OCH 3 was filtered, and the filtered solid was vacuum dried at 80 °C overnight.
메톡시 그룹을 하이드록시 그룹으로 디 캡핑하기 위해, G_PES_OCH3 (10 g, 0.024 mol)을 먼저 아르곤 가스 유입구로 실온에서 무수 클로로포름 (105.86 mL, 6 % 고형분)에 용해시켰다. 완전히 용해 된 후, 삼브롬화 붕소 용액 (28.70 mL, 0.029 mol, 20 당량)을 용액에 적가하고 3 시간 동안 반응시켰다. G_PES_OH를 메틸 알콜로 침전시키고, 메틸 알콜로 완전히 세척 하였다. 여과 된 고체를 이어서 진공 하에 80 ℃에서 밤새 건조시켰다.To decap the methoxy group with the hydroxy group, G_PES_OCH 3 (10 g, 0.024 mol) was first dissolved in anhydrous chloroform (105.86 mL, 6% solids) at room temperature with an argon gas inlet. After complete dissolution, boron tribromide solution (28.70 mL, 0.029 mol, 20 equiv) was added dropwise to the solution and reacted for 3 h. G_PES_OH was precipitated with methyl alcohol and washed thoroughly with methyl alcohol. The filtered solid was then dried under vacuum at 80 °C overnight.
다음으로 -S- 또는 -SO2-연결기를 가지는 주쇄 고분자인 G_PES_OH는 4, 4'-디히드록시디페닐에테르(DHDPE) 대신 4, 4'-티오디페놀(TDP)을 사용하여 하기의 반응식 4에 기재한 바와 같이 동일한 방법 및 몰을 사용 하였다. 다른 엔드 캡퍼에 대하여도 동일한 절차 및 당량을 사용 하여 제조하였다.Next, G_PES_OH, which is a main chain polymer having a -S- or -SO2- linking group, uses 4,4'-thiodiphenol (TDP) instead of 4,4'-dihydroxydiphenyl ether (DHDPE) to the following
반복 단위에서 추가 설폰기를 갖는 골격의 경우도 다른 엔드 캡퍼에 대하여도 동일한 절차 및 당량을 사용 하여 제조하였으나 말단 그룹을 말단 캡핑 한 후에는 추가 산화 단계를 거쳤다.The backbone with an additional sulfone group in the repeating unit was prepared using the same procedure and equivalents for the other end cappers, but after end capping the end groups, an additional oxidation step was performed.
<반응식 3-2><Scheme 3-2>
도 3은 본원 발명의 일 구현예에 따라 제조된 G-PES_OH의 1H-NMR을 나타낸 것으로 주쇄에 (a)는 -O-기, (b)는 -S- 기 및 (C)는 -SO2- 기를 가지는 G-PES_OH의 스펙트럼이다. 3 shows 1 H-NMR of G-PES_OH prepared according to an embodiment of the present invention, in which (a) is an -O- group, (b) is a -S- group, and (C) is a -SO This is the spectrum of G-PES_OH with a 2 - group.
반복 단위의 술폰 그룹에 대한 양성자 피크 오르토는 7.83-7.96 ppm (a)에 나타났으며 반복 단위의 에테르 그룹에 대한 오르토는 7.04-7.21 ppm (b)에서. 3.67 ppm에서 메톡시기의 양성자 피크의 소멸 및 9.97 ppm (c)에서 히드록시기의 양성자 피크의 출현은 펜던트 기의 성공적인 탈락을 확인하였다. 하이드록시기의 몰 백분율은 1H-NMR 피크의 강도에 의해 계산되었고, GPC에 의해 측정된 분자량 및 G_PES_OH의 고유 점도는 표 2에 기재한 바와 같다. The proton peak ortho to the sulfone group of the repeating unit appeared at 7.83-7.96 ppm (a) and the ortho to the ether group of the repeating unit was at 7.04-7.21 ppm (b). The disappearance of the proton peak of the methoxy group at 3.67 ppm and the appearance of the proton peak of the hydroxyl group at 9.97 ppm (c) confirmed the successful elimination of the pendant group. The molar percentage of hydroxyl groups was calculated by the intensity of the 1 H-NMR peak, and the molecular weight measured by GPC and the intrinsic viscosity of G_PES_OH are as shown in Table 2.
indexPolydispersity
index
<제조예 4> 술폰화 가지형 고분자(Gx/y)의 제조<Preparation Example 4> Preparation of sulfonated branched polymer (Gx/y)
본원 발명의 일 구현에에 따른 술폰화 가지형 고분자는 Gx/y로 표기하고, x는 실험적 IEC이고 y는 분자량이다. Gx/y는 다음의 반응식 4의 방법으로 제조하였다.The sulfonated branched polymer according to an embodiment of the present invention is denoted by Gx/y, x is the experimental IEC, and y is the molecular weight. Gx/y was prepared by the method of
<반응식 4><
아르곤 가스 유입구가 있는 100 mL 둥근 바닥 플라스크에서 80 oC에서 무수 DMAc (35.87 mL, 6 % 고형분)와 함께 G_PES_OH (2.15 g, 0.0052 mol)를 먼저 첨가하여 G_PES_OH 용액이 완전히 용해되었을 때, 탄산 칼륨 (0.086 g, 0.00063 mol, 2 당량의 하이드록시기 mol %)을 첨가하여 온도를 110 ℃로 올리고 1 시간 동안 반응시켰다. 한편, G_sPSS (5 g, 0.00063 mol, 2 당량의 히드록시기 mol %)를 완전히 용해 될 때까지 80 ℃에서 무수 DMAc (16.01 mL, 25 % 고형분)에 용해시켰다. G_PES_OH 및 G_sPSS 용액을 모두 약 60 ℃로 냉각 한 후, G_sPSS 용액을 G_PES_OH 용액에 한 번에 모두 주입 하였다. Gx/y의 최종 용액을 80 ℃에서 3 일 동안 반응시키고, 2-프로판올로 침전시켰다. 여과 된 Gx/y 생성물을 탈 이온수로 여러 번 세척하고 60 ℃에서 밤새 진공 건조시켰다.When the G_PES_OH solution was completely dissolved by first adding G_PES_OH (2.15 g, 0.0052 mol) together with anhydrous DMAc (35.87 mL, 6% solids) at 80 o C in a 100 mL round bottom flask with an argon gas inlet, potassium carbonate ( 0.086 g, 0.00063 mol, 2 equivalents of hydroxyl group mol %) was added to raise the temperature to 110° C. and reacted for 1 hour. Meanwhile, G_sPSS (5 g, 0.00063 mol, mol% of 2 equivalents of hydroxyl groups) was dissolved in anhydrous DMAc (16.01 mL, 25% solids) at 80 °C until completely dissolved. After both the G_PES_OH and G_sPSS solutions were cooled to about 60 °C, the G_sPSS solution was injected into the G_PES_OH solution all at once. The final solution of Gx/y was reacted at 80 °C for 3 days and precipitated with 2-propanol. The filtered Gx/y product was washed several times with deionized water and vacuum dried at 60 °C overnight.
도 4는 본원 발명의 일 구현예에 따라 제조된 주쇄에 -O-기를 가지는 Gx/y의 1H-NMR 스펙트럼을 나타낸 것이고, 도 5는 본원 발명의 일 구현예에 따라 제조된 주쇄에 -S-기를 가지는 Gx/y의 1H-NMR 스펙트럼을 나타낸 것이며, 도 6은 본원 발명의 일 구현예에 따라 제조된 주쇄에 -SO2- 기를 가지는 Gx/y의 1H-NMR 스펙트럼을 나타낸 것이다. Figure 4 shows a 1 H-NMR spectrum of Gx / y having an -O- group in the main chain prepared according to an embodiment of the present invention, Figure 5 is -S in the main chain prepared according to an embodiment of the present invention 1 H-NMR spectrum of Gx/y having a - group is shown, and FIG. 6 is a 1 H-NMR spectrum of Gx/y having a -SO 2 - group in the main chain prepared according to an embodiment of the present invention.
측쇄의 양성자 피크는 7.29-7.81 ppm에서 설포네이트 염 그룹에 직교하는 양성자 피크에 대해 8.29-8.35ppm 에 도시되어있다. 설포네이트 염 그룹에 대한 양성자 피크의 경우, 및 반복 단위의 술폰 그룹에 대한 양성자 피크에 대한 7.24-7.32 ppm . 골격의 양성자 피크는 7.83-7.95 ppm에서 반복 단위의 술폰 그룹에 대한 양성자 피크 오르토, 7.24-7.32 ppm 에서 말단 설파이드 그룹에 대한 양성자 오르토, 및 7.01-7.19 ppm 의 반복 단위의 에테르 그룹이 확인되고, 측쇄 및 골격 부분의 피크 강도를 비교함으로써 전환 백분율을 계산하였다.The proton peak of the side chain is shown at 8.29-8.35 ppm for the proton peak orthogonal to the sulfonate salt group at 7.29-7.81 ppm. 7.24-7.32 ppm for the proton peak for the sulfonate salt group, and for the proton peak for the sulfone group of the repeat unit. The proton peak of the backbone is the proton peak ortho to the sulfone group of the repeating unit at 7.83-7.95 ppm, the proton ortho to the terminal sulfide group at 7.24-7.32 ppm, and the ether group of the repeating unit at 7.01-7.19 ppm are identified, and the side chain and the percentage conversion was calculated by comparing the peak intensities of the backbone moieties.
