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KR101517011B1 - Tetrasulfonated poly(arylene biphenyl sulfone) copolymers, Manufacturing Method thereof and Proton Exchange Membrane for Fuel Cells comprising thereof - Google Patents

Tetrasulfonated poly(arylene biphenyl sulfone) copolymers, Manufacturing Method thereof and Proton Exchange Membrane for Fuel Cells comprising thereof Download PDF

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KR101517011B1
KR101517011B1 KR1020120132469A KR20120132469A KR101517011B1 KR 101517011 B1 KR101517011 B1 KR 101517011B1 KR 1020120132469 A KR1020120132469 A KR 1020120132469A KR 20120132469 A KR20120132469 A KR 20120132469A KR 101517011 B1 KR101517011 B1 KR 101517011B1
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fuel cell
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주지영
김애란
남기석
오규봉
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전북대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 하기 화학식(1)의 테트라 술폰화된 폴리 아릴렌 비페닐 설폰 공중합체, 이의 제조방법 및 상기 화학식(1)의 화합물을 포함하는 연료전지용 양이온 교환 막에 관한 것이다.

Figure 112012096052470-pat00081
...화학식(1)
상기 화학식(1)에서 Ar1, Ar2 및 Ar3은 각각 독립적으로 하기 화학식(2-1) 내지 화학식(2-6) 중에서 선택된 어느 하나인 것이며,
Y는 -S-, -O-, -N-, -C(=O)- 또는 -S(=O)2-이며,
X는
Figure 112012096052470-pat00082
또는
Figure 112012096052470-pat00083
이며,
M은 -H, -Li, -Na, -K, -Rb, -Cs 또는 Fr이며,
n는 0.01∼1이고,
z는 10∼800이다.
Figure 112012096052470-pat00084
...화학식(2-1)
Figure 112012096052470-pat00085
...화학식(2-2)
Figure 112012096052470-pat00086
...화학식(2-3)
Figure 112012096052470-pat00087
...화학식(2-4)
Figure 112012096052470-pat00088
...화학식(2-5)
Figure 112012096052470-pat00089
...화학식(2-6)The present invention relates to a tetra sulfonated polyarylene biphenyl sulfone copolymer having the following general formula (1), a process for producing the same, and a cation exchange membrane for a fuel cell comprising the compound represented by the general formula (1).
Figure 112012096052470-pat00081
(1)
In the above formula (1), Ar 1 , Ar 2 and Ar 3 are each independently any one selected from the following formulas (2-1) to (2-6)
Y is -S-, -O-, -N-, -C ( = O) - or -S (= O) 2 -, and
X is
Figure 112012096052470-pat00082
or
Figure 112012096052470-pat00083
Lt;
M is -H, -Li, -Na, -K, -Rb, -Cs or Fr,
n is from 0.01 to 1,
z is from 10 to 800.
Figure 112012096052470-pat00084
(2-1)
Figure 112012096052470-pat00085
(2-2)
Figure 112012096052470-pat00086
(2-3)
Figure 112012096052470-pat00087
(2-4)
Figure 112012096052470-pat00088
(2-5)
Figure 112012096052470-pat00089
(2-6)

Description

테트라 술폰화된 폴리 아릴렌 비페닐 설폰 공중합체, 이의 제조방법 및 상기 화합물을 포함하는 연료전지용 양이온 교환 막{Tetrasulfonated poly(arylene biphenyl sulfone) copolymers, Manufacturing Method thereof and Proton Exchange Membrane for Fuel Cells comprising thereof}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a tetra sulfonated polyarylene biphenyl sulfone copolymer, a process for producing the same, and a cation exchange membrane for fuel cells including the above compound (Tetrasulfonated poly (arylene biphenyl sulfone) copolymers, Manufacturing Method thereof and Proton Exchange Membrane for Fuel Cells,

본 발명은 하기 화학식(1)의 테트라 술폰화된 폴리 아릴렌 비페닐 설폰 공중합체, 이의 제조방법 및 상기 화학식(1)의 화합물을 포함하는 연료전지용 양이온 교환 막에 관한 것이다.The present invention relates to a tetra sulfonated polyarylene biphenyl sulfone copolymer having the following general formula (1), a process for producing the same, and a cation exchange membrane for a fuel cell comprising the compound represented by the general formula (1).

Figure 112012096052470-pat00001
...화학식(1)
Figure 112012096052470-pat00001
(1)

상기 화학식(1)에서 Ar1, Ar2 및 Ar3은 각각 독립적으로 하기 화학식(2-1) 내지 화학식(2-6) 중에서 선택된 어느 하나인 것이며, In the above formula (1), Ar 1 , Ar 2 and Ar 3 are each independently any one selected from the following formulas (2-1) to (2-6)

Y는 -S-, -O-, -N-, -C(=O)- 또는 -S(=O)2-이며, Y is -S-, -O-, -N-, -C ( = O) - or -S (= O) 2 -, and

X는

Figure 112012096052470-pat00002
또는
Figure 112012096052470-pat00003
이며, X is
Figure 112012096052470-pat00002
or
Figure 112012096052470-pat00003
Lt;

M은 -H, -Li, -Na, -K, -Rb, -Cs 또는 Fr이며,M is -H, -Li, -Na, -K, -Rb, -Cs or Fr,

n는 0.01∼1이고, n is from 0.01 to 1,

z는 10∼800이다. z is from 10 to 800.

Figure 112012096052470-pat00004
...화학식(2-1)
Figure 112012096052470-pat00004
(2-1)

Figure 112012096052470-pat00005
...화학식(2-2)
Figure 112012096052470-pat00005
(2-2)

Figure 112012096052470-pat00006
...화학식(2-3)
Figure 112012096052470-pat00006
(2-3)

Figure 112012096052470-pat00007
...화학식(2-4)
Figure 112012096052470-pat00007
(2-4)

Figure 112012096052470-pat00008
...화학식(2-5)
Figure 112012096052470-pat00008
(2-5)

Figure 112012096052470-pat00009
...화학식(2-6)
Figure 112012096052470-pat00009
(2-6)

연료전지(fuel cell)는 연료와 산소의 전기화학적 반응을 이용하여 발생하는 화학적 에너지를 전기에너지로 변환하는 발전 시스템이다. A fuel cell is a power generation system that converts chemical energy generated by the electrochemical reaction of fuel and oxygen into electrical energy.

연료전지의 종류는 사용되는 전해질의 종류에 따라 달라지며, 그 종류에는 알칼라인 전해질형 연료전지(alkaline fuel cell, AFC), 양이온 교환 막 연료전지(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC), 인산형 연료전지(phosphoric acid fuel cell, PAFC), 융용탄산염 연료전지(molten carbonate fuel cell, MCFC), 고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cell, SOFC) 등이 분류된다. The type of the fuel cell depends on the type of the electrolyte used. Examples of the type of the fuel cell include an alkaline fuel cell (AFC), a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), a phosphoric acid fuel cell phosphoric acid fuel cells (PAFC), molten carbonate fuel cells (MCFC), and solid oxide fuel cells (SOFC).

각각의 연료전지는 근본적으로 유사한 원리에 의해서 운전되지만, 연료의 종류, 작동 온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.Each fuel cell operates on a fundamentally similar principle, but the type of fuel, the operating temperature, the catalyst, and the electrolyte are different.

친환경에너지로써 각광받고 있는 연료전지는 대중화에 적용시키기 위해 양이온 교환 막 연료전지의 연구가 매우 활발하게 이루어지고 있다. 이러한 이유는 양이온 교환 막 연료전지는 다른 연료전지에 비하여 연료를 통한 에너지 출력 특성이 우수하며, 운전온도가 낮아 자동차와 같은 이동형, 가정용 발전기, 공공시설에서의 발전시스템에 적용시기에 매우 적합하여 그 응용면에서 매우 좋은 장점을 가지고 있기 때문이다. Fuel cells, which are attracting attention as eco-friendly energy, have been actively studied for the application of cation exchange membrane fuel cells to popularization. The reason for this is that the cation exchange membrane fuel cell is superior to other fuel cells in terms of energy output characteristics through fuel and is suitable for application to power generation systems in mobile type, It has a very good advantage in terms of application.

양이온 교환 막 연료전지(PEMFC)의 재료로 사용되는 양이온 교환 막은 일반적으로 불소화 알킬렌으로 구성된 주사슬과 작용기에 술폰산기를 도입된 불소화비닐 에테르로 구성된 술포네이트 과불소화폴리머(예: 나피온, 듀퐁사 제품)와 같은 고분자 전해질이 사용되어왔다. 이런 종류의 양이온 교환 막은 물을 일정량을 흡수함으로써 효과적인 이온전도성을 나타내게 되는 것이다. The cation exchange membrane used as the material of the cation exchange membrane fuel cell (PEMFC) is generally composed of a main chain composed of fluorinated alkylene and a sulfonated perfluoropolymer composed of sulfonic acid group-introduced fluorinated vinyl ether (for example, Nafion, Products) have been used. This type of cation exchange membrane exhibits effective ion conductivity by absorbing a certain amount of water.

그러나 불소화된 양이온 교환 막은 우수한 성능과 달리 가격 면에서 산업용으로 적용하기에는 이용도가 낮다. 따라서 최근 가격을 낮추기 위해서 하이드로 카본계열의 이온교환막에 대한 연구가 진행되어 지고 있다.However, fluorinated cation exchange membranes are not available for industrial applications in terms of cost, unlike their excellent performance. Therefore, in order to lower the recent price, researches on hydrocarbons based ion exchange membranes are underway.

본 발명의 발명자는 하기 화학식(1)의 테트라 술폰화된 폴리 아릴렌 비페닐 설폰 공중합체를 포함하는 연료전지용 양이온 교환 막이 우수한 이온전도성을 가지며, 중저온 및 고가습 조건하에서 중장기적으로 높은 이온전도도 성능을 나타냄으로써, 저렴한 양이온 교환 막을 제조할 수 있음을 알게 되어 본 발명을 완성하였다.The inventors of the present invention have found that a cation exchange membrane for a fuel cell comprising a tetra-sulphonated polyarylene biphenylsulfonic copolymer having the following formula (1) has excellent ion conductivity and has a high ion conductivity of medium to long term And thus, an inexpensive cation-exchange membrane can be produced. Thus, the present invention has been completed.

