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KR102193769B1 - Polymer electrolyte membrane with cosolvent, the method for producing the same and the energy saving device comprising the same. - Google Patents

Polymer electrolyte membrane with cosolvent, the method for producing the same and the energy saving device comprising the same. Download PDF

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KR102193769B1
KR102193769B1 KR1020180147641A KR20180147641A KR102193769B1 KR 102193769 B1 KR102193769 B1 KR 102193769B1 KR 1020180147641 A KR1020180147641 A KR 1020180147641A KR 20180147641 A KR20180147641 A KR 20180147641A KR 102193769 B1 KR102193769 B1 KR 102193769B1
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KR
South Korea
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polymer
polymer electrolyte
electrolyte composite
composite membrane
asfp
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정호영
노성희
정지현
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전남대학교산학협력단
조선대학교산학협력단
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Publication date
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Abstract

본 발명은 고분자전해질 복합막 및 그 제조방법에 대한 것으로, 보다 구체적으로는 고분자전해질 복합막 제조시 성능을 극대화할 수 있는 용매 후보군의 평가를 통해, 복합용매 후보군을 선택하고 그 비율을 최적화하여 적용한 복합용매를 도입한 고분자전해질 복합막, 상기 고분자전해질 복 합막 제조방법 및 상기 고분자전해질 복합막을 포함하는 에너지 저장장치에 관한 것이다.The present invention relates to a polymer electrolyte composite membrane and a method of manufacturing the same, and more specifically, through the evaluation of a solvent candidate group capable of maximizing performance when manufacturing a polymer electrolyte composite membrane, a composite solvent candidate group is selected and the ratio is optimized and applied. It relates to a polymer electrolyte composite membrane into which a composite solvent is introduced, a method of manufacturing the polymer electrolyte composite membrane, and an energy storage device including the polymer electrolyte composite membrane.

Description

복합용매를 도입한 고분자전해질 복합막, 상기 고분자전해질 복합막 제조방법 및 상기 고분자전해질 복합막을 포함하는 에너지 저장장치{Polymer electrolyte membrane with cosolvent, the method for producing the same and the energy saving device comprising the same.}Polymer electrolyte membrane with cosolvent, the method for producing the same and the energy saving device comprising the same. }

본 발명은 고분자전해질 복합막 및 그 제조방법에 대한 것으로, 보다 구체적으로는 고분자전해질 복합막 제조시 성능을 극대화할 수 있는 용매 후보군의 평가를 통해, 복합용매 후보군을 선택하고 그 비율을 최적화하여 적용한 복합용매를 도입한 고분자전해질 복합막, 상기 고분자전해질 복 합막 제조방법 및 상기 고분자전해질 복합막을 포함하는 에너지 저장장치에 관한 것이다.The present invention relates to a polymer electrolyte composite membrane and a method of manufacturing the same, and more specifically, through the evaluation of a solvent candidate group capable of maximizing performance when manufacturing a polymer electrolyte composite membrane, a composite solvent candidate group is selected and the ratio is optimized and applied. It relates to a polymer electrolyte composite membrane into which a composite solvent is introduced, a method of manufacturing the polymer electrolyte composite membrane, and an energy storage device including the polymer electrolyte composite membrane.

에너지 저장장치(Energy Storage System, 이하 ESS)에 적용되는 이온교환막의 경우, 주로 높은 이온 전도성으로 인해 과불소계 고분자(Perfluorosulfonic acid, PFSA) 및 술폰화된 탄화수소계 고분자가 쓰이고 있는 상황이다. 하지만, 탄화수소계 고분자의 경우 연료전지 및 RFB 시스템에 적용될 경우, 낮은 화학 안정성으로 인해 장기 구동의 안정성이 낮아 에너지 저장장치에 적용하기 어렵다.In the case of an ion exchange membrane applied to an energy storage system (ESS), a perfluorosulfonic acid (PFSA) and a sulfonated hydrocarbon-based polymer are mainly used due to high ion conductivity. However, when the hydrocarbon-based polymer is applied to a fuel cell and an RFB system, it is difficult to apply it to an energy storage device due to low stability of long-term driving due to low chemical stability.

따라서, 많은 연구에서 PFSA 고분자를 기반으로 하여 이온교환막을 제조해왔으나, PFSA의 높은 가격으로 인해 PFSA와 특정 물질을 블렌딩하여 그 비율을 낮추는 연구를 시행해왔다. 그 중 대표적인 하나로, 무기 입자를 고분자화 시켜 이온전도성을 최대한 유지함과 동시에 화학적으로도 안정한 고분자전해질 복합막을 제조하고자 하는 연구가 보고된 바 있다. Therefore, in many studies, ion exchange membranes have been manufactured based on PFSA polymers, but due to the high price of PFSA, studies have been conducted to reduce the ratio by blending PFSA and specific materials. As a representative of them, studies have been reported to produce a polymer electrolyte composite membrane that is chemically stable while maintaining ionic conductivity as much as possible by polymerizing inorganic particles.

한편, 고분자전해질 복합막의 화학적 안정성 및 이온전도성에 큰 영향을 주는 요소 중 하나는 용매인데, 탄화수소계 고분자의 용매를 다르게 하여 보고한 연구는 몇 차례 보고된 바 있으나 PFSA 및 무기 입자를 블렌딩한 고분자전해질 복합막 용매에 대한 연구는 보고된바 없다.On the other hand, one of the factors that greatly affect the chemical stability and ionic conductivity of the polymer electrolyte composite membrane is a solvent, and studies that have reported different solvents of hydrocarbon-based polymers have been reported several times, but polymer electrolytes blended with PFSA and inorganic particles. No studies on the composite membrane solvent have been reported.

대한민국공개특허번호 제 10-2018-0003098 호Korean Patent Publication No. 10-2018-0003098

본 발명자들은 다수의 연구결과 이온전도성 고분자 내에 무기 입자를 적용함과 동시에 용매를 다르게 도입하여 기본 물성평가 및 화학적 안정성 평가를 통해 최적의 용매 및 복합용매를 도출함으로써 본 발명을 완성하였다.As a result of a number of studies, the present inventors completed the present invention by applying inorganic particles in the ion conductive polymer and introducing different solvents to derive the optimum solvent and complex solvent through basic physical property evaluation and chemical stability evaluation.

따라서, 본 발명의 목적은 고분자전해질 복합막의 성능을 극대화시키기 위한 복합용매 및 그 최적의 비율을 선정하여 제조된 고이온전도성/고화학적안정성을 갖는 복합용매를 도입한 고분자전해질 복합막, 상기 고분자전해질 복합막 제조방법 및 상기 고분자전해질 복합막을 포함하는 에너지 저장장치를 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is a polymer electrolyte composite membrane in which a composite solvent having high ionic conductivity/high chemical stability prepared by selecting a composite solvent for maximizing the performance of the polymer electrolyte composite membrane and an optimum ratio thereof is introduced, the polymer electrolyte It is to provide a composite membrane manufacturing method and an energy storage device including the polymer electrolyte composite membrane.

본 발명의 다른 목적은 복합용매를 사용함으로써 제조시 유독성이 감소하여 안전성 향상되고, 비싼 용매를 좀 더 저렴한 용매로 대체할 수 있어 원가가 절감되며, 제조공정을 단순화하여 경제성이 우수하면서도 고분자전해질 복합막의 성능은 우수한 복합용매를 도입한 고분자전해질 복합막, 상기 고분자전해질 복합막 제조방법 및 상기 고분자전해질 복합막을 포함하는 에너지 저장장치를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to improve safety by reducing toxicity during manufacture by using a complex solvent, and to reduce cost by replacing expensive solvents with more inexpensive solvents. The performance of the membrane is to provide a polymer electrolyte composite membrane in which an excellent composite solvent is introduced, a method for manufacturing the polymer electrolyte composite membrane, and an energy storage device including the polymer electrolyte composite membrane.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 아니하며, 구체적으로 언급되지 않았더라도 후술되는 발명의 상세한 설명의 기재로부터 통상의 지식을 가진 자가 인식할 수 있는 발명의 목적 역시 당연히 포함될 수 있을 것이다.The object of the present invention is not limited to the above-mentioned object, and even if it is not specifically mentioned, the object of the invention that one of ordinary skill in the art can recognize from the description of the detailed description of the invention to be described later may naturally be included.

