KR20210132492A - Copolymer, polymer membrane comprising the same, gas separation membrane comprising the polymer membrane, manufacturing method of the copolymer, and manufacturing method of the gas separation membrane - Google Patents

Copolymer, polymer membrane comprising the same, gas separation membrane comprising the polymer membrane, manufacturing method of the copolymer, and manufacturing method of the gas separation membrane Download PDF

Info

Publication number
KR20210132492A
KR20210132492A KR1020200050952A KR20200050952A KR20210132492A KR 20210132492 A KR20210132492 A KR 20210132492A KR 1020200050952 A KR1020200050952 A KR 1020200050952A KR 20200050952 A KR20200050952 A KR 20200050952A KR 20210132492 A KR20210132492 A KR 20210132492A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
copolymer
gas separation
monomer
separation membrane
membrane
Prior art date
Application number
KR1020200050952A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR102339250B1 (en
Inventor
김종학
이창수
Original Assignee
연세대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 연세대학교 산학협력단 filed Critical 연세대학교 산학협력단
Priority to KR1020200050952A priority Critical patent/KR102339250B1/en
Publication of KR20210132492A publication Critical patent/KR20210132492A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102339250B1 publication Critical patent/KR102339250B1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08FMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F271/00Macromolecular compounds obtained by polymerising monomers on to polymers of nitrogen-containing monomers as defined in group C08F26/00
    • C08F271/02Macromolecular compounds obtained by polymerising monomers on to polymers of nitrogen-containing monomers as defined in group C08F26/00 on to polymers of monomers containing heterocyclic nitrogen
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D53/00Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/22Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion
    • B01D53/228Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion characterised by specific membranes
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D69/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by their form, structure or properties; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D69/10Supported membranes; Membrane supports
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D69/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by their form, structure or properties; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D69/12Composite membranes; Ultra-thin membranes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08FMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F220/00Copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical or a salt, anhydride ester, amide, imide or nitrile thereof
    • C08F220/02Monocarboxylic acids having less than ten carbon atoms; Derivatives thereof
    • C08F220/10Esters
    • C08F220/26Esters containing oxygen in addition to the carboxy oxygen
    • C08F220/28Esters containing oxygen in addition to the carboxy oxygen containing no aromatic rings in the alcohol moiety
    • C08F220/285Esters containing oxygen in addition to the carboxy oxygen containing no aromatic rings in the alcohol moiety and containing a polyether chain in the alcohol moiety
    • C08F220/286Esters containing oxygen in addition to the carboxy oxygen containing no aromatic rings in the alcohol moiety and containing a polyether chain in the alcohol moiety and containing polyethylene oxide in the alcohol moiety, e.g. methoxy polyethylene glycol (meth)acrylate
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08FMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F226/00Copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a single or double bond to nitrogen or by a heterocyclic ring containing nitrogen
    • C08F226/06Copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a single or double bond to nitrogen or by a heterocyclic ring containing nitrogen by a heterocyclic ring containing nitrogen
    • C08F226/10N-Vinyl-pyrrolidone
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08JWORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J5/00Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
    • C08J5/20Manufacture of shaped structures of ion-exchange resins
    • C08J5/22Films, membranes or diaphragms
    • C08J5/2206Films, membranes or diaphragms based on organic and/or inorganic macromolecular compounds
    • C08J5/2218Synthetic macromolecular compounds
    • C08J5/2231Synthetic macromolecular compounds based on macromolecular compounds obtained by reactions involving unsaturated carbon-to-carbon bonds
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08JWORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2351/00Characterised by the use of graft polymers in which the grafted component is obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds; Derivatives of such polymers
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/151Reduction of greenhouse gas [GHG] emissions, e.g. CO2
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/50Improvements relating to the production of bulk chemicals

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)

Abstract

The present invention relates to a copolymer, a polymer membrane including the copolymer, a gas separation membrane including the polymer membrane, a method for preparing the copolymer and a method for manufacturing the gas separation membrane. Particularly, a first monomer having an imidazole group is mixed with a second monomer having a polyalkylene oxide repeating unit at a suitable ratio to form a graft copolymer, which forms a gas permeation path through microphase separation when being applied to a gas separation membrane, thereby providing improved gas permeability and selectivity. In addition, the copolymer according to the present invention has excellent mechanical rigidity, while showing adhesiveness and flexibility, is dissolved in non-toxic water or alcohol with high compatibility, and thus can be applied to various industrial fields using the same.

Description

공중합체, 이를 포함하는 고분자막, 상기 고분자막을 포함하는 기체 분리막, 상기 공중합체의 제조방법 및 상기 기체 분리막의 제조방법{Copolymer, polymer membrane comprising the same, gas separation membrane comprising the polymer membrane, manufacturing method of the copolymer, and manufacturing method of the gas separation membrane}A copolymer, a polymer membrane comprising the same, a gas separation membrane comprising the polymer membrane, a method of manufacturing the copolymer, and a method of manufacturing the gas separation membrane copolymer, and manufacturing method of the gas separation membrane}

본 발명은 공중합체, 이를 포함하는 고분자막, 상기 고분자막을 포함하는 기체 분리막, 상기 공중합체의 제조방법 및 상기 기체 분리막의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a copolymer, a polymer membrane including the same, a gas separation membrane including the polymer membrane, a method for manufacturing the copolymer, and a method for manufacturing the gas separation membrane.

급격한 산업적 분야의 성장에 더불어 다양한 환경 공해에 대한 요소들이 인류를 위협하고 있다. 그 중 하나로, CO2 등의 온실가스들을 포집/분리하는 기술이 매우 중요한 이슈이다. 이 관점에서, 고분자 분리막 기술은 적은 에너지를 이용해서 효율적인 기체 분리를 할 수 있기 때문에 공해 오염을 개선할 수 있는 차선책으로 대두되고 있다.Along with the rapid growth of the industrial sector, various environmental pollution factors are threatening mankind. As one of them, the technology of capturing/separating greenhouse gases such as CO 2 is a very important issue. From this point of view, the polymer membrane technology is emerging as the next best solution to improve pollution because it can efficiently separate gas using a small amount of energy.

기체 분리용 평막(flat membrane)은 크게 두 종류로 나눌 수 있는데 프리스탠딩 막(free-standing membrane)과 복합막(composite membrane)이 있다. 그 중 하나인 복합막은 기체가 빠르게 투과하고 물리적인 특성을 보완해주는 다공성 지지체 표면에 기체를 선택적으로 분리하는 얇은 고분자층을 코팅하여 제조한다. A flat membrane for gas separation can be broadly divided into two types, a free-standing membrane and a composite membrane. One of them, a composite membrane, is manufactured by coating a thin polymer layer that selectively separates gas on the surface of a porous support that allows gas to pass through quickly and complements physical properties.

이러한 기체분리용 복합막은 낮은 농도의 고분자 용액을 다공성 지지체에 얇은 바를 이용하여 바 코팅(bar-coating)하거나 스핀 코팅(spin-coating)하기 때문에 제조가 매우 용이하고 짧은 시간 안에 제조 가능하며 공정이 간단하다는 장점이 있다. This composite membrane for gas separation is very easy to manufacture, can be manufactured in a short time, and the process is simple because a low concentration polymer solution is bar-coated or spin-coated on a porous support using a thin bar. There is an advantage that

그러나 기존의 복합막에 형성된 고분자층은 주로 이산화탄소 친화도가 높은 폴리에틸렌옥사이드와 같은 작용기를 갖는 고분자들로 구성되는데, 이러한 고분자들은 기계적 강도가 낮으며, 점착성이 낮아 흐르는 성질 때문에 다공성 지지체의 기공 사이로 침투하여 기체 투과를 방해하거나 막을 형성하지 못하였다. However, the polymer layer formed in the conventional composite membrane is mainly composed of polymers having a functional group such as polyethylene oxide with high carbon dioxide affinity. These polymers have low mechanical strength and low adhesion, so that they penetrate through the pores of the porous support due to their flow properties. Therefore, gas permeation was not prevented or a film was not formed.

한국등록특허 제10-1063697호Korean Patent Registration No. 10-1063697

상기와 같은 문제 해결을 위하여, 본 발명은 향상된 기체 투과도 및 선택도를 가지는 동시에 물 또는 알코올에 용해되어 상용성이 우수한 공중합체를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.In order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a copolymer having improved gas permeability and selectivity while being dissolved in water or alcohol and having excellent compatibility.

또한 본 발명은 점착성 및 유연성을 가지면서도 기계적 강성이 우수한 고분자막을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a polymer membrane excellent in mechanical rigidity while having adhesiveness and flexibility.

또한 본 발명은 기체 투과도 및 선택도의 분리성능이 향상된 기체 분리막을 제공하는 것으로 그 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a gas separation membrane having improved separation performance of gas permeability and selectivity.

또한 본 발명은 공중합체의 제조방법을 제공하는 것으로 그 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a method for preparing a copolymer.

또한 본 발명은 기체 분리막의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a gas separation membrane.

본 발명은 이미다졸기를 가지는 제1 단량체에 폴리알킬렌옥사이드 반복단위를 가지는 제2 단량체가 그래프트된 공중합체를 제공한다.The present invention provides a copolymer in which a second monomer having a polyalkylene oxide repeating unit is grafted onto a first monomer having an imidazole group.

상기 제1 단량체는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물일 수 있다.The first monomer may be a compound represented by Formula 1 below.

[화학식 1][Formula 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

(상기 화학식 1에서, n은 0 내지 30의 정수이다.)(In Formula 1, n is an integer of 0 to 30.)

상기 제2 단량체는 하기 화학식 2로 표시되는 폴리옥시에틸렌메타크릴레이트일 수 있다.The second monomer may be polyoxyethylene methacrylate represented by Formula 2 below.

[화학식 2][Formula 2]

Figure pat00002
Figure pat00002

(상기 화학식 2에서, R1 및 R2는 서로 동일하거나 상이하며, 각각 독립적으로 H, COOH 및 탄소수 1 내지 20의 알킬기 중에서 선택되고, m은 1 내지 50의 정수이다.)(In Formula 2, R 1 and R 2 are the same as or different from each other, and are each independently selected from H, COOH, and an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, and m is an integer of 1 to 50.)

상기 공중합체는 상기 제1 단량체 및 제2 단량체가 22~40: 60~78 중량비로 중합된 것일 수 있다.The copolymer may be one in which the first monomer and the second monomer are polymerized in a weight ratio of 22 to 40: 60 to 78.

상기 공중합체는 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물일 수 있다.The copolymer may be a compound represented by the following formula (3).

[화학식 3][Formula 3]

Figure pat00003
Figure pat00003

(상기 화학식 3에서, R1 및 R2는 서로 동일하거나 상이하며, 각각 독립적으로 H, COOH 및 탄소수 1 내지 20의 알킬기 중에서 선택되고, x 및 y는 각 반복단위의 중합 몰비로서 65~85: 15~35이고, n은 0 내지 30의 정수이고, m은 1 내지 50의 정수이다.)(In Formula 3, R 1 and R 2 are the same as or different from each other, and are each independently selected from H, COOH and an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, and x and y are 65 to 85 as a polymerization molar ratio of each repeating unit: 15 to 35, n is an integer from 0 to 30, and m is an integer from 1 to 50.)

상기 화학식 3에서, R1 및 R2는 서로 동일하고, 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 8의 알킬기이고, x 및 y는 각 반복단위의 중합 몰비로서 71~82: 18~29이고, n은 0 내지 10의 정수이고, m은 1 내지 15의 정수일 수 있다.In Formula 3, R 1 and R 2 are the same as each other, each independently an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, x and y are 71 to 82: 18 to 29 as a polymerization molar ratio of each repeating unit, and n is 0 to It is an integer of 10, and m may be an integer of 1 to 15.

상기 공중합체는 하기 화학식 3a로 표시되는 화합물일 수 있다.The copolymer may be a compound represented by the following Chemical Formula 3a.

[화학식 3a] [Formula 3a]

Figure pat00004
Figure pat00004

(상기 화학식 3a에서, x 및 y는 각 반복단위의 중합 몰비로서 77~80: 20~23이다.)(In Formula 3a, x and y are 77-80: 20-23 as a polymerization molar ratio of each repeating unit.)

한편, 본 발명은 상기 공중합체를 포함하는 고분자막을 제공한다.On the other hand, the present invention provides a polymer membrane comprising the copolymer.

상기 고분자막은 이온성 전해질막용, 이온교환막용 또는 기체 분리막용일 수 있다.The polymer membrane may be for an ionic electrolyte membrane, an ion exchange membrane, or a gas separation membrane.

또한, 본 발명은 다공성 지지체; 및 상기 다공성 지지체의 일면 또는 양면에 코팅된 상기 고분자막;을 포함하는 기체 분리막을 제공한다.In addition, the present invention is a porous support; and the polymer membrane coated on one or both surfaces of the porous support.