본원 발명의 일 구현예에 따른, 가지형 중합체 Gx/y는 G_sPSS의 말단 불소기와 G_PES_OH의 펜던트 히드록시기 사이의 친핵성 치환 반응에 의해 제조될 수 있다. 이러한 그라프팅 반응에서 가교반응의 발생은 겔화를 유발하고, 목표 공급 비를 파괴하는 등 적절한 그라프팅 반응을 어렵게 하며, 최종적으로는 막의 제조를 어렵게 하므로 가교반응의 발생을 억제하는 것이 매우 중요하다. 이러한 불필요한 가교반응을 피하기 위해, 본원 발명의 일 구현예에서는 한 말단은 일작용성 G_sPSS에 대해 2-나프탈렌 티올에 의해 말단-캡핑되고 양쪽 말단에 G_PES_OH에 대해 2-나프탈렌 티올에 의해 말단-캡핑될 수 있다. 이러한 가교반응의 억제를 위한 말단-캡핑의 조절에 의하여 최종적으로 제조된 가지형 중합체는 IEC 및 측쇄의 길이를 조절하여 Gx/y 사이의 특성을 비교할 수 있도록 하였고, G_sPSS의 분자량 및 G_PES_OH의 펜던트 하이드록시기와 반응하는 G-sPSS의 그라프트 율의 제어가 가능하였다.According to an embodiment of the present invention, the branched polymer Gx/y may be prepared by a nucleophilic substitution reaction between a terminal fluorine group of G_sPSS and a pendant hydroxyl group of G_PES_OH. In such a grafting reaction, the occurrence of a crosslinking reaction causes gelation, makes it difficult to an appropriate grafting reaction, such as destroying a target supply ratio, and ultimately makes it difficult to prepare a membrane, so it is very important to suppress the occurrence of a crosslinking reaction. In order to avoid such unnecessary crosslinking reaction, in one embodiment of the present invention, one end is end-capped with 2-naphthalene thiol for monofunctional G_sPSS and both ends are end-capped with 2-naphthalene thiol for G_PES_OH. can The branched polymer finally prepared by controlling the end-capping for the inhibition of this crosslinking reaction was able to compare the properties between Gx/y by controlling the IEC and the length of the side chain, and the molecular weight of G_sPSS and the pendant hide of G_PES_OH It was possible to control the graft rate of G-sPSS reacting with the hydroxy group.
즉, 측쇄인 G_sPSS는 그래프팅 할 때 가교 결합을 피하기 위해 단일 기능 말단으로 제작된 것으로 G_sPSS는 반복 단위의 티오 결합으로서 혼입된 1 작용 성 CMDPS의 말단 티올기 및 축합 히드록시기인 G_PES_OH와의 반응을 피하기 위해 2-나프탈렌 티올로 말단 캡핑 된 말단 염소기와의 축합 중합을 통해 제조되었고, 일단의 티올기는 티오 결합으로서 G_sPSS의 반복 단위에 포함된다. 염화물이 주쇄 G_PES_OH의 펜던트 하이드록시기와 반응 할 수 있기 때문에, 다른 말단의 염소 기는 나중에 2-나프탈렌 티올로 말단이 캡핑되었다. G_sPSS의 한 말단의 티올기는 불소-말단기인 데카플루오로비페닐과 반응하여 G_PES_OH의 펜던트 하이드록시 기와 반응한다. 단일 기능 말단이 없으면, 두 말단 모두 티올기로 끝나고, 이는 두 말단에서 데카플루오로비페닐과 반응하여 불소-말단 말단기를 생성하여 그래프팅에서 가교 결합을 초래할 것이다. 이후 측쇄에 친수성을 제공하기 위해, 술폰산기를 포스트 술폰화법에 의해 G_sPSS에 도입하였다.That is, the side chain G_sPSS was constructed with a single functional end to avoid crosslinking when grafting, and G_sPSS is a thio bond of the repeating unit. It was prepared through condensation polymerization with a terminal chlorine group endcapped with 2-naphthalene thiol, and one end of the thiol group is included in the repeating unit of G_sPSS as a thio bond. Since the chloride could react with the pendant hydroxyl group of the main chain G_PES_OH, the chlorine group at the other end was later end-capped with 2-naphthalene thiol. The thiol group at one end of G_sPSS reacts with the fluorine-terminated group, decafluorobiphenyl, to react with the pendant hydroxyl group of G_PES_OH. In the absence of a single functional end, both ends will end with thiol groups, which will react with decafluorobiphenyl at both ends to generate fluorine-terminated end groups, resulting in crosslinking in the grafting. Then, in order to provide hydrophilicity to the side chain, a sulfonic acid group was introduced into G_sPSS by a post-sulfonation method.
한편, 주쇄의 초기 펜던트 메톡시 그룹 G_PES_OCH3은 골격 G_PES_OH의 펜던트 하이드록시 그룹으로 디캡핑된 것으로, G_PES_OCH3의 메톡시 그룹은 DFDPS의 불소-말단 말단 그룹과의 반응을 피하기 위해 초기에는 말단 캡핑된다. DHDPE, DFDPS 및 2-메톡시 하이드로 퀴논의 공중합은 양쪽 말단이 불소기로 끝나는 목표 분자량으로 반응 하였다. 불소 종결된 말단기는 그래프팅에서 G_PES_OH의 하이드록시기와 반응하여 가교를 유도 할 수 있으므로 2-나프탈렌 티올을 G_PES_OCH3의 양 말단을 말단 캡에 포함시켰다. 상이한 공급 비의 2-메톡시 하이드로 퀴논을 사용하여 G_PES_OCH3를 합성하여 상이한 몰 백분율의 펜던트 메톡시 그룹을 달성 하였다. 측쇄의 밀도는 펜던트 메톡시기의 몰 백분율에 의해 조절 될 수 있는 것으로, G_PES_OCH3의 메톡시 그룹은 나중에 G_PES_OH의 하이드록시 그룹으로 탈락되어, 그라프팅 반응에서 측쇄의 불소 그룹과 반응 할 것이다. G_PES_OCH3는 붕소 트리브로마이드 용액을 사용하여 메톡시 그룹을 하이드록시 그룹에 디 캡핑함으로써 G_PES_OH로 변화된다. G_PES_OH의 펜던트 하이드록시 그룹은 나중에 그래프팅에서 G_sPSS의 불소 말단과 반응하고, 하이드록시 펜던트 그룹의 몰 백분율은 이온 전도 채널의 형태에 영향을 미치는 측쇄의 밀도를 조절하는데 사용된다.On the other hand, the main chain initial pendant methoxy groups G_PES_OCH 3 is to be de-capped with a pendant hydroxy group of a skeleton G_PES_OH, methoxy group of G_PES_OCH 3 is a DFDPS fluorine- initially is capped end to avoid the reaction of the terminal end-group . Copolymerization of DHDPE, DFDPS and 2-methoxyhydroquinone was reacted with a target molecular weight terminated with fluorine groups at both ends. Since the fluorine-terminated end group can induce crosslinking by reacting with the hydroxyl group of G_PES_OH in grafting, 2-naphthalene thiol was included in both ends of G_PES_OCH 3 in the end cap. G_PES_OCH 3 was synthesized using 2-methoxy hydroquinone at different feed ratios to achieve different molar percentages of pendant methoxy groups. The density of the side chain can be controlled by the molar percentage of the pendant methoxy groups, the methoxy group of G_PES_OCH 3 will later be dropped into the hydroxy group of G_PES_OH, which will react with the fluorine group of the side chain in the grafting reaction. G_PES_OCH 3 is changed to G_PES_OH by de-capping the methoxy group to the hydroxy group using boron tribromide solution. The pendant hydroxy groups of G_PES_OH react with the fluorine terminus of G_sPSS later in grafting, and the molar percentage of pendant hydroxy groups is used to control the density of the side chains, which affects the conformation of the ion conduction channel.
<제조예 5> 술폰화 멀티블록형 고분자의 친수성 블록(M_sPSS)의 제조<Preparation Example 5> Preparation of hydrophilic block (M_sPSS) of sulfonated multi-block-type polymer
본원 발명의 일 구현예에 따른, 멀티블록형 고분자의 친수성 블록은 M-sPSS로 표기하고 하기 반응식 5의 방법으로 제조하였다.According to an embodiment of the present invention, the hydrophilic block of the multi-block-type polymer was denoted as M-sPSS and prepared by the method of
<반응식 5><
보다 구체적으로 8000 g/mol의 분자량을 목표로 하는 M_sPSS는 다음의 방법으로 합성하였다. 먼저 아르곤 가스 유입구로 300 mL 탈수 된 RBF에 DFDPS (0.067 mol), 리튬 설파이드(0.065 mol) 및 무수 NMP (20 % 고형분)를 첨가하였다. 160 ℃로 서서히 온도를 올리고 18 시간 동안 반응시켰다. 용액을 응고시키고 탈 이온수로 수회 세척 하였다. 이어서 여과 된 고체를 80 ℃에서 밤새 진공 건조시켰다.More specifically, M_sPSS targeting a molecular weight of 8000 g/mol was synthesized by the following method. First, DFDPS (0.067 mol), lithium sulfide (0.065 mol) and anhydrous NMP (20% solids) were added to 300 mL dehydrated RBF through an argon gas inlet. The temperature was gradually raised to 160 °C and reacted for 18 hours. The solution was coagulated and washed several times with deionized water. The filtered solid was then vacuum dried at 80 °C overnight.
설폰산 그룹을 M_sPSS에 도입하기 위해, 사전에 아르곤 퍼지된 250 mL RBF에서 발연 황산 (5 당량)과 함께 미리 합성된 비설폰화 친수성 블록(0.0025 mol, 1 당량)를 첨가함으로써 5 일 동안 -10 ℃에서 후설폰화 공정이 수행되었다. 설폰화된 생성물을 올리고머를 용해시키는 빙수 조에 부었다. 이어서, 염화나트륨으로 수용액을 포화시켜 M_sPSS를 침전시켰다. 여과 후, 여과 된 고체를 수용액에 용해시키고 10 N 수산화 나트륨 용액으로 pH 7로 적정 하였다. 염화나트륨으로 포화시켜 용해 된 용액을 다시 침전시켰다. 여과 후, 여과 된 고체를 진공 하에 80 ℃에서 밤새 건조시켰다. 이어서 진공 건조 된 생성물을 DMSO에 용해시켰다. 용액을 여과하여 염화나트륨을 제거하고, 여액을 침전시키고 2-프로판올에서 여러 번 세척 하였다. 최종 생성물인 M_sPSS를 밤새 80 ℃에서 진공 건조시켰다.To introduce sulfonic acid groups into M_sPSS, by adding a pre-synthesized non-sulfonated hydrophilic block (0.0025 mol, 1 equiv) with fuming sulfuric acid (5 equiv) in 250 mL RBF previously purged with argon at -10 °C for 5 days. The husulfonation process was performed in The sulfonated product was poured into an ice water bath to dissolve the oligomers. Then, the aqueous solution was saturated with sodium chloride to precipitate M_sPSS. After filtration, the filtered solid was dissolved in aqueous solution and titrated to
도 7은 본원 발명의 일 구현예에 따라 제조된 멀티블록형 고분자의 친수성 블록인M_sPSS의 (a) 1H-NMR 및 (b) 19F-NMR 스펙트럼을 나타낸 것이다. 7 shows (a) 1 H-NMR and (b) 19 F-NMR spectra of M_sPSS, which is a hydrophilic block of a multi-block polymer prepared according to an embodiment of the present invention.