상술된 본 발명의 과제를 해결하기 위해, 먼저 본 발명은 실리카계 기능성 고분자 및 이온전도성 고분자를 1:3 내지 3:1의 중량비로 포함하는 고분자전해질 복합막을 제공한다.In order to solve the problems of the present invention described above, the present invention first provides a polymer electrolyte composite membrane comprising a silica-based functional polymer and an ion conductive polymer in a weight ratio of 1:3 to 3:1.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 실리카계 기능성 고분자는 D-ASFP (Diol Alkoxysilane-functionalized Polymer), BD-ASFP(bisphenol dimethylbenzanthracene ASFP), BDP-ASFP (Polydimethylsiloxane ASFP) 중 어느 하나 이상이고, 이온전도성 고분자는 나피온, 3M아이오노머, 술폰화된 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리아미드계 고분자, 폴리아릴렌아테르계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리포스파젠계 고분자, 폴리스티렌계 고분자, 라디에이션-그라프트된 FEP-g-폴리스티렌(radiation-grafted FEP-g-poly styrene), 라디에이션-그라프트된 PVDF-g-폴리스티렌(radiation-grafted PVDF-g-polystyrene) 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상이다. In a preferred embodiment, the silica-based functional polymer is any one or more of D-ASFP (Diol Alkoxysilane-functionalized Polymer), BD-ASFP (bisphenol dimethylbenzanthracene ASFP), BDP-ASFP (Polydimethylsiloxane ASFP), and the ion conductive polymer is Pion, 3M ionomer, sulfonated fluorine polymer, benzimidazole polymer, polyimide polymer, polyamide polymer, polyarylene ether polymer, polyetherimide polymer, polyphenylene sulfide polymer, poly Sulfone-based polymer, polyethersulfone-based polymer, polyetherketone-based polymer, polyether-etherketone-based polymer, polyphosphagen-based polymer, polystyrene-based polymer, radiation-grafted FEP-g-polystyrene (radiation-grafted FEP) -g-poly styrene), radiation-grafted PVDF-g-polystyrene (radiation-grafted PVDF-g-polystyrene), and polyphenylquinoxaline-based polymer.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 실리카계 기능성 고분자 및 이온전도성 고분자는 DMAc 및 NMP가 1:3 내지 3:1의 중량비로 혼합되어 구성된 복합용매에 용해되어 서로 결합된다. In a preferred embodiment, the silica-based functional polymer and the ion conductive polymer are dissolved in a complex solvent composed of DMAc and NMP in a weight ratio of 1:3 to 3:1, and then bonded to each other.

또한, 본 발명은 복합용매를 준비하는 단계; 상기 복합용매에 실리카계 기능성 고분자 및 이온전도성고분자를 첨가하여 막전구체용액을 준비하는 단계; 상기 막전구체용액을 캐스팅하여 전구체막을 성형하는 단계; 상기 전구체막을 건조하는 단계; 및 상기 건조된 전구체막을 전처리하는 단계;를 포함하는 고분자전해질 복합막 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of preparing a complex solvent; Preparing a membrane precursor solution by adding a silica-based functional polymer and an ion conductive polymer to the complex solvent; Casting the film precursor solution to form a precursor film; Drying the precursor film; And pre-treating the dried precursor layer.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 복합용매는 DMAc 및 NMP가 1:3 내지 3:1의 중량비로 혼합되어 구성된다. In a preferred embodiment, the complex solvent is composed of DMAc and NMP mixed in a weight ratio of 1:3 to 3:1.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 막전구체용액은 상기 실리카계 기능성 고분자 및 이온전도성고분자를 1:3 내지 3:1의 중량비로 포함한다. In a preferred embodiment, the membrane precursor solution contains the silica-based functional polymer and the ion conductive polymer in a weight ratio of 1:3 to 3:1.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 건조단계는 상기 전구체막을 진공상태에서 70℃ 이하의 온도, 70℃ 내지 90℃의 온도 및 100℃이상의 온도로 승온시켜 수행된다. In a preferred embodiment, the drying step is performed by raising the temperature of the precursor film in a vacuum to a temperature of 70° C. or less, a temperature of 70 to 90° C., and a temperature of 100° C. or more.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 전처리하는 단계는 상기 건조된 전구체막을 염기성수용액에 침지시켜 처리한 후 증류수에 침지시키고, 다시 산성수용액에 침지시켜 처리한 후 증류수에 침지시켜 수행된다.In a preferred embodiment, the pretreatment step is carried out by immersing the dried precursor film in a basic aqueous solution, immersing it in distilled water, immersing it in an acidic aqueous solution, and then immersing it in distilled water.

또한, 본 발명은 상술된 어느 하나의 고분자전해질 복합막 또는 상술된 어느 하나의 제조방법으로 제조된 고분자전해질 복합막을 포함하는 에너지저장장치를 제공한다.In addition, the present invention provides an energy storage device including any one of the polymer electrolyte composite membranes described above or the polymer electrolyte composite membrane manufactured by any one of the above-described manufacturing methods.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 에너지저장장치는 레독스 흐름전지 또는 연료전지이다. In a preferred embodiment, the energy storage device is a redox flow cell or a fuel cell.

또한, 본 발명은 상술된 어느 하나의 고분자전해질 복합막 또는 상술된 어느 하나의 제조방법으로 제조된 고분자전해질 복합막을 포함하는 수처리장치를 제공한다.In addition, the present invention provides a water treatment apparatus including any one of the polymer electrolyte composite membranes described above or the polymer electrolyte composite membrane manufactured by any one of the above-described manufacturing methods.

상술된 본 발명에 의하면 용매 후보군에 따른 고분자전해질 복합막을 평가하여 고분자전해질 복합막의 성능을 극대화시키기 위한 최적의 복합용매 및 그 최적의 비율을 선정하여 제조된 고이온전도성/고화학적안정성을 갖는 복합용매를 도입한 고분자전해질 복합막을 제공할 수 있다.According to the present invention described above, a composite solvent having high ionic conductivity/high chemical stability prepared by selecting an optimal composite solvent for maximizing the performance of the polymer electrolyte composite membrane by evaluating the polymer electrolyte composite membrane according to the solvent candidate group and the optimal ratio thereof. It is possible to provide a polymer electrolyte composite membrane having introduced.

또한, 본 발명에 의하면, 에서 높은 독성을 갖는 특정 용매의 비율을 낮추고, 상대적으로 독성이 낮은 용매를 혼합하여 복합용매 즉 복합용매를 사용함으로써 제조시 유독성이 감소하여 안전성 향상되고, 비싼 용매를 좀더 저렴한 용매로 대체할 수 있어 원가가 절감되며, 제조공정을 단순화하여 경제성이 우수한 고분자전해질 복합막 제조공정을 구축할 수 있다.In addition, according to the present invention, by lowering the ratio of a specific solvent having high toxicity in and using a complex solvent, that is, a complex solvent by mixing a solvent with relatively low toxicity, toxicity is reduced during manufacture, thereby improving safety, and more expensive solvents. It can be replaced with an inexpensive solvent, thereby reducing the cost, and simplifying the manufacturing process to establish an economical polymer electrolyte composite membrane manufacturing process.

본 발명의 이러한 기술적 효과들은 이상에서 언급한 범위만으로 제한되지 않으며, 명시적으로 언급되지 않았더라도 후술되는 발명의 실시를 위한 구체적 내용의 기재로부터 통상의 지식을 가진 자가 인식할 수 있는 발명의 효과 역시 당연히 포함된다.These technical effects of the present invention are not limited only to the ranges mentioned above, and even if not explicitly mentioned, the effects of the invention that can be recognized by those of ordinary skill in the art from the description of specific details for the implementation of the invention described later are also Of course it is included.