상기 다공성 지지체는 폴리설폰, 폴리에스터설폰, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리옥시메틸렌, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리아크릴로니트릴, 셀룰로스아세테이트, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리아미드이미드, 폴리에테르이미드, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐알코올 및 폴리아릴레이트로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.The porous support is polysulfone, polyester sulfone, polymethyl methacrylate, polyethylene, polypropylene, polyoxymethylene, polyether ether ketone, polyethylene terephthalate, polyacrylonitrile, cellulose acetate, polyamide, polyimide, poly It may be at least one selected from the group consisting of amideimide, polyetherimide, polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, and polyarylate.

상기 다공성 지지체는 표면이 폴리(1-트리메틸실릴-1-프로핀)으로 코팅된 표면 코팅층을 더 포함할 수 있다.The porous support may further include a surface coating layer having a surface coated with poly(1-trimethylsilyl-1-propyne).

상기 고분자막은 두께가 1~20 ㎛일 수 있다.The polymer film may have a thickness of 1 to 20 μm.

상기 기체는 이산화탄소, 질소 및 메탄 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.The gas may be at least one selected from carbon dioxide, nitrogen, and methane.

상기 기체 분리막은 20~40 nm 크기의 미세상분리가 일어나 기체 투과 통로를 형성할 수 있다.The gas separation membrane may form a gas permeation passage through which microphase separation with a size of 20 to 40 nm occurs.

상기 기체 분리막은 이산화탄소(CO2) 투과도가 148 barrer 이상이고, 이산화탄소/질소(CO2/N2) 선택도가 43 이상이고, 이산화탄소/메탄(CO2/CH4) 선택도가 23 이상일 수 있다.The gas separation membrane may have a carbon dioxide (CO 2 ) permeability of 148 barrer or more, a carbon dioxide/nitrogen (CO 2 /N 2 ) selectivity of 43 or more, and a carbon dioxide/methane (CO 2 /CH 4 ) selectivity of 23 or more. .

또한, 본 발명은 이미다졸기를 가지는 제1 단량체 및 폴리알킬렌옥사이드 반복단위를 가지는 제2 단량체를 개시제의 존재 하에 중합시켜 공중합체를 제조하는 단계;를 포함하는 공중합체의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for preparing a copolymer comprising: preparing a copolymer by polymerizing a first monomer having an imidazole group and a second monomer having a polyalkylene oxide repeating unit in the presence of an initiator .

상기 공중합체를 제조하는 단계는 상기 제1 단량체 및 제2 단량체를 22~40: 60~78 중량비로 중합할 수 있다.In preparing the copolymer, the first monomer and the second monomer may be polymerized in a weight ratio of 22 to 40: 60 to 78.

상기 공중합체를 제조하는 단계는 50~100 ℃에서 10 내지 30 시간 동안 자유 라디칼 반응시키는 것일 수 있다.The step of preparing the copolymer may be a free radical reaction at 50 to 100 °C for 10 to 30 hours.

또한, 본 발명은 이미다졸기를 가지는 제1 단량체 및 폴리알킬렌옥사이드 반복단위를 가지는 제2 단량체를 개시제의 존재 하에 중합시켜 공중합체를 제조하는 단계; 상기 공중합체를 용매에 용해시켜 코팅 용액을 제조하는 단계; 상기 코팅 용액을 다공성 지지체의 일면 또는 양면에 코팅하여 고분자막을 형성하는 단계; 및 상기 고분자막이 형성된 다공성 지지체를 건조시켜 기체 분리막을 제조하는 단계;를 포함하는 기체 분리막의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of preparing a copolymer by polymerizing a first monomer having an imidazole group and a second monomer having a polyalkylene oxide repeating unit in the presence of an initiator; dissolving the copolymer in a solvent to prepare a coating solution; forming a polymer film by coating the coating solution on one or both surfaces of the porous support; and drying the porous support on which the polymer membrane is formed to prepare a gas separation membrane.

상기 코팅 용액을 제조하는 단계에서 상기 코팅 용액 전체함량 중 상기 공중합체는 10~30 중량%를 포함할 수 있다.In the step of preparing the coating solution, the copolymer may include 10 to 30 wt% of the total amount of the coating solution.

상기 용매는 물, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 이소프로판올, 테트라하이드로퓨란, 에틸아세테이트, 클로로포름, 디메틸설폭사이드, 디메틸포름아미드 및 N-메틸-2-피롤리돈으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.The solvent may be at least one selected from the group consisting of water, methanol, ethanol, propanol, butanol, isopropanol, tetrahydrofuran, ethyl acetate, chloroform, dimethyl sulfoxide, dimethylformamide and N-methyl-2-pyrrolidone. have.

본 발명에 따른 공중합체는 이미다졸기를 가지는 제1 단량체에 폴리알킬렌옥사이드 반복단위를 가지는 제2 단량체를 적정 비율로 혼합하여 그래프트된 공중합체를 형성함으로써 이를 기체 분리막에 적용 시 미세상분리를 통한 기체 투과 경로를 형성하여 기체 투과도 및 선택도를 향상시킬 수 있다.The copolymer according to the present invention forms a grafted copolymer by mixing a first monomer having an imidazole group with a second monomer having a polyalkylene oxide repeating unit in an appropriate ratio to form a grafted copolymer through microphase separation when applied to a gas separation membrane. A gas permeation path may be formed to improve gas permeability and selectivity.

또한 본 발명에 따른 공중합체는 점착성 및 유연성을 가지면서도 기계적 강성이 우수하고, 독성이 없는 물 또는 알코올에 용해되어 상용성이 우수한 이점이 있다.In addition, the copolymer according to the present invention has excellent mechanical rigidity while having adhesiveness and flexibility, and is soluble in non-toxic water or alcohol, thereby having excellent compatibility.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 한정되지 않는다. 본 발명의 효과는 이하의 설명에서 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.The effects of the present invention are not limited to the above-mentioned effects. It should be understood that the effects of the present invention include all effects that can be inferred from the following description.

도 1은 본 발명에 따른 실시예 1~2 및 비교예 1~6에서 합성된 PVIm, PVIm-POEM 공중합체 및 PPOEM 고분자의 합성 결과물을 보여주는 사진이다.
도 2는 VIm, POEM과 본 발명에 따른 실시예 2 및 비교예 2, 3에서 합성된 PVIm-POEM 공중합체의 FT-IR(a) 및 H-NMR(b, c, d) 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 실시예 1과 비교예 1, 4, 5에서 합성된 PVIm 및 PVIm-POEM 공중합체의 FT-IR 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 실시예 1~2 및 비교예 1~6에서 합성된 PVIm, PVIm-POEM 공중합체 및 PPOEM 고분자에 대한 DSC 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 실시예 1~2 및 비교예 1~6에서 합성된 PVIm, PVIm-POEM 공중합체 및 PPOEM 고분자에 대한 TGA 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 실시예 4(PVIm-POEM37) 및 비교예 8(PVIm-POEM73), 9(PVIm-POEM55), 12(PPOEM)에서 제조된 기체 분리막에 대한 SAXS 분석(a) 및 XRD 분석(b) 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 실시예 4(PVIm-POEM37)(e, f) 및 비교예 8(PVIm-POEM73)(a, b), 9(PVIm-POEM55)(c, d)에서 제조된 기체 분리막에 대한 TEM 사진이다.
도 8은 본 발명에 따른 실시예 4(PVIm-POEM37) 및 비교예 8(PVIm-POEM73)에서 제조된 기체 분리막에 대한 상분리를 비교하여 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명에 따른 실시예 3~4 및 비교예 7~12에서 제조된 기체 분리막의 단면에 대한 FE-SEM 사진이다.
도 10은 본 발명에 따른 실시예 3~4 및 비교예 7~12에서 제조된 기체 분리막에 대한 이산화탄소(CO2)의 투과도, 이산화탄소/질소(CO2/N2) 및 이산화탄소/메탄(CO2/CH4)에 대한 선택도 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명에 따른 실시예 4(PVIm-POEM37) 및 비교예 8(PVIm-POEM73), 비교예 9(PVIm-POEM55)에서 제조된 기체 분리막에 대하여 다른 고분자들로 이루어진 평막과 기체 투과도 및 선택도의 분리성능을 비교한 그래프이다.
1 is a photograph showing the synthesis results of PVIm, PVIm-POEM copolymer and PPOEM polymer synthesized in Examples 1 to 2 and Comparative Examples 1 to 6 according to the present invention.
Figure 2 shows the FT-IR (a) and H-NMR (b, c, d) analysis results of VIm, POEM and PVIm-POEM copolymers synthesized in Example 2 and Comparative Examples 2 and 3 according to the present invention It is a graph.
3 is a graph showing FT-IR results of PVIm and PVIm-POEM copolymers synthesized in Example 1 and Comparative Examples 1, 4, and 5 according to the present invention.
4 is a graph showing DSC results for PVIm, PVIm-POEM copolymer and PPOEM polymer synthesized in Examples 1 to 2 and Comparative Examples 1 to 6 according to the present invention.
5 is a graph showing TGA results for PVIm, PVIm-POEM copolymer and PPOEM polymer synthesized in Examples 1 to 2 and Comparative Examples 1 to 6 according to the present invention.
6 is a SAXS analysis (a) and XRD of the gas separation membranes prepared in Example 4 (PVIm-POEM37) and Comparative Examples 8 (PVIm-POEM73), 9 (PVIm-POEM55), and 12 (PPOEM) according to the present invention; It is a graph showing the analysis (b) result.
7 is a gas prepared in Example 4 (PVIm-POEM37) (e, f) and Comparative Examples 8 (PVIm-POEM73) (a, b), 9 (PVIm-POEM55) (c, d) according to the present invention This is a TEM picture of the separator.
FIG. 8 shows the phase separation of the gas separation membranes prepared in Example 4 (PVIm-POEM37) and Comparative Example 8 (PVIm-POEM73) according to the present invention.
9 is an FE-SEM photograph of a cross section of the gas separation membranes prepared in Examples 3 to 4 and Comparative Examples 7 to 12 according to the present invention.
10 is a graph showing the permeability of carbon dioxide (CO 2 ), carbon dioxide/nitrogen (CO 2 /N 2 ) and carbon dioxide/methane (CO 2 ) for the gas separation membranes prepared in Examples 3 to 4 and Comparative Examples 7 to 12 according to the present invention; /CH 4 ) is a graph showing the selectivity results.
11 shows the gas permeability and flat membranes made of different polymers for the gas separation membranes prepared in Example 4 (PVIm-POEM37), Comparative Example 8 (PVIm-POEM73), and Comparative Example 9 (PVIm-POEM55) according to the present invention; This is a graph comparing the separation performance of selectivity.

이하에서는 본 발명을 하나의 실시예로 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of one embodiment.

본 발명은 공중합체, 이를 포함하는 고분자막, 상기 고분자막을 포함하는 기체 분리막, 상기 공중합체의 제조방법 및 상기 기체 분리막의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a copolymer, a polymer membrane including the same, a gas separation membrane including the polymer membrane, a method for manufacturing the copolymer, and a method for manufacturing the gas separation membrane.

이산화탄소 친화도가 높은 고분자들 중 이미다졸기를 가지는 고분자는 너무 딱딱하고 유연하지 못하기 때문에 유연한 다공성 폴리설폰 지지체에서 부러질 수 있고, 에틸렌글리콜기를 가지는 고분자는 흐르는 성질 때문에 기공 사이로 침투하여 막을 형성하지 못하는 특성이 있다. Among polymers with high carbon dioxide affinity, a polymer having an imidazole group may break on a flexible porous polysulfone support because it is too hard and inflexible, and a polymer having an ethylene glycol group does not form a membrane by penetrating through the pores due to its flowing property. There are characteristics that cannot be

본 발명에서는 이러한 각 고분자들을 적정 비율로 혼합하여 공중합함으로써 물리적인 성질들을 상호 보완할 수 있으며, 다른 중합 비율에 비해 고분자들간의 혼화성이 우수하여 미세상분리가 잘 일어나 효율적인 기체 투과를 위한 경로를 제공할 수 있다. 또한 에틸렌글리콜기를 가지는 고분자는 에틸렌글리콜기가 대표적인 루이스 염기(Lewis base) 그룹 중 하나로, 루이스산(Lewis acid)인 CO2와 산-염기 상호작용을 통해 선택적인 기체 투과 경로를 형성할 수 있다. 이에 따라 CO2의 용해도를 증가시켜 투과도와 선택도를 동시에 높일 수 있다.In the present invention, the physical properties can be complemented by copolymerization by mixing each of these polymers in an appropriate ratio, and excellent miscibility between polymers compared to other polymerization ratios allows fine phase separation to occur well and provides a path for efficient gas permeation can do. In addition, in the polymer having an ethylene glycol group, the ethylene glycol group is one of the representative Lewis base groups, and may form a selective gas permeation path through acid-base interaction with CO 2 which is a Lewis acid. Accordingly, it is possible to increase the solubility of CO 2 , thereby increasing the transmittance and selectivity at the same time.