<제조예 6> 술폰화 멀티블록형 고분자의 소수성 블록(M_PES)의 제조<Preparation Example 6> Preparation of hydrophobic block (M_PES) of sulfonated multi-block-type polymer
본원 발명의 일 구현예에 따른, 멀티블록형 고분자의 소수성 블록은 M-PES로 표기하고 하기 반응식 6의 방법으로 제조하였다.According to an embodiment of the present invention, the hydrophobic block of the multi-block-type polymer was denoted as M-PES and prepared by the method of Scheme 6 below.
<반응식 6><Scheme 6>
DHDPE (0.063 mol), DCDPS (0.060 mol), 탄산 칼륨 (0.075 mol), 무수 DMAc (20 % 고형분) 및 무수 톨루엔을 300에 첨가하여 분자량 9500 g mol-1의 분자량으로 표적화 된 M_PES를 합성하였다. 톨루엔을 환류시켜 공비적으로 물을 제거하면서, 온도를 천천히 175 ℃로 상승시키면서 아르곤 가스 유입구가 있는 RBF mL 딘-스타크 트랩을 통해 톨루엔을 완전히 제거한 후, 용액을 175 ℃에서 18 시간 동안 반응시키고, 실온으로 냉각시켰다. 생성물 M_PES를 탈 이온수에 침전시키고, 탈 이온수 및 2- 프로판올로 철저히 세척하고, 80 ℃에서 밤새 진공 건조시켰다. DHDPE (0.063 mol), DCDPS (0.060 mol), potassium carbonate (0.075 mol), anhydrous DMAc (20% solids) and anhydrous toluene were added to 300 to synthesize targeted M_PES with a molecular weight of 9500 g mol-1. While the toluene was refluxed to remove water azeotropically, the temperature was slowly raised to 175 ° C. After completely removing toluene through an RBF mL Dean-Stark trap with an argon gas inlet, the solution was reacted at 175 ° C for 18 hours, cooled to room temperature. The product M_PES was precipitated in deionized water, washed thoroughly with deionized water and 2-propanol, and vacuum dried overnight at 80 °C.
도 8은 본원 발명의 일 구현예에 따라 제조된 멀티블록형 고분자의 소수성 블록인 M_PES의 1H-NMR 스펙트럼을 나타낸 것이다. 8 shows a 1 H-NMR spectrum of M_PES, which is a hydrophobic block of a multi-block-type polymer prepared according to an embodiment of the present invention.
<제조예 7> 술폰화 멀티블록형 고분자의 제조<Preparation Example 7> Preparation of sulfonated multi-block-type polymer
본원 발명의 일 구현에에 따른 멀티블록형 고분자는 친수성 블록인 M_sPSS 및 소수성 블록인 M_PES로부터 합성된 멀티블록 공중합체로 Mx/y로 표기하고, x는 실험적 IEC이고 y는 분자량이다. Mx/y는 다음의 반응식 7의 방법으로 제조하였다.The multi-block polymer according to an embodiment of the present invention is a multi-block copolymer synthesized from M_sPSS, which is a hydrophilic block, and M_PES, which is a hydrophobic block. Mx/y was prepared by the method of
<반응식 7><
M_PES (0.00059 mol), 탄산 칼륨 (0.00083 mol, 1.4 당량) 및 탄산 칼슘 (0.00071 mol, 1.2 당량)을 250에 먼저 첨가함으로써 용매로서 무수 DMAc (18 % 고형분 함량)를 사용하여 Mx/y를 합성 하였다. 아르곤 가스 유입구가 있는 mL RBF에 M_sPSS (0.00059 mol)를 용액에 첨가하고, 온도를 175 ℃로 상승시켜 3 일 동안 반응시켰다. 반응 액을 1M 염산에 응고시켜 탄산 칼슘을 제거 하였다. Mx/y를 여과하고, 여과 된 생성물을 탄산 칼륨 수용액으로 pH 8로 적정 하였다. 생성물 Mx/y를 여과하고, 탈 이온수 및 2- 프로판올로 수회 세척하고, 80 ℃에서 밤새 진공 건조시켰다. Mx/y was synthesized using anhydrous DMAc (18% solids content) as a solvent by first adding M_PES (0.00059 mol), potassium carbonate (0.00083 mol, 1.4 equiv) and calcium carbonate (0.00071 mol, 1.2 equiv) to 250 . M_sPSS (0.00059 mol) was added to the solution in an mL RBF with an argon gas inlet, and the temperature was raised to 175° C. and reacted for 3 days. The reaction solution was coagulated in 1 M hydrochloric acid to remove calcium carbonate. Mx/y was filtered, and the filtered product was titrated to pH 8 with an aqueous potassium carbonate solution. The product Mx/y was filtered, washed several times with deionized water and 2-propanol, and dried in vacuo at 80° C. overnight.
도 9는 본원 발명의 일 구현예에 따라 제조된 멀티블록형 고분자의 1H-NMR 스펙트럼을 나타낸 것이다. 9 shows a 1 H-NMR spectrum of a multi-block-type polymer prepared according to an embodiment of the present invention.
<제조예 8> 술폰화 가교형 고분자의 친수성 블록의 제조<Preparation Example 8> Preparation of hydrophilic block of sulfonated cross-linked polymer
본원 발명의 일 구현예에 따른, 술폰화 가교형 고분자의 친수성 블록은 하기 반응식 8의 방법으로 제조하였다.According to one embodiment of the present invention, the hydrophilic block of the sulfonated cross-linked polymer was prepared by the method of Scheme 8 below.
<반응식 8><Scheme 8>
먼저 아르곤 가스 유입구로 300 mL 탈수 된 RBF에 DFDPS (0.067 mol), 리튬 설파이드(0.065 mol) 및 무수 NMP (20 % 고형분)를 첨가하였다. 160 ℃로 서서히 온도를 올리고 18 시간 동안 반응시키고, 이후 용액을 실온으로 냉각시킨다. NaSH (0.16 mol) 및 탄산 칼륨 (0.19 mol)을 5 시간 동안 80 ℃에서 올리고머에 첨가 하였다. 한편, 실온에서, 데카플루오로비페닐 (0.8 mol) 및 무수 NMP (15 % 고형분)를 500mL RBF에 용해시키고, 얻어진 용액을 냉장고에 보관했다. 실온 이하로 냉각 한 후, 빙조를 사용하여 반응 온도를 0 ℃로 유지 한 후, 상기 언급 된 올리고머 용액을 데카플루오로비페닐 용액에 적가하고 아르곤 가스 퍼지로 2 시간 동안 교반 하였다. 최종 용액을 메틸 알콜로 침전시키고, 탈 이온수 메틸 알콜로 수회 세척 하였다. 생성물을 60 ℃에서 밤새 진공 건조시켰다.First, DFDPS (0.067 mol), lithium sulfide (0.065 mol) and anhydrous NMP (20% solids) were added to 300 mL dehydrated RBF through an argon gas inlet. The temperature was gradually raised to 160 °C and reacted for 18 hours, after which the solution was cooled to room temperature. NaSH (0.16 mol) and potassium carbonate (0.19 mol) were added to the oligomer at 80 °C for 5 h. Meanwhile, at room temperature, decafluorobiphenyl (0.8 mol) and anhydrous NMP (15% solids) were dissolved in 500 mL RBF, and the resulting solution was stored in a refrigerator. After cooling to room temperature or lower, the reaction temperature was maintained at 0 °C using an ice bath, and then the above-mentioned oligomer solution was added dropwise to the decafluorobiphenyl solution and stirred with an argon gas purge for 2 hours. The final solution was precipitated with methyl alcohol and washed several times with deionized water and methyl alcohol. The product was vacuum dried at 60 °C overnight.
이전 단계로부터 수득 된 생성물을 사용하여, 설폰화 공정을 수행하여 측쇄 상에 설폰산기를 도입하였다. 비설폰화된 측쇄 올리고머 (0.0022 mol, 1 당량) 및 발연 황산 (5 당량)을 250 mL 재킷 RFB에 첨가하고, 이를 아르곤 퍼징 한 후, -10 ℃에서 5 일 동안 사전에 아르곤 퍼지 하였다. 이어서, 술폰화 된 생성물을 빙수 조에 부어 올리고머를 용해시켰다. 염화나트륨으로 수용액을 포화시켜 생성물을 침전시켰다. 여과 후, 여과 된 고체를 수용액에 용해시키고 10 N 수산화 나트륨 용액으로 pH 7로 적정 하였다. 염화나트륨으로 포화시켜 용해 된 용액을 다시 침전시켰다. 여과 후, 여과 된 고체를 60 ℃에서 밤새 진공 건조시켰다. 이어서 진공 건조 된 생성물을 DMSO에 용해시켰다. 이어서, G_sPSS 용액을 여과하여 염화나트륨을 제거하고, 여액을 침전시키고 2-프로판올에서 여러 번 세척 하였다. 최종 생성물을 60 ℃에서 밤새 진공 건조시켰다.Using the product obtained from the previous step, a sulfonation process was performed to introduce a sulfonic acid group on the side chain. Unsulfonated branched oligomer (0.0022 mol, 1 eq) and fuming sulfuric acid (5 eq) were added to a 250 mL jacketed RFB, which was purged with argon, followed by argon purging beforehand at -10 °C for 5 days. The sulfonated product was then poured into an ice-water bath to dissolve the oligomers. The product was precipitated by saturating the aqueous solution with sodium chloride. After filtration, the filtered solid was dissolved in aqueous solution and titrated to
<제조예 9> 술폰화 가교형 고분자의 소수성 주쇄의 제조<Preparation Example 9> Preparation of hydrophobic main chain of sulfonated cross-linked polymer
본원 발명의 일 구현예에 따른 술폰화 가교형 고분자의 소수성 주쇄의 제조는 제조예3과 동일하다.Preparation of the hydrophobic main chain of the sulfonated cross-linked polymer according to an embodiment of the present invention is the same as in Preparation Example 3.