도 1은 본 발명의 고분자전해질 복합막에 포함되는 실리카계 기능성 고분자의 일 구현예인 D-ASFP (Diol Alkoxysilane-functionalized Polymer)의 구조식을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 고분자전해질 복합막에 포함되는 실리카계 기능성 고분자의 다른 구현예인 BD-ASFP(bisphenol dimethylbenzanthracene Alkoxysilane-functionalized Polymer)의 구조식을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 고분자전해질 복합막에 포함되는 실리카계 기능성 고분자의 또 다른 구현예인 BDP-ASFP (Polydimethylsiloxane Alkoxysilane- functionalized Polymer)의 구조식을 나타낸 것이다.
1 shows the structural formula of D-ASFP (Diol Alkoxysilane-functionalized Polymer), an embodiment of a silica-based functional polymer included in the polymer electrolyte composite membrane of the present invention.
FIG. 2 shows the structural formula of a bisphenol dimethylbenzanthracene Alkoxysilane-functionalized Polymer (BD-ASFP), which is another embodiment of a silica-based functional polymer included in the polymer electrolyte composite membrane of the present invention.
3 shows the structural formula of BDP-ASFP (Polydimethylsiloxane Alkoxysilane-functionalized Polymer), another embodiment of the silica-based functional polymer included in the polymer electrolyte composite film of the present invention.

본 발명에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. The terms used in the present invention are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In the present application, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate the presence of features, numbers, steps, actions, components, parts, or a combination thereof described in the specification, but one or more other features or It is to be understood that the presence or addition of numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof does not preclude the possibility of preliminary exclusion.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다. Terms such as first and second may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. These terms are only used for the purpose of distinguishing one component from another component. For example, without departing from the scope of the present invention, a first component may be referred to as a second component, and similarly, a second component may be referred to as a first component.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms as defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and should not be interpreted as an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present invention. Does not.

이하, 첨부한 도면 및 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the technical configuration of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and preferred embodiments.

그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 본 발명을 설명하기 위해 사용되는 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. The same reference numerals used to describe the present invention throughout the specification denote the same elements.

본 발명의 기술적 특징은 고분자전해질 복합막의 성능을 극대화시키기 위한 복합용매 및 그 최적의 비율을 선정하여 제조된 고이온전도성/고화학적안정성을 갖는 복합용매를 도입한 고분자전해질 복합막, 상기 고분자전해질 복합막 제조방법에 있다.Technical features of the present invention are a polymer electrolyte composite membrane in which a composite solvent having high ionic conductivity/high chemical stability prepared by selecting a composite solvent for maximizing the performance of the polymer electrolyte composite membrane and an optimum ratio thereof is introduced, the polymer electrolyte composite It is in the method of manufacturing the membrane.

즉, 고분자전해질 복합막의 화학적 안정성 및 이온전도성에 큰 영향을 주는 요소 중 하나는 제조시 사용되는 용매이므로, 고분자전해질 복합막 내에 무기 입자를 도입하기 위해 사용된 실리카계 기능성 고분자와 이온전도성 고분자에 동시에 적용할 수 있는 최적의 용매를 두 종을 선택하고, 공용매(cosolvent)화 한 후 그 비율을 최적화한 복합용매를 사용하였기 때문이다. That is, one of the factors that have a great influence on the chemical stability and ion conductivity of the polymer electrolyte composite membrane is the solvent used during manufacture, so the silica-based functional polymer and the ion conductive polymer used to introduce inorganic particles into the polymer electrolyte composite membrane This is because two types of optimal solvents that can be applied were selected, and after cosolvent was used, a complex solvent whose ratio was optimized was used.

따라서, 본 발명의 고분자전해질 복합막은 실리카계 기능성 고분자 및 이온전도성 고분자를 1:3 내지 3:1의 중량비로 포함한다. 실리카계 기능성 고분자 및 이온전도성 고분자의 함량비는 고분자전해질 복합막의 성능 특히 고이온전도성/고화학적안정성을 고려하여 실험적으로 결정된 것이다. Accordingly, the polymer electrolyte composite membrane of the present invention includes a silica-based functional polymer and an ion conductive polymer in a weight ratio of 1:3 to 3:1. The content ratio of the silica-based functional polymer and the ion conductive polymer was experimentally determined in consideration of the performance of the polymer electrolyte composite membrane, especially high ion conductivity/high chemical stability.

여기서, 실리카계 기능성 고분자는 D-ASFP (Diol Alkoxysilane-functionalized Polymer), BD-ASFP(bisphenol dimethylbenzanthracene ASFP), BDP-ASFP (Polydimethylsiloxane ASFP) 중 어느 하나 이상으로서 도 1 내지 도 3에 도시된 구조식을 가질 수 있다. Here, the silica-based functional polymer is any one or more of D-ASFP (Diol Alkoxysilane-functionalized Polymer), BD-ASFP (bisphenol dimethylbenzanthracene ASFP), BDP-ASFP (Polydimethylsiloxane ASFP) and has the structural formula shown in FIGS. 1 to 3. I can.

이온전도성 고분자는 고분자전해질막에 사용될 수 있는 공지의 모든 이온전도성 고분자가 사용될 수 있지만, 일 구현예로서 나피온, 3M아이오노머, 술폰화된 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리아미드계 고분자, 폴리아릴렌아테르계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리포스파젠계 고분자, 폴리스티렌계 고분자, 라디에이션-그라프트된 FEP-g-폴리스티렌(radiation-grafted FEP-g-polystyrene), 라디에이션-그라프트된 PVDF-g-폴리스티렌(radiation-grafted PVDF-g-polystyrene) 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다. As the ion conductive polymer, all known ion conductive polymers that can be used in the polymer electrolyte membrane may be used, but as an embodiment, Nafion, 3M ionomer, sulfonated fluorine polymer, benzimidazole polymer, polyimide polymer , Polyamide polymer, polyarylene ether polymer, polyetherimide polymer, polyphenylene sulfide polymer, polysulfone polymer, polyethersulfone polymer, polyetherketone polymer, polyether-etherketone polymer , Polyphosphazene polymer, polystyrene polymer, radiation-grafted FEP-g-polystyrene, radiation-grafted PVDF-g-polystyrene (radiation-grafted PVDF- g-polystyrene) and polyphenylquinoxaline-based polymer may be any one or more selected from the group consisting of.

특히, 본 발명의 고분자전해질 복합막은 실리카계 기능성 고분자 및 이온전도성 고분자가 DMAc 및 NMP가 1:3 내지 3:1의 중량비로 혼합되어 구성된 복합용매에서 용해된 후 서로 결합되어 형성됨으로써, 고이온전도성/고화학적안정성을 얻을 수 있는 것으로 예측된다.In particular, the polymer electrolyte composite membrane of the present invention is formed by being combined with each other after dissolving in a complex solvent composed of a silica-based functional polymer and an ion conductive polymer mixed in a weight ratio of DMAc and NMP in a weight ratio of 1:3 to 3:1. /It is predicted that high chemical stability can be obtained.

또한, 본 발명의 고분자전해질 복합막 제조방법은 복합용매를 준비하는 단계; 상기 복합용매에 실리카계 기능성 고분자 및 이온전도성고분자를 첨가하여 막전구체용액을 준비하는 단계; 상기 막전구체용액을 캐스팅하여 전구체막을 성형하는 단계; 상기 전구체막을 건조하는 단계; 및 상기 건조된 전구체막을 전처리하는 단계;를 포함한다.In addition, the method for producing a polymer electrolyte composite film of the present invention comprises: preparing a composite solvent; Preparing a membrane precursor solution by adding a silica-based functional polymer and an ion conductive polymer to the complex solvent; Casting the film precursor solution to form a precursor film; Drying the precursor film; And pre-treating the dried precursor film.