구체적으로 본 발명은 이미다졸기를 가지는 제1 단량체에 폴리알킬렌옥사이드 반복단위를 가지는 제2 단량체가 그래프트된 공중합체를 제공한다.Specifically, the present invention provides a copolymer in which a second monomer having a polyalkylene oxide repeating unit is grafted onto a first monomer having an imidazole group.

상기 제1 단량체는 중합 가능한 C=C 결합을 가지고 있으면서 동시에 이미다졸링(imidazole ring)을 포함할 수 있다. 이에 상기 제1 단량체는 금속이온과의 복합체를 형성하거나 이온성 액체로서의 다양한 개질화가 가능하며, 이산화탄소와 같은 기체와 친화적이며, 유연성이 낮고 딱딱하여 고분자막의 기계적 강성을 향상시킬 수 있다. 바람직하게는 상기 제1 단량체는 이미다졸(imidazole)기를 가지며, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물일 수 있다. The first monomer may have a polymerizable C═C bond and at the same time include an imidazole ring. Accordingly, the first monomer can form a complex with metal ions or can be variously modified as an ionic liquid, is friendly with a gas such as carbon dioxide, and has low flexibility and hardness, thereby improving the mechanical rigidity of the polymer membrane. Preferably, the first monomer has an imidazole group and may be a compound represented by the following formula (1).

[화학식 1][Formula 1]

Figure pat00005
Figure pat00005

(상기 화학식 1에서, n은 0 내지 30의 정수이다.)(In Formula 1, n is an integer of 0 to 30.)

보다 바람직하게는 상기 화학식 1에서 n은 0 내지 10의 정수일 수 있고, 가장 바람직하게는 상기 화학식 1이 1-비닐이미다졸일 때, n은 0이다.More preferably, n in Formula 1 may be an integer of 0 to 10, and most preferably, when Formula 1 is 1-vinylimidazole, n is 0.

상기 제2 단량체는 고무(rubbery)와 유사하여 고분자의 점착성 및 유연성을 증대시키는 역할을 할 수 있다. 또한 상기 제2 단량체는 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌옥사이드 등과 같은 폴리알킬렌옥사이드 반복단위를 가지고 있어 이산화탄소와 같은 기체와의 친화도가 우수하며 빠르고 효율적인 기체 분리를 유도할 수 있다. 구체적으로 알킬렌옥사이드 작용기는 이산화탄소와 쌍극자-사극자 상호작용(dipole-quadrupole interaction)함으로써 높은 친화도를 가질 수 있다. 또한 이산화탄소는 루이스산(Lewis acid)으로 전자를 받을 수 있는 전자 수용체(electron acceptor)이기 때문에 부분적으로 음전하를 띠는 도메인을 녹일 수 있어 상기 제2 단량체의 C-O-C 결합에서 산소에 선택적인 용해도를 가질 수 있다.The second monomer may serve to increase the adhesiveness and flexibility of the polymer by being similar to rubber. In addition, since the second monomer has a polyalkylene oxide repeating unit such as polyethylene oxide or polypropylene oxide, it has excellent affinity with a gas such as carbon dioxide and can induce fast and efficient gas separation. Specifically, the alkylene oxide functional group may have high affinity by dipole-quadrupole interaction with carbon dioxide. In addition, since carbon dioxide is an electron acceptor that can accept electrons as Lewis acid, it can dissolve a partially negatively charged domain, so that it can have selective solubility in oxygen in the COC bond of the second monomer. have.

바람직하게는 상기 제2 단량체는 폴리알킬렌옥사이드 반복단위를 가지는 하기 화학식 2로 표시되는 폴리옥시에틸렌메타크릴레이트(polyoxyethylene methacrylate, POEM)일 수 있다. Preferably, the second monomer may be polyoxyethylene methacrylate (POEM) represented by the following Chemical Formula 2 having a polyalkylene oxide repeating unit.

[화학식 2] [Formula 2]

Figure pat00006
Figure pat00006

(상기 화학식 2에서, R1 및 R2는 서로 동일하거나 상이하며, 각각 독립적으로 H, COOH 및 탄소수 1 내지 20의 알킬기 중에서 선택되고, m은 1 내지 50의 정수이다.)(In Formula 2, R 1 and R 2 are the same as or different from each other, and are each independently selected from H, COOH, and an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, and m is an integer of 1 to 50.)

바람직하게는 상기 화학식 2에서 R1 및 R2는 서로 동일하고, 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 20의 알킬기일 수 있다. 가장 바람직하게는 상기 R1 및 R2는 서로 동일하고, 각각 독립적으로 CH4, C2H5 또는 C3H7일 수 있다. 상기 폴리옥시에틸렌메타크릴레이트는 다른 제2 단량체에 비해 높은 기체 투과도를 구현할 수 있다. Preferably, in Formula 2, R 1 and R 2 may be the same as each other, and each independently an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms. Most preferably, R 1 and R 2 may be the same as each other, and each independently CH 4 , C 2 H 5 or C 3 H 7 . The polyoxyethylene methacrylate may implement high gas permeability compared to other second monomers.

상기 공중합체는 상기 제1 단량체 및 제2 단량체가 22~40: 60~78 중량비, 바람직하게는 25~35: 65~75 중량비, 보다 바람직하게는 28~32: 68~72 가장 바람직하게는 30:70 중량비로 중합될 수 있다. 특히 상기 제2 단량체의 함량이 60 중량비 미만이면 중합 시 기체 투과도가 저하될 수 있으며, 거시상분리(macro-phase)가 일어날 수 있다. 반대로 상기 제2 단량체의 함량이 78 중량비 초과이면 상대적으로 상기 제1 단량체의 함량이 감소하여 고분자막의 기계적 강성 및 기체 선택도가 저하될 수 있다. In the copolymer, the first monomer and the second monomer are 22-40: 60-78 weight ratio, preferably 25-35: 65-75 weight ratio, more preferably 28-32: 68-72 most preferably 30 It can be polymerized in a weight ratio of :70. In particular, when the content of the second monomer is less than 60 weight ratio, gas permeability may decrease during polymerization, and macro-phase may occur. Conversely, if the content of the second monomer is greater than 78 weight ratio, the content of the first monomer may be relatively decreased, thereby reducing the mechanical rigidity and gas selectivity of the polymer film.

상기 공중합체는 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물일 수 있다.The copolymer may be a compound represented by the following formula (3).

[화학식 3][Formula 3]

Figure pat00007
Figure pat00007

(상기 화학식 3에서, R1 및 R2는 서로 동일하거나 상이하며, 각각 독립적으로 H, COOH 및 탄소수 1 내지 20의 알킬기 중에서 선택되고, x 및 y는 각 반복단위의 중합 몰비로서 65~85: 15~35이고, n은 0 내지 30의 정수이고, m은 1 내지 50의 정수이다.)(In Formula 3, R 1 and R 2 are the same as or different from each other, and are each independently selected from H, COOH and an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, and x and y are 65 to 85 as a polymerization molar ratio of each repeating unit: 15 to 35, n is an integer from 0 to 30, and m is an integer from 1 to 50.)

바람직하게는 상기 화학식 3에서, R1 및 R2는 서로 동일하고, 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 8의 알킬기이고, x 및 y는 각 반복단위의 중합 몰비로서 71~82: 18~29이고, n은 0 내지 10의 정수이고, m은 3 내지 15의 정수일 수 있다.Preferably, in Formula 3, R 1 and R 2 are the same as each other, each independently an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, x and y are 71 to 82: 18 to 29 as a polymerization molar ratio of each repeating unit, and n may be an integer from 0 to 10, and m may be an integer from 3 to 15.

가장 바람직하게는 상기 공중합체는 하기 화학식 3a로 표시되는 화합물일 수 있다.Most preferably, the copolymer may be a compound represented by the following Chemical Formula 3a.

[화학식 3a] [Formula 3a]

Figure pat00008
Figure pat00008

(상기 화학식 3a에서, x 및 y는 각 반복단위의 중합 몰비로서 77~80: 20~23이다.)(In Formula 3a, x and y are 77-80: 20-23 as a polymerization molar ratio of each repeating unit.)

상기 공중합체는 중량평균분자량(Mw)이 5,000 내지 100,000 g/mol, 바람직하게는 25,000 내지 80,000 g/mol, 보다 바람직하게는 48,000 내지 53,000 g/mol, 가장 바람직하게는 50,000 g/mol일 수 있다. The copolymer may have a weight average molecular weight (Mw) of 5,000 to 100,000 g/mol, preferably 25,000 to 80,000 g/mol, more preferably 48,000 to 53,000 g/mol, and most preferably 50,000 g/mol. .

상기 공중합체는 하기 도 2에 나타낸 바와 같이 FT-IR 분석 결과, 1722 내지 1724cm-1의 파장범위 및 1098 내지 1100 cm-1의 파장범위에서 제1 유효 피크 및 제2 유효 피크를 보이고, 상기 (제1 유효 피크)/(제2 유효 피크)의 흡수(absorbance) 비율이 0.2 내지 0.3, 바람직하게는 0.22 내지 0.27, 가장 바람직하게는 0.24 내지 0.26일 수 있다.The copolymer to also show the first and second valid peak valid peak in FT-IR analysis results, the wavelength range of 1722 to 1724cm -1 and a wavelength range of 1098 to 1100 cm -1 of the as shown in Fig. 2, the ( The absorbance ratio of the first effective peak)/(the second effective peak) may be 0.2 to 0.3, preferably 0.22 to 0.27, and most preferably 0.24 to 0.26.

특히, 하기 실시예 또는 비교예 등에는 명시적으로 기재하지는 않았지만, 본 발명에 따른 공중합체와 대조군으로 상용 고분자들인 PEO(Polyethylene Oxide) 및 PEBAX(Polyether-block-amide)를 준비한 후 용매의 종류에 따른 용해도 평가를 실시하였다.In particular, although not explicitly described in the following Examples or Comparative Examples, after preparing the copolymer according to the present invention and commercial polymers PEO (Polyethylene Oxide) and PEBAX (Polyether-block-amide) as a control, the type of solvent Solubility evaluation was performed according to the following.

그 결과, 본 발명의 공중합체는 상온(25 ℃)에서 물, 에탄올, 에탄올/물(1:1 중량비) 혼합용매에 각각 완전히 용해되어 수용성이 매우 우수함을 확인하였다. As a result, it was confirmed that the copolymer of the present invention was completely dissolved in water, ethanol, and an ethanol/water (1:1 weight ratio) mixed solvent at room temperature (25° C.), respectively, and thus had very good water solubility.

반면에 상기 PEO(중량평균분자량이 1,000,000 g/mol임)의 경우 상온에서는 물, 에탄올, 에탄올/물 혼합용매에 각각 2 중량% 이하의 용해도를 보였고, 불안정한 상태를 나타내었다. 상기 PEO는 약 50 ℃의 온도에서 에탄올/물 혼합용매에 완전히 용해되는 것을 확인하였다. 또한 상기 PEBAX의 경우 약 70 ℃의 온도에서 물, 에탄올, 에탄올/물 혼합용매에 각각 용해되었으나, 20 중량% 이하의 용해도를 나타내었다.On the other hand, in the case of the PEO (with a weight average molecular weight of 1,000,000 g/mol), solubility in water, ethanol, and an ethanol/water mixed solvent of 2% by weight or less, respectively, was shown at room temperature, indicating an unstable state. It was confirmed that the PEO was completely dissolved in an ethanol/water mixed solvent at a temperature of about 50 °C. In addition, the PEBAX was dissolved in water, ethanol, and an ethanol/water mixed solvent at a temperature of about 70° C., but showed a solubility of 20 wt% or less.

이상과 같이, 상기 공중합체는 다양한 개질화 및 기계적 강성이 우수한 제1 단량체와 이산화탄소와 같은 기체에 대한 친화도가 우수한 제2 단량체가 그래프트된 공중합체로 서로의 물리적 특성을 상호 보완하여 점착성 및 유연성을 가지면서도 기계적 강성이 우수하고, 이산화탄소의 용해도를 증가시켜 기체 투과도 및 선택도의 분리성능을 균형적으로 향상시킬 수 있다. As described above, the copolymer is a copolymer grafted with a first monomer excellent in various modifications and mechanical rigidity and a second monomer excellent in affinity for a gas such as carbon dioxide. It has excellent mechanical rigidity, and can improve the separation performance of gas permeability and selectivity in a balanced way by increasing the solubility of carbon dioxide.

