KR101086073B1 - Polyurea porous materials-polyimide composite membrane and method for fabricating the same - Google Patents
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Abstract
폴리우레아 다공질체-폴리이미드 복합체막 및 그 제조방법을 제공한다. 폴리우레아 다공질체-폴리이미드 복합체막은 폴리이미드 매트릭스 및 폴리이미드 매트릭스 내에 분산된 폴리우레아 다공질체를 포함한다. 폴리우레아 다공질체-폴리이미드 복합체막 제조방법은 폴리우레아 다공질체 용액과 폴리아믹에시드 용액을 준비하는 단계, 폴리우레아 다공질체 용액과 상기 폴리아믹에시드 용액을 혼합하는 단계 및 혼합용액을 기판 상에 도포한 후 열처리하는 단계를 포함한다. 본 발명에 따르면, 테트라헤드럴 구조를 갖는 단량체를 사용하여 폴리우레아 다공질체를 형성하고 이를 폴리이미드 매트릭스에 도입함으로써, 우수한 내화학성, 내열성, 내구성 및 투과특성을 갖는 다공질체-고분자 복합체막을 제조할 수 있다. 또한, 폴리우레아 다공질체를 폴리이미드 전구체인 폴리아믹에시드에 도입하여 가공성 및 분산성을 개선시킬 수 있다. Provided are a polyurea porous body-polyimide composite membrane and a method of manufacturing the same. The polyurea porous-polyimide composite membrane includes a polyimide matrix and a polyurea porous body dispersed in the polyimide matrix. Polyurea porous body-polyimide composite membrane manufacturing method comprises the steps of preparing a polyurea porous body solution and a polyamic acid solution, mixing the polyurea porous body solution and the polyamic acid solution and applying a mixed solution on the substrate And then heat treating. According to the present invention, by forming a polyurea porous body using a monomer having a tetrahedral structure and introducing the same into a polyimide matrix, a porous-polymer composite membrane having excellent chemical resistance, heat resistance, durability, and permeability can be prepared. Can be. In addition, a polyurea porous body may be introduced into a polyamic acid serving as a polyimide precursor to improve workability and dispersibility.
Description
본 발명은 다공질체-고분자 복합체막 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폴리우레아 다공질체-폴리이미드 복합체막 및 그 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a porous-polymer composite membrane and a method for producing the same, and more particularly, to a polyurea porous-polyimide composite membrane and a method for producing the same.
일반적으로 막(membrane)은 크게 다공성(porous)과 비다공성(non-porous)으로 대별될 수 있다. 이 중 기공이 큰 다공성 막은 투과도가 좋은 반면, 분리 선택도가 매우 낮은 단점이 있고, 비다공성 막은 특정 액체 및 기체에 대해 매우 높은 선택도를 보이나, 반대로 투과도는 낮은 단점이 있다. 따라서 이러한 단점을 해결하고 막의 성능을 향상시키기 위해 나노 다공성 소재를 이용한 다양한 연구가 진행 중이다. 고분자 나노복합체는 고분자 수지에 1~100 나노미터 크기의 고분자, 무기물 또는 금속 입자가 분산되어 있는 복합체로서, 기존의 플라스틱 재료와 비교하여 기계적 물성 뿐만 아니라 열 안정성, 난연성, 액체 및 기체 투과성 등에서 우수한 물성을 나타낼 수 있으며, 기공의 크기 및 기공의 물리적 특성에 따라 높은 선택도를 갖게 할 수 있다는 점에서 주목되고 있다. 나노복합체막에 사용되는 다공성 물질 중 다공성 고분자 구조체에 대해서도 많은 연구가 진행되고 있으나, 현재까지 합성된 대부분의 유기물은 일정한 기공을 갖지 못한다거나 낮은 기계적 강도를 보이고 있으며, 나노복합막으로의 응용에 있어서도 나노입자의 균일한 분산계를 얻는 것이 어렵고 다양한 형태로의 가공성도 낮아 그 실질적인 응용에 제약을 받고 있다. 따라서, 일정한 기공 크기 및 넓은 비표면적을 갖는 안정된 나노입자의 분산을 포함하며, 다양한 분야에 응용하기 위해 적당한 기계적 강도, 열적 안정성, 내화학성 및 가공성을 갖는 복합체막 및 그 제조방법이 요구된다고 할 것이다. In general, membranes can be roughly divided into porous and non-porous. Among them, porous membranes with large pores have a good permeability, but have a very low separation selectivity. Non-porous membranes have a very high selectivity for specific liquids and gases, but have a low permeability. Therefore, various researches using nanoporous materials are in progress to solve these disadvantages and to improve the performance of the membrane. Polymer nanocomposites are composites in which polymer, inorganic or metal particles of 1 to 100 nanometers in size are dispersed in a polymer resin, and have excellent physical properties as well as thermal stability, flame retardancy, liquid and gas permeability, etc. as compared with conventional plastic materials. Attention has been paid in that it can have a high selectivity depending on the size of the pores and the physical properties of the pores. Although many studies have been conducted on porous polymer structures among the porous materials used in the nanocomposite membranes, most organic materials synthesized up to now do not have constant pores or exhibit low mechanical strength. It is difficult to obtain a uniform dispersion system of nanoparticles, and the workability in various forms is also low, which is limited by its practical application. Therefore, a composite membrane having a stable pore size and a large specific surface area and stable dispersion of nanoparticles, and having a suitable mechanical strength, thermal stability, chemical resistance and processability for various applications will be required and a method of manufacturing the same. .
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 우수한 내화학성, 내열성, 내구성 및 투과특성을 갖는 폴리우레아 다공질체-폴리이미드 복합체막을 제공함에 있다.The technical problem to be solved by the present invention is to provide a polyurea porous-polyimide composite membrane having excellent chemical resistance, heat resistance, durability and permeability.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 높은 가공성을 바탕으로 고분자 다공질체의 분산성을 개선할 수 있는 폴리우레아 다공질체-폴리이미드 복합체막 제조방법을 제공함에 있다.Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a method for producing a polyurea porous-polyimide composite membrane which can improve the dispersibility of the polymeric porous body based on high processability.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 폴리우레아 다공질체-폴리이미드 복합체막을 제공한다. 상기 복합체막은 폴리이미드 매트릭스 및 상기 폴리이미드 매트릭스 내에 함유된 폴리우레아 다공질체를 포함한다.One aspect of the present invention to achieve the above technical problem provides a polyurea porous-polyimide composite membrane. The composite membrane includes a polyimide matrix and a polyurea porous body contained in the polyimide matrix.
상기 폴리이미드는 다이아민 단량체와 다이안하이드의 단량체의 반응에 의해 형성될 수 있다.The polyimide may be formed by reaction of a diamine monomer and a monomer of dianhydride.
상기 폴리우레아 다공질체는 하기 화학식 1로 표시되는 단량체와 2~4개의 이소시아네이트기를 갖는 단량체의 중합에 의하거나 하기 화학식 2로 표시되는 단량체와 2~4개의 아미노기를 갖는 단량체의 중합에 의해 형성될 수 있다.The polyurea porous body may be formed by polymerization of a monomer represented by Formula 1 below and a monomer having 2 to 4 isocyanate groups or by polymerization of a monomer represented by Formula 2 below and a monomer having 2 to 4 amino groups. have.
<화학식 1><Formula 1>
(상기 식에서, X는 탄소 원자 또는 실리콘 원자이다)Wherein X is a carbon atom or a silicon atom
<화학식 2><Formula 2>
(상기 식에서, X는 탄소 원자 또는 실리콘 원자이다)Wherein X is a carbon atom or a silicon atom
상기 폴리우레아 다공질체-폴리이미드 복합체막은 폴리우레아 다공질체가 폴리이미드 매트릭스 내에 고르게 분산된 미세다공성 복합체막일 수 있다.The polyurea porous body-polyimide composite membrane may be a microporous composite membrane in which the polyurea porous body is evenly dispersed in the polyimide matrix.