여기서, 복합용매는 디메틸아세트아미드(Dimethylacetamide;DMAc) N-메틸-2-피롤리디논(N-Methyl-2-pyrrolidone, NMP)가 1:3 내지 3:1의 중량비로 혼합되어 구성될 수 있다. 후술하는 바와 같이 본 발명의 복합용매를 구성하는 용매의 종류 및 배합비는 복합용매를 이용하여 제조된 고분자전해질 복합막의 특성 실험을 통해 최적범위를 갖도록 결정된 것이다. 따라서, 복합용매를 준비하는 단계는 DMAc와 NMP를 반응용기에 일정 중량비를 갖도록 첨가하여 수행될 수 있다. 필요한 경우 균질화를 위해 혼합하는 과정을 더 수행할 수도 있을 것이다. Here, the complex solvent may be formed by mixing dimethylacetamide (DMAc) N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP) in a weight ratio of 1:3 to 3:1. . As will be described later, the types and mixing ratios of the solvents constituting the composite solvent of the present invention are determined to have an optimum range through a characteristic experiment of the polymer electrolyte composite membrane prepared using the composite solvent. Therefore, the step of preparing the complex solvent may be performed by adding DMAc and NMP to the reaction vessel to have a certain weight ratio. If necessary, further mixing for homogenization may be performed.

막전구체용액을 준비하는 단계는 준비된 복합용매에 순서에 관계없이 실란계 기능성고분자 및 이온전도성고분자를 첨가한 후 상온에서 교반하여 수행될 수 있다. 이 때, 막전구체용액은 실리카계 기능성 고분자 및 이온전도성고분자를 1:3 내지 3:1의 중량비로 포함하도록 준비될 수 있는데, 상술된 바와 같이 실리카계 기능성 고분자 및 이온전도성 고분자의 함량비는 고분자전해질 복합막의 성능 특히 고이온전도성/고화학적안정성을 고려하여 실험적으로 결정된 것이다. The step of preparing the membrane precursor solution may be performed by adding a silane-based functional polymer and an ion conductive polymer in any order to the prepared complex solvent and then stirring at room temperature. At this time, the membrane precursor solution may be prepared to contain a silica-based functional polymer and an ion conductive polymer in a weight ratio of 1:3 to 3:1. As described above, the content ratio of the silica-based functional polymer and the ion conductive polymer is a polymer It was determined experimentally in consideration of the performance of the electrolyte composite membrane, especially high ionic conductivity/high chemical stability.

전구체막을 성형하는 단계는 일 구현예로서 막전구체용액을 유리판 등 평판 상에 도포한 후 닥터블레이드로 얇게 성형함으로써 수행될 수 있다.The step of forming the precursor film may be performed by applying a film precursor solution onto a flat plate such as a glass plate and then forming a thin film with a doctor blade as an embodiment.

건조하는 단계는 전구체막을 진공상태에서 70℃ 이하의 온도, 70℃ 내지 90℃의 온도 및 100℃이상의 온도로 승온시켜 수행되는데, 일 구현예로서 진공오븐에서 60℃로 8시간동안 유지한 후, 90℃에서 8시간동안 처리하고, 110℃에서 8시간동안 추가로 처리하여 수행될 수 있다.The drying step is performed by raising the temperature of the precursor film in a vacuum to a temperature of 70° C. or less, a temperature of 70° C. to 90° C., and a temperature of 100° C. or more, and as an embodiment, after maintaining the precursor film at 60° C. for 8 hours, Treatment at 90° C. for 8 hours and further treatment at 110° C. for 8 hours may be performed.

전처리하는 단계는 얻어진 전구체막 표면의 오염물을 처리함과 동시에 복합막 내의 친수성 그룹들을 활성화하여 이온 전달 채널을 효과적으로 형성하기 위해 수행되는 단계이다. 일 구현예로서 건조된 전구체막을 염기성수용액에 침지시켜 처리한 후 증류수에 침지시키고, 다시 산성수용액에 침지시켜 처리한 후 증류수에 침지시켜 수행될 수 있는데, 후술하는 실시예에서 염기성수용액은 과산화수소수가 산성수용액은 황산수용액이 사용되었다. 여기서, 침지처리는 20~90℃ 온도범위에서 0.1 ~ 2시간 동안 수행될 수 있다.The pretreatment step is performed to effectively form an ion transport channel by activating hydrophilic groups in the composite film while simultaneously treating contaminants on the surface of the obtained precursor film. As an embodiment, the dried precursor film may be immersed in a basic aqueous solution, treated, and then immersed in distilled water, and then treated by immersing in an acidic aqueous solution, and then immersed in distilled water.In the examples described later, the basic aqueous solution is an acidic solution of hydrogen peroxide. As the aqueous solution, aqueous sulfuric acid solution was used. Here, the immersion treatment may be performed for 0.1 to 2 hours at a temperature range of 20 to 90°C.

이상의 구성을 통해 본 발명의 고분자전해질복합막은 우수한 특성을 나타내는데 특히 고이온전도성/고화학적안정성을 구현할 수 있다. Through the above configuration, the polymer electrolyte composite membrane of the present invention exhibits excellent properties, and in particular, high ionic conductivity/high chemical stability can be realized.

따라서, 본 발명의 레독스흐름전지나 연료전지와 같은 에너지저장장치 및 수처리 장치는 고이온전도성 및 고화학적안정성을 갖는 고분자전해질복합막을 포함함으로써 안정적인 성능을 확보할 수 있다.Accordingly, the energy storage device and water treatment device such as a redox flow cell or a fuel cell of the present invention can secure stable performance by including a polymer electrolyte composite membrane having high ionic conductivity and high chemical stability.

실시예 1Example 1

1. 복합용매를 준비하는 단계 1. Steps to prepare a complex solvent

반응용기에 DMAc 및 NMP를 3:1의 중량비로 첨가하여 복합용매1을 제조하였다.Complex solvent 1 was prepared by adding DMAc and NMP in a weight ratio of 3:1 to the reaction vessel.

2. 막전구체용액을 준비하는 단계2. Preparing the membrane precursor solution

고형분 2g을 기준으로 이온전도성 고분자로서 PFSA 고분자가 75wt%, 실란계 기능성 고분자로서 도 1에 도시된 D-ASFP (Diol Alkoxysilane-functionalized Polymer)가 25wt%가 되도록 복합용매1에 첨가한 후 상온에서 1시간동안 교반하여 막전구체용액을 얻었다. Based on 2 g of solid content, 75 wt% of PFSA polymer as an ion conductive polymer and 25 wt% of D-ASFP (Diol Alkoxysilane-functionalized Polymer) shown in FIG. 1 as a silane-based functional polymer were added to the complex solvent 1 at room temperature. After stirring for a period of time, a membrane precursor solution was obtained.

3. 전구체막을 성형하는 단계3. Step of forming the precursor film

막전구체용액을 유리판 위에 도포한 후 닥터블레이드로 얇게 성형하여 전구체막을 얻었다.After the film precursor solution was applied on a glass plate, it was formed thinly with a doctor blade to obtain a precursor film.

4. 건조하는 단계 4. Drying step

진공오븐에 전구체막을 넣고 60℃, 90℃, 110℃의 순서로 각각 8시간 동안 유지하면서 서서히 승온시켜 올려주면서 처리하여 건조된 전구체막을 얻었다. The precursor film was placed in a vacuum oven, maintained for 8 hours in the order of 60°C, 90°C, and 110°C, and gradually heated up and treated to obtain a dried precursor film.

5. 전처리하는 단계5. Pre-treatment steps

건조된 전구체막을 증류수에 침지한 후, 3% 과산화수소, 0.5M H2SO4 수용액, 증류수를 각각 50ml씩 준비하여 50℃로 설정된 플레이트 위에 배치한다. 이후, 3% 과산화수소, 증류수, 0.5M H2SO4 수용액, 증류수 순으로 각 단계별로 30분씩 방치하여 전처리 단계를 수행하여 고분자전해질 복합막1(D3N1)을 얻었다. After the dried precursor film is immersed in distilled water, 50 ml of 3% hydrogen peroxide, 0.5MH 2 SO 4 aqueous solution, and distilled water are each prepared and placed on a plate set at 50°C. Thereafter, 3% hydrogen peroxide, distilled water, 0.5MH 2 SO 4 aqueous solution, and distilled water were allowed to stand for 30 minutes each step in order to perform a pretreatment step to obtain a polymer electrolyte composite membrane 1 (D3N1).