또한 일반적인 공중합체는 대부분 유기용매에 용해되고 물이나 알코올 계열에는 잘 용해되지 않는데, 상기 공중합체는 독성이 없는 수용성의 물 또는 휘발성의 알코올계 용매와 잘 용해되어 상업적 이용이 용이하고, 증발 속도가 빨라 상용 막으로의 적용이 적합한 이점이 있다. 이 밖에도 상기 공주합체는 다양한 개질화 특성을 갖는 제1 단량체를 포함하고 있어 금속이온과 결합한 복합체, 생체모방 또는 이온성 액체로의 개질 등 다양한 분야로의 응용이 가능하다.In addition, general copolymers are mostly soluble in organic solvents and not well soluble in water or alcohol, but the copolymer is well soluble in nontoxic water-soluble water or volatile alcohol-based solvents, so that it is easy for commercial use and has a low evaporation rate. It has the advantage of being fast and suitable for application to commercial membranes. In addition, since the co-polymer contains a first monomer having various modifying properties, it can be applied to various fields such as a complex combined with a metal ion, biomimetic or modification into an ionic liquid.

한편, 본 발명은 상기 공중합체를 포함하는 고분자막을 제공한다.On the other hand, the present invention provides a polymer membrane comprising the copolymer.

상기 고분자막은 이온성 전해질막용, 이온교환막용 또는 기체 분리막용일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The polymer membrane may be for an ionic electrolyte membrane, an ion exchange membrane, or a gas separation membrane, but is not limited thereto.

또한, 본 발명은 다공성 지지체; 및 상기 다공성 지지체의 일면 또는 양면에 코팅된 상기 고분자막;을 포함하는 기체 분리막을 제공한다.In addition, the present invention is a porous support; and the polymer membrane coated on one or both surfaces of the porous support.

상기 다공성 지지체는 폴리설폰, 폴리에스터설폰, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리옥시메틸렌, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리아크릴로니트릴, 셀룰로스아세테이트, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리아미드이미드, 폴리에테르이미드, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐알코올 및 폴리아릴레이트로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 바람직하게는 폴리설폰, 폴리에스터설폰 및 폴리메틸메타아크릴레이트로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있고, 가장 바람직하게는 폴리설폰(polysulfone)일 수 있다. 상기 폴리설폰은 다른 다공성 지지체에 비해 가격이 저렴하면서도 기체 투과도가 매우 우수한 이점이 있다.The porous support is polysulfone, polyester sulfone, polymethyl methacrylate, polyethylene, polypropylene, polyoxymethylene, polyether ether ketone, polyethylene terephthalate, polyacrylonitrile, cellulose acetate, polyamide, polyimide, poly It may be at least one selected from the group consisting of amideimide, polyetherimide, polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, and polyarylate. Preferably, it may be at least one selected from the group consisting of polysulfone, polyester sulfone and polymethyl methacrylate, and most preferably polysulfone. The polysulfone has an advantage in that it has a very good gas permeability while being inexpensive compared to other porous supports.

상기 다공성 지지체는 표면이 폴리(1-트리메틸실릴-1-프로핀)으로 코팅된 표면 코팅층을 더 포함할 수 있다. 상기 표면 코팅층은 기체 투과도가 우수한 고분자를 상기 다공성 지지체의 표면 상에 코팅한 것으로 상기 코팅 용액이 상기 다공성 지지체의 기공을 침투하여 결함 또는 빈 공간이 생기는 것을 방지할 수 있다.The porous support may further include a surface coating layer having a surface coated with poly(1-trimethylsilyl-1-propyne). The surface coating layer is coated with a polymer having excellent gas permeability on the surface of the porous support, and the coating solution penetrates the pores of the porous support to prevent defects or empty spaces.

상기 고분자막은 두께가 1~20 ㎛, 바람직하게는 3~15 ㎛이고, 보다 바람직하게는 4~12 ㎛이고, 가장 바람직하게는 5~10 ㎛일 수 있다. 이때, 상기 고분자막의 두께가 1 ㎛ 미만이면 고분자막의 기체 분리성능은 우수하나 기계적 강성이 저하될 수 있고, 반대로 20 ㎛ 초과이면 이를 기체 분리막의 총 두께가 너무 두꺼워져 기체 분리성능이 저하될 수 있다.The polymer film may have a thickness of 1 to 20 μm, preferably 3 to 15 μm, more preferably 4 to 12 μm, and most preferably 5 to 10 μm. At this time, if the thickness of the polymer membrane is less than 1 μm, the gas separation performance of the polymer membrane is excellent, but mechanical rigidity may be reduced. .

상기 기체는 이산화탄소, 질소 및 메탄 중에서 선택된 1종 이상일 수 있고, 바람직하게는 이산화탄소일 수 있다.The gas may be at least one selected from carbon dioxide, nitrogen, and methane, preferably carbon dioxide.

상기 기체 분리막은 이산화탄소(CO2) 투과도가 148 barrer 이상이고, 이산화탄소/질소(CO2/N2) 선택도가 43 이상이고, 이산화탄소/메탄(CO2/CH4) 선택도가 23 이상일 수 있다. 바람직하게는 이산화탄소(CO2) 투과도가 148 barrer 이상이고, 이산화탄소/질소(CO2/N2) 선택도가 65 이상이고, 이산화탄소/메탄(CO2/CH4) 선택도가 35 이상일 수 있다.The gas separation membrane may have a carbon dioxide (CO 2 ) permeability of 148 barrer or more, a carbon dioxide/nitrogen (CO 2 /N 2 ) selectivity of 43 or more, and a carbon dioxide/methane (CO 2 /CH 4 ) selectivity of 23 or more. . Preferably, the carbon dioxide (CO 2 ) transmittance is 148 barrer or more, the carbon dioxide/nitrogen (CO 2 /N 2 ) selectivity is 65 or more, and the carbon dioxide/methane (CO 2 /CH 4 ) selectivity is 35 or more.

상기 기체 분리막은 이산화탄소 친화적인 이미다졸링과 에틸렌글리콜을 모두 포함한 고분자막을 적용함으로써 이산화탄소의 용해도를 증가시켜 선택성을 높일 수 있다. 상기 고분자막은 제1 단량체 및 제2 단량체를 적정 비율로 혼합함으로 인해 서로 다른 화학적 특성에 의해 20~40 nm 크기의 미세상분리(micro-phase separation)를 유도할 수 있다. 상기 미세상분리는 이산화탄소와 같은 기체들이 투과 경로를 형성하여 더 빠르고 효율적으로 기체를 분리할 수 있다.The gas separation membrane can increase the solubility of carbon dioxide by applying a polymer membrane including both imidazoling and ethylene glycol, which is friendly to carbon dioxide, thereby increasing selectivity. The polymer membrane may induce micro-phase separation of a size of 20 to 40 nm due to different chemical properties by mixing the first monomer and the second monomer in an appropriate ratio. In the microphase separation, gases such as carbon dioxide form a permeation path to separate gases more quickly and efficiently.

또한, 본 발명은 이미다졸기를 가지는 제1 단량체 및 폴리알킬렌옥사이드 반복단위를 가지는 제2 단량체를 개시제의 존재 하에 중합시켜 공중합체를 제조하는 단계;를 포함하는 공중합체의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for preparing a copolymer comprising: preparing a copolymer by polymerizing a first monomer having an imidazole group and a second monomer having a polyalkylene oxide repeating unit in the presence of an initiator .

상기 공중합체를 제조하는 단계는 상기 제1 단량체 및 제2 단량체를 22~40: 60~78 중량비, 바람직하게는 25~35: 65~75 중량비, 보다 바람직하게는 28~32: 68~72 중량비, 가장 바람직하게는 30:70 중량비로 혼합할 수 있다.In the step of preparing the copolymer, the first monomer and the second monomer are 22-40: 60-78 weight ratio, preferably 25-35: 65-75 weight ratio, more preferably 28-32: 68-72 weight ratio , most preferably in a weight ratio of 30:70.

상기 개시제는 제1 단량체 및 제2 단량체의 혼합용액 100 중량부에 대하여 0.01 내지 1 중량부, 바람직하게는 0.03 내지 0.5 중량부, 가장 바람직하게는 0.05 중량부를 혼합할 수 있다. 이때, 상기 개시제의 함량이 0.01 중량부 미만이면 라디칼 중합이 제대로 일어나지 않을 수 있고, 반대로 1 중량부 초과이면 과도한 라디칼 중합에 의해 기체 분리성능 및 기계적 물성이 저하될 수 있다.The initiator may be mixed in an amount of 0.01 to 1 parts by weight, preferably 0.03 to 0.5 parts by weight, and most preferably 0.05 parts by weight based on 100 parts by weight of the mixed solution of the first monomer and the second monomer. In this case, if the content of the initiator is less than 0.01 part by weight, radical polymerization may not occur properly, and if it exceeds 1 part by weight, gas separation performance and mechanical properties may be deteriorated due to excessive radical polymerization.

상기 개시제는 아조비소부티로니트릴(azobisisobutyronitrile, AIBN), 암모늄 퍼설페이트(ammonium persulfate) 및 하이드로퍼옥사이드(hydroperoxide)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있고, 바람직하게는 아조비소부티로니트릴을 사용할 수 있다. The initiator may be at least one selected from the group consisting of azobisisobutyronitrile (AIBN), ammonium persulfate and hydroperoxide, and preferably azobisisobutyronitrile may be used. have.

상기 공중합체를 제조하는 단계는 50~100 ℃에서 10 내지 30 시간 동안 자유 라디칼 반응시키는 것일 수 있다. 바람직하게는 60~80 ℃에서 11 내지 26 시간, 보다 바람직하게는 60~75 ℃에서 12 내지 24 시간, 가장 바람직하게는 70 ℃에서 18시간 동안 반응시키는 것일 수 있다. 이때, 상기 중합온도가 50 ℃ 미만이거나, 중합시간이 10 시간 미만이면 자유 라디칼 중합반응이 제대로 일어나지 않을 수 있고, 반대로 중합온도가 100 ℃ 초과이거나, 중합시간이 30 시간 초과이면 중합반응이 과도하게 일어나 화학적 및 물리적 특성이 저하될 수 있다. The step of preparing the copolymer may be a free radical reaction at 50 to 100 °C for 10 to 30 hours. Preferably, the reaction may be carried out at 60 to 80 °C for 11 to 26 hours, more preferably at 60 to 75 °C for 12 to 24 hours, and most preferably at 70 °C for 18 hours. At this time, if the polymerization temperature is less than 50 ℃ or the polymerization time is less than 10 hours, the free radical polymerization reaction may not occur properly. chemical and physical properties may be degraded.

특히, 하기 실시예 또는 비교예 등에는 명시적으로 기재하지는 않았지만, 본 발명에 따른 공중합체의 제조방법에 있어서, 상기 제1 단량체 및 제2 단량체의 혼합비율, 상기 개시제의 함량 및 종류, 중합 단계에서의 온도 및 시간 조건을 달리하여 제조된 공중합체를 기체 분리막에 적용한 후 10~40 psig 압력 조건에서 100 시간 동안 이산화탄소(CO2) 투과도, 이산화탄소/질소(CO2/N2) 선택도 및 이산화탄소/메탄(CO2/CH4) 선택도를 평가하였다.In particular, although not explicitly described in the following Examples or Comparative Examples, in the method for preparing the copolymer according to the present invention, the mixing ratio of the first monomer and the second monomer, the content and type of the initiator, and the polymerization step carbon dioxide for 100 hours to a copolymer produced by varying the temperature and time conditions at from 10 ~ 40 psig pressure conditions, after applying to the gas separation membrane (CO 2) permeability, carbon dioxide / nitrogen (CO 2 / N 2) selectivity, and carbon dioxide /methane (CO 2 /CH 4 ) selectivity was evaluated.

그 결과, 다른 조건 및 다른 수치 범위에서와는 달리, 아래 조건을 모두 만족하였을 때 기존의 분리막과는 달리 모든 압력 범위에서 우수한 기체 분리성능(투과도 및 선택도)을 오랫동안 지속하는 것을 확인하였다. As a result, it was confirmed that the excellent gas separation performance (permeability and selectivity) was maintained for a long time in all pressure ranges, unlike the conventional membrane, when all of the following conditions were satisfied, unlike other conditions and other numerical ranges.

① 상기 공중합체를 제조하는 단계는 상기 제1 단량체 및 제2 단량체를 28~32: 68~72 중량비로 혼합하고, ② 상기 개시제는 제1 단량체 및 제2 단량체의 혼합용액 100 중량부에 대하여 0.03 내지 0.5 중량부로 혼합하고, ③ 상기 개시제는 아조비소부티로니트릴이고, ④ 상기 공중합체를 제조하는 단계는 60~75 ℃에서 12 내지 24 시간 동안 자유 라디칼 반응시키는 것일 수 있다.① In the step of preparing the copolymer, the first monomer and the second monomer are mixed in a weight ratio of 28 to 32: 68 to 72, and ② the initiator is 0.03 parts by weight based on 100 parts by weight of a mixed solution of the first monomer and the second monomer. to 0.5 parts by weight, ③ the initiator is azobisobutyronitrile, ④ preparing the copolymer may be a free radical reaction at 60 to 75 ° C. for 12 to 24 hours.

