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KR101929992B1 - Porous support for pressure retarded osmosis process, thin-film composite membrane containing the same and preparation method thereof - Google Patents

Porous support for pressure retarded osmosis process, thin-film composite membrane containing the same and preparation method thereof Download PDF

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KR101929992B1
KR101929992B1 KR1020160023238A KR20160023238A KR101929992B1 KR 101929992 B1 KR101929992 B1 KR 101929992B1 KR 1020160023238 A KR1020160023238 A KR 1020160023238A KR 20160023238 A KR20160023238 A KR 20160023238A KR 101929992 B1 KR101929992 B1 KR 101929992B1
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benzoxazole
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Abstract

본 발명은 압력지연삼투용 다공성 지지체, 이를 포함하는 초박형 복합막 및 그 제조방법에 관한 것으로, 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체로 다공성 지지체를 형성하고, 상기 다공성 지지체 위에 박막의 활성층을 포함하는 복합막을 제조하여 압력지연삼투공정에 응용하는 기술에 관한 것이다.
본 발명에 따라 제조된 얇고 기공률이 높은 다공성 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 지지체, 이를 포함하는 초박형 복합막은 열적·화학적 안정성 및 기계적 물성이 우수하여 높은 작동압력에도 견딜 수 있을 뿐만 아니라, 내부농도분극을 최소화하여 높은 수투과도 및 그에 따른 높은 전력밀도를 얻을 수 있으므로 압력지연삼투공정 또는 정삼투공정에 응용할 수 있다.
TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a porous support for pressure delayed osmosis, an ultra-thin composite membrane comprising the same, and a method for producing the same, which comprises forming a porous support using a thermally converting poly (benzoxazole- imide) copolymer, The present invention relates to a technique for preparing a composite membrane including an active layer and applying it to a pressure delayed osmosis process.
The thin, porous, heat-converted poly (benzoxazole-imide) copolymer support prepared according to the present invention and the ultra-thin composite membrane comprising the same have excellent thermal and chemical stability and mechanical properties, But it can be applied to a pressure delay osmosis process or a positive osmosis process since the internal concentration polarization can be minimized to obtain a high water permeability and accordingly a high power density.

Description

압력지연삼투공정용 다공성 지지체, 이를 포함하는 초박형 복합막 및 그 제조방법{Porous support for pressure retarded osmosis process, thin-film composite membrane containing the same and preparation method thereof}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a porous support for pressure-delayed osmosis processes, an ultra-thin composite membrane including the porous support, and a method of manufacturing the same.

본 발명은 압력지연삼투용 다공성 지지체, 이를 포함하는 초박형 복합막 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체로 다공성 지지체를 형성하고, 상기 다공성 지지체 위에 박막의 활성층을 포함하는 복합막을 제조하여 압력지연삼투공정에 응용하는 기술에 관한 것이다.
TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a porous support for pressure-delayed osmosis, an ultra-thin composite membrane comprising the same, and a method of manufacturing the same. More particularly, the present invention relates to a porous support for pressure- The present invention relates to a technique of preparing a composite membrane including a thin film active layer on a support and applying it to a pressure delayed osmosis process.

최근 해수의 삼투압을 이용하여 에너지를 생산하는 염도차 발전이 주목받고 있으며, 그 중에서 압력지연삼투공정(pressure retarded osmosis process)에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 압력지연삼투공정은 염도차가 있는 두 용액의 삼투압 차를 구동력으로, 분리막을 통하여 삼투현상의 반대방향으로 삼투압보다 낮은 압력을 가하여 삼투방향의 물 흐름을 지연시킴으로써, 분리막을 투과한 물이 터빈을 돌려 전기를 생산하는 방식이다.
In recent years, salinity power generation which produces energy using osmotic pressure of sea water has been attracting attention, and studies on pressure retarded osmosis process have been actively carried out. The pressure-delayed osmosis process is a process in which the osmotic pressure difference of two solutions having a difference in salinity is used as a driving force to apply a pressure lower than the osmotic pressure to the opposite direction of the osmotic phenomenon through the separation membrane to delay water flow in the osmotic direction, It is a way to produce electricity.

상기 압력지연삼투공정용 분리막으로서는 평막 또는 중공사막이 주류를 이루고 있는데, 일반적으로 100~200㎛ 두께의 폴리술폰(PS) 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)계의 다공성 지지체 및 ~100nm 두께의 폴리아미드(PA)계 박막 활성층을 갖는 초박형 복합막(thin-film composite membrane)의 형태가 대부분을 차지하고 있다(특허문헌 1).
As the separation membrane for the pressure delay osmosis process, a flat membrane or a hollow fiber membrane is a mainstream. Generally, a porous support of polysulfone (PS) or polyethylene terephthalate (PET) based on 100 to 200 탆 thickness and a polyamide PA) -based thin-film active layer (Patent Document 1).

그러나 통상의 압력지연삼투공정용 분리막에서는 물이 막을 통해 투과될 때, 유입용액의 염들이 선택적 투과성을 가진 활성층에 막혀 지지체 내부에 쌓이면서 활성층과 지지체 경계면의 염분 농도가 증가하는 현상인 내부농도분극이 발생함에 따라 수투과의 구동력인 농도 차이가 줄어들게 되므로, 궁극적으로는 수투과도가 떨어져 전력밀도가 낮아지는 단점이 있는바, 지지체의 두께가 100~200㎛로 두꺼운 것이 가장 큰 원인으로 인식되고 있다. 아울러 압력지연삼투공정에 사용되는 분리막은 높은 작동압력을 견딜 수 있어야 하므로 열적·화학적 안정성을 비롯하여 기계적 물성이 우수하여야 한다.
However, in the conventional pressure-delayed osmosis membrane, when the water is permeated through the membrane, the concentration of the salt in the inlet solution is increased by increasing the salinity concentration at the interface between the active layer and the support, The density difference as a driving force of water permeability is reduced as a result, and ultimately the water permeability is lowered and the power density is lowered. As a result, it is recognized that the thickness of the support is as thick as 100 to 200 탆. In addition, the membrane used in the pressure-delayed osmosis process must be able to withstand high operating pressures, so that mechanical properties including thermal and chemical stability should be excellent.

한편, 열적·화학적 안정성 및 기계적 물성이 우수한 폴리벤즈옥사졸, 폴리벤즈이미다졸 또는 폴리벤즈티아졸 등 강성의 유리상 전방향족 유기고분자들을 기체분리막으로 응용하고자 하는 시도가 있었으나, 이 유기고분자들은 대부분 일반적인 유기용매에 난용성이어서 간단하고 실용적인 용매 캐스팅법에 의하여 막을 제조하는데 어려움이 있었다. 따라서 최근에 본 발명자 등은 오르쏘 위치에 히드록시기를 갖는 폴리이미드를 열전환하는 방법으로 폴리벤즈옥사졸 막을 제조함으로써 용매 캐스팅법에 의하여 제조되는 종래 폴리벤즈옥사졸 막에 비하여 이산화탄소의 투과도가 10~100배 더 높은 결과를 얻은바 있다(비특허문헌 1).
On the other hand, attempts have been made to apply stiff glassy wholly aromatic organic polymers such as polybenzoxazole, polybenzimidazole, or polybenzthiazole, which have excellent thermal and chemical stability and mechanical properties, as gas separation membranes, It is difficult to prepare a film by a simple and practical solvent casting method because it is insoluble in an organic solvent. Therefore, the present inventors have recently found that the permeability of carbon dioxide is higher than that of conventional polybenzoxazole membranes prepared by the solvent casting method by preparing polybenzoxazole membranes by a method of converting polyimide having hydroxy groups at orthosial positions into heat, 100 times higher than that of the prior art (Non-Patent Document 1).

따라서 본 발명자 등은, 열적·화학적 안정성 및 기계적 물성이 우수한 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 막의 응용분야를 확대하기 위하여 연구를 거듭한 결과, 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 막을 다공성 지지체로 형성하고, 그 다공성 지지체 위에 박막의 활성층을 형성하여 초박형 복합막을 제조할 수 있으면, 압력지연삼투공정용 분리막으로 응용될 수 있음에 착안하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
Accordingly, the inventors of the present invention have conducted studies to expand application fields of thermally-converting poly (benzoxazole-imide) copolymer films having excellent thermal and chemical stability and mechanical properties. As a result, they have found that heat- The present invention has been completed based on the fact that it is possible to form an ultra thin film composite membrane by forming a copolymer film on a porous support and forming a thin film active layer on the porous support, .

특허문헌 1 한국등록특허공보 제10-1391654호Patent Document 1 Korean Patent Publication No. 10-1391654

비특허문헌 1 Y.M. Lee et al., Science 318, 254-258 (2007)Non-Patent Document 1 Y.M. Lee et al., Science 318, 254-258 (2007)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 열적·화학적 안정성 및 기계적 물성이 우수하여 높은 작동압력에도 견딜 수 있을 뿐만 아니라, 내부농도분극을 최소화하여 높은 수투과도 및 그에 따른 높은 전력밀도를 얻을 수 있는, 얇고 기공률이 높은 압력지연삼투공정용 다공성 지지체, 이를 포함하는 초박형 복합막 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide a polymer electrolyte membrane which is excellent in thermal and chemical stability and mechanical properties and can withstand high operating pressure, A porous support for a pressure-delayed osmosis process having a high porosity, an ultra-thin composite membrane including the porous support, and a method for producing the same.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 갖는, 압력지연삼투공정용 다공성 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 지지체를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a porous heat-converted poly (benzoxazole-imide) copolymer support for a pressure-delayed osmosis process having a repeating unit represented by the following formula (1).

<화학식 1>&Lt; Formula 1 >

Figure 112018046916807-pat00051
Figure 112018046916807-pat00051

(상기 화학식 1에서, Ar1은 치환 또는 비치환된 4가의 탄소수 6 내지 24의 아릴렌기 및 치환 또는 비치환된 4가의 탄소수 4 내지 24의 복소환기에서 선택되는 방향족 고리기이고, 상기 방향족 고리기는 단독으로 존재하거나; 2개 이상이 서로 축합 고리를 형성하거나; 2개 이상이 단일결합, O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤P≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2 또는 CO-NH로 연결되어 있고,(Wherein Ar 1 is an aromatic ring group selected from a substituted or unsubstituted quadrivalent arylene group having 6 to 24 carbon atoms and a substituted or unsubstituted quadrivalent heterocyclic group having 4 to 24 carbon atoms, O, S, CO, SO 2 , Si (CH 3 ) 2 , (CH 2 ) p (1 ≦ P10 ), or two or more of them form a condensed ring; ), (CF 2 ) q ( 1 ? Q ? 10), C (CH 3 ) 2 , C (CF 3 ) 2 or CO-

Ar2는 치환 또는 비치환된 2가의 탄소수 6 내지 24의 아릴렌기 및 치환 또는 비치환된 2가의 탄소수 4 내지 24의 복소환기에서 선택되는 방향족 고리기이고, 상기 방향족 고리기는 단독으로 존재하거나; 2개 이상이 서로 축합 고리를 형성하거나; 2개 이상이 단일결합, O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤P≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2 또는 CO-NH로 연결되어 있으며,Ar 2 is an aromatic ring group selected from a substituted or unsubstituted divalent arylene group having 6 to 24 carbon atoms and a substituted or unsubstituted divalent heterocyclic group having 4 to 24 carbon atoms and the aromatic ring group is present alone; Two or more of them form a condensed ring with each other; Two or more single bond, O, S, CO, SO 2, Si (CH 3) 2, (CH 2) p (1≤P≤10), (CF 2) q (1≤q≤10), C (CH 3) 2, C ( CF 3) is connected to 2 or CO-NH,

Q는 단일결합이거나; O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤P≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2, CO-NH, C(CH3)(CF3), 또는 치환 또는 비치환된 페닐렌기이고, x, y는 각각 반복단위 내 몰분율로서 0.1≤x≤0.9, 0.1≤y≤0.9, x+y=1 이다)Q is a single bond; O, S, CO, SO 2 , Si (CH 3) 2, (CH 2) p (1≤P≤10), (CF 2) q (1≤q≤10), C (CH 3) 2, C (CF 3) 2, CO- NH, C (CH 3) (CF 3), or a substituted or unsubstituted phenylene ring, x, y is 0.1≤x≤0.9, 0.1≤y≤ a molar fraction within each repeating unit 0.9, x + y = 1)

상기 화학식 1에서 Ar1은 하기 식으로 표시되는 것 중에서 선택되는 어느 하나의 것을 특징으로 한다.In the above formula (1), Ar 1 is any one selected from the following formulas.