<제조예 10> 술폰화 가교형 고분자의 제조<Preparation Example 10> Preparation of sulfonated cross-linked polymer
본원 발명의 일 구현예에 따른 술폰화 가교형 고분자의 화학구조는 하기 화학식과 같다.The chemical structure of the sulfonated cross-linked polymer according to an embodiment of the present invention is as follows.
아르곤 가스 유입구가 있는 100 mL 둥근 바닥 플라스크에서 80 oC에서 무수 DMAc (35.87 mL, 6 % 고형분)와 함께 G_PES_OH (2.15 g, 0.0052 mol)를 먼저 첨가하여 G_PES_OH 용액이 완전히 용해되었을 때, 탄산 칼륨 (0.086 g, 0.00063 mol, 2 당량의 하이드록시기 mol %)을 첨가하여 온도를 110 ℃로 올리고 1 시간 동안 반응시켰다. 한편, 술폰화 가교형 친수성 블록 (10 g, 0.00126 mol, 4 당량의 히드록시기 mol %)를 완전히 용해 될 때까지 80 ℃에서 무수 DMAc (32.02 mL, 25 % 고형분)에 용해시켰다. G_PES_OH 및 술폰화 가교형 친수성 블록 용액을 모두 약 60 ℃로 냉각 한 후, 술폰화 가교형 친수성 블록 용액을 G_PES_OH 용액에 한 번에 모두 주입 하였다. 술폰화 가교형 고분자 최종 용액을 80 ℃에서 반응시키는 경우, 반응시간 30분 이내에서 반응 용액이 뭉침을 확인할 수 있었다. 가교반응에 의해 중합체가 분리되는 현상이 관찰되었으며 (도 10 참고), 얻어진 가교물은 NMP, DMAc, DMSO를 비롯한 유기용매에 전혀 다시 용해되지 않았다. When the G_PES_OH solution was completely dissolved by first adding G_PES_OH (2.15 g, 0.0052 mol) together with anhydrous DMAc (35.87 mL, 6% solids) at 80 o C in a 100 mL round bottom flask with an argon gas inlet, potassium carbonate ( 0.086 g, 0.00063 mol, 2 equivalents of hydroxyl group mol %) was added to raise the temperature to 110° C. and reacted for 1 hour. Meanwhile, the sulfonated cross-linked hydrophilic block (10 g, 0.00126 mol, 4 equivalents of mol % of hydroxyl groups) was dissolved in anhydrous DMAc (32.02 mL, 25% solids) at 80 °C until completely dissolved. After cooling both the G_PES_OH and the sulfonated cross-linked hydrophilic block solution to about 60 °C, the sulfonated cross-linked hydrophilic block solution was injected into the G_PES_OH solution all at once. When the sulfonated cross-linked polymer final solution was reacted at 80 °C, it was confirmed that the reaction solution was agglomerated within 30 minutes of the reaction time. A phenomenon in which the polymer was separated by the crosslinking reaction was observed (refer to FIG. 10), and the obtained crosslinked product was not dissolved again in organic solvents including NMP, DMAc, and DMSO.
도 10은 본원 발명의 일 구현예에 따른 (a) 술폰화 가교형 고분자(양쪽 말단 반응성을 가지는 측쇄를 그래프트에 이용한 경우)와 (b) 술폰화 가지형 고분자(단일 말단 반응성을 가지는 측쇄를 그래프트에 이용한 경우)의 화학식과 제조시 반응기의 모습을 나타낸 것이다.10 shows (a) a sulfonated cross-linked polymer (when side chains having reactivity at both ends are used for grafting) and (b) a sulfonated branched polymer (side chains having single-terminal reactivity are grafted) according to an embodiment of the present invention; The chemical formula of (when used in ) and the appearance of the reactor during production are shown.
도 10의 (a)는 양쪽 말단 반응성을 가진 측쇄를 이용하여 그라프트 합성시 양쪽 말단 반응성의 측쇄가 주쇄와 가교가 일어나게 되는데 이러한 측쇄를 이용할 때 고분자가 가교되어 과도하게 점도가 상승하고 고분자와 용매가 따로 노는 불균일계 상분리(heterogeneous separation) 현상이 확인되었고, 결과적으로 양쪽 말단 반응성을 가진 측쇄를 이용한 그라프트 고분자는 다시 용해시키는 것이 불가능하며 제막이 어려웠다.Figure 10 (a) shows that the side chains reactive at both ends are cross-linked with the main chain during graft synthesis using side chains having reactivity at both ends. A phenomenon of heterogeneous separation was confirmed, and as a result, it was impossible to dissolve the graft polymer using side chains having reactivity at both ends, and it was difficult to form a film.
반면에 도 10의 (b)는 단일 말단 반응성을 가진 측쇄를 이용한 그라프트 고분자는 합성시 과도한 점도 발생을 유발하지 않음과 합성시 균일계 용액으로(homogeneous mixture)이 유지됨이 관찰될 뿐만 아니라 단일 말단 반응성을 가진 측쇄를 이용한 그라프트 고분자를 다시 용해시키는 것이 가능하며 제막이 용이하였다.On the other hand, in Fig. 10 (b), it is observed that the graft polymer using a side chain having single-terminal reactivity does not cause excessive viscosity during synthesis and that a homogeneous mixture is maintained during synthesis, as well as a single-terminal end. It was possible to re-dissolve the graft polymer using the reactive side chain, and film formation was easy.
<제조예 8> 전해질 막의 제조<Preparation Example 8> Preparation of electrolyte membrane
본원 발명의 일 구현예에 따른 술폰화 가지형 고분자(Gx/y)의 최종 생성물을 고유 점도에 따라 7-21 % w/V (중량/부피)의 중량 부피 백분율로 무수 DMAc에 용해시킨 후 막은 20-40 μm의 두께를 목표로 닥터 블레이드 어플리케이터를 통해 캐스트되었다. 제작된 막은 치수 안정성, 수분 흡수, 양성자 전도성, 연료 전지 성능, OCV 및 내구성에 대한 분석에 사용되었다. 본원 발명의 일 구현예에 따른 막의 제조에 사용된 술폰화 가지형 고분자의 물성을 표 3에 정리하였다.After dissolving the final product of the sulfonated branched polymer (Gx/y) according to an embodiment of the present invention in anhydrous DMAc at a weight volume percentage of 7-21 % w/V (weight/volume) depending on the intrinsic viscosity, the membrane was It was cast through a doctor blade applicator with a target thickness of 20-40 µm. The fabricated membranes were used for analysis of dimensional stability, water absorption, proton conductivity, fuel cell performance, OCV and durability. Table 3 summarizes the physical properties of the sulfonated branched polymer used to prepare the membrane according to an embodiment of the present invention.
IEC (meq/g)theoretical
IEC (meq/g)
(meq/g)Experimental IEC
(meq/g)
(%)side chain density
(%)
(%)graft rate
(%)
유닛의
분자량
(d/mol)hydrophobic
of unit
Molecular Weight
(d/mol)
(dL/g)intrinsic viscosity
(dL/g)
단, 표 3에서 측쇄밀도는 그래프트율을 고려한 G_PES_OH의 반복단위에 대한 G-sPSS 반복단위의 몰%의 비이다.However, in Table 3, the side chain density is the ratio of the mole % of the G-sPSS repeating unit to the G_PES_OH repeating unit considering the graft rate.
본원 발명의 일 구현예에 따른 Gx/y의 이론적 IEC의 계산은 다음의 식에 의하여 계산하였다.Calculation of the theoretical IEC of Gx/y according to an embodiment of the present invention was calculated by the following equation.
상기 식에서 x는 G_PES_OH 함유 히드록시 작용기의 반복 단위 백분율을 나타내고, z는 G_sPSS의 반복 단위를 나타내고, g는 전환 백분율을 나타낸다.In the above formula, x represents the percentage of repeating units of the G_PES_OH-containing hydroxy functional group, z represents the repeating units of G_sPSS, and g represents the percentage of conversion.
또한, 그래프트 폴리머의 실험적 IEC는 자동 적정기 (Metrohm 794 Basic Titrino)를 사용한 적정 방법을 사용하여 측정되었다. 막을 미리 1.5M H2SO4로 산성화 한 후, 완전히 건조시켜 막 중량을 측정 하였다. 이어서, 건조 된 막을 100 mL 0.01 M NaCl 수용액에서 24 시간 동안 교반하여 황산기를 탈 양성자 화시켰다. 자동 적정기를 사용하여, NaCl 수용액을 함유하는 막을 0.01 M NaOH 용액으로 pH 7로 적정 하였다. 적정 IEC 값은 다음 식에 의해 얻어졌다.In addition, the experimental IEC of the graft polymer was measured using a titration method using an automatic titrator (Metrohm 794 Basic Titrino). The membrane was previously acidified with 1.5MH 2 SO 4 , and then completely dried to measure the membrane weight. The dried membrane was then stirred in 100 mL 0.01 M NaCl aqueous solution for 24 h to deprotonate the sulfate group. Using an automatic titrator, the membrane containing aqueous NaCl solution was titrated to
상기 식에서, CNaOH는 NaOH의 농도, VNaOH의 NaOH 부피 및 건조 된 막의 건조 중량을 나타낸다.In the above formula, C NaOH represents the concentration of NaOH, the NaOH volume of V NaOH and the dry weight of the dried membrane.
고유 점도는 NMP (0.05 g/dL)에 용해된 가지형 중합체를 25 ℃에서 캐논-펜 스케 점도계를 사용하여 측정 하였다. 또한, 워터스 2414 굴절률 검출기, 워터스 1515 등용 매 HPLC 펌프, 및 워터스 2707 오토 샘플러를 사용한 겔 투과 크로마토 그래피에 의해 40 ℃에서 수 분자량 및 다분산지수를 분석 하였다. 사용 된 용매는 DMAc 중 0.05 M LiBr이었다.The intrinsic viscosity was measured using a Cannon-Penske viscometer at 25° C. of a branched polymer dissolved in NMP (0.05 g/dL). In addition, water molecular weight and polydispersity index were analyzed at 40 °C by gel permeation chromatography using a Waters 2414 refractive index detector, a Waters 1515 isocratic HPLC pump, and a Waters 2707 autosampler. The solvent used was 0.05 M LiBr in DMAc.
