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KR20080099967A - Sulfonated triphenylamine derivative and polimer prepared from the same - Google Patents

Sulfonated triphenylamine derivative and polimer prepared from the same Download PDF

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Publication number
KR20080099967A
KR20080099967A KR1020070045918A KR20070045918A KR20080099967A KR 20080099967 A KR20080099967 A KR 20080099967A KR 1020070045918 A KR1020070045918 A KR 1020070045918A KR 20070045918 A KR20070045918 A KR 20070045918A KR 20080099967 A KR20080099967 A KR 20080099967A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
formula
sulfonated
polymer
arylene
arylene ether
Prior art date
Application number
KR1020070045918A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
신정규
김상율
최형삼
Original Assignee
주식회사 엘지화학
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 엘지화학 filed Critical 주식회사 엘지화학
Priority to KR1020070045918A priority Critical patent/KR20080099967A/en
Publication of KR20080099967A publication Critical patent/KR20080099967A/en

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
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Abstract

An electrolyte film manufactured from a sulfonated triphenylamine derivative is provided to ensure high hydrogen ion conductivity and excellent mechanical properties, to control the distribution, location and number of a sulfonic acid group in a polymer backbone, and to manufacture a thin film effectively by having no degradation of the properties of membrane according to the increase of a sulfonic acid group. A sulfonated triphenylamine derivative is represented by the chemical formula 1. In the chemical formula 1, X1 and X2 are independently selected from -NO2, -F, -Cl, -Br and -I; and M1 is selected from -H, -Na and -K. The polymer prepared by the same is a sulfonated poly(arylene ether amine) including a repeating unit of the chemical formula 2. In the chemical formula 2, M1 is selected from -H, -Na and -K, R1 is selected from an arylene, alkylene and their mixed functional group.

Description

술폰화 트리페닐아민 유도체 및 이로부터 제조되는 고분자 {SULFONATED TRIPHENYLAMINE DERIVATIVE AND POLIMER PREPARED FROM THE SAME} Sulfonated triphenylamine derivatives and polymers prepared therefrom {SULFONATED TRIPHENYLAMINE DERIVATIVE AND POLIMER PREPARED FROM THE SAME}

도 1은 본 발명의 실시예 3에 따라 제조된 술폰화 폴리(아릴렌 에테르 아민) 공중합체의 1H NMR 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.1 is a graph showing 1 H NMR spectra of sulfonated poly (arylene ether amine) copolymers prepared according to Example 3 of the present invention.

도 2는 본 발명의 실시예 4에 따라 제조된 술폰화 폴리(아릴렌 에테르 아민) 공중합체의 1H NMR 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.2 is a graph showing 1 H NMR spectra of sulfonated poly (arylene ether amine) copolymers prepared according to Example 4 of the present invention.

도 3은 본 발명의 실시예 5에 따라 제조된 술폰화 폴리(아릴렌 에테르 아민) 공중합체의 1H NMR 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.3 is a graph showing the 1 H NMR spectrum of the sulfonated poly (arylene ether amine) copolymer prepared according to Example 5 of the present invention.

도 4는 실시예 6 내지 실시예 10에서 제조된 술폰화 폴리(아릴렌 에테르 아민) 전해질막과 나피온 115의 수소이온 전도도를 나타내는 그래프이다.4 is a graph showing the hydrogen ion conductivity of the sulfonated poly (arylene ether amine) electrolyte membrane prepared in Examples 6 to 10 and Nafion 115.

본 발명은 술폰화 트리페닐아민 유도체 및 이를 사용하여 제조되는 고분자에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 고분자를 포함하는 전해질막, 및 상기 전해질막을 포함하는 막전극 접합체를 사용하는 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to sulfonated triphenylamine derivatives and polymers prepared using the same. The present invention also relates to a fuel cell using an electrolyte membrane including the polymer and a membrane electrode assembly including the electrolyte membrane.

연료전지는 수소와 산소의 전기화학반응에 의하여 전기를 직접 생산하는 에너지 전환 장치로써 고효율로 에너지를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 환경 보존 측면에서도 매우 유리하여 차세대 에너지원으로 연구 개발되고 있다. 전지는 일반적으로 애노드(anode)와 캐소드(cathode), 그리고 이들 사이에서 전자(또는 양성자)를 이동시키는 전해질(electrolyte)이 필요하다. 연료 전지도 예외는 아니고, 일반적으로 산화와 환원이 일어나는 전극으로는 플라티늄 촉매를 포함하는 탄소 전극을 사용하고, 전해질로는 이온성 고체를 사용한다. 현재 많이 사용되고 있는 전지 내부의 전기화학 반응에 의해 충전하는 2차 전지와는 달리 연료 전지는 지속적으로 수소나 메탄올 등의 연료를 주입함으로써 반영구적으로 사용할 수 있다. Fuel cell is an energy conversion device that produces electricity directly by electrochemical reaction of hydrogen and oxygen. It is not only able to obtain energy with high efficiency but also very advantageous in terms of environment conservation. Batteries generally require anodes and cathodes, and electrolytes that move electrons (or protons) between them. Fuel cells are no exception, and in general, a carbon electrode containing a platinum catalyst is used as an electrode for oxidation and reduction, and an ionic solid is used as an electrolyte. Unlike secondary batteries that are charged by electrochemical reactions inside batteries, fuel cells can be used semi-permanently by continuously injecting fuel such as hydrogen or methanol.

연료전지는 구동 온도, 용량, 사용 용도에 따라 여러 방식이 개발되어 있으나, 양성자 교환막을 사용하는 Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC)과 경량화가 가능하고 간단한 방식으로 충전이 가능하여 현재 사용되어지고 있는 2차 전지를 대체할 것으로 기대되는 메탄올을 연료로 사용하는 Direct Methanol Fuel Cell (DMFC)에 대한 연구가 중점적으로 진행 되어지고 있다. 현재 사용되는 양성자 교환막은 미국의 Du Pont이 생산하는 Nafion이라는 불소화된 이오노머이고, Gore사의 Primea라는 재료가 더 얇은 막을 형성시킬 수 있는 장점을 가지고 있다고 알려져 있다. 연료전지 전체의 성능을 향상시키는데 있어 교환막의 물성 향상은 매우 중요한 과제인데, 기존의 테플론 기반의 불소화된 이오노머의 기본 골격으로는 기계적 강도를 증가시키면 높은 구동 온도 하에 양성자 전도도를 비롯한 제반 물성이 필연적으로 저하되는 경향이 있어 우수한 화학적 안정성과 기계적 물성을 동시에 가지는 새로운 형태의 양성자 교환막에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.Fuel cells have been developed in various ways depending on the driving temperature, capacity, and purpose of use.However, they can be charged in a lightweight and simple manner with Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) using a proton exchange membrane. Research is focused on the Direct Methanol Fuel Cell (DMFC), which uses methanol as a fuel, which is expected to replace car batteries. The proton exchange membrane used today is a fluorinated ionomer named Nafion produced by Du Pont in the United States, and it is known that Gore's Primea material has the advantage of forming a thinner membrane. In order to improve the performance of the entire fuel cell, it is very important to improve the properties of the exchange membrane.In the basic skeleton of the conventional Teflon-based fluorinated ionomer, if the mechanical strength is increased, various properties including proton conductivity are inevitably increased under high driving temperature. There is a tendency to deteriorate, and research into a new type of proton exchange membrane having excellent chemical stability and mechanical properties simultaneously is being actively conducted.

폴리(아릴렌 아민)계 고분자는 경량, 절연성, 내약품성 등으로 대표되는 고분자의 일반적인 특성 이외에도 내열성, 기계적 강도, 및 가공성이 우수하여 연료전지에의 적용이 활발히 연구되고 있다. 예를 들면, 전문학술지 (Gao Y.; et al., Journal of Membrane Science 2003, 227, 39.)에는 폴리(아릴렌 아민)계 고분자 중 하나인 폴리(프탈라지논 아릴렌 에테르) {poly(phthalazinone arylene ether)s}의 후처리 술폰화 (post-sulfonation) 공정을 사용하여 다양한 술폰화 폴리(프탈라지논 아릴렌 에테르)을 제조하는 방법이 보고되어 있다. 그러나 상기의 후처리 술폰화 방법은 일반적으로 고분자 골격의 술폰산기 (sulfonic acid group, -SO3H)의 분포, 위치, 수 등의 제어가 어렵고 후처리 술폰화 과정 중 부반응의 일종인 젤화 현상으로 인해 전해질막의 공정에 문제점이 있었다. Poly (arylene amine) -based polymers have been actively studied for their application to fuel cells because of their excellent heat resistance, mechanical strength, and processability in addition to the general characteristics of polymers represented by light weight, insulation, and chemical resistance. For example, the journal Gao Y .; et al., Journal of Membrane Science 2003, 227, 39. discloses poly (phthalazinone arylene ether) {poly ( It has been reported how various sulfonated poly (phthalazinone arylene ethers) are prepared using a post-sulfonation process of phthalazinone arylene ether). However, the post-treatment sulfonation method is generally difficult to control the distribution, position, and number of sulfonic acid groups (-SO 3 H) of the polymer skeleton, and is a gelation phenomenon which is a kind of side reaction during the post-treatment sulfonation process. There was a problem in the process of the electrolyte membrane.

이러한 문제점을 극복하기 위하여 술폰산기를 함유한 디플루오로 단량체를 사용하여 직접 공중합 방법으로 다양한 술폰화 (프탈라지논 아릴렌 에테르) 공중합체를 제조하는 방법에 대한 연구결과가 보고되어 있다 (Gao Y.; et al., Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry 2003, 41, 2731.). 상기 술폰화 고분자의 경우 Nafion 보다 좋은 열적 안정성과 높은 양성자 전도도를 갖는다. 그러나, 연료전지의 막 전극 어셈블리(membrane electrode assembly, 이하 MEA라 함) 테스트에 있어서, 부분적으로 플루오르화 폴리머로 제조된 전해질막에 비해 상기 술폰화 고분자는 일반적으로 사용되는 퍼플루오르화 폴리머계 바인드와의 친화성이 좋지 않은 문제가 있다.In order to overcome this problem, a study on the preparation of various sulfonated (phthalazinone arylene ether) copolymers by a direct copolymerization method using a difluoro monomer containing a sulfonic acid group has been reported (Gao Y. et al., Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry 2003, 41, 2731.). The sulfonated polymer has better thermal stability and higher proton conductivity than Nafion. However, in the test of the membrane electrode assembly (MEA) of the fuel cell, the sulfonated polymer compared with the electrolyte membrane partially made of the fluorinated polymer is generally used with the perfluorinated polymer-based bind. There is a problem of poor affinity.

상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 저온 및 고온 (100~200 ℃)에서 사용 가능한 연료전지용 양성자(H+) 교환막에 적용될 수 있으며, 우수한 양성자 전도도를 가지면서도 기계적 물성이 우수하고 화학적으로 안정할 뿐만 아니라, 고분자 사슬내의 트리플루오로메틸 치환기에 의해 전해질막의 팽윤 정도가 적은 화학적 구조를 가지며, 연료전지의 막전극 접합체 테스트에 있어서 일반적으로 사용되는 퍼플루오르화 폴리머계 바인드와 좋은 친화성을 보여줄 수 있는 부분적으로 플루오르화된 술폰화 폴리(아릴렌 에테르 아민)계 고분자를 제공하고자 한다. In order to solve the problems of the prior art as described above, the present invention can be applied to the proton (H + ) exchange membrane for fuel cells that can be used at low and high temperatures (100 ~ 200 ℃), has excellent proton conductivity and excellent mechanical properties In addition to being chemically stable, it has a chemical structure with a low degree of swelling of the electrolyte membrane due to the trifluoromethyl substituent in the polymer chain, and has a good relationship with the perfluorinated polymer-based bind commonly used for testing membrane electrode assemblies of fuel cells. It is an object to provide partially fluorinated sulfonated poly (arylene ether amine) based polymers that can show chemical conversion.