Figure 112012096052470-pat00010
...화학식(1)
Figure 112012096052470-pat00010
(1)

상기 화학식(1)에서 Ar1, Ar2 및 Ar3은 각각 독립적으로 하기 화학식(2-1) 내지 화학식(2-6) 중에서 선택된 어느 하나인 것이며, In the above formula (1), Ar 1 , Ar 2 and Ar 3 are each independently any one selected from the following formulas (2-1) to (2-6)

Y는 -S-, -O-, -N-, -C(=O)- 또는 -S(=O)2-이며, Y is -S-, -O-, -N-, -C ( = O) - or -S (= O) 2 -, and

X는

Figure 112012096052470-pat00011
또는
Figure 112012096052470-pat00012
이며, X is
Figure 112012096052470-pat00011
or
Figure 112012096052470-pat00012
Lt;

M은 -H, -Li, -Na, -K, -Rb, -Cs 또는 Fr이며,M is -H, -Li, -Na, -K, -Rb, -Cs or Fr,

n는 0.01∼1이고, n is from 0.01 to 1,

z는 10∼800이다. z is from 10 to 800.

Figure 112012096052470-pat00013
...화학식(2-1)
Figure 112012096052470-pat00013
(2-1)

Figure 112012096052470-pat00014
...화학식(2-2)
Figure 112012096052470-pat00014
(2-2)

Figure 112012096052470-pat00015
...화학식(2-3)
Figure 112012096052470-pat00015
(2-3)

Figure 112012096052470-pat00016
...화학식(2-4)
Figure 112012096052470-pat00016
(2-4)

Figure 112012096052470-pat00017
...화학식(2-5)
Figure 112012096052470-pat00017
(2-5)

Figure 112012096052470-pat00018
...화학식(2-6)
Figure 112012096052470-pat00018
(2-6)

한편, 본 발명과 관련된 선행기술로서 Polymer 2006, 47, 4132??4139에서는 하이드로카본 계열의 양이온 교환 막으로써 친수성 블록(hydrophilic block)과 소수성 블록(hydrophobic block)을 교대로 이루어진 멀티 블록 공중합체(multi block copolymer) 양이온 교환 막으로써의 제조방법에 대해서 개시되어져 있다.As a prior art related to the present invention, in Polymer 2006, 47, 4132, and 4139, a multi-block copolymer (multi-block copolymer) composed of a hydrophilic block and a hydrophobic block alternately as a cation- block copolymer cation exchange membrane.

한국특허 제10-0823503호에 이온 교환 수지 막; 및 상기 이온 교환 수지 막 내에 분산된 자체 가습형 입자를 포함하며, 상기 자체 가습형 입자는 1 내지 30nm의 평균 입자 직경을 갖는 연료 전지용 양이온 교환 막을 나타내고 있다.Korean Patent No. 10-0823503 discloses an ion exchange resin membrane; And self-humidifying particles dispersed in the ion exchange resin membrane, wherein the self-humidifying particles represent a cation exchange membrane for a fuel cell having an average particle diameter of 1 to 30 nm.

한국공개특허 제2011-0126033호에 디이소시아네이트계 화합물 및 방향족 폴리올을 포함하는 폴리우레탄계 화합물 형성용 조성물을 중합하여 얻은 생성물인 화합물, 상기 화합물 및 상호 침투 고분자를 포함하는 조성물, 이를 포함한 연료전지용 전극, 연료전지용 전해질 막 및 이를 구비한 연료전지를 나타내고 있다.Korean Patent Publication No. 2011-0126033 discloses a compound which is a product obtained by polymerizing a composition for forming a polyurethane compound containing a diisocyanate compound and an aromatic polyol, a composition comprising the compound and the interpenetrating polymer, an electrode for a fuel cell comprising the same, An electrolyte membrane for a fuel cell, and a fuel cell having the same.

그러나 본 발명과 상기 선행기술들은 발명의 기술적 특징이 서로 상이하여 발명의 구성이 서로 다른 발명이다.
However, the present invention and the prior arts are different from each other in the technical features of the invention, and thus the inventions have different configurations.

본 발명의 목적은 우수한 이온전도성을 가지는 연료전지용 양이온 교환 막 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.It is an object of the present invention to provide a cation exchange membrane for fuel cells having excellent ion conductivity and a method for producing the same.

본 발명의 다른 목적은 중저온 및 고가습 조건 하에서 중장기적으로 높은 이온전도도 성능을 나타냄으로써 저렴한 양이온 교환 막을 개발하고자 한다.Another object of the present invention is to develop an inexpensive cation exchange membrane by exhibiting a high ion conductivity performance over the medium to long term under moderate to low temperature and high humidity.

본 발명의 또 다른 목적은 연료전지용 양이온 교환 막의 상용막인 나피온과 유사한 온도 범위에서 보다 높은 이온전도도 성능을 나타냄으로써 나피온 막에 뒤지지 않는 연료전지용 양이온 교환 막, 이의 제조방법, 상기 연료전지용 양이온 교환 막과 전극의 접합체 및 상기 연료전지용 양이온 교환 막을 포함하는 연료전지를 제공하고자 한다.
Another object of the present invention is to provide a cation exchange membrane for a fuel cell which is superior to a Nafion membrane by exhibiting higher ion conductivity at a temperature range similar to Nafion which is a common membrane of a cation exchange membrane for a fuel cell, And a fuel cell including the cation exchange membrane for the fuel cell.

본 발명은 하기 화학식(1)의 테트라 술폰화된 폴리 아릴렌 비페닐 설폰 공중합체, 이의 제조방법, 하기 화학식(1)의 화합물을 포함하는 연료전지용 양이온 교환 막 및 연료전지용 양이온 교환 막의 제조방법을 제공할 수 있다.The present invention relates to a tetrasulfonated polyarylene biphenylsulfonic copolymer having the following formula (1), a process for producing the same, a method for producing a cation exchange membrane for a fuel cell and a method for producing a cation exchange membrane for a fuel cell, .

본 발명은 하기 화학식(1)의 테트라 술폰화된 폴리 아릴렌 비페닐 설폰 공중합체를 포함하는 연료전지용 양이온 교환 막과 전극의 접합체를 제공할 수 있다.The present invention can provide a conjugate of an electrode and a cation exchange membrane for a fuel cell comprising a tetrasulfonated polyarylene biphenylsulfonic copolymer having the following formula (1).

본 발명은 하기 화학식(1)의 테트라 술폰화된 폴리 아릴렌 비페닐 설폰 공중합체를 포함하는 연료전지용 양이온 교환 막을 함유하는 연료전지를 제공할 수 있다.The present invention can provide a fuel cell containing a cation exchange membrane for a fuel cell comprising a tetrasulfonated polyarylene biphenylsulfonic copolymer having the following formula (1).

Figure 112012096052470-pat00019
...화학식(1)
Figure 112012096052470-pat00019
(1)

상기 화학식(1)에서 Ar1, Ar2 및 Ar3은 각각 독립적으로 하기 화학식(2-1) 내지 화학식(2-6) 중에서 선택된 어느 하나인 것이며, In the above formula (1), Ar 1 , Ar 2 and Ar 3 are each independently any one selected from the following formulas (2-1) to (2-6)

Y는 -S-, -O-, -N-, -C(=O)- 또는 -S(=O)2-이며, Y is -S-, -O-, -N-, -C ( = O) - or -S (= O) 2 -, and

X는

Figure 112012096052470-pat00020
또는
Figure 112012096052470-pat00021
이며, X is
Figure 112012096052470-pat00020
or
Figure 112012096052470-pat00021
Lt;

M은 -H, -Li, -Na, -K, -Rb, -Cs 또는 Fr이며,M is -H, -Li, -Na, -K, -Rb, -Cs or Fr,

n는 0.01∼1이고, n is from 0.01 to 1,

z는 10∼800이다. z is from 10 to 800.

Figure 112012096052470-pat00022
...화학식(2-1)
Figure 112012096052470-pat00022
(2-1)

Figure 112012096052470-pat00023
...화학식(2-2)
Figure 112012096052470-pat00023
(2-2)

Figure 112012096052470-pat00024
...화학식(2-3)
Figure 112012096052470-pat00024
(2-3)

Figure 112012096052470-pat00025
...화학식(2-4)
Figure 112012096052470-pat00025
(2-4)

Figure 112012096052470-pat00026
...화학식(2-5)
Figure 112012096052470-pat00026
(2-5)

Figure 112012096052470-pat00027
...화학식(2-6)
Figure 112012096052470-pat00027
(2-6)

본 발명의 테트라 술폰화된 폴리 아릴렌 비페닐 설폰 공중합체를 이용하여 추가적인 고압 또는 감압을 요구하는 장치 및 공정단계의 추가 없이도 연료전지용 양이온 교환 막을 제조할 수 있다.The tetra sulfonated polyarylene biphenyl sulfone copolymer of the present invention can be used to produce a cation exchange membrane for a fuel cell without additional apparatus and process steps requiring additional high pressure or reduced pressure.

또한 본 발명은 테트라 술폰화된 폴리 아릴렌 비페닐 설폰 공중합체를 이용하여 손쉽게 연료전지용 양이온 교환 막을 얻을 수 있는 장점을 통하여 보다 손쉽게 연료전지용 양이온 교환 막을 제공할 수 있는 효과가 있다.
Further, the present invention is advantageous in that a cation exchange membrane for a fuel cell can be easily provided through the advantage that a tetra sulfonated polyarylene biphenyl sulfonic copolymer can be easily used to obtain a cation exchange membrane for a fuel cell.