다만, 상기 4가지 조건 중 어느 하나라도 충족되지 않는 경우에는 압력이 증가할수록 기체 분리성능이 급격하게 저하되었으며, 기체 분리성능이 장시간 지속되지 못하였다.However, when any one of the above four conditions was not satisfied, the gas separation performance was abruptly deteriorated as the pressure increased, and the gas separation performance did not last for a long time.

또한, 본 발명은 이미다졸기를 가지는 제1 단량체 및 폴리알킬렌옥사이드 반복단위를 가지는 제2 단량체를 개시제의 존재 하에 중합시켜 공중합체를 제조하는 단계; 상기 공중합체를 용매에 용해시켜 코팅 용액을 제조하는 단계; 상기 코팅 용액을 다공성 지지체의 일면 또는 양면에 코팅하여 고분자막을 형성하는 단계; 및 상기 고분자막이 형성된 다공성 지지체를 건조시켜 기체 분리막을 제조하는 단계;를 포함하는 기체 분리막의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of preparing a copolymer by polymerizing a first monomer having an imidazole group and a second monomer having a polyalkylene oxide repeating unit in the presence of an initiator; dissolving the copolymer in a solvent to prepare a coating solution; forming a polymer film by coating the coating solution on one or both surfaces of the porous support; and drying the porous support on which the polymer membrane is formed to prepare a gas separation membrane.

상기 다공성 지지체는 표면이 폴리(1-트리메틸실릴-1-프로핀)으로 코팅된 표면 코팅층을 더 포함할 수 있다.The porous support may further include a surface coating layer having a surface coated with poly(1-trimethylsilyl-1-propyne).

상기 코팅 용액을 제조하는 단계에서 상기 코팅 용액 중 상기 공중합체의 함량은 10~30 중량%, 바람직하게는 13~25 중량%, 가장 바람직하게는 15~20 중량%일 수 있다.In the step of preparing the coating solution, the content of the copolymer in the coating solution may be 10 to 30% by weight, preferably 13 to 25% by weight, and most preferably 15 to 20% by weight.

상기 용매는 물, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 이소프로판올, 테트라하이드로퓨란, 에틸아세테이트, 클로로포름, 디메틸설폭사이드, 디메틸포름아미드 및 N-메틸-2-피롤리돈으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 바람직하게는 상기 용매는 물, 에탄올 또는 이들의 혼합물일 수 있고, 가장 바람직하게는 에탄올 및 물이 7:3 중량비로 혼합된 혼합용매일 수 있다.The solvent may be at least one selected from the group consisting of water, methanol, ethanol, propanol, butanol, isopropanol, tetrahydrofuran, ethyl acetate, chloroform, dimethyl sulfoxide, dimethylformamide and N-methyl-2-pyrrolidone. have. Preferably, the solvent may be water, ethanol, or a mixture thereof, and most preferably, a mixed solvent in which ethanol and water are mixed in a 7:3 weight ratio.

상기 고분자막을 형성하는 단계는 상온에서 10 내지 15 시간 동안 1차 건조한 후 진공 오븐에서 4 내지 8시간 동안 2차 건조할 수 있다. 바람직하게는 상온에서 11~13 시간 동안 1차 건조한 후 진공 오븐에서 5~7시간 동안 2차 건조할 수 있다.The forming of the polymer film may include primary drying at room temperature for 10 to 15 hours and then secondary drying in a vacuum oven for 4 to 8 hours. Preferably, after primary drying at room temperature for 11 to 13 hours, secondary drying may be performed in a vacuum oven for 5 to 7 hours.

이하 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 구체적으로 설명하겠는 바, 본 발명이 다음 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples, but the present invention is not limited by the following examples.

실시예 1~2 및 비교예 1~6: PVIm, PVIm-POEM 공중합체 및 PPOEM 고분자 합성Examples 1-2 and Comparative Examples 1-6: PVIm, PVIm-POEM copolymer and PPOEM polymer synthesis

[반응식 1][Scheme 1]

Figure pat00009
Figure pat00009

(상기 반응식 1에서 x는 78.7이고, y는 21.3이다.)(In Scheme 1, x is 78.7, and y is 21.3.)

100 ml의 에탄올에 하기 표 1과 같이 VIm(1-vinylimidazole)과 POEM(poly(oxyethylene methacrylate)을 각각 다른 중량비로 하여 총 10 g을 혼합하였다. 개시제는 5 ml의 DMF(Dimethylformamide)에 0.05 g의 AIBN (Azobisisobutyronitrile)를 용해시켰다. 그 다음 상기 혼합용액 100 중량부에 AIBN 개시제를 0.05 중량부를 혼합하였다. 그런 다음 상기 혼합액을 질소기체로 퍼징(purging)한 뒤, 70 ℃에서 18시간 자유 라디칼 중합(free-radical polymerization)하였다. 중합반응 후 반응물을 헥산/에틸아세테이트(hexane:ethyl acetate = 2:1 중량비)의 혼합용매에 침전시킨 후 교반하여 상기 혼합용매를 교체하면서 3회 반복 세척하였다. 그 다음 상기 세척된 반응물을 상온에서 48시간 동안 1차 건조 후 진공 오븐에서 24시간 동안 1차 건조하여 PVIm-POEM 공중합체를 합성하였다. In 100 ml of ethanol, a total of 10 g was mixed with VIm (1-vinylimidazole) and POEM (poly(oxyethylene methacrylate) in different weight ratios, respectively, as shown in Table 1. The initiator was 0.05 g of DMF (Dimethylformamide) in 5 ml. AIBN (Azobisisobutyronitrile) was dissolved. Then, 0.05 parts by weight of AIBN initiator was mixed with 100 parts by weight of the mixed solution. Then, the mixture was purged with nitrogen gas, and then free radical polymerization at 70 ° C. for 18 hours ( After the polymerization, the reactant was precipitated in a mixed solvent of hexane/ethyl acetate (hexane:ethyl acetate = 2:1 by weight), stirred and washed three times while replacing the mixed solvent. The washed reactant was first dried at room temperature for 48 hours and then dried in a vacuum oven for 24 hours to synthesize a PVIm-POEM copolymer.

Figure pat00010
Figure pat00010

실시예 3~4 및 비교예 7~12: 기체 분리막 제조Examples 3 to 4 and Comparative Examples 7 to 12: Preparation of gas separation membrane

사이클로헥산(cyclohexane) 용매에 1.5 중량%의 농도로 희석된 PTMSP (poly[1-(trimethylsilyl)-1-propyne]) 용액을 다공성의 폴리설폰 지지체의 표면에 바코팅 방법으로 코팅하여 표면 코팅층을 형성하였다. 그 다음 상기 실시예 1~2 및 비교예 7~12에서 제조된 PVIm, PVIm-POEM 공중합체 및 PPOEM 고분자를 각각 에탄올/물(7:3 중량비) 혼합용매에 녹여 질량 대비 15~20 중량%의 농도가 되도록 코팅 용액을 제조하였다. 그 다음 상기 코팅 용액을 PTMSP가 코팅된 다공성 폴리설폰 지지체에 바코팅 방법으로 코팅한 후 상온에서 12시간 동안 1차 건조한 뒤 진공 오븐에서 약 6시간 2차 건조하여 다공성의 폴리설폰 지지체 상에 5~10 ㎛의 두께를 갖는 고분자막이 형성된 기체 분리막을 제조하였다.A surface coating layer is formed by coating a PTMSP (poly[1-(trimethylsilyl)-1-propyne]) solution diluted in a cyclohexane solvent to a concentration of 1.5 wt% on the surface of a porous polysulfone support by a bar coating method. did. Then, the PVIm, PVIm-POEM copolymer and PPOEM polymer prepared in Examples 1 to 2 and Comparative Examples 7 to 12 were dissolved in an ethanol/water (7:3 weight ratio) mixed solvent, respectively, and 15 to 20% by weight relative to the mass. A coating solution was prepared so as to have a concentration. Then, the coating solution was coated on the PTMSP-coated porous polysulfone support by a bar coating method, dried first at room temperature for 12 hours, and then dried in a vacuum oven for about 6 hours, and then dried on the porous polysulfone support for 5~ A gas separation membrane in which a polymer membrane having a thickness of 10 μm was formed was prepared.

실험예 1: PVIm-POEM 공중합체의 형태, FT-IR 및 H-NMR 분석Experimental Example 1: Form of PVIm-POEM copolymer, FT-IR and H-NMR analysis

상기 실시예 1~2 및 비교예 1~6에서 합성된 PVIm, PVIm-POEM 공중합체 및 PPOEM 고분자에 대하여 FT-IR 및 H-NMR 분광학적 분석법(spectroscopic analysis)을 이용하여 구조를 분석하였다. 그 결과는 도 1~3 및 표 2에 나타내었다. The structures of PVIm, PVIm-POEM copolymer and PPOEM polymer synthesized in Examples 1 to 2 and Comparative Examples 1 to 6 were analyzed using FT-IR and H-NMR spectroscopic analysis. The results are shown in FIGS. 1 to 3 and Table 2.

도 1은 상기 실시예 1~2 및 비교예 1~6에서 합성된 PVIm, PVIm-POEM 공중합체 및 PPOEM 고분자의 합성 결과물을 보여주는 사진이다. 상기 도 1을 참조하면, PVIm의 비율이 높아질수록 좀더 딱딱하고 부서지는 고분자가 형성되었고, POEM의 비율이 높아질수록 말랑하고 찐득찐득한 고분자가 형성되었다. 또한 POEM만으로 이루어진 상기 비교예 6의 PPOEM은 액체와 비슷하여 흐르는 성질을 가지는 것을 확인하였다.1 is a photograph showing the synthesis results of PVIm, PVIm-POEM copolymer and PPOEM polymer synthesized in Examples 1 to 2 and Comparative Examples 1 to 6; Referring to FIG. 1 , as the ratio of PVIm increased, a harder and brittle polymer was formed, and as the ratio of POEM increased, a soft and sticky polymer was formed. In addition, it was confirmed that the PPOEM of Comparative Example 6 made of only POEM had flow properties similar to that of a liquid.

도 2는 VIm, POEM과 상기 실시예 2 및 비교예 2, 3에서 합성된 PVIm-POEM 공중합체의 FT-IR(a) 및 H-NMR(b, c, d) 분석 결과를 나타낸 그래프이다. 2 is a graph showing the FT-IR (a) and H-NMR (b, c, d) analysis results of VIm, POEM and the PVIm-POEM copolymer synthesized in Examples 2 and 3 and Comparative Examples 2 and 3.

도 3은 상기 실시예 1과 비교예 1, 4, 5에서 합성된 PVIm 및 PVIm-POEM 공중합체의 FT-IR 결과를 나타낸 그래프이다.3 is a graph showing FT-IR results of PVIm and PVIm-POEM copolymers synthesized in Example 1 and Comparative Examples 1, 4, and 5;

상기 도 2의 (a)과 도 3을 참조하면, PVIm-POEM 공중합체 합성 후 기존 VIm과 POEM의 파상수(wavenumber) 1646과 1637 cm-1 에서 관찰되는 C=C 밴드(band)가 공중합체로 중합됨에 따라 사라진 것을 확인하였다. 또한 PVIm의 양이 증가할수록 이미다졸링의 대표적인 결합인 C-N 결합에 해당하는 1226, 1106, 1078 cm-1의 파상수 영역에서 상대적인 세기가 증가하였다. 또한 POEM의 양이 증가함에 따라 1099 cm-1에서 나타나는 반복적인 C-O 결합의 상대적인 세기가 증가하는 것을 확인하였다. 또한 POEM의 대표적인 결합인 C=O 결합이 나타나는 1717 cm-1 의 스트레칭 밴드(stretching band)도 PVIm의 중량비가 늘어남에 따라 더 낮은 파상수 영역으로 이동하였는데, 이는 Hooke's 법칙에 의해 C=O 결합의 세기가 약해졌음을 의미한다. 즉, PVIm의 이미다졸 작용기가 POEM의 C=O 결합과 서로 상호작용하는 것을 확인하였다.Referring to FIG. 2(a) and FIG. 3, after the synthesis of the PVIm-POEM copolymer, the C=C band observed at the wavenumbers 1646 and 1637 cm −1 of the existing VIm and POEM of the copolymer is It was confirmed that it disappeared with polymerization. In addition, as the amount of PVIm increased, the relative intensity increased in the wavy regions of 1226, 1106, and 1078 cm -1 corresponding to CN bonds, which are typical bonds of imidazoling. In addition, as the amount of POEM increased, it was confirmed that the relative strength of the repeated CO bonds at 1099 cm -1 increased. In addition, the 1717 cm -1 stretching band in which the C=O bond, which is a representative bond of POEM, moved to a lower wavenumber region as the weight ratio of PVIm increased, which is the case of the C=O bond according to Hooke's law. It means that the age has weakened. That is, it was confirmed that the imidazole functional group of PVIm interacts with the C=O bond of POEM.