또한, 본 발명은 상기 술폰화 폴리(아릴렌 에테르 아민)계 고분자를 형성하기 위한 모노머를 제공하고자 한다.In addition, the present invention is to provide a monomer for forming the sulfonated poly (arylene ether amine) -based polymer.

또한, 본 발명은 상기 술폰화 폴리(아릴렌 에테르 아민)계 고분자를 포함하며 연료전지용 양성자 교환막으로 사용 가능한 전해질막을 제공하고자 한다.In addition, the present invention is to provide an electrolyte membrane comprising the sulfonated poly (arylene ether amine) -based polymer and can be used as a proton exchange membrane for fuel cells.

본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 술폰화 트리페닐아민 유도체를 제공한다.The present invention provides a sulfonated triphenylamine derivative represented by the following formula (1).

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112007034985976-PAT00001
Figure 112007034985976-PAT00001

상기 화학식 1에서, X1 및 X2는 각각 독립적으로 -NO2, -F, -Cl, -Br 및 -I 중에서 선택되며;In Formula 1, X 1 and X 2 are each independently selected from -NO 2 , -F, -Cl, -Br and -I;

M1은 -H, -Na 및 -K 중에서 선택된다.M 1 is selected from -H, -Na, and -K.

또한, 본 발명은 상기 화학식 1로 표시되는 술폰화 트리페닐아민 유도체를 사용하여 제조되는 고분자를 제공한다.In addition, the present invention provides a polymer prepared by using the sulfonated triphenylamine derivative represented by Chemical Formula 1.

또한, 본 발명은 상기 고분자를 포함하는 전해질막, 및 상기 전해질막을 포함하는 막전극 접합체를 사용하는 연료전지를 제공한다.The present invention also provides a fuel cell using an electrolyte membrane including the polymer and a membrane electrode assembly including the electrolyte membrane.

이하, 본 발명을 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

<술폰화 트리페닐아민 유도체><Sulfonated Triphenylamine Derivatives>

본 발명에 따른 상기 화학식 1로 표시되는 술폰화 트리페닐아민 유도체는 술폰화된 페닐기 1개를 갖고 있고, 또한 할로겐 또는 니트로기가 치환된 3-트리플루오르메틸페닐기 2개를 갖고 있는 화합물이다. 이때, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물에서 파라미터 X1 및 X2는 서로 동일 또는 상이할 수 있다.The sulfonated triphenylamine derivative represented by Chemical Formula 1 according to the present invention is a compound having one sulfonated phenyl group and two 3-trifluoromethylphenyl groups substituted with halogen or nitro groups. In this case, the parameters X 1 and X 2 in the compound represented by Formula 1 may be the same or different from each other.

또한, 상기 화학식 1로 표시되는 술폰화 트리페닐아민 유도체의 방향족 고리에는 C1~C30 알킬기, C6~C30 아릴(aryl)기 등의 치환기가 1개 이상 추가적으로 존재할 수 있으며, 이러한 화합물도 본 발명의 범주에 포함된다.In addition, the aromatic ring of the sulfonated triphenylamine derivative represented by Chemical Formula 1 may further include one or more substituents such as a C 1 to C 30 alkyl group, a C 6 to C 30 aryl group, and such a compound. It is included in the scope of the present invention.

상기 화학식 1로 표시되는 술폰화 트리페닐아민 유도체는, 비제한적인 예로, 하기 반응식 1의 경로에 따라 제조될 수 있다. 단, 하기 반응식 1은 예시적인 것일 뿐, 본 발명에 따른 술폰화 트리페닐아민 유도체의 제조방법이 하기 반응식에 의해 한정되는 것은 아니다.The sulfonated triphenylamine derivative represented by Chemical Formula 1 may be prepared according to a route of the following Scheme 1, without limitation. However, Scheme 1 below is merely illustrative, and the method for preparing sulfonated triphenylamine derivative according to the present invention is not limited by the following scheme.

[반응식 1]Scheme 1

Figure 112007034985976-PAT00002
Figure 112007034985976-PAT00002

상기 반응식 1에서 1당량의 아닐린과 2당량의 플루오르메틸벤젠 유도체를 반응시켜 술폰화되지 않은 트리페닐아민 유도체를 제조할 수 있다. 이때, 상기 반응식 1과 달리, X1의 치환기가 서로 다른 2종류의 플루오르메틸벤젠 유도체를 각각 1당량씩 반응물로 사용하여 술폰화되지 않은 트리페닐아민 유도체를 제조할 수도 있다. 이후, 술폰화 단계를 거쳐 최종적으로 상기 화학식 1로 표시되는 술폰화 트리페닐아민 유도체를 제조할 수 있다.In Scheme 1, a sulfonated triphenylamine derivative may be prepared by reacting 1 equivalent of aniline and 2 equivalents of fluoromethylbenzene derivative. In this case, unlike Scheme 1, triphenylamine derivatives which are not sulfonated may be prepared by using two kinds of fluoromethylbenzene derivatives having different substituents of X 1 as reactants, respectively. Thereafter, a sulfonated triphenylamine derivative represented by Chemical Formula 1 may be finally manufactured through a sulfonation step.

상기 반응식 1에서, 상기 Pd 촉매는 특별히 한정되지 않고 당업계에 알려진 통상의 것을 사용할 수 있고, 선택적으로 리간드와 함께 사용할 수 있다. 상기 리간드의 예로는 비스(다이페닐포스피노)-1,1'-다이나프틸(BINAP)이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 염기(base)의 예로는 인산칼륨(K3PO4)이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고 당업계에 알려진 통상의 염기를 사용할 수 있다.In Scheme 1, the Pd catalyst is not particularly limited and may be conventionally known in the art, and may be optionally used with a ligand. Examples of the ligand include, but are not limited to, bis (diphenylphosphino) -1,1'-dynaphthyl (BINAP). In addition, examples of the base include potassium phosphate (K 3 PO 4 ), but are not limited thereto, and common bases known in the art may be used.

또한, 상기 반응식 1에서 상기 술폰화(sulfonation)는, 예를 들어, 트리페닐아민 유도체와 트리메틸실릴 클로로 술포네이트를 반응시킨 후, 금속 알콕사이드를 넣어 술폰산 염을 도입할 수 있고, 이어서 산 처리하여 술폰산 염을 술폰산으로 전환시킬 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In addition, in the scheme 1, the sulfonation may include, for example, reacting a triphenylamine derivative with trimethylsilyl chloro sulfonate, and then introducing a metal alkoxide to introduce a sulfonic acid salt, followed by acid treatment to sulfonic acid. Salts can be converted to sulfonic acids, but are not limited thereto.

또한, 상기 화학식 1로 표시되는 술폰화 트리페닐아민 유도체의 제조방법은, 상기 반응식 1에서 사용한 반응물과 동일 또는 유사한 효과를 발휘하는 반응물을 사용하거나 상기 반응식과 유사한 경로(scheme)에 의한 제조방법도 포함한다.In addition, the method for producing a sulfonated triphenylamine derivative represented by the formula (1), using a reactant exhibiting the same or similar effects as the reactants used in Scheme 1 or by a scheme similar to the scheme (scheme) Include.

<고분자><Polymer>

본 발명은 상기 화학식 1로 표시되는 술폰화 트리페닐아민 유도체를 사용하여 제조되는 고분자, 바람직하게는 술폰화 폴리(아릴렌 에테르 아민)계 고분자를 제공한다. The present invention provides a polymer prepared using a sulfonated triphenylamine derivative represented by Chemical Formula 1, preferably a sulfonated poly (arylene ether amine) -based polymer.

본 발명의 고분자는 상기 화학식 1로 표시되는 술폰화 트리페닐아민 유도체를 친핵성 방향족 치환 반응용 모노머로 사용하여 제조될 수 있다.The polymer of the present invention may be prepared using a sulfonated triphenylamine derivative represented by Chemical Formula 1 as a monomer for nucleophilic aromatic substitution reaction.

본 발명에 따른 상기 화학식 1로 표시되는 술폰화 트리페닐아민 유도체를 사 용하여 친핵체(nucleophile)에 의한 친핵성 방향족 치환 반응을 수행할 경우, 화학식 1로 표시되는 화합물 내 파라미터 X1 및 X2가 치환된 위치에서 치환 반응이 일어날 수 있고, 상기 파라미터 X1 및 X2는 이탈기(leaving group)가 될 수 있다. When performing a nucleophilic aromatic substitution reaction by a nucleophile using the sulfonated triphenylamine derivative represented by Chemical Formula 1 according to the present invention, the parameters X 1 and X 2 in the compound represented by Chemical Formula 1 are substituted. The substitution reaction may take place at the designated position, and the parameters X 1 and X 2 may be leaving groups.

이때, 분자 내에 2개 이상의 반응성 작용기를 갖는 친핵체와 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 사용하여 친핵성 방향족 치환 반응을 수행할 경우, 중합 반응이 진행되어 술폰화 고분자가 제조될 수 있다. 이때, 상기 반응성 작용기의 비제한적인 예로는 히드록시기, 아민기, 티올(thiol)기, 탄소음이온(carbanion) 등이 있고, 상기 친핵체는 이들 반응성 작용기가 조합된 친핵체일 수 있다. 비제한적인 예로, 상기 분자 내에 2개 이상의 반응성 작용기를 갖는 친핵체가 HO-R-OH(이때, R은 알킬렌 또는 아릴렌)과 같은 다이올 화합물이라면, 술폰화 고분자, 바람직하게는 술폰화 폴리(아릴렌 에테르 아민)이 제조될 수 있다.At this time, when performing a nucleophilic aromatic substitution reaction using a nucleophile having two or more reactive functional groups in the molecule and the compound represented by the formula (1), the polymerization reaction proceeds to produce a sulfonated polymer. In this case, non-limiting examples of the reactive functional group include a hydroxy group, an amine group, a thiol group, a carbanion, and the like, and the nucleophile may be a nucleophile in which these reactive functional groups are combined. By way of non-limiting example, if the nucleophile having two or more reactive functional groups in the molecule is a diol compound such as HO-R-OH, wherein R is alkylene or arylene, sulfonated polymer, preferably sulfonated poly (Arylene ether amines) can be prepared.

구체적으로, 본 발명에 따른 고분자는 하기 화학식 2로 표시되는 반복단위를 포함하는 술폰화 폴리(아릴렌 에테르 아민)일 수 있다.Specifically, the polymer according to the present invention may be a sulfonated poly (arylene ether amine) containing a repeating unit represented by the following formula (2).

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112007034985976-PAT00003
Figure 112007034985976-PAT00003

상기 화학식 2에서, M1은 -H, -Na 및 -K 중에서 선택되며;In Formula 2, M 1 is selected from -H, -Na, and -K;

R1은 아릴렌(arylene), 알킬렌(alkylene) 및 이들의 혼성 작용기 중에서 선택된다.R 1 is selected from arylene, alkylene and hybrid functional groups thereof.