<분석예 1> 전해질 막의 수분흡수율 및 치수안정성 분석<Analysis Example 1> Analysis of water absorption rate and dimensional stability of electrolyte membrane
일반적으로 프로톤의 전도는 수화 될 때 물 분자와 상호 작용하는 술폰산 그룹에 의해 촉진(차량 메카니즘)되기 때문에 PEMS에서 수화는 매우 중요하다. 또한, 이들 술폰산 그룹을 둘러싸는 물 분자는 친수성-소수성 미세 상분리로 인해 응집되어 이온 전도성 채널을 형성한다. 일반적으로 IEC가 증가하면 친수성이 증가하고 이온 전도 채널이 더 발달하여 수분 흡수 및 치수 팽창 값이 증가하게 되고 또한, 측쇄의 길이가 증가함에 따라, 더 많은 술폰산기가 중합체에 혼입되어 결국 물 흡수 및 치수 팽창을 증가 시키게 된다. 그러나, MEA 내부의 팽창은 에지로부터 시작하여 프레임에 갇힌 막의 파열 또는 손상을 야기 할 수 있기 때문에, 과도한 치수의 팽창은 연료 전지 성능에 유해한 것으로 알려져 있다.Hydration is very important in PEMS because in general the conduction of protons is facilitated (vehicle mechanism) by sulfonic acid groups interacting with water molecules when hydrated. In addition, water molecules surrounding these sulfonic acid groups aggregate due to hydrophilic-hydrophobic fine phase separation to form ion conductive channels. In general, as the IEC increases, the hydrophilicity increases and the ion conduction channel develops more, resulting in an increase in water absorption and dimensional expansion values. Also, as the length of the side chain increases, more sulfonic acid groups are incorporated into the polymer, resulting in water absorption and dimensional expansion. will increase the expansion. However, excessive dimensional expansion is known to be detrimental to fuel cell performance, since expansion inside the MEA can cause rupture or damage to the membrane entrapped in the frame starting from the edge.
본원 발명의 일 구현예에서는 막의 건조 상태 및 습윤 상태의 두께, 길이 및 중량의 값을 사용하여 수분 흡수 및 치수 팽창을 평가 하였다. 실온에서 탈 이온수 조에 침지 된 2 cm × 2 cm로 절단 된 막을 부드럽게 닦아내어 두께, 길이 및 중량을 측정 하였다. 이어서 막을 진공하에 80 ℃에서 24 시간 동안 건조시키고, 두께, 길이 및 중량을 측정 하였다. 그 후, 이들 막을 탈 이온수 조에 재침전하고, 실온에서 24 시간 후에 부드럽게 닦아내고 두께, 길이 및 중량을 다시 측정 하였다. 수분 흡수율은 다음의 식으로 계산되었다.In one embodiment of the present invention, moisture absorption and dimensional expansion were evaluated using the values of thickness, length, and weight of the membrane in dry and wet states. Membrane cut to 2 cm × 2 cm immersed in a deionized water bath at room temperature was gently wiped and the thickness, length and weight were measured. The membrane was then dried under vacuum at 80 °C for 24 h, and the thickness, length and weight were measured. Then, these membranes were reprecipitated in a deionized water bath, gently wiped off after 24 h at room temperature, and the thickness, length and weight were measured again. The water absorption rate was calculated by the following equation.
여기서 Wwet는 습식 상태에서 Wdry 건조 상태에서 막의 평균 중량 값에 해당한다.where W wet corresponds to the average weight value of the membrane in the wet state and in the dry state W dry.
또한, 막의 길이 변화는 다음의 식에 의하여 계산되었다.In addition, the change in the membrane length was calculated by the following equation.
상기 식에서 lwet은 습윤 상태 및 건조 상태 모두에서 막의 평균 길이 값과 동일하다.where lwet is equal to the average length value of the membrane in both wet and dry conditions.
또한, 막의 형태 (H + 형태)를 조사하기 위해, PAX-II 3C 빔라인을 사용하여 한국 포항에 위치한 포항 가속기 연구소 (PAL)에서 SAXS 측정을 수행 하였다.In addition, to investigate the morphology (H + morphology) of the membrane, SAXS measurements were performed at the Pohang Accelerator Laboratory (PAL) located in Pohang, Korea using a PAX-II 3C beamline.
본원 발명의 일구현예에 따른 측쇄 길이가 다른 Gx/y의 수분 흡수 및 치수 팽창에 대해 분석하여 그 결과를 도 11에 나타내었다.According to an embodiment of the present invention, water absorption and dimensional expansion of Gx/y having different side chain lengths were analyzed, and the results are shown in FIG. 11 .
도 11에서 알 수 있듯이, G1.64/7500 및 G1.48/8500의 경우 막은 IEC 및 측쇄 길이가 증가하는 일반적인 추세에 따라 수분 흡수 및 치수 팽창이 증가했으나 유사한 IEC 값을 가진 G1.34/3500 및 G1.29/5000은 측쇄 길이의 차이로 인해 IEC에 대해 반대되는 경향을 보이고 있습니다. G1.34/3500의 IEC가 G1.29/5000보다 높지만 G1.29/5000 (물 흡수 44.15 %, 부피 변화 41.85 %)의 G1.34/3500보다 물 흡수 및 치수 팽창이 더 큽니다 (물 흡수량 38.57 %, 부피 변화 35.91 %). As can be seen from Fig. 11, for G1.64/7500 and G1.48/8500, the membrane showed increased water absorption and dimensional expansion following the general trend of increasing IEC and side chain length, but G1.34/3500 with similar IEC values. and G1.29/5000 show opposite trends for IEC due to differences in side chain lengths. Although the IEC of G1.34/3500 is higher than that of G1.29/5000, the water absorption and dimensional expansion is greater than that of G1.34/3500 of G1.34/5000 (water absorption 44.15%, volume change 41.85%) (water absorption 38.57). %, volume change 35.91%).
SAXS 분석에 따르면 G1.34/3500은 G1.29/5000보다 친수성 도메인 사이의 도메인 간 거리가 더 짧은 것을 확인하였다. 본원 발명의 일 구현예에 따라 더 긴 측쇄는 더 유연하고 더 잘 응집 될 수 있어 친수성 도메인 사이의 도메인 간 거리를 증가시킨다. 이러한 보다 우수한 응집은 보다 발달 된 친수성-소수성 상 분리로 이어지고, 보다 높은 수분 흡수 및 양성자 전도성에 기여하게 되므로 더 긴 측쇄 G1.29/5000은 짧은 측쇄 G1.34/3500에 비해 수분 흡수 및 치수 팽창이 더 크게 됨을 알 수 있다.According to SAXS analysis, it was confirmed that G1.34/3500 had a shorter interdomain distance between hydrophilic domains than G1.29/5000. According to an embodiment of the present invention, longer side chains can be more flexible and better aggregated, thereby increasing the interdomain distance between the hydrophilic domains. This better aggregation leads to more developed hydrophilic-hydrophobic phase separation, which contributes to higher water absorption and proton conductivity, so the longer side chain G1.29/5000 has water absorption and dimensional expansion compared to the shorter side chain G1.34/3500. It can be seen that this becomes larger.
<분석예 2> 전해질 막의 양성자 전도도 분석<Analysis Example 2> Analysis of proton conductivity of electrolyte membrane
온도에 따른 양성자 전도도는 25 oC, 40 oC, 60 oC 및 80 oC에서 4- 프로브 전도도 셀 및 AC 임피던스 분석기 (Solartron-1280 임피던스 / 게인 위상 분석기)를 사용하여 측정되었다. 발진 전압 50-500 mV에서 1-105 Hz의 주파수 범위에서 면내 방향을 따라 100 % RH에서. 수조에 침지된 셀을 온도 및 습도 챔버 (SH-241, ESPEC)의 조절 된 환경에서 분석하고, 각 측정 전에 1 시간 동안 평형화시켰다. 임피던스 데이터는 다음과 같이 양성자 전도도 (σ)를 얻기 위해 사용되었습니다.Proton conductivity as a function of temperature was measured using a 4-probe conductivity cell and AC impedance analyzer (Solartron-1280 impedance/gain phase analyzer) at 25 o C, 40 o C, 60 o C and 80 o C. Oscillation voltages 50-500 mV at 100% RH along the in-plane direction in the frequency range 1-105 Hz. Cells immersed in a water bath were analyzed in a controlled environment in a temperature and humidity chamber (SH-241, ESPEC) and allowed to equilibrate for 1 h before each measurement. The impedance data were used to obtain the proton conductivity (σ) as
proton conductivity (σ) = l/RSproton conductivity (σ) = l/RS
여기서 σ는 양성자 전도도 (S cm-1), l 전극 사이의 거리, R 막의 임피던스 및 S 양성자 수송을 위한 표면적을 나타냅니다.where σ denotes the proton conductivity (S cm-1), the distance between the l electrodes, the impedance of the R membrane, and the surface area for S proton transport.
본원 발명의 일 구현예에 따르면, 양성자 전도도는 친수성 및 소수성 상 분리에 의해 형성된 이온 전도 채널에 영향을 받는 것으로 높은 IEC의 친수성이 증가함에 따라 친수성-소수성 채널이 보다 명확하게 정의되어 양성자 전도가 향상되는 것을 알 수 있다. According to one embodiment of the present invention, proton conductivity is affected by ion conduction channels formed by hydrophilicity and hydrophobic phase separation. As the hydrophilicity of high IEC increases, hydrophilicity-hydrophobic channels are more clearly defined, so that proton conduction is improved it can be seen that
본원 발명의 일 구현예에 따른 측쇄 길이가 다른 Gx/y의 온도에 따른 양성자 전도도 분석 결과를 도 12에 나타내었다.The results of proton conductivity analysis according to the temperature of Gx/y having different side chain lengths according to an embodiment of the present invention are shown in FIG. 12 .