상기 폴리우레아 다공질체-폴리이미드 복합체막은 폴리우레아 다공질체의 퍼콜레이션에 의해 형성된 나노채널을 포함할 수 있다.The polyurea porous body-polyimide composite membrane may include nanochannels formed by percolation of the polyurea porous body.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 폴리우레아 다공질체-폴리이미드 복합체막의 제조방법을 제공한다. 상기 방법은 폴리우레아 다공질체 용액과 폴리아믹에시드 용액을 준비하는 단계, 상기 폴리우레아 다공질체 용액과 상기 폴리아믹에시드 용액을 혼합하는 단계 및 상기 혼합용액을 기판 상에 도포한 후 열처리하는 단계를 포함한다.Another aspect of the present invention to achieve the above technical problem provides a method for producing a polyurea porous-polyimide composite membrane. The method includes preparing a polyurea porous solution and a polyamic acid solution, mixing the polyurea porous solution and the polyamic acid solution, and applying the mixed solution onto a substrate and then performing heat treatment. do.
상기 폴리우레아 다공질체 용액을 준비하는 단계는 (a) 하기 화학식 1로 표시되는 단량체가 용해된 용액과 2~4개의 이소시아네이트기를 갖는 단량체가 용해된 용액을 혼합하거나 하기 화학식 2로 표시되는 단량체가 용해된 용액과 2~4개의 아미노기를 갖는 단량체가 용해된 용액을 혼합하는 단계 및 (b) 상기 혼합용액을 질소 분위기 하에서 반응시키는 단계를 포함할 수 있다.The preparing of the polyurea porous solution may include (a) mixing a solution in which a monomer represented by Formula 1 is dissolved and a solution in which monomers having 2 to 4 isocyanate groups are dissolved or a monomer represented by Formula 2 are dissolved. Mixing the prepared solution and a solution in which monomers having 2 to 4 amino groups are dissolved, and (b) reacting the mixed solution under a nitrogen atmosphere.
<화학식 1><Formula 1>
(상기 식에서, X는 탄소 원자 또는 실리콘 원자이다)Wherein X is a carbon atom or a silicon atom
<화학식 2><Formula 2>
(상기 식에서, X는 탄소 원자 또는 실리콘 원자이다)Wherein X is a carbon atom or a silicon atom
또한, 상기 폴리우레아 다공질체 용액을 준비하는 단계는 상기 (b) 단계를 수행한 후, (c) 상기 반응용액을 물로 퀀칭하고 가열한 후 비용매에 첨가하여 침전물을 형성하는 단계 및 (d) 상기 침전물을 세척하고 건조한 후 용매에 분산시키는 단계를 더 포함할 수 있다.In addition, the preparing of the polyurea porous body solution is performed after the step (b), (c) quenching the reaction solution with water, heating and adding to the non-solvent to form a precipitate and (d) The precipitate may be further washed and dried, and then dispersed in a solvent.
상기 폴리아믹에시드 용액을 준비하는 단계는 다이아민 단량체와 다이안하이드라이드 단량체를 용액 상에서 혼합하는 단계 및 상기 혼합용액을 상온, 질소 분위기 하에서 반응시키는 단계를 포함할 수 있다.The preparing of the polyamic acid solution may include mixing a diamine monomer and a dianhydride monomer on a solution and reacting the mixed solution under normal temperature and nitrogen atmosphere.
상기 폴리아믹에시드 용액의 농도는 10 내지 20 wt/vol%일 수 있다.The concentration of the polyamic acid solution may be 10 to 20 wt / vol%.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 테트라헤드럴 구조를 갖는 단량체를 사용하여 폴리우레아 다공질체를 형성하고 이를 폴리이미드 매트릭스에 도입함으로써, 우수한 내화학성, 내열성, 내구성 및 투과특성을 갖는 다공질체-고분자 복합체막을 제조할 수 있다. 또한, 폴리우레아 다공질체를 폴리이미드 전구체인 폴리아믹에시드에 도입하여 가공성 및 분산성을 개선시킬 수 있다. According to the present invention as described above, by forming a polyurea porous body using a monomer having a tetrahedral structure and introducing it into the polyimide matrix, a porous-polymer having excellent chemical resistance, heat resistance, durability and permeation characteristics Composite membranes can be prepared. In addition, a polyurea porous body may be introduced into a polyamic acid serving as a polyimide precursor to improve workability and dispersibility.
다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the effects of the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 폴리우레아 다공질체-폴리이미드 복합체막의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따라 제조될 수 있는 폴리우레아 다공질체의 입자 하나의 구조를 각각 나타낸 것이다.
도 3은 폴리우레아 다공질체가 서로 연결되어 나노채널 구조를 형성한 경우의 개략도이다.
도 4는 제조예 1에 의해 제조된 폴리우레아 다공질체-폴리이미드 복합체막의 SEM 단면 이미지이다.
도 5는 제조예 2에 의해 제조된 폴리우레아 다공질체-폴리이미드 복합체막의 AFM 이미지이다.
도 6a 및 도 6b는 각각 제조예 2에 의해 제조된 폴리우레아 다공질체-폴리이미드 복합체막의 SEM 표면 이미지 및 SEM 단면 이미지이다.
도 7은 제조예 3에 의해 제조된 폴리우레아 다공질체-폴리이미드 복합체막의 SEM 단면 이미지이다.
도 8은 제조예 4에 의해 제조된 폴리우레아 다공질체-폴리이미드 복합체막의 AFM 이미지이다.
도 9a 및 도 9b는 각각 제조예 4에 의해 제조된 폴리우레아 다공질체-폴리이미드 복합체막의 SEM 표면 이미지 및 SEM 단면 이미지이다.1 is a flow chart showing a method for producing a polyurea porous body-polyimide composite membrane according to an embodiment of the present invention.
Figures 2a and 2b respectively show the structure of one particle of the polyurea porous body that can be prepared according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic diagram of a case where the polyurea porous bodies are connected to each other to form a nanochannel structure.
4 is an SEM cross-sectional image of the polyurea porous-polyimide composite membrane prepared according to Preparation Example 1. FIG.
5 is an AFM image of a polyurea porous body-polyimide composite membrane prepared by Preparation Example 2. FIG.
6A and 6B are SEM surface images and SEM cross-sectional images of the polyurea porous body-polyimide composite membrane prepared according to Preparation Example 2, respectively.
7 is an SEM cross-sectional image of the polyurea porous body-polyimide composite membrane prepared according to Preparation Example 3.
8 is an AFM image of a polyurea porous body-polyimide composite membrane prepared according to Preparation Example 4.
9A and 9B are SEM surface images and SEM cross-sectional images of the polyurea porous body-polyimide composite membrane prepared according to Preparation Example 4, respectively.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms. Rather, the embodiments disclosed herein are provided so that the disclosure can be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. In the following description of the present invention, detailed descriptions of well-known functions or configurations will be omitted if it is determined that the detailed description of the present invention may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리우레아 다공질체-폴리이미드 복합체막의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a polyurea porous body-polyimide composite membrane according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 폴리우레아(polyurea) 다공질체 용액과 폴리아믹에시드(polyamic acid) 용액을 각각 준비한다(S10, S12). 상기 폴리우레아 다공질체 용액을 준비하는 단계는 폴리우레아 다공질체 용액을 제조하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 폴리우레아 다공질체 용액을 제조하는 단계는 (a) 하기 화학식 1로 표시되는 단량체[테트라(4-아미노페닐)메탄 또는 테트라(4-아미노페닐)실란]가 용해된 용액과 2~4개의 이소시아네이트(isocyanate, -NCO)기를 갖는 단량체가 용해된 용액을 혼합하거나, 하기 화학식 2로 표시되는 단량체[테트라(4-이소시아나토페닐)메탄 또는 테트라(4-이소시아나토페닐)실란]가 용해된 용액과 2~4개의 아미노(amino, -NH2)기를 갖는 단량체가 용해된 용액을 혼합하는 단계 및 (b) 상기 혼합용액을 질소 분위기 하에서 반응시키는 단계를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, a polyurea porous solution and a polyamic acid solution are prepared, respectively (S10 and S12). Preparing the polyurea porous solution may include preparing a polyurea porous solution. The preparing of the polyurea porous solution may include (a) a solution in which a monomer [tetra (4-aminophenyl) methane or tetra (4-aminophenyl) silane] is dissolved and 2 to 4 isocyanates (isocyanate, -NCO) a solution in which the monomer having a group dissolved is mixed, or a monomer represented by the formula (2) [tetra (4-isocyanatophenyl) methane or tetra (4-isocyanatophenyl) silane] is dissolved Mixing a solution and a solution in which monomers having 2 to 4 amino (amino, -NH 2 ) groups are dissolved, and (b) reacting the mixed solution under a nitrogen atmosphere.