또한, 본 발명에 따른 고분자는 상기 화학식 2로 표시되는 반복 단위를 포함할 뿐 아니라, 하기 화학식 3으로 표시되는 반복단위 및 하기 화학식 4로 표시되는 반복단위로 이루어진 군에서 선택되는 반복단위를 추가로 포함하는 술폰화 폴리(아릴렌 에테르 아민) 일 수 있다.In addition, the polymer according to the present invention not only includes a repeating unit represented by Formula 2, but also a repeating unit selected from the group consisting of a repeating unit represented by the following Formula 3 and a repeating unit represented by the following Formula 4. Sulfonated poly (arylene ether amine).

[화학식 3][Formula 3]

Figure 112007034985976-PAT00004
Figure 112007034985976-PAT00004

상기 화학식 3에서, M1은 -H, -Na 및 -K 중에서 선택되며;In Formula 3, M 1 is selected from -H, -Na and -K;

R2는 R1과 동일하지 않고, 아릴렌(arylene), 알킬렌(alkylene) 및 이들의 혼성 작용기 중에서 선택되며;R 2 is not the same as R 1 and is selected from arylene, alkylene and hybrid functional groups thereof;

[화학식 4][Formula 4]

Figure 112007034985976-PAT00005
Figure 112007034985976-PAT00005

상기 화학식 4에서, M2는 -H, -Na 및 -K 중에서 선택되며;In Formula 4, M 2 is selected from -H, -Na and -K;

Y는 -S(=O)2- 또는 -C(=O)-이며;Y is -S (= 0) 2 -or -C (= 0)-;

R3은 아릴렌(arylene), 알킬렌(alkylene) 및 이들의 혼성 작용기 중에서 선택된다.R 3 is selected from arylene, alkylene and hybrid functional groups thereof.

바람직하게는, 본 발명에 따른 고분자는 하기 화학식 5로 표시되는 술폰화 폴리(아릴렌 에테르 아민), 하기 화학식 6으로 표시되는 술폰화 폴리(아릴렌 에테르 아민) 및 하기 화학식 7로 표시되는 술폰화 폴리(아릴렌 에테르 아민)으로 이루어진 군에서 선택되는 술폰화 폴리(아릴렌 에테르 아민)일 수 있다.Preferably, the polymer according to the present invention is sulfonated poly (arylene ether amine) represented by the following formula (5), sulfonated poly (arylene ether amine) represented by the following formula (6) and sulfonated represented by the formula (7) Sulfonated poly (arylene ether amine) selected from the group consisting of poly (arylene ether amines).

[화학식 5][Formula 5]

Figure 112007034985976-PAT00006
Figure 112007034985976-PAT00006

상기 화학식 5에서, M1은 -H, -Na 및 -K 중에서 선택되며;In Formula 5, M 1 is selected from -H, -Na, and -K;

R1은 아릴렌(arylene), 알킬렌(alkylene) 및 이들의 혼성 작용기 중에서 선택되며;R 1 is selected from arylene, alkylene and hybrid functional groups thereof;

n은 5 내지 200의 정수이며;n is an integer from 5 to 200;

[화학식 6][Formula 6]

Figure 112007034985976-PAT00007
Figure 112007034985976-PAT00007

상기 화학식 6에서, M1은 -H, -Na 및 -K 중에서 선택되며;In Formula 6, M 1 is selected from -H, -Na, and -K;

R1 및 R2는 서로 다르며, 각각 독립적으로 아릴렌(arylene), 알킬렌(alkylene) 및 이들의 혼성 작용기 중에서 선택되며;R 1 and R 2 are different from each other and are each independently selected from arylene, alkylene and hybrid functional groups thereof;

n 및 m은 각각 독립적으로 5 내지 200의 정수이며;n and m are each independently an integer from 5 to 200;

[화학식 7][Formula 7]

Figure 112007034985976-PAT00008
Figure 112007034985976-PAT00008

상기 화학식 7에서, M1 및 M2는 각각 독립적으로 -H, -Na 및 -K 중에서 선택되며;In Formula 7, M 1 and M 2 are each independently selected from -H, -Na, and -K;

Y는 -S(=O)2- 또는 -C(=O)-이며;Y is -S (= 0) 2 -or -C (= 0)-;

R1 및 R3은 각각 독립적으로 아릴렌(arylene), 알킬렌(alkylene) 및 이들의 혼성 작용기 중에서 선택되며;R 1 and R 3 are each independently selected from arylene, alkylene and hybrid functional groups thereof;

n 및 m은 각각 독립적으로 5 내지 200의 정수이다.n and m are each independently an integer of 5 to 200.

상기 화학식 7에서 R1 및 R3은 서로 동일하거나 다를 수 있으나, 동일한 것이 바람직하다.In Formula 7, R 1 and R 3 may be the same or different from each other, but the same is preferable.

또한, 상기 화학식 2 내지 화학식 7의 R1 내지 R3에서, 상기 아릴렌은 C6~C100 의 아릴렌이고, 상기 알킬렌은 C6~C100의 선형, 가지형, 또는 분지형 알킬기일 수 있다.In addition, in R 1 to R 3 of Formula 2 to Formula 7, the arylene is C 6 ~ C 100 arylene, the alkylene is a linear, branched, or branched alkyl group of C 6 ~ C 100 Can be.

본 발명에 따른 상기 화학식 5 내지 화학식 7로 표시되는 술폰화 폴리(아릴렌 에테르 아민)의 대표적인 예로는 하기 화학식으로 표시되는 화합물들이 있다. 그러나, 하기 화학식으로 표시되는 화합물들은 술폰화 폴리(아릴렌 에테르 아민)을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 술폰화 폴리(아릴렌 에테르 아민)이 하기 예시된 것들에 한정되는 것은 아니다.Representative examples of the sulfonated poly (arylene ether amine) represented by Chemical Formulas 5 to 7 according to the present invention include compounds represented by the following chemical formulas. However, the compounds represented by the following formulas merely illustrate sulfonated poly (arylene ether amine), and the sulfonated poly (arylene ether amine) of the present invention is not limited to those illustrated below.

[화학식 5a][Formula 5a]

Figure 112007034985976-PAT00009
Figure 112007034985976-PAT00009

[화학식 5b][Formula 5b]

Figure 112007034985976-PAT00010
Figure 112007034985976-PAT00010

[화학식 6a][Formula 6a]

Figure 112007034985976-PAT00011
Figure 112007034985976-PAT00011

[화학식 6b][Formula 6b]

Figure 112007034985976-PAT00012
Figure 112007034985976-PAT00012

[화학식 7a][Formula 7a]

Figure 112007034985976-PAT00013
Figure 112007034985976-PAT00013

상기 화학식 5a, 5b, 6a, 6b 및 7a에서, n 및 m은 각각 독립적으로 5 내지 200의 정수이다.In Formulas 5a, 5b, 6a, 6b, and 7a, n and m are each independently an integer of 5 to 200.

본 발명의 상기 화학식 5 내지 화학식 7로 표시되는 술폰화 폴리(아릴렌 에테르 아민)은 상기 화학식 1로 표시되는 술폰화 트리페닐아민 유도체, 다이올 유도체 및 공단량체를 사용하여 친핵성 방향족 치환반응을 통해 제조될 수 있다.The sulfonated poly (arylene ether amine) represented by Chemical Formulas 5 to 7 of the present invention is subjected to nucleophilic aromatic substitution reaction using sulfonated triphenylamine derivatives, diol derivatives and comonomers represented by Chemical Formula 1 above. It can be prepared through.

상기 화학식 5 내지 화학식 7로 표시되는 술폰화 폴리(아릴렌 에테르 아민)에 대하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the sulfonated poly (arylene ether amine) represented by Chemical Formulas 5 to 7 will be described in more detail.

본 발명의 화학식 5로 표시되는 술폰화 폴리(아릴렌 에테르 아민) 호모 중합체는 상기 화학식 1로 표시되는 술폰화 트리페닐아민 유도체, 다이올 유도체 및 염기를 극성 비양자성 용매에 용해하고 반응시켜 제조될 수 있다. 비제한적인 예로, 상기 반응은 하기 반응식 2로 나타낼 수 있다.The sulfonated poly (arylene ether amine) homopolymer represented by the general formula (5) of the present invention is prepared by dissolving and reacting the sulfonated triphenylamine derivative, the diol derivative and the base represented by the formula (1) in a polar aprotic solvent. Can be. As a non-limiting example, the reaction can be represented by the following scheme 2.

[반응식 2]Scheme 2

Figure 112007034985976-PAT00014
Figure 112007034985976-PAT00014

상기 반응식 2에서, R1은 아릴렌(arylene), 알킬렌(alkylene) 및 이들의 혼성 작용기 중에서 선택되며; n은 5 내지 200의 정수이다. In Scheme 2, R 1 is selected from arylene, alkylene and hybrid functional groups thereof; n is an integer of 5 to 200.

또한 본 발명의 화학식 6으로 표시되는 술폰화 폴리(아릴렌 에테르 아민) 공중합체는 상기 화학식 1로 표시되는 술폰화 트리페닐아민 유도체, 두 가지 이상의 다이올 유도체, 및 염기를 극성 비양자성 용매에 용해하고 반응시켜 제조될 수 있다. 비제한적인 예로, 상기 반응은 하기 반응식 3으로 나타낼 수 있다.In addition, the sulfonated poly (arylene ether amine) copolymer represented by Chemical Formula 6 of the present invention dissolves the sulfonated triphenylamine derivative represented by Chemical Formula 1, two or more diol derivatives, and a base in a polar aprotic solvent. And react. By way of non-limiting example, the reaction can be represented by the following scheme 3.

[반응식 3]Scheme 3

Figure 112007034985976-PAT00015
Figure 112007034985976-PAT00015

상기 반응식 3에서, R1 및 R2는 서로 다르며, 각각 독립적으로 아릴렌(arylene), 알킬렌(alkylene) 및 이들의 혼성 작용기 중에서 선택되며; n 및 m은 각각 독립적으로 5 내지 200의 정수이다.In Scheme 3, R 1 and R 2 are different from each other, each independently selected from arylene, alkylene and hybrid functional groups thereof; n and m are each independently an integer of 5 to 200.

또한, 본 발명의 화학식 7로 표시되는 술폰화 폴리(아릴렌 에테르 아민) 공중합체는 상기 화학식 1로 표시되는 술폰화 트리페닐아민 유도체, 다이올 유도체, 술폰화 다이클로린 유도체 및 염기를 극성 비양자성 용매에 용해하고 반응시켜 제조될 수 있다. 비제한적인 예로, 상기 반응은 하기 반응식 4로 나타낼 수 있다.In addition, the sulfonated poly (arylene ether amine) copolymer represented by the general formula (7) of the present invention is a sulfonated triphenylamine derivative, a diol derivative, a sulfonated dichlorine derivative and a base represented by the formula (1) polar aprotic It can be prepared by dissolving in a solvent and reacting. As a non-limiting example, the reaction can be represented by the following scheme 4.