도 12에서 알 수 있듯이 G1.64/7500 (80 oC에서 0.211S cm-1) 및 G1.48/8500 (80 oC에서 0.189Scm-1)은 Nafion 212 (80 oC에서 0.163Scm-1) 보다 높은 양성자 전도성을 나타냅니다. 모든 온도에서, 높은 친수성으로 인해 정의된 이온 전도 채널이 유도되어 양성자 전도성이 높아진 결과를 보이고 있습니다.As can be seen in FIG. 12 G1.64 / 7500 (80 o C in 0.211S cm-1) and G1.48 / 8500 (80 o 0.189Scm- 1 in C) is 0.163Scm-1 in Nafion 212 (80 o C ), which exhibits higher proton conductivity. At all temperatures, the high hydrophilicity induces a defined ion conduction channel, resulting in increased proton conductivity.
그러나, G1.34/3500 (80 oC에서 0.103 S cm-1) 및 G1.29/5000 (80 oC에서 0.112 S cm-1)은 G1.34의 짧은 체인으로 인해 IEC 값에 대해 모순되는 결과를 나타냈습니다. SAXS 분석에 따르면 짧은 친수성 측쇄를 갖는 막이 친수성 도메인 사이에서 더 짧은 도메인 간 거리를 보이고 있을 뿐만 아니라 짧은 측쇄의 낮은 유연성으로 인해 덜 정의 된 친수성-소수성 분리를 초래할 수 있음을 밝혀냈다. 이로 인해 낮은 양성자 전도가 발생하여 IEC 값 추세와 반대되는 결과를 보입니다.However, G1.34/3500 ( 0.103 S cm-1 at 80 o C) and G1.29/5000 ( 0.112 S cm-1 at 80 o C) are contradictory for IEC values due to the short chain of G1.34. showed results. SAXS analysis revealed that membranes with short hydrophilic side chains not only exhibit shorter interdomain distances between hydrophilic domains, but also could lead to less defined hydrophilic-hydrophobic separation due to the low flexibility of short side chains. This results in low proton conduction, which is the opposite of the trend in IEC values.
<분석예 3> 연료전지용 막의 성능 분석<Analysis Example 3> Performance analysis of membrane for fuel cell
연료 전지 성능은 연료의 일정한 공급, 양극에서의 수소 및 음극에서의 산소로 측정하였고, 다양한 상대 습도 및 온도 조건에서, 전류 밀도는 분극 곡선으로서 제시된 부하를 제어함으로써 인가 된 전압과는 다르게 측정되었다.Fuel cell performance was measured with a constant supply of fuel, hydrogen at the anode and oxygen at the cathode, and at various relative humidity and temperature conditions, the current density was measured differently from the applied voltage by controlling the load presented as a polarization curve.
연료 전지 성능 시험을 위한 MEA는 130 ℃에서 진공 프레스를 사용하여 14 bar의 압력에서 0.4 mgPt cm-1을 로딩하는 촉매 코팅 된 막 데칼 방법을 통해 제조되었다. 전압을 측정하기 전에, 평형 점에 도달하기 위해 다양한 전압으로 48주기 동안 전지의 활성화를 수행 하였다. 전지 성능은 연료 전지 시험 스테이션 (Z010-100, SCITHEC KOREA)을 사용하여 수행되었다.MEAs for fuel cell performance testing were prepared via a catalyst-coated membrane decal method of loading 0.4 mgPt cm-1 at a pressure of 14 bar using a vacuum press at 130 °C. Before measuring the voltage, activation of the cell was performed for 48 cycles with various voltages to reach the equilibrium point. Cell performance was performed using a fuel cell test station (Z010-100, SCITHEC KOREA).
본원 발명의 일 구현예에 따른 G1.64/7500에 대해 연료 전지 성능을 온도 65 ℃, 70 ℃ 및 80 ℃로 변경하고 상대 습도를 50 % 및 100 %로 변경하여 측정하여 그 결과를 도 13에 나타내었다. For G1.64/7500 according to an embodiment of the present invention, the fuel cell performance was measured by changing the temperature to 65 ℃, 70 ℃ and 80 ℃, and changing the relative humidity to 50% and 100%, and the results are shown in FIG. indicated.
도 13에서 알 수 있듯이, 100 % RH에서 65 oC는 0.6V에서 1.2956A cm-2의 최고 전류 밀도를 표시 한 후 70 oC (1.258A cm-2) 및 80 oC (1.156A cm-2)를 나타냈습니다. 50 % RH에서, 65 oC는 0.6V에서 0.7934A cm-2의 최고 전류 밀도를 나타내었고, 이어서 70 oC (0.7664A cm-2) 및 80 oC (0.6424A cm-2)를 나타냈다. 전류 밀도는 실제 연료 전지 차량에 적용되는 전압이기 때문에 0.6V로 측정되었으며, 가장 높은 전력 밀도를 제공 할 수 있는 전압이기도 합니다. 이온 전도 경로가 수화 된 조건에서 더 잘 발달하여 양성자 전도성이 증가하기 때문에 100 % RH에서의 전류 밀도는 50 % RH에서의 전류 밀도보다 높습니다.As can be seen from Fig. 13, 65 o C at 100% RH displayed the highest current density of 1.2956 A cm-2 at 0.6 V, followed by 70 o C (1.258 A cm-2) and 80 o C (1.156 A cm-2). 2) was shown. At 50% RH, 65 o C exhibited the highest current density at 0.6 V of 0.7934 A cm -2 , followed by 70 o C (0.7664 A cm -2 ) and 80 o C (0.6424 A cm -2 ). Since the current density is the voltage applied to a real fuel cell vehicle, it was measured as 0.6V, which is also the voltage that can provide the highest power density. The current density at 100% RH is higher than the current density at 50% RH because the ion conduction pathway develops better in hydrated conditions, resulting in increased proton conductivity.
이론적으로 온도가 증가함에 따라 양성자 전도에 대한 활성화 장벽이 감소하기 때문에 양성자 전도성이 증가해야 하나 연료 전지 성능의 실제 적용에서, 80 ℃의 고온에서의 전류 밀도 값은 70 ℃ 또는 65 ℃의 값보다 낮지만 나피온 이오노머는 어느 정도 탈수되어 연료 전지 성능의 온도와 관련하여 반대 결과를 야기 할 수 있습니다.Theoretically, as the temperature increases, the proton conductivity should increase because the activation barrier to proton conduction decreases. Mannafion ionomers can be dehydrated to some extent, with temperature-related consequences for fuel cell performance.
<분석예 4> 막의 화학적 내구성 시험<Analysis Example 4> Chemical durability test of membrane
본원 발명의 일 구현예에 따른, OCV 테스트를 위한 MEA는 0.4 mgPt cm-2를 양극에 로딩하여 촉매 코팅 된 가스 확산 층 (GDL) 방법을 통해 제조되었다. 막의 화학적 안정성 및 분해를 시험하기 위해, 전지에 연료를 연속적으로 공급하여 90 ℃, 30 % RH 및 150 kPa 배압에서 200 mA cm-2의 전류 밀도를 유지하고, OCV를 기록 하였다. 배압을 적용하여 셀 내부를 가스 압력으로 채우고 물을 쉽게 배출하고 가스 밀도를 증가시켰다. 세포 성능 시험은 70 ℃, 100 % RH 및 0kPa 배압에서 100 시간마다 (수행되었다. 연료 전지 시험 스테이션 (Z010-100, SCITHEC KOREA)으로 분극 곡선을 측정 하였다.According to an embodiment of the present invention, MEA for OCV test was prepared through a catalyst-coated gas diffusion layer (GDL) method by loading 0.4 mgPt cm-2 into the anode. To test the chemical stability and degradation of the membrane, the cell was continuously fueled to maintain a current density of 200 mA cm-2 at 90 °C, 30% RH and 150 kPa back pressure, and the OCV was recorded. Back pressure was applied to fill the inside of the cell with gas pressure, allowing water to drain easily and increasing the gas density. Cell performance tests were performed every 100 h at 70 °C, 100% RH and 0 kPa back pressure. Polarization curves were measured with a fuel cell test station (Z010-100, SCITHEC KOREA).
본원 발명의 일 구현예에 따른 G1.64/7500에 대해 화학적 안정성 및 화학적 분해를 평가하기 위해, OCV 값을 추적하면서, 전류 밀도 200 mA cm-2를 유지하도록 수소 가스 및 산소 가스를 연속적으로 공급 하였고, 그 결과를 도 14에 나타내었다.In order to evaluate chemical stability and chemical degradation for G1.64/7500 according to an embodiment of the present invention, hydrogen gas and oxygen gas are continuously supplied to maintain a current density of 200 mA cm-2 while tracking the OCV value and the results are shown in FIG. 14 .
도 14에서 알 수 있듯이, 0 시간 1.026V의 OCV는 약 720 시간까지 소규모로 점차 감소합니다. 약 720 시간 후에 OCV는 0.9V 미만으로 감소하여 PEM에서 라디칼 형성에 의한 주요 화학적 분해가 발생하여 양성자 전도성의 손실 및 내부 저항의 증가로 인해 추가 저항 손실이 발생함을 의미합니다. OCV의 감소는 또한 촉매의 반응 된 부산물을 소진하고 촉매 조건의 평형을 손상시키고 촉매 층을 오염시키는 것에 의해 영향을 받는 것으로 다양한 전압을 인가함으로써 축적 된 부산물이 제거되어 OCV 값이 반복적으로 상승합니다.As can be seen from Fig. 14, the OCV of 1.026V at 0 hours gradually decreases on a small scale until about 720 hours. After about 720 h, the OCV decreases below 0.9 V, implying that major chemical degradation by radical formation occurs in the PEM, resulting in additional resistive losses due to loss of proton conductivity and increase in internal resistance. Reduction of OCV is also effected by exhausting the reacted by-products of the catalyst, impairing the equilibrium of the catalyst conditions and contaminating the catalyst bed.
도 15에는 본원 발명의 일 구현예에 따른 G1.64/7500의 시간에 따른 OCV의 변화를 분석한 결과를 나타내었다.15 shows the results of analyzing the change in OCV with time of G1.64/7500 according to an embodiment of the present invention.