<화학식 1><Formula 1>
(상기 식에서, X는 탄소 원자 또는 실리콘 원자이다)Wherein X is a carbon atom or a silicon atom
<화학식 2><Formula 2>
(상기 식에서, X는 탄소 원자 또는 실리콘 원자이다)Wherein X is a carbon atom or a silicon atom
상기 2~4개의 이소시아네이트기를 갖는 단량체는 일 예로, 2~4개의 이소시아네이트기로 치환된 C1~C20의 지방족 화합물 또는 2~4개의 이소시아네이트기로 치환된 C6~C30의 방향족 화합물일 수 있고, 상기 2~4개의 아미노기를 갖는 단량체는 일 예로, 2~4개의 아미노기로 치환된 C1~C20의 지방족 화합물 또는 2~4개의 아미노기로 치환된 C6~C30의 방향족 화합물일 수 있다. 또한, 상기 2개의 이소시아네이트기로 치환된 C1~C20의 지방족 화합물 또는 상기 2개의 아미노기로 치환된 C1~C20의 지방족 화합물은 일 예로, 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물일 수 있으며,The monomer having 2 to 4 isocyanate groups may be, for example, a C 1 to C 20 aliphatic compound substituted with 2 to 4 isocyanate groups or a C 6 to C 30 aromatic compound substituted with 2 to 4 isocyanate groups, and 2 to 4 Monomer having one amino group may be, for example, an aliphatic compound of C1 to C20 substituted with 2 to 4 amino groups or an aromatic compound of C6 to C30 substituted with 2 to 4 amino groups. In addition, the C1 to C20 aliphatic compound substituted with the two isocyanate groups or the C1 to C20 aliphatic compound substituted with the two amino groups may be, for example, a compound represented by Formula 3 below.
<화학식 3><Formula 3>
(상기 식에서, R은 모두 이소시아네이트기 또는 모두 아미노기이고, n은 2~6의 정수이다)(Wherein R is all isocyanate groups or all amino groups, and n is an integer of 2 to 6)
상기 2~4개의 이소시아네이트기로 치환된 C6~C30의 방향족 화합물 및 또는 2~4개의 아미노기로 치환된 C6~C30의 방향족 화합물은 일 예로, 하기 화학식 4 내지 화학식 10으로 표시되는 화합물로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다.The aromatic compound of C6 ~ C30 substituted with 2 to 4 isocyanate groups and the aromatic compound of C6 to C30 substituted with 2 to 4 amino groups are selected from the group consisting of compounds represented by the following Chemical Formulas 4 to 10 At least one of which may be.
<화학식 4><Formula 4>
<화학식 5><Formula 5>
<화학식 6><Formula 6>
<화학식 7><Formula 7>
<화학식 8><Formula 8>
<화학식 9><Formula 9>
<화학식 10><
(상기 식들에서, R은 모두 이소시아네이트기 또는 모두 아미노기이다)(Wherein R is all isocyanate groups or all amino groups)
즉, 상기 혼합용액은 공통적으로 중합반응에 의해 우레아(urea)를 형성할 수 있는 아미노기를 갖는 단량체와 이소시아네이트기를 갖는 단량체를 포함하며, 상기 아미노기를 갖는 단량체와 상기 이소시아네이트기를 갖는 단량체 중 적어도 어느 하나는 테트라헤드럴(tetrahedral) 분자 구조의 말단에 반응기를 갖는 단량체이다. 혼합되는 단량체의 양은 혼합용액에 존재하는 아미노기와 이소시아네이트기가 서로 충분히 반응할 수 있도록 적절한 화학양론적 몰비로 선택함이 바람직하다. 예를 들어, 테트라(4-아미노페닐)메탄과 1,4-다이이소시아나토벤젠을 혼합하는 경우 1:2의 몰비로 혼합할 수 있으며, 테트라(4-아미노페닐)메탄과 테트라(4-이소시아나토페닐)메탄을 혼합하는 경우 1:1의 몰비로 혼합할 수 있다.That is, the mixed solution commonly includes a monomer having an amino group and a monomer having an isocyanate group capable of forming urea by a polymerization reaction, and at least one of the monomer having the amino group and the monomer having the isocyanate group is It is a monomer having a reactor at the end of a tetrahedral molecular structure. The amount of the monomer to be mixed is preferably selected in an appropriate stoichiometric molar ratio so that the amino and isocyanate groups present in the mixed solution can sufficiently react with each other. For example, when tetra (4-aminophenyl) methane and 1,4-diisocyanatobenzene are mixed, they may be mixed in a molar ratio of 1: 2, and tetra (4-aminophenyl) methane and tetra (4-iso). When cyanatophenyl) methane is mixed, it may be mixed in a molar ratio of 1: 1.
또한, 상기 혼합용액을 질소 분위기 하에서 반응시킴으로써 공기 중 수분에 의한 부반응을 억제하고 단량체 사이에서만 중합(및 가교) 반응이 일어나도록 할 수 있다. 상기 반응은 각 단량체의 아미노기와 이소시아네이트기 사이의 친핵성 첨가반응에 의해 중합이 일어나고, 또한 생성된 중합체 사이의 친핵성 첨가반응에 의해 가교 반응이 일어나는 메커니즘으로 이해될 수 있다. 다만, 상기 가교 반응은 중합 반응과 동일한 메커니즘에 의해 수행되므로 중합 및 가교반응의 각 단계가 명확히 구별되는 것은 아니며, 폴리우레아 다공질체의 형성과정에서 동시 다발적으로 일어날 수 있는 것이다. 이 경우, 형성되는 폴리우레아의 중합도 내지 가교도가 높아짐에 따라 혼합용액의 겔화(gelation)가 진행되며, 이 과정에서 상기 폴리우레아는 미세기공을 갖는 미세입자 상태(혼합용액의 겔화 전 상태)를 거쳐 벌크형의 반고체 또는 고체 상태(혼합용액의 겔화 상태)의 물질로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 혼합용액의 겔화 속도는 혼합된 단량체의 농도에 의존하므로, 폴리우레아 다공질체 형성 시 혼합용액의 농도를 적절히 조절함으로써 입자형의 다공질체를 형성할 수 있다.In addition, by reacting the mixed solution under a nitrogen atmosphere, it is possible to suppress side reactions caused by moisture in the air and to cause a polymerization (and crosslinking) reaction only between monomers. The reaction can be understood as a mechanism in which polymerization occurs by nucleophilic addition reaction between the amino group and the isocyanate group of each monomer, and crosslinking reaction occurs by nucleophilic addition reaction between the produced polymers. However, since the crosslinking reaction is performed by the same mechanism as the polymerization reaction, each step of the polymerization and the crosslinking reaction is not clearly distinguished, and may occur simultaneously in the process of forming the polyurea porous body. In this case, gelation of the mixed solution proceeds as the degree of polymerization or crosslinking degree of the polyurea to be formed increases, and in this process, the polyurea undergoes fine particle states having micropores (the state before the gelation of the mixed solution). It may be formed of a material in the bulk semi-solid or solid state (gelling state of the mixed solution). Here, since the gelation rate of the mixed solution depends on the concentration of the mixed monomer, it is possible to form a particulate porous body by appropriately adjusting the concentration of the mixed solution when forming the polyurea porous body.
상기 방법에 의해 용액 상 형성되는 폴리우레아 다공질체는 도 2a와 같은 입자형 구조를 가질 수 있다. 그리고, 도 2a에 도시된 바와 같이 상기 방법에 의해 제조된 폴리우레아 다공질체에는 미반응(우레아 결합에 사용되지 않은) 아미노기와 이소시아네이트기가 존재할 수 있다.The polyurea porous body formed in the solution phase by the above method may have a particulate structure as shown in FIG. 2A. In addition, as shown in FIG. 2A, the unreacted (not used for urea bond) amino group and isocyanate group may exist in the polyurea porous body prepared by the above method.
또한, 폴리우레아 다공질체 용액을 제조하는 단계는 상기 (b) 단계(즉, 혼합용액을 질소 분위기 하에서 반응시키는 단계)를 수행한 후, (c) 상기 반응용액을 물로 퀀칭하고 가열한 후 비용매에 첨가하여 침전물을 형성하는 단계 및 (d) 상기 침전물을 세척하고 건조한 후 용매에 분산시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 비용매는 혼합용매 내에 미세입자 상태로 존재하는 폴리우레아 다공질체를 침전시킬 수 있는 물질로서, 예를 들어 아세톤 등을 사용할 수 있다. 이러한 추가적인 단계를 거쳐 제조되는 폴리우레아 다공질체는 도 2b와 같은 입자형 구조를 가질 수 있다. 이 경우, 도 2a에 도시된 구조와는 달리 폴리우레아 다공질체에는 아미노기만이 존재하게 되며, 이는 상기 (c) 단계를 거치면서 폴리우레아 다공질체에 존재하던 이소시아네이트기가 아미노기로 변환된 결과이다.In addition, the step of preparing a porous polyurea solution is performed after the step (b) (that is, the step of reacting the mixed solution under a nitrogen atmosphere), (c) the reaction solution is quenched with water and heated and then the non-solvent Forming a precipitate by adding to and (d) washing and drying the precipitate may further comprise the step of dispersing in a solvent. The non-solvent is a material capable of precipitating the polyurea porous body present in the form of fine particles in the mixed solvent, and for example, acetone may be used. The polyurea porous body prepared through this additional step may have a particulate structure as shown in FIG. 2B. In this case, unlike the structure shown in FIG. 2A, only an amino group is present in the polyurea porous body, which is a result of converting an isocyanate group existing in the polyurea porous body into an amino group through step (c).
본 실시예에서 사용된 폴리우레아 다공질체는 테트라헤드럴 구조의 단량체를 일종의 가교점으로 사용함으로써 이를 중심으로 강한 공유결합으로 연결된 3차원적인 고분자 네트워크 구조를 갖게 된다. 즉, 테트라페닐메탄 유도체[테트라(4-아미노페닐)메탄 혹은 테트라(4-이소시아나토페닐)메탄] 또는 테트라페닐실란 유도체[테트라(4-아미노페닐)실란 혹은 테트라(4-이소시아나토페닐)실란]를 중심으로 3차원적으로 중합 및 가교화된 폴리우레아는 수많은 미세기공을 만들어 거대한 비표면적을 갖는 다공질체를 형성할 수 있다. 또한, 높은 가교율 및 강한 공유결합에 의한 우수한 내화학성, 내열성 및 내구성을 가질 수 있다.The polyurea porous body used in this embodiment has a three-dimensional polymer network structure connected by strong covalent bonds around the tetrahedral structure monomer as a kind of crosslinking point. Namely, tetraphenylmethane derivative [tetra (4-aminophenyl) methane or tetra (4-isocyanatophenyl) methane] or tetraphenylsilane derivative [tetra (4-aminophenyl) silane or tetra (4-isocyanatophenyl Polysilanes that have been polymerized and crosslinked three-dimensionally around silane] can form numerous micropores to form porous bodies having huge specific surface areas. In addition, it may have excellent chemical resistance, heat resistance and durability due to high crosslinking rate and strong covalent bonds.
상기 폴리아믹에시드 용액을 준비하는 단계(S12)는 폴리아믹에시드 용액을 제조하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 폴리아믹에시드 용액을 제조하는 단계는 다이아민(diamine) 단량체와 다이안하이드라이드(dianhydride) 단량체를 용액 상에서 혼합하는 단계 및 상기 혼합용액을 상온 질소 분위기 하에서 반응시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 다이아민 단량체는 하기 제1 화합물군에서 선택되는 적어도 어느 하나이고, 상기 다이안하이드라이드 단량체는 하기 제2 화합물군에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다. 상기 혼합용액의 용매로는 DMAc, NMP, DMSO, DMF 등과 같은 극성 비양성자성 용매를 사용할 수 있다.Preparing the polyamic acid solution (S12) may include preparing a polyamic acid solution. The preparing of the polyamic acid solution may include mixing a diamine monomer and a dianhydride monomer on a solution, and reacting the mixed solution under a room temperature nitrogen atmosphere. The diamine monomer may be at least one selected from the following first compound group, and the dianhydride monomer may be at least one selected from the following second compound group. As the solvent of the mixed solution, a polar aprotic solvent such as DMAc, NMP, DMSO, DMF, or the like may be used.
<제1 화합물군><1st compound group>
, , , , , ,
<제2 화합물군><Second compound group>
, , , , , , , , , , , ,
다이아민과 다이안하이드라이드를 혼합하면 다이아민의 아미노기와 다이안하이드라이드의 카보닐기의 친핵성 반응에 의해 폴리이미드 전구체인 폴리아믹에시드를 형성하게 된다. 예를 들어, 하기 반응식 1과 같이 다이아민 단량체 및 다이안하이드라이드 단량체로 각각 4,4'-옥시다이아닐린(4,4'-oxydianiline, ODA) 및 파이로멜리틱 다이안하이드라이드(pyromellitic dianhydride, PMDA)를 사용하여 폴리아믹에시드를 형성할 수 있다.When the diamine and dianhydride are mixed, a polyamic acid serving as a polyimide precursor is formed by a nucleophilic reaction between the amino group of the diamine and the carbonyl group of the dianhydride. For example, 4,4'-oxydianiline (ODA) and pyromellitic dianhydride (PMDA) as diamine monomers and dianhydride monomers, respectively, as shown in Scheme 1 below. ) Can be used to form polyamic acid.
<반응식 1><Scheme 1>
상기 폴리아믹에시드 용액의 농도는 10 내지 20wt/vol%로 조절함이 바람직하다. 폴리아믹에시드 용액의 농도가 20wt/vol%를 초과하는 경우에는 높은 점도로 인해 후술하는 바와 같이 폴리우레아 다공질체 용액과의 혼합 과정에서 폴리우레아 다공질체의 분산성이 감소될 수 있으며, 폴리우레아 다공질체와 혼합 후 혼합용액을 기판 상에 도포하는 과정에서 균일한 막을 형성하기 어려울 수 있기 때문이다. 또한, 폴리아믹에시드 용액의 농도가 10wt/vol% 미만인 경우에는 너무 낮은 농도로 인해 최종적으로 얻어지는 폴리우레아 다공질체-폴리이미드 복합체막의 두께를 조절하는 것이 어렵고, 막의 기계적 성질이 떨어지는 문제가 있을 수 있기 때문이다.The concentration of the polyamic acid solution is preferably adjusted to 10 to 20wt / vol%. When the concentration of the polyamic acid solution exceeds 20wt / vol%, the dispersibility of the polyurea porous body may be reduced during mixing with the polyurea porous solution due to the high viscosity, and the polyurea porous This is because it may be difficult to form a uniform film in the process of applying the mixed solution on the substrate after mixing with the sieve. In addition, when the concentration of the polyamic acid solution is less than 10wt / vol%, it is difficult to control the thickness of the finally obtained polyurea porous-polyimide composite membrane due to the too low concentration, and there may be a problem that the mechanical properties of the membrane is inferior Because.
상기 준비된 폴리우레아 다공질체 용액과 상기 폴리아믹에시드 용액을 혼합한다(S14). 폴리우레아 다공질체 용액과 폴리아믹에시드 용액의 혼합과정에서, 폴리우레아 다공질체에 존재하는 관능기(아미노기 또는 이소이사네이트기)와 폴리아믹에시드에 존재하는 관능기 사이의 상호작용에 의해 폴리우레아 다공질체가 고르게 분산될 수 있다. 한편, 폴리우레아 다공질체 사이에서도 상호작용이 일어나 폴리우레아 다공질체의 퍼콜레이션(percolation) 현상이 일어날 수 있으며, 이에 의해 폴리우레아 다공질체가 서로 연결된 구조를 갖는 나노채널을 형성할 수 있다. 도 3은 폴리우레아 다공질체가 서로 연결되어 나노채널 구조를 형성한 경우의 개략도이다. 상기 퍼콜레이션이 일어날 때 폴리우레아 다공질체가 상기 도 2a의 구조를 갖는 경우 폴리우레아 다공질체에 존재하는 관능기에 의한 다공질체 간의 공유결합(즉, 어느 한 다공질체에 존재하는 아미노기와 다른 다공질체에 존재하는 이소시아네이트기의 반응에 의해 형성된 우레아 결합)에 의해 폴리우레아 다공질체가 연결된 나노채널을 형성할 수 있다. 또한, 폴리우레아 다공질체가 상기 도 2b의 구조를 갖는 경우(다공질체의 이소시아네이트기가 아미노기로 변환되어 다공질체 간 공유결합을 형성할 수 없는 경우)에는 다공질체 간의 상호작용(반데르발스 인력 등)에 의한 물리적 결합에 의해 퍼콜레이션 현상이 일어날 수도 있다. 상기 퍼콜레이션에 의한 나노채널의 형성 여부 및 정도는 폴리우레아 다공질체와 폴리아믹에시드의 조성비 및 폴리우레아 다공질체의 성질(다공질체 간 공유결합 또는 물리적 결합을 하는 성질) 등을 조절함으로써 제어할 수 있다. 이처럼 다공질체의 퍼콜레이션에 의해 형성된 나노채널은 최종적으로 생성되는 막 내에 유체가 흐를 수 있는 통로를 제공해 줄 수 있으며, 막의 투과특성을 개선시킬 수 있다.The prepared polyurea porous solution and the polyamic acid solution are mixed (S14). In the process of mixing the polyurea porous solution and the polyamic acid solution, the polyurea porous body is evenly formed by the interaction between the functional group (amino or isocyanate group) present in the polyurea porous body and the functional group present in the polyamic acid. Can be dispersed. On the other hand, the interaction between the polyurea porous body may occur, so that percolation of the polyurea porous body may occur, thereby forming nanochannels having a structure in which the polyurea porous bodies are connected to each other. 3 is a schematic diagram of a case where the polyurea porous bodies are connected to each other to form a nanochannel structure. If the polyurea porous body has the structure of FIG. 2A when the percolation occurs, covalent bonds between the porous bodies by the functional groups present in the polyurea porous body (ie, present in the amino group and other porous bodies present in any one porous body) Urea bond formed by the reaction of an isocyanate group) to form a nanochannel to which the polyurea porous body is connected. In addition, when the polyurea porous body has the structure shown in FIG. 2B (when the isocyanate group of the porous body is not converted to an amino group to form a covalent bond between the porous bodies), the interaction between the porous bodies (van der Waals attraction, etc.) Percolation may occur due to physical coupling. The formation and extent of nanochannels by the percolation can be controlled by controlling the composition ratio of the polyurea porous body and the polyamic acid and the properties of the polyurea porous body (covalent or physical bonding between the porous bodies). have. As such, the nanochannel formed by the percolation of the porous body can provide a passage through which fluid can flow in the finally formed membrane, and can improve the permeation characteristics of the membrane.
다시 도 1을 참조하면, 상기 폴리우레아 다공질체 용액과 폴리아믹에시드 용액의 혼합용액을 기판 상에 도포한 후 열처리한다(S16). 상기 혼합용액을 도포하는 방법은 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅(dip coating), 캐스팅(casting) 또는 닥터 블레이드(doctor blade) 등의 방법 중 혼합용액의 점도 등을 고려하여 적절히 선택된 방법에 의해 수행할 수 있다. 상기 열처리는 폴리아믹에시드의 아마이드(amide)기와 카복실산(carboxylic acid)기가 반응하여 이미드(imide) 결합을 형성할 수 있는 온도 이상에서 수행하는 단계를 포함한다. 이에 의해 폴리아믹에시드가 폴리이미드로 변환되고, 최종적으로 폴리우레아 다공질체가 폴리이미드 매트릭스 내에 함유된 구조를 갖는 폴리우레아 다공질체-폴리이미드 복합체막을 얻을 수 있다. 상기 폴리우레아 다공질체-폴리이미드 복합체막은 예를 들어, 폴리우레아 다공질체가 폴리이미드 매트릭스에 고르게 분산된 미세다공성 복합체막일 수 있다. 또한, 상기 폴리우레아 다공질체-폴리이미드 복합체막은 폴리우레아 다공질체의 퍼콜레이션에 의해 형성된 나노채널을 포함할 수 있다.
Referring back to FIG. 1, a mixed solution of the polyurea porous body solution and the polyamic acid solution is applied onto a substrate and then thermally treated (S16). The method of applying the mixed solution may be performed by a method appropriately selected in consideration of the viscosity of the mixed solution, such as spin coating, dip coating, casting, or a doctor blade. Can be done. The heat treatment may be performed at a temperature above which an amide group of the polyamic acid and a carboxylic acid group may react to form an imide bond. As a result, a polyurea porous body-polyimide composite membrane having a structure in which a polyamic acid is converted into a polyimide and finally a polyurea porous body is contained in a polyimide matrix can be obtained. The polyurea porous body-polyimide composite membrane may be, for example, a microporous composite membrane in which the polyurea porous body is evenly dispersed in the polyimide matrix. In addition, the polyurea porous body-polyimide composite membrane may include nanochannels formed by percolation of the polyurea porous body.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 용액 상태로 존재하여 가공성이 우수한 폴리우레아 다공질체를 사용함에 따라 간단한 방법에 의해 활용 목적에 맞는 적합한 형태로 복합체막을 형성할 수 있다. 또한, 상기한 폴리우레아 다공질체의 우수한 물성을 바탕으로 안정성, 분산성, 투과특성 등이 개선된 폴리우레아 다공질체-폴리이미드 복합체막을 제조할 수 있는 장점이 있다.
As described above, according to the present invention, by using a polyurea porous body which exists in a solution state and has excellent processability, the composite membrane can be formed in a suitable form suitable for the purpose of application by a simple method. In addition, there is an advantage in that a polyurea porous-polyimide composite membrane having improved stability, dispersibility, permeability, and the like may be prepared based on the excellent physical properties of the polyurea porous body.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실험예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, preferred examples are provided to aid the understanding of the present invention. However, the following experimental examples are only for helping understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the following experimental examples.
<제조예 1 ><Manufacture example 1>
폴리우레아Polyurea 다공질체Porous body 용액의 제조 Preparation of the solution
테트라(4-아미노페닐)메탄(MW:382.50, 0.232g, 0.607mmol) 을 DMF(N,N-dimethylformide)에 녹여 4%(wt/vol) 농도의 유기용액을 제조하였으며, 1,6-다이이소시아나토헥산(MW: 168.19, 0.204g 1.214mmol)을 DMF에 녹여 4%(wt/vol) 농도의 유기용액을 제조하였다. 다음, 테트라(4-아미노페닐)메탄 용액을 1,6-다이이소시아나토헥산 용액에 천천히 투여하여 혼합하였다. 상기 혼합용액을 상온, 질소 분위기하에서 24시간 반응시켜 폴리우레아 다공질체 용액을 제조하였다.
Tetra (4-aminophenyl) methane (MW: 382.50, 0.232g, 0.607mmol) was dissolved in DMF (N, N-dimethylformide) to prepare an organic solution having a concentration of 4% (wt / vol). Socyanatohexane (MW: 168.19, 0.204 g 1.214 mmol) was dissolved in DMF to prepare an organic solution having a concentration of 4% (wt / vol). Then, tetra (4-aminophenyl) methane solution was slowly added to the 1,6-diisocyanatohexane solution and mixed. The mixed solution was reacted at room temperature under a nitrogen atmosphere for 24 hours to prepare a porous polyurea solution.
폴리아믹에시드Polyamic acid 용액의 제조 Preparation of the solution
0.005mol의 4,4'-옥시다이아닐린을 DMAc 용매에 넣고 완전하게 녹을 때까지 약 30분간 교반하였다. 다음, 0.005mol의 파이로멜리틱 다이안하이드라이드를 상기 용액에 천천히 투여하였다. 상온에서 질소 분위기 하에서 3시간 반응시켜 녹여 15%(wt/vol)의 폴리아믹에시드 용액을 제조하였다.
0.005 mol of 4,4′-oxydianiline was added to a DMAc solvent and stirred for about 30 minutes until it dissolved completely. Next, 0.005 mol of pyromellitic dianhydride was slowly administered to the solution. After reacting for 3 hours at room temperature under a nitrogen atmosphere, a polyamic acid solution of 15% (wt / vol) was prepared.
폴리우레아Polyurea 다공질체Porous body -폴리이미드 Polyimide 복합체막의Of composite membrane 제조 Produce
폴리우레아 다공질체 용액이 10v/v%로 존재하도록 폴리우레아 다공질체 용액과 폴리아믹에시드 용액을 혼합하고 혼합용액을 충분히 교반시켰다. 다음, 상기 혼합용액을 유리판에 캐스팅하여 100℃, 200℃, 300℃에서 각각 한 시간씩 열처리하여 최종적으로 폴리우레아 다공질체-폴리이미드 복합체막을 제조하였다.
The polyurea porous solution and the polyamic acid solution were mixed so that the polyurea porous solution was present at 10v / v%, and the mixed solution was sufficiently stirred. Next, the mixed solution was cast on a glass plate and heat-treated at 100 ° C., 200 ° C., and 300 ° C. for one hour to finally prepare a polyurea porous-polyimide composite membrane.
도 4는 상기 제조예 1에 의해 제조된 폴리우레아 다공질체-폴리이미드 복합체막의 SEM 단면 이미지이다.4 is an SEM cross-sectional image of the polyurea porous body-polyimide composite membrane prepared according to Preparation Example 1.
도 4를 참조하면, 지름 30nm 내지 40nm 정도의 폴리우레아 다공질체가 폴리이미드 매트릭스 내에 고르게 분산되어 있는 것을 확인할 수 있다.
Referring to FIG. 4, it can be seen that the polyurea porous body having a diameter of about 30 nm to 40 nm is uniformly dispersed in the polyimide matrix.
<제조예 2><Manufacture example 2>
상기 제조예 1에서 수행한 방법과 동일한 방법을 수행하여 폴리우레아 다공질체 용액과 폴리아믹에시드 용액을 제조하였다.The polyurea porous solution and the polyamic acid solution were prepared by the same method as described in Preparation Example 1 above.
폴리우레아 다공질체 용액이 15v/v%로 존재하도록 폴리우레아 다공질체 용액과 폴리아믹에시드 용액을 혼합하고 혼합용액을 충분히 교반시켰다. 다음, 상기 혼합용액을 유리판에 캐스팅하여 60℃에서 2시간, 그리고 100℃, 200℃, 300℃에서 각각 한 시간씩 열처리하여 최종적으로 폴리우레아 다공질체-폴리이미드 복합체막을 제조하였다.
The polyurea porous solution and the polyamic acid solution were mixed so that the polyurea porous solution was present at 15v / v%, and the mixed solution was sufficiently stirred. Next, the mixed solution was cast on a glass plate and heat-treated at 60 ° C. for 2 hours and at 100 ° C., 200 ° C., and 300 ° C. for 1 hour to finally prepare a porous polyurea-polyimide composite membrane.
도 5는 상기 제조예 2에 의해 제조된 폴리우레아 다공질체-폴리이미드 복합체막의 AFM 이미지이다.5 is an AFM image of the polyurea porous body-polyimide composite membrane prepared according to Preparation Example 2.
도 6a 및 도 6b는 각각 상기 제조예 2에 의해 제조된 폴리우레아 다공질체-폴리이미드 복합체막의 SEM 표면 이미지 및 SEM 단면 이미지이다.6A and 6B are SEM surface images and SEM cross-sectional images of the polyurea porous body-polyimide composite membrane prepared according to Preparation Example 2, respectively.
도 5 및 도 6a를 참조하면, 지름 30nm 내지 40nm 정도의 폴리우레아 다공질체가 폴리이미드 매트릭스 내에 고르게 분산되어 있는 것을 확인할 수 있다.5 and 6A, it can be seen that the polyurea porous body having a diameter of about 30 nm to 40 nm is uniformly dispersed in the polyimide matrix.
도 6b를 참조하면, 폴리우레아 다공질체 간의 상호작용(도 2a의 구조를 갖는 폴리우레아 다공질체 간에 형성된 공유결합)에 의한 퍼콜레이션에 의해 폴리이미드 매트릭스 내에 나노채널이 형성됨을 확인할 수 있다.
Referring to FIG. 6B, it can be seen that nanochannels are formed in the polyimide matrix by percolation by the interaction between the polyurea porous bodies (covalent bonds formed between the polyurea porous bodies having the structure of FIG. 2A).
<제조예 3><Manufacture example 3>
폴리우레아Polyurea 다공질체Porous body 용액의 제조 Preparation of the solution
상기 제조예 1의 폴리우레아 다공질체 용액의 제조 과정을 그대로 수행하되, 혼합용액을 상온, 질소 분위기하에서 24시간 반응시킨 다음, 반응용액을 물로 퀀칭하고 80℃로 가열한 후 아세톤에 천천히 침전시켰다. 침전물을 다량의 아세톤으로 3회 이상 세척한 후 진공에서 150℃로 3일 동안 건조시켜 입자형 폴리우레아 다공질체를 얻었다. 입자형 폴리우레아 다공질체를 DMAc 용매에 고르게 분산시켜 폴리우레아 다공질체 용액을 제조하였다.
The preparation process of the porous polyurea solution of Preparation Example 1 was carried out as it was, but the mixed solution was allowed to react for 24 hours at room temperature and nitrogen atmosphere, the reaction solution was quenched with water, heated to 80 ℃ and slowly precipitated in acetone. The precipitate was washed three times or more with a large amount of acetone and then dried in vacuo at 150 ° C. for three days to obtain a particulate polyurea porous body. The polyurea porous solution was prepared by uniformly dispersing the particulate polyurea porous body in a DMAc solvent.
폴리아믹에시드Polyamic acid 용액의 제조 Preparation of the solution
상기 제조예 1의 폴리아믹에시드 용액의 제조 과정을 그대로 수행하여 폴리아믹에시드 용액을 제조하였다.
The polyamic acid solution of Preparation Example 1 was carried out as it was to prepare a polyamic acid solution.
폴리우레아Polyurea 다공질체Porous body -폴리이미드 Polyimide 복합체막의Of composite membrane 제조 Produce
폴리우레아 다공질체 용액이 10v/v%로 존재하도록 폴리우레아 다공질체 용액과 폴리아믹에시드 용액을 혼합하고 혼합용액을 충분히 교반시켰다. 다음, 상기 혼합용액을 유리판에 캐스팅하여 100℃, 200℃, 300℃에서 각각 한 시간씩 열경화시켜 최종적으로 폴리우레아 다공질체-폴리이미드 복합체막을 제조하였다.
The polyurea porous solution and the polyamic acid solution were mixed so that the polyurea porous solution was present at 10v / v%, and the mixed solution was sufficiently stirred. Next, the mixed solution was cast on a glass plate and thermally cured at 100 ° C., 200 ° C., and 300 ° C. for 1 hour to finally prepare a polyurea porous-polyimide composite membrane.
도 7은 상기 제조예 3에 의해 제조된 폴리우레아 다공질체-폴리이미드 복합체막의 SEM 단면 이미지이다.7 is a SEM cross-sectional image of the polyurea porous-polyimide composite membrane prepared according to Preparation Example 3.
도 7을 참조하면, 지름 60nm 내지 70nm 정도의 폴리우레아 다공질체가 폴리이미드 매트릭스 내에 고르게 분산되어 있는 것을 확인할 수 있다.
Referring to FIG. 7, it can be seen that the polyurea porous body having a diameter of about 60 nm to 70 nm is uniformly dispersed in the polyimide matrix.
<제조예 4>≪ Preparation Example 4 &
상기 제조예 3에서 수행한 방법과 동일한 방법을 수행하여 폴리우레아 다공질체 용액과 폴리아믹에시드 용액을 제조하였다.A polyurea porous solution and a polyamic acid solution were prepared by the same method as described in Preparation Example 3 above.
폴리우레아 다공질체 용액이 15v/v%로 존재하도록 폴리우레아 다공질체 용액과 폴리아믹에시드 용액을 혼합하고 혼합용액을 충분히 교반시켰다. 다음, 상기 혼합용액을 유리판에 캐스팅하여 60℃에서 2시간, 그리고 100℃, 200℃, 300℃에서 각각 한 시간씩 열처리하여 최종적으로 폴리우레아 다공질체-폴리이미드 복합체막을 제조하였다.
The polyurea porous solution and the polyamic acid solution were mixed so that the polyurea porous solution was present at 15v / v%, and the mixed solution was sufficiently stirred. Next, the mixed solution was cast on a glass plate and heat-treated at 60 ° C. for 2 hours and at 100 ° C., 200 ° C., and 300 ° C. for 1 hour to finally prepare a porous polyurea-polyimide composite membrane.
도 8은 상기 제조예 4에 의해 제조된 폴리우레아 다공질체-폴리이미드 복합체막의 AFM 이미지이다.8 is an AFM image of the polyurea porous body-polyimide composite membrane prepared according to Preparation Example 4.
도 9a 및 도 9b는 각각 상기 제조예 4에 의해 제조된 폴리우레아 다공질체-폴리이미드 복합체막의 SEM 표면 이미지 및 SEM 단면 이미지이다.9A and 9B are SEM surface images and SEM cross-sectional images of the polyurea porous body-polyimide composite membrane prepared according to Preparation Example 4, respectively.
도 8 및 도 9a를 참조하면, 지름 60nm 내지 70nm 정도의 폴리우레아 다공질체가 폴리이미드 매트릭스 내에 고르게 분산되어 있는 것을 확인할 수 있다.8 and 9A, it can be seen that the polyurea porous body having a diameter of about 60 nm to 70 nm is uniformly dispersed in the polyimide matrix.
도 9b를 참조하면, 폴리우레아 다공질체 간의 상호작용(도 2b의 구조를 갖는 폴리우레아 다공질체 간에 형성된 물리적 결합)에 의한 퍼콜레이션에 의해 폴리이미드 매트릭스 내에 나노채널이 형성됨을 확인할 수 있다.
Referring to FIG. 9B, it can be seen that nanochannels are formed in the polyimide matrix by percolation by the interaction between the polyurea porous bodies (physical bonds formed between the polyurea porous bodies having the structure of FIG. 2B).
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형 및 변경이 가능하다.In the above, the present invention has been described in detail with reference to preferred embodiments, but the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications and changes by those skilled in the art within the spirit and scope of the present invention. You can change it.
Claims (17)
상기 폴리이미드 매트릭스 내에 함유된 폴리우레아 다공질체를 포함하는 폴리우레아 다공질체-폴리이미드 복합체막.Polyimide matrix; And
Polyurea porous-polyimide composite membrane comprising a polyurea porous body contained in the polyimide matrix.
상기 폴리이미드는 다이아민 단량체와 다이안하이드의 단량체의 반응에 의해 형성되는 것인 폴리우레아 다공질체-폴리이미드 복합체막.The method of claim 1,
The polyimide is a polyurea porous-polyimide composite membrane formed by the reaction of a diamine monomer and a monomer of dianhydride.
상기 다이아민 단량체는 하기 제1 화합물군에서 선택되는 적어도 어느 하나이고, 상기 다이안하이드라이드 단량체는 하기 제2 화합물군에서 선택되는 적어도 어느 하나인 폴리우레아 다공질체-폴이이미드 복합체막:
<제1 화합물군>
, , ,
<제2 화합물군>
, , , , , , The method of claim 2,
The diamine monomer is at least one selected from the following first compound group, and the dianhydride monomer is at least one selected from the following second compound group: Polyurea porous-polyimide composite membrane:
<1st compound group>
, , ,
<Second compound group>
, , , , , ,
상기 폴리우레아 다공질체는 하기 화학식 1로 표시되는 단량체와 2~4개의 이소시아네이트기를 갖는 단량체의 중합에 의하거나 하기 화학식 2로 표시되는 단량체와 2~4개의 아미노기를 갖는 단량체의 중합에 의해 형성되는 것인 폴리우레아 다공질체-폴리이미드 복합체막:
<화학식 1>
상기 식에서, X는 탄소 원자 또는 실리콘 원자이다.
<화학식 2>
상기 식에서, X는 탄소 원자 또는 실리콘 원자이다.The method of claim 1,
The polyurea porous body is formed by polymerization of a monomer represented by the following formula (1) and a monomer having 2 to 4 isocyanate groups or by polymerization of a monomer represented by the following formula (2) and a monomer having 2 to 4 amino groups Phosphorus Polyurea Porous-Polyimide Composite Membrane:
<Formula 1>
Wherein X is a carbon atom or a silicon atom.
<Formula 2>
Wherein X is a carbon atom or a silicon atom.
상기 2~4개의 이소시아네이트기를 갖는 단량체는 2~4개의 이소시아네이트기로 치환된 C1~C20의 지방족 화합물 또는 2~4개의 이소시아네이트기로 치환된 C6~C30의 방향족 화합물이고, 상기 2~4개의 아미노기를 갖는 단량체는 2~4개의 아미노기로 치환된 C1~C20의 지방족 화합물 또는 2~4개의 아미노기로 치환된 C6~C30의 방향족 화합물인 것인 폴리우레아 다공질체-폴리이미드 복합체막.The method of claim 4, wherein
The monomer having 2 to 4 isocyanate groups is a C1 to C20 aliphatic compound substituted with 2 to 4 isocyanate groups or a C6 to C30 aromatic compound substituted with 2 to 4 isocyanate groups, and the monomer having 2 to 4 amino groups. Is a C1 to C20 aliphatic compound substituted with 2 to 4 amino groups or a C6 to C30 aromatic compound substituted with 2 to 4 amino groups.
상기 2개의 이소시아네이트기로 치환된 C1~C20의 지방족 화합물 또는 상기 2개의 아미노기로 치환된 C1~C20의 지방족 화합물은 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물이며,
<화학식 3>
(상기 식에서, R은 모두 이소시아네이트기 또는 모두 아미노기이고, n은 2~6의 정수이다)
상기 2~4개의 이소시아네이트기로 치환된 C6~C30의 방향족 화합물 및 또는 2~4개의 아미노기로 치환된 C6~C30의 방향족 화합물은 하기 화학식 4 내지 화학식 10으로 표시되는 화합물로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나인 폴리우레아 다공질체-폴리이미드 복합체막:
<화학식 4>
<화학식 5>
<화학식 6>
<화학식 7>
<화학식 8>
<화학식 9>
<화학식 10>
(상기 식들에서, R은 모두 이소시아네이트기 또는 모두 아미노기이다)The method of claim 5,
The C1-C20 aliphatic compound substituted with the two isocyanate groups or the C1-C20 aliphatic compound substituted with the two amino groups is a compound represented by the following formula (3),
<Formula 3>
(Wherein R is all isocyanate groups or all amino groups, and n is an integer of 2 to 6)
At least any one selected from the group consisting of C6 to C30 aromatic compounds substituted with 2 to 4 isocyanate groups and C6 to C30 aromatic compounds substituted with 2 to 4 amino groups One Polyurea Porous-Polyimide Composite Membrane:
<Formula 4>
<Formula 5>
<Formula 6>
<Formula 7>
(8)
≪ Formula 9 >
<Formula 10>
(Wherein R is all isocyanate groups or all amino groups)
상기 복합체막은 폴리우레아 다공질체가 폴리이미드 매트릭스 내에 고르게 분산된 미세다공성 복합체막인 것인 폴리우레아 다공질체-폴리이미드 복합체막.The method of claim 1,
The composite membrane is a polyurea porous body-polyimide composite membrane, wherein the polyurea porous body is a microporous composite membrane evenly dispersed in the polyimide matrix.
상기 복합체막은 폴리우레아 다공질체의 퍼콜레이션에 의해 형성된 나노채널을 포함하는 것인 폴리우레아 다공질체-폴리이미드 복합체막.The method of claim 1,
The composite membrane is a polyurea porous-polyimide composite membrane comprising a nanochannel formed by the percolation of the polyurea porous body.
상기 퍼콜레이션은 폴리우레아 다공질체에 존재하는 관능기에 의한 다공질체 간의 공유결합에 의하거나 다공질체 간의 상호작용에 의한 물리적 결합에 의한 것인 폴리우레아 다공질체-폴리이미드 복합체막.The method of claim 8,
The percolation is a polyurea porous-polyimide composite membrane by covalent bonds between the porous bodies by functional groups present in the polyurea porous body or by physical bonding by interaction between the porous bodies.
상기 폴리우레아 다공질체 용액과 상기 폴리아믹에시드 용액을 혼합하는 단계; 및
상기 혼합용액을 기판 상에 도포한 후 열처리하는 단계를 포함하는 폴리우레아 다공질체-폴리이미드 복합체막 제조방법.Preparing a polyurea porous solution solution and a polyamic acid solution;
Mixing the polyurea porous solution and the polyamic acid solution; And
Polyurea porous-polyimide composite membrane manufacturing method comprising the step of applying the mixed solution on a substrate and then heat treatment.
(a) 하기 화학식 1로 표시되는 단량체가 용해된 용액과 2~4개의 이소시아네이트기를 갖는 단량체가 용해된 용액을 혼합하거나 하기 화학식 2로 표시되는 단량체가 용해된 용액과 2~4개의 아미노기를 갖는 단량체가 용해된 용액을 혼합하는 단계; 및
(b) 상기 혼합용액을 질소 분위기 하에서 반응시키는 단계를 포함하는 폴리우레아 다공질체-폴리이미드 복합체막 제조방법:
<화학식 1>
상기 식에서, X는 탄소 원자 또는 실리콘 원자이다.
<화학식 2>
상기 식에서, X는 탄소 원자 또는 실리콘 원자이다.The method of claim 10, wherein preparing the polyurea porous solution
(a) Mixing the solution in which the monomer represented by the following formula (1) is dissolved and the solution in which the monomer having 2 to 4 isocyanate groups are dissolved or the solution having the monomer represented by the following formula (2) and the monomer having 2 to 4 amino groups Mixing the dissolved solution; And
(B) a method for producing a polyurea porous body-polyimide composite membrane comprising the step of reacting the mixed solution under a nitrogen atmosphere:
<Formula 1>
Wherein X is a carbon atom or a silicon atom.
<Formula 2>
Wherein X is a carbon atom or a silicon atom.
(c) 상기 반응용액을 물로 퀀칭하고 가열한 후 비용매에 첨가하여 침전물을 형성하는 단계; 및
(d) 상기 침전물을 세척하고 건조한 후 용매에 분산시키는 단계를 더 포함하는 폴리우레아 다공질체-폴리이미드 복합체막 제조방법.The method of claim 11, wherein after performing step (b)
(c) quenching the reaction solution with water, heating and adding the non-solvent to form a precipitate; And
(d) washing the precipitate, drying and dispersing in a solvent, the method of preparing a polyurea porous-polyimide composite membrane.
상기 2~4개의 이소시아네이트기를 갖는 단량체는 2~4개의 이소시아네이트기로 치환된 C1~C20의 지방족 화합물 또는 2~4개의 이소시아네이트기로 치환된 C6~C30의 방향족 화합물이고, 상기 2~4개의 아미노기를 갖는 단량체는 2~4개의 아미노기로 치환된 C1~C20의 지방족 화합물 또는 2~4개의 아미노기로 치환된 C6~C30의 방향족 화합물인 폴리우레아 다공질체-폴리이미드 복합체막 제조방법.The method of claim 11,
The monomer having 2 to 4 isocyanate groups is a C1 to C20 aliphatic compound substituted with 2 to 4 isocyanate groups or a C6 to C30 aromatic compound substituted with 2 to 4 isocyanate groups, and the monomer having 2 to 4 amino groups. Is a C1 to C20 aliphatic compound substituted with 2 to 4 amino groups, or a C6 to C30 aromatic compound substituted with 2 to 4 amino groups, a polyurea porous-polyimide composite membrane manufacturing method.
상기 2개의 이소시아네이트기로 치환된 C1~C20의 지방족 화합물 또는 상기 2개의 아미노기로 치환된 C1~C20의 지방족 화합물은 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물이며,
<화학식 3>
(상기 식에서, R은 모두 이소시아네이트기 또는 모두 아미노기이고, n은 2~6의 정수이다)
상기 2~4개의 이소시아네이트기로 치환된 C6~C30의 방향족 화합물 및 또는 2~4개의 아미노기로 치환된 C6~C30의 방향족 화합물은 하기 화학식 4 내지 화학식 10으로 표시되는 화합물로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나인 폴리우레아 다공질체 제조방법:
<화학식 4>
<화학식 5>
<화학식 6>
<화학식 7>
<화학식 8>
<화학식 9>
<화학식 10>
(상기 식들에서, R은 모두 이소시아네이트기 또는 모두 아미노기이다)The method of claim 13,
The C1-C20 aliphatic compound substituted with the two isocyanate groups or the C1-C20 aliphatic compound substituted with the two amino groups is a compound represented by the following formula (3),
<Formula 3>
(Wherein R is all isocyanate groups or all amino groups, and n is an integer of 2 to 6)
At least any one selected from the group consisting of C6 to C30 aromatic compounds substituted with 2 to 4 isocyanate groups and C6 to C30 aromatic compounds substituted with 2 to 4 amino groups How to prepare one polyurea porous body:
<Formula 4>
<Formula 5>
<Formula 6>
<Formula 7>
(8)
≪ Formula 9 >
<Formula 10>
(Wherein R is all isocyanate groups or all amino groups)
다이아민 단량체와 다이안하이드라이드 단량체를 용액 상에서 혼합하는 단계; 및
상기 혼합용액을 상온, 질소 분위기 하에서 반응시키는 단계를 포함하는 폴리우레아 다공질체-폴리이미드 복합체막 제조방법.The method of claim 10, wherein preparing the polyamic acid solution
Mixing the diamine monomer and the dianhydride monomer on a solution; And
Method for producing a polyurea porous-polyimide composite membrane comprising the step of reacting the mixed solution at room temperature, nitrogen atmosphere.
상기 다이아민 단량체는 하기 제1 화합물군에서 선택되는 적어도 어느 하나이고, 상기 다이안하이드라이드 단량체는 하기 제2 화합물군에서 선택되는 적어도 어느 하나인 폴리우레아 다공질체-폴이이미드 복합체막 제조방법:
<제1 화합물군>
, , ,
<제2 화합물군>
, , , , , , 16. The method of claim 15,
The diamine monomer is at least one selected from the following first compound group, and the dianhydride monomer is at least any one selected from the following second compound group polyurea porous-polyimide composite membrane manufacturing method:
<1st compound group>
, , ,
<Second compound group>
, , , , , ,
상기 폴리아믹에시드 용액의 농도는 10 내지 20 wt/vol%인 폴리우레아 다공질체-폴리이미드 복합체막 제조방법.The method of claim 10,
The concentration of the polyamic acid solution is 10 to 20 wt / vol% polyurea porous-polyimide composite membrane manufacturing method.
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