[반응식 4]Scheme 4

Figure 112007034985976-PAT00016
Figure 112007034985976-PAT00016

상기 반응식 4에서, R1은 아릴렌(arylene), 알킬렌(alkylene) 및 이들의 혼성 작용기 중에서 선택되며; n 및 m은 각각 독립적으로 5 내지 200의 정수이며; Y는 -S(=O)2- 또는 -C(=O)-이다.In Scheme 4, R 1 is selected from arylene, alkylene and hybrid functional groups thereof; n and m are each independently an integer from 5 to 200; Y is -S (= 0) 2 -or -C (= 0)-.

또한, 상기 반응식 2 내지 반응식 4에서, 상기 화학식 1로 표시되는 술폰화 트리페닐아민 유도체로는 하기 화학식 1a로 표시되는 화합물, 즉 트리페닐아민의 파라위치에 술폰 작용기를 포함하는 비스(4-나이트로-3-트리플루오로메틸페닐)페닐아민이 사용되고 있으나, 이에 한정되지 않는다.In addition, in Schemes 2 to 4, as the sulfonated triphenylamine derivative represented by Chemical Formula 1, the compound represented by Chemical Formula 1a, that is, bis (4-night) containing a sulfone functional group at a para position of triphenylamine Rho-3-trifluoromethylphenyl) phenylamine is used, but is not limited thereto.

[화학식 1a][Formula 1a]

Figure 112007034985976-PAT00017
Figure 112007034985976-PAT00017

상기 극성 비양자성 용매는 디메틸설폭사이드(DMSO), N-메틸피롤리돈(NMP), 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논(DMI), 디메틸아세트아마이드(DMAc), 디메틸포름아마이드(DMF) 및 테트라메틸렌설폰으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 디메틸설폭사이드 또는 벤조페논을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.The polar aprotic solvent is dimethyl sulfoxide (DMSO), N-methylpyrrolidone (NMP), 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone (DMI), dimethylacetamide (DMAc), dimethylformamide ( DMF) and tetramethylene sulfone may be used at least one selected from the group consisting of, preferably dimethyl sulfoxide or benzophenone may be used, but is not limited thereto.

상기와 같은 화학식 1로 표시되는 술폰화 트리페닐아민 유도체 및 다이올 유도체는 각각 상기 극성 비양성자성 용매에 대하여 15 내지 35 M%의 농도로 사용되는 것이 바람직하며, 그 농도가 15 M% 미만일 경우에는 고리형 화합물이 생성되어 큰 분자량의 고분자를 얻는데 문제점이 있으며, 35 M%을 초과할 경우에는 고분자에 비해 용매의 비가 감소하기 때문에 용해도가 감소하여 큰 분자량의 고분자를 얻는데 문제점이 발생한다. The sulfonated triphenylamine derivative and the diol derivative represented by Formula 1 are preferably used at a concentration of 15 to 35 M% with respect to the polar aprotic solvent, respectively, when the concentration is less than 15 M%. There is a problem in obtaining a polymer having a large molecular weight to produce a cyclic compound, and when it exceeds 35 M%, since the ratio of the solvent is reduced compared to the polymer, solubility decreases and a problem in obtaining a polymer having a large molecular weight occurs.

상기와 같은 술폰화 트리페닐아민 유도체와 다이올 유도체를 극성 비양자성 용매에 녹인 후 이 혼합물에 염기를 첨가한다.The sulfonated triphenylamine derivative and the diol derivative as described above are dissolved in a polar aprotic solvent and then a base is added to the mixture.

이때 염기는 탄산칼륨(K2CO3) 및/또는 탄산세슘(Cs2CO3) 등을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 탄산칼륨을 사용할 수 있다.In this case, the base may be potassium carbonate (K 2 CO 3 ) and / or cesium carbonate (Cs 2 CO 3 ), and the like, and preferably potassium carbonate.

상기 염기는 화학식 1로 표시되는 술폰화 트리페닐아민 유도체에 대해 0.1 내지 5 당량으로 사용될 수 있다. 상기 염기의 함량이 0.1 당량 미만일 경우에는 아릴렌 다이올의 페녹사이드염 형성에 문제점이 있으며, 상기 5 당량을 초과할 경우에는 과량의 불용성 촉매에 의해 반응물 교반에 문제점이 있다.The base may be used in an amount of 0.1 to 5 equivalents based on the sulfonated triphenylamine derivative represented by Chemical Formula 1. If the content of the base is less than 0.1 equivalents, there is a problem in the formation of phenoxide salt of arylene diol, and if the amount exceeds 5 equivalents, there is a problem in stirring the reactants by the excess insoluble catalyst.

상기와 같이 염기가 첨가된 혼합물은 이후 100 내지 140 ℃의 온도에서 1 내지 2시간 동안, 바람직하게는 140 ℃에서 1 시간 동안 교반하여 페녹사이드염을 생성시킬 수 있다. 이때, 반응을 효과적으로 진행시키기 위하여 소량의 톨루엔을 첨가하여 반응 중에 생성되는 물을 효과적으로 제거할 수도 있다. The mixture to which the base is added as described above may then be stirred at a temperature of 100 to 140 ° C. for 1 to 2 hours, preferably at 140 ° C. for 1 hour to produce a phenoxide salt. In this case, in order to effectively advance the reaction, a small amount of toluene may be added to effectively remove water generated during the reaction.

이후 반응의 온도를 160 내지 185 ℃의 온도로 승온시켜 3 내지 24 시간 동안, 바람직하게는 180 ℃로 승온시키고 6 시간 동안 교반하여 고분자를 제조할 수 있다.Thereafter, the temperature of the reaction may be elevated to a temperature of 160 to 185 ° C., thereby increasing the temperature for 3 to 24 hours, preferably 180 ° C., and stirring for 6 hours to prepare a polymer.

상기와 같은 반응이 완료된 후, 정제 및 건조 과정을 거쳐 최종 술폰화 폴리(아릴렌 에테르 아민) 호모 중합체를 수득할 수 있다. 상기 정제 및 건조 과정의 비제한적인 예를 들면, 반응이 완료된 후 탄산칼륨 및 극성 비양자성 용매를 제거하고, 침전물은 건조 후 다시 한번 극성 비양자성 용매에 녹여 과량의 메탄올에 침전시켜 정제하고, 이 침전물을 오븐에서 진공건조 할 수 있다.After the reaction is completed, the final sulfonated poly (arylene ether amine) homopolymer may be obtained through purification and drying process. As a non-limiting example of the purification and drying process, after completion of the reaction, the potassium carbonate and the polar aprotic solvent are removed, and the precipitate is dissolved in the polar aprotic solvent once again after drying and precipitated and purified in excess methanol. The precipitate can be vacuum dried in an oven.

본 발명에 따른 고분자, 바람직하게는 술폰화 폴리(아릴렌 에테르 아민)의 제조방법은, 상기 반응식 2 내지 반응식 4에서 사용한 반응물과 동일 또는 유사한 효과를 발휘하는 반응물을 사용하거나, 상기 반응식들과 유사한 경로(scheme)에 의한 제조방법도 포함한다.The method for preparing a polymer according to the present invention, preferably sulfonated poly (arylene ether amine), uses a reactant that exhibits the same or similar effect as the reactants used in Schemes 2 to 4, or is similar to the above schemes. It also includes a method for manufacturing by route.

본 발명에 따른 고분자, 바람직하게는 술폰화 폴리(아릴렌 에테르 아민)은 트리페닐아민기와 트리플루오로메틸 치환기를 고분자 사슬에 도입한 것으로서, 양성자 교환막 필름 형성에 우수한 가공성을 보이며, 전해질막의 팽윤 정도가 작고, 연료전지의 막 전극 어셈블리(membrane electrode assembly, MEA) 테스트에 있어서 일반적으로 사용되는 퍼플루오르화 폴리머계 바인드와의 친화성 등을 향상시킬 수 있다. The polymer, preferably sulfonated poly (arylene ether amine), according to the present invention introduces a triphenylamine group and a trifluoromethyl substituent into the polymer chain, and shows excellent processability in forming a proton exchange membrane film, and the degree of swelling of the electrolyte membrane. It is small and can improve the affinity with the perfluorinated polymer type | system | group bind generally used in the membrane electrode assembly (MEA) test of a fuel cell.

따라서, 본 발명은 상기 본 발명의 고분자, 바람직하게는 술폰화 폴리(아릴렌 에테르 아민)을 포함하는 전해질막을 제공한다. 상기 술폰화 폴리(아릴렌 에테르 아민)은 열가소성 및 용해도가 우수하며 전해질막의 내열성 또한 우수하여 연료전지용 양성자 교환막으로의 물성을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 전해질막은 본 발명의 고분자 이외에도 당업계에 전해질막의 재료로 알려진 통상의 고분자 및/또는 무기물을 추가로 포함할 수 있다. Accordingly, the present invention provides an electrolyte membrane comprising the polymer of the present invention, preferably sulfonated poly (arylene ether amine). The sulfonated poly (arylene ether amine) has excellent thermoplasticity and solubility, and also has excellent heat resistance of the electrolyte membrane, thereby improving physical properties of the proton exchange membrane for fuel cells. In addition to the polymer of the present invention, the electrolyte membrane according to the present invention may further include conventional polymers and / or inorganic materials known as materials for electrolyte membranes in the art.

본 발명의 전해질막은 본 발명에 따른 고분자를 사용하여 당 업계에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조할 수 있다. 이의 비제한적인 예를 들면, 본 발명에 따른 고분자 또는 이의 용액을 기재(substrate)상에 코팅한 후, 기재로부터 전해질막을 분리하여 제조할 수 있다.The electrolyte membrane of the present invention can be prepared according to conventional methods known in the art using the polymer according to the present invention. Non-limiting examples thereof may be prepared by coating a polymer or a solution thereof according to the invention on a substrate and then separating the electrolyte membrane from the substrate.

또한, 본 발명의 전해질막 및 전극을 포함하는 막전극 접합체, 그리고 이러한 막전극 접합체를 포함하는 연료전지도 본 발명의 범주에 포함되며, 이들은 각각 당 업계에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있으므로 이들에 대한 설명은 본 명세서에서 생략한다. 또한, 본 발명에서 막전극 접합체 및 이를 포함하는 연료 전지의 구성을 위한 기타 구체적인 내용 등은 당 업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에 별도의 설명이 없더라도 충분히 재현이 가능하다.In addition, a membrane electrode assembly including the electrolyte membrane and the electrode of the present invention, and a fuel cell including such a membrane electrode assembly are included in the scope of the present invention, and each of them may be prepared according to a conventional method known in the art. Description of these is omitted here. In addition, since the membrane electrode assembly and other specific details for the configuration of the fuel cell including the same in the present invention are known in the art, even if there is no separate description in the present specification can be sufficiently reproduced.

이하 본 발명을 실시예를 통하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the following Examples. However, the following examples are merely to illustrate the present invention and the present invention is not limited by the following examples.

[실시예]EXAMPLE

이하, 실시예에 사용된 단량체 및 중합체의 구조와 물성은 다음의 방법을 사용하여 확인 및 측정하였다.Hereinafter, the structure and physical properties of the monomers and polymers used in the examples were confirmed and measured using the following method.

- 합성한 물질의 구조는 적외선 분광 분석 (IR)과 핵자기 공명 분광 분석 (NMR)로 확인하였다.The structure of the synthesized material was confirmed by infrared spectroscopy (IR) and nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR).