Figure 112016019096499-pat00002
Figure 112016019096499-pat00002

상기 식에서 X1, X2, X3 및 X4는 동일하거나 서로 상이하며, 각각 독립적으로 O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤p≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2, 또는 CO-NH이고, W1 및 W2는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 O, S, 또는 CO이고, Z1은 O, S, CR1R2 또는 NR3이고, 여기서 R1, R2 및 R3는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 5의 알킬기이고, Z2 및 Z3는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 N 또는 CR4(R4는 수소 또는 탄소수 1 내지 5의 알킬기)이나 동시에 CR4는 아니다.Wherein X 1 , X 2 , X 3 and X 4 are the same or different and each independently represents O, S, CO, SO 2 , Si (CH 3 ) 2 , (CH 2 ) p ), (CF 2) q ( 1≤q≤10), C (CH 3) 2, C (CF 3) 2, or a CO-NH, W 1 and W 2 are the same or different, and independently O , S, or CO and Z 1 is O, S, CR 1 R 2 or NR 3 wherein R 1 , R 2 and R 3 are the same or different and each independently is hydrogen or an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms , Z 2 and Z 3 are the same or different and are each independently N or CR 4 (R 4 is hydrogen or an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms) or is not CR 4 at the same time.

상기 Ar1은 하기 식으로 표시되는 것 중에서 선택되는 어느 하나의 것을 특징으로 한다.And Ar &lt; 1 &gt; is any one selected from the following formulas.

Figure 112016019096499-pat00003
Figure 112016019096499-pat00003

Figure 112016019096499-pat00004
Figure 112016019096499-pat00004

상기 화학식 1에서 Ar2는 하기 식으로 표시되는 것 중에서 선택되는 어느 하나의 것을 특징으로 한다.In the formula (1), Ar 2 is any one selected from the following formulas.

Figure 112016019096499-pat00005
Figure 112016019096499-pat00005

상기 식에서 X1, X2, X3 및 X4는 동일하거나 서로 상이하며, 각각 독립적으로 O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1=p=10), (CF2)q (1=q=10), C(CH3)2, C(CF3)2, 또는 CO-NH이고, W1 및 W2는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 O, S, 또는 CO이고, Z1은 O, S, CR1R2 또는 NR3이고, 여기서 R1, R2 및 R3는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 5의 알킬기이고, Z2 및 Z3는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 N 또는 CR4(R4는 수소 또는 탄소수 1 내지 5의 알킬기)이나 동시에 CR4는 아니다.Wherein X 1, X 2, X 3 and X 4 are the same or different, each independently represent O, S, CO, SO 2 , Si (CH 3) 2, (CH 2) p (1 = p = 10 ), (CF 2) q ( 1 = q = 10), C (CH 3) 2, C (CF 3) 2, or a CO-NH, W 1 and W 2 are the same or different, and independently O , S, or CO and Z 1 is O, S, CR 1 R 2 or NR 3 wherein R 1 , R 2 and R 3 are the same or different and each independently is hydrogen or an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms , Z 2 and Z 3 are the same or different and are each independently N or CR 4 (R 4 is hydrogen or an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms) or is not CR 4 at the same time.

상기 Ar2는 하기 식으로 표시되는 것 중에서 선택되는 어느 하나의 것을 특징으로 한다.And Ar &lt; 2 &gt; is any one selected from the following formulas.

Figure 112016019096499-pat00006
Figure 112016019096499-pat00006

Figure 112016019096499-pat00007
Figure 112016019096499-pat00007

Figure 112016019096499-pat00008
Figure 112016019096499-pat00008

상기 다공성 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 지지체는 전기방사막 또는 중공사막인 것을 특징으로 한다.The porous thermally-converting poly (benzoxazole-imide) copolymer support is characterized by being an electrospray membrane or a hollow fiber membrane.

상기 전기방사막은 그 두께가 10~80㎛, 기공률이 60~80%인 것을 특징으로 한다.The thickness of the electrodisplacive film is 10 to 80 탆 and the porosity is 60 to 80%.

또한, 본 발명은 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 갖는 다공성 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 지지체; 및 상기 다공성 지지체 위에 형성된 박막의 활성층;을 포함하는 압력지연삼투공정용 초박형 복합막을 제공한다.The present invention also relates to a porous heat-converted poly (benzoxazole-imide) copolymer support having a repeating unit represented by the above formula (1); And an active layer of a thin film formed on the porous support. The present invention also provides an ultra thin composite membrane for a pressure delayed osmosis process.

상기 박막의 활성층은 하기 화학식 2로 표시되는 반복단위를 갖는, 가교구조의 방향족 폴리아미드인 것을 특징으로 한다.Wherein the active layer of the thin film is an aromatic polyamide having a crosslinked structure having a repeating unit represented by the following formula (2).

<화학식 2>(2)

Figure 112016019096499-pat00009
Figure 112016019096499-pat00009

상기 박막의 활성층은 그 두께가 50~300nm인 것을 특징으로 한다.The active layer of the thin film has a thickness of 50 to 300 nm.

또한, 본 발명은 I) 산이무수물, 오르쏘-히드록시 디아민 및 방향족 디아민을 반응시켜 폴리아믹산 용액을 얻은 후, 공비 열 이미드화법에 의하여 히드록시기 함유 폴리이미드-폴리이미드 공중합체를 합성하는 단계;The present invention also provides a process for preparing a polyimide-polyimide copolymer, which comprises: (I) synthesizing a hydroxy group-containing polyimide-polyimide copolymer by reacting an acid dianhydride, ortho-hydroxy diamine and an aromatic diamine to obtain a polyamic acid solution, followed by azeotropic thermal imidization;

II) 상기 I) 단계의 히드록시기 함유 폴리이미드-폴리이미드 공중합체를 유기용매에 녹인 고분자용액을 통상의 전기방사법 또는 비용매 유도 상분리법에 의하여 제막하는 단계; 및II) forming a polymer solution obtained by dissolving the hydroxyl group-containing polyimide-polyimide copolymer of step I) in an organic solvent by a conventional electrospinning or non-solvent-induced phase separation; And

III) 상기 II) 단계에서 얻은 막을 열전환 하는 단계;를 포함하는 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 갖는, 압력지연삼투공정용 다공성 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 지지체의 제조방법을 제공한다.III) preparing a porous thermally-converting poly (benzoxazole-imide) copolymer support for a pressure-delayed osmosis process having a repeating unit represented by the above-mentioned formula (1) &Lt; / RTI &gt;

상기 I) 단계의 오르쏘-히드록시 디아민은 하기 화학식 3으로 표시되는 것을 특징으로 한다.The ortho-hydroxydiamine of the step I) is characterized by being represented by the following general formula (3).

<화학식 3>(3)

Figure 112016019096499-pat00010
Figure 112016019096499-pat00010

(상기 화학식 3에서 Q는 상기 화학식 1에서 정의한 바와 같다)(Wherein Q in the above formula (3) is the same as defined in the above formula (1)

상기 I) 단계의 공비 열 이미드화법은 폴리아믹산 용액에 톨루엔 또는 자일렌을 첨가하고 교반하여 160~200℃에서 6~24시간 동안 이미드화 반응을 수행하는 것을 특징으로 한다.In the azeotropic thermal imidation of the step I), toluene or xylene is added to the polyamic acid solution, and the mixture is stirred to perform imidization reaction at 160 to 200 ° C for 6 to 24 hours.

상기 III) 단계의 열전환은 고순도의 불활성 가스 분위기에서 1~20℃/min의 승온 속도로 300~400℃까지 승온한 후 1~2시간 동안 등온 상태를 유지함으로써 수행되는 것을 특징으로 한다.The heat conversion in step III) is performed by raising the temperature to 300 to 400 ° C at a rate of 1 to 20 ° C / min in an inert gas atmosphere of high purity, and then maintaining the isothermal state for 1 to 2 hours.

또한, 본 발명은 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 갖는 다공성 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 지지체 위에 상기 화학식 2로 표시되는 반복단위를 갖는 가교구조의 방향족 폴리아미드 박막의 활성층을 형성하는 단계;를 포함하는 압력지연삼투공정용 초박형 복합막의 제조방법을 제공한다.The present invention also provides an aromatic polyamide thin film having a crosslinked structure having a repeating unit represented by the above formula (2) on a porous thermally-converting poly (benzoxazole-imide) copolymer support having a repeating unit represented by the above formula The method comprising the steps of: (a) forming a pressure-reduced osmosis membrane;

상기 가교구조의 방향족 폴리아미드 박막의 활성층은 메타-페닐렌디아민과 트리메조일클로라이드의 계면중합반응에 의하여 형성되는 것을 특징으로 한다.The active layer of the aromatic polyamide thin film having the crosslinked structure is characterized in that it is formed by the interfacial polymerization reaction of meta-phenylenediamine and trimethoyl chloride.

상기 초박형 복합막을 차아염소산나트륨 수용액으로 후처리 하는 단계;를 더욱 포함하는 것을 특징으로 한다.Treating the ultra-thin composite membrane with an aqueous sodium hypochlorite solution.

또한, 본 발명은 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 갖는 다공성 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 지지체; 및 상기 다공성 지지체 위에 형성된 박막의 활성층;을 포함하는 정삼투공정용 초박형 복합막을 제공한다.
The present invention also relates to a porous heat-converted poly (benzoxazole-imide) copolymer support having a repeating unit represented by the above formula (1); And an active layer of a thin film formed on the porous support. The present invention also provides an ultra thin composite membrane for a positive osmosis process.