도 1은 제조예 1에서 제조한 고분자, 제조예 2에서 제조한 고분자, 실시예 1에서 제조한 고분자, 실시예 2에서 제조한 고분자, 실시예 3에서 제조한 고분자 및 비교예에서 제조한 고분자들의 1H NMR을 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 2는 실시예 1에서 제조한 공중합체, 실시예 2에서 제조한 공중합체, 실시예 3에서 제조한 공중합체 및 비교예에서 제조한 공중합체들을 FT-IR을 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 실시예 1에서 제조한 공중합체, 실시예 2에서 제조한 공중합체, 실시예 3에서 제조한 공중합체, 비교예에서 제조한 공중합체 및 나피온117의 TGA(도 3 좌측)와 유리전이온도(도 3 우측)를 나타낸 것이다.
도 4는 실시예 1에서 제조한 공중합체, 실시예 2에서 제조한 공중합체, 실시예 3에서 제조한 공중합체들의 온도에 따른 함수량을 나타낸 것이다.
도 5는 실시예 1에서 제조한 공중합체, 실시예 2에서 제조한 공중합체, 실시예 3에서 제조한 공중합체, 비교예에서 제조한 공중합체 및 나피온117의 온도에 따른 이온전도도 값을 나타낸 것이다.
1 is a graph showing the results of measurement of a polymer prepared in Preparation Example 1, a polymer prepared in Preparation Example 2, a polymer prepared in Example 1, a polymer prepared in Example 2, a polymer prepared in Example 3, & Lt; 1 > H NMR.
FIG. 2 shows FT-IR measurement results of the copolymer prepared in Example 1, the copolymer prepared in Example 2, the copolymer prepared in Example 3, and the copolymers prepared in Comparative Examples.
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the copolymer prepared in Example 1, the copolymer prepared in Example 2, the copolymer prepared in Example 3, the copolymer prepared in Comparative Example, and Taf (117) And the transition temperature (right side in Fig. 3).
4 shows the water content of the copolymer prepared in Example 1, the copolymer prepared in Example 2 and the copolymer prepared in Example 3 according to the temperature.
5 shows ionic conductivity values according to the temperature of the copolymer prepared in Example 1, the copolymer prepared in Example 2, the copolymer prepared in Example 3, the copolymer prepared in Comparative Example, and Nafion 117 will be.

본 발명은 하기 화학식(1)의 테트라 술폰화된 폴리 아릴렌 비페닐 설폰 공중합체를 나타낸다.The present invention relates to a tetra-sulphonated polyarylene biphenyl sulfone copolymer having the following formula (1).

Figure 112012096052470-pat00028
...화학식(1)
Figure 112012096052470-pat00028
(1)

상기 화학식(1)에서 Ar1, Ar2 및 Ar3은 각각 독립적으로 하기 화학식(2-1) 내지 화학식(2-6) 중에서 선택된 어느 하나인 것이며, In the above formula (1), Ar 1 , Ar 2 and Ar 3 are each independently any one selected from the following formulas (2-1) to (2-6)

Y는 -S-, -O-, -N-, -C(=O)- 또는 -S(=O)2-이며, Y is -S-, -O-, -N-, -C ( = O) - or -S (= O) 2 -, and

X는

Figure 112012096052470-pat00029
또는
Figure 112012096052470-pat00030
이며, X is
Figure 112012096052470-pat00029
or
Figure 112012096052470-pat00030
Lt;

M은 -H, -Li, -Na, -K, -Rb, -Cs 또는 Fr이며,M is -H, -Li, -Na, -K, -Rb, -Cs or Fr,

n는 0.01∼1이고, n is from 0.01 to 1,

z는 10∼800이다. z is from 10 to 800.

Figure 112012096052470-pat00031
...화학식(2-1)
Figure 112012096052470-pat00031
(2-1)

Figure 112012096052470-pat00032
...화학식(2-2)
Figure 112012096052470-pat00032
(2-2)

Figure 112012096052470-pat00033
...화학식(2-3)
Figure 112012096052470-pat00033
(2-3)

...화학식(2-4) (2-4)

Figure 112012096052470-pat00035
...화학식(2-5)
Figure 112012096052470-pat00035
(2-5)

Figure 112012096052470-pat00036
...화학식(2-6)
Figure 112012096052470-pat00036
(2-6)

본 발명은 하기 화학식(3)의 화합물, 화학식(4)의 화합물 및 화학식(5)의 화합물을 반응시켜 하기 화학식(1)의 테트라 술폰화된 폴리 아릴렌 비페닐 설폰 공중합체의 제조방법을 나타낸다. The present invention relates to a process for preparing a tetrasulfonated polyarylene biphenylsulfonic copolymer of the following formula (1) by reacting a compound of the formula (3), a compound of the formula (4) and a compound of the formula (5) .

Figure 112012096052470-pat00037
...화학식(1)
Figure 112012096052470-pat00037
(1)

Figure 112012096052470-pat00038
...화학식(3)
Figure 112012096052470-pat00038
(3)

Figure 112012096052470-pat00039
...화학식(4)
Figure 112012096052470-pat00039
(4)

X...화학식(5)X ????? (5)

상기 화학식(1)의 화합물, 화학식(3)의 화합물, 화학식(4)의 화합물 및 화학식(5)의 화합물에서 Ar1, Ar2 및 Ar3은 각각 독립적으로 하기 화학식(2-1) 내지 화학식(2-6) 중에서 선택된 어느 하나인 것이며, Ar 1 , Ar 2 and Ar 3 in the compound of the formula (1), the compound of the formula (3), the compound of the formula (4) and the compound of the formula (5) (2-6). In this case,

Y는 -S-, -O-, -N-, -C(=O)- 또는 -S(=O)2-이며, Y is -S-, -O-, -N-, -C ( = O) - or -S (= O) 2 -, and

X는

Figure 112012096052470-pat00040
또는
Figure 112012096052470-pat00041
이며, X is
Figure 112012096052470-pat00040
or
Figure 112012096052470-pat00041
Lt;

M은 -H, -Li, -Na, -K, -Rb, -Cs 또는 Fr이며,M is -H, -Li, -Na, -K, -Rb, -Cs or Fr,

n는 0.01∼1이고, n is from 0.01 to 1,

z는 10∼800이다. z is from 10 to 800.

Figure 112012096052470-pat00042
...화학식(2-1)
Figure 112012096052470-pat00042
(2-1)

Figure 112012096052470-pat00043
...화학식(2-2)
Figure 112012096052470-pat00043
(2-2)

Figure 112012096052470-pat00044
...화학식(2-3)
Figure 112012096052470-pat00044
(2-3)

Figure 112012096052470-pat00045
...화학식(2-4)
Figure 112012096052470-pat00045
(2-4)

Figure 112012096052470-pat00046
...화학식(2-5)
Figure 112012096052470-pat00046
(2-5)

Figure 112012096052470-pat00047
...화학식(2-6)
Figure 112012096052470-pat00047
(2-6)

상기 화학식(1)의 테트라 술폰화된 폴리 아릴렌 비페닐 설폰 공중합체를 제조시 반응은 화학식(3)의 화합물, 화학식(4)의 화합물 및 화학식(5)의 화합물을 혼합한 후 탄산칼륨, 용매 및 톨루엔을 첨가하고 130∼150℃에서 3∼8시간 동안 탈수반응을 실시하여 톨루엔을 제거한 다음 180∼200℃에서 24∼48시간 동안 유지하여 점도를 지니는 반응물을 얻어 상기 화학식(1)의 테트라 술폰화된 폴리 아릴렌 비페닐 설폰 공중합체를 제조할 수 있다.In the preparation of the tetrasulfonated polyarylene biphenyl sulfone copolymer of the above formula (1), the reaction is carried out by mixing the compound of the formula (3), the compound of the formula (4) and the compound of the formula (5) The solvent and toluene were added and the dehydration reaction was carried out at 130 to 150 ° C for 3 to 8 hours to remove the toluene and then the reaction was maintained at 180 to 200 ° C for 24 to 48 hours to obtain a reaction product having viscosity, A sulfonated polyarylene biphenyl sulfone copolymer can be prepared.

상기 화학식(1)의 화합물을 제조시 반응은 화학식(3)의 화합물 : 화학식(4)의 화합물은 1:9∼9:1의 몰비가 되도록 혼합한 후 반응시킬 수 있다.In the preparation of the compound of formula (1), the compound of formula (3) and the compound of formula (4) may be mixed in a molar ratio of 1: 9 to 9: 1.

상기 화학식(1)의 화합물을 제조시 반응은 화학식(3)의 화합물 : 화학식(4)의 화합물은 1:9∼5:5의 몰비가 되도록 혼합한 후 반응시킬 수 있다.In the preparation of the compound of formula (1), the compound of formula (3) and the compound of formula (4) may be mixed in a molar ratio of 1: 9 to 5: 5.

상기 화학식(1)의 화합물을 제조시 반응은 화학식(3)의 화합물 : 화학식(4)의 화합물은 1:9의 몰비가 되도록 혼합한 후 반응시킬 수 있다.In the preparation of the compound of formula (1), the reaction can be carried out after mixing the compound of formula (3): the compound of formula (4) in a molar ratio of 1: 9.

상기 화학식(1)의 화합물을 제조시 반응은 화학식(3)의 화합물 : 화학식(4)의 화합물은 3:7의 몰비가 되도록 혼합한 후 반응시킬 수 있다.In the preparation of the compound of formula (1), the reaction may be carried out after the compound of formula (3): the compound of formula (4) is mixed at a molar ratio of 3: 7.

상기 화학식(1)의 화합물을 제조시 반응은 화학식(3)의 화합물 : 화학식(4)의 화합물은 5:5의 몰비가 되도록 혼합한 후 반응시킬 수 있다.In the preparation of the compound of formula (1), the reaction can be carried out after mixing the compound of formula (3): the compound of formula (4) in a molar ratio of 5: 5.

상기 화학식(1)의 화합물을 제조시 반응은 화학식(3)의 화합물 : 화학식(5)의 화합물은 1:9∼9:1의 몰비가 되도록 혼합한 후 반응시킬 수 있다.In the preparation of the compound of formula (1), the compound of formula (3): the compound of formula (5) may be reacted in a molar ratio of 1: 9 to 9: 1.

상기 화학식(1)의 화합물을 제조시 반응은 화학식(3)의 화합물 : 화학식(5)의 화합물은 1:1의 몰비가 되도록 혼합한 후 반응시킬 수 있다.In the preparation of the compound of formula (1), the reaction may be carried out after mixing the compound of formula (3): the compound of formula (5) in a molar ratio of 1: 1.