- IR 도표는 필름을 이용하여 Bruker사의 EQUINOX-55 FTIR spectrophotometer로부터 얻었고, NMR 도표는 Bruker사의 Fourier Transform AVANCE 400 spectrometer를 사용하여 얻었다.IR plots were obtained from Bruker's EQUINOX-55 FTIR spectrophotometer using films and NMR plots were obtained using Bruker's Fourier Transform AVANCE 400 spectrometer.

- TGA (Thermogravimetric Analysis)는 TA Instrument사의 TA 2200 thermal analyzer system을 사용하여 측정하였다. 모두 일정한 질소기류하에서 측정하였다.-TGA (Thermogravimetric Analysis) was measured using TA Instrument's TA 2200 thermal analyzer system. All were measured under a constant stream of nitrogen.

실시예 1. 술폰화 폴리(아릴렌 에테르 아민)(화학식 5a) 제조Example 1 Preparation of Sulfonated Poly (arylene Ether Amine) (Formula 5a)

(실시예 1-1: 비스(4-나이트로-3-트리플루오로메틸페닐)페닐아민 제조)(Example 1-1: Bis (4-nitro-3-trifluoromethylphenyl) phenylamine preparation)

5-브로모-2-나이트로벤조트리플루오라이드 8.910g(33 mmol), 아닐린 1.397g(15 mmol), 트리스(다이벤질리딘아세톤)다이팔라디움(Pd2(dba)3) 0.137g(0.15 mmol), 비스(다이페닐포스피노)-1,1'-다이나프틸(rac-BINAP) 0.373g(0.6 mmol), 인산칼륨(K3PO4) 8.915g(42 mmol), 및 1,2-다이메톡시에탄 70 mL를 질소 대기하에서 100 ℃의 온도로 36시간 동안 교반하여 생성물을 수득하였다.8.910 g (33 mmol) of 5-bromo-2-nitrobenzotrifluoride, 1.397 g (15 mmol) of aniline, 0.13 g (0.15 g) of tris (dibenzylideneacetone) dipalladium (Pd 2 (dba) 3 ) mmol), 0.373 g (0.6 mmol) bis (diphenylphosphino) -1,1'-dynaphthyl (rac-BINAP), 8.915 g (42 mmol) potassium phosphate (K 3 PO 4 ), and 1,2 70 mL of dimethoxyethane was stirred at a temperature of 100 ° C. under a nitrogen atmosphere for 36 hours to give the product.

상기 수득한 생성물을 상온으로 냉각시키고 에틸아세테이트로 희석시킨 후, 증류수를 사용하여 염기를 수 차례 제거하였다. 상기 용액을 무수 마그네슘설페이트를 사용하여 수분을 제거 하고 용매를 증발시킨 후, 실리카 젤을 이용한 컬럼 크로마토그래피(ethyl acetate:n-hexane = 1:4(v:v)) 방법을 이용하여 촉매, 리간드 등을 제거하고 생성물을 분리하였다. 이렇게 생성된 노란색의 화합물은 톨루엔/n-헥산 용액에 재결정하여 최종 비스(4-나이트로-3-트리플루오로메틸페닐)페닐아민 5.277 g을 수득하였다(수율 75%).The obtained product was cooled to room temperature, diluted with ethyl acetate, and then the base was removed several times using distilled water. The solution was dried using anhydrous magnesium sulfate to evaporate the solvent, and the solvent was evaporated. Then, the catalyst and ligand were prepared using column chromatography using silica gel (ethyl acetate: n-hexane = 1: 4 (v: v)). Etc. were removed and the product was separated. The yellow compound thus obtained was recrystallized in a toluene / n-hexane solution to give 5.277 g of the final bis (4-nitro-3-trifluoromethylphenyl) phenylamine (yield 75%).

1H NMR (CDCl3, 400.13 MHz, ppm): 7.92 (d, 2H, J = 8.9 Hz); 7.49 (t, 2H, J = 7.7 Hz); 7.43 (d, 1H, J = 2.5 Hz); 7.38 (tt, 1H, J = 7.6 Hz, J = 1.8 Hz); 7.32 (dd, 2H, J = 8.9 Hz, J = 2.6 Hz); 7.18 (d, 2H, J = 7.3 Hz, J = 2.6 Hz). 1 H NMR (CDCl 3 , 400.13 MHz, ppm): 7.92 (d, 2H, J = 8.9 Hz); 7.49 (t, 2H, J = 7.7 Hz); 7.43 (d, 1 H, J = 2.5 Hz); 7.38 (tt, 1H, J = 7.6 Hz, J = 1.8 Hz); 7.32 (dd, 2H, J = 8.9 Hz, J = 2.6 Hz); 7.18 (d, 2H, J = 7.3 Hz, J = 2.6 Hz).

13C NMR (CDCl3, 100.62 MHz, ppm): 149.80, 143.62, 142.23, 130.97, 128.01, 127.83, 127.04, 126.04 (q, J = 34.0 Hz), 125.01, 121.52 (q, J = 273.8 Hz), 121.14 (q, J = 5.8 Hz). 13 C NMR (CDCl 3 , 100.62 MHz, ppm): 149.80, 143.62, 142.23, 130.97, 128.01, 127.83, 127.04, 126.04 (q, J = 34.0 Hz), 125.01, 121.52 (q, J = 273.8 Hz), 121.14 (q, J = 5.8 Hz).

(실시예 1-2: 4-[비스(4-나이트로-3-트리플루오로메틸페닐)아미노]벤조술포네이트 (화학식 1a) 제조)Example 1-2: Preparation of 4- [bis (4-nitro-3-trifluoromethylphenyl) amino] benzosulfonate (Formula 1a)

상기 제조한 비스(4-나이트로-3-트리플루오로메틸페닐)페닐아민 4.000 g(8.49 mmol), 및 트리메틸실릴 클로로 술포네이트 1.92 g(10.18 mmol)를 다이클로로에탄 40 mL에 녹인 후 실온에서 24시간 교반하였다. 그 다음 소디움메톡사이드 1.84 g(29.72 mmol)를 고체상태로 첨가하여 1시간 이상 교반시킨 후, 생성물을 과량의 증류수에 침전시켜 용매를 제거하였다. 4.000 g (8.49 mmol) of the bis (4-nitro-3-trifluoromethylphenyl) phenylamine prepared above, and 1.92 g (10.18 mmol) of trimethylsilyl chloro sulfonate were dissolved in 40 mL of dichloroethane, followed by 24 at room temperature. Stirred for time. Then, 1.84 g (29.72 mmol) of sodium methoxide was added to the solid state and stirred for 1 hour or more, and then the product was precipitated in excess distilled water to remove the solvent.

상기 수득한 생성물을 에탄올/증류수 용액에 재결정하여 최종 4-[비스(4-나이트로-3-트리플루오로메틸페닐)아미노]벤조술포네이트 3.522 g을 수득하였다(수율 72 %).The obtained product was recrystallized in ethanol / distilled water solution to give 3.522 g of final 4- [bis (4-nitro-3-trifluoromethylphenyl) amino] benzosulfonate (yield 72%).

1H NMR (DMSO-d6, 400.13 MHz, ppm): 8.14 (d, 2H, J = 8.9 Hz); 7.72 (d, 2H, J = 8.4 Hz); 7.55 (d, 2H, J = 2.4 Hz); 7.51 (dd, 2H, J = 8.7 Hz, J = 2.5 Hz); 7.30 (d, 2H, J = 8.4 Hz). 1 H NMR (DMSO-d 6 , 400.13 MHz, ppm): 8.14 (d, 2H, J = 8.9 Hz); 7.72 (d, 2H, J = 8.4 Hz); 7.55 (d, 2H, J = 2.4 Hz); 7.51 (dd, 2H, J = 8.7 Hz, J = 2.5 Hz); 7.30 (d, 2H, J = 8.4 Hz).

13C NMR (DMSO-d6, 100.62 MHz, ppm): 149.75, 146.99, 143.81, 141.64, 128.40, 128.06, 126.54, 126.40, 123.83 (q, J = 33.3 Hz), 121.84 (q, J = 271.5 Hz), 121.22 (q, J = 5.7 Hz). 13 C NMR (DMSO-d 6 , 100.62 MHz, ppm): 149.75, 146.99, 143.81, 141.64, 128.40, 128.06, 126.54, 126.40, 123.83 (q, J = 33.3 Hz), 121.84 (q, J = 271.5 Hz) , 121.22 (q, J = 5.7 Hz).

(실시예 1-3: 술폰화 폴리(아릴렌 에테르 아민)(화학식 5a) 제조)Example 1-3: Sulfonated Poly (arylene Ether Amine) (Formula 5a) Preparation)

상기 제조한 4-[비스(4-나이트로-3-트리플루오로메틸페닐)아미노]벤조술포네이트 0.6008 g(1.05 mmol), 비스페놀 A 0.2392 g(1.05 mmol), 및 탄산칼륨(K2CO3) 0.5174 g(3.68 mmol)을 4.2 mL 다이메틸설폭사이드에 녹인 후, 140 ℃에서 1시간 동안 교반하여 페녹사이드염을 형성하였다. 이때 일정량의 톨루엔을 첨가하여 반응 중 형성되는 물을 공비 과정을 통해 제거 해 주었다. 반응 온도을 180 ℃로 승온하여 6시간을 교반한 후, 생성물은 소량의 초산이 들어 있는 증류수에 침전하여 염기와 용매를 제거해 주었다. 침전물을 필터, 건조 후, 다시 한번 극성 비양성자성 용매에 녹여서 과량의 메탄올에 침전하여 정제해 주었다. 침전 된 고분자를 회수하여 진공에서 건조한 후 섬유 모양의 술폰화 폴리 (아릴렌 에테르 아민)을 얻었다(0.52 g; 71 % 수율).0.6008 g (1.05 mmol) of 4- [bis (4-nitro-3-trifluoromethylphenyl) amino] benzosulfonate, 0.2392 g (1.05 mmol) of bisphenol A, and potassium carbonate (K 2 CO 3 ) 0.5174 g (3.68 mmol) was dissolved in 4.2 mL dimethylsulfoxide and stirred at 140 ° C. for 1 hour to form a phenoxide salt. At this time, a certain amount of toluene was added to remove water formed during the reaction through an azeotropic process. After the reaction temperature was raised to 180 ° C and stirred for 6 hours, the product was precipitated in distilled water containing a small amount of acetic acid to remove the base and the solvent. The precipitate was filtered, dried, and once again dissolved in a polar aprotic solvent, precipitated and purified in excess of methanol. The precipitated polymer was recovered and dried in vacuo to give a fibrous sulfonated poly (arylene ether amine) (0.52 g; 71% yield).

FTIR (thin film, cm-1): 3041 (aromatic C-H); 1595, 1492 (aromatic C=C); 1325 (C-N); 1236 (C-O-C); 1165-1135 (C-F); 1033, 1002 (S=0 in SO3H).FTIR (thin film, cm −1 ): 3041 (aromatic CH); 1595, 1492 (aromatic C = C); 1325 (CN); 1236 (COC); 1165-1135 (CF); 1033, 1002 (S = 0 in SO 3 H).

1H NMR (DMSO-d6, 400.13 MHz, ppm): 7.55 (d, 2H, J = 8.1 Hz); 7.25 - 7.32 (m, 8H); 6.97 - 7.01 (m, 8H); 1.63 (s, 3H). 1 H NMR (DMSO-d 6 , 400.13 MHz, ppm): 7.55 (d, 2H, J = 8.1 Hz); 7.25-7.32 (m, 8 H); 6.97-7.01 (m, 8 H); 1.63 (s, 3 H).