도 15에서 알 수 있듯이, 100 시간의 OCV는 0.9586V, 302 시간 0.9489V 및 728 시간 0.9462V였다. 100 시간에서 728 시간으로, OCV의 소폭 감소만이 관찰되었는데, 이는 막의 화학적 구조가 비교적 온전하게 유지되어 효율적인 양성자를 가능하게 함을 나타낸다. 그러나 728 시간 후에는 전압이 갑자기 강하하여 막에서 화학적 분해가 발생하여 양성자 전도성이 감소하여 OCV가 감소함을 나타냅니다.As can be seen from FIG. 15 , the OCV at 100 hours was 0.9586V, 302 hours 0.9489V, and 728 hours 0.9462V. From 100 h to 728 h, only a slight decrease in OCV was observed, indicating that the chemical structure of the membrane remains relatively intact, allowing for efficient protonation. However, after 728 h, the voltage suddenly drops, causing chemical degradation in the membrane, which leads to a decrease in proton conductivity, indicating a decrease in OCV.
<분석예 5> 막의 물리적 내구성 시험<Analysis Example 5> Physical durability test of the membrane
물리적 내구성 테스트에서 멤브레인은 습한 상태와 건조한 상태의 연속적인 영향을받습니다. 막 팽창 및 건조는 연료 전지의 실제 적용과 비교하여 가속 된 속도로 계속되며, 장기적으로 물리적 내구성 시험을 가능하게 한다. 막은 MEA의 프레임으로 둘러싸여 있으며, 팽창과 건조에 의해 가장 큰 영향을받는 연속적인 팽창과 함께 가장자리가 먼저 약해집니다. 몇 번의 사이클 후, 막의 중간에 결함이 형성된다. 이러한 결함이 PEM에서 발생하면, 연료가 막을 가로 질러 교차하여 전지 성능의 추가 측정 가능성을 파괴 할 수있다. 중대한 결함이 언제 전지를 분해하는지 확인하기 위해 수소 교차를 주기적으로 측정합니다. In the physical durability test, the membrane is subjected to a series of wet and dry conditions. The membrane expansion and drying continues at an accelerated rate compared to the practical application of fuel cells, enabling long-term physical durability testing. The membrane is surrounded by a frame of the MEA, the edges weaken first with successive expansions most affected by swelling and drying. After several cycles, defects are formed in the middle of the film. When these defects occur in PEM, fuel can cross the membrane, destroying further measurability of cell performance. Hydrogen crossovers are measured periodically to determine when a critical fault is breaking down the cell.
본원 발명의 일 구현예에 따른 습식-건식 사이클 테스트에 의해 장기 내구성을 측정 하였다. MEA는 진공 프레스를 사용하여 130 ℃ 및 14 bar의 압력에서 0.4 mgPt cm-2를 로딩하는 촉매 코팅 된 막 데칼 방법을 통해 제조되었다. 습식 사이클 시험을 위해, 130 % RH 및 0 % RH N2 (1000 sccm)를 각각 80 ℃에서 2 분 동안 MEA에 교대로 공급 하였다. 2 분 동안 습윤 상태를 유지 한 후 2 분 동안 건조 상태를 사이클로 하였다.Long-term durability was measured by a wet-dry cycle test according to an embodiment of the present invention. MEAs were prepared via a catalyst-coated membrane decal method using a vacuum press to load 0.4 mgPt cm-2 at 130 °C and a pressure of 14 bar. For the wet cycle test, 130% RH and 0% RH N2 (1000 sccm) were alternately fed to the MEA at 80 °C for 2 min, respectively. Wet for 2 min and cycle dry for 2 min.
도 16에는 본원 발명의 일 구현예에 따른 G1.64/7500의 습식-건식 사이클 테스트 결과를 나타내었다.16 shows the wet-dry cycle test results of G1.64/7500 according to an embodiment of the present invention.
도 16에서 알 수 있듯이, 본원 발명의 일 구현예에 따른 G1.64/7500은 거의 15000 싸이클을 견뎌냈으며 이는 탄화수소 기반 연료 전지용 막으로써의 매우 유용한 것으로 G1.64/7500 막은 물리적 내구성이 오래 지속되어 상용 연료 전지의 PEM으로 적합한 것을 알 수 있습니다.As can be seen from FIG. 16 , G1.64/7500 according to one embodiment of the present invention withstood nearly 15000 cycles, which is very useful as a membrane for hydrocarbon-based fuel cells. It can be seen that it is suitable as a PEM for commercial fuel cells.
<분석예 6> 가지형 고분자와 멀티블록형 고분자의 비교 시험<Analysis Example 6> Comparative test of branched polymer and multi-block polymer
본원 발명의 일 구현예에 따른 가지형 고분자와 멀티블록형 고분자에 대하여 치수안정성, 수분흡수율 및 이온전도도 등에 비하여 비교하였다.The branched polymer and the multi-block polymer according to an embodiment of the present invention were compared in comparison with dimensional stability, water absorption, ionic conductivity, and the like.
비교에 사용한 시료의 물성은 하기 표 4에 정리하였다.The physical properties of the samples used for comparison are summarized in Table 4 below.
(meq/g)Experimental IEC
(meq/g)
(dL/g)intrinsic viscosity
(dL/g)
전도도
80 ℃, 50%proton
conductivity
80℃, 50%
흡수moisture
absorption
도 17은 본원 발명의 일 구현예에 따른 가지형 고분자와 멀티블록형 고분자에 대하여 치수안정성 및 수분흡수를 비교하여 나타낸 것으로, 동일한 IEC와 분자량에 있어서 가지형 고분자는 멀티블록형 고분자에 비하여 낮은 팽윤 현상을 보임을 알 수 있다.17 is a comparison of dimensional stability and water absorption for a branched polymer and a multi-block polymer according to an embodiment of the present invention, and at the same IEC and molecular weight, the branched polymer has lower swelling than the multi-block polymer. phenomenon can be seen.
도 18은 본원 발명의 일 구현예에 따른 가지형 고분자, 멀티블록형 고분자 및 상용 Nafion에 대하여 상대습도에 대한 양성자 전도도를 분석한 결과를 나타낸 것으로, 가지형 고분자는 멀티블록형 고분자 보다 저습도에서 높은 이온전도도를 보임을 알 수 있다.18 shows the results of analyzing the proton conductivity with respect to relative humidity for the branched polymer, the multi-block polymer, and the commercial Nafion according to an embodiment of the present invention. It can be seen that it exhibits high ionic conductivity.
이상에서 살펴본 바와 같이 술폰화 측쇄 고분자(G_sPSS) 및 주쇄 고분자(폴리아릴 렌 에테르 술폰)를 함유하는 술폰화 가지형 고분자 Gx/y를 IEC 및 측쇄 길이에 따라 제조 하였고, IEC는 측쇄의 분자량 및 주쇄의 펜던트 하이드록시기의 몰 백분율을 조정함으로써 제어되었고, 특히, 단일 반응성 측쇄는 그라프팅에서 가교를 방지하도록 설계되었다. 제조된 술폰화 가지형 고분자 Gx/y는 친수성 클러스터 사이의 도메인 간 거리가 측쇄 길이가 증가함에 따라 증가하였고, 유사한 IEC에서 더 긴 측쇄 길이는 더 높은 물 흡수 및 양성자 전도성을 나타냈다. 일 구현예에 따른 술폰화 가지형 고분자인 G1.64/7500은 상용의 나피온 보다 높은 양성자 전도성과 함께 0.6V에서 1.2956A cm-2의 전류 밀도와 탁월한 화학적 및 물리적 내구성으로 연료 전지용 전해질 막으로서 우수한 성능을 보임을 알 수 있다.As described above, a sulfonated branched polymer Gx/y containing a sulfonated branched polymer (G_sPSS) and a main chain polymer (polyarylene ether sulfone) was prepared according to IEC and the length of the side chain, and IEC was the molecular weight and main chain of the side chain. was controlled by adjusting the molar percentage of pendant hydroxyl groups in In the prepared sulfonated branched polymer Gx/y, the interdomain distance between hydrophilic clusters increased as the side chain length increased, and a longer side chain length in a similar IEC showed higher water absorption and proton conductivity. G1.64/7500, a sulfonated branched polymer according to an embodiment, has a higher proton conductivity than commercial Nafion, a current density of 1.2956A cm-2 at 0.6V, and excellent chemical and physical durability as an electrolyte membrane for fuel cells. It can be seen that excellent performance is shown.
Claims (10)
하기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 상기 주쇄에 결합되는 측쇄로 포함하는 것을 특징으로 하는 술폰화 가지형 고분자:
<화학식 1>
상기 화학식 1에서 L1 및 L2는 각각 독립적으로 -O-, -S-, -SO2-, -C=O-, -C(CH3)2- 또는 -C(CF3)2- 중 어느 하나이고,
R1 및 R2는 각각 독립적으로 -SO3M 또는 -SO3H이되, 이때 M은 Li, Na 또는 K 중 어느 하나이며,
a, 및 b는 각각 독립적으로 1 내지 4이고,
x는 반복단위로 1 내지 5,000의 정수이며,
E는 탄소수 1 내지 4의 알킬기, 탄소수 6 내지 18의 치환 또는 비치환 페닐기, -CN 또는 -NO2 치환기를 가지는 페닐기, , , 중 어느 하나의 비반응성 말단기이고,
R은 , , 할로겐기, 알콜기, 또는 티올기에서 유래된 연결구조 중 어느 하나의 반응성 말단기이다.Having any one of the hydrocarbon-based polymers as a main chain,
A sulfonated branched polymer comprising a repeating unit represented by the following formula (1) as a side chain coupled to the main chain:
<Formula 1>
In Formula 1, L1 and L2 are each independently -O-, -S-, -SO 2 -, -C=O-, -C(CH 3 ) 2 - or -C(CF 3 ) 2 - Any one ego,
R1 and R2 are each independently -SO 3 M or -SO 3 H, wherein M is any one of Li, Na or K,
a, and b are each independently 1 to 4,
x is an integer from 1 to 5,000 as a repeating unit,
E is an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, a substituted or unsubstituted phenyl group having 6 to 18 carbon atoms, -CN or -NO 2 a phenyl group having a substituent, , , Any one of the non-reactive end groups,
R is , , a halogen group, an alcohol group, or a reactive end group of any one of a linking structure derived from a thiol group.