상기 화학식(1)의 화합물을 제조시 반응은 용매내에서 실시되며, 이때의 용매는 Dimethylacetamide(DMAc), Dimethyl sulfoxide(DMSO), Methylpyrrolidone(NMP), Dimethylformamide(DMF), Tetrahydrofuran(THF) 중에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다.In the preparation of the compound of formula (1), the reaction is carried out in a solvent in which the solvent is selected from dimethylacetamide (DMAc), dimethyl sulfoxide (DMSO), methylpyrrolidone (NMP), dimethylformamide (DMF), and tetrahydrofuran You can use one.

상기 화학식(1)의 화합물을 제조시 사용하는 탄산칼륨은 화학식(3)의 화합물 1몰에 대하여 1∼5몰을 사용할 수 있으며, 용매는 화학식(3)의 화합물 1몰에 대하여 5∼50ml를 사용할 수 있으며, 톨루엔은 화학식(3)의 화합물 1몰에 대하여 5∼50ml를 사용할 수 있다.The potassium carbonate used in preparing the compound of formula (1) may be used in an amount of 1 to 5 moles per mole of the compound of formula (3), and the solvent may be 5 to 50 ml per 1 mole of the compound of formula (3) And toluene may be used in an amount of 5 to 50 ml per 1 mole of the compound of the formula (3).

상기에서 화학식(3)의 화합물은 중량평균분자량(Mw)이 3000g/mol 내지 500,000g/mol인 것을 사용할 수 있다.The compound of formula (3) may have a weight average molecular weight (Mw) of 3000 g / mol to 500,000 g / mol.

상기에서 화학식(4)의 화합물은 중량평균분자량(Mw)이 3000g/mol 내지 500,000g/mol인 것을 사용할 수 있다.
The compound of formula (4) may have a weight average molecular weight (Mw) of 3000 g / mol to 500,000 g / mol.

본 발명은 하기 화학식(1)의 테트라 술폰화된 폴리 아릴렌 비페닐 설폰 공중합체를 포함하는 연료전지용 양이온 교환 막 및 이의 제조방법을 나타낸다.The present invention relates to a cation exchange membrane for a fuel cell comprising a tetra-sulphonated polyarylene biphenyl sulfone copolymer having the following general formula (1) and a process for producing the same.

Figure 112012096052470-pat00048
...화학식(1)
Figure 112012096052470-pat00048
(1)

상기 화학식(1)에서 Ar1, Ar2 및 Ar3은 각각 독립적으로 하기 화학식(2-1) 내지 화학식(2-6) 중에서 선택된 어느 하나인 것이며, In the above formula (1), Ar 1 , Ar 2 and Ar 3 are each independently any one selected from the following formulas (2-1) to (2-6)

Y는 -S-, -O-, -N-, -C(=O)- 또는 -S(=O)2-이며, Y is -S-, -O-, -N-, -C ( = O) - or -S (= O) 2 -, and

X는

Figure 112012096052470-pat00049
또는
Figure 112012096052470-pat00050
이며, X is
Figure 112012096052470-pat00049
or
Figure 112012096052470-pat00050
Lt;

M은 -H, -Li, -Na, -K, -Rb, -Cs 또는 Fr이며,M is -H, -Li, -Na, -K, -Rb, -Cs or Fr,

n는 0.01∼1이고, n is from 0.01 to 1,

z는 10∼800이다. z is from 10 to 800.

Figure 112012096052470-pat00051
...화학식(2-1)
Figure 112012096052470-pat00051
(2-1)

Figure 112012096052470-pat00052
...화학식(2-2)
Figure 112012096052470-pat00052
(2-2)

Figure 112012096052470-pat00053
...화학식(2-3)
Figure 112012096052470-pat00053
(2-3)

Figure 112012096052470-pat00054
...화학식(2-4)
Figure 112012096052470-pat00054
(2-4)

Figure 112012096052470-pat00055
...화학식(2-5)
Figure 112012096052470-pat00055
(2-5)

Figure 112012096052470-pat00056
...화학식(2-6)
Figure 112012096052470-pat00056
(2-6)

화학식(1)의 테트라 술폰화된 폴리 아릴렌 비페닐 설폰 공중합체를 포함하는 연료전지용 양이온 교환 막은 아래의 (가)단계 내지 (다)단계를 이용하여 제조할 수 있다.The cation exchange membrane for a fuel cell comprising the tetra sulfonated polyarylene biphenyl sulfone copolymer of formula (1) can be prepared using the following steps (a) to (c).

(가)화학식(1)의 테트라 술폰화된 폴리 아릴렌 비페닐 설폰 공중합체를 용매에 첨가하고 교반시킨 다음 방치하여 침전물을 얻고 이 침전물을 건조하는 단계;(A) adding a tetrasulfonated polyarylenebiphenylsulfonic copolymer represented by the formula (1) to a solvent, agitating and then allowing to stand to obtain a precipitate and drying the precipitate;

(나)상기의 건조한 침전물을 용매에 용해시킨 후 교반하여 용액을 얻는 단계;(B) dissolving the dried precipitate in a solvent and stirring to obtain a solution;

(다)상기의 용액을 기판에 붓고 건조하는 단계(C) pouring the above solution onto a substrate and drying

상기의 (가)단계는 화학식(1)의 화합물 100중량부에 대하여 용매 200∼500중량부의 비율로 화학식(1)의 화합물을 용매에 첨가하고, 10∼15시간 동안 100∼500rpm으로 교반한 다음 1∼6시간 동안 방치하여 침전물을 얻고, 이 침전물을 80∼100℃에서 1∼3시간 동안 건조할 수 있다.The above step (a) may be carried out by adding the compound of formula (1) to a solvent at a ratio of 200 to 500 parts by weight based on 100 parts by weight of the compound of formula (1), stirring the mixture at 100 to 500 rpm for 10 to 15 hours It is allowed to stand for 1 to 6 hours to obtain a precipitate, and the precipitate can be dried at 80 to 100 ° C for 1 to 3 hours.

상기의 (가)단계에서의 용매는 증류수, 메탄올, 에탄올, 아세톤 중에서 선택된 어느 하나 이상을 사용할 수 있으며, 이러한 용매의 일예로 3차 증류수 1, 메탄올 6, 아세톤 1의 부피비율로 혼합된 혼합용매를 사용할 수 있다.The solvent in step (a) may be distilled water, methanol, ethanol, or acetone. Examples of the solvent include a mixed solvent of a mixture of tertiary distilled water 1, methanol 6, and acetone 1 in a volume ratio Can be used.

상기의 (나)단계는 용매 100중량부에 대하여 건조한 침전물 1∼50중량부를 첨가하여 용해시킨 후 12∼24시간 동안 100∼500rpm으로 교반하여 용액을 얻을 수 있다.In the step (b), 1 to 50 parts by weight of a dried precipitate is added to 100 parts by weight of the solvent, and the mixture is stirred at 100 to 500 rpm for 12 to 24 hours to obtain a solution.

상기의 (나)단계에서 용매는 Dimethylacetamide(DMAc), Dimethyl sulfoxide(DMSO), Methylpyrrolidone(NMP), Dimethylformamide(DMF), Tetrahydrofuran(THF) 중에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있으며, 이러한 용매의 일예로 Dimethylacetamide(DMAc)를 사용할 수 있다.In step (b), any one selected from dimethylacetamide (DMAc), dimethyl sulfoxide (DMSO), methylpyrrolidone (NMP), dimethylformamide (DMF), and tetrahydrofuran (THF) may be used. Examples of the solvent include dimethylacetamide DMAc) can be used.

상기의 (다)단계에서 기판은 유리기판을 사용할 수 있으며, 건조는 80∼100℃에서 1∼3시간 동안 실시할 수 있다. In the step (c), a glass substrate may be used as the substrate, and drying may be performed at 80 to 100 ° C for 1 to 3 hours.

상기에서 연료전지용 양이온 교환 막은 두께가 10∼200㎛가 되도록 제조할 수 있다.In the above, the cation exchange membrane for a fuel cell may be manufactured to have a thickness of 10 to 200 mu m.

상기에서 연료전지용 양이온 교환 막은 두께가 50∼150㎛가 되도록 제조할 수 있다.The cation exchange membrane for a fuel cell may be manufactured to have a thickness of 50 to 150 mu m.

상기에서 연료전지용 양이온 교환 막은 두께가 75∼125㎛가 되도록 제조할 수 있다.
In the above, the cation exchange membrane for a fuel cell can be manufactured to have a thickness of 75 to 125 mu m.

본 발명의 테트라 술폰화된 폴리 아릴렌 비페닐 설폰 공중합체, 이의 제조방법, 상기 화합물을 포함하는 연료전지용 양이온 교환 막, 상기 화합물을 포함하는 연료전지용 양이온 교환 막의 제조방법에 대해 다양한 조건으로 실시한바, 본 발명의 목적을 달성하기 위해서는 상기에서 언급한 조건에 의해 테트라 술폰화된 폴리 아릴렌 비페닐 설폰 공중합체, 이의 제조방법, 상기 화합물을 포함하는 연료전지용 양이온 교환 막, 상기 화합물을 포함하는 연료전지용 양이온 교환 막의 제조방법을 제공하는 것이 바람직하다.
The tetrasulfonated polyarylene biphenyl sulfone copolymer of the present invention, a process for producing the same, a cation exchange membrane for a fuel cell comprising the compound, and a method for producing a cation exchange membrane for a fuel cell comprising the compound are provided under various conditions In order to achieve the object of the present invention, there is provided a tetra-sulphonated polyarylene biphenyl sulfone copolymer according to the above-mentioned conditions, a process for producing the same, a cation exchange membrane for a fuel cell comprising the compound, It is desirable to provide a method for producing a cation exchange membrane for a battery.

본 발명은 상기에서 언급한 테트라 술폰화된 폴리 아릴렌 비페닐 설폰 공중합체를 포함하는 연료전지용 양이온 교환 막으로 전극을 결합시킨 연료전지용 양이온 교환 막/전극 접합체를 나타낸다.The present invention relates to a cation exchange membrane / electrode assembly for a fuel cell in which an electrode is bonded to a cation exchange membrane for a fuel cell comprising the above-mentioned tetra sulfonated polyarylene biphenylsulfonic copolymer.