실시예 2: 술폰화 폴리(아릴렌 에테르 아민)(화학식 5b) 제조Example 2: Preparation of sulfonated poly (arylene ether amine) (Formula 5b)

상기 실시예 1에서 제조한 4-[비스(4-나이트로-3-트리플루오로메틸페닐)아미노]벤조술포네이트(화학식 1a) 0.6340 g(1.06 mmol), 4,4'-(9-플루오레닐리딘)-다이페놀 0.3875 g(1.06 mmol), 탄산칼륨(K2CO3) 0.5380 g(3.9 mmol), 및 다이메틸설폭사이드 4.0 mL를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1-3과 동일한 방법으로 실시하여 섬유 모양의 술폰화 폴리(아릴렌 에테르 아민) (화학식 5b) 0.6545 g을 수 득하였다(수율 81 %).0.6340 g (1.06 mmol) of 4- [bis (4-nitro-3-trifluoromethylphenyl) amino] benzosulfonate (Formula 1a) prepared in Example 1, 4,4 ′-(9-fluore) Same method as Example 1-3, except that 0.3875 g (1.06 mmol) of nilidine) -diphenol, 0.5380 g (3.9 mmol) of potassium carbonate (K 2 CO 3 ), and 4.0 mL of dimethylsulfoxide were used. To obtain 0.6545 g of fibrous sulfonated poly (arylene ether amine) (Formula 5b) (yield 81%).

FTIR (thin film, cm-1): 3039 (aromatic C-H); 1596, 1490 (aromatic C=C); 1325 (C-N); 1236 (C-O-C); 1165-1135 (C-F); 1034, 1004 (S=0 in SO3H).FTIR (thin film, cm −1 ): 3039 (aromatic CH); 1596, 1490 (aromatic C = C); 1325 (CN); 1236 (COC); 1165-1135 (CF); 1034, 1004 (S = 0 in SO 3 H).

1H NMR (DMSO-d6, 400.13 MHz, ppm): 7.92 (d, 2H, J = 7.5 Hz); 7.53 (d, 2H, J = 8.5 Hz); 7.44 (d, 2H, J = 7.5 Hz); 7.40 (t, 2H, J = 7.3 Hz); 7.31 (t, 2H, J = 7.3 Hz); 7.29 (s, 2H); 7.25 (d, 2H, J = 8.8 Hz); 7.14 (d, 4H, J = 8.6 Hz); 6.94 - 6.99 (m, 8H). 1 H NMR (DMSO-d 6 , 400.13 MHz, ppm): 7.92 (d, 2H, J = 7.5 Hz); 7.53 (d, 2H, J = 8.5 Hz); 7.44 (d, 2H, J = 7.5 Hz); 7.40 (t, 2 H, J = 7.3 Hz); 7.31 (t, 2H, J = 7.3 Hz); 7.29 (s, 2 H); 7.25 (d, 2 H, J = 8.8 Hz); 7.14 (d, 4H, J = 8.6 Hz); 6.94-6.99 (m, 8 H).

실시예 3: 술폰화 폴리(아릴렌 에테르 아민) 공중합체(화학식 6a) 제조Example 3: Preparation of sulfonated poly (arylene ether amine) copolymer (Formula 6a)

상기 실시예 1에서 제조한 4-[비스(4-나이트로-3-트리플루오로메틸페닐)아미노]벤조술포네이트(화학식 1a) 0.6227 g(1.09 mmol), 비스페놀 A 0.1854 g(0.81 mmol), 4,4'-(9-플루오레닐리딘)-다이페놀 0.0961 g(0.27 mmol), 탄산칼륨(K2CO3) 0.6380 g(4.38 mmol), 및 다이메틸설폭사이드 3.8 mL를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1-3과 동일한 방법으로 실시하여 섬유 모양의 술폰화 폴리(아릴렌 에테르 아민) 공중합체 (화학식 6a) 0.59 g을 수득하였다(수율 72 %).0.6227 g (1.09 mmol) of 4- [bis (4-nitro-3-trifluoromethylphenyl) amino] benzosulfonate (Formula 1a) prepared in Example 1, and 0.1854 g (0.81 mmol) of bisphenol A, 4 Except for using 0.0961 g (0.27 mmol) of 4 '-(9-fluorenyridine) -diphenol, 0.6380 g (4.38 mmol) of potassium carbonate (K 2 CO 3 ), and 3.8 mL of dimethylsulfoxide. In the same manner as in Example 1-3, 0.59 g of a fibrous sulfonated poly (arylene ether amine) copolymer (Formula 6a) was obtained (yield 72%).

FTIR (thin film, cm-1): 3039 (aromatic C-H); 1596, 1490 (aromatic C=C); 1325 (C-N); 1236 (C-O-C); 1165-1135 (C-F); 1034, 1004 (S=0 in SO3H).FTIR (thin film, cm −1 ): 3039 (aromatic CH); 1596, 1490 (aromatic C = C); 1325 (CN); 1236 (COC); 1165-1135 (CF); 1034, 1004 (S = 0 in SO 3 H).

1H NMR (DMSO-d6, 400.13 MHz, ppm): 도 1에 나타내었음. 1 H NMR (DMSO-d 6 , 400.13 MHz, ppm): shown in FIG. 1.

실시예 4: 술폰화 폴리(아릴렌 에테르 아민) 공중합체(화학식 6b) 제조Example 4: Preparation of sulfonated poly (arylene ether amine) copolymer (Formula 6b)

상기 실시예 1에서 제조한 4-[비스(4-나이트로-3-트리플루오로메틸페닐)아미노]벤조술포네이트(화학식 1a) 0.5971 g(1.04 mmol), 비스페놀 A 0.1754 g(0.77 mmol), 3,5-다이하이드록시 벤조산 0.0421 g(0.27 mmol), 탄산칼륨(K2CO3) 0.5135 g(3.65 mmol), 및 다이메틸설폭사이드 3.5 mL를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1-3과 동일한 방법으로 실시하여 섬유 모양의 술폰화 폴리(아릴렌 에테르 아민) 공중합체(화학식 6b) 0.55 g을 수득하였다(수율 66 %).0.5971 g (1.04 mmol) of 4- [bis (4-nitro-3-trifluoromethylphenyl) amino] benzosulfonate (Formula 1a) prepared in Example 1, 0.1754 g (0.77 mmol) of bisphenol A, 3 Same as Example 1-3, except that 0.0421 g (0.27 mmol) of 5-5-dihydroxy benzoic acid, 0.5135 g (3.65 mmol) of potassium carbonate (K 2 CO 3 ), and 3.5 mL of dimethylsulfoxide were used. The process was carried out to obtain 0.55 g of fibrous sulfonated poly (arylene ether amine) copolymer (Formula 6b) (yield 66%).

FTIR (thin film, cm-1): 3039 (aromatic C-H); 1707 (C=O in COOH); 1596, 1490 (aromatic C=C); 1325 (C-N); 1236 (C-O-C); 1165-1135 (C-F); 1034, 1004 (S=0 in SO3H).FTIR (thin film, cm −1 ): 3039 (aromatic CH); 1707 (C═O in COOH); 1596, 1490 (aromatic C = C); 1325 (CN); 1236 (COC); 1165-1135 (CF); 1034, 1004 (S = 0 in SO 3 H).

1H NMR (DMSO-d6, 400.13 MHz, ppm): 도 2에 나타내었음. 1 H NMR (DMSO-d 6 , 400.13 MHz, ppm): shown in FIG. 2.

실시예 5: 술폰화 폴리(아릴렌 에테르 아민) 공중합체(화학식 7a) 제조Example 5: Preparation of sulfonated poly (arylene ether amine) copolymer (Formula 7a)

상기 실시예 1에서 제조한 4-[비스(4-나이트로-3-트리플루오로메틸페닐)아미노]벤조술포네이트 0.4219 g(0.74 mmol), 비스페놀 A 0.2093 g(0.92 mmol), 3,3'-다이술포네이트-4,4'-다이클로로다이페닐술폰 0.0890 g(0.18 mmol), 탄산칼륨(K2CO3) 0.4565 g(3.25 mmol), 및 다이메틸설폭사이드 3.2 mL를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1-3과 동일한 방법으로 실시하여 섬유 모양의 술폰화 폴리(아릴렌 에테르 아민) 공중합체(화학식 7a) 0.45 g을 수득하였다(수율 71 %).0.4219 g (0.74 mmol) of 4- [bis (4-nitro-3-trifluoromethylphenyl) amino] benzosulfonate prepared in Example 1, 0.2093 g (0.92 mmol) of bisphenol A, 3,3'- Except that 0.0890 g (0.18 mmol) of disulfonate-4,4'-dichlorodiphenylsulfone, 0.4565 g (3.25 mmol) of potassium carbonate (K 2 CO 3 ), and 3.2 mL of dimethylsulfoxide were used. In the same manner as in Example 1-3, 0.45 g of a fibrous sulfonated poly (arylene ether amine) copolymer (Formula 7a) was obtained (yield 71%).

FTIR (thin film, cm-1): 3039 (aromatic C-H); 1560, 1488 (aromatic C=C); 1326 (C-N); 1235 (C-O-C); 1162-1135 (C-F); 1033, 1002 (S=0 in SO3H).FTIR (thin film, cm −1 ): 3039 (aromatic CH); 1560, 1488 (aromatic C = C); 1326 (CN); 1235 (COC); 1162-1135 (CF); 1033, 1002 (S = 0 in SO 3 H).

1H NMR (DMSO-d6, 400.13 MHz, ppm): 도 3에 나타내었음. 1 H NMR (DMSO-d 6 , 400.13 MHz, ppm): shown in FIG. 3.

실시예 6: 술폰산염 폴리(아릴렌 에테르 아민) 중합체 전해질막의 제조 및 수소치환Example 6: Preparation and Hydrogen Substitution of Sulfonate Poly (arylene Ether Amine) Polymer Electrolyte Membrane

상기 실시예 1에서 제조된 나트륨 설페이트 형태의 술폰산염을 함유한 술폰화 폴리(아릴렌 에테르 아민) 중합체를 디메틸아세트아마이드(DMAc)에 완전히 녹인 뒤, 필터(0.45 ㎛)를 하였다. The sulfonated poly (arylene ether amine) polymer containing the sulfonate in the form of sodium sulfate prepared in Example 1 was completely dissolved in dimethylacetamide (DMAc), followed by a filter (0.45 μm).

이어서, 상기 용액을 유리판 위에 부은 후, 닥터브래이드를 사용하여 수 ㎛ ~ 수십 ㎛의 두께로 용액을 유리판 위에 도포하였다. 이때, 상기 술폰산염 폴리(아릴렌 에테르 아민) 중합체 용액의 농도는 10 %(w/v)인 것이 바람직하다. 상기 용액 도포된 유리판을 진공 오븐에 넣고 상온에서 80 ℃까지 온도를 서서히 올리고, 24 시간 동안 건조시킨 후, 110 ℃로 유지된 진공 오븐에서 24 시간 동안 더 건조시켰다. 이후, 형성된 막을 유리판에서 분리하였다. Subsequently, the solution was poured onto a glass plate, and then the solution was applied onto the glass plate using a doctor blade to a thickness of several micrometers to several tens of micrometers. At this time, the concentration of the sulfonate poly (arylene ether amine) polymer solution is preferably 10% (w / v). The solution-coated glass plate was placed in a vacuum oven, gradually raised to 80 ° C. at room temperature, dried for 24 hours, and further dried in a vacuum oven maintained at 110 ° C. for 24 hours. Thereafter, the formed film was separated from the glass plate.