실시예 2Example 2

복합용매1이 아니라 DMAc 및 NMP를 1:1의 중량비로 첨가하여 제조된 복합용매2를 사용한 것을 제외하면 실시예1과 동일한 방법을 수행하여 고분자전해질 복합막2(D1N1)을 얻었다. A polymer electrolyte composite film 2 (D1N1) was obtained in the same manner as in Example 1 except for using the composite solvent 2 prepared by adding DMAc and NMP in a weight ratio of 1:1, not the composite solvent 1.

실시예 3Example 3

복합용매1이 아니라 DMAc 및 NMP를 1:3의 중량비로 첨가하여 제조된 복합용매3을 사용한 것을 제외하면 실시예1과 동일한 방법을 수행하여 고분자전해질 복합막3(D1N3)을 얻었다. A polymer electrolyte composite film 3 (D1N3) was obtained in the same manner as in Example 1, except for using the composite solvent 3 prepared by adding DMAc and NMP in a weight ratio of 1:3 instead of the composite solvent 1.

비교예 1Comparative Example 1

PFSA 고분자를 DMAc에 넣어 20wt% PFSA 용액으로 제조하고, 실리카계 기능성고분자로서 도 1에 도시된 D-ASFP를 DMAc에 넣어 50wt%의 농도로 희석된 용액을 준비한 후 고형분 2g을 기준으로 이온전도성 고분자가 75wt%, 실란계 기능성 고분자가 25wt%가 되도록 DMAc 내에서 용액상으로 혼합하여 상온에서 1시간동안 교반하여 막전구체용액을 제조한 것을 제외하면 실시예1과 동일한 방법을 수행하여 비교예고분자전해질 복합막1(DMAc)를 얻었다. PFSA polymer was added to DMAc to prepare a 20wt% PFSA solution, and D-ASFP shown in FIG. 1 as a silica-based functional polymer was added to DMAc to prepare a solution diluted to a concentration of 50wt%, and then an ion conductive polymer based on 2g of solid content. Comparative Example Polymer electrolyte was carried out in the same manner as in Example 1, except that the membrane precursor solution was prepared by mixing in DMAc in a solution phase so as to be 75 wt% and 25 wt% of the silane-based functional polymer and stirred at room temperature for 1 hour. A composite film 1 (DMAc) was obtained.

비교예 2 Comparative Example 2

용매로 DMAc가 아니라 DMF가 사용된 것을 제외하면 비교예1과 동일한 방법을 수행하여 비교예고분자전해질 복합막2(DMF)를 얻었다. A comparative example polymer electrolyte composite film 2 (DMF) was obtained by performing the same method as in Comparative Example 1, except that DMF instead of DMAc was used as the solvent.

비교예 3Comparative Example 3

용매로 DMAc가 아니라 NMP가 사용된 것을 제외하면 비교예1과 동일한 방법을 수행하여 비교예고분자전해질 복합막3(NMP)를 얻었다. Comparative Example Polymer Electrolyte Composite Film 3 (NMP) was obtained by performing the same method as in Comparative Example 1, except that NMP instead of DMAc was used as the solvent.

실시예1 내지 3 및 비교예 1 내지 3에서 제조된 고분자전해질 복합막의 샘플 명을 하기 표 1에 나타내었다.Sample names of the polymer electrolyte composite membranes prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 are shown in Table 1 below.

샘플명Sample name 고분자 조성Polymer composition 용매조성Solvent composition DMAc(비교예고분자전해질복합막1)DMAc (Comparative Prepolymer Electrolyte Composite Membrane 1) PFSA+ASFP
(75 wt% : 25 wt%)
PFSA+ASFP
(75 wt%: 25 wt%)
DMAcDMAc
DMF(비교예고분자전해질복합막2)DMF (Comparative Preliminary Polymer Electrolyte Composite Membrane 2) DMFDMF NMP(비교예고분자전해질복합막3)NMP (Comparative Preliminary Polymer Electrolyte Composite Membrane 3) NMPNMP D3N1(고분자전해질복합막1)D3N1 (Polymer electrolyte composite film 1) DMAc : NMP
(75 wt% : 25 wt%)
DMAc: NMP
(75 wt%: 25 wt%)
D1N1(고분자전해질복합막2)D1N1 (polymer electrolyte composite film 2) DMAc : NMP
(50 wt% : 50 wt%)
DMAc: NMP
(50 wt%: 50 wt%)
D1N3(고분자전해질복합막3)D1N3 (polymer electrolyte composite film 3) DMAc : NMP
(25 wt% : 75 wt%)
DMAc: NMP
(25 wt%: 75 wt%)

실험예 1Experimental Example 1

실시예1 내지 3 및 비교예1 내지 3에서 얻어진 고분자전해질복합막1 내지 3과 비교예고분자전해질복합막1 내지 3을 대상으로 다음과 같이 함수율을 측정하고 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다. The moisture content was measured for the polymer electrolyte composite membranes 1 to 3 and the polymer electrolyte composite membranes 1 to 3 obtained in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 as follows, and the results are shown in Table 2 below.

고분자전해질 복합막 시료의 함수율(Water Uptake)을 측정하기 위해, 측정할 시료들을 진공 상태하의 100℃ 오븐에서 24시간 이상 건조한 후 질량 및 가로/세로 길이를 측정하고, 증류수 내에 24시간 이상 침지하였다. 이후, 고분자전해질 복합막 표면의 수분을 제거하고, 상온에서의 무게 및 치수변화를 각각 세 번씩 측정하여 평균 값을 도출하였다. 상기 방법과 같은 방식으로, 30℃, 50℃, 70℃에서 무게를 각각 세 번씩 측정하여 하기 식에 적용해 평균 값을 계산하였다.In order to measure the water content (Water Uptake) of the polymer electrolyte composite membrane sample, the samples to be measured were dried in an oven at 100° C. under vacuum for 24 hours or more, and then the mass and length/length were measured, and immersed in distilled water for 24 hours or more. Thereafter, moisture on the surface of the polymer electrolyte composite membrane was removed, and the weight and dimensional change at room temperature were measured three times each to derive an average value. In the same manner as the above method, the weight was measured three times at 30°C, 50°C, and 70°C, and the average value was calculated by applying to the following equation.

[식 1][Equation 1]

Figure 112018117858126-pat00001
Figure 112018117858126-pat00001

Water Uptake(%)Water Uptake(%) 30℃30℃ 50℃50℃ 70℃70℃ Nafion 212Nafion 212 20.420.4 32.232.2 41.241.2 DMAcDMAc 23.023.0 37.237.2 48.148.1 DMFDMF 21.121.1 33.333.3 44.344.3 NMPNMP 22.322.3 35.235.2 46.746.7 D3N1D3N1 23.523.5 36.936.9 47.947.9 D1N1D1N1 22.922.9 35.835.8 47.847.8 D1N3D1N3 22.522.5 34.734.7 47.747.7

고분자전해질 복합막의 함수율은 친수성 그룹에 의해 크게 영향을 받는데, 그 중에서도 술폰산 그룹에 의해 주로 영향을 받는다. 상기 결과에서 알 수 있듯이, 용매가 DMF로 선정된 고분자전해질 복합막의 함수율이 제일 낮음을 알 수 있는데, 이는 다른 문헌에서도 보고된 바와 같이 DMF 용매와 술폰산 그룹(-SO3H)의 결합력이 타 용매에 비해서 제일 강하기 때문이다. The moisture content of the polymer electrolyte composite membrane is greatly influenced by the hydrophilic group, and among them, it is mainly influenced by the sulfonic acid group. As can be seen from the above results, it can be seen that the water content of the polymer electrolyte composite membrane in which the solvent is selected as DMF is the lowest, which, as reported in other documents, has the binding strength of the DMF solvent and the sulfonic acid group (-SO 3 H) to other solvents. Because it is the strongest compared to

한편, 용매가 DMAc인 고분자전해질 복합막의 경우 NMP에 비해 그 값이 다소 높은 것을 알 수 있으며, 비슷한 양상으로 DMAc 용매의 비율이 높은 D3N1의 경우에도 D1N1, D1N3에 비해 다소 높은 것을 알 수 있다.On the other hand, in the case of the polymer electrolyte composite membrane in which the solvent is DMAc, it can be seen that the value is somewhat higher than that of NMP.