본 발명은 상기에서 언급한 테트라 술폰화된 폴리 아릴렌 비페닐 설폰 공중합체를 포함하는 연료전지용 양이온 교환 막으로 제조하고, 이 방법에 의해 제조한 연료전지용 양이온 교환 막에 전극을 결합시킨 연료전지용 양이온 교환 막/전극 접합체를 나타낸다.
The present invention relates to a cation exchange membrane for a fuel cell comprising the above-mentioned tetra-sulphonated polyarylene biphenylsulfonic copolymer and to a cation exchange membrane for a fuel cell comprising an electrode bonded to a cation exchange membrane for a fuel cell, Exchange membrane / electrode assembly.

본 발명은 상기에서 언급한 테트라 술폰화된 폴리 아릴렌 비페닐 설폰 공중합체를 포함하는 연료전지용 양이온 교환 막을 함유하는 연료전지를 나타낸다.
The present invention relates to a fuel cell containing a cation exchange membrane for a fuel cell comprising the above-mentioned tetra-sulphonated polyarylene biphenylsulfonic copolymer.

이하 본 발명의 내용을 제조예, 실시예 및 시험예를 통하여 구체적으로 설명한다. 그러나, 이들은 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위한 것으로 본 발명의 권리범위가 이들에 의해 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the content of the present invention will be described in detail through Production Examples, Examples and Test Examples. However, these are for the purpose of illustrating the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited thereto.

<제조예 1> 친수성 고분자 제조Preparation Example 1 Preparation of Hydrophilic Polymer

하기 [반응식 1]을 이용하여 친수성 고분자인 술폰화된 아릴렌 비페닐설폰 고분자를 제조하였다.A sulfonated arylene biphenyl sulfone polymer, which is a hydrophilic polymer, was prepared using the following Reaction Scheme 1.

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

Figure 112012096052470-pat00057
Figure 112012096052470-pat00057

상기 [반응식 1]에서 8.0g 테트라소듐 4,4'-비스(4-클로로-3-설포네이토 페닐 설포닐) 비페닐-2,2'-다이설포네이트(8.78mmol), 3.25g 4,4'-헥사플루오로이소프로필라덴 디페놀(9.65mmol), 2.67g 탄산칼륨(19.3mmol), 35mL DMAc 및 30mL 톨루엔을 마그네틱 교반기 및 딘-스탁 트랩이 구비된 2구 둥근바닥 플라스크에 넣었다. Bis (4-chloro-3-sulfonatophenylsulfonyl) biphenyl-2,2'-disulfonate (8.78 mmol), 3.25 g of 4,4'- Hexafluoroisopropyl laden diphenol (9.65 mmol), 2.67 g potassium carbonate (19.3 mmol), 35 mL DMAc and 30 mL toluene were placed in a 2-neck round bottom flask equipped with magnetic stirrer and Dean-stark trap.

그런 다음 교반 속도를 300rpm을 유지하며, 135℃에서 6시간 탈수반응을 수행 후 톨루엔을 제거하고 190℃에서 24시간 동안 온도를 유지하여 점도가 생긴 물질인 술폰화된 비페닐설폰 고분자를 제조하였다. Then, dehydration reaction was carried out at 135 ° C for 6 hours while maintaining the stirring speed at 300 rpm, toluene was removed and the temperature was maintained at 190 ° C for 24 hours to prepare a sulfonated biphenylsulfone polymer as a viscous material.

상기에서 제조한 술폰화된 아릴렌 비페닐설폰은 적외선분광기(FT-IR)와 핵자기공명분광기(1H NMR)를 통해 구조분석을 하고 이들의 결과를 아래에 나타내었다.The sulfonated arylene biphenylsulfone prepared above was subjected to structural analysis through infrared spectroscopy (FT-IR) and nuclear magnetic resonance spectroscopy ( 1 H NMR), and the results are shown below.

FT-IR (KBr, cm-1) : 930 (C(-F)3), 1004 (Ar-O-Ar), 1015, 1065 (S(=O)2), 1508 (C=C).FT-IR (KBr, cm -1 ): 930 (C (-F) 3 ), 1004 (Ar-O-Ar), 1015, 1065 (S (= O) 2 ), 1508 (C = C).

1H NMR (600 MHz, DMSO-d 6 ) d 8.58-7.89 (4H) 7.79-7.7(1H) 7.61-7.45(3H) 7.45-7.38 (4H) 7.32-7.12 (7H) 7.0-6.86 (1H).
1 H NMR (600 MHz, DMSO- d 6) d 8.58-7.89 (4H) 7.79-7.7 (1H) 7.61-7.45 (3H) 7.45-7.38 (4H) 7.32-7.12 (7H) 7.0-6.86 (1H).

<제조예 2> 헥사불소 이써 케톤 공중합체 제조PREPARATION EXAMPLE 2 Preparation of Hexafluoro Isocyanate Ketone Copolymer

하기 반응식 2로 표시되는 헥사불소 이써 케톤 공중합체를 제조하였다.A hexafluorosulfuric ketone copolymer represented by the following Reaction Scheme 2 was prepared.

[반응식 2][Reaction Scheme 2]

Figure 112012096052470-pat00058

Figure 112012096052470-pat00058

상기 [반응식 2]에서 5.9g 4,4'-헥사플루오로이소프로필라덴 디페놀(9.65 mmol), 4.0g 4클로로밴조패논(15.93mmol), 2.67g 탄산칼륨(19.3mmol), 20mL DMAc 및 15mL 톨루엔을 마그네틱 교반기 및 딘-스탁 트렙이 구비된 2구 둥근바닥 플라스크에 넣었다. (9.65 mmol), 4.0 g of 4-chlorobenzophenone (15.93 mmol), 2.67 g of potassium carbonate (19.3 mmol), 20 mL of DMAc and 15 mL Toluene was placed in a two-neck round bottom flask equipped with a magnetic stirrer and Dean-Stark trap.

이후 교반 속도를 300rpm을 유지하며, 135℃에서 6시간 탈수반응을 수행 후 톨루엔을 제거하고 190℃에서 24시간 동안 온도를 유지하여 점도가 생긴 물질인 헥사불소 이써 케톤 공중합체를 제조하였다. After the dehydration reaction was carried out at 135 ° C for 6 hours, the toluene was removed and the temperature was maintained at 190 ° C for 24 hours to obtain a hexafluorosulfur ketone copolymer having a viscosity.

상기에서 제조한 헥사불소 이써 케톤에 대해 적외선분광기(FT-IR)와 핵자기공명분광기(1H NMR)를 통해 구조분석을 하고 이들의 결과를 아래에 나타내었다.Structural analysis of the hexafluoroarsenetone prepared above was carried out by means of infrared spectroscopy (FT-IR) and nuclear magnetic resonance spectroscopy ( 1 H NMR), and the results are shown below.

FT-IR (KBr, cm-1) : 930 (C(-F)3), 1004 (Ar-O-Ar), 1508 (C=C), 1658 (C=O),FT-IR (KBr, cm -1 ): 930 (C (-F) 3 ), 1004 (Ar-O-Ar), 1508

1H NMR (600 MHz, DMSO-d 6 ) d 7.8 (4H), 7.4 (4H), 7.2 (8H).
1 H NMR (600 MHz, DMSO- d 6) d 7.8 (4H), 7.4 (4H), 7.2 (8H).

<실시예 1> 술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰케톤 블록 공중합체-10 제조EXAMPLE 1 Preparation of Sulfonated Polyarylene Biphenyl Sulfone Ketone Block Copolymer-10

상기 제조예 1에서 얻은 술폰화된 비페닐설폰 1몰, 상기 제조예 2에서 얻은 헥사불소 비페닐 케톤 공중합체 9몰 및

Figure 112012096052470-pat00059
1몰과 3몰의 탄산칼륨, 25mL DMAc 및 20mL 톨루엔을 마그네틱 교반기 및 딘-스탁 트랩이 구비된 2구 둥근바닥 플라스크에 넣었다. 이후 135℃에서 6시간 탈수반응을 수행 후 톨루엔을 제거하고 190℃에서 24시간 동안 온도를 유지하여 점도가 생긴 물질을 제조하였다(하기 [반응식 3] 참조). 1 mol of the sulfonated biphenylsulfone obtained in Preparation Example 1, 9 mol of the hexafluorobiphenyl ketone copolymer obtained in Preparation Example 2,
Figure 112012096052470-pat00059
1 mol and 3 mol of potassium carbonate, 25 mL of DMAc and 20 mL of toluene were placed in a 2-neck round bottom flask equipped with magnetic stirrer and Dean-Stark trap. After dehydration at 135 ° C for 6 hours, toluene was removed and the temperature was maintained at 190 ° C for 24 hours to obtain a viscous material (see Reaction Scheme 3 below).

상기에서 제조예 1에서 얻은 테트라 술폰화된 아릴렌 비페닐 설폰과 상기 제조예 2에서 얻은 헥사불소 이써 케톤 파우더는 반응시키기 전에 각각 100℃에서 24시간 동안 건조한 것을 사용하였다.The tetrasulfonated arylene biphenylsulfone obtained in Preparation Example 1 and the hexafluoroarsenetone powder obtained in Preparation Example 2 were respectively dried at 100 ° C for 24 hours before the reaction.

[반응식 3][Reaction Scheme 3]

Figure 112012096052470-pat00060

Figure 112012096052470-pat00060

상기 [반응식 3]에 의해 제조한 물질 100중량부를 3차 증류수, 메탄올 그리고 아세톤이 1:6:1의 부피비로 혼합된 혼합용매 300중량부에 첨가하고 12시간 동안 300rpm으로 교반한 다음 3시간 동안 방치하여 침전물을 얻고 이 침전물을 80℃에서 2시간 동안 건조하였다.100 parts by weight of the material prepared in the above reaction scheme 3 was added to 300 parts by weight of a mixed solvent of tertiary distilled water, methanol and acetone in a volume ratio of 1: 6: 1, stirred for 12 hours at 300 rpm, The precipitate was allowed to stand and the precipitate was dried at 80 DEG C for 2 hours.

상기의 건조한 침전물 10wt%을 Dimethylacetamide(DMAc) 용매에 90wt%에 용해시킨 후 24시간 동안 300rmp으로 교반하여 용액을 얻었다.10 wt% of the above dried precipitate was dissolved in Dimethylacetamide (DMAc) solvent in 90 wt% and stirred at 300 rpm for 24 hours to obtain a solution.