상기 얻어진 막은 염산 수용액 또는 황산 수용액에 첨가하여 상기 술폰산염을 술폰산으로 치환함으로써, 술폰산을 함유한 신규 술폰화 폴리(아릴렌 에테르 아민) 중합체 전해질막을 제조하였다. 이때, 상기 염산 수용액 또는 황산 수용액의 처리 농도는 1 M이며, 처리 시간은 24 시간이었다.The obtained membrane was added to an aqueous hydrochloric acid solution or an aqueous sulfuric acid solution to replace the sulfonic acid salt with a sulfonic acid, thereby preparing a novel sulfonated poly (arylene ether amine) polymer electrolyte membrane containing sulfonic acid. At this time, the treatment concentration of the aqueous hydrochloric acid solution or sulfuric acid aqueous solution was 1 M, the treatment time was 24 hours.

실시예 7~10: 술폰산염 폴리(아릴렌 에테르 아민) 중합체 전해질막의 제조 및 수소치환Examples 7-10: Preparation of Sulfonate Poly (arylene Ether Amine) Polymer Electrolyte Membrane and Hydrogen Replacement

상기 실시예 2~5에서 제조된 나트륨 설페이트 형태의 술폰산염을 함유한 술폰화 폴리(아릴렌 에테르 아민) 중합체 각각을 사용한 것을 제외하고는 실시예 6과 동일한 방법으로 술폰화 폴리(아릴렌 에테르 아민) 중합체 전해질막을 제조하였다.The sulfonated poly (arylene ether amine) in the same manner as in Example 6, except that each of the sulfonated poly (arylene ether amine) polymers containing sulfonate in the form of sodium sulfate prepared in Examples 2 to 5 was used. ) A polymer electrolyte membrane was prepared.

실험예 1: 술폰산염 폴리(아릴렌 에테르 아민)의 용해도Experimental Example 1: Solubility of Sulfonate Poly (arylene Ether Amine)

상기 실시예 1 내지 실시예 5에서 제조된 술폰산 나트륨을 함유한 신규 술폰화 폴리(아릴렌 에테르 아민) 중합체의 용해도를 하기 표 1에 정리하였다.The solubility of the novel sulfonated poly (arylene ether amine) polymer containing sodium sulfonate prepared in Examples 1 to 5 is summarized in Table 1 below.

m-cresol m- cresol DMSODMSO DMFDMF DMAcDMAc NMPNMP 실시예 1Example 1 ++ ++ ++ ++ ++ 실시예 2Example 2 ++ ++ ++ ++ ++ 실시예 3Example 3 ++ ++ ++ ++ ++ 실시예 4Example 4 ++ ++ ++ ++ ++ 실시예 5Example 5 ++ ++ ++ ++ ++ [주] 용해도 + : 상온에서 온전히 녹음[Note] Solubility +: full recording at room temperature

실험예 2: 전해질막의 Ion Exchange Capacity 측정Experimental Example 2: Ion Exchange Capacity Measurement of Electrolyte Membrane

상기 실시예 6 내지 실시예 10에서 제조된 술폰화 폴리(아릴렌 에테르 아민)중합체 전해질막 각각 0.1 g을 NaCl 50ml 용액에 10시간 이상 담지시켜 수소 이온(H+)을 나트륨 이온(Na+)으로 치환시켰다. 상기 치환된 수소 이온(H+)을 0.025M NaOH 표준용액으로 적정하고, 적정에 사용된 NaOH의 양으로 하기 수학식 1에 따라 고분자 막의 IEC(Ion Exchange Capacity) 값을 계산하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다. 0.1 g of each of the sulfonated poly (arylene ether amine) polymer electrolyte membranes prepared in Examples 6 to 10 was immersed in a 50 ml solution of NaCl for 10 hours or more to convert hydrogen ions (H + ) into sodium ions (Na + ). Substituted. The substituted hydrogen ions (H + ) are titrated with 0.025M NaOH standard solution, and the IEC (Ion Exchange Capacity) value of the polymer membrane is calculated according to Equation 1 as the amount of NaOH used for the titration, and the results are as follows. Table 2 shows.

이때, 듀퐁사에서 제조한 나피온 115의 IEC값을 비교 데이터로 하였다.At this time, the IEC value of Nafion 115 manufactured by DuPont was used as comparison data.

[수학식 1][Equation 1]

IEC (-SO3H mequiv./g) = (V NaOH C NaOH) / W dry IEC (-SO 3 H mequiv./g) = ( V NaOH C NaOH ) / W dry

상기 수학식 1에서, W dry : 건조된 박막의 무게 (g), V NaOH : 소비된 NaOH 표준용액 (mL), C NaOH : NaOH 표준용액의 농도 (M).In Equation 1, W dry : weight of the dried thin film (g), V NaOH : consumed NaOH standard solution (mL), C NaOH : NaOH standard solution concentration (M).

실험예 3: 전해질막의 물흡수율 및 팽윤비율 측정Experimental Example 3: Measurement of Water Absorption Rate and Swelling Ratio of Electrolyte Membrane

상기 실시예 6 내지 실시예 10에서 제조된 술폰화 폴리(아릴렌 에테르 아민) 중합체 전해질막 각각을 상온의 증류수에서 12시간 이상 수화시킨 후, 막 표면의 수분을 제거하고 막의 무게와 두께를 측정하였다. 그 다음, 100 ℃ 진공오븐에서 12시간 이상 건조시킨 후, 건조된 막의 무게와 두께를 측정하고, 하기 수학식 2와 수학식 3에 따라 막의 물흡수율 및 팽윤비율을 측정하였다. 그 결과는 하기 표 2에 나타내었다.After each of the sulfonated poly (arylene ether amine) polymer electrolyte membranes prepared in Examples 6 to 10 was hydrated in distilled water at room temperature for 12 hours or more, water on the surface of the membrane was removed and the weight and thickness of the membrane were measured. . Then, after drying for 12 hours or more in a vacuum oven at 100 ℃, the weight and thickness of the dried membrane was measured, and the water absorption and swelling ratio of the membrane was measured according to the following equations (2) and (3). The results are shown in Table 2 below.

[수학식 2][Equation 2]

물흡수율 (%) = (W wet - W dry) / W dry x 100Water absorption rate (%) = ( W wet - W dry ) / W dry x 100

상기 수학식 2에서, W dry : 건조된 박막의 무게 (g), W wet : 흡착된 박막의 무게 (g)In Equation 2, W dry : weight of dried thin film (g), W wet : weight of adsorbed thin film (g)

[수학식 3][Equation 3]

팽윤비율 (%) = (l wet - l dry) / l dry x 100Swelling Ratio (%) = ( l wet - l dry ) / l dry x 100

상기 수학식 3에서, l dry : 건조된 박막의 두께 (㎛), l wet : 흡착된 박막의 두께 (㎛).In Equation 3, l dry : thickness of dried thin film (μm), l wet : thickness of adsorbed thin film (μm).

IEC (mequiv./g)IEC (mequiv./g) 물흡수율 (%)Water absorption rate (%) 팽윤비율 (%) Swelling Ratio (%) 실시예 6Example 6 0.850.85 5.05.0 4.54.5 실시예 7Example 7 0.820.82 12.612.6 3.43.4 실시예 8Example 8 0.890.89 25.725.7 11.111.1 실시예 9Example 9 1.181.18 28.528.5 12.512.5 실시예 10Example 10 1.521.52 86.886.8 14.714.7

실험예 4: 전해질막의 수소이온 전도도 측정Experimental Example 4 Measurement of Hydrogen Ion Conductivity of Electrolyte Membrane

상기 실시예 6 내지 실시예 10에서 제조된 폴리(아릴렌 에테르 아민) 중합체 막의 수소이온 전도도를 측정하였다. 수소이온 전도도의 측정은 40 내지 100 ℃의 온도에 대해, 교류 임피던스(impedence) 측정법에 의하여 2극자 방법으로 임피던스를 측정하고, 하기 수학식 4에 의하여 계산하여 수소이온 전도도를 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.The hydrogen ion conductivity of the poly (arylene ether amine) polymer membrane prepared in Examples 6 to 10 was measured. In the measurement of the hydrogen ion conductivity, the impedance was measured by a dipole method by an alternating current impedance measurement method at a temperature of 40 to 100 ° C., and the hydrogen ion conductivity was measured by calculating the following equation (4). It is shown in Table 3 below.

[수학식 4][Equation 4]

σ= L/RSσ = L / RS

상기 수학식 4에서, σ: 전도도(S/cm), R: 저항(Ω), L: 전극간의 거리(cm), S: 전류가 흐르는 유효 표면적(㎠)임.In Equation 4, σ: conductivity (S / cm), R: resistance (Ω), L: distance between electrodes (cm), and S: effective surface area (cm 2) through which current flows.

본 발명에서 개발한 술폰산기를 함유하는 폴리(아릴렌 에테르 아민) 중합체 막의 수소이온 전도도와 비교하기 위하여 현재 상용화되고 있는 이온 교환막인 미국 듀퐁사의 상품명인 네피온 115(Nafion 115, 퍼플루오르화 술폰산 중합체)막을 사용하였다. 네피온 115에 대한 수소이온 전도도는 상기에서 언급한 방법과 동일하게 측정하였고, 그 결과는 하기 표 3에 기재하였다.In order to compare the hydrogen ion conductivity of the poly (arylene ether amine) polymer membrane containing the sulfonic acid group developed in the present invention, Nefion 115 (Nafion 115, a perfluorinated sulfonic acid polymer), a trade name of DuPont, USA, which is currently commercialized Membrane was used. Hydrogen ion conductivity for Nepion 115 was measured in the same manner as mentioned above, and the results are shown in Table 3 below.