실험예 2Experimental Example 2

실시예1 내지 3 및 비교예1 내지 3에서 얻어진 고분자전해질복합막1 내지 3과 비교예고분자전해질복합막1 내지 3을 대상으로 다음과 같이 이온교환용량을 측정하고 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다. The ion exchange capacity was measured for the polymer electrolyte composite membranes 1 to 3 and Comparative Example polymer electrolyte composite membranes 1 to 3 obtained in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 as follows, and the results are shown in Table 3 below. Done.

제조시 사용된 용매별 고분자전해질 복합막의 이온교환용량을 각각 측정하기 위하여, 100℃ 오븐에서 24시간 이상 건조된 샘플들을 무게를 측정하였다. 이후, 1M NaOH 용액을 제조하여 비이커에 50ml를 분취한 후 시료를 24시간 이상 침지시켰다. 이후, 페놀프탈레인 3wt% 을 지시약으로 지정해 약 다섯 방울 정도를 적가하였다. 그 다음, 0.1M NaOH 용액으로 적정하여, 적정된 0.1M NaOH의 양과 상기에서 측정한 건조된 샘플 무게, NaOH 몰수를 하기 식에 적용하였다.In order to measure the ion exchange capacity of the polymer electrolyte composite membrane for each solvent used at the time of manufacture, samples dried in an oven at 100° C. for more than 24 hours were weighed. Thereafter, a 1M NaOH solution was prepared, 50 ml was aliquoted into a beaker, and the sample was immersed for 24 hours or more. Thereafter, about 5 drops were added dropwise by designating 3wt% of phenolphthalein as an indicator. Then, it was titrated with a 0.1M NaOH solution, and the titrated amount of 0.1M NaOH, the weight of the dried sample measured above, and the number of moles of NaOH were applied to the following equation.

[식 2][Equation 2]

Figure 112018117858126-pat00002
Figure 112018117858126-pat00002

Ion Exchange Capacity
(mmol/g)
Ion Exchange Capacity
(mmol/g)
Nafion 212Nafion 212 0.910.91 DMAcDMAc 0.980.98 DMFDMF 0.800.80 NMPNMP 0.940.94 D3N1D3N1 0.970.97 D1N1D1N1 0.970.97 D1N3D1N3 0.960.96

이온교환용량(IEC)은 고분자 막 시료 내의 친수성 그룹을 정량적으로 파악하는 실험이며, -COOH, -OH, -SO3H에 영향을 받으나 그 중에서도 Acidity가 높은 -SO3H에 의해 큰 영향을 받는다. Ion exchange capacity (IEC) is an experiment that quantitatively identifies hydrophilic groups in a polymer membrane sample, and is affected by -COOH, -OH, -SO 3 H, but is greatly influenced by -SO 3 H, which has high acidity. Receive.

Nafion 212 시료에 비해 타 고분자 막의 경우 IEC가 전반적으로 높은 것을 알 수 있는데, 이는 PFSA 고분자에 도입된 D-ASFP의 구조 때문인 것으로 사료된다. D-ASFP는 도 1에 명시된 바와 같이, 다수의 -COOH, -OH, -SO3H를 가지고 있어 고분자 막 내에 도입시 상용화된 Nafion 막 수준으로 이온교환용량을 끌어낼 수 있는 것으로 보인다.Compared to the Nafion 212 sample, it can be seen that the IEC is generally higher for other polymer membranes, which is believed to be due to the structure of D-ASFP introduced into the PFSA polymer. As shown in FIG. 1, D-ASFP has a number of -COOH, -OH, -SO 3 H, and thus it appears that when introduced into a polymer membrane, the ion exchange capacity can be drawn at the level of a commercially available Nafion membrane.

이온교환용량 분석 결과 함수율 분석과 마찬가지로 DMF의 IEC 값이 가장 낮고, 그 다음으로 DMAc가 용매인 고분자복합막 시료의 값이 높은 것을 알 수 있다. 하지만, 그 차이는 D3N1, D1N1, D1N3과 비교하였을 때 미미한 수준이므로 후에 분석될 이온 전도도 결과에서 또한 비슷한 경향을 나타낼 것으로 예측된다.As a result of the ion exchange capacity analysis, it can be seen that the IEC value of DMF is the lowest, and the value of the polymer composite membrane sample in which DMAc is the solvent is higher, as in the moisture content analysis. However, the difference is insignificant when compared to D3N1, D1N1, and D1N3, so it is predicted that a similar trend will also be exhibited in the ionic conductivity results to be analyzed later.

실험예 3Experimental Example 3

실시예1 내지 3 및 비교예1 내지 3에서 얻어진 고분자전해질복합막1 내지 3과 비교예고분자전해질복합막1 내지 3을 대상으로 다음과 같이 이온전도도를 측정하고 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다. The ionic conductivity of the polymer electrolyte composite membranes 1 to 3 obtained in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 and the comparative polymer electrolyte composite membranes 1 to 3 were measured as follows, and the results are shown in Table 4 below. .

고분자전해질 복합막 시료의 이온전도도를 측정하기 위해 시료의 두께와 세로 길이를 측정하고, Dupont사의 4-probe 방식을 통해 저항값을 도출하고, 상기 평가를 각각 30℃, 50℃, 70℃각에서 평가를 실시하였다. 그 후 도출된 두께, 세로 길이, 저항의 평균값을 하기 식에 도입하였다.To measure the ionic conductivity of the polymer electrolyte composite membrane sample, the thickness and length of the sample were measured, and the resistance value was derived through the 4-probe method of Dupont, and the evaluation was performed at each of 30℃, 50℃, and 70℃. Evaluation was performed. Thereafter, the average value of the derived thickness, vertical length, and resistance was introduced into the following equation.

[식 3][Equation 3]

Figure 112018117858126-pat00003
Figure 112018117858126-pat00003

Ion Conductivity (S/㎝)Ion Conductivity (S/cm) 30℃30℃ 50℃50℃ 70℃70℃ Nafion 212Nafion 212 0.0810.081 0.1480.148 0.1680.168 DMAcDMAc 0.0990.099 0.1590.159 0.1790.179 DMFDMF 0.0790.079 0.0930.093 0.1300.130 NMPNMP 0.0850.085 0.1520.152 0.1700.170 D3N1D3N1 0.0900.090 0.1550.155 0.1740.174 D1N1D1N1 0.0870.087 0.1540.154 0.1730.173 D1N3D1N3 0.0850.085 0.1520.152 0.1710.171

온도별 이온전도도 분석 결과 DMAC> D3N1> D1N1> D1N3> NMP> DMF 순으로 높았으며, 온도가 증가할수록 상기 경향이 두드러지게 나타나는 것을 알 수 있다.As a result of the ion conductivity analysis for each temperature, it can be seen that DMAC> D3N1> D1N1> D1N3> NMP> DMF were high in the order, and the tendency was remarkable as the temperature increased.

IEC 분석에서 언급했듯이, DMAc가 미미하게 높은 경향을 보이기는 하나, D3N1 및 D1N1과 유사한 이온전도도를 가지는 것을 알 수 있다. 따라서, 독성이 높은 DMAc의 함량을 줄이고 NMP를 함께 혼합하여 복합용매로 쓸 수 있는 것으로 판단된다.As mentioned in the IEC analysis, although DMAc shows a slightly high tendency, it can be seen that it has similar ionic conductivity to D3N1 and D1N1. Therefore, it is judged that it can be used as a complex solvent by reducing the content of highly toxic DMAc and mixing NMP together.