상기 탄소수소계 고분자의 주쇄는 하기 화학식 2의 화학구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 술폰화 가지형 고분자:
<화학식 2>
상기 화학식 2에서 L3 및 L4는 각각 독립적으로 -O-, -S-, -SO2-, -C(O)-, -C(CH3)2- 또는 -C(CF3)2- 중 어느 하나이고,
R3 내지 R5는 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 10의 직쇄, 분지쇄 또는 CN기를 포함하는 알킬기 또는 알킬렌기이고,
c, 및 d는 각각 독립적으로 0 내지 4이고, e는 0 내지 3이고,
R6는 연결기로 티올기(-SH), 아민기(-NH-), 페놀기(-PhOH) 또는 알콜기(-OH)에서 유래된 화학구조 중 어느 하나이고,
y는 반복단위로 1 내지 5,000의 정수이다.The method according to claim 1,
The main chain of the carbon-hydrogen-based polymer is a sulfonated branched polymer, characterized in that it includes the chemical structure of Formula 2:
<Formula 2>
In Formula 2, L3 and L4 are each independently -O-, -S-, -SO 2 -, -C(O)-, -C(CH 3 ) 2 - or -C(CF 3 ) 2 - Any of is one,
R3 to R5 are each independently hydrogen or an alkyl group or an alkylene group containing a linear, branched or CN group having 1 to 10 carbon atoms,
c, and d are each independently 0 to 4, e is 0 to 3,
R6 is a linking group, any one of a chemical structure derived from a thiol group (-SH), an amine group (-NH-), a phenol group (-PhOH) or an alcohol group (-OH),
y is an integer from 1 to 5,000 as a repeating unit.
상기 술폰화 가지형 고분자는 주쇄 내에 상기 화학식 2로 표시되고 측쇄가 결합되지 않은 반복단위를 추가로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 술폰화 가지형 고분자.3. The method according to claim 2,
The sulfonated branched polymer is a sulfonated branched polymer, characterized in that it further comprises a repeating unit represented by the formula (2) in the main chain is not bonded to the side chain.
상기 술폰화 가지형 고분자의 주쇄는 하기 화학식 3의 화학구조를 가지는 것을 특징으로 하는 술폰화 가지형 고분자:
<화학식 3>
상기 화학식 3에서 L3 내지 L6는 각각 독립적으로 -O-, -S-, -SO2-, -C=O-, -C(CH3)2- 또는 -C(CF3)2- 중 어느 하나이고,
R3 내지 R5 및 R7, R8는 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 10의 직쇄 또는 분지쇄 또는 CN기를 포함하는 알킬기 또는 알킬렌기이고,
c, d, f, g는 각각 독립적으로 0 내지 4이고, e는 0 내지 3이고,
R6는 연결기로 티올기(-SH), 아민기(-NH-), 페놀기(-PhOH) 또는 알콜기(-OH)에서 유래된 화학구조 중 어느 하나이고,
y 및 z는 반복단위로 y+z는 1 내지 5,000의 정수이며,
E는 탄소수 1 내지 4의 알킬기, 탄소수 6 내지 18의 치환 또는 비치환 페닐기, -CN 또는 -NO2 치환기를 가지는 페닐기, , , 중 어느 하나의 비반응성 말단기이다.4. The method according to claim 3,
The main chain of the sulfonated branched polymer is a sulfonated branched polymer, characterized in that it has the chemical structure of Formula 3 below:
<Formula 3>
In Formula 3, L3 to L6 are each independently -O-, -S-, -SO 2 -, -C=O-, -C(CH 3 ) 2 - or -C(CF 3 ) 2 - Any one ego,
R3 to R5 and R7, R8 are each independently hydrogen or an alkyl group or an alkylene group containing a straight or branched chain having 1 to 10 carbon atoms or a CN group,
c, d, f, g are each independently 0 to 4, e is 0 to 3,
R6 is a linking group, any one of a chemical structure derived from a thiol group (-SH), an amine group (-NH-), a phenol group (-PhOH) or an alcohol group (-OH),
y and z are repeating units, y + z is an integer from 1 to 5,000,
E is an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, a substituted or unsubstituted phenyl group having 6 to 18 carbon atoms, -CN or -NO 2 a phenyl group having a substituent, , , any one of the non-reactive end groups.
하기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 상기 주쇄에 측쇄로서 결합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 술폰화 가지형 고분자의 제조방법:
<화학식 1>
상기 화학식 1에서 L1 및 L2는 각각 독립적으로 -O-, -S-, -SO2-, -C=O-, -C(CH3)2- 또는 -C(CF3)2- 중 어느 하나이고,
R1 및 R2는 각각 독립적으로 -SO3M 또는 -SO3H이되, 이때 M은 Li, Na 또는 K 중 어느 하나이며,
a, 및 b는 각각 독립적으로 1 내지 4이고,
x는 반복단위로 1 내지 5,000의 정수이며,
E는 탄소수 1 내지 4의 알킬기, 탄소수 6 내지 18의 치환 또는 비치환 페닐기, -CN 또는 -NO2 치환기를 가지는 페닐기, , , 중 어느 하나의 비반응성 말단기이고,
R은 , , 할로겐기, 알콜기, 또는 티올기에서 유래된 연결구조 중 어느 하나의 반응성 말단기이다.Preparing any one of the hydrocarbon-based polymer as a main chain;
A method for producing a sulfonated branched polymer comprising the step of binding a repeating unit represented by the following Chemical Formula 1 to the main chain as a side chain:
<Formula 1>
In Formula 1, L1 and L2 are each independently -O-, -S-, -SO 2 -, -C=O-, -C(CH 3 ) 2 - or -C(CF 3 ) 2 - Any one ego,
R1 and R2 are each independently -SO 3 M or -SO 3 H, wherein M is any one of Li, Na or K,
a, and b are each independently 1 to 4,
x is an integer from 1 to 5,000 as a repeating unit,
E is an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, a substituted or unsubstituted phenyl group having 6 to 18 carbon atoms, -CN or -NO 2 a phenyl group having a substituent, , , Any one of the non-reactive end groups,
R is , , a halogen group, an alcohol group, or a reactive end group of any one of a linking structure derived from a thiol group.
상기 탄화수소계 고분자의 주쇄는 하기 화학식 2의 화학구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 술폰화 가지형 고분자의 제조방법:
<화학식 2>
상기 화학식 2에서 L3 및 L4는 각각 독립적으로 -O-, -S-, -SO2-, -C(O)-, -C(CH3)2- 또는 -C(CF3)2- 중 어느 하나이고,
R3 내지 R5는 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 10의 직쇄, 분지쇄 또는 CN기를 포함하는 알킬기 또는 알킬렌기이고,
c, 및 d는 각각 독립적으로 0 내지 4이고, e는 0 내지 3이고,
R6는 연결기로 티올기(-SH), 아민기(-NH-), 페놀기(-PhOH) 또는 히드록시기(-OH)에서 유래된 화학구조 중 어느 하나이고,
y는 반복단위로 1 내지 5,000의 정수이다.6. The method of claim 5,
The main chain of the hydrocarbon-based polymer is a method for producing a sulfonated branched polymer, characterized in that it includes the chemical structure of Formula 2:
<Formula 2>
In Formula 2, L3 and L4 are each independently -O-, -S-, -SO 2 -, -C(O)-, -C(CH 3 ) 2 - or -C(CF 3 ) 2 - Any of is one,
R3 to R5 are each independently hydrogen or an alkyl group or an alkylene group containing a linear, branched or CN group having 1 to 10 carbon atoms,
c, and d are each independently 0 to 4, e is 0 to 3,
R6 is a linking group, any one of a chemical structure derived from a thiol group (-SH), an amine group (-NH-), a phenol group (-PhOH) or a hydroxyl group (-OH),
y is an integer from 1 to 5,000 as a repeating unit.
상기 술폰화 가지형 고분자의 주쇄는 하기 화학식 3의 화학구조를 가지는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 술폰화 가지형 고분자의 제조방법:
<화학식 3>
상기 화학식 3에서 L3 내지 L6는 각각 독립적으로 -O-, -S-, -SO2-, -C=O-, -C(CH3)2- 또는 -C(CF3)2- 중 어느 하나이고,
R3 내지 R5 및 R7, R8는 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 10의 직쇄 또는 분지쇄 또는 CN기를 포함하는 알킬기 또는 알킬렌기이고,
c, d, f, g는 각각 독립적으로 0 내지 4이고, e는 0 내지 3이고,
R6는 연결기로 티올기(-SH), 아민기(-NH-), 페놀기(-PhOH) 또는 히드록시기(-OH)에서 유래된 화학구조 중 어느 하나이고,
y 및 z는 반복단위로 y+z는 1 내지 5,000의 정수이며,
E는 탄소수 1 내지 4의 알킬기, 탄소수 6 내지 18의 치환 또는 비치환 페닐기, -CN 또는 -NO2 치환기를 가지는 페닐기, , , 중 어느 하나의 비반응성 말단기이다.7. The method of claim 6,
The main chain of the sulfonated branched polymer is a method for producing a sulfonated branched polymer, characterized in that it comprises one having a chemical structure of the following formula (3):
<Formula 3>
In Formula 3, L3 to L6 are each independently -O-, -S-, -SO 2 -, -C=O-, -C(CH 3 ) 2 - or -C(CF 3 ) 2 - Any one ego,
R3 to R5 and R7, R8 are each independently hydrogen or an alkyl group or an alkylene group containing a straight or branched chain having 1 to 10 carbon atoms or a CN group,
c, d, f, g are each independently 0 to 4, e is 0 to 3,
R6 is a linking group, any one of a chemical structure derived from a thiol group (-SH), an amine group (-NH-), a phenol group (-PhOH) or a hydroxyl group (-OH),
y and z are repeating units, y + z is an integer from 1 to 5,000,
E is an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, a substituted or unsubstituted phenyl group having 6 to 18 carbon atoms, -CN or -NO 2 a phenyl group having a substituent, , , any one of the non-reactive end groups.
상기 고분자 전해질 막은 연료전지, 이차전지, 레독스 흐름 전지 또는 수전해용 전해질 막인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막.9. The method of claim 8,
The polymer electrolyte membrane is a fuel cell, a secondary battery, a redox flow battery, or a polymer electrolyte membrane, characterized in that the electrolyte membrane for water electrolysis.
연료전지, 이차전지, 레독스 흐름 전지 또는 수전해 장치 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 장치.A device comprising the polymer electrolyte membrane of claim 8,
A device, characterized in that any one of a fuel cell, a secondary cell, a redox flow cell, or a water electrolysis device.
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