구분division 실시예 6Example 6 실시예 7Example 7 실시예 8Example 8 실시예 9Example 9 실시예 10Example 10 네피온112Nefion112 수소 이온 전도도Hydrogen ion conductivity 40 ℃40 ℃ 0.00020.0002 0.00030.0003 0.00080.0008 0.00130.0013 0.00750.0075 0.00800.0080 50 ℃50 ℃ 0.00020.0002 0.00030.0003 0.00090.0009 0.00140.0014 0.00760.0076 0.00880.0088 60 ℃60 ℃ 0.00030.0003 0.00030.0003 0.00100.0010 0.00150.0015 0.00820.0082 0.01030.0103 70 ℃70 ℃ 0.00030.0003 0.00040.0004 0.00100.0010 0.00160.0016 0.00940.0094 0.01200.0120 80 ℃80 ℃ 0.00030.0003 0.00040.0004 0.00110.0011 0.00220.0022 0.00950.0095 0.01460.0146 90 ℃90 ℃ 0.00030.0003 0.00050.0005 0.00120.0012 0.00370.0037 0.00990.0099 0.01900.0190 100 ℃100 ℃ 0.00040.0004 0.00050.0005 0.00130.0013 0.00550.0055 0.01100.0110 0.02310.0231

상기 표 1 내지 표 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따라 실시예 6내지 실시예 10에서 제조된 술폰화 폴리(아릴렌 에테르 아민) 전해질막은 투명하고 질긴 양질의 전해질막으로서 높은 분자량을 갖는 중합체임을 확인 할 수 있었으며, 트리플루오로메틸 치환기의 도입으로 인하여 기존에 알려진 술폰화 폴리(아릴렌 에테르)에 비해 현저히 낮은 물흡수율 및 팽윤비율을 보이고 있었다. 특히 실시예 10의 술폰화 폴리(아릴렌 에테르 아민) 전해질막은 종래 고분자막에 사용되던 네피온과 비교하여 동등한 수소이온 전도도를 나타냄을 확인할 수 있었다.As shown in Table 1 to Table 3, the sulfonated poly (arylene ether amine) electrolyte membrane prepared in Examples 6 to 10 according to the present invention is a polymer having high molecular weight as a transparent and tough quality electrolyte membrane. In addition, due to the introduction of the trifluoromethyl substituent, it showed a significantly lower water absorption and swelling ratio than the known sulfonated poly (arylene ether). In particular, it was confirmed that the sulfonated poly (arylene ether amine) electrolyte membrane of Example 10 showed equivalent hydrogen ion conductivity as compared to the nefion used in the conventional polymer membrane.

이로부터 본 발명에 따라 제조한 술폰화 폴리(아릴렌 에테르 아민)은 연료전지용 이온 교환막으로의 적용이 효과적일 것임을 예측할 수 있었다.From this, it was predicted that the sulfonated poly (arylene ether amine) prepared according to the present invention would be effectively applied to ion exchange membranes for fuel cells.

본 발명에 따른 전해질막은 높은 수소이온 전도도를 가지면서도 동시에 기계적 물성이 우수하고 화학적으로 안정할 뿐만 아니라, 고분자 골격 내 술폰산기의 분포, 위치, 수 등을 제어할 수 있고, 술폰산기의 증가에 따른 막 물성의 저하가 없어 효과적으로 박막을 제조할 수 있는 효과가 있다.The electrolyte membrane according to the present invention has not only high hydrogen ion conductivity but also excellent mechanical properties and chemical stability, and can control the distribution, position, number, etc. of sulfonic acid groups in the polymer skeleton, There is no deterioration of the film properties, thereby effectively producing a thin film.

Claims (13)

하기 화학식 1로 표시되는 술폰화 트리페닐아민 유도체:Sulfonated triphenylamine derivatives represented by Formula 1 below: [화학식 1][Formula 1]
Figure 112007034985976-PAT00018
Figure 112007034985976-PAT00018
상기 화학식 1에서, X1 및 X2는 각각 독립적으로 -NO2, -F, -Cl, -Br 및 -I 중에서 선택되며;In Formula 1, X 1 and X 2 are each independently selected from -NO 2 , -F, -Cl, -Br and -I; M1은 -H, -Na 및 -K 중에서 선택된다.M 1 is selected from -H, -Na, and -K.
제1항의 술폰화 트리페닐아민 유도체를 사용하여 제조되는 고분자.A polymer prepared using the sulfonated triphenylamine derivative of claim 1. 제2항에 있어서, 상기 고분자는 하기 화학식 2로 표시되는 반복단위를 포함하는 술폰화 폴리(아릴렌 에테르 아민)인 것이 특징인 고분자:The polymer according to claim 2, wherein the polymer is a sulfonated poly (arylene ether amine) including a repeating unit represented by the following Chemical Formula 2: [화학식 2][Formula 2]
Figure 112007034985976-PAT00019
Figure 112007034985976-PAT00019
상기 화학식 2에서, M1은 -H, -Na 및 -K 중에서 선택되며;In Formula 2, M 1 is selected from -H, -Na, and -K; R1은 아릴렌(arylene), 알킬렌(alkylene) 및 이들의 혼성 작용기 중에서 선택된다.R 1 is selected from arylene, alkylene and hybrid functional groups thereof.
제3항에 있어서, 상기 고분자는 하기 화학식 3으로 표시되는 반복단위 및 하기 화학식 4로 표시되는 반복단위로 이루어진 군에서 선택되는 반복단위를 추가로 포함하는 술폰화 폴리(아릴렌 에테르 아민)인 것이 특징인 고분자:The method of claim 3, wherein the polymer is a sulfonated poly (arylene ether amine) further comprising a repeating unit selected from the group consisting of a repeating unit represented by the following formula (3) and a repeating unit represented by the following formula (4) Characteristic Polymers: [화학식 3][Formula 3]
Figure 112007034985976-PAT00020
Figure 112007034985976-PAT00020
상기 화학식 3에서, M1은 -H, -Na 및 -K 중에서 선택되며;In Formula 3, M 1 is selected from -H, -Na and -K; R2는 R1과 동일하지 않고, 아릴렌(arylene), 알킬렌(alkylene) 및 이들의 혼성 작용기 중에서 선택되며;R 2 is not the same as R 1 and is selected from arylene, alkylene and hybrid functional groups thereof; [화학식 4][Formula 4]
Figure 112007034985976-PAT00021
Figure 112007034985976-PAT00021
상기 화학식 4에서, M2는 -H, -Na 및 -K 중에서 선택되며;In Formula 4, M 2 is selected from -H, -Na and -K; Y는 -S(=O)2- 또는 -C(=O)-이며;Y is -S (= 0) 2 -or -C (= 0)-; R3은 아릴렌(arylene), 알킬렌(alkylene) 및 이들의 혼성 작용기 중에서 선택된다.R 3 is selected from arylene, alkylene and hybrid functional groups thereof.
제2항에 있어서, 상기 고분자는 하기 화학식 5로 표시되는 술폰화 폴리(아릴렌 에테르 아민), 하기 화학식 6으로 표시되는 술폰화 폴리(아릴렌 에테르 아민) 및 하기 화학식 7로 표시되는 술폰화 폴리(아릴렌 에테르 아민)으로 이루어진 군에서 선택되는 것이 특징인 고분자:According to claim 2, wherein the polymer is a sulfonated poly (arylene ether amine) represented by the formula (5), sulfonated poly (arylene ether amine) represented by the formula (6) and sulfonated poly represented by the formula (7) (Arylene ether amine) is characterized in that the polymer is selected from the group consisting of: [화학식 5][Formula 5]
Figure 112007034985976-PAT00022
Figure 112007034985976-PAT00022
상기 화학식 5에서, M1은 -H, -Na 및 -K 중에서 선택되며;In Formula 5, M 1 is selected from -H, -Na, and -K; R1은 아릴렌(arylene), 알킬렌(alkylene) 및 이들의 혼성 작용기 중에서 선 택되며;R 1 is selected from arylene, alkylene and hybrid functional groups thereof; n은 5 내지 200의 정수이며;n is an integer from 5 to 200; [화학식 6][Formula 6]
Figure 112007034985976-PAT00023
Figure 112007034985976-PAT00023
상기 화학식 6에서, M1은 -H, -Na 및 -K 중에서 선택되며;In Formula 6, M 1 is selected from -H, -Na, and -K; R1 및 R2는 서로 다르며, 각각 독립적으로 아릴렌(arylene), 알킬렌(alkylene) 및 이들의 혼성 작용기 중에서 선택되며;R 1 and R 2 are different from each other and are each independently selected from arylene, alkylene and hybrid functional groups thereof; n 및 m은 각각 독립적으로 5 내지 200의 정수이며;n and m are each independently an integer from 5 to 200; [화학식 7][Formula 7]
Figure 112007034985976-PAT00024
Figure 112007034985976-PAT00024
상기 화학식 7에서, M1 및 M2는 각각 독립적으로 -H, -Na 및 -K 중에서 선택되며;In Formula 7, M 1 and M 2 are each independently selected from -H, -Na, and -K; Y는 -S(=O)2- 또는 -C(=O)-이며;Y is -S (= 0) 2 -or -C (= 0)-; R1 및 R3은 각각 독립적으로 아릴렌(arylene), 알킬렌(alkylene) 및 이들의 혼성 작용기 중에서 선택되며;R 1 and R 3 are each independently selected from arylene, alkylene and hybrid functional groups thereof; n 및 m은 각각 독립적으로 5 내지 200의 정수이다.n and m are each independently an integer of 5 to 200.
제2항에 있어서, 상기 술폰화 트리페닐아민 유도체 및 다이올 유도체를 친핵성 방향족 치환반응시켜 제조되는 것이 특징인 고분자.The polymer according to claim 2, wherein the sulfonated triphenylamine derivative and the diol derivative are prepared by nucleophilic aromatic substitution reaction. 제2항에 있어서, 상기 술폰화 트리페닐아민 유도체, 다이올 유도체 및 염기를 극성 비양자성 용매에 용해하고 친핵성 방향족 치환반응시켜 제조되는 것이 특징인 고분자.The polymer according to claim 2, wherein the sulfonated triphenylamine derivative, diol derivative and base are dissolved in a polar aprotic solvent and prepared by nucleophilic aromatic substitution. 제6항에 있어서, 공단량체를 추가로 함께 반응시켜 제조되는 것이 특징인 고분자.The polymer of claim 6, wherein the polymer is prepared by further reacting a comonomer together. 제7항에 있어서, 상기 극성 비양자성 용매는 디메틸설폭사이드(DMSO), N-메틸피롤리돈(NMP), 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논(DMI), 디메틸아세트아마이드(DMAc), 디메틸포름아마이드(DMF), 및 테트라메틸렌설폰으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것이 특징인 고분자.The method of claim 7, wherein the polar aprotic solvent is dimethyl sulfoxide (DMSO), N-methylpyrrolidone (NMP), 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone (DMI), dimethylacetamide (DMAc ), Dimethylformamide (DMF), and tetramethylene sulfone, characterized in that at least one member selected from the group consisting of polymers. 제7항에 있어서, 상기 술폰화 트리페닐아민 유도체와 다이올 유도체는 각각 상기 극성 비양자성 용매에 대하여 15 내지 35 M%의 농도로 사용되는 것이 특징인 고분자.8. The polymer of claim 7, wherein the sulfonated triphenylamine derivative and the diol derivative are each used at a concentration of 15 to 35 M% with respect to the polar aprotic solvent. 제7항에 있어서, 상기 염기는 탄산칼륨(K2CO3) 및 탄산세슘(Cs2CO3)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이며, 상기 술폰화 트리페닐아민 유도체에 대해 0.1 내지 5 당량으로 사용되는 것이 특징인 고분자.The method of claim 7, wherein the base is at least one selected from the group consisting of potassium carbonate (K 2 CO 3 ) and cesium carbonate (Cs 2 CO 3 ), 0.1 to 5 equivalents to the sulfonated triphenylamine derivative Polymer is characterized by being used as. 제2항 내지 제11항 중 어느 한 항의 고분자를 포함하는 전해질막.An electrolyte membrane comprising the polymer of any one of claims 2 to 11. 제12항의 전해질막을 포함하는 막전극 접합체를 사용하는 연료전지.A fuel cell using the membrane electrode assembly comprising the electrolyte membrane of claim 12.
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KR20230123835A (en) * 2022-02-17 2023-08-24 한국생산기술연구원 Compound for organic electronic element having benzenesulfonate functional group, organic electronic element using the same, and an electronic device thereof

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