또한 상기 도 2의 (b), (c), (d)를 참조하면, PVIm-POEM73(b), PVIm-POEM55(c), PVIm-POEM37(d)의 proton에 관해 분석한 결과 PVIm의 대표적인 작용기인 이미다졸링(imidazole ring)의 프로톤(proton)이 세 고분자에서 모두 관찰되었고, POEM의 메틸기(-CH3)가 관찰되었다. In addition, referring to (b), (c), and (d) of FIG. 2, as a result of analyzing the protons of PVIm-POEM73(b), PVIm-POEM55(c), and PVIm-POEM37(d), representative of PVIm A proton of an imidazole ring, which is a functional group, was observed in all three polymers, and a methyl group (-CH 3 ) of POEM was observed.

Figure pat00011
Figure pat00011

상기 표 1은 상기 도 2의 대표적인 peak를 적분하여 넓이를 계산하고 이를 이용하여 실제 합성된 몰비 및 적분비를 계산하였다. POEM의 합성 비율이 늘어남에 따라 실제 PVIm-POEM의 POEM 비율이 증가하였고, 실제 합성에 사용한 중량비 보다는 POEM의 양이 조금 줄어들었다. 이는 POEM이 VIm에 비해 분자의 크기가 더 크기 때문에 합성 시 입체 장애(steric hindrance)로 인해 중합 비율이 더 낮은 것으로 기인한 것임을 알 수 있었다.In Table 1, the area was calculated by integrating the representative peak of FIG. 2, and the actually synthesized molar ratio and integral ratio were calculated using this. As the synthesis ratio of POEM increased, the POEM ratio of the actual PVIm-POEM increased, and the amount of POEM slightly decreased than the weight ratio used for the actual synthesis. It can be seen that this is due to the lower polymerization rate due to steric hindrance during synthesis because POEM has a larger molecular size than VIm.

실험예 2: PVIm-POEM 공중합체의 DSC, TGA 분석Experimental Example 2: DSC, TGA analysis of PVIm-POEM copolymer

상기 실시예 1~2 및 비교예 1~6에서 합성된 PVIm, PVIm-POEM 공중합체 및 PPOEM 고분자에 대하여 시차주사열량분석(Differential Scanning Calorimetry, DSC) 및 열중량분석(Thermogravimetric Analysis, TGA)을 실시하였다. 그 결과는 도 4, 5 및 표 3에 나타내었다. Differential Scanning Calorimetry (DSC) and Thermogravimetric Analysis (TGA) were performed on the PVIm, PVIm-POEM copolymer and PPOEM polymer synthesized in Examples 1 to 2 and Comparative Examples 1 to 6 did. The results are shown in Figures 4, 5 and Table 3.

도 4는 상기 실시예 1~2 및 비교예 1~6에서 합성된 PVIm, PVIm-POEM 공중합체 및 PPOEM 고분자에 대한 DSC 결과를 나타낸 그래프이다. 상기 도 4를 참조하면, 매우 고무같은(rubbery) 고분자인 상기 비교예 6의 PPOEM은 섭씨 -58.2 ℃에서 유리전이온도(Tg, glass transition temperature)가 관찰되었고, 이를 통해 상기 비교예 6의 PPOEM은 상온에서는 매우 끈적하고 유동성이 높은 것을 알 수 있었다. 4 is a graph showing DSC results for PVIm, PVIm-POEM copolymer and PPOEM polymer synthesized in Examples 1 to 2 and Comparative Examples 1 to 6; 4, in the PPOEM of Comparative Example 6, which is a very rubbery polymer, a glass transition temperature (T g , glass transition temperature) was observed at -58.2 ° C., through which the PPOEM of Comparative Example 6 It was found that silver was very sticky and had high fluidity at room temperature.

상기 비교예 1의 PVIm의 경우 상온에서 매우 유리같은(glassy) 고분자로써, 그 물리적 특성이 뛰어나기 때문에 Tg가 섭씨 173.1 ℃에서 관찰되었다. 상기 실시예 1~2 및 비교예 2~5의 경우 PVIm의 함량이 증가할수록 POEM에 해당하는 Tg도 높아지는 것을 확인하였다. 이는 단단한 PVIm이 POEM 단량체와 상호작용을 하였기 때문임을 알 수 있었다. 이를 통해 기체 분리막의 제조 시 고분자의 너무 큰 유동성은 오히려 막의 제조와 안정성에 해가 되므로 물리적인 안정성을 향상시키는 것이 중요함을 DSC 결과를 통해 확인하였다.In the case of PVIm of Comparative Example 1, it is a very glassy polymer at room temperature, and since its physical properties are excellent, T g was observed at 173.1 °C. In the case of Examples 1 to 2 and Comparative Examples 2 to 5, it was confirmed that as the content of PVIm increased, the T g corresponding to POEM also increased. It was found that this was because the hard PVIm interacted with the POEM monomer. Through this, it was confirmed through the DSC result that it is important to improve the physical stability because too much fluidity of the polymer during the manufacture of the gas separation membrane is rather detrimental to the manufacture and stability of the membrane.

도 5는 상기 실시예 1~2 및 비교예 1~6에서 합성된 PVIm, PVIm-POEM 공중합체 및 PPOEM 고분자에 대한 TGA 결과를 나타낸 그래프이다. 상기 도 5를 참조하면, TGA 분석을 통해 고분자의 온도에 따른 거동을 분석한 결과 약 100~200 ℃에서 분해되는 유기물은 고분자와 강하게 결합하고 있는 물이고, 상기 비교예 1의 PVIm은 섭씨 약 400 ℃, 상기 비교예 6의 PPOEM은 섭씨 약 230 ℃ 부근에서 분해되기 시작하는 것을 확인하였다. 이를 통해 이미다졸링기를 보유하고 있는 유리같은(glassy) 고분자인 상기 비교예 1의 PVIm은 매우 단단한 물리적 성질로 인해 열적 안정성이 뛰어난 반면, 에틸렌글리콜기로 대부분을 이루고 있는 상기 비교예 6의 PPOEM은 200 ℃에서 C-O-C 결합이 깨지면서 빠르게 분해되는 것을 알 수 있었다. 또한 상기 실시예 1~2의 경우 열적 안정성이 중간정도의 안정성을 나타내는 것을 확인하였다.5 is a graph showing TGA results for PVIm, PVIm-POEM copolymer and PPOEM polymer synthesized in Examples 1 to 2 and Comparative Examples 1 to 6; Referring to FIG. 5 , as a result of analyzing the temperature-dependent behavior of the polymer through TGA analysis, the organic material decomposed at about 100 to 200° C. is water strongly bound to the polymer, and the PVIm of Comparative Example 1 is about 400 degrees Celsius. ℃, it was confirmed that the PPOEM of Comparative Example 6 starts to decompose at about 230 °C. Through this, PVIm of Comparative Example 1, which is a glassy polymer having an imidazoling group, has excellent thermal stability due to its very hard physical properties, whereas PPOEM of Comparative Example 6, which consists mostly of ethylene glycol groups, is 200 It was found that the COC bond was broken at ℃ and rapidly decomposed. In addition, in the case of Examples 1 and 2, it was confirmed that the thermal stability exhibited intermediate stability.

Figure pat00012
Figure pat00012

상기 표 3은 상기 TGA 결과에 대하여 상대적인 분해를 수치로 확인한 결과로, 물이 모두 증발한 뒤 고분자와 400 ℃에서 남아있는 고분자(PVIm 단량체)의 질량 비율을 계산해 본 결과 PVIm의 비율이 중합 비율에 거의 비례하게 변화함을 확인할 수 있었다. 이를 통해 PVIm가 PPOEM에 비해 열적 안정성이 뛰어나며, 상기 실시예 1~2 및 비교에 2~5의 PVIm-POEM 공중합체에 대해 중합이 성공적으로 이루어졌음을 알 수 있었다.Table 3 is the result of confirming the relative decomposition numerically with respect to the TGA result. As a result of calculating the mass ratio of the polymer and the polymer (PVIm monomer) remaining at 400 ° C after all the water has evaporated, the ratio of PVIm is in the polymerization ratio. It can be seen that the change is almost proportional. Through this, it can be seen that PVIm has superior thermal stability compared to PPOEM, and polymerization was successfully performed for the PVIm-POEM copolymers of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 2-5.

실험예 3: 기체 분리막의 SAXS 및 XRD 분석Experimental Example 3: SAXS and XRD analysis of gas separation membrane

상기 실시예 4(PVIm-POEM37) 및 비교예 8(PVIm-POEM73), 9(PVIm-POEM55), 12(PPOEM)에서 제조된 기체 분리막에 대하여 기체 분리막의 매우 중요한 요소인 분자 사슬간의 거리 또는 단량체간의 거리를 분석하기 위해 X선 소각산란(small-angle x-ray scattering, SAXS) 및 X선 회절(X-ray diffraction, XRD) 분석을 실시하였다. 상기 SAXS 분석은 고분자 도메인 사이의 거리를 확인할 수 있고, XRD는 고분자 체인 간의 거리를 분석할 수 있다. 그 결과는 도 6에 나타내었다.With respect to the gas separation membranes prepared in Example 4 (PVIm-POEM37) and Comparative Examples 8 (PVIm-POEM73), 9 (PVIm-POEM55), and 12 (PPOEM), the distance between molecular chains or monomer, which is a very important element of the gas separation membrane In order to analyze the distance between them, small-angle x-ray scattering (SAXS) and X-ray diffraction (XRD) analysis were performed. The SAXS analysis may determine the distance between the polymer domains, and the XRD may analyze the distance between the polymer chains. The results are shown in FIG. 6 .

도 6은 상기 실시예 4(PVIm-POEM37) 및 비교예 8(PVIm-POEM73), 9(PVIm-POEM55), 12(PPOEM)에서 제조된 기체 분리막에 대한 SAXS 분석(a) 및 XRD 분석(b) 결과를 나타낸 그래프이다. 상기 도 6의 (a)를 참조하면, 상기 비교예 12(PPOEM 고분자)의 경우 POEM 단일 단량체로만 구성되어 있어 어떠한 피크도 나타나지 않았다. 반면에 상기 실시예 4 및 비교예 8, 9의 경우 VIm과 POEM의 상분리가 일어나 피크가 관찰되었고, POEM의 함량이 증가함에 따라 q의 값이 증가하였다. 브래그 식(Bragg equation)(q = 2π/d)에 의하면, 단량체 사이의 간격(d-spacing) 값은 점점 감소하였는데, 이는 상대적으로 줄어드는 PVIm의 양에 따라 POEM 단량체 간의 거리가 줄어들었기 때문임을 알 수 있었다. 6 is a SAXS analysis (a) and XRD analysis (b) of the gas separation membranes prepared in Example 4 (PVIm-POEM37) and Comparative Examples 8 (PVIm-POEM73), 9 (PVIm-POEM55), and 12 (PPOEM). ) is a graph showing the results. Referring to (a) of FIG. 6 , in the case of Comparative Example 12 (PPOEM polymer), no peak was observed because it was composed of only a single POEM monomer. On the other hand, in the case of Example 4 and Comparative Examples 8 and 9, a peak was observed due to phase separation between VIm and POEM, and the value of q increased as the content of POEM increased. According to the Bragg equation (q = 2π/d), the d-spacing value between monomers gradually decreased, indicating that the distance between the POEM monomers decreased according to the relatively decreased amount of PVIm. could

또한 상기 도 6의 (b)를 참조하면, POEM의 양이 증가할수록 간격(d-spacing) 값이 증가하였는데, 이는 다음의 식(nλ = 2d sinθ)에 의해 POEM 체인 사이에 PVIm의 이미다졸링이 상호작용을 통하여 간격을 좁혔기 때문임을 알 수 있었다.In addition, referring to FIG. 6(b), as the amount of POEM increased, the d-spacing value increased, which is the imidazolyling of PVIm between the POEM chains by the following equation (nλ = 2d sinθ). Through this interaction, it was found that the gap was narrowed.

실험예 4: 기체 분리막의 TEM 및 FE-SEM 분석Experimental Example 4: TEM and FE-SEM analysis of gas separation membrane

상기 실시예 4(PVIm-POEM37) 및 비교예 8(PVIm-POEM73), 9(PVIm-POEM55)에서 제조된 기체 분리막에 대하여 TEM을 이용하여 고분자막의 상과 거동을 시각적으로 확인하였다. 또한 상기 실시예 3~4 및 비교예 7~12에서 제조된 기체 분리막을 액체 질소에서 단면으로 잘라 FE-SEM을 이용하여 형태를 확인하였다. 그 결과는 도 7~9에 나타내었다.For the gas separation membranes prepared in Example 4 (PVIm-POEM37) and Comparative Examples 8 (PVIm-POEM73) and 9 (PVIm-POEM55), the phase and behavior of the polymer membrane were visually confirmed using TEM. In addition, the gas separation membranes prepared in Examples 3 to 4 and Comparative Examples 7 to 12 were cut in cross section in liquid nitrogen to confirm the shape using FE-SEM. The results are shown in FIGS. 7 to 9 .