상기의 용액을 유리기판에 붓고 80℃ 오븐에서 24시간 동안 건조하여 술폰화된 폴리아릴렌 비페닐 설폰케톤공중합체(술폰화된 폴리아릴렌 비페닐설폰케톤 공중합체-10)의 막을 만들었다.The solution was poured onto a glass substrate and dried in an oven at 80 DEG C for 24 hours to form a film of a sulfonated polyarylene biphenylsulfone ketone copolymer (sulfonated polyarylene biphenylsulfone ketone copolymer-10).

상기에서 제조한 술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰케톤 블록 공중합체-10을 FT-IR 분석 결과 설퍼릭 에시드의 특성 벤드로 예상되는 1065cm-1의 벤드가 증가한 것을 확인할 수 있었다.
The FT-IR analysis of the sulfonated polyarylene biphenylsulfone ketone block copolymer-10 prepared above showed that the bend of 1065 cm -1 , which is expected to be a characteristic bend of the sulfuric acid, was increased.

<실시예 2> 술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰케톤 블록 공중합체-30 제조Example 2 Preparation of Sulfonated Polyarylene Biphenyl Sulfone Ketone Block Copolymer-30

상기 제조예 1에서 얻은 테트라 술폰화된 아릴렌 비페닐설폰 3몰, 상기 제조예 2에서 얻은 헥사 불소 이써 케톤 파우더 7몰을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰케톤 공중합체(술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰케톤 블록 공중합체-30)를 제조하였다.Except that 3 moles of the tetrasulfonated arylene biphenyl sulfone obtained in Preparation Example 1 and 7 moles of the hexafluoroisocyanate powder obtained in Preparation Example 2 were used, To prepare a polyarylene biphenyl sulfone ketone copolymer (sulfonated polyarylene biphenyl sulfone ketone block copolymer-30).

상기에서 제조한 술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰케톤 블록 공중합체-30을 FT-IR 분석 결과 설퍼릭 에시드의 특성 벤드로 예상되는 1065cm-1의 벤드가 증가한 것을 확인할 수 있었다.
The FT-IR analysis of the sulfonated polyarylene biphenylsulfone ketone block copolymer-30 prepared above showed an increase in the bend of 1065 cm -1 as a characteristic bend of the sulfuric acid.

<실시예 3> 술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰케톤 블록 공중합체 50 제조Example 3 Preparation of Sulfonated Polyarylene Biphenyl Sulfone Ketone Block Copolymer 50

상기 제조예 1에서 얻은 테트라 술폰화된 아릴렌 비페닐설폰 5몰, 상기 제조예 2에서 얻은 헥사불소 비페닐 이써 파우더 5몰을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰케톤 공중합체(술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰케톤 블록 공중합체-50)를 제조하였다.Except that 5 moles of the tetrasulfonated arylene biphenylsulfone obtained in Preparation Example 1 and 5 moles of the hexafluorobiphenyl diisocyanate obtained in Preparation Example 2 were used, A sulfonated polyarylene biphenyl sulfone ketone copolymer (sulfonated polyarylene biphenyl sulfone ketone block copolymer-50) was prepared.

상기에서 제조한 술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰케톤 공중합체 50을 FT-IR 분석 결과 설퍼릭에시드의 특성벤드로 예상되는 1065cm-1의 벤드가 증가한 것을 확인할 수 있었다.
FT-IR analysis of the sulfonated polyarylene biphenylsulfone ketone copolymer 50 prepared above showed that the bend of 1065 cm -1 , which is expected to be a characteristic bend of the sulfuric acid, was increased.

<비교예><Comparative Example>

상기 제조예 1에서 얻은 테트라 술폰화된 아릴렌 비페닐 설폰을 사용하지 않고, 상기 제조예 2에서 얻은 헥사불소 이써 케톤 파우더 1몰을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 폴리아릴렌 비페닐설폰케톤 블록 공중합체를 제조하였다.
Except that the tetrasulfonated arylene biphenylsulfone obtained in Preparation Example 1 was not used and 1 mole of the hexafluoroisocyanate powder obtained in Preparation Example 2 was used instead of the tetrasulfonated arylene biphenylsulfone obtained in Preparation Example 1 To prepare a polyarylene biphenyl sulfone ketone block copolymer.

<시험예 1>&Lt; Test Example 1 >

상기 제조예 1에서 제조한 고분자[술폰화된 비페닐설폰] 공중합체, 제조예 2에서 제조한 고분자[헥사불소 비페닐 케톤] 공중합체, 실시예 1에서 제조한 블록 공중합체, 실시예 2에서 제조한 블록 공중합체, 실시예 3에서 제조한 블록 공중합체 및 비교 예에서 제조한 공중합체들을 1H NMR을 측정하고 그 결과를 도 1에 나타내었다.The polymer (sulfonated biphenylsulfone) copolymer prepared in Preparation Example 1, the polymer [hexafluorobiphenylketone] copolymer prepared in Preparation Example 2, the block copolymer prepared in Example 1, and the polymer The prepared block copolymers, the block copolymers prepared in Example 3, and the copolymers prepared in the comparative examples were analyzed by 1 H NMR and the results are shown in FIG.

도 1을 참조하면 실시예 1에서 제조한 공중합체, 실시예 2에서 제조한 공중합체 및 실시예 3에서 제조한 공중합체들은 술폰화로 인해 1H NMR 피크의 변화로 면적비와 특성벤드의 변화를 확인할 수 있었다.
Referring to FIG. 1, the copolymer prepared in Example 1, the copolymer prepared in Example 2, and the copolymer prepared in Example 3 were confirmed to have an area ratio and a change in characteristic bend by 1 H NMR peak change due to sulfonation I could.

<시험예 2>&Lt; Test Example 2 &

상기 실시예 1에서 제조한 공중합체, 실시예 2에서 제조한 공중합체, 실시예 3에서 제조한 공중합체 및 비교예에서 제조한 공중합체들을 FT-IR을 측정하여 고분자 내에 작용기를 확인하였다. 그 결과를 도 2에 나타내었다.
FT-IR was measured on the copolymer prepared in Example 1, the copolymer prepared in Example 2, the copolymer prepared in Example 3 and the copolymers prepared in Comparative Example to confirm the functional groups in the polymer. The results are shown in Fig.

<시험예 3> 물리적 특성 분석&Lt; Test Example 3 > Physical property analysis

상기 실시예 1 내지 실시예 3에서 제조한 공중합체 및 비교예에서 제조한 공중합체에 대한 술폰화도(Degree of sulfonation, DS), 수평균분자량(Mn), 중량평균분자량(Mw), 다분산지수(PDI) 등의 물리적인 특성을 측정하고 이의 결과를 아래의 표 1에 나타내었다.The degree of sulfonation (DS), the number average molecular weight (Mn), the weight average molecular weight (Mw), the polydispersity index (Mw) of the copolymer prepared in Examples 1 to 3 and the copolymer prepared in Comparative Examples (PDI), and the results are shown in Table 1 below.

상기에서 각각의 공중합체에 대한 수평균분자량(Mn), 중량평균분자량(Mw)의 평균 분자량은 각각의 공중합체 40mg를 0.025M LiBr이 첨가된 DMF 2mL에 용해시키고, 겔 투과크로마토그래피로 측정하였다.The average molecular weight (Mn) and weight average molecular weight (Mw) of the respective copolymers were determined by dissolving 40 mg of each copolymer in 2 mL of DMF to which 0.025 M LiBr had been added and measuring the gel permeation chromatography .

상기에서 각각의 공중합체에 대한 DS는 NMR의 1H 면적비를 통해 측정하였다.In the above, DS for each copolymer was measured by 1 H area ratio of NMR.

상기에서 각각의 공중합체에 대한 다분산지수(PDI)는 겔투과크로마토그래피를 통해 얻은 Mn/Mw로 계산하였다. The polydispersity index (PDI) for each copolymer was calculated as Mn / Mw obtained by gel permeation chromatography.

공중합체Copolymer 몰비율Molar ratio DSDS 수평균분자량
(Mn, g mol-1)
Number average molecular weight
(M n, g mol -1 )
중량평균
분자량
(Mw, g mol-1)
Weight average
Molecular Weight
(M w , g mol -1 )
최대평균
분자량
(Mmax, g mol-1)
Maximum average
Molecular Weight
(M max, g mol -1 )
다분산지수(PDI)The polydispersity index (PDI)
폴리아릴렌 비페닐설폰케톤 공중합체Polyarylene biphenylsulfone ketone copolymer 0 : 100: 10 00 1510015100 6580065800 218400218400 4.354.35 술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰케톤 공중합체 10Sulfonated polyarylene biphenyl sulfone ketone copolymer 10 1 : 91: 9 77 - c) - c) 술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰케톤 공중합체 30Sulfonated polyarylene biphenylsulfone ketone copolymer 30 3 : 73: 7 3131 - - 술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰케톤 공중합체 50The sulfonated polyarylene biphenylsulfone ketone copolymer 50 5 : 55: 5 4747 9040090400 117400117400 165100165100 1.301.30

c)용해되지 않아 측정 불가
c) Can not be measured because it is not dissolved

<시험예 4> 용해도 특성 분석<Test Example 4> Analysis of solubility characteristics

상기 실시예 1 내지 실시예 3에서 제조한 각각의 공중합체에 대해 DMAc, NMP, DMSO, DMF, 클로로포름, THF, 아세톤, 메탄올 및 물 등의 용매에 대한 용해도를 측정하고 이들의 결과를 아래의 표 2에 나타내었다.The solubilities of the respective copolymers prepared in Examples 1 to 3 were measured in solvents such as DMAc, NMP, DMSO, DMF, chloroform, THF, acetone, methanol and water. Respectively.

상기에서 각각의 공중합체에 대한 용매의 용해 정도는 각각의 공중합체 1g을 10mL의 용매에 넣고 상온에서 측정한 것으로 (++) 매우 잘 용해, (+) 잘 용해, (±) 부분적으로 용해, (??) 비용해로 나타내었다.The degree of dissolution of the solvent in each of the above copolymers was determined by measuring 1 g of each copolymer in 10 mL of a solvent at room temperature (++), (+), (+), (??) cost solution.

용매menstruum 실시예 1
(술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰케톤 공중합체-10)
Example 1
(Sulfonated polyarylene biphenyl sulfone ketone copolymer-10)
실시예 2
(술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰케톤 공중합체-30)
Example 2
(Sulfonated polyarylene biphenyl sulfone ketone copolymer-30)
실시예 3
(술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰케톤 공중합체-50)
Example 3
(Sulfonated polyarylene biphenyl sulfone ketone copolymer-50)
DMSODMSO ++++ ++++ ++++ NMPNMP ++ ++ ++ DMAcDMAc ++ ++ ++ DMFDMF ±± ±± ++ THFTHF -- -- -- 클로로포름chloroform -- -- -- 아세톤Acetone -- -- -- 메탄올Methanol -- -- -- water -- -- --

*"-"는 용해되지 않아 측정 불가를 의미한다.* "-" means not measurable because it is not dissolved.

상기 표 2에 보면 실시예 1 내지 실시예 3에서 제조한 각각의 공중합체는 DMAc, NMP, DMSO, DMF와 같은 극성 유기용매에는 높은 용해도를 나타내는 것을 알 수 있었다.
Table 2 shows that the respective copolymers prepared in Examples 1 to 3 exhibit high solubility in polar organic solvents such as DMAc, NMP, DMSO, and DMF.

<시험예 5> 화학적 특성 분석&Lt; Test Example 5 >

상기 실시예 1 내지 실시예 3에서 제조한 각각의 술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰케톤 공중합체에 대해 유리전이온도, 이온교환용량, 함수율, 이온전도도 등의 화학적 특성을 측정하고 이의 결과를 아래의 표 3에 나타내었다.The respective sulfonated polyarylene biphenylsulfone ketone copolymers prepared in Examples 1 to 3 were measured for their chemical properties such as glass transition temperature, ion exchange capacity, water content and ionic conductivity, Table 3 shows the results.

(1)이온교환용량 측정(1) Measurement of ion exchange capacity

상기 실시예 1 내지 실시예 3에서 제조한 각각의 술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰케톤 공중합체를 1M NaCl에 24시간 동안 담지시킨 후 표준용액 페놀프탈레인을 첨가한 후 0.01N NaOH로 적정하여 이온교환용량(IEC)값을 계산하였다.Each of the sulfonated polyarylene biphenylsulfone ketone copolymers prepared in Examples 1 to 3 was immersed in 1 M NaCl for 24 hours, then phenolphthalein as a standard solution was added thereto, and the solution was titrated with 0.01 N NaOH to obtain ion exchange capacity (IEC) values were calculated.

IEC (meq??g-1) = (VNaOH × CNaOH)/ Wdry...[수학식 1]IEC (meq ?? g -1 ) = (V NaOH x C NaOH ) / W dry. &Quot; (1) &quot;

(상기 [수학식 1]에서 VNaOH는 사용한 NaOH 표준용액의 소모량, CNaOH은 NaOH 표준용액의 농도, Wdry 건조된 박막의 무게(g))
(V NaOH is consumption of the used NaOH standard solution, C NaOH is the concentration of NaOH standard solution, W dry Weight (g) of dried film)

(2) 함수율 측정(2) Moisture content measurement

상기 실시예 1 내지 실시예 3에서 제조한 각각의 술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰케톤 공중합체를 건조 후 무게와 24시간 동안 물에 담지시킨 후 무게 변화율을 계산Each of the sulfonated polyarylene biphenylsulfone ketone copolymers prepared in Examples 1 to 3 was dried and weighed for 24 hours in water and then the weight change rate was calculated

함수율(%) = [ (Wwet - Wdry) / Wdry ] × 100...[수학식 2]Water content (%) = [(W wet - W dry ) / W dry ] × 100 (2)

(상기 [수학식 2]에서 Wwet는 젖은 막의 무게, Wdry는 건조된 막의 무게)
(W wet is the weight of the wet film, W dry is the weight of the dried film)

(3)이온전도도 측정(3) Measurement of ion conductivity

상기 실시예 1 내지 실시예 3에서 제조한 각각의 술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰케톤 공중합체에 대해 교류 사극자법을 이용하여 음저항 또는 벌크저항을 측정하여 이온전도도를 계산하였다.Each of the sulfonated polyarylene biphenylsulfone ketone copolymers prepared in Examples 1 to 3 was measured for negative ion resistance or bulk resistance by an AC diodic method to calculate ion conductivity.

이온전도도(σ, S cm-1)= L / ( R × T × W)...[수학식 3] Ion conductivity (?, S cm -1 ) = L / (R x T x W)

(상기 [수학식 3]에서 L은 두 전극사이의 거리, R은 막의 저항, T는 막의 두께, W는 막의 너비)
(Where L is the distance between two electrodes, R is the resistance of the film, T is the thickness of the film, and W is the width of the film)

항목Item 유리전이온도
(℃)
Glass transition temperature
(° C)
함수율
(%)
Moisture content
(%)
이온교환용량
(meq·g-1)
Ion exchange capacity
(meq g -1 )
이온전도도
(S cm-1)
Ion conductivity
(S cm -1 )
실시예 1
(술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰케톤 공중합체-10)
Example 1
(Sulfonated polyarylene biphenyl sulfone ketone copolymer-10)
137137 99 0.560.56 2020
실시예 2
(술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰케톤 공중합체-30)
Example 2
(Sulfonated polyarylene biphenyl sulfone ketone copolymer-30)
143143 1616 0.790.79 7575
실시예 3
(술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰케톤 공중합체-50)
Example 3
(Sulfonated polyarylene biphenyl sulfone ketone copolymer-50)
157157 3636 1.021.02 6262

상기 표 3에서 함수율과 이온교환용량은 상온에서 실시하였으며, 이온전도도는 100% 상대습도, 60℃에서 측정된 값이다. 비교적 친수성 블록의 증가에 따라 함수율, 이온교환용량, 이온전도도가 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
In Table 3, water content and ion exchange capacity were measured at room temperature, and ionic conductivity was measured at 100% relative humidity and 60 ° C. The water content, ion exchange capacity and ionic conductivity were increased with increasing hydrophilic block.

<시험예 6> 시차 주사 열량분석 및 열 중량 분석법 측정&Lt; Test Example 6 > Measurement of differential scanning calorimetry and thermogravimetry

상기 실시예 1 내지 실시예 3에서 제조한 각각의 술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰케톤 공중합체, 비교예에서 제조한 폴리아릴렌 비페닐설폰케톤 공중합체 및 나피온117에 대해 시차 주사 열량분석 및 TGA(Thermogravimetry Analysis)를 측정하여 TGA를 통해 고분자의 작용기 및 주 사슬의 열적안정성을 확인하고, 시차 주사 열량측정을 통해 유리전이온도를 확인하였으며 이의 결과를 아래의 도 3에 나타내었다.The differential scanning calorimetry and analysis of the respective sulfonated polyarylene biphenylsulfone ketone copolymers prepared in Examples 1 to 3, the polyarylene biphenylsulfone ketone copolymers prepared in the Comparative Examples and Nafion 117, TGA (Thermogravimetry Analysis) was measured to confirm the thermal stability of functional groups and main chains of the polymer through TGA, and the glass transition temperature was confirmed by differential scanning calorimetry. The results are shown in FIG.

도 3에서 좌측 그래프는 TGA 측정결과이고, 도 3에서 우측 그래프는 유리전이온도의 측정결과이다.
The left graph in FIG. 3 is the TGA measurement result, and the right graph in FIG. 3 is the measurement result of the glass transition temperature.

<시험예 7> 함수량 측정&Lt; Test Example 7 >

상기 실시예 1 내지 실시예 3에서 제조한 각각의 술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰케톤 공중합체에 대해 온도에 따른 함수량(water uptake)을 측정하고 이를 도 4에 나타내었다.The water uptake of each of the sulfonated polyarylene biphenylsulfone ketone copolymers prepared in Examples 1 to 3 was measured according to the temperature and is shown in FIG.

상기에서 함수량은 각각의 온도에서 실시예 1 내지 실시예 3에서 제조한 각각의 술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰케톤 공중합체를 24시간 동안 물에 담지시킨 후 무게를 측정, 그리고 건조된 무게를 시험예 5에 기재된 수학식 2를 이용하여 계산하였다.The water content was measured by weighing each sulfonated polyarylene biphenylsulfone ketone copolymer prepared in Examples 1 to 3 for 24 hours at each temperature and then measuring the dried weight And calculated using Equation (2) described in Example 5.

도 4에서 실시예 1 내지 실시예 3에서 제조한 각각의 술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰케톤 공중합체에 대한 함수량을 측정하여 이들 각각의 공중합체를 이용하여 제조한 연료전지용 양이온 교환 막이 물을 얼마까지 흡수하는지 측정함으로써 막의 물리적 안정성을 확인하였다.
4, the water content of each of the sulfonated polyarylene biphenylsulfone ketone copolymers prepared in Examples 1 to 3 was measured. The cation exchange membranes for fuel cells prepared using these respective copolymers were measured for water To confirm the physical stability of the membrane.

<시험예 8> 이온전도도 측정&Lt; Test Example 8 > Measurement of ion conductivity

상기 실시예 1 내지 실시예 3에서 제조한 각각의 술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰케톤 공중합체, 비교예에서 제조한 폴리아릴렌 비페닐설폰케톤 공중합체 및 나피온117에 대해 온도에 따른 이온전도도(proton conductivity)를 측정하고 이를 도 5에 나타내었다. The ionic conductivity of each sulfonated polyarylene biphenyl sulfone ketone copolymer prepared in Examples 1 to 3, the polyarylene biphenyl sulfone ketone copolymer prepared in Comparative Example and Nafion 117 (proton conductivity) was measured and is shown in Fig.

상기에서 이온전도도 측정은 시험예 5에 기재된 "(3)이온전도도 측정"방법을 이용하여 실시하였다.The ion conductivity measurement was carried out using the "(3) ion conductivity measurement" method described in Test Example 5.

도 5에서 실시예 1 내지 실시예 3에서 제조한 각각의 술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰케톤 공중합체에 대한 100% 상대습도(RH)하에 온도별 저항을 측정하여 측정된 저항을 시험예 5에 기재된 수학식 3을 이용함으로 이온전도도를 계산하여 이들 각각의 공중합체를 이용하여 제조한 연료전지용 양이온 교환 막이 이온을 얼마나 잘 통과시킬 수 있는지에 대한 성능을 확인하였다.
In FIG. 5, the resistances measured by measuring the resistance of each sulfonated polyarylene biphenyl sulfone ketone copolymer prepared in Examples 1 to 3 under a temperature of 100% relative humidity (RH) were measured in Test Example 5 The ion conductivity was calculated by using Equation (3) described above, and the performance of the cation exchange membrane for a fuel cell manufactured using each of the copolymers was confirmed.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 제조예, 실시예 및 실험예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Although the present invention has been described with reference to the preferred embodiments, examples and experimental examples, it should be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. It will be understood that the invention may be variously modified and changed.

본 발명의 테트라 술폰화된 폴리 아릴렌 비페닐 설폰 공중합체를 이용하여 추가적인 고압 또는 감압을 요구하는 장치 및 공정단계의 추가 없이도 연료전지용 양이온 교환 막을 제조할 수 있다.The tetra sulfonated polyarylene biphenyl sulfone copolymer of the present invention can be used to produce a cation exchange membrane for a fuel cell without additional apparatus and process steps requiring additional high pressure or reduced pressure.

또한 본 발명은 테트라 술폰화된 폴리 아릴렌 비페닐 설폰 공중합체를 이용하여 손쉽게 연료전지용 양이온 교환 막을 얻을 수 있는 장점을 통하여 보다 손쉽게 연료전지용 양이온 교환 막을 제공하여 연료전지 관련 산업발전에 기여할 수 있어 산업상 이용가능성이 있다.The present invention can easily provide a cation exchange membrane for a fuel cell through the advantage of easily obtaining a cation exchange membrane for a fuel cell by using a tetra sulfonated polyarylene biphenylsulfonic copolymer, There is a possibility of award.

Claims (10)

하기 화학식(1)의 테트라 술폰화된 폴리 아릴렌 비페닐 설폰 공중합체.
Figure 112012096052470-pat00061
...화학식(1)
상기 화학식(1)에서 Ar1, Ar2 및 Ar3은 각각 독립적으로 하기 화학식(2-1) 내지 화학식(2-6) 중에서 선택된 어느 하나인 것이며,
Y는 -S-, -O-, -N-, -C(=O)- 또는 -S(=O)2-이며,
X는
Figure 112012096052470-pat00062
또는
Figure 112012096052470-pat00063
이며,
M은 -H, -Li, -Na, -K, -Rb, -Cs 또는 Fr이며,
n는 0.01∼1이고,
z는 10∼800이다.
Figure 112012096052470-pat00064
...화학식(2-1)
Figure 112012096052470-pat00065
...화학식(2-2)
Figure 112012096052470-pat00066
...화학식(2-3)
Figure 112012096052470-pat00067
...화학식(2-4)
Figure 112012096052470-pat00068
...화학식(2-5)
Figure 112012096052470-pat00069
...화학식(2-6)
A tetrasulfonated polyarylene biphenyl sulfone copolymer having the formula (1):
Figure 112012096052470-pat00061
(1)
In the above formula (1), Ar 1 , Ar 2 and Ar 3 are each independently any one selected from the following formulas (2-1) to (2-6)
Y is -S-, -O-, -N-, -C ( = O) - or -S (= O) 2 -, and
X is
Figure 112012096052470-pat00062
or
Figure 112012096052470-pat00063
Lt;
M is -H, -Li, -Na, -K, -Rb, -Cs or Fr,
n is from 0.01 to 1,
z is from 10 to 800.
Figure 112012096052470-pat00064
(2-1)
Figure 112012096052470-pat00065
(2-2)
Figure 112012096052470-pat00066
(2-3)
Figure 112012096052470-pat00067
(2-4)
Figure 112012096052470-pat00068
(2-5)
Figure 112012096052470-pat00069
(2-6)
하기 화학식(3)의 화합물, 화학식(4)의 화합물 및 화학식(5)의 화합물을 반응시켜 하기 화학식(1)의 테트라 술폰화된 폴리 아릴렌 비페닐 설폰 공중합체를 제조하는 방법.
Figure 112012096052470-pat00070
...화학식(1)
Figure 112012096052470-pat00071
...화학식(3)
Figure 112012096052470-pat00072
...화학식(4)
X...화학식(5)
상기 화학식(1)의 화합물, 화학식(3)의 화합물, 화학식(4)의 화합물 및 화학식(5)의 화합물 중에서 Ar1, Ar2 및 Ar3은 각각 독립적으로 하기 화학식(2-1) 내지 화학식(2-6) 중에서 선택된 어느 하나인 것이며,
Y는 -S-, -O-, -N-, -C(=O)- 또는 -S(=O)2-이며,
X는
Figure 112012096052470-pat00073
또는
Figure 112012096052470-pat00074
이며,
M은 -H, -Li, -Na, -K, -Rb, -Cs 또는 Fr이며,
n는 0.01∼1이고,
z는 10∼800이다.
Figure 112012096052470-pat00075
...화학식(2-1)
Figure 112012096052470-pat00076
...화학식(2-2)
Figure 112012096052470-pat00077
...화학식(2-3)
Figure 112012096052470-pat00078
...화학식(2-4)
Figure 112012096052470-pat00079
...화학식(2-5)
Figure 112012096052470-pat00080
...화학식(2-6)
A process for preparing a tetrasulfonated polyarylene biphenyl sulfone copolymer of the following formula (1) by reacting a compound of the formula (3), a compound of the formula (4) and a compound of the formula (5)
Figure 112012096052470-pat00070
(1)
Figure 112012096052470-pat00071
(3)
Figure 112012096052470-pat00072
(4)
X ????? (5)
Ar 1 , Ar 2 and Ar 3 in the compounds of the above formula (1), the compound of the formula (3), the compound of the formula (4) and the compound of the formula (5) (2-6). In this case,
Y is -S-, -O-, -N-, -C ( = O) - or -S (= O) 2 -, and
X is
Figure 112012096052470-pat00073
or
Figure 112012096052470-pat00074
Lt;
M is -H, -Li, -Na, -K, -Rb, -Cs or Fr,
n is from 0.01 to 1,
z is from 10 to 800.
Figure 112012096052470-pat00075
(2-1)
Figure 112012096052470-pat00076
(2-2)
Figure 112012096052470-pat00077
(2-3)
Figure 112012096052470-pat00078
(2-4)
Figure 112012096052470-pat00079
(2-5)
Figure 112012096052470-pat00080
(2-6)
제2항에 있어서,
반응은 화학식(3)의 화합물, 화학식(4)의 화합물 및 화학식(5)의 화합물을 혼합한 후 탄산칼륨, 용매 및 톨루엔을 첨가하고 130∼150℃에서 3∼8시간 동안 탈수반응을 실시하여 톨루엔을 제거한 다음 180∼200℃에서 24∼48시간 동안 유지하여 점도를 지니는 반응물을 얻는 것을 특징으로 하는 방법.
3. The method of claim 2,
The reaction is carried out by mixing the compound of the formula (3), the compound of the formula (4) and the compound of the formula (5), adding potassium carbonate, a solvent and toluene and conducting a dehydration reaction at 130 to 150 캜 for 3 to 8 hours Removing the toluene and then maintaining the temperature at 180 to 200 ° C for 24 to 48 hours to obtain a reactant having a viscosity.
제2항에 있어서,
반응은 화학식(3)의 화합물, 화학식(4)의 화합물은 1:9∼9:1의 몰비로 반응시키는 것을 특징으로 하는 방법.
3. The method of claim 2,
Wherein the reaction is carried out at a molar ratio of the compound of the formula (3) and the compound of the formula (4) in a molar ratio of 1: 9 to 9: 1.
제2항에 있어서,
반응은 화학식(3)의 화합물, 화학식(5)의 화합물은 1:9∼9:1의 몰비로 반응시키는 것을 특징으로 하는 방법.
3. The method of claim 2,
The reaction is carried out by reacting the compound of the formula (3) and the compound of the formula (5) in a molar ratio of 1: 9 to 9: 1.
제3항에 있어서,
용매는 Dimethylacetamide(DMAc), Dimethyl sulfoxide(DMSO), Methylpyrrolidone(NMP), Dimethylformamide(DMF), Tetrahydrofuran(THF) 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 3,
Wherein the solvent is any one selected from the group consisting of Dimethylacetamide (DMAc), Dimethyl sulfoxide (DMSO), Methylpyrrolidone (NMP), Dimethylformamide (DMF) and Tetrahydrofuran (THF).
청구항 제1항의 테트라 술폰화된 폴리 아릴렌 비페닐 설폰 공중합체를 포함하는 연료전지용 양이온 교환 막. A cation exchange membrane for a fuel cell comprising the tetrasulfonated polyarylene biphenyl sulfone copolymer of claim 1. 제7항에 있어서,
연료전지용 양이온 교환 막은 두께가 10∼200㎛인 것을 특징으로 하는 연료전지용 양이온 교환 막.
8. The method of claim 7,
Wherein the cation exchange membrane for a fuel cell has a thickness of 10 to 200 mu m.
청구항 제1항의 테트라 술폰화된 폴리 아릴렌 비페닐 설폰 공중합체를 포함하는 양이온 교환 막에 전극을 결합시킨 연료전지용 양이온 교환 막/전극 접합체.A cation exchange membrane / electrode assembly for a fuel cell in which an electrode is bonded to a cation exchange membrane comprising the tetrasulfonated polyarylene biphenyl sulfone copolymer of claim 1. 연료전지에 있어서,
청구항 제1항의 테트라 술폰화된 폴리 아릴렌 비페닐 설폰 공중합체를 포함하는 연료전지용 양이온 교환 막을 함유하는 연료전지.
In a fuel cell,
A fuel cell containing a cation exchange membrane for a fuel cell comprising the tetrasulfonated polyarylene biphenyl sulfone copolymer of claim 1.
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