실험예 4Experimental Example 4

실시예1 내지 3 및 비교예1 내지 3에서 얻어진 고분자전해질복합막1 내지 3과 비교예고분자전해질복합막1 내지 3을 대상으로 다음과 같이 Fenton test를 수행하고 그 결과를 하기 표 5에 나타내었다. The Fenton test was performed on the polymer electrolyte composite membranes 1 to 3 obtained in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 and the polymer electrolyte composite membranes 1 to 3 of Comparative Examples as follows, and the results are shown in Table 5 below. .

Fenton TestFenton Test 침지 전Before immersion 침지 후After immersion 무게 변화율(%)Weight change rate (%) Nafion 212Nafion 212 0.0903g0.0903g 0.0870g0.0870g 3.73.7 DMAcDMAc 0.1086g0.1086g 0.1022g0.1022g 5.95.9 DMFDMF 0.0853g0.0853g 0.0820g0.0820g 3.93.9 NMPNMP 0.0617g0.0617g 0.0578g0.0578g 6.36.3 D3N1D3N1 0.14240.1424 0.13400.1340 5.95.9 D1N1D1N1 0.12110.1211 0.11380.1138 6.06.0 D1N3D1N3 0.11390.1139 0.10700.1070 6.16.1

펜톤 테스트는 고분자 막의 화학적 안정성을 평가하는 지표이며, 보다 구체적으로 OH 라디컬에 대한 안정성을 평가하는 실험이다. 1L 용량 플라스크 안에 FeSO 4 (Ⅱ) 3mg(3 ppm)을 넣고, H2O2 30%를 표선까지 채워 충분히 교반한 후, 완충제(헤페스, (4-(2-hydroxyethyl)-1- piperazine ethnaesulfonic acid; 이하 HEPES, 혹은 몹스 (3-morpholinopropane-1 -sulfonic acid); 이하 MOPS)의 첨가를 통해 용액의 pH를 약 3.5로 조절하였다. 이후, 고분 막 시료를 100℃에서 건조한 후 그 무게를 재고, pH가 조절된 용액을 약 25ml 정도 분취하여 상기 건조된 고분자 막 시료를 침지하였다. 침지된 시료를 80℃ 오븐에 방치한 후, 증류수로 충분히 씻어내 100℃ 오븐에 건조 후 무게를 측정하여, 침지 전 무게와 침지 후 무게를 비교해 OH 라디컬에 대한 안정성을 평가 한다.The Fenton test is an index to evaluate the chemical stability of a polymer membrane, and more specifically, an experiment to evaluate the stability against OH radicals. In a 1L volumetric flask, add 3mg (3 ppm) of FeSO 4 (Ⅱ) , fill 30% of H 2 O 2 to the mark, stir sufficiently, and then add a buffer (Hepes, (4-(2-hydroxyethyl)-1-piperazine ethnaesulfonic). acid; HEPES, or 3-morpholinopropane-1 -sulfonic acid; MOPS) was added to adjust the pH of the solution to about 3.5. Then, the polymer membrane sample was dried at 100°C and then weighed. , About 25 ml of the pH-adjusted solution was aliquoted and the dried polymer membrane sample was immersed in. The immersed sample was left in an oven at 80°C, washed thoroughly with distilled water, dried in an oven at 100°C, and then weighed The stability of OH radicals is evaluated by comparing the weight before immersion and the weight after immersion.

OH 라디컬은 구조 자체가 매우 불안정하기 때문에, 다른 물질을 산화시켜 전자를 얻어 안정해지려는 성질을 가지고 있다. 다수의 문헌에서 보고된 바와 같이 OH 라디컬은 PFSA 고분자와 접촉시 술폰산 그룹 및 카르복실그룹(-COOH)와 같은 Amorphous한 부분을 공격하여 안정성을 되찾는 경향을 보인다.Since OH radicals are very unstable in their structure, they have the property of obtaining electrons by oxidizing other substances to become stable. As reported in many literatures, OH radicals tend to recover stability by attacking amorphous parts such as sulfonic acid groups and carboxyl groups (-COOH) when in contact with PFSA polymers.

펜톤 테스트 분석 결과, 상기 표 5에 도시된 바와 같이 DMF가 용매로 선정된 고분자전해질 복합막의 무게 변화율이 3.9%로써 Nafion 212와 상응하여 화학적 안정성이 가장 높은 것을 알 수 있다. 이는, 상기에서도 언급했듯이 DMF 용매와 술폰산 그룹의 끌어당김이 다른 용매에 비해서 크기 때문이다.As a result of the Fenton test analysis, as shown in Table 5, it can be seen that the weight change rate of the polymer electrolyte composite membrane in which DMF was selected as a solvent was 3.9%, which corresponds to Nafion 212 and has the highest chemical stability. This is because, as mentioned above, the attraction of the DMF solvent and the sulfonic acid group is greater than that of other solvents.

여러 문헌에서 보고된바와 같이 DMAc 및 NMP 용매와 술폰산 그룹의 끌어당김을 비교하였을 때, NMP가 DMAc에 비해 다소 높은 편이며 따라서 화학적인 안정성 또한 높아야한다. 하지만 상기 결과에서는 NMP가 DMAc에 비해 안정성이 더 낮은 경향을 보이는데, 이는 NMP의 BP가 202℃이므로, 다른 용매 DMAc(BP 165℃), DMF(153℃)비해 잔존 용매가 더 많은 것으로 추정된다. NMP 및 술폰산 그룹의 결합력이 DMAc에 비해 크더라도, 잔존 용매가 DMAc에 비해 상대적으로 많아 부정형 영역 내에서 공격 받기 쉬운 환경이 조성되는 이유로 NMP가 용매인 고분자막 시료의 안정성이 상대적으로 낮은 것으로 추정된다.When comparing the attraction of the sulfonic acid group with the DMAc and NMP solvents as reported in various documents, NMP is somewhat higher than that of DMAc, and thus chemical stability should also be high. However, in the above results, the stability of NMP is lower than that of DMAc. This is because the BP of NMP is 202°C, so it is estimated that there are more residual solvents than other solvents DMAc (BP 165°C) and DMF (153°C). Although the binding strength of the NMP and sulfonic acid groups is greater than that of DMAc, the stability of the polymer membrane sample in which NMP is a solvent is estimated to be relatively low because the residual solvent is relatively larger than that of DMAc, creating an environment susceptible to attack in the irregular region.

상술된 실험을 통해 함수율, 이온교환용량, 이온전도도, 펜톤 테스트를 통해 도출된 고이온전도성/고화학적내구성의 성질을 충족하는 최적의 용매는 DMAc임을 알 수 있다. 하지만, DMAc는 toxic한 성질로 인해 사용자의 건강을 악화시키고, 배출 시 환경에 악역향을 미치는 것으로 알려져 있다. Through the above experiments, it can be seen that DMAc is an optimal solvent that satisfies the properties of water content, ion exchange capacity, ion conductivity, and high ion conductivity/high chemical durability derived through the Fenton test. However, DMAc is known to deteriorate the health of users due to its toxic properties and adversely affect the environment when discharged.

따라서, DMAc에 비해 상대적으로 독성이 낮은 NMP를 함께 혼입하여 복합용매를 만드는 것이 바람직한 것으로 판단된다. 실제로, 물성 및 화학적 안정성 평가 결과 복합용매인 D3N1, D1N1, D1N3의 경우 DMAc가 용매인 고분자 막 시료와 매우 유사한 성능을 보였으므로 복합용매로 적용해도 성능에는 크게 영향을 주지 않을 것으로 사료된다.Therefore, it is considered desirable to make a complex solvent by mixing NMP, which is relatively less toxic than DMAc. In fact, as a result of the evaluation of physical properties and chemical stability, the complex solvents D3N1, D1N1, and D1N3 showed very similar performance to the polymer membrane samples in which DMAc was a solvent, so it is believed that application as a complex solvent will not significantly affect the performance.

즉, DMAc만 용매로 사용하는 것보다 본 발명과 같이 DMAc와 NMP를 1:3 내지 3:1 의 중량비로 혼합하여 구성된 복합용매를 사용하게 되면 제조시 유독성이 감소하여 안전성 향상되고, 비싼 용매를 좀 더 저렴한 용매로 대체할 수 있어 원가가 절감되며, 제조공정을 단순화하여 경제성이 우수하면서도 고분자전해질 복합막의 성능은 동등 수준 이상임을 상기 실험을 통해 알 수 있기 때문이다. In other words, rather than using only DMAc as a solvent, when using a complex solvent composed of mixing DMAc and NMP in a weight ratio of 1:3 to 3:1 as in the present invention, toxicity is reduced during manufacture, improving safety, and reducing expensive solvents. This is because it can be seen from the above experiment that the cost can be reduced because it can be replaced with a more inexpensive solvent, and the performance of the polymer electrolyte composite membrane is equal to or higher while the manufacturing process is simplified and economical is excellent.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.Although the present invention has been illustrated and described with a preferred embodiment as described above, it is not limited to the above-described embodiment, and within the scope not departing from the spirit of the present invention, to those of ordinary skill in the technical field to which the present invention belongs. Various changes and modifications will be possible.

Claims (11)

실리카계 기능성 고분자 및 이온전도성 고분자를 1:3 내지 3:1의 중량비로 포함하는데,
상기 실리카계 기능성 고분자는 D-ASFP (Diol Alkoxysilane-functionalized Polymer), BD-ASFP(bisphenol dimethylbenzanthracene ASFP), BDP-ASFP (Polydimethylsiloxane ASFP) 중 어느 하나 이상이고,
상기 실리카계 기능성 고분자 및 이온전도성 고분자는 DMAc 및 NMP가 1:3 내지 3:1의 중량비로 혼합되어 구성된 복합용매에 용해되어 서로 결합되는 것을 특징으로 하는 고분자전해질 복합막.
A silica-based functional polymer and an ion conductive polymer are included in a weight ratio of 1:3 to 3:1,
The silica-based functional polymer is any one or more of D-ASFP (Diol Alkoxysilane-functionalized Polymer), BD-ASFP (bisphenol dimethylbenzanthracene ASFP), BDP-ASFP (Polydimethylsiloxane ASFP),
The silica-based functional polymer and the ion conductive polymer are dissolved in a complex solvent composed of DMAc and NMP mixed in a weight ratio of 1:3 to 3:1 and bonded to each other.
제 1항에 있어서,
이온전도성 고분자는 나피온, 3M아이오노머, 술폰화된 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리아미드계 고분자, 폴리아릴렌아테르계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리포스파젠계 고분자, 폴리스티렌계 고분자, 라디에이션-그라프트된 FEP-g-폴리스티렌(radiation-grafted FEP-g-polystyrene), 라디에이션-그라프트된 PVDF-g-폴리스티렌(radiation-grafted PVDF-g-polystyrene) 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 고분자전해질 복합막.
The method of claim 1,
Ion conductive polymers include Nafion, 3M ionomer, sulfonated fluorine polymer, benzimidazole polymer, polyimide polymer, polyamide polymer, polyarylene ether polymer, polyetherimide polymer, polyphenylene sulphate. Fide-based polymer, polysulfone-based polymer, polyethersulfone-based polymer, polyetherketone-based polymer, polyether-etherketone-based polymer, polyphosphagen-based polymer, polystyrene-based polymer, radiation-grafted FEP-g-polystyrene (radiation-grafted FEP-g-polystyrene), radiation-grafted PVDF-g-polystyrene (radiation-grafted PVDF-g-polystyrene), and polyphenylquinoxaline-based polymer. Polymer electrolyte composite membrane.
삭제delete 복합용매를 준비하는 단계; 상기 복합용매에 실리카계 기능성 고분자 및 이온전도성고분자를 첨가하여 막전구체용액을 준비하는 단계; 상기 막전구체용액을 캐스팅하여 전구체막을 성형하는 단계; 상기 전구체막을 건조하는 단계; 및 상기 건조된 전구체막을 전처리하는 단계;를 포함하는데,
상기 실리카계 기능성 고분자는 D-ASFP (Diol Alkoxysilane-functionalized Polymer), BD-ASFP(bisphenol dimethylbenzanthracene ASFP), BDP-ASFP (Polydimethylsiloxane ASFP) 중 어느 하나 이상이고,
상기 복합용매는 DMAc 및 NMP가 1:3 내지 3:1의 중량비로 혼합되어 구성되는 것을 특징으로 하는 고분자전해질 복합막 제조방법.
Preparing a complex solvent; Preparing a membrane precursor solution by adding a silica-based functional polymer and an ion conductive polymer to the complex solvent; Casting the film precursor solution to form a precursor film; Drying the precursor film; And pre-treating the dried precursor film;
The silica-based functional polymer is any one or more of D-ASFP (Diol Alkoxysilane-functionalized Polymer), BD-ASFP (bisphenol dimethylbenzanthracene ASFP), BDP-ASFP (Polydimethylsiloxane ASFP),
The composite solvent is a method of manufacturing a polymer electrolyte composite membrane, characterized in that the DMAc and NMP are mixed in a weight ratio of 1:3 to 3:1.
삭제delete 제 4 항에 있어서,
상기 막전구체용액은 상기 실리카계 기능성 고분자 및 이온전도성고분자를 1:3 내지 3:1의 중량비로 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자전해질 복합막 제조방법.
The method of claim 4,
The membrane precursor solution is a method for producing a polymer electrolyte composite membrane comprising the silica-based functional polymer and the ion conductive polymer in a weight ratio of 1:3 to 3:1.
제 4 항에 있어서,
상기 건조단계는 상기 전구체막을 진공상태에서 70℃ 이하의 온도, 70℃ 내지 90℃의 온도 및 100℃이상의 온도로 승온시켜 수행되는 것을 특징으로 하는 고분자전해질 복합막 제조방법.
The method of claim 4,
The drying step is a method of manufacturing a polymer electrolyte composite film, characterized in that the precursor film is heated to a temperature of 70 ℃ or less, a temperature of 70 ℃ to 90 ℃ and a temperature of 100 ℃ or more in a vacuum state.
제 4 항에 있어서,
상기 전처리하는 단계는 상기 건조된 전구체막을 염기성수용액에 침지시켜 처리한 후 증류수에 침지시키고, 다시 산성수용액에 침지시켜 처리한 후 증류수에 침지시켜 수행되는 것을 특징으로 하는 하는 고분자전해질 복합막 제조방법.
The method of claim 4,
The pretreatment step is a method of manufacturing a polymer electrolyte composite membrane, characterized in that the dried precursor film is immersed in a basic aqueous solution, treated, and then immersed in distilled water, and then treated by immersing in an acidic aqueous solution, and then immersed in distilled water.
제 1 항 또는 제 2 항의 고분자전해질 복합막 또는 제 4 항, 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조된 고분자전해질 복합막을 포함하는 에너지저장장치.
An energy storage device comprising the polymer electrolyte composite membrane of claim 1 or 2 or the polymer electrolyte composite membrane manufactured by the manufacturing method of any one of claims 4, 6 to 8.
제 9 항에 있어서,
상기 에너지저장장치는 레독스 흐름전지 또는 연료전지인 것을 특징으로 하는 에너지저장장치.
The method of claim 9,
The energy storage device is an energy storage device, characterized in that the redox flow cell or fuel cell.
제 1 항 또는 제 2 항의 고분자전해질 복합막 또는 제 4 항, 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조된 고분자전해질 복합막을 포함하는 수처리장치.A water treatment apparatus comprising the polymer electrolyte composite membrane of claim 1 or 2 or the polymer electrolyte composite membrane manufactured by the manufacturing method of claim 4 or 6 to 8.
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