도 7은 상기 실시예 4(PVIm-POEM37)(e, f) 및 비교예 8(PVIm-POEM73)(a, b), 9(PVIm-POEM55)(c, d)에서 제조된 기체 분리막에 대한 TEM 사진이다. 상기 도 7을 참조하면, 상기 비교예 8(PVIm-POEM73)(a, b) 및 비교예 9(PVIm-POEM55)(c, d)의 경우 약 300~350 nm 정도의 거시상분리(macrophase separation)가 대다수를 이루고 있었다. 이런 거대한 상의 분리는 주로 고분자의 혼화성(miscibility)이 좋지 않거나 상호작용이 약하기 때문에 일어나는 결과이다. 7 shows the gas separation membranes prepared in Example 4 (PVIm-POEM37) (e, f) and Comparative Examples 8 (PVIm-POEM73) (a, b), 9 (PVIm-POEM55) (c, d). This is a TEM picture. Referring to FIG. 7, in the case of Comparative Example 8 (PVIm-POEM73) (a, b) and Comparative Example 9 (PVIm-POEM55) (c, d), a macrophase separation of about 300 to 350 nm was the majority. This large phase separation is mainly the result of poor polymer miscibility or weak interaction.

반면에 상기 실시예 4(PVIm-POEM37)(e, f)의 경우 거시상분리가 거의 관찰되지 않았으며 오히려 정렬된 약 20~40 nm 정도의 미세상분리(microphase separation)가 주를 이루고 있음을 확인하였다. 이러한 거동은 상기 SAXS의 결과와 매우 흡사하며, CO2 투과에도 미세상분리를 통해 더 좋은 경로(pathway)를 형성하고 있음을 알 수 있었다. On the other hand, in the case of Example 4 (PVIm-POEM37) (e, f), it was confirmed that macrophase separation was hardly observed, and rather aligned microphase separation of about 20 to 40 nm was predominant. . This behavior is very similar to the result of SAXS, and it was found that a better pathway was formed through microphase separation even in CO 2 permeation.

도 8은 상기 실시예 4(PVIm-POEM37) 및 비교예 8(PVIm-POEM73)에서 제조된 기체 분리막에 대한 상분리를 비교하여 나타낸 것이다. 상기 도 8을 참조하면, 상기 비교예 8(PVIm-POEM73)의 경우 PVIm 및 POEM 간의 고분자 혼화성 및 상호작용이 좋지 않아 거시상분리가 일어나면서 기체 투과가 용이하지 않고, 결함 사이트(defective site)가 존재하는 것을 보여준다. 반면에, 상기 실시예 4(PVIm-POEM37)는 PVIm 및 POEM 간의 고분자 혼화성이 우수하여 미세상분리가 일어나면서 기체 투과가 용이한 통로(pathway)를 제공하는 것을 보여준다. FIG. 8 shows a comparison of phase separation of the gas separation membranes prepared in Example 4 (PVIm-POEM37) and Comparative Example 8 (PVIm-POEM73). Referring to FIG. 8, in the case of Comparative Example 8 (PVIm-POEM73), the polymer miscibility and interaction between PVIm and POEM is not good, so macrophase separation occurs, gas permeation is not easy, and a defective site is show what exists On the other hand, Example 4 (PVIm-POEM37) shows that excellent polymer miscibility between PVIm and POEM provides a pathway for easy gas permeation while microphase separation occurs.

도 9는 상기 실시예 3~4 및 비교예 7~12에서 제조된 기체 분리막의 단면에 대한 FE-SEM 사진이다. 상기 도 9를 참조하면, 각 기체 분리막은 2~10 ㎛ 내외의 PVIm, PVIm-POEM 공중합체, PPOEM 고분자의 고분자막이 코팅되어 있으며 육안으로는 균열이나 흠은 발견되지 않았다. FE-SEM 사진의 하단부는 고투과성의 물리적 강도가 좋은 다공성의 폴리설폰 지지체를 나타내었다. 9 is a FE-SEM photograph of a cross section of the gas separation membranes prepared in Examples 3 to 4 and Comparative Examples 7 to 12. Referring to FIG. 9 , each gas separation membrane is coated with a polymer membrane of PVIm, PVIm-POEM copolymer, and PPOEM polymer having a diameter of 2 to 10 μm, and no cracks or flaws were observed with the naked eye. The lower part of the FE-SEM photo showed a porous polysulfone support with high permeability and good physical strength.

실험예 5: 기체 분리막의 기체 투과도 및 선택도 분석Experimental Example 5: Gas Permeability and Selectivity Analysis of Gas Separation Membrane

상기 실시예 3~4 및 비교예 7~12에서 제조된 기체 분리막에 대하여 기체투과 장치 및 flow meter를 이용하여 기체 투과도 및 선택도의 분리성능을 확인하였다. 그 결과는 표 4 및 도 10~11에 나타내었다.For the gas separation membranes prepared in Examples 3 to 4 and Comparative Examples 7 to 12, the separation performance of gas permeability and selectivity was checked using a gas permeation device and a flow meter. The results are shown in Table 4 and FIGS. 10 to 11 .

도 10은 상기 실시예 3~4 및 비교예 7~12에서 제조된 기체 분리막에 대한 이산화탄소(CO2)의 투과도, 이산화탄소/질소(CO2/N2) 및 이산화탄소/메탄(CO2/CH4)에 대한 선택도 결과를 나타낸 그래프이다. 10 is a graph showing the permeability of carbon dioxide (CO 2 ), carbon dioxide/nitrogen (CO 2 /N 2 ) and carbon dioxide/methane (CO 2 /CH 4 ) for the gas separation membranes prepared in Examples 3 to 4 and Comparative Examples 7 to 12; ) is a graph showing the selectivity results for

Figure pat00013
Figure pat00013

상기 도 10 및 표 4의 결과에 의하면, 상기 비교예 7의 경우 이산화탄소, 질소 및 메탄에 대한 투과도가 가장 높았으나, 선택도는 상대적으로 가장 낮은 성능을 나타내었다. 또한 상기 실시예 3~4 및 비교예 8~12의 경우 POEM의 함량이 증가할수록 기체 투과도 및 선택도가 개선되는 것을 확인하였다. POEM의 함량이 증가함에 따라 기체 투과도는 물리적 성질이 다른 PVIm과 POEM의 상호 보완이 잘 이루어지면서 향상된 것이고, 기체 선택도는 이산화탄소 친화성을 가지는 POEM의 증가로 향상된 것임을 알 수 있었다. According to the results of FIG. 10 and Table 4, Comparative Example 7 showed the highest permeability to carbon dioxide, nitrogen and methane, but exhibited relatively low selectivity. In addition, in the case of Examples 3 to 4 and Comparative Examples 8 to 12, it was confirmed that the gas permeability and selectivity were improved as the content of POEM increased. It was found that as the content of POEM increased, the gas permeability improved as PVIm and POEM, which have different physical properties, complement each other well, and the gas selectivity was improved with the increase of POEM with carbon dioxide affinity.

특히 상기 실시예 3 및 4의 경우 비교예 7~12에 비해 기체 투과도 및 선택도가 고르게 우수한 것을 확인하였다. 이 중에서 상기 실시예 4(PVIm-POEM37)의 경우 CO2 투과도 (permeability)가 약 148.6 barrer, CO2/N2 선택도 65.3, CO2/CH4 선택도 35.0로 가장 높은 기체 투과도 및 선택도 성능을 나타내었다. In particular, in the case of Examples 3 and 4, it was confirmed that the gas permeability and selectivity were uniformly superior to those of Comparative Examples 7 to 12. Among them, in the case of Example 4 (PVIm-POEM37), CO 2 permeability was about 148.6 barrer, CO 2 /N 2 selectivity 65.3, CO 2 /CH 4 selectivity 35.0, the highest gas permeability and selectivity performance was shown.

도 11은 상기 실시예 4(PVIm-POEM37) 및 비교예 8(PVIm-POEM73), 비교예 9(PVIm-POEM55)에서 제조된 기체 분리막에 대하여 다른 고분자들로 이루어진 평막과 기체 투과도 및 선택도의 분리성능을 비교한 그래프이다. 상기 도 11을 참조하면, 상기 실시예 4(PVIm-POEM37)의 경우 비교예 8, 9 및 다른 평막들과 비교하여 Robeson upper bound (2008)에 거의 근접하는 성능을 나타내어 기체 투과도와 선택도의 분리 성능이 매우 우수한 것을 알 수 있었다.11 is a flat membrane made of different polymers and gas permeability and selectivity for the gas separation membranes prepared in Example 4 (PVIm-POEM37), Comparative Example 8 (PVIm-POEM73), and Comparative Example 9 (PVIm-POEM55). This is a graph comparing the separation performance. Referring to FIG. 11, in the case of Example 4 (PVIm-POEM37), compared to Comparative Examples 8 and 9 and other flat membranes, the performance nearly approached Robeson upper bound (2008), thereby separating gas permeability and selectivity It was found that the performance was very good.

Claims (22)

이미다졸기를 가지는 제1 단량체에 폴리알킬렌옥사이드 반복단위를 가지는 제2 단량체가 그래프트된 공중합체.
A copolymer in which a second monomer having a polyalkylene oxide repeating unit is grafted onto a first monomer having an imidazole group.
제1항에 있어서,
상기 제1 단량체는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물인 것인 공중합체.
[화학식 1]
Figure pat00014

(상기 화학식 1에서, n은 0 내지 30의 정수이다.)
According to claim 1,
The first monomer is a copolymer of a compound represented by the following formula (1).
[Formula 1]
Figure pat00014

(In Formula 1, n is an integer of 0 to 30.)
제1항에 있어서,
상기 제2 단량체는 하기 화학식 2로 표시되는 폴리옥시에틸렌메타크릴레이트인 것인 공중합체.
[화학식 2]
Figure pat00015

(상기 화학식 2에서,
R1 및 R2는 서로 동일하거나 상이하며, 각각 독립적으로 H, COOH 및 탄소수 1 내지 20의 알킬기 중에서 선택되고,
m은 1 내지 50의 정수이다.)
According to claim 1,
The second monomer is a copolymer of polyoxyethylene methacrylate represented by the following formula (2).
[Formula 2]
Figure pat00015

(In Formula 2,
R 1 and R 2 are the same as or different from each other, and are each independently selected from H, COOH and an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms;
m is an integer from 1 to 50.)
제1항에 있어서,
상기 공중합체는 상기 제1 단량체 및 제2 단량체가 22~40: 60~78 중량비로 중합된 것인 공중합체.
According to claim 1,
The copolymer is a copolymer in which the first monomer and the second monomer are polymerized in a weight ratio of 22 to 40: 60 to 78.
제1항에 있어서,
상기 공중합체는 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물인 것인 공중합체.
[화학식 3]
Figure pat00016

(상기 화학식 3에서,
R1 및 R2는 서로 동일하거나 상이하며, 각각 독립적으로 H, COOH 및 탄소수 1 내지 20의 알킬기 중에서 선택되고,
x 및 y는 각 반복단위의 중합 몰비로서 65~85: 15~35이고,
n은 0 내지 30의 정수이고,
m은 1 내지 50의 정수이다.)
According to claim 1,
The copolymer is a copolymer that is a compound represented by the following formula (3).
[Formula 3]
Figure pat00016

(In Formula 3,
R 1 and R 2 are the same as or different from each other, and are each independently selected from H, COOH and an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms;
x and y are 65-85: 15-35 as a polymerization molar ratio of each repeating unit,
n is an integer from 0 to 30,
m is an integer from 1 to 50.)
제1항에 있어서,
상기 화학식 3에서,
R1 및 R2는 서로 동일하고, 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 8의 알킬기이고,
x 및 y는 각 반복단위의 중합 몰비로서 71~82: 18~29이고,
n은 0 내지 10의 정수이고,
m은 3 내지 15의 정수인 것인 공중합체.
According to claim 1,
In Formula 3,
R 1 and R 2 are the same as each other and are each independently an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms,
x and y are 71 to 82: 18 to 29 as a polymerization molar ratio of each repeating unit,
n is an integer from 0 to 10,
m is an integer from 3 to 15, the copolymer.
제1항에 있어서,
상기 공중합체는 하기 화학식 3a로 표시되는 화합물인 것인 공중합체.
[화학식 3a]
Figure pat00017

(상기 화학식 3a에서,
x 및 y는 각 반복단위의 중합 몰비로서 77~80: 20~23이다.)
According to claim 1,
The copolymer is a copolymer that is a compound represented by the following formula (3a).
[Formula 3a]
Figure pat00017