본 발명에 따라 제조된 얇고 기공률이 높은 다공성 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 지지체, 이를 포함하는 초박형 복합막은 열적·화학적 안정성 및 기계적 물성이 우수하여 높은 작동압력에도 견딜 수 있을 뿐만 아니라, 내부농도분극을 최소화하여 높은 수투과도 및 그에 따른 높은 전력밀도를 얻을 수 있으므로 압력지연삼투공정 또는 정삼투공정에 응용할 수 있다.
The thin, porous, heat-converted poly (benzoxazole-imide) copolymer support prepared according to the present invention and the ultra-thin composite membrane comprising the same have excellent thermal and chemical stability and mechanical properties, But it can be applied to a pressure delay osmosis process or a positive osmosis process since the internal concentration polarization can be minimized to obtain a high water permeability and accordingly a high power density.

도 1은 실시예 1 내지 9에 따른 다공성 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 지지체(전기방사막)의 제조공정 및 주사전자현미경(SEM) 이미지.
도 2는 실시예 1 내지 9에 따라 제조된 다공성 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 지지체의 ATR-IR 스펙트럼.
도 3은 실시예 1에 따라 제조된 다공성 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 지지체(a) 및 실시예 11에 따라 제조된 초박형 복합막(b)의 ATR-IR 스펙트럼.
도 4는 실시예 1에 따라 제조된 다공성 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 지지체의 열전환 조건에 따른 열중량 감소 특성을 나타낸 열중량분석(TGA) 그래프.
도 5는 실시예 1에 따라 제조된 다공성 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 지지체의 유기용매에 대한 안정성을 관찰한 사진.
도 6은 종래 폴리술폰계 비대칭 복합막(a)과 본 발명의 실시예 10에 따라 제조된 초박형 복합막(b)의 주사전자현미경(SEM) 이미지.
도 7은 실시예 10에 따라 제조된 초박형 복합막의 후처리(500ppm NaOCl, 1000ppm NaOCl) 전후 수투과도 및 염배제율을 나타낸 그래프[공급용액 : 2000ppm NaCl(20℃)].
도 8은 본 발명의 일 구현예에 따른 압력지연삼투공정용 초박형 복합막의 수투과량 및 전력밀도를 나타낸 그래프[유도용액 : 1M NaCl(20℃), 공급용액 : 탈이온수(20℃)].
1 is a process and a scanning electron microscope (SEM) image of a porous thermally-converting poly (benzoxazole-imide) copolymer support (electrospray membrane) according to Examples 1 to 9;
Figure 2 is an ATR-IR spectrum of a porous heat-converted poly (benzoxazole-imide) copolymer support prepared according to Examples 1-9.
3 is an ATR-IR spectrum of a porous thermally-converting poly (benzoxazole-imide) copolymer support (a) prepared according to Example 1 and an ultra-thin composite membrane (b) prepared according to Example 11.
4 is a thermogravimetric analysis (TGA) graph showing the thermogravimetric reduction characteristics of the porous heat-converted poly (benzoxazole-imide) copolymer support prepared according to Example 1 according to the thermal conversion conditions.
5 is a photograph showing the stability of the porous heat-converted poly (benzoxazole-imide) copolymer support prepared according to Example 1 to an organic solvent.
6 is a scanning electron microscope (SEM) image of a conventional polysulfone-based asymmetric composite membrane (a) and an ultrathin composite membrane (b) prepared according to Example 10 of the present invention.
FIG. 7 is a graph showing the water permeability before and after the treatment (500 ppm NaOCl, 1000 ppm NaOCl) and the salt rejection rate of the ultra-thin composite membrane prepared according to Example 10 [feed solution: 2000 ppm NaCl (20 ° C)].
8 is a graph showing the water permeation amount and power density of an ultra-thin composite membrane for a pressure-delayed osmosis process according to an embodiment of the present invention (inductive solution: 1M NaCl (20 ° C), feed solution: deionized water (20 ° C)].

본 발명에서는 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 갖는, 압력지연삼투공정용 다공성 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 지지체를 제공한다.In the present invention, there is provided a porous heat-converted poly (benzoxazole-imide) copolymer support for a pressure-delayed osmosis process having a repeating unit represented by the following formula (1).

<화학식 1>&Lt; Formula 1 >

Figure 112018046916807-pat00052
Figure 112018046916807-pat00052

(상기 화학식 1에서, Ar1은 치환 또는 비치환된 4가의 탄소수 6 내지 24의 아릴렌기 및 치환 또는 비치환된 4가의 탄소수 4 내지 24의 복소환기에서 선택되는 방향족 고리기이고, 상기 방향족 고리기는 단독으로 존재하거나; 2개 이상이 서로 축합 고리를 형성하거나; 2개 이상이 단일결합, O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤P≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2 또는 CO-NH로 연결되어 있고,(Wherein Ar 1 is an aromatic ring group selected from a substituted or unsubstituted quadrivalent arylene group having 6 to 24 carbon atoms and a substituted or unsubstituted quadrivalent heterocyclic group having 4 to 24 carbon atoms, O, S, CO, SO 2 , Si (CH 3 ) 2 , (CH 2 ) p (1 ≦ P10 ), or two or more of them form a condensed ring; ), (CF 2 ) q ( 1 ? Q ? 10), C (CH 3 ) 2 , C (CF 3 ) 2 or CO-

Ar2는 치환 또는 비치환된 2가의 탄소수 6 내지 24의 아릴렌기 및 치환 또는 비치환된 2가의 탄소수 4 내지 24의 복소환기에서 선택되는 방향족 고리기이고, 상기 방향족 고리기는 단독으로 존재하거나; 2개 이상이 서로 축합 고리를 형성하거나; 2개 이상이 단일결합, O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤P≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2 또는 CO-NH로 연결되어 있으며,Ar 2 is an aromatic ring group selected from a substituted or unsubstituted divalent arylene group having 6 to 24 carbon atoms and a substituted or unsubstituted divalent heterocyclic group having 4 to 24 carbon atoms and the aromatic ring group is present alone; Two or more of them form a condensed ring with each other; Two or more single bond, O, S, CO, SO 2, Si (CH 3) 2, (CH 2) p (1≤P≤10), (CF 2) q (1≤q≤10), C (CH 3) 2, C ( CF 3) is connected to 2 or CO-NH,

Q는 단일결합이거나; O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤P≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2, CO-NH, C(CH3)(CF3), 또는 치환 또는 비치환된 페닐렌기이고, x, y는 각각 반복단위 내 몰분율로서 0.1≤x≤0.9, 0.1≤y≤0.9, x+y=1 이다)Q is a single bond; O, S, CO, SO 2 , Si (CH 3) 2, (CH 2) p (1≤P≤10), (CF 2) q (1≤q≤10), C (CH 3) 2, C (CF 3) 2, CO- NH, C (CH 3) (CF 3), or a substituted or unsubstituted phenylene ring, x, y is 0.1≤x≤0.9, 0.1≤y≤ a molar fraction within each repeating unit 0.9, x + y = 1)

상기 화학식 1에서 Ar1은 하기 식으로 표시되는 것 중에서 선택되는 어느 하나의 것일 수 있다.In Formula 1, Ar 1 may be any one selected from the following formulas.

Figure 112016019096499-pat00012
Figure 112016019096499-pat00012

상기 식에서 X1, X2, X3 및 X4는 동일하거나 서로 상이하며, 각각 독립적으로 O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤p≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2, 또는 CO-NH이고, W1 및 W2는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 O, S, 또는 CO이고, Z1은 O, S, CR1R2 또는 NR3이고, 여기서 R1, R2 및 R3는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 5의 알킬기이고, Z2 및 Z3는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 N 또는 CR4(R4는 수소 또는 탄소수 1 내지 5의 알킬기)이나 동시에 CR4는 아니다.Wherein X 1 , X 2 , X 3 and X 4 are the same or different and each independently represents O, S, CO, SO 2 , Si (CH 3 ) 2 , (CH 2 ) p ), (CF 2) q ( 1≤q≤10), C (CH 3) 2, C (CF 3) 2, or a CO-NH, W 1 and W 2 are the same or different, and independently O , S, or CO and Z 1 is O, S, CR 1 R 2 or NR 3 wherein R 1 , R 2 and R 3 are the same or different and each independently is hydrogen or an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms , Z 2 and Z 3 are the same or different and are each independently N or CR 4 (R 4 is hydrogen or an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms) or is not CR 4 at the same time.

또한, 상기 Ar1의 구체적인 예로는 하기 구조식으로 표시되는 것을 바람직하게 들 수 있다.Specific examples of the above-mentioned Ar 1 are preferably those represented by the following structural formulas.

Figure 112016019096499-pat00013
Figure 112016019096499-pat00013

Figure 112016019096499-pat00014
Figure 112016019096499-pat00014

또한, 상기 화학식 1에서 Ar2는 하기 식으로 표시되는 것 중에서 선택되는 어느 하나의 것일 수 있다.In Formula 1, Ar 2 may be any one selected from the following formulas.

Figure 112016019096499-pat00015
Figure 112016019096499-pat00015

상기 식에서 X1, X2, X3 및 X4는 동일하거나 서로 상이하며, 각각 독립적으로 O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤p≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2, 또는 CO-NH이고, W1 및 W2는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 O, S, 또는 CO이고, Z1은 O, S, CR1R2 또는 NR3이고, 여기서 R1, R2 및 R3는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 5의 알킬기이고, Z2 및 Z3는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 N 또는 CR4(R4는 수소 또는 탄소수 1 내지 5의 알킬기)이나 동시에 CR4는 아니다.Wherein X 1 , X 2 , X 3 and X 4 are the same or different and each independently represents O, S, CO, SO 2 , Si (CH 3 ) 2 , (CH 2 ) p ), (CF 2) q ( 1≤q≤10), C (CH 3) 2, C (CF 3) 2, or a CO-NH, W 1 and W 2 are the same or different, and independently O , S, or CO and Z 1 is O, S, CR 1 R 2 or NR 3 wherein R 1 , R 2 and R 3 are the same or different and each independently is hydrogen or an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms , Z 2 and Z 3 are the same or different and are each independently N or CR 4 (R 4 is hydrogen or an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms) or is not CR 4 at the same time.

또한, 상기 Ar2의 구체적인 예로는 하기 구조식으로 표시되는 것을 바람직하게 들 수 있다.Specific examples of the above-mentioned Ar 2 are preferably those represented by the following structural formulas.

Figure 112016019096499-pat00016
Figure 112016019096499-pat00016

Figure 112016019096499-pat00017
Figure 112016019096499-pat00017

Figure 112016019096499-pat00018
Figure 112016019096499-pat00018

또한, 상기 다공성 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 지지체는 평막 형태의 전기방사막 또는 중공사막인 것이 바람직하다. 일반적으로 전기방사막은 전기방사법(electrospinning)에 의하여 수백 나노 크기의 섬유들을 bottom-up 방식으로 쌓아 얇은 두께 및 연결된 기공 구조(interconnected pore structure)로 높은 기공률을 갖는 다공성 지지체로 제막이 가능하다. 따라서 본 발명에서는 상기 다공성 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 지지체가 평막 형태의 전기방사막인 경우, 그 두께가 10~80㎛, 기공률이 60~80%인 것을 바람직하게 사용할 수 있다.The porous thermally-converting poly (benzoxazole-imide) copolymer support is preferably an electrospray membrane or a hollow fiber membrane in the form of a flat membrane. Generally, electrospinning can deposit hundreds of nano-sized fibers in a bottom-up manner by electrospinning to form a porous support with a thin thickness and interconnected pore structure with high porosity. Therefore, in the present invention, when the porous thermally-converting poly (benzoxazole-imide) copolymer support is an electrospun film in the form of a flat membrane, it preferably has a thickness of 10 to 80 μm and a porosity of 60 to 80% have.

종래 수처리용 분리막으로 응용되는 초박형 복합막의 폴리술폰계 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트계 다공성 지지체는 그 두께가 100~200㎛로 두껍기 때문에, 에너지 생산을 위한 압력지연삼투공정용 또는 물 생산을 위한 정삼투공정용 분리막으로 사용할 때, 내부농도분극(internal concentration polarization)이 두꺼운 다공성 지지체 내부에서 발생하여 수투과의 구동력인 농도 차이가 감소하므로, 결과적으로 수투과도가 떨어지고 그에 따라 전력밀도가 낮아지는 문제점이 있었다.Since the polysulfone-based or polyethylene terephthalate-based porous support of the ultra-thin composite membrane used as a conventional water treatment membrane is thick with a thickness of 100 to 200 탆, it can be used for a pressure delayed osmosis process for energy production or a cleansing process When used as a separator, internal concentration polarization is generated inside a thick porous support, and the concentration difference, which is the driving force of water permeability, is reduced. As a result, water permeability is lowered and power density is lowered accordingly.

그러므로 본 발명에서는 평막 형태의 전기방사막으로 얻어지는 다공성 지지체의 두께가 10~80㎛로 매우 얇고, 더불어 기공률이 60~80%로 매우 높은 것을 사용함으로써, 내부농도분극을 최소화하여 높은 수투과도 및 그에 따른 높은 전력밀도를 얻을 수 있어 압력지연삼투공정 또는 정삼투공정에 응용할 수 있는 것이다.Therefore, according to the present invention, the thickness of the porous support obtained from the flat membrane-type electrospray membrane is as thin as 10 to 80 탆, and the porosity is as high as 60 to 80%, thereby minimizing internal concentration polarization, And thus it can be applied to the pressure delay osmosis process or the positive osmosis process.

상기 평막 형태의 전기방사막으로 얻어지는 다공성 지지체의 두께가 10㎛ 미만이면 지지체의 두께가 너무 얇아 기계적 물성이 저하될 수 있고, 그 두께가 80㎛를 초과하면 지지체 내부에서 농도분극이 발생할 수 있다. 아울러 다공성 지지체의 기공률이 60% 미만이면 수투과도가 떨어질 수 있고, 기공률이 80%를 초과하는 것은 제막이 원활하지 않다.
If the thickness of the porous support obtained from the flat membrane-type electrospacer membrane is less than 10 탆, the thickness of the support may be too thin, which may degrade mechanical properties. If the thickness exceeds 80 탆, concentration polarization may occur within the support. If the porosity of the porous support is less than 60%, the water permeability may be lowered. If the porosity exceeds 80%, the film formation is not smooth.

또한, 본 발명은 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 갖는 다공성 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 지지체; 및 상기 다공성 지지체 위에 형성된 박막의 활성층;을 포함하는 압력지연삼투공정용 초박형 복합막을 제공한다.The present invention also relates to a porous heat-converted poly (benzoxazole-imide) copolymer support having a repeating unit represented by the above formula (1); And an active layer of a thin film formed on the porous support. The present invention also provides an ultra thin composite membrane for a pressure delayed osmosis process.

이때, 상기 다공성 지지체 위에 형성되는 박막의 활성층은 하기 화학식 2로 표시되는 반복단위를 갖는, 가교구조의 방향족 폴리아미드일 수 있다.At this time, the active layer of the thin film formed on the porous support may be a crosslinked aromatic polyamide having a repeating unit represented by the following formula (2).

<화학식 2>(2)

Figure 112016019096499-pat00019
Figure 112016019096499-pat00019

또한, 상기 박막의 활성층은 그 두께가 50~300nm인 것이 바람직한바, 활성층의 두께가 50nm 미만이면 압력지연삼투공정에 응용할 때 높은 작동압력에 견디기 어렵고, 그 두께가 300nm를 초과하면 수투과에 대한 저항성에 문제가 생길 수 있다.
The active layer of the thin film preferably has a thickness of 50 to 300 nm. When the thickness of the active layer is less than 50 nm, it is difficult to withstand a high operating pressure when applied to a pressure delay osmosis process. If the thickness exceeds 300 nm, There is a problem in resistance.

또한, 상기 화학식 1로 표시되는 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체의 구조는, 산이무수물과 디아민을 반응시켜 얻은 폴리아믹산을 이미드화 시킴으로써 제조되는 폴리이미드의 합성을 기본으로 한다. 또한, 열전환 폴리벤즈옥사졸은 방향족 이미드 연결고리의 오르쏘-위치에 있는 히드록시기와 같은 작용기가 이미드 고리의 카르보닐기를 공격하여 카르복시-벤즈옥사졸 구조의 중간체를 형성한 후, 이어지는 열처리에 의하여 탈카르복시화(decarboxylation)함으로써 합성되는 것인바, 본 발명에서는 하기와 같은 단계를 포함하여 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 갖는, 압력지연삼투공정용 다공성 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 지지체를 제조한다.The structure of the poly (benzoxazole-imide) copolymer represented by the above formula (1) is based on the synthesis of a polyimide prepared by imidizing a polyamic acid obtained by reacting an acid dianhydride with a diamine. In addition, the thermally-modified polybenzoxazole can be prepared by a method in which a functional group such as a hydroxyl group in the ortho-position of the aromatic imido linkage attacks an imine ring carbonyl group to form an intermediate of the carboxy- benzoxazole structure, In the present invention, the porous heat-converted poly (benzoxazol-imide) for pressure-sensitive delayed osmosis process having the repeating unit represented by the above-mentioned formula (1), including the following steps, is synthesized by decarboxylation ) Copolymer &lt; / RTI &gt; support.

즉, 본 발명에서는 I) 산이무수물, 오르쏘-히드록시 디아민 및 방향족 디아민을 반응시켜 폴리아믹산 용액을 얻은 후, 공비 열 이미드화법에 의하여 히드록시기 함유 폴리이미드-폴리이미드 공중합체를 합성하는 단계;That is, in the present invention, a process for preparing a polyamic acid solution by reacting an acid dianhydride, an ortho-hydroxydiamine and an aromatic diamine, followed by synthesis of a hydroxy group-containing polyimide-polyimide copolymer by an azeotropic thermal imidization process;

II) 상기 I) 단계의 히드록시기 함유 폴리이미드-폴리이미드 공중합체를 유기용매에 녹인 고분자용액을 통상의 전기방사법 또는 비용매 유도 상분리법에 의하여 제막하는 단계; 및II) forming a polymer solution obtained by dissolving the hydroxyl group-containing polyimide-polyimide copolymer of step I) in an organic solvent by a conventional electrospinning or non-solvent-induced phase separation; And

III) 상기 II) 단계에서 얻은 막을 열전환 하는 단계;를 포함하는 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 갖는, 압력지연삼투공정용 다공성 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 지지체의 제조방법을 제공한다. III) preparing a porous thermally-converting poly (benzoxazole-imide) copolymer support for a pressure-delayed osmosis process having a repeating unit represented by the above-mentioned formula (1) &Lt; / RTI &gt;

통상 폴리이미드를 합성하기 위해서는 먼저 산이무수물과 디아민을 반응시켜 폴리아믹산을 얻어야 하는바, 본 발명에서도 산이무수물로서 하기 화학식으로 표시되는 화합물을 사용한다.Generally, in order to synthesize polyimide, a polyamic acid is to be obtained by first reacting an acid dianhydride with a diamine. In the present invention, a compound represented by the following formula is used as an acid anhydride.

<화학식>&Lt;

Figure 112016019096499-pat00020
Figure 112016019096499-pat00020

(상기 화학식에서 Ar1은 상기 화학식 1에서 정의한 바와 같다)(Ar 1 in the formula is as defined in formula (I))

폴리이미드를 합성하기 위한 단량체로서 산이무수물은 상기 화학식에서 정의한 바와 같은 것이라면 어느 것이든지 제한 없이 사용할 수 있으나, 합성되는 폴리이미드의 열적·화학적 특성을 더욱 향상시킬 수 있는 점을 고려하여 불소기를 갖고 있는 4,4'-헥사플루오로이소프로필리덴프탈산이무수물(6FDA), 또는 4,4'-옥시디프탈산이무수물(ODPA)을 사용하는 것이 바람직하다.As the monomer for synthesizing the polyimide, any of the acid dianhydrides may be used without limitation as long as they are as defined in the above formula. However, considering the fact that the thermal and chemical properties of the polyimide synthesized can be further improved, 4,4'-hexafluoroisopropylidene phthalic acid dianhydride (6FDA), or 4,4'-oxydiphthalic acid dianhydride (ODPA) is preferably used.

또한, 본 발명에서는 궁극적으로 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 구조를 갖는 것이므로, 오르쏘-히드록시 폴리이미드를 열전환하여 폴리벤즈옥사졸 단위를 도입할 수 있음에 착안하여 오르쏘-히드록시 폴리이미드를 합성하고자 오르쏘-히드록시 디아민으로서는 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물을 사용한다.In addition, since the present invention ultimately has a poly (benzoxazole-imide) copolymer structure, attention has been paid to the fact that polybenzoxazole units can be introduced by thermal conversion of ortho-hydroxypolyimide, As the ortho-hydroxydiamine, a compound represented by the following formula (3) is used to synthesize hydroxypolyimide.

<화학식 3>(3)

Figure 112016019096499-pat00021
Figure 112016019096499-pat00021

(상기 화학식 3에서 Q는 상기 화학식 1에서 정의한 바와 같다)(Wherein Q in the above formula (3) is the same as defined in the above formula (1)

오르쏘-히드록시 디아민으로서는 상기 화학식 3에서 정의한 바와 같은 것이라면 어느 것이든지 제한 없이 사용할 수 있으나, 합성되는 폴리이미드의 열적·화학적 특성을 더욱 향상시킬 수 있는 점을 고려하여 불소기를 갖고 있는 2,2-비스(3-아미노-4-히드록시페닐)헥사플루오로프로판(APAF), 또는 3,3'-디아미노-4,4'-디히드록시바이페닐(HAB)을 사용하는 것이 더욱 바람직하다.As the ortho-hydroxydiamine, there can be used any one as long as it is as defined in the above formula (3). However, considering the fact that the thermal and chemical properties of the polyimide to be synthesized can be further improved, 2,2 (3-amino-4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane (APAF) or 3,3'-diamino-4,4'-dihydroxybiphenyl (HAB) .

또한, 본 발명에서는 공단량체로서 하기 화학식 4로 표시되는 방향족 디아민을 사용하여 상기 화학식의 산이무수물 및 화학식 3의 오르쏘-히드록시 디아민과 함께 반응시킴으로써 히드록시기 함유 폴리이미드-폴리이미드 공중합체를 합성할 수 있다.In the present invention, a hydroxy group-containing polyimide-polyimide copolymer is synthesized by reacting an acid anhydride of the above formula and an ortho-hydroxy diamine of the formula (3) using an aromatic diamine represented by the following formula (4) as a comonomer .

<화학식 4>&Lt; Formula 4 >

Figure 112016019096499-pat00022
Figure 112016019096499-pat00022

(상기 화학식 4에서 Ar2는 상기 화학식 1에서 정의한 바와 같다)(Ar 2 in the formula (4) is the same as defined in the formula (1)

방향족 디아민으로서는 상기 화학식 4에서 정의한 바와 같은 것이라면 어느 것이든지 제한 없이 사용할 수 있으나, 4,4'-옥시디아닐린(ODA) 또는 2,4,6-트리메틸페닐렌디아민(DAM)을 더욱 바람직하게 사용할 수 있다.As the aromatic diamine, any of the aromatic diamines may be used as long as they are as defined in the above formula (4), but 4,4'-oxydianiline (ODA) or 2,4,6-trimethylphenylenediamine (DAM) .

즉, 상기 I) 단계에서는 상기 화학식의 산이무수물, 화학식 3의 오르쏘-히드록시 다아민 및 화학식 4의 방향족 디아민을 N-메틸피롤리돈(NMP)과 같은 유기용매에 용해 및 교반하여 폴리아믹산 용액을 얻은 후, 공비 열 이미드화법(azeotropic thermal imidization)에 의하여 하기 일반식 1로 표시되는 히드록시기 함유 폴리이미드-폴리이미드 공중합체를 합성한다.That is, in step I), the acid dianhydride of the above formula, the ortho-hydroxydaramine of formula (III) and the aromatic diamine of formula (IV) are dissolved in an organic solvent such as N-methylpyrrolidone (NMP) After the solution is obtained, the hydroxy group-containing polyimide-polyimide copolymer represented by the following general formula (1) is synthesized by azeotropic thermal imidization.

<일반식 1>&Lt; General Formula 1 &

Figure 112016019096499-pat00023
Figure 112016019096499-pat00023

(상기 일반식 1에서 Ar1, Ar2, Q, x 및 y는 상기 화학식 1에서 정의된 바와 같다)(Ar 1 , Ar 2 , Q, x and y in the general formula (1) are the same as defined in the general formula (1)

이때, 공비 열 이미드화법은 폴리아믹산 용액에 톨루엔 또는 자일렌을 첨가하고 교반하여 160~200℃에서 6~24시간 동안 이미드화 반응을 수행하게 되는데, 이 동안에 이미드 고리가 생성되면서 방출된 물은 톨루엔 또는 자일렌의 공비혼합물로서 분리된다.At this time, in the azeotropic thermal imidization method, toluene or xylene is added to the polyamic acid solution, and the imidization reaction is carried out at 160 to 200 ° C for 6 to 24 hours. During this period, the imide ring is generated and water Is separated as an azeotropic mixture of toluene or xylene.

다음으로, 상기 일반식 1로 표시되는 상기 I) 단계의 히드록시기 함유 폴리이미드-폴리이미드 공중합체를 N-메틸피롤리돈(NMP)과 같은 유기용매에 녹인 고분자용액을 통상의 전기방사법(electrospinning) 또는 비용매 유도 상분리법(nonsolvent induced phase separation)에 의하여 제막함으로써 지지체로서 평막 형태의 전기방사막 또는 중공사막을 얻는다.Next, a polymer solution obtained by dissolving the hydroxy group-containing polyimide-polyimide copolymer of the step I) represented by the general formula 1 in an organic solvent such as N-methylpyrrolidone (NMP) is subjected to ordinary electrospinning, Or by nonsolvent induced phase separation to obtain an electrospun film or a hollow fiber membrane in the form of a flat membrane as a support.

이어서, 상기 지지체로서 평막 형태의 히드록시기 함유 폴리이미드-폴리이미드 공중합체 전기방사막 또는 중공사막을 열전환 함으로써 목적물인 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 갖는, 압력지연삼투공정용 다공성 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 지지체를 제조한다. Next, the porous heat-converted poly (meth) acrylate polymer having a repeating unit represented by the above formula (1) as a target by thermally converting the hydroxyl group-containing polyimide-polyimide copolymer electrospray membrane or the hollow fiber membrane as the support, Benzoxazole-imide) copolymer support.

이때, 상기 열전환은 고순도의 불활성 가스 분위기에서 1~20℃/min의 승온 속도로 300~400℃까지 승온한 후 1~2시간 동안 등온 상태를 유지함으로써 수행된다.
At this time, the heat conversion is performed by raising the temperature to 300-400 DEG C at a rate of 1 to 20 DEG C / min in an inert gas atmosphere of high purity, and then maintaining the isothermal state for 1 to 2 hours.

또한, 본 발명에서는 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 갖는 다공성 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 지지체 위에 상기 화학식 2로 표시되는 반복단위를 갖는 가교구조의 방향족 폴리아미드 박막의 활성층을 형성하는 단계;를 포함하는 압력지연삼투공정용 초박형 복합막의 제조방법을 제공한다.Further, in the present invention, an aromatic polyamide thin film having a crosslinked structure having the repeating unit represented by the above formula (2) on a porous thermally-converting poly (benzoxazole-imide) copolymer support having the repeating unit represented by the above formula The method comprising the steps of: (a) forming a pressure-reduced osmosis membrane;

이때, 상기 가교구조의 방향족 폴리아미드 박막의 활성층은 하기 반응식 1에 따라 메타-페닐렌디아민(MPD)과 트리메조일클로라이드(TMC)의 계면중합반응에 의하여 형성되는 것이 바람직하다.At this time, it is preferable that the active layer of the aromatic polyamide thin film having the crosslinked structure is formed by interfacial polymerization of meta-phenylenediamine (MPD) and trimethoyl chloride (TMC) according to the following Reaction Scheme 1.

<반응식 1><Reaction Scheme 1>

Figure 112016019096499-pat00024
Figure 112016019096499-pat00024

또한, 상기 압력지연삼투공정용 초박형 복합막의 제조방법에 있어서, 상기 초박형 복합막을 차아염소산나트륨(NaOCl) 수용액으로 후처리 하는 단계;를 더욱 포함할 수도 있는바, 이러한 후처리 공정에 의하여 다공성 지지체 위에 부분적으로 가교된 구조의 폴리아미드 박막이 아래 반응식 2에 나타낸 바와 같이 폴리아미드의 분해가 일어난다.The method may further include post-treating the ultra-thin composite membrane with an aqueous solution of sodium hypochlorite (NaOCl) in the method of manufacturing the ultra-thin composite membrane for the pressure delayed osmosis process, A polyamide thin film having a partially crosslinked structure causes decomposition of polyamide as shown in the following reaction formula (2).

<반응식 2><Reaction Scheme 2>

Figure 112016019096499-pat00025
Figure 112016019096499-pat00025

한편, 압력지연삼투와 정삼투는 각각 에너지(전력)와 물 생산을 위한 공정으로 그 목적에 차이가 있으나, 삼투현상을 이용한다는 공통점이 있는바, 본 발명에 따르면, 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 갖는 다공성 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 지지체; 및 상기 다공성 지지체 위에 형성된 박막의 활성층;을 포함하는 정삼투공정용 초박형 복합막을 제공할 수도 있다. 이때, 상기 박막의 활성층은 상술한 화학식 2로 표시되는 반복단위를 갖는, 가교구조의 방향족 폴리아미드일 수 있으며, 그 두께도 상술한 바와 같이 50~300nm인 것이 바람직하다.Meanwhile, although the pressure delay osmosis and positive osmosis are processes for producing energy (electric power) and water, respectively, there is a difference in the purpose thereof, but there is a common point that osmosis phenomenon is used. According to the present invention, Porous thermally-exchangeable poly (benzoxazole-imide) copolymer supports having units; And an active layer of a thin film formed on the porous support. The present invention also provides an ultra thin composite membrane for a positive osmosis process. At this time, the active layer of the thin film may be a crosslinked aromatic polyamide having a repeating unit represented by the above-mentioned formula (2), and the thickness thereof is preferably 50 to 300 nm as described above.

이하에서는 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면과 함께 구체적으로 설명한다.
Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

[합성예 1] 히드록시기 함유 폴리이미드-폴리이미드 공중합체의 합성[Synthesis Example 1] Synthesis of hydroxy group-containing polyimide-polyimide copolymer

3,3'-디아미노-4,4'-디히드록시바이페닐(HAB) 5.0 mmol 및 4,4'-옥시디아닐린(ODA) 5.0 mmol을 무수 NMP 10ml에 용해시켜 0℃로 냉각하고, 여기에 무수 NMP 10ml에 용해시킨 4,4'-옥시디프탈산이무수물(ODPA) 10.0 mmol을 첨가하였다. 이 반응 혼합물을 0℃에서 15분 교반한 다음 상온으로 승온하여 밤새 방치한 후, 폴리아믹산 점성 용액을 얻었다. 이어서 폴리아믹산 용액에 오르쏘-자일렌 20ml를 첨가한 후 강력하게 교반 및 가열하여 180℃에서 6시간 이미드화를 수행하였다. 이 과정에서 이미드 고리의 생성에 의해 방출된 물은 자일렌 공비혼합물로서 분리되었다. 이렇게 얻어진 갈색 용액을 상온으로 냉각, 증류수에 침적, 온수로 수회 세척 및 120℃의 컨벡션 오븐에서 12시간 건조하는 일련의 과정을 거쳐 하기 화학식 5로 표시되는 히드록시기 함유 폴리이미드-폴리이미드 공중합체를 합성하였고, 이를 ODPA-HAB5-ODA5라 명명하였다.5.0 mmol of 3,3'-diamino-4,4'-dihydroxybiphenyl (HAB) and 5.0 mmol of 4,4'-oxydianiline (ODA) were dissolved in 10 ml of anhydrous NMP, 10.0 mmol of 4,4'-oxydiphthalic acid dianhydride (ODPA) dissolved in 10 ml of anhydrous NMP was added thereto. The reaction mixture was stirred at 0 占 폚 for 15 minutes, then allowed to warm to room temperature and allowed to stand overnight to obtain a polyamic acid viscous solution. Next, 20 ml of ortho-xylene was added to the polyamic acid solution, followed by vigorous stirring and heating to carry out imidization at 180 ° C for 6 hours. In this process, the water released by the formation of the imide ring was isolated as the xylene azeotropic mixture. The resulting brown solution was cooled to room temperature, immersed in distilled water, washed several times with hot water, and dried in a convection oven at 120 ° C. for 12 hours to obtain a hydroxy group-containing polyimide-polyimide copolymer represented by the following formula And named it ODPA-HAB 5 -ODA 5 .

<화학식 5>&Lt; Formula 5 >

Figure 112016019096499-pat00026

Figure 112016019096499-pat00026

상기 합성예 1로부터 화학식 5로 표시되는 히드록시기 함유 폴리이미드-폴리이미드 공중합체가 합성되었음을 다음과 같이 1H-NMR 및 FT-IR 데이터로 확인하였다. 1H-NMR(300 MHz, DMSO-d 6 , ppm): 10.41 (s, -OH), 8.10 (d, Har, J=8.0Hz), 7.92 (d, Har, J=8.0Hz), 7.85 (s, Har), 7.80 (s, Har), 7.71 (s, Har), 7.47 (s, Har), 7.20 (d, Har, J=8.3Hz), 7.04 (d, Har, J=8.3Hz). FT-IR (film) : ν(O-H) at 3400 cm-1, ν(C=O) at 1786 and 1705 cm-1, Ar (C-C) at 1619, 1519 cm-1, imide ν(C-N) at 1377 cm-1, imide (C-N-C) at 1102 and 720 cm-1.
It was confirmed by 1 H-NMR and FT-IR data that the hydroxy group-containing polyimide-polyimide copolymer of Synthesis Example 1 to 5 was synthesized as follows. 1 H-NMR (300 MHz, DMSO- d 6, ppm): 10.41 (s, -OH), 8.10 (d, H ar, J = 8.0Hz), 7.92 (d, H ar, J = 8.0Hz), 7.85 (s, H ar), 7.80 (s, H ar), 7.71 (s, H ar), 7.47 (s, H ar), 7.20 (d, H ar, J = 8.3Hz), 7.04 (d, H ar , J = 8.3 Hz). FT-IR (film): ν (OH) at 3400 cm -1 , ν (C═O) at 1786 and 1705 cm -1 , Ar (CC) at 1619, 1519 cm -1 , imide ν (CN) at 1377 cm -1 , imide (CNC) at 1102 and 720 cm -1 .

[합성예 2 내지 9] 히드록시기 함유 폴리이미드-폴리이미드 공중합체의 합성[Synthesis Examples 2 to 9] Synthesis of hydroxy group-containing polyimide-polyimide copolymer

합성예 1과 동일한 방법으로 히드록시기 함유 폴리이미드-폴리이미드 공중합체를 제조하되, 반응물로서 아래 표 1에 기재된 다양한 산이무수물, 오르쏘-히드록시디아민 및 방향족 디아민을 사용하였으며, 합성된 각 샘플은 합성예 1과 같은 방식으로 명명하였다.A polyimide-polyimide copolymer containing a hydroxy group was prepared in the same manner as in Synthesis Example 1, and various acid dianhydrides, ortho-hydroxydiamine and aromatic diamines shown in Table 1 below were used as reactants, Was named in the same manner as in Example 1.

합성예Synthetic example 샘플명Sample name 몰분율Mole fraction 합성예 2Synthesis Example 2 ODPA-HAB8-ODA2 ODPA-HAB 8 -ODA 2 x=0.8, y=0.2x = 0.8, y = 0.2 합성예 3Synthesis Example 3 6FDA-APAF8-ODA2 6FDA-APAF 8 -ODA 2 x=0.8, y=0.2x = 0.8, y = 0.2 합성예 4Synthesis Example 4 6FDA-APAF5-DAM5 6FDA-APAF 5 -DAM 5 x=0.5, y=0.5x = 0.5, y = 0.5 합성예 5Synthesis Example 5 6FDA-HAB5-ODA5 6FDA-HAB 5 -ODA 5 x=0.5, y=0.5x = 0.5, y = 0.5 합성예 6Synthesis Example 6 6FDA-HAB8-ODA2 6FDA-HAB 8 -ODA 2 x=0.8, y=0.2x = 0.8, y = 0.2 합성예 7Synthesis Example 7 6FDA-HAB5-DAM5 6FDA-HAB 5 -DAM 5 x=0.5, y=0.5x = 0.5, y = 0.5 합성예 8Synthesis Example 8 6FDA-APAF2-ODA8 6FDA-APAF 2 -ODA 8 x=0.2, y=0.8x = 0.2, y = 0.8 합성예 9Synthesis Example 9 6FDA-APAF5-ODA5 6FDA-APAF 5 -ODA 5 x=0.5, y=0.5x = 0.5, y = 0.5

6FDA(4,4'-헥사플루오로이소프로필리덴프탈산이무수물) 6FDA (4,4'-hexafluoroisopropylidene phthalic acid dianhydride)

APAF(2,2-비스(3-아미노-4-히드록시페닐)헥사플루오로프로판)APAF (2,2-bis (3-amino-4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane)

DAM(2,4,6-트리메틸페닐렌디아민)
DAM (2,4,6-trimethylphenylenediamine)

[[ 실시예Example 1]  One] 열전환Thermal Conversion 폴리Poly (( 벤즈옥사졸Benzoxazole -- 이미드Imide ) 공중합체 지지체() Copolymer support ( 전기방사막An electric room )의 제조)

합성예 1로부터 얻어진 ODPA-HAB5-ODA5를 디메틸아세트아미드(DMAc)에 녹여 10 중량%의 용액을 준비하였다. 23G 니들을 장착한 10 ml 실린지에 고분자 용액 6 ml를 충전한 후, 전기방사 장치(ES-robot, NanoNC, 한국)의 실린지 펌프에 장착하고 통상의 전기방사 조건에 따라 방사하여 전기방사막(HPI)을 얻었다. 상기 얻어진 전기방사막을 알루미나 판과 카본 천 사이에 넣고, 고순도의 아르곤 가스 분위기에서 3℃/min의 속도로 400℃까지 승온한 후, 400℃에서 2시간 동안 등온 상태를 유지하여 열전환 함으로써 하기 화학식 6으로 표시되는 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 전기방사막(PBO)을 제조하였다.ODPA-HAB 5 -ODA 5 obtained from Synthesis Example 1 was dissolved in dimethylacetamide (DMAc) to prepare a 10 wt% solution. 6 ml of the polymer solution was charged into a 10 ml syringe equipped with a 23 G needle and then mounted on a syringe pump of an electrospinning device (ES-robot, NanoNC, Korea) HPI). The obtained electrospun film was put between an alumina plate and a carbon cloth and heated to 400 DEG C at a rate of 3 DEG C / min in a high purity argon gas atmosphere. Thereafter, the isotropic state was maintained at 400 DEG C for 2 hours, (Benzoxazole - imide) copolymer electrospray membrane (PBO) represented by the formula (6) was prepared.

<화학식 6>(6)

Figure 112016019096499-pat00027

Figure 112016019096499-pat00027

[[ 실시예Example 2 내지 9]  2 to 9] 열전환Thermal Conversion 폴리Poly (( 벤즈옥사졸Benzoxazole -- 이미드Imide ) 공중합체 지지체() Copolymer support ( 전기방사막An electric room )의 제조)

합성예 2 내지 9로부터 얻어진 샘플을 사용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 전기방사막을 제조하였으며, 도 1에 나타낸 상기 실시예 1 내지 9에 따른 다공성 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 지지체(전기방사막)의 제조공정 및 주사전자현미경(SEM) 이미지로부터 나노섬유 형태의 다공성 전기방사막이 제조되었음을 알 수 있다.
Thermosetting poly (benzoxazole-imide) copolymer electrospun films were prepared in the same manner as in Example 1 using the samples obtained in Synthesis Examples 2 to 9, and the porosity It can be seen that a nanofiber porous electrodisplacive film was prepared from the manufacturing process of a thermally converted poly (benzoxazole-imide) copolymer support (electrospray membrane) and a scanning electron microscope (SEM) image.

[[ 실시예Example 10]  10] 열전환Thermal Conversion 폴리Poly (( 벤즈옥사졸Benzoxazole -- 이미드Imide ) 공중합체 지지체(중공사막)의 제조) Preparation of Copolymer Support (Hollow Fiber Membrane)

합성예 1에 따라 얻어진 ODPA-HAB5-ODA5 샘플로부터 중공사 형성을 위한 도프용액을 수득하고[도프용액의 조성 : ODPA-HAB5-ODA5 25 중량%, N-메틸피롤리돈(NMP)과 프로피온산(PA)의 혼합물(NMP : PA = 50:50 몰%) 65 중량%, 에틸렌글리콜 10 중량%], 상기 도프용액을 보어용액(물)과 함께 이중방사노즐로 공급 및 토출(에어 갭 : 5 cm)하여 통상의 비용매 유도 상전이법(nonsolvent induced phase separation, NIPS)에 따라 중공사막을 얻었다. 상기 얻어진 중공사막을 고순도의 아르곤 가스 분위기에서 10℃/min의 속도로 400℃까지 승온한 후, 400℃에서 2시간 동안 등온 상태를 유지함으로써 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 중공사막을 제조하였다.
A dope solution for the hollow fiber formation was obtained from the ODPA-HAB 5 -ODA 5 sample obtained according to Synthesis Example 1 (composition of the dope solution: 25% by weight of ODPA-HAB 5 -ODA 5 , N-methylpyrrolidone ) And propionic acid (PA) (NMP: PA = 50:50 mol%, 65 wt%, ethylene glycol 10 wt%), the dope solution was fed with a bore solution (water) Gap: 5 cm) to obtain a hollow fiber membrane according to a conventional nonsolvent induced phase separation (NIPS) method. The resultant hollow fiber membrane was heated to 400 DEG C at a rate of 10 DEG C / min in a high-purity argon gas atmosphere, and then maintained at 400 DEG C for 2 hours in an isothermal state to obtain a heat conversion poly (benzoxazole- imide) copolymer hollow The desert was prepared.

[실시예 11] 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 지지체를 포함하는 초박형 복합막의 제조[Example 11] Preparation of an ultra-thin composite membrane comprising a heat-converted poly (benzoxazole-imide) copolymer support

실시예 1로부터 제조된 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 전기방사막을 3.5 중량%의 메타-페닐렌디아민(MPD) 수용액에 침지하고, 과량의 용액을 제거한 후 지지체의 표면에 0.15 중량%의 트리메조일클로라이드 헥산 용액을 부어 계면중합반응을 수행한 다음, 헥산을 세척하고 공기 중에 방치 및 90℃ 오븐에서 경화시켜 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 지지체(전기방사막) 위에 가교구조의 폴리아미드 박막 활성층이 형성된 초박형 복합막을 제조하였다.The thermosensitive poly (benzoxazole-imide) copolymer electrospun film prepared from Example 1 was immersed in an aqueous solution of meta-phenylenediamine (MPD) of 3.5% by weight, the excess solution was removed, and 0.15 After the interfacial polymerization reaction was carried out by pouring a weight% solution of trimesoyl chloride in hexane, the hexane was washed and allowed to stand in the air and cured in an oven at 90 ° C to obtain a thermally-converted poly (benzoxazole-imide) copolymer support Thin film composite membrane on which a polyamide thin film active layer of crosslinked structure was formed.

[실시예 12] 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 지지체를 포함하는 초박형 복합막의 제조[Example 12] Preparation of an ultra-thin composite membrane comprising a thermally-converting poly (benzoxazole-imide) copolymer support

실시예 10으로부터 제조된 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 중공사막을 지지체로, 3.5 중량%의 메타-페닐렌디아민(MPD) 수용액을 중공사 내부로 흘리고, 과량의 용액을 제거한 후 0.15 중량%의 트리메조일클로라이드 헥산 용액을 중공사 내부로 흘려 계면중합반응을 수행한 다음, 거듭 과량의 용액을 제거하여 공기 중에 방치 및 건조하여 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 지지체(중공사막) 위에 가교구조의 폴리아미드 박막 활성층이 형성된 초박형 복합막을 제조하였다.
An aqueous solution of 3.5% by weight of meta-phenylenediamine (MPD) was flowed into the hollow fiber using the heat-converted poly (benzoxazole-imide) copolymer hollow fiber membrane prepared in Example 10 as a support, After the reaction, 0.15% by weight of trimesoyl chloride hexane solution was poured into the hollow fiber to carry out an interfacial polymerization reaction. Then, an excess amount of the solution was removed, and the solution was allowed to stand in the air and dried to obtain thermally converted poly (benzoxazol-imide) Thin composite membrane having a polyamide thin film active layer of crosslinked structure formed on a coalesced support (hollow fiber membrane).

도 2에는 실시예 1 내지 9에 따라 제조된 다공성 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 지지체의 ATR-IR 스펙트럼을 나타내었다. 3400 cm-1 부근에서 나타나는 O-H 스트레칭 피크가 사라지고, 1480 cm-1 및 1054 cm-1 부근에서 전형적인 벤즈옥사졸 고리에 기인하는 두 개의 뚜렷한 피크가 나타난 것으로 보아 열처리 과정에서 벤즈옥사졸 고리가 형성되었음을 알 수 있었다. 게다가 이미드기 고유의 흡수 밴드도 1784 cm-1 및 1717 cm-1 부근에서 발견되어 400℃에 이르는 열전환 온도에서도 방향족 이미드 연결고리의 열적 안정성을 확인할 수 있다.
FIG. 2 shows the ATR-IR spectra of the porous heat-converted poly (benzoxazole-imide) copolymer supports prepared according to Examples 1 to 9. The OH stretching peak near 3400 cm -1 disappears and two distinct peaks due to the typical benzoxazole ring near 1480 cm -1 and 1054 cm -1 appear, indicating that the benzoxazole ring was formed during the heat treatment Could know. In addition, the inherent absorption band of the imide is found around 1784 cm -1 and 1717 cm -1 , and the thermal stability of the aromatic imide linkage ring can be confirmed even at the thermal conversion temperature reaching 400 ° C.

하기 표 2에는 상기 실시예 1로부터 제조된 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 지지체(전기방사막)의 다양한 두께에 따른 기계적 물성, 평균기공입경, 기공률 및 수투과도를 나타내었다.Table 2 shows mechanical properties, average pore size, porosity and water permeability according to various thicknesses of the thermally-converting poly (benzoxazole-imide) copolymer support (electrospray membrane) prepared in Example 1 above.

두께(㎛)Thickness (㎛) 기계적 물성(MD/TD)Mechanical properties (MD / TD) 평균기공입경(㎛)Average pore size (占 퐉) 기공률(%)Porosity (%) 수투과도(LMH)Water Transmission (LMH) 인장강도(Mpa)Tensile Strength (Mpa) 신장률(%)Elongation (%) 2020 35/5135/51 11/2811/28 0.220.22 7575 85418541 4040 23/2923/29 6/136/13 0.200.20 6464 33043304 6060 23/3423/34 5/125/12 0.120.12 6161 23342334

MD(machine direction : 기계방향), TD(transverse direction : 수직방향)
Machine direction (MD), transverse direction (TD)

상기 표 2로부터 본 발명에 따라 제조된 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 지지체는 종래 수처리용 분리막으로 응용되는 다공성 지지체의 두께(100~200㎛)보다 매우 얇으면서도 기계적 물성이 우수함을 확인할 수 있고, 기공률도 매우 높아 그에 따른 수투과도가 크게 향상된 것을 알 수 있다.From Table 2, it can be seen that the thermally-converting poly (benzoxazole-imide) copolymer support prepared according to the present invention is much thinner than the thickness of the porous support (100 ~ 200 탆) And the porosity is also very high, which shows that the resulting water permeability is greatly improved.

또한, 도 3에는 실시예 1에 따라 제조된 다공성 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 지지체(a) 및 실시예 11에 따라 제조된 초박형 복합막(b)의 ATR-IR 스펙트럼을 나타내었다. 도 3에서 보는 바와 같이, 실시예 11에 따라 제조된 초박형 복합막(b)의 경우에는 실시예 1에 따라 제조된 다공성 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 지지체(a)와는 달리, 3444 cm-1 및 3310 cm-1 부근에서 N-H기의 신축진동과 수소결합이 확인되었으며, 1667 cm-1와 1542 cm-1에서 C=O기의 신축진동과 N-H기의 plane bending을 확인할 수 있었다.3 shows the ATR-IR spectra of the porous heat-converted poly (benzoxazole-imide) copolymer support (a) prepared according to Example 1 and the ultra-thin composite membrane (b) prepared according to Example 11 Respectively. As shown in FIG. 3, in the case of the ultra-thin composite membrane (b) prepared according to Example 11, unlike the porous heat conversion poly (benzoxazole-imide) copolymer support (a) prepared according to Example 1 , 3444 cm -1 and 3310 cm -1 , respectively. The stretching vibration and the hydrogen bonding of the NH group were confirmed at 1667 cm -1 and 1542 cm -1 , and the stretching vibration of the C═O group and the plane bending of the NH group were confirmed there was.

도 4에는 실시예 1에 따라 제조된 다공성 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 지지체의 다양한 열전환 조건(375℃에서 0.5시간, 375℃에서 1시간, 375℃에서 2시간, 400℃에서 2시간)에 따른 열중량 감소 특성을 열중량분석(TGA) 그래프로 나타내었다. 상기 열중량분석은 10℃/min으로 400℃까지 가열한 뒤, 400℃에서 2시간을 유지한 후, 다시 800℃까지 가열하여 측정하였다. 통상 열전환으로 인한 중량 감소는 이론적으로 100% 열전환이 진행되었을 때 약 9%인바, 도 4에서 볼 수 있듯이 40분에서 160분 사이에서 pristine (열전환 전 지지체)의 중량 감소도 10%인 것으로 보아 열전환이 원활하게 진행되었음을 알 수 있으며, 각 열전환 조건에서 처리된 지지체의 정량적인 중량 감소 데이터로부터 그 열전환 정도를 역으로 계산할 수 있었다.
4 shows the results of various thermal conversion conditions (375 DEG C for 0.5 hour, 375 DEG C for 1 hour, 375 DEG C for 2 hours, 400 DEG C) for the porous thermally-converting poly (benzoxazole- imide) copolymer support prepared according to Example 1 Deg.] C for 2 hours) as a thermogravimetric analysis (TGA) graph. The thermogravimetric analysis was carried out at a heating rate of 10 ° C / min to 400 ° C, followed by heating at 400 ° C for 2 hours and then heating to 800 ° C again. The weight reduction due to heat conversion is theoretically about 9% when 100% heat conversion is performed, and the weight reduction of pristine is 10% between 40 and 160 minutes as shown in FIG. It can be seen that the heat conversion has proceeded smoothly and the degree of thermal conversion can be calculated inversely from the quantitative weight loss data of the support treated in each heat conversion condition.

또한, 도 5에는 실시예 1에 따라 제조된 다공성 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 지지체의 유기용매에 대한 안정성을 관찰한 사진을 나타내었다. 제막에 사용된 유기용매인 디메틸아세트아미드(DMAc)를 이용하여, 화학적 안정성 실험을 진행한 결과, 열전환 전 지지체(HPI)는 유기용매에 녹는 반면, 열전환 후 지지체(PBO)는 유기용매에 녹지 않고 형태를 유지하는 것을 확인할 수 있었다.
FIG. 5 is a photograph showing the stability of the porous heat-converted poly (benzoxazole-imide) copolymer support prepared according to Example 1 with respect to an organic solvent. As a result of the chemical stability experiment using dimethylacetamide (DMAc), an organic solvent used in the film formation, the support (HPI) after heat conversion was dissolved in the organic solvent, whereas the support (PBO) And it was confirmed that it maintained its shape without melting.

도 6에는 종래 폴리술폰계 비대칭 복합막(a)과 본 발명의 실시예 11에 따라 제조된 초박형 복합막(b)의 주사전자현미경(SEM) 이미지를 나타내었다. 본 발명의 실시예 11에 따라 폴리아미드 박막층이 잘 형성된 초박형 복합막을 관찰할 수 있으며, 상기 형성된 폴리아미드 박막층 두께(61 ㎚)가 종래 폴리술폰계 비대칭 복합막 (209 ㎚)보다 약 3배나 얇게 형성된 것을 알 수 있었다. 또한, 막의 전체 두께도 종래 폴리술폰계 비대칭 복합막 (204 ㎛) 보다 12배 이상 현저하게 얇은 두께 (16 ㎛)를 갖는 것을 확인하였다.
6 shows a scanning electron microscope (SEM) image of a conventional polysulfone-based asymmetric composite membrane (a) and an ultra-thin composite membrane (b) prepared according to Example 11 of the present invention. According to Example 11 of the present invention, it is possible to observe an ultra-thin composite film in which a polyamide thin film layer is well formed. The thickness of the formed polyamide thin film layer (61 nm) is about three times thinner than the conventional polysulfone asymmetric composite film (209 nm) . Further, it was confirmed that the total thickness of the membrane was also significantly thinner (16 탆) than the conventional polysulfone-based asymmetric composite membrane (204 탆) by 12 times or more.

또한, 본 발명에 따른 초박형 복합막이 정삼투공정에도 응용될 수 있는지를 확인하기 위하여, 도 7에는 본 발명의 실시예 11에 따라 제조된 초박형 복합막의 후처리(500ppm NaOCl, 1000ppm NaOCl) 전후 수투과도(water permeability) 및 염배제율(salt rejection)을 그래프로 나타내었다[공급용액 : 2000ppm NaCl(20℃)]. NaOCl 처리를 함에 따라, 염배제율은 크게 손실을 보지 않으면서, 수투과도를 약 2배 이상 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
7 shows the water permeability before and after the post-treatment (500 ppm NaOCl, 1000 ppm NaOCl) of the ultra-thin composite membrane prepared according to Example 11 of the present invention in order to confirm whether the ultra- (water permeability) and salt rejection (supply solution: 2000 ppm NaCl (20 ° C)). It can be seen that the NaOCl treatment improves the water permeability by a factor of about 2 without significantly deteriorating the salt rejection rate.

도 8에는 본 발명의 일 구현예에 따른 압력지연삼투공정용 초박형 복합막의 수투과량(water flux) 및 전력밀도(power density)를 그래프로 나타내었다[유도용액 : 1M NaCl(20℃), 공급용액 : 탈이온수(20℃), Hydration Technology Innovations사의 상용 폴리술폰계 초박형 복합막(HTI), 본 발명에 따라 제조된 초박형 복합막 TR40(두께 40㎛), TR60(두께 60㎛), TR40NaOCl(두께 40㎛, NaOCl 1000 ppm에서 10분 동안 처리한 것]. 도 8에서 보는 것처럼 종래 HTI의 경우 5 W/m2의 낮은 전력밀도를 보이는 반면, 본 발명에서 제조된 초박형 복합막 (TR40NaOCl)은 최대 21 W/m2의 높은 전력밀도를 얻을 수 있었다. 또한, 본 발명에서는 지지체의 두께에 따른 저항을 알아보기 위하여 TR40과 TR60을 비교한 결과, TR40이 물질전달저항을 줄여 높은 전력밀도를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
FIG. 8 is a graph showing the water flux and power density of an ultra-thin composite membrane for a pressure-delayed osmosis process according to an embodiment of the present invention (inductive solution: 1M NaCl (20 ° C) : Ultra-thin composite membrane TR40 (thickness 40 占 퐉), TR60 (thickness 60 占 퐉), TR40 NaOCl (thickness: 40 占 퐉) manufactured by Hydration Technology Innovations Co., 40 [micro] m, NaOCl 1000 ppm for 10 minutes]. As shown in FIG. 8, the conventional HTI exhibits a low power density of 5 W / m 2 while the ultra-thin composite membrane (TR40 NaOCl ) It was achieved by high power densities up to 21 W / m 2. in the present invention, as a result, TR40 this reduces the mass transfer resistance indicates a higher power density compared to TR40 and TR60 to evaluate the resistance according to the thickness of the support .

상술한 바와 같이 본 발명에 따라 제조된 얇고 기공률이 높은 다공성 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 지지체, 이를 포함하는 초박형 복합막은 열적·화학적 안정성 및 기계적 물성이 우수하여 높은 작동압력에도 견딜 수 있을 뿐만 아니라, 내부농도분극을 최소화하여 높은 수투과도 및 그에 따른 높은 전력밀도를 얻을 수 있으므로 압력지연삼투공정 또는 정삼투공정에 응용할 수 있다.As described above, the thin, porous, heat-converted poly (benzoxazole-imide) copolymer support prepared according to the present invention and the ultra-thin composite membrane comprising the same have excellent thermal and chemical stability and mechanical properties, It is possible to apply the present invention to a pressure-delayed osmosis process or a positive osmosis process because it can obtain a high water permeability and accordingly a high power density by minimizing internal concentration polarization.

Claims (20)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 갖는 다공성 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 지지체; 및
상기 다공성 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 지지체 위에 형성된 하기 화학식 2로 표시되는 반복단위를 갖는 가교구조의 방향족 폴리아미드 박막의 활성층;을 포함하는 압력지연삼투공정용 초박형 복합막.
<화학식 1>
Figure 112018046916807-pat00053

(상기 화학식 1에서, Ar1은 치환 또는 비치환된 4가의 탄소수 6 내지 24의 아릴렌기 및 치환 또는 비치환된 4가의 탄소수 4 내지 24의 복소환기에서 선택되는 방향족 고리기이고, 상기 방향족 고리기는 단독으로 존재하거나; 2개 이상이 서로 축합 고리를 형성하거나; 2개 이상이 단일결합, O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤P≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2 또는 CO-NH로 연결되어 있고,
Ar2는 치환 또는 비치환된 2가의 탄소수 6 내지 24의 아릴렌기 및 치환 또는 비치환된 2가의 탄소수 4 내지 24의 복소환기에서 선택되는 방향족 고리기이고, 상기 방향족 고리기는 단독으로 존재하거나; 2개 이상이 서로 축합 고리를 형성하거나; 2개 이상이 단일결합, O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤P≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2 또는 CO-NH로 연결되어 있으며,
Q는 단일결합이거나; O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤P≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2, CO-NH, C(CH3)(CF3), 또는 치환 또는 비치환된 페닐렌기이고, x, y는 각각 반복단위 내 몰분율로서 0.1≤x≤0.9, 0.1≤y≤0.9, x+y=1 이다)
<화학식 2>
Figure 112018046916807-pat00048
A porous thermally-converting poly (benzoxazole-imide) copolymer support having a repeating unit represented by the following formula (1); And
An active layer of a cross-linked aromatic polyamide thin film having a repeating unit represented by the following formula (2) formed on the porous thermally-converting poly (benzoxazole-imide) copolymer support.
&Lt; Formula 1 >
Figure 112018046916807-pat00053

(Wherein Ar 1 is an aromatic ring group selected from a substituted or unsubstituted quadrivalent arylene group having 6 to 24 carbon atoms and a substituted or unsubstituted quadrivalent heterocyclic group having 4 to 24 carbon atoms, O, S, CO, SO 2 , Si (CH 3 ) 2 , (CH 2 ) p (1 ≦ P10 ), or two or more of them form a condensed ring; ), (CF 2 ) q ( 1 ? Q ? 10), C (CH 3 ) 2 , C (CF 3 ) 2 or CO-
Ar 2 is an aromatic ring group selected from a substituted or unsubstituted divalent arylene group having 6 to 24 carbon atoms and a substituted or unsubstituted divalent heterocyclic group having 4 to 24 carbon atoms and the aromatic ring group is present alone; Two or more of them form a condensed ring with each other; Two or more single bond, O, S, CO, SO 2, Si (CH 3) 2, (CH 2) p (1≤P≤10), (CF 2) q (1≤q≤10), C (CH 3) 2, C ( CF 3) is connected to 2 or CO-NH,
Q is a single bond; O, S, CO, SO 2 , Si (CH 3) 2, (CH 2) p (1≤P≤10), (CF 2) q (1≤q≤10), C (CH 3) 2, C (CF 3) 2, CO- NH, C (CH 3) (CF 3), or a substituted or unsubstituted phenylene ring, x, y is 0.1≤x≤0.9, 0.1≤y≤ a molar fraction within each repeating unit 0.9, x + y = 1)
(2)
Figure 112018046916807-pat00048
삭제delete 제8항에 있어서, 상기 박막의 활성층은 그 두께가 50~300nm인 것을 특징으로 하는 압력지연삼투공정용 초박형 복합막.The ultra-thin composite membrane for a pressure-delayed osmosis process according to claim 8, wherein the active layer of the thin film has a thickness of 50 to 300 nm. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제8항 기재의 화학식 1로 표시되는 반복단위를 갖는 다공성 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 지지체 위에, 제8항 기재의 화학식 2로 표시되는 반복단위를 갖는 가교구조의 방향족 폴리아미드 박막의 활성층을 형성하는 단계;를 포함하는 압력지연삼투공정용 초박형 복합막의 제조방법.A porous thermally-converting poly (benzoxazole-imide) copolymer support having a repeating unit represented by the general formula (1) as set forth in claim 8, which has a crosslinked structure having a repeating unit represented by the general formula (2) And forming an active layer of the amide thin film. 제15항에 있어서, 상기 가교구조의 방향족 폴리아미드 박막의 활성층은 메타-페닐렌디아민과 트리메조일클로라이드의 계면중합반응에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 압력지연삼투공정용 초박형 복합막의 제조방법.16. The method of claim 15, wherein the active layer of the aromatic polyamide thin film having a crosslinked structure is formed by interfacial polymerization between meta-phenylenediamine and trimethoyl chloride. 제15항에 있어서, 상기 초박형 복합막을 차아염소산나트륨 수용액으로 후처리 하는 단계;를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 압력지연삼투공정용 초박형 복합막의 제조방법.16. The method of claim 15, further comprising post-treating the ultra-thin composite membrane with an aqueous sodium hypochlorite solution. 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 갖는 다공성 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 지지체; 및
상기 다공성 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 지지체 위에 형성된 하기 화학식 2로 표시되는 반복단위를 갖는 가교구조의 방향족 폴리아미드 박막의 활성층;을 포함하는 정삼투공정용 초박형 복합막.
<화학식 1>
Figure 112018046916807-pat00054

(상기 화학식 1에서, Ar1은 치환 또는 비치환된 4가의 탄소수 6 내지 24의 아릴렌기 및 치환 또는 비치환된 4가의 탄소수 4 내지 24의 복소환기에서 선택되는 방향족 고리기이고, 상기 방향족 고리기는 단독으로 존재하거나; 2개 이상이 서로 축합 고리를 형성하거나; 2개 이상이 단일결합, O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤P≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2 또는 CO-NH로 연결되어 있고,
Ar2는 치환 또는 비치환된 2가의 탄소수 6 내지 24의 아릴렌기 및 치환 또는 비치환된 2가의 탄소수 4 내지 24의 복소환기에서 선택되는 방향족 고리기이고, 상기 방향족 고리기는 단독으로 존재하거나; 2개 이상이 서로 축합 고리를 형성하거나; 2개 이상이 단일결합, O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤P≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2 또는 CO-NH로 연결되어 있으며,
Q는 단일결합이거나; O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤P≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2, CO-NH, C(CH3)(CF3), 또는 치환 또는 비치환된 페닐렌기이고, x, y는 각각 반복단위 내 몰분율로서 0.1≤x≤0.9, 0.1≤y≤0.9, x+y=1 이다)
<화학식 2>
Figure 112018046916807-pat00050
A porous thermally-converting poly (benzoxazole-imide) copolymer support having a repeating unit represented by the following formula (1); And
An active layer of a cross-linked aromatic polyamide thin film having a repeating unit represented by the following formula (2) formed on the porous thermally-converting poly (benzoxazole-imide) copolymer support.
&Lt; Formula 1 >
Figure 112018046916807-pat00054

(Wherein Ar 1 is an aromatic ring group selected from a substituted or unsubstituted quadrivalent arylene group having 6 to 24 carbon atoms and a substituted or unsubstituted quadrivalent heterocyclic group having 4 to 24 carbon atoms, O, S, CO, SO 2 , Si (CH 3 ) 2 , (CH 2 ) p (1 ≦ P10 ), or two or more of them form a condensed ring; ), (CF 2 ) q ( 1 ? Q ? 10), C (CH 3 ) 2 , C (CF 3 ) 2 or CO-
Ar 2 is an aromatic ring group selected from a substituted or unsubstituted divalent arylene group having 6 to 24 carbon atoms and a substituted or unsubstituted divalent heterocyclic group having 4 to 24 carbon atoms and the aromatic ring group is present alone; Two or more of them form a condensed ring with each other; Two or more single bond, O, S, CO, SO 2, Si (CH 3) 2, (CH 2) p (1≤P≤10), (CF 2) q (1≤q≤10), C (CH 3) 2, C ( CF 3) is connected to 2 or CO-NH,
Q is a single bond; O, S, CO, SO 2 , Si (CH 3) 2, (CH 2) p (1≤P≤10), (CF 2) q (1≤q≤10), C (CH 3) 2, C (CF 3) 2, CO- NH, C (CH 3) (CF 3), or a substituted or unsubstituted phenylene ring, x, y is 0.1≤x≤0.9, 0.1≤y≤ a molar fraction within each repeating unit 0.9, x + y = 1)
(2)
Figure 112018046916807-pat00050
삭제delete 제18항에 있어서, 상기 박막의 활성층은 그 두께가 50~300nm인 것을 특징으로 하는 정삼투공정용 초박형 복합막.The ultra-thin composite membrane for a positive osmosis process according to claim 18, wherein the active layer of the thin film has a thickness of 50 to 300 nm.
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