(In Formula 3a,
x and y are 77-80: 20-23 as a polymerization molar ratio of each repeating unit.)
제1항의 공중합체를 포함하는 고분자막.
A polymer film comprising the copolymer of claim 1.
제8항에 있어서,
상기 고분자막은 이온성 전해질막용, 이온교환막용 또는 기체 분리막용인 것인 고분자막.
9. The method of claim 8,
The polymer membrane is a polymer membrane for an ionic electrolyte membrane, for an ion exchange membrane, or for a gas separation membrane.
다공성 지지체; 및
상기 다공성 지지체의 일면 또는 양면에 코팅된 제8항에 따른 고분자막;을 포함하는 기체 분리막.
porous support; and
A gas separation membrane comprising a; the polymer membrane according to claim 8 coated on one or both sides of the porous support.
제10항에 있어서,
상기 다공성 지지체는 폴리설폰, 폴리에스터설폰, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리옥시메틸렌, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리아크릴로니트릴, 셀룰로스아세테이트, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리아미드이미드, 폴리에테르이미드, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐알코올 및 폴리아릴레이트로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인 기체 분리막.
11. The method of claim 10,
The porous support is polysulfone, polyester sulfone, polymethyl methacrylate, polyethylene, polypropylene, polyoxymethylene, polyether ether ketone, polyethylene terephthalate, polyacrylonitrile, cellulose acetate, polyamide, polyimide, poly A gas separation membrane that is at least one selected from the group consisting of amideimide, polyetherimide, polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, and polyarylate.
제10항에 있어서,
상기 다공성 지지체는 표면이 폴리(1-트리메틸실릴-1-프로핀)으로 코팅된 표면 코팅층을 더 포함하는 것인 기체 분리막.
11. The method of claim 10,
The porous support is a gas separation membrane that further comprises a surface coating layer having a surface coated with poly (1-trimethylsilyl-1-propyne).
제10항에 있어서,
상기 고분자막은 두께가 1~20 ㎛인 것인 기체 분리막.
11. The method of claim 10,
The polymer membrane is a gas separation membrane having a thickness of 1 to 20 μm.
제10항에 있어서,
상기 기체는 이산화탄소, 질소 및 메탄 중에서 선택된 1종 이상인 것인 기체 분리막.
11. The method of claim 10,
The gas is a gas separation membrane that is at least one selected from carbon dioxide, nitrogen and methane.
제10항에 있어서,
상기 기체 분리막은 20~40 nm 크기의 미세상분리가 일어나 기체 투과 통로를 형성하는 것인 기체 분리막.
11. The method of claim 10,
The gas separation membrane is a gas separation membrane that forms a gas permeation passage through microphase separation of a size of 20 to 40 nm.
제10항에 있어서,
상기 기체 분리막은 이산화탄소(CO2) 투과도가 148 barrer 이상이고, 이산화탄소/질소(CO2/N2) 선택도가 43 이상이고, 이산화탄소/메탄(CO2/CH4) 선택도가 23 이상인 것인 기체 분리막.
11. The method of claim 10,
The gas separation membrane has a carbon dioxide (CO 2 ) permeability of 148 barrer or more, a carbon dioxide/nitrogen (CO 2 /N 2 ) selectivity of 43 or more, and a carbon dioxide/methane (CO 2 /CH 4 ) selectivity of 23 or more. gas separation membrane.
이미다졸기를 가지는 제1 단량체 및 폴리알킬렌옥사이드 반복단위를 가지는 제2 단량체를 개시제의 존재 하에 중합시켜 공중합체를 제조하는 단계;를 포함하는 공중합체의 제조방법.
Preparing a copolymer by polymerizing a first monomer having an imidazole group and a second monomer having a polyalkylene oxide repeating unit in the presence of an initiator; Method for producing a copolymer comprising a.
제17항에 있어서,
상기 공중합체를 제조하는 단계는 상기 제1 단량체 및 제2 단량체를 22~40: 60~78 중량비로 중합하는 것인 공중합체의 제조방법.
18. The method of claim 17,
The step of preparing the copolymer is a method for producing a copolymer by polymerizing the first monomer and the second monomer in a weight ratio of 22 to 40: 60 to 78.
제17항에 있어서,
상기 공중합체를 제조하는 단계는 50~100 ℃에서 10 내지 30 시간 동안 자유 라디칼 반응시키는 것인 공중합체의 제조방법.
18. The method of claim 17,
The step of preparing the copolymer is a method for producing a copolymer that is a free radical reaction for 10 to 30 hours at 50 ~ 100 ℃.
이미다졸기를 가지는 제1 단량체 및 폴리알킬렌옥사이드 반복단위를 가지는 제2 단량체를 개시제의 존재 하에 중합시켜 공중합체를 제조하는 단계;
상기 공중합체를 용매에 용해시켜 코팅 용액을 제조하는 단계;
상기 코팅 용액을 다공성 지지체의 일면 또는 양면에 코팅하여 고분자막을 형성하는 단계; 및
상기 고분자막이 형성된 다공성 지지체를 건조시켜 기체 분리막을 제조하는 단계;
를 포함하는 기체 분리막의 제조방법.
preparing a copolymer by polymerizing a first monomer having an imidazole group and a second monomer having a polyalkylene oxide repeating unit in the presence of an initiator;
dissolving the copolymer in a solvent to prepare a coating solution;
forming a polymer film by coating the coating solution on one or both surfaces of the porous support; and
manufacturing a gas separation membrane by drying the porous support on which the polymer membrane is formed;
A method of manufacturing a gas separation membrane comprising a.
제20항에 있어서,
상기 코팅 용액을 제조하는 단계에서 상기 코팅 용액 전체함량 중 상기 공중합체는 10~30 중량%를 포함하는 것인 기체 분리막의 제조방법.
21. The method of claim 20,
In the step of preparing the coating solution, the copolymer of the total content of the coating solution is 10 to 30% by weight of the method for producing a gas separation membrane.
제20항에 있어서,
상기 용매는 물, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 이소프로판올, 테트라하이드로퓨란, 에틸아세테이트, 클로로포름, 디메틸설폭사이드, 디메틸포름아미드 및 N-메틸-2-피롤리돈으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인 기체 분리막의 제조방법.


21. The method of claim 20,
The solvent is at least one selected from the group consisting of water, methanol, ethanol, propanol, butanol, isopropanol, tetrahydrofuran, ethyl acetate, chloroform, dimethyl sulfoxide, dimethylformamide and N-methyl-2-pyrrolidone A method for manufacturing a phosphorus gas separation membrane.


KR1020200050952A 2020-04-27 2020-04-27 Copolymer, polymer membrane comprising the same, gas separation membrane comprising the polymer membrane, manufacturing method of the copolymer, and manufacturing method of the gas separation membrane KR102339250B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200050952A KR102339250B1 (en) 2020-04-27 2020-04-27 Copolymer, polymer membrane comprising the same, gas separation membrane comprising the polymer membrane, manufacturing method of the copolymer, and manufacturing method of the gas separation membrane

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200050952A KR102339250B1 (en) 2020-04-27 2020-04-27 Copolymer, polymer membrane comprising the same, gas separation membrane comprising the polymer membrane, manufacturing method of the copolymer, and manufacturing method of the gas separation membrane

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210132492A true KR20210132492A (en) 2021-11-04
KR102339250B1 KR102339250B1 (en) 2021-12-14

Family

ID=78521849

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200050952A KR102339250B1 (en) 2020-04-27 2020-04-27 Copolymer, polymer membrane comprising the same, gas separation membrane comprising the polymer membrane, manufacturing method of the copolymer, and manufacturing method of the gas separation membrane

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102339250B1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102593274B1 (en) * 2023-05-25 2023-10-24 주식회사 넥스트이앤엠 Apparatus for manufacturing a multi-layered ion exchange membrane having rectifying properties
KR102593282B1 (en) * 2023-05-25 2023-10-24 주식회사 넥스트이앤엠 Method for manufacturing a multi-layered ion exchange membrane having rectifying properties and multi-layered ion exchange membrane manufactured thereby

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101063697B1 (en) 2011-05-25 2011-09-07 한국가스공사연구개발원 Membrane for carbon dioxide/hydrogen separation in dme preparation process
KR20160066424A (en) * 2014-12-02 2016-06-10 인천대학교 산학협력단 Imidazolium-peo-based ionene polymer membrane for selective carbon-dioxide separation and manufacturing method thereof
KR20180136997A (en) * 2016-04-22 2018-12-26 하이드로-퀘벡 Copolymer binder
KR102032947B1 (en) * 2018-05-25 2019-11-08 연세대학교 산학협력단 A copolymer and a gas separation membrane using the same

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101063697B1 (en) 2011-05-25 2011-09-07 한국가스공사연구개발원 Membrane for carbon dioxide/hydrogen separation in dme preparation process
KR20160066424A (en) * 2014-12-02 2016-06-10 인천대학교 산학협력단 Imidazolium-peo-based ionene polymer membrane for selective carbon-dioxide separation and manufacturing method thereof
KR20180136997A (en) * 2016-04-22 2018-12-26 하이드로-퀘벡 Copolymer binder
KR102032947B1 (en) * 2018-05-25 2019-11-08 연세대학교 산학협력단 A copolymer and a gas separation membrane using the same

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
J.Mater.Chem.C.2017* *
Theories and Applications od Chem. Eng. 20191 Vol. 25. No.2* *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102593274B1 (en) * 2023-05-25 2023-10-24 주식회사 넥스트이앤엠 Apparatus for manufacturing a multi-layered ion exchange membrane having rectifying properties
KR102593282B1 (en) * 2023-05-25 2023-10-24 주식회사 넥스트이앤엠 Method for manufacturing a multi-layered ion exchange membrane having rectifying properties and multi-layered ion exchange membrane manufactured thereby

Also Published As

Publication number Publication date
KR102339250B1 (en) 2021-12-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102339250B1 (en) Copolymer, polymer membrane comprising the same, gas separation membrane comprising the polymer membrane, manufacturing method of the copolymer, and manufacturing method of the gas separation membrane
Park et al. A highly selective PEGBEM-g-POEM comb copolymer membrane for CO2/N2 separation
JP4222536B2 (en) Highly branched block copolymer
US4567245A (en) Substituted polyacetylene copolymer
Du et al. The surface tunability and dye separation property of PVDF porous membranes modified by P (MMA-b-MEBIm-Br): effect of poly (ionic liquid) brush lengths
EP3820597A1 (en) Method of producing a polymeric membrane
KR101711431B1 (en) Copolymer for solubilizing polar solvents and gas separation membrane comprising the same, and preparation method thereof
Koh et al. Nanofiltration membranes based on poly (vinylidene fluoride‐co‐chlorotrifluoroethylene)‐graft‐poly (styrene sulfonic acid)
KR102328470B1 (en) Copolymers and trimers based on chlorotrifluoroethylene and vinyl chloride and their uses
US20090217819A1 (en) Gas separation membranes comprising permeability enhancing additives
KR20220072809A (en) A polymer membrane comprising an amphiphilic branched copolymer, a gas separation membrane comprising the polymer membrane, and a method for manufacturing the polymer membrane
KR102062866B1 (en) Gas separation membrane using self-crosslinking composition and method for manufacturing thereof
EP3621997B1 (en) Copolymers and terpolymers based on chlorotrifluoroethylene and vinyl chloride and uses thereof
KR20230027901A (en) A mixed matrix membrane for gas separation, a gas separation membrane comprising the same, and a method for manufacturing the mixed matrix membrane
KR20230027900A (en) An amphiphilic branched copolymer, polymer membrane comprising the same, gas separation membrane comprising the polymer membrane, manufacturing method of the amphiphilic branched copolymer, and manufacturing method of the gas separation membrane
JP2017047411A (en) Hollow porous film
KR102164259B1 (en) Copolymer, a process for producing the same, a gas separation membrane comprising the copolymer, and a composite membrane comprising the gas separation membrane
Mahdavi et al. Nanofiltration membranes based on blend of polysulfone-g-poly (tert-butylacrylate) copolymer and polysulfone
JP6779642B2 (en) Gas separation membrane
Ovando‐Medina et al. Synthesis of sulfonated poly (styrene‐co‐methyl methacrylate) by semicontinuous heterophase polymerization for filtration membranes
KR102319470B1 (en) the manufacturing method of accelerated transport membrane for separating carbon monoxide
KR102333856B1 (en) Crosslinked-type copolymer, polymer membrane comprising the same, gas separation membrane comprising the polymer membrane, and manufacturing method of the crosslinked-type copolymer
KR20220151542A (en) Highly CO2-permeaable and Selective Polymer Blend Membrane and Process for Preparing the Same
KR20240105944A (en) Modified polyvinylidene fluoride-based copolymer with improved hydrophilicity and manufacturing method thereof
KR102404754B1 (en) A amphiphilic comb-type copolymer, a polymer membrane comprising the same, a gas separation membrane comprising the polymer membrane, and a method for manufacturing the polymer membrane

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant