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KR102375540B1 - METHOD FOR PREPARING MESOPOROUS SiC-BASED CERAMIC MONOLITHS DERIVED FROM MOLDABLE IN-SITU MICROPHASE SEPARATED ORGANIC-INORGANIC BLOCK POLYMERS - Google Patents

METHOD FOR PREPARING MESOPOROUS SiC-BASED CERAMIC MONOLITHS DERIVED FROM MOLDABLE IN-SITU MICROPHASE SEPARATED ORGANIC-INORGANIC BLOCK POLYMERS Download PDF

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KR102375540B1
KR102375540B1 KR1020200017873A KR20200017873A KR102375540B1 KR 102375540 B1 KR102375540 B1 KR 102375540B1 KR 1020200017873 A KR1020200017873 A KR 1020200017873A KR 20200017873 A KR20200017873 A KR 20200017873A KR 102375540 B1 KR102375540 B1 KR 102375540B1
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황윤호
오재훈
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포항공과대학교 산학협력단
한국과학기술원
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Abstract

본 발명은 메조다공성 세라믹 구조체의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유기-무기 혼성 중합 유도 미세상 분리(H-PIMS)법으로 3차원적으로 연속된 세공 구조를 지니는 메조다공성 세라믹 구조체를 후공정이 전혀 필요없이 간단하고 직접적으로 제조하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for manufacturing a mesoporous ceramic structure, and more particularly, to a mesoporous ceramic structure having a three-dimensionally continuous pore structure by organic-inorganic hybrid polymerization-induced microphase separation (H-PIMS) method. It relates to a simple and direct manufacturing method without any process required.

Description

실시간 미세상 분리 유기-무기 블락 공중합체로부터 성형된 메조기공 SiC-기반 세라믹 구조체 제조방법 {METHOD FOR PREPARING MESOPOROUS SiC-BASED CERAMIC MONOLITHS DERIVED FROM MOLDABLE IN-SITU MICROPHASE SEPARATED ORGANIC-INORGANIC BLOCK POLYMERS}Real-time microphase separation Method for manufacturing a mesoporous SiC-based ceramic structure molded from organic-inorganic block copolymer

본 발명은 메조다공성 세라믹 구조체의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유기-무기 혼성 중합에 의해 유도되는 미세상 분리(H-PIMS)법으로 3차원적으로 연속된 세공 구조를 지니는 메조다공성 세라믹 구조체를 후공정이 전혀 필요없이 간단하고 직접적으로 제조하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for manufacturing a mesoporous ceramic structure, and more particularly, to a mesoporous ceramic having a three-dimensionally continuous pore structure by a microphase separation (H-PIMS) method induced by organic-inorganic hybrid polymerization. It relates to a method of manufacturing a structure simply and directly without any post-processing.

고분자를 열처리하여 비산화물 세라믹으로 변환하는 공정은 전통적인 분말 기반 세라믹 공정에서 구현할 수 없는 수준의 복잡한 구조를 지니는 세라믹 재료를 제조하는 데 획기적으로 응용될 수 있다. 고분자를 전구체로 사용하면 정교한 나노구조물을 낮은 온도에서 성형한 후 열처리를 통해 우수한 열적 특성을 지니는 세라믹으로 변환할 수 있으며, 대표적으로 SiC, Si3N4, SiOC, SiCN과 같은 비산화물 세라믹은 실리콘 중합체로 이루어진 세라믹 전구체의 열분해를 통해 얻을 수 있다. 이는 초고온에서 안정한 세라믹 섬유 및 코팅 기술을 구현하는 근간이 된다. The process of converting a polymer into a non-oxide ceramic by heat treatment can be dramatically applied to manufacturing a ceramic material having a complex structure that cannot be realized in a traditional powder-based ceramic process. If a polymer is used as a precursor, sophisticated nanostructures can be formed at low temperatures and then converted into ceramics with excellent thermal properties through heat treatment. Typically, non-oxide ceramics such as SiC, Si 3 N 4 , SiOC and SiCN are It can be obtained through pyrolysis of a ceramic precursor made of a polymer. This is the basis for realizing stable ceramic fiber and coating technology at very high temperature.

2~50 nm 크기의 세공을 지니는 메조다공성 SiC 세라믹은 섭씨 1000도 수준의 고온에서도 안정하고 넓은 표면적을 지녀 불균일계 촉매 담지체, 물질 분리, 고온용 센서와 같은 다양한 응용분야에 유용하게 쓰일 수 있다. 실록산(siloxane), 실라잔(silazane), 카보실란(carbosilane)과 같이 주쇄에 Si-C 결합을 포함하는 무기 고분자와 탄화수소계를 비롯한 유기 고분자를 조합하여 블록 공중합체를 합성한 후, 이를 열처리하여 유기 고분자는 제거하는 동시에 무기 고분자를 SiC로 전환함으로써 세공 크기가 균일한 메조다공성 SiC를 합성하는 기법이 개발되었다. 유-무기 블록 공중합체 전구체의 미세상분리 구조가 메조다공성 SiC 세라믹으로 전사되기 때문에, 분자량과 조성을 조절하여 세공 크기, 세공 구조, 열분해 수율 등이 조절 가능한 이점이 있다. 특히 겹연속 구조의 일종인 자이로이드(gyroid) 상의 전구체를 세라믹으로 전환하여 물질 전달에 이상적인 3차원적으로 연속된 세공 구조를 구현한 연구 결과가 많은 관심을 받았다. 그러나 유-무기 블록 공중합체를 정밀하게 합성하는 것 자체가 어렵고, 자이로이드와 같이 매우 제한된 조건에서 출현하는 구조를 얻기가 매우 까다로우며 용매/열 어닐링과 같이 많은 시간과 에너지가 소요되는 공정을 요구하는 바, 실제 응용되기에는 한계가 명백하다. Mesoporous SiC ceramics with pores with a size of 2-50 nm are stable and have a large surface area even at a high temperature of 1000 degrees Celsius, so they can be usefully used in various applications such as heterogeneous catalyst carriers, material separation, and high-temperature sensors. . After synthesizing a block copolymer by combining an inorganic polymer including a Si-C bond in the main chain and an organic polymer including hydrocarbons, such as siloxane, silazane, and carbosilane, a block copolymer is synthesized by heat treatment. A technique for synthesizing mesoporous SiC with a uniform pore size has been developed by simultaneously removing organic polymers and converting inorganic polymers to SiC. Since the microphase separation structure of the organic-inorganic block copolymer precursor is transferred to the mesoporous SiC ceramic, there is an advantage that the pore size, pore structure, and thermal decomposition yield can be controlled by controlling the molecular weight and composition. In particular, the research result of implementing a three-dimensional continuous pore structure ideal for mass transfer by converting a precursor of a gyroid, a type of double-continuous structure, into a ceramic has received much attention. However, it is difficult to precisely synthesize the organic-inorganic block copolymer, it is very difficult to obtain a structure that appears under very limited conditions such as a gyroid, and a process that takes a lot of time and energy such as solvent/thermal annealing is difficult. As a matter of fact, there are obvious limitations in practical application.

한편 세라믹 세계시장 규모는 2025년 780 million $에 달할 것으로 예측되고 있으며 연평균 6.4% 의 성장 추세를 이어갈 전망이다. 국내 세라믹 산업의 시장 규모는 2025년 117조원 수준으로 연평균 5.9% 성장할 것으로 전망된다. 특히, 폴리실라잔(polysilazane)에 기반한 무기 고분자의 경우 방호성, 내구성, 내화학성 등의 특성이 우수하여 전자재료, 의료, 자동차, 항공우주 산업 등 그 적용 범위가 무궁무진하고 관련 기술의 범위가 매우 넓다. 본 발명에서는 새로운 유기-무기 혼성중합 유도 미세상 분리 법으로 3차원 메조다공성 세라믹 단일 구조체의 제조를 후공정이 전혀 필요 없는 간단하고 직접적인 합성법을 제시하였다. 액상의 유기-무기 고분자를 사용하기 때문에 우수한 성형성에 힘입어, 기존의 세라믹 분말을 사용한 성형 공정의 문제점을 극복 할 수 있다. 또한 본 발명에서 제안하는 메조다공성 세라믹의 경우 넓은 표면적을 활용한 불균일계 촉매 담지체, 물질 분리, 고온용 센서 등의 응용 외에도 경량화된 소재로서 국방 및 항공우주 산업에 유용하게 쓰일 수 있으며, 또한 복합소재, 촉매, 분리 등의 기능을 가지는 기능성 메조다공성 세라믹 소재개발에도 적용이 가능하기 때문에 우수한 시장성을 확보할 수 있을 것으로 기대된다.Meanwhile, the global ceramic market is expected to reach $780 million in 2025, and it is expected to continue the growth trend at an average annual rate of 6.4%. The market size of the domestic ceramic industry is expected to reach 117 trillion won in 2025, growing at a CAGR of 5.9%. In particular, in the case of an inorganic polymer based on polysilazane, it has excellent properties such as protection, durability, and chemical resistance, so its application range is infinite in electronic materials, medical care, automobiles, and aerospace industries, and the range of related technologies is very wide. . In the present invention, a simple and direct synthesis method for manufacturing a three-dimensional mesoporous ceramic single structure without post-processing is presented as a novel organic-inorganic hybrid polymerization-induced microphase separation method. Because liquid organic-inorganic polymer is used, it is possible to overcome the problems of the conventional molding process using ceramic powder, thanks to excellent moldability. In addition, the mesoporous ceramic proposed in the present invention can be usefully used in defense and aerospace industries as a lightweight material in addition to applications such as a heterogeneous catalyst carrier utilizing a large surface area, material separation, and high-temperature sensors, and also Since it can be applied to the development of functional mesoporous ceramic materials with functions such as material, catalyst, and separation, it is expected to secure excellent marketability.

한국공개특허 제10-2007-0086531호Korean Patent Publication No. 10-2007-0086531

본 발명은 유기-무기 혼성 중합 유도 미세상 분리(H-PIMS)법으로 3차원적으로 연속된 세공 구조를 지니는 메조다공성 세라믹 구조체를 후공정이 전혀 필요없는 직접적인 방법으로 제조하는 방법과 상기 방법으로 제조되는 메조다공성 세라믹 구조체를 제공한다.The present invention relates to a method for producing a mesoporous ceramic structure having a three-dimensionally continuous pore structure by organic-inorganic hybrid polymerization-induced microphase separation (H-PIMS) method in a direct method that does not require any post-processing, and the method To provide a mesoporous ceramic structure to be manufactured.

본 발명은, 하기 화학식 1로 표시되는 유기 고분자, 하기 화학식 2로 표시되는 무기 고분자, 공단량체 및 열 라디칼 개시제을 포함하는 혼합액을 제조하는 단계(단계 a); 상기 혼합액에 공중합 반응을 수행하는 단계(단계 b); 및 이후 열처리하는 단계(단계 c)를 포함하는 메조다공성 세라믹 구조체의 제조방법을 제공한다.The present invention, the organic polymer represented by the following formula (1), an inorganic polymer represented by the following formula (2), preparing a mixed solution comprising a comonomer and a thermal radical initiator (step a); performing a copolymerization reaction on the mixed solution (step b); And it provides a method of manufacturing a mesoporous ceramic structure comprising the step (step c) of the subsequent heat treatment.

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112020015555973-pat00001
Figure 112020015555973-pat00001

상기 화학식 1에서 n은 분자량에 따른 정수이다. 보다 구체적으로 n은 225 ≤ n ≤452 이다.In Formula 1, n is an integer according to molecular weight. More specifically, n is 225 ≤ n ≤ 452.

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112020015555973-pat00002
Figure 112020015555973-pat00002

상기 화학식 2에서 R은 H 또는 CH=CH2이고, m은 3 ≤ m ≤4 이다.In Formula 2, R is H or CH=CH 2 , and m is 3 ≤ m ≤4.

상기 공중합 반응은 블록 공중합 반응일 수 있다. The copolymerization reaction may be a block copolymerization reaction.

상기 방법에서, 상기 공중합 반응에 의해 겹연속(bicontinuous) 구조가 형성된 유-무기 블록 공중합체가 형성될 수 있다. 더욱 구체적으로 공중합 반응에 의해 유-무기 블록 공중합체가 합성되는 동안 미세상 분리를 유도하여 겹연속 구조의 유-무기 블록 공중합체를 형성할 수 있다. In the method, an organic-inorganic block copolymer having a bicontinuous structure formed by the copolymerization reaction may be formed. More specifically, microphase separation may be induced while the organic-inorganic block copolymer is synthesized by a copolymerization reaction to form an organic-inorganic block copolymer having a double continuous structure.

상기 공단량체는 열처리에 의해 탄소로 전환될 수 있는 방향족 고리를 포함할 수 있다. 더욱 구체적으로 상기 공단량체는 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물일 수 있다. 또한 상기 공단량체는 미세상 분리에 의한 무질서한 겹연속 구조를 고정하기 위해 사용될 수 있다. The comonomer may include an aromatic ring that can be converted to carbon by heat treatment. More specifically, the comonomer may be a compound represented by the following formula (3). In addition, the comonomer may be used to fix the disordered double-continuous structure by microphase separation.

[화학식 3][Formula 3]

Figure 112020015555973-pat00003
Figure 112020015555973-pat00003

상기 화학식 3에서 공단량체는 디비닐벤젠일 수 있다. 공단량체는 미세상 분리에 의한 무질서한 겹연속 구조를 고정하기 위해 사용되며, 열처리에 의해 탄소로 전환될 수 있는 방향족 고리를 포함할 수 있다. In Chemical Formula 3, the comonomer may be divinylbenzene. The comonomer is used to fix the disordered double-continuous structure by microphase separation, and may contain an aromatic ring that can be converted to carbon by heat treatment.

상기 열 라디칼 개시제는 아조비스이소부티로니트릴일 수 있다. The thermal radical initiator may be azobisisobutyronitrile.

상기 방법은, 단계 b에서의 공중합 반응에 의해 하기 화학식 4로 표시되는 고분자 화합물을 제조할 수 있다. In the above method, a polymer compound represented by the following formula (4) can be prepared by the copolymerization reaction in step b.

[화학식 4][Formula 4]

Figure 112020015555973-pat00004
Figure 112020015555973-pat00004

상기 화학식 4에서, R은 H 또는 CH=CH2이고, n은 225 ≤ n ≤452 이고, m은 3 ≤ m ≤4 이고, X는 0.75≤ X ≤ 0.85 이다.In Formula 4, R is H or CH=CH 2 , n is 225 ≤ n ≤ 452, m is 3 ≤ m ≤ 4, and X is 0.75 ≤ X ≤ 0.85.

더욱 구체적으로 상기 방법에 있어서, PEO-CTA의 양은 총 혼합물 중량의 30 %로 조정될 수 있고, [PEO-CTA] : [AIBN] = 1 : 0.3-0.6의 동일한 몰비를 따를 수 있다.More specifically in the above method, the amount of PEO-CTA may be adjusted to 30% of the total weight of the mixture, and may follow the same molar ratio of [PEO-CTA]: [AIBN] = 1: 0.3-0.6.

상기 화학식 1로 표시되는 유기고분자, 화학식 2로 표시되는 무기 고분자, 공단량체 및 열 라디칼 개시제는 중량비 0.3 : 0.65 : 0.05 : 0.0015-0.0030 비율로 혼합될 수 있다. 상기 범위로 혼합되는 경우 고분자중합과 동시에 실시간 미세상분리된 유-무기 블락공중합 세라믹 전구체를 합성할 수 있다.The organic polymer represented by Formula 1, the inorganic polymer represented by Formula 2, the comonomer, and the thermal radical initiator may be mixed in a weight ratio of 0.3: 0.65: 0.05: 0.0015-0.0030. When mixed within the above range, it is possible to synthesize an organic-inorganic block-copolymerized ceramic precursor that is subjected to real-time microphase separation at the same time as polymer polymerization.

상기 단계 b에서 공중합 반응은 70-90 ℃에서 12-24 시간 동안 수행될 수 있다. The copolymerization reaction in step b may be performed at 70-90° C. for 12-24 hours.

상기 단계 c에서 열처리는 550 ~ 1000 ℃에서 1 ℃ min-1 의 속도로 수행될 수 있다.The heat treatment in step c may be performed at a rate of 1 ℃ min -1 at 550 ~ 1000 ℃.

상기 방법에서, 단계 c의 열처리에 의해, 공중합 반응으로 제조된 유-무기 블락공중합체는 열처리를 통해 유기 블락은 분해되고 무기 블락은 세라믹으로 전환될 수 있다. 더욱 구체적으로 단계 c의 열처리에 의해, 공중합 반응으로 제조된 PEO-b-P(mVSZ-co-DVB) 유-무기 블락공중합체는 열처리를 통해 PEO 유기블락은 분해될 수 있고, P(mVSZ-co-DVB) 블락는 세라믹으로 전환될 수 있다. 최종적으로 메조다공성 탄화규소질화물을 얻을 수 있다.In the above method, by the heat treatment of step c, the organic-inorganic block copolymer prepared by the copolymerization reaction may decompose the organic block and convert the inorganic block into a ceramic through heat treatment. More specifically, by the heat treatment of step c, the PEO-bP (mVSZ-co-DVB) organic-inorganic block copolymer prepared by the copolymerization reaction may decompose the PEO organic block through heat treatment, and P(mVSZ-co- DVB) blocks can be converted to ceramic. Finally, mesoporous silicon carbide nitride can be obtained.

또한, 상기 방법은 상기 화학식 1로 표시되는 유기 고분자의 몰 질량 제어에 의해 세라믹 구조체의 세공 크기를 조절할 수 있다. In addition, the method may control the pore size of the ceramic structure by controlling the molar mass of the organic polymer represented by Chemical Formula 1 above.

상기 화학식 1로 표시되는 화합물의 몰 질량은 10 ~ 20 kgmol-1 일 수 있다.The molar mass of the compound represented by Formula 1 may be 10 to 20 kgmol -1 .

또한 본 발명은 상기 방법으로 제조되고, 3 ~ 11 nm의 직경의 메조기공을 갖는 것을 특징으로 하는 메조다공성 세라믹 구조체를 제공할 수 있다. In addition, the present invention can provide a mesoporous ceramic structure manufactured by the above method, characterized in that it has mesopores having a diameter of 3 to 11 nm.

상기 구조체의 비표면적은 107 ~ 410 m2/g일 수 있다.The specific surface area of the structure may be 107 ~ 410 m 2 /g.

본 발명은 유기-무기 혼성 중합 유도 미세상 분리 (H-PIMS)법으로 메조다공성 세라믹 단일 구조체를 간단하고 직접적으로 제조하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 혼성 중합액의 단순 가열에 의한 유기-무기 혼성 중합에 의해 유도되는 미세상 분리를 통해 겹연속 구조가 형성된 유-무기 블락 공중합체로 전환이 가능하다. 상분리된 유기-무기 혼성중합 전구체는 열처리 PEO 분해하고, 무기고분자의 세라믹 전환을 통해 3차원적으로 연속된 세라믹 골격으로 지탱되는 메조다공성 탄화규소질화물 (SiCxNy) 소재를 얻을 수 있다. 이때 기공으로 유도되는 유기상 PEO 희생 블락의 몰 질량 제어에 의한 세공 크기의 조절이 가능한 특징이 있다.The present invention provides a simple and direct method for preparing a single mesoporous ceramic structure by organic-inorganic hybrid polymerization induced microphase separation (H-PIMS) method. The method can be converted into an organic-inorganic block copolymer in which a double continuous structure is formed through microphase separation induced by organic-inorganic hybrid polymerization by simple heating of the hybrid polymerization solution. The phase-separated organic-inorganic hybrid polymerization precursor is subjected to thermal PEO decomposition, and a mesoporous silicon carbide nitride (SiCxNy) material supported by a three-dimensionally continuous ceramic skeleton can be obtained through ceramic conversion of inorganic polymers. In this case, the pore size can be controlled by controlling the molar mass of the organic phase PEO sacrificial block induced into the pores.

또한 본 발명은, 3차원 연속된 메조다공성 세라믹을 제조하는 기술로 대량합성에 적합하고 성형성이 우수하며 세라믹 전구체를 달리하여 다양한 세라믹 제조에 응용할 수 있으므로 기능성 메조다공성 세라믹 재료 및 에너지 응용분야에 널리 쓰일 수 있다. 아울러 본 발명에 따른 세라믹 구조체는 약 1000℃ 수준의 고온에서 안정한 메조다공성 세라믹으로서 불균일계 촉매 담지체, 물질 분리, 센서 등에 응용될 수 있으며, 경량화 세라믹 소재로서 국방 및 항공우주산업에도 적용가능하다. In addition, the present invention is a technology for manufacturing a three-dimensional continuous mesoporous ceramic, suitable for mass synthesis, excellent formability, and can be applied to various ceramic manufacturing by different ceramic precursors, so it is widely used in functional mesoporous ceramic materials and energy applications. can be used In addition, the ceramic structure according to the present invention is a stable mesoporous ceramic at a high temperature of about 1000 ° C., and can be applied to a heterogeneous catalyst carrier, material separation, sensor, etc., and as a lightweight ceramic material, it is also applicable to the national defense and aerospace industries.

도 1은 성형 가능한 블록 중합체 PEO-b-P (mVSZ-co-DVB) 전구체로부터 메조다공성 SiC 기반 세라믹 구조체를 합성하는 경로를 개략적으로 나타내는 것이다. (A) PEO-CTA, mVSZ, DVB 및 AIBN의 액체 중합 혼합액. (B) RAFT 공중합을 통해 다양한 형태로 성형된 PEO-b-P (mVSZ-co-DVB) 구조체. 가교된 전구체는 중합 동안 실시간 미세상 분리를 유도하는 H-PIMS 공정을 통해 PEO 및 P (mVSZ-co-DVB) 마이크로도메인으로 구성된 이중연속 구조를 가진다. (C) N2 분위기에서 1000 ℃에서 전구체의 열분해에 의해 수득된 SiCN 세라믹 구조체. 3차원적 연속 메조다공성 구조는 PEO 분해에 의해 형성된다. 토치 불꽃으로 가열함으로써 열 안정성을 입증하였다. Mn = 10, 20 kg mol-1 인 PEO-CTA로부터 제조된 시료를 시각화하였다.
도 2는 (A) VSZ 및 (B) 2-IEM으로 개질된 mVSZ의 1H-NMR 스펙트럼이다. 인셋(inset)은 2-IEM의 알켄 양성자 (e) 및 메틸렌 양성자 (c, d)에 상응하는 공명을 나타낸다. δ = 7.18-7.30 및 δ = 2.3의 피크는 수지(resin) 개질 프로세스를 위한 용매로서 사용된 톨루엔으로부터 유래된다.
도 3은 VSZ 및 2-IEM으로 개질된 mVSZ에 대한 FT-IR 분석 결과이다.
도 4는 몰 질량이 다른 PEO-CTA 시료에 대한 것이다. 빨간색 : 11kg mol-1. 파랑 : 22 kg mol-1. (A) SEC 트레이스 (THF, RI 검출기, 1 mL min-1). (B) 1H-NMR 스펙트럼 (CDCl3, 300 MHz, 20℃). 또한 PEO-CTA의 분자 구조를 나타낸다.
도 5는 블록 공중합체 전구체의 메조다공성 세라믹으로의 열분해 전환에 대하여 나타내는 것이다. (A) 온도 증가에 따른 구조적 변화를 개략적으로 나타내는 스킴(scheme). (B) 다양한 온도에서 열처리 후의 FTIR 스펙트럼. (C) 가열 속도 10 ℃min-1에서 N2 하에서의 PEO-CTA, mVSZ 및 PEO-bP (mVSZ-co-DVB)의 TGA 데이터. 다양한 온도에서 열분해된 생성물의 열 안정성은 N2 및 공기 분위기에서의 TGA에 의해 분석되었다. (D-E) 온도가 25에서 400 ℃(D)로, 450에서 750 ℃(E)로 증가하는 PEO-b-P (mVSZ-co-DVB)의 in-situ SAXS 데이터. N2 분위기에서 가열 속도 1 ℃ min-1로 데이터를 얻었다. 모든 시료는 M n = 10 kg mol-1의 PEO-CTA로부터 제조되었다.
도 6은 PEO-CTA (M n =10 kg mol-1), DVB 및 mVSZ에 대한 FT-IR 분석 결과이다.
도 7은 M n = 20 kg mol-1의 PEO-CTA로부터 제조된 PEO-b-P (mVSZ-co-DVB)의 열분해 거동을 나타낸다. 전구체의 최종 세라믹 수율은 49 %이고, 이는 N2 분위기에서 TGA에 의해 측정되었다.
도 8은 다양한 열분해 온도에서 PEO-b-P(mVSZ-co-DVB)의 FT-IR 분석 결과이다. 모든 샘플을 N2 분위기에서 가열 속도 1 ℃ min-1에서 열분해시켰다. M n = 20 kg mol-1의 PEO-CTA로부터 시료를 제조하였다.
도 9는 가교된 (A) homo-PEO/mVSZ/DVB 시료 ([mVSZ]:[DVB] = 4:1에서homo-PEO (M n = 10 kg mol-1)로 중합됨) 및 (B) mVSZ/DVB 샘플 (PEO-CTA 없이 [mVSZ]:[DVB] = 4:1로 중합됨)의 SAXS 분석 결과이다.
도 10은 (A) homo-PEO/mVSZ/DVB, (B) mVSZ/DVB 및 (C) PEO-b-P (mVSZ-co-DVB)의 가교된 고체의 사진 이미지이다. (A) [mVSZ]:[DVB] = 4:1에서 homo-PEO (M n = 10 kg mol-1), (B) PEO-CTA 없이, [mVSZ]:[DVB] = 4:1 (C) [mVSZ]:[DVB] = 4:1에서 PEO-CTA (M n = 10 kg mol-1)의 중합의 의해 시료를 제조하였다. (A) 및 (B)의 불투명 백색 고체 샘플은 미세상 분리가 형성되지 않음을 나타냈다. 한편, (C)는 황색 투명성 구조체는 나노구조의 형성을 입증하고 있다.
도 11은 다양한 열분해 온도에서 DVB가 없는 PEO-b-P(mVSZ-co-DVB) 및 PEO-b-P (mVSZ)의 가교 구조체의 SAXS 분석 결과이다. 모든 시료을 M n = 10 kg mol-1의 PEO-CTA로부터 제조하고, 450 ℃에서 N2 분위기에서 가열 속도 1 ℃ min-1로 열분해시켰다.
도 12는 다양한 열분해 온도에서 M n = 20 kg mol-1을 갖는 PEO-CTA로부터의 PEO-b-P(mVSZ-co-DVB)의 가교된 구조체의 SAXS 분석 결과이다. 흑색 : 전구체, q*=0.22nm-1,d=28.5nm, 적색 : 550 ℃에서 열분해, q*=0.24nm-1,d=25.8nm, 점선(dash) : 650 oC에서 열분해 ,q*=0.26nm-1, d=23.7nm, 청색 : 750 ℃에서 열분해, q*=0.27nm-1,d=22.8nm, 주황색 : 1000 ℃에서 열분해, q*=0.29nm-1,d=21.1nm. 모든 시료는 N2 분위기에서 가열 속도 1 ℃ min-1으로 열처리시켰다.
도 13은 메조다공성 세라믹의 TEM 이미지이다. (A) M n n = 10 kg mol-1의 PEO-CTA로부터 합성, 750℃에서 열처리됨. (B-E) M n n = 20 kg mol-1의 PEO-CTA로부터 합성, 750℃(C) 및 1000℃(C-E)에서 열처리됨. (E)는 TEM-EDX에 의한 원소 맵핑(mappping)을 나타낸다.
도 14는 PEO 몰 질량 및 열분해 온도에 따른 메조다공성 세라믹의 기공 특성을 나타낸 것이다. (A) 질소 흡착 등온선. (B) BJH 기공 크기 분포.
1 schematically shows a route for synthesizing a mesoporous SiC-based ceramic structure from a moldable block polymer PEO-bP (mVSZ-co-DVB) precursor. (A) Liquid polymerization mixture of PEO-CTA, mVSZ, DVB and AIBN. (B) PEO-bP (mVSZ-co-DVB) structures molded into various shapes through RAFT copolymerization. The crosslinked precursor has a double continuous structure composed of PEO and P (mVSZ-co-DVB) microdomains via H-PIMS process leading to real-time microphase separation during polymerization. (C) SiCN ceramic structure obtained by thermal decomposition of the precursor at 1000 °C in N 2 atmosphere. A three-dimensional continuous mesoporous structure is formed by PEO degradation. Thermal stability was demonstrated by heating with a torch flame. Samples prepared from PEO-CTA with M n = 10, 20 kg mol -1 were visualized.
Figure 2 is (A) VSZ and (B) 1 H-NMR spectrum of mVSZ modified with 2-IEM. The inset represents the resonance corresponding to the alkene proton (e) and methylene proton (c, d) of 2-IEM. The peaks at δ = 7.18-7.30 and δ = 2.3 are from toluene used as a solvent for the resin modification process.
3 is an FT-IR analysis result of VSZ and 2-IEM-modified mVSZ.
4 is for PEO-CTA samples with different molar masses. Red: 11 kg mol -1. Blue: 22 kg mol -1 . (A) SEC trace (THF, RI detector, 1 mL min −1 ). (B) 1 H-NMR spectrum (CDCl 3 , 300 MHz, 20°C). It also shows the molecular structure of PEO-CTA.
5 shows the pyrolytic conversion of block copolymer precursors to mesoporous ceramics. (A) Scheme schematically showing structural changes with increasing temperature. (B) FTIR spectra after heat treatment at various temperatures. (C) TGA data of PEO-CTA, mVSZ and PEO-bP (mVSZ-co-DVB) under N 2 at a heating rate of 10 °C min -1 . The thermal stability of the pyrolyzed products at various temperatures was analyzed by TGA in N 2 and air atmosphere. (DE) In-situ SAXS data of PEO-bP (mVSZ-co-DVB) with increasing temperature from 25 to 400 °C (D) and from 450 to 750 °C (E). Data were obtained at a heating rate of 1° C. min −1 in an N 2 atmosphere. All samples were prepared from PEO-CTA with M n = 10 kg mol −1 .
6 is an FT-IR analysis result for PEO-CTA ( M n =10 kg mol -1 ), DVB and mVSZ.
7 shows the thermal decomposition behavior of PEO-bP (mVSZ-co-DVB) prepared from PEO-CTA of M n = 20 kg mol -1 . The final ceramic yield of the precursor was 49%, which was measured by TGA in N 2 atmosphere.
8 is an FT-IR analysis result of PEO-bP (mVSZ-co-DVB) at various pyrolysis temperatures. All samples were pyrolyzed at a heating rate of 1° C. min −1 in an N 2 atmosphere. Samples were prepared from PEO-CTA of M n = 20 kg mol −1 .
Figure 9 shows cross-linked (A) homo-PEO/mVSZ/DVB samples (polymerized to homo-PEO ( M n = 10 kg mol -1 ) at [mVSZ]:[DVB] = 4:1) and (B) SAXS analysis results of mVSZ/DVB samples (polymerized to [mVSZ]:[DVB] = 4:1 without PEO-CTA).
10 is a photographic image of a crosslinked solid of (A) homo-PEO/mVSZ/DVB, (B) mVSZ/DVB and (C) PEO-bP (mVSZ-co-DVB). (A) homo-PEO at [mVSZ]:[DVB] = 4:1 ( M n = 10 kg mol -1 ) , (B) without PEO-CTA, [mVSZ]:[DVB] = 4:1 (C ) [mVSZ]:[DVB] = 4:1 The sample was prepared by polymerization of PEO-CTA ( M n = 10 kg mol −1 ). The opaque white solid samples of (A) and (B) showed that no microphase separation was formed. On the other hand, (C) demonstrates the formation of a nanostructure in the yellow transparent structure.
11 is a SAXS analysis result of a crosslinked structure of PEO-bP (mVSZ-co-DVB) and PEO-bP (mVSZ) without DVB at various pyrolysis temperatures. All samples were prepared from PEO-CTA of M n = 10 kg mol −1 and pyrolyzed at 450° C. in N 2 atmosphere at a heating rate of 1° C. min −1 .
12 is a SAXS analysis result of a cross-linked structure of PEO-bP (mVSZ-co-DVB) from PEO-CTA with M n = 20 kg mol -1 at various pyrolysis temperatures. Black: precursor, q *=0.22 nm -1 , d =28.5 nm, red: pyrolysis at 550 °C, q *=0.24 nm -1 , d =25.8 nm, dashed line: pyrolysis at 650 o C, q * =0.26nm -1 , d =23.7nm, blue: pyrolysis at 750 °C, q *=0.27nm -1 , d =22.8nm, orange: thermal decomposition at 1000 °C, q *=0.29nm -1 , d =21.1nm . All samples were heat-treated in an N 2 atmosphere at a heating rate of 1 °C min -1 .
13 is a TEM image of a mesoporous ceramic. (A) Synthesis from PEO-CTA of M n n = 10 kg mol -1 , heat treated at 750°C. (BE) Synthesized from PEO-CTA of M n n = 20 kg mol −1 , heat treated at 750° C. (C) and 1000° C. (CE). (E) shows elemental mapping by TEM-EDX.
14 shows the pore properties of the mesoporous ceramic according to the PEO molar mass and the thermal decomposition temperature. (A) Nitrogen adsorption isotherms. (B) BJH pore size distribution.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 유기-무기 혼성 중합에 의해 유도되는 미세상분리 (organic-inorganic hybrid polymerization-induced microphase separation, H-PIMS)법을 통해 3차원적으로 연속된 세공 구조를 지니는 메조다공성 세라믹 소재를 쉽게 제조하고 성형할 수 있는 방법에 관한 것이다. 유-무기 블록 공중합체를 먼저 합성하고 미세상분리를 유도하는 기존의 방법과 달리, 유-무기 블록 공중합체가 합성되는 동안 미세상분리를 유도하여 겹연속(bicontinuous) 구조를 고정하는 기술을 통해 액상의 중합 혼합액을 바로 미세상분리를 통해 겹연속 구조가 형성된 유-무기 블록 공중합체로 전환할 수 있다. 중합은 단순히 혼합액을 가열하면 일어나므로, 적당한 용기에 중합 혼합액을 담고 중합함으로써 원하는 형상으로 성형된 유-무기 블록 공중합체를 쉽게 얻을 수 있다. 이를 열처리하여 유기 고분자를 분해하고 무기 고분자를 세라믹으로 전환하면 3차원적으로 연속된 세라믹 골격으로 지탱되는 메조다공성 세라믹 소재를 얻을 수 있다.The present invention easily manufactures a mesoporous ceramic material having a three-dimensionally continuous pore structure through an organic-inorganic hybrid polymerization-induced microphase separation (H-PIMS) method, It relates to a method that can be molded. Unlike the conventional method of synthesizing organic-inorganic block copolymers first and inducing microphase separation, liquid The polymerization mixture can be directly converted into an organic-inorganic block copolymer having a double continuous structure through microphase separation. Since polymerization occurs simply by heating the mixture, an organic-inorganic block copolymer molded into a desired shape can be easily obtained by placing the polymerization mixture in a suitable container and polymerization. If the organic polymer is decomposed by heat treatment and the inorganic polymer is converted into ceramic, a mesoporous ceramic material supported by a three-dimensionally continuous ceramic skeleton can be obtained.

본 발명은 3차원 연속 메조다공성 세라믹 구조를 중합 혼합액으로부터 직접적으로 합성할 수 있으며, 또한 다른 추가 과정 없이 열처리만으로 3차원 연속 메조다공성 구조체의 직접적인 제조가 가능하며 유기 고분자의 몰질량 및 열분해 온도를 변화시킴으로써 기공 크기 조절이 가능하다는 장점이 있다.According to the present invention, a three-dimensional continuous mesoporous ceramic structure can be directly synthesized from a polymerization mixture, and a three-dimensional continuous mesoporous structure can be directly manufactured only by heat treatment without any additional process, and the molar mass and pyrolysis temperature of organic polymers can be changed. This has the advantage of being able to control the pore size.

세공 크기는 PEO의 몰질량 및 열분해 온도를 변화시켜 3-11 nm의 범위에서 조절할 수 있다. 특히 1000 ℃에서도 직경 9.1 nm, 비표면적 107 m2/g을 유지하는 것으로 보아 열적 안정성이 매우 높음을 확인하였다. The pore size can be controlled in the range of 3-11 nm by changing the molar mass and pyrolysis temperature of PEO. In particular, it was confirmed that the thermal stability was very high as it maintained a diameter of 9.1 nm and a specific surface area of 107 m 2 /g even at 1000 °C.

세라믹 골격구조는 분리 및 촉매 작용과 같은 고온 작업에 중요한 메조다공성 물질에 높은 열 안정성을 제공한다. 본 발명은, 유기-무기 혼성 중합 유도 미세상 분리(H-PIMS, hybrid polymerization-induced microphase separation) 법을 통해 3차원적으로 연속 메조다공성 세라믹 구조물(3D continuous mesoporous ceramic monoliths)의 제조방법을 제공할 수 있다. 변형된 실라잔 단량체의 제어된 라디칼 중합은 가교된 블록 중합체를 생성하고 동시에 희생(sacrificial) 및 세라믹전구체 마이크로도메인으로의 미세상 분리를 유도할 수 있다. 전구체의 열분해는 구조체 형상을 유지하고 미세상 분리된 모폴로지로부터 유도된 메조기공 구조를 갖는 탄화질화규소 (SiCxNy)을 생성하고, 희생 중합체 블록의 몰 질량 제어에 의해 기공 크기 제어를 가능하게 한다. 메조다공성 세라믹 재료의 성형가능하고 확장가능한 합성은 어드밴스드 머티리얼(advanced materials) 및 에너지 응용 분야에 유용하다. The ceramic framework provides high thermal stability to mesoporous materials, which are important for high-temperature operations such as separation and catalysis. The present invention provides a method for manufacturing 3D continuous mesoporous ceramic monoliths in three dimensions through an organic-inorganic hybrid polymerization-induced microphase separation (H-PIMS) method. can Controlled radical polymerization of modified silazane monomers can produce crosslinked block polymers and simultaneously induce sacrificial and microphase separation into ceramic precursor microdomains. The pyrolysis of the precursor produces silicon carbonitride (SiCxNy) with a mesopore structure derived from a microphase-separated morphology that maintains the structure shape and enables pore size control by controlling the molar mass of the sacrificial polymer block. The formable and scalable synthesis of mesoporous ceramic materials is useful for advanced materials and energy applications.

본 발명에서는, 희생블락으로 유기고분자 단량체, 무기고분자 단량체 및 탄소원으로써 비닐 가교제를 포함하는 균질 중합 혼합액로 시작하는 합성 경로를 제시한다.In the present invention, a synthetic route starting with a homogeneous polymerization mixture containing an organic polymer monomer as a sacrificial block, an inorganic polymer monomer and a vinyl crosslinking agent as a carbon source is presented.

상기 혼합물은 3D 연속 메조다공성 구조 (continuous mesoporous structure)를 갖는 SiC 기반 세라믹 구조체의 전구체로서 무질서한 이중연속성 형태를 갖는 미세상 분리된 블록 공중합체 (microphase-separated block polymer)를 자발적으로 생성하도록 중합된다.The mixture is polymerized to spontaneously produce a microphase-separated block polymer having a disordered bicontinuous morphology as a precursor of a SiC-based ceramic structure having a 3D continuous mesoporous structure.

본 발명에 따른 유기-무기 혼성 중합 유도 미세상 분리 (H-PIMS)법은 외부 템플릿 및 추가 어닐링 공정을 사용하지 않고, 중합하는 동안 이중연속적으로 나노 구조화된 블록공중합체를 실시간으로 생성할 수 있다. 성형된 중합체 구조체는 메조다공성 탄화질화규소(SiCxNy)로 용이하게 제조 및 전환되어 높은 열 안정성을 나타낼 수 있다. 기공 크기는 다양한 몰 질량의 PEO 및 열분해 온도에 의해 3 내지 11 nm의 범위에서 제어될 수 있다. 이러한 접근법은 고온 소결 공정과 관련된 어려움을 피함으로써 분말 기반 세라믹 기술을 액상 기반(liquid-based)으로 바꿀 수 있고, 미세 반응기 미세 유체 분리를 포함한 다목적 응용 분야에서 메조다공성 세라믹의 새로운 가능성을 제공할 수 있다.The organic-inorganic hybrid polymerization induced microphase separation (H-PIMS) method according to the present invention can produce a double-continuous nano-structured block copolymer in real time during polymerization without using an external template and an additional annealing process. . The molded polymeric structures can be easily fabricated and converted to mesoporous silicon carbide (SiC x N y ) to exhibit high thermal stability. The pore size can be controlled in the range of 3-11 nm with various molar masses of PEO and pyrolysis temperature. This approach could turn powder-based ceramic technology into a liquid-based one by avoiding the difficulties associated with high-temperature sintering processes, and could provide new possibilities for mesoporous ceramics in multi-purpose applications including micro-reactor microfluidic separation. there is.

메조다공성 SiCN 세라믹으로의 합성 경로는 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 본 발명의 일 실시 예로써는, H-PIMS 공정은 폴리(에틸렌 옥사이드)(poly(ethylene oxide), PEO)를 유기 고분자로 사용하고 세라믹 전구체로 잘 알려진 비닐실라잔(vinyl silazane, VSZ)기반의 고분자를 무기고분자로 사용하여 블록 공중합체를 제조한다. 말단에 연쇄전달제(chain transfer agent, CTA)를 포함하는 PEO 고분자를 제조하고, 이의 존재 하에서 비닐실라잔(vinylsilazane, VSZ)에 2-아이소시아네이토에틸 메타크릴레이트 (2isocyanatoethyl methacrylate)를 반응시켜 메타크릴레이트 (methacrylate) 그룹이 치환된 mVSZ를 라디칼 중합하면 가역적 첨가-분절 연쇄전달(reversible addition-fragmentation chain transfer, RAFT) 중합 메커니즘에 따라 PEO-b-PmVSZ 공중합체가 얻어진다. 이때 중합에 의해 유도되는 미세상분리 구조로서 무질서한 겹연속 구조를 고정하기 위하여 탄소로 전환될 수 있는 방향족 고리를 포함하는 디비닐벤젠(divinylbenzen, DVB)을 공단량체로 첨가하여 PEO-b-P(mVSZ-co-CVB)를 합성한다. 미세상 분리는 중합이 진행됨에 따라 상분리 강도가 증가되면서 자발적으로 발생하고, 동시에 가교 결합은 무질서한 이중연속성 구조(bicontinuous morphology)를 고정시킨다.The synthetic route to the mesoporous SiCN ceramic is schematically shown in FIG. 1 . As an embodiment of the present invention, the H-PIMS process uses poly(ethylene oxide) (PEO) as an organic polymer and a well-known ceramic precursor (vinyl silazane, VSZ)-based polymer is used as an inorganic polymer to prepare a block copolymer. Prepare a PEO polymer containing a chain transfer agent (CTA) at the end, and react 2-isocyanatoethyl methacrylate with vinylsilazane (VSZ) in the presence of it Radical polymerization of mVSZ substituted with a methacrylate group results in a PEO-b-PmVSZ copolymer according to a reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization mechanism. At this time, divinylbenzen (DVB) containing an aromatic ring that can be converted to carbon is added as a comonomer to fix the disordered double-continuous structure as a microphase separation structure induced by polymerization, and PEO-bP (mVSZ-co -CVB) is synthesized. Microphase separation occurs spontaneously as the phase separation strength increases as polymerization proceeds, and at the same time, cross-linking fixes the disordered bicontinuous morphology.

비닐실라잔(VSZ)의 RAFT 중합은 비닐기의 낮은 반응 활성도로 인해 제어하기 어려웠지만, 메타크릴레이트 모이어티(moiety)를 도입하여 사슬 말단에서 트리티오카보네이트기(trithiocarbonate group)에 의해 블록 중합체의 합성이 가능하다 (도 4). 또한, 비닐실라잔에 메타크릴레이트가 도입됨에 따라, 세라믹 골격구조의 기계적 안정성 및 치수 안정성을 유지하는데 중요한 요소로 작용 될 수있다.RAFT polymerization of vinylsilazane (VSZ) was difficult to control due to the low reaction activity of the vinyl group, but a methacrylate moiety was introduced at the chain end to form a block polymer by a trithiocarbonate group. Synthesis is possible (Fig. 4). In addition, as methacrylate is introduced into vinylsilazane, it can act as an important factor in maintaining the mechanical stability and dimensional stability of the ceramic skeleton structure.

일반적으로, 중합 혼합물은 mVSZ와 DVB의 혼합물 ([mVSZ] : [DVB] 몰비 = 4 : 1)에서 수 평균 몰 질량 M n= 10 또는 20kg mol-1을 갖는 PEO-CTA 30 중량%를 함유한다. 중합 혼합물에 DVB를 포함시키는 것은 P(mVSZ-co-DVB)와 PEO 사이의 분리 강도를 증가시킴으로써 미세상 분리를 유도하고, 또한 열분해시 탄소로 전환됨으로써 세라믹 골격을 안정화시키는데 중요하다. RAFT 공중합을 80℃에서 24 시간 동안 열 라디칼 개시제로서 아조비스이소부티로니트릴(azobisisobutyronitrile, AIBN)과 함께 수행하여 정량적 수율 (93.2 %)로 가교된 블록 중합체 PEO-bP (mVSZ-co-DVB)를 생성하였다 (도 1A). 그 후 N2 분위기에서 140 ℃로 가열하여, 잔류 이중 결합(remaining double bonds)의 소비에 의해 전구체를 추가로 강화시켰다. 황색 중합 전구체가 N2 분위기에서 550 ~ 1000 ℃에서 열처리되면, P(mVSZ-co-DVB) 블록은 세라믹 고체 골격으로 점진적으로 전환되는 반면 PEO는 분해되어 메조다공성 세공을 생성하였다 (도 1B 및 1C). 열처리에 따른 수축률은 각각 550 및 1000 ℃에서 ~ 19 및 ~ 32 %로 측정되었다. 열처리 동안 겹연속구조의 특성으로 인해 등방성 수축(isotropic shrinkage)을 가져오기 때문에 변형 또는 균열 형성이 관찰되지 않았다. 1000 ℃에서 열처리된 세라믹 구조체가 토치 불꽃에 노출되었을 때 그 모양을 유지하는데, 이는 우수한 열 안정성을 나타낸다.In general, the polymerization mixture contains 30% by weight of PEO-CTA with a number average molar mass M n = 10 or 20 kg mol −1 in a mixture of mVSZ and DVB ([mVSZ] : [DVB] molar ratio = 4 : 1) . The inclusion of DVB in the polymerization mixture induces microphase separation by increasing the separation strength between P(mVSZ-co-DVB) and PEO, and is also important for stabilizing the ceramic skeleton by conversion to carbon upon pyrolysis. RAFT copolymerization was performed with azobisisobutyronitrile (AIBN) as a thermal radical initiator at 80 °C for 24 h to obtain a quantitative yield (93.2%) of the crosslinked block polymer PEO-bP (mVSZ-co-DVB). generated ( FIG. 1A ). It was then heated to 140 °C in an N 2 atmosphere to further strengthen the precursor by consumption of remaining double bonds. When the yellow polymerization precursor was heat treated at 550 ~ 1000 °C in an N 2 atmosphere, the P(mVSZ-co-DVB) block was gradually converted into a ceramic solid framework, while PEO was decomposed to produce mesoporous pores (Figs. 1B and 1C). ). The shrinkage following heat treatment was measured to be ~19 and ~32% at 550 and 1000 °C, respectively. No deformation or crack formation was observed during the heat treatment, as it causes isotropic shrinkage due to the nature of the double-continuous structure. The ceramic structure heat treated at 1000 °C retains its shape when exposed to a torch flame, which shows excellent thermal stability.

온도 상승에 따른 PEO 제거를 통한 메조다공성 세라믹의 형성 과정을FTIR, TGA(thermogravimetric analysis) 및 in-situ SAXS(small angle X-ray scattering)를 온도 상승에 따라 분석하고 그 결과를 도 5A에 나타내었다. 450 ~ 550 ℃의 온도 범위에서 FTIR 스펙트럼의 큰 변화가 확인되었다 (도 5B). N-H 및 Si-H에 해당하는 2300 cm-1 및 3400 cm-1 에서 2 개의 진동 밴드는 ~Si-NH-Si~에서 ~Si-N(Si)-Si~ 로부터의 아미노화 반응에 의해 완전히 사라졌다. PEO 및 기타 유기 성분의 열분해로 인해, C-H 스트레칭의 경우 2900 cm-1, C-O 스트레치의 경우 1100 cm-1, Si-CH3의 경우 1300 cm-1의 피크 강도는 크게 감소하였다 (도 6).결국 1000 ℃에서 열분해 후 1200cm-1에서 800cm-1까지 하나의 넓은 중첩 피크만이 나타났으며, 이는 중첩된 Si-N 및 Si-C 스트레칭 진동에 할당되어(assigned) 고분자 전구체가 무기 상태로 완전히 전환되었음을 나타낸다.FTIR, thermogravimetric analysis (TGA), and in-situ small angle X-ray scattering (SAXS) were analyzed according to the temperature rise for the formation process of the mesoporous ceramic through PEO removal according to the temperature rise, and the results are shown in FIG. 5A . A large change in the FTIR spectrum was confirmed in the temperature range of 450 to 550 °C (Fig. 5B). The two vibrational bands at 2300 cm -1 and 3400 cm -1 corresponding to NH and Si-H disappear completely by the amination reaction from ~Si-NH-Si to Si-N(Si)-Si. lost. Due to the thermal decomposition of PEO and other organic components, the peak intensities of 2900 cm -1 for CH stretch, 1100 cm -1 for CO stretch, and 1300 cm -1 for Si-CH 3 were significantly reduced (FIG. 6). In the end, only one broad overlapping peak from 1200 cm -1 to 800 cm -1 appeared after pyrolysis at 1000 ° C, which was assigned to the overlapping Si-N and Si-C stretching vibrations so that the polymer precursor was completely transformed into an inorganic state. indicates that it has been converted.

FTIR에 의해 관찰된 화학적 변환은 TGA 데이터에서의 무게 감소와 일치한다. PEO-b-P(mVSZ-co-DVB) 전구체는 주로 P(mVSZ-co-DVB)에서 일부 유기 성분의 제거와 함께 30 wt% 분율을 갖는 PEO의 열분해로 인해 550 ℃에서 45 wt%의 질량감소를 나타냈다. 단량체 PEO-CTA는 400 ℃에서 거의 완전히 분해되었다. 세라믹 수율은 1000 ℃에서 51 %였다 (도 5C). 고온의 열처리에도 불구하고 PEO-b-P(mVSZ-co-DVB)의 세라믹 수율과 pristine mVSZ 수율이 (72 %) 유사한 이유는, P(mVSZ-co-DVB) 블락에서 DVB가 탄소기반 가교제로서 견고한 골격구조를 견디도록 하는 중요한 기여 때문이다. 마지막으로, 1000 ℃에서의 열처리된 시료의 경우 750 ℃에서의 열처리 시료와 달리, 질소 또는 1000 ℃ 이하의 공기에 노출될 때 관찰 가능한 무게 변화를 나타내지 않았다. 명백하게, 1000 ℃에서의 열처리는 무기고분자를 열적으로 안정한 세라믹 상으로 완전히 전환시켰다. Mn = 20 kg mol-1의 PEO-CTA로 제조된 PEO-b-P(mVSZ-co-DVB)도 열분해에서 유사한 열 거동을 보였으며 동일한 방식으로 세라믹으로 성공적으로 전환되었다 (도 7 및 도 8).The chemical transformation observed by FTIR is consistent with weight loss in the TGA data. The PEO-bP(mVSZ-co-DVB) precursor showed a mass loss of 45 wt% at 550 °C mainly due to the pyrolysis of PEO with a 30 wt% fraction with removal of some organic components from P(mVSZ-co-DVB). showed The monomeric PEO-CTA was almost completely decomposed at 400 °C. The ceramic yield was 51% at 1000 °C (Fig. 5C). The reason that the ceramic yield of PEO-bP (mVSZ-co-DVB) and the pristine mVSZ yield are similar (72 %) in spite of high-temperature heat treatment Because of its important contribution to making the structure bearable. Finally, the sample annealed at 1000 °C did not show any observable weight change when exposed to nitrogen or air below 1000 °C, unlike the sample annealed at 750 °C. Obviously, heat treatment at 1000 °C completely converted the inorganic polymer into a thermally stable ceramic phase. PEO-bP (mVSZ-co-DVB) prepared from PEO-CTA with M n = 20 kg mol −1 also showed similar thermal behavior in pyrolysis and was successfully converted to ceramics in the same way ( FIGS. 7 and 8 ). .

또한 in-situ SAXS 분석을 통해 열처리 중 구조적 변화를 실시간 분석하였다. 140 ℃에서 합성된 PEO-b-P(mVSZ-co-DVB)는 산란 벡터(scattering vector) q* = 0.41 nm-1 (도메인 간격 d = 2π/ q * = 15.3 nm)에서 넓은 산란 피크를 나타내었는데, 이는 PIMS 공정에 의해 생성된 PEO 및 P (mVSZ-co-DVB) 마이크로도메인으로 구성된 무질서한 겹연속성 구조와일치하였다. 고차 산란 피크가 없다는 것은 전구체에서 정렬된 구조의 배열이 낮음을 나타낸다. CTA moiety/mVSZ/DVB 또는 mVSZ/DVB없이 PEO를 함유하는 혼합물의 자유 라디칼 중합에 의해 수득된 샘플은 SAXS 데이터에서 산란 피크를 나타내지 않았다는 것이 주목할 만하다 (도 9 및 10). 따라서, macro-CTA의 존재 하에서의 RAFT 중합은 실시간 미세상 분리를 갖는 유기-무기 블록 중합체를 성장시키는데 필수적이라고 할 수 있다.In addition, structural changes during heat treatment were analyzed in real time through in-situ SAXS analysis. PEO-bP (mVSZ-co-DVB) synthesized at 140 ° C showed a broad scattering peak at the scattering vector q* = 0.41 nm -1 (domain spacing d = 2π/ q * = 15.3 nm), This was consistent with the disordered bicontinuity structure composed of PEO and P (mVSZ-co-DVB) microdomains generated by the PIMS process. The absence of higher-order scattering peaks indicates a low alignment of the ordered structures in the precursor. It is noteworthy that samples obtained by free radical polymerization of mixtures containing PEO without CTA moiety/mVSZ/DVB or mVSZ/DVB showed no scattering peaks in the SAXS data (Figures 9 and 10). Therefore, it can be said that RAFT polymerization in the presence of macro-CTA is essential to grow organic-inorganic block polymers with real-time microphase separation.

산란 강도는 P(mVSZ-co-DVB) 도메인의 잔류 이중 결합이 소비됨으로써 상분리 정도가 증가했기 때문에 q*에서 더 낮은 q로의 이동과 함께 400 ℃까지 지속적으로 증가 하였다. 450 ~ 600 ℃에서, 산란 패턴의 급격한 변화가 관찰되었으며, 더 높은 q 영역에서 피크 강도의 큰 감소와 함께 기울기가 감소하였다. PEO의 분해 및 P (mVSZ-co-DVB)에서의 수반된 트랜스아미네이션은 미세상 분리된 구조를 다소 혼화시키고 모호한 계면을 형성하는 것으로 보인다. 그러나, 중합 구조체가 650 ℃ 이상 열처리될 때, 산란 강도는 q*에서 더 높은 q 0.55nm-1 로의 상당한 이동과 함께 다시 증가되었다. FT-IR 및 TGA 데이터에 기초하여, 전구체로부터 PEO 유기 희생블록의 완전한 제거는 메조다공성 세공을 생성하여 공기로 채워진 세라믹 골격블락과 높은 높은 전자 밀도차를 생성하는 것으로 해석된다. 동시에, P (mVSZ-co-DVB) 도메인의 세라믹 상으로의 열분해 전환은 치밀화로 인해 나노 스케일에서 등방성 수축을 유도하였다. 두 마이크로도메인에서의 커다란 변화(catastrophic change)는 q* 이동에 의해 반영된 바와 같이 d-spacing 의 상당한 감소를 초래했다. DVB없이 합성된 PEO-b-P(mVSZ)는 무질서한 이중겹연속성 구조와 일치하는 산란 피크를 보여 주었지만 450 ℃에서 피크가 사라졌다(도 11). 이것은 P(mVSZ-co-DVB) 도메인에서 DVB의 존재가 메조다공성 구조의 치수 안정성을 보존하는데 유리하다는 것을 시사한다.The scattering intensity continued to increase up to 400 °C with a shift from q* to a lower q because the degree of phase separation increased due to consumption of residual double bonds in the P(mVSZ-co-DVB) domain. At 450 ~ 600 °C, a sharp change in the scattering pattern was observed, and the slope decreased with a large decrease in peak intensity in the higher q region. The degradation of PEO and the accompanying transamination at P(mVSZ-co-DVB) appear to somewhat miscible the microphase separated structures and form ambiguous interfaces. However, when the polymeric structures were heat treated above 650° C., the scattering intensity increased again with a significant shift from q* to higher q 0.55 nm −1 . Based on the FT-IR and TGA data, it is interpreted that the complete removal of the PEO organic sacrificial block from the precursor creates mesoporous pores, resulting in a high electron density difference with the air-filled ceramic framework block. At the same time, the pyrolytic conversion of the P (mVSZ-co-DVB) domain to the ceramic phase induced isotropic shrinkage at the nanoscale due to densification. Catastrophic changes in both microdomains resulted in a significant decrease in d-spacing as reflected by the q* shift. PEO-bP (mVSZ) synthesized without DVB showed a scattering peak consistent with the disordered double-fold continuity structure, but the peak disappeared at 450 °C (Fig. 11). This suggests that the presence of DVB in the P(mVSZ-co-DVB) domain is beneficial for preserving the dimensional stability of the mesoporous structure.

세라믹 구조체 치수 측정, TGA 및 SAXS 분석에 의한 선형 수축(linear contraction) Linear contraction by ceramic structure dimension measurement, TGA and SAXS analysis Processing Temperature (oC)Processing Temperature ( o C) Monolith
length (cm)
Monolith
length (cm)
TGA weight
percentage (%)
TGA weight
percentage (%)
SAXS d-spacing (nm)SAXS d-spacing (nm)
PEO-CTA-10Ka PEO-CTA-10K a PEO-CTA-20Kb PEO-CTA-20K b 140140 1.201.20 100100 15.315.3 28.528.5 550550 0.980.98 57.057.0 12.512.5 25.825.8 650650 -- 54.854.8 11.411.4 23.723.7 750750 -- 52.852.8 11.111.1 22.822.8 100100 0.820.82 51.051.0 -- 21.121.1

aN2 분위기에서 가열 속도 1 ℃ min-1로 온도를 25 ℃에서 750 ℃로 증가시킴에 따른 in-situ SAXS 분석으로부터 d-spacing이 추정되었다. M n = 10 kg mol-1의 PEO-CTA로부터 시료를 제조하였다.d-spacing was estimated from in-situ SAXS analysis by increasing the temperature from 25 °C to 750 °C at a heating rate of 1 °C min -1 in a N 2 atmosphere. A sample was prepared from PEO-CTA of M n = 10 kg mol −1 .

bSAXS 분석으로부터 d-spacing 이 추정되었다. N2 분위기에서 처리 온도를 갖는 M n = 20 kg mol-1의 PEO-CTA로부터 시료를 제조하였다. b d-spacing was estimated from SAXS analysis. A sample was prepared from PEO-CTA of M n = 20 kg mol −1 with a treatment temperature in N 2 atmosphere.

시료를 750 ℃로 추가로 가열할 때, d-spacing 은 ca. 28 % 수축에 상응하여 11.1 nm로 약간 감소되었다(표 1). in-situ SAXS 실험의 온도 범위의 제한으로 인해, 1000 ℃에서 열처리된 시료는 통상적인 SAXS 실험에 의해 분석되었다. 프레임워크가 큰 자유 표면 에너지로부터 높은 라플라스 압력(Laplace pressure)을 견딜 수 없었기 때문에 기공 붕괴가 발생했음을 암시할 수 있는 피크는 나타나지 않았다(도12). 한편, 더 큰 몰 질량 PEO-CTA (Mn = 20 kg mol-1)로 합성된 PEO-b-P (mVSZ-co-DVB) 전구체는 더 큰 메조기공을 생성하고 1000 ℃에서의 열처리 후에도 유지되었다. 온도에 따른 q*의 변화는 일반적으로 Mn = 10kg mol-1의 전구체와 유사하지만, q* 위치는 훨씬 더 작아서 보다 큰 메조기공이 형성됨을 나타낸다. 합성된 시료의 d-spacing, 750 및 1000 ℃에서 열분해된 값은 각각 28.5, 22.8 및 21.1 nm였다 (도 13). 다양한 성형 구조물변화에 따른 측정값의 d-spacing 수축률은 (21.1 / 28.5 nm = 74 > 26 %) 거시적 수축(macroscopic contraction)(68 > 32 %)과 유사하다. 이는 PEO 몰 질량을 조정함으로써 세공 크기를 제어하는 이러한 접근에 의해 >1000 ℃ 에서 안정한 메조다공성 세라믹을 생성할 수 있음을 시사한다.When the sample was further heated to 750 °C, the d-spacing was ca. It decreased slightly to 11.1 nm corresponding to 28% shrinkage (Table 1). Due to the limitation of the temperature range of the in-situ SAXS experiment, the sample annealed at 1000 °C was analyzed by a conventional SAXS experiment. No peaks appeared suggesting that pore collapse occurred because the framework could not withstand the high Laplace pressure from the large free surface energy (Figure 12). On the other hand, the PEO-bP (mVSZ-co-DVB) precursor synthesized with a larger molar mass PEO-CTA (M n = 20 kg mol −1 ) produced larger mesopores and was retained even after heat treatment at 1000 °C. The change of q* with temperature is generally similar to the precursor of M n = 10 kg mol -1 , but the q* position is much smaller, indicating the formation of larger mesopores. The d-spacing and thermally decomposed values of the synthesized sample at 750 and 1000 °C were 28.5, 22.8, and 21.1 nm, respectively (FIG. 13). The d-spacing shrinkage of the measured values according to various structural changes (21.1 / 28.5 nm = 74 > 26 %) is similar to that of macroscopic contraction (68 > 32 %). This suggests that this approach of controlling the pore size by adjusting the PEO molar mass can produce stable mesoporous ceramics at >1000 °C.

도 14는 몰 질량이 다른 2 개의 PEO-CTA으로부터 제조된 메조다공성 세라믹의 TEM 이미지이다. 일반적으로, 무질서한 웜홀 형상의(wormhole-like) 세공은 PIMS 공정에 의해 생성된 3 차원적으로 상호 연결된 메조 기공과 일치하는 것으로 관찰되었다.14 is a TEM image of a mesoporous ceramic prepared from two PEO-CTAs with different molar masses. In general, disordered wormhole-like pores were observed to be consistent with the three-dimensionally interconnected mesopores generated by the PIMS process.

Mn = 10 kg mol-1을 갖는 PEO-CTA로부터 합성된 유-무기 블락공중합체를 750 ℃에서 열분해 후, ca.3 nm의 메조기공을 생성하였다(도 14A). Mn = 20 kg mol-1을 갖는 PEO-CTA로부터 합성된 유-무기 블락공중합체를 750 및 1000 ℃ 에서 열분해 후, 더 큰 ca. 9 nm의 메조기공을 생성하였다. (도 14B 및 14C). HR-TEM 이미지는 흑연 (3.35 ㅕ)의 고유의(intrinsic)(002) 간격과 유사한 3.25 ㅕ의 간격을 갖는 P(mVSZ-co-DVB) 도메인의 DVB에서 유래된 흑연질 탄소 상(graphitic carbon phase)을 나타내었다(도 14D). 1000 ℃에서 얻은 메조다공성 세라믹의 EDX(Energy dispersive X-ray spectroscopy) 맵핑은 SiC1.32O0.68N0.33 세라믹 상(phase) 나타내고, 이는 순수한 VSZ 전구체로부터 수득된 SiC0.57O0.41N0.51 세라믹과 비교하여 탄소가 더 풍부하다.The organic-inorganic block copolymer synthesized from PEO-CTA having M n = 10 kg mol −1 was thermally decomposed at 750° C., and mesopores of ca.3 nm were generated ( FIG. 14A ). After pyrolysis of the organic-inorganic block copolymer synthesized from PEO-CTA having M n = 20 kg mol −1 at 750 and 1000° C., a larger ca. 9 nm mesopores were created. (FIGS. 14B and 14C). HR-TEM images showed that the DVB-derived graphitic carbon phase of the P(mVSZ-co-DVB) domain with a spacing of 3.25 s, similar to the intrinsic (002) spacing of graphite (3.35 ㅕ). ) was shown ( FIG. 14D ). Energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) mapping of the mesoporous ceramic obtained at 1000 °C shows a SiC 1.32 O 0.68 N 0.33 ceramic phase, which is carbon compared to SiC 0.57 O 0.41 N 0.51 ceramic obtained from a pure VSZ precursor. is more abundant

메조다공성 세라믹의 세공 특성은 도 15 및 표 2에 도시된 바와 같이 77K에서 수행된 질소 흡착 등온선 측정에 의해 분석되었다. 시료는 PEO 제거에 의해 생성된 메조세공의 존재를 입증하고, 높은 상대 압력 (P/P0)에서 히스테리시스를 갖는 IV 형 흡착 등온선을 나타냈다. 낮은 P/P0에서의 상당한 흡착은 미소세공(micropore)이 메조다공성 골격(mesoporous framework)에 공존함을 시사한다.The pore properties of the mesoporous ceramics were analyzed by nitrogen adsorption isotherm measurements performed at 77 K as shown in FIG. 15 and Table 2. The sample demonstrated the presence of mesopores created by PEO removal and exhibited a type IV adsorption isotherm with hysteresis at high relative pressures (P/P 0 ). The significant adsorption at low P/P 0 suggests that micropores coexist in the mesoporous framework.

10 kg mol-1 PEO-CTA에 의해 템플릿화된 세공 크기는 BJH(Barrett-Joyner-Halenda) 분석에 의해 ca.3 nm로 추정되었고, 이는 TEM 이미지와 잘 일치 하였다 (상세한 세공 특성은 표 2에 요약되어 있다). BET(Brunauer-Emmett-Teller) 분석에 기초한 비표면적은 410 m2g-1이었다(도 4, 검은색). PEO 몰 질량을 20 kg mol-1로 증가시키면 기공 크기가 9 nm로 증가하였고, TEM 및 SAXS 분석과 일치하였다. 이는 블록 공중합체 자기-조립 원리에 의한 메조기공 크기의 제어 가능성을 지지한다(도 15B). 750 ℃에서 열분해에 의해 수득된 샘플과 비교하여, 1000 ℃ 로의 가열은 메조기공 크기를 변경시키지 않지만 골격의 치밀화에 의해 미세 다공성(microporosity)을 상당히 감소시킨다. 이는 낮은 P/P0에서 흡수가 감소하여 BET 표면적 (343 ~ 107 m2g-1)이 작아지는 것에 의해 입증된다. Mn = 20 kg mol-1인 PEO-CTA의 경우, 기공 크기 분포에서 3.8 nm에 해당하는 메조기공이 인장 강도 효과로 인해 인위적으로 나타날 수 있다The pore size templated by 10 kg mol -1 PEO-CTA was estimated to be ca.3 nm by BJH (Barrett-Joyner-Halenda) analysis, which was in good agreement with the TEM image (detailed pore properties are shown in Table 2). summarized). The specific surface area based on BET (Brunauer-Emmett-Teller) analysis was 410 m 2 g −1 ( FIG. 4 , black). Increasing the PEO molar mass to 20 kg mol −1 increased the pore size to 9 nm, consistent with TEM and SAXS analysis. This supports the controllability of the mesopore size by the block copolymer self-assembly principle (Fig. 15B). Compared to the sample obtained by pyrolysis at 750° C., heating to 1000° C. does not change the mesopore size but significantly reduces microporosity by densification of the scaffold. This is evidenced by a decrease in absorption at low P/P 0 , resulting in smaller BET surface areas (343 to 107 m 2 g −1 ). In the case of PEO-CTA with M n = 20 kg mol -1 , mesopores corresponding to 3.8 nm in the pore size distribution may appear artificially due to the tensile strength effect.

Mn = 10, 20 kg mol-1의 PEO-CTA로부터 제조된, 650 ~ 1000 ℃에서 열분해된 2 종의 혼성 중합체의 표면적 및 기공 크기 분포 (질소 흡착 등온선에 의해 측정).Surface area and pore size distribution (measured by nitrogen adsorption isotherms) of the two interpolymers pyrolyzed at 650-1000 °C, prepared from PEO-CTA of M n = 10, 20 kg mol -1 . SampleSample Processing
Temperature (oC)
Processing
Temperature ( o C)
S BET (m2 g-1)a S BET ( m 2 g -1)a D BJH (nm)b D BJH (nm) b
microporesmicropores mesoporesmesopores totaltotal PEO-CTA-10Kc
(M n = 10 kg mol-1)
PEO-CTA-10K c
( M n = 10 kg mol -1 )
650650 222222 150150 372372 4.24.2
750750 194194 216216 410410 3.23.2 10001000 -- 33 33 -- PEO-CTA-20Kd
(M n = 20 kg mol-1)
PEO-CTA-20K d
( M n = 20 kg mol -1 )
650650 147147 105105 253253 11.611.6
750750 119119 223223 343343 9.49.4 10001000 33 104104 107107 9.19.1

a 표면적은 0.05 < P/P0 < 0.35 사이의 지점에서 멀티포인트 BET 분석으로 결정된다. 마이크로기공 표면적은 0.2 < P/P0 < 0.45 사이의 지점으로부터 t-플롯 방법에 의해 결정된다. 외부 표면적은 t- 플롯 방법으로 결정된다. a The surface area is determined by multipoint BET analysis at points between 0.05 < P/P 0 < 0.35. The micropore surface area is determined by the t-plot method from points between 0.2 < P/P 0 < 0.45. The outer surface area is determined by the t-plot method.

b 세공 직경은 BJH 분석에 의해 결정된다. b The pore diameter is determined by BJH analysis.

c N2 분위기에서 해당 처리 온도로 Mn = 10 kg mol-1의 PEO-CTA로부터 시료를 제조하였다. c A sample was prepared from PEO-CTA of M n = 10 kg mol -1 at the corresponding treatment temperature in N 2 atmosphere.

d N2 분위기에서 해당 처리 온도로 Mn = 20kg mol-1의 PEO-CTA로부터 시료를 제조하였다.A sample was prepared from PEO-CTA of M n = 20 kg mol −1 at the corresponding treatment temperature in d N 2 atmosphere.

요약하면, 본 발명자들은 3차원적으로 상호 연결된 메조다공성 SiC-기반 세라믹 구조물 제작을 쉬운 합성 경로로서 유기-무기 혼성 중합 유도 미세상 분리 (H-PIMS)법을 개발하였다. 중합 동안에 실시간 미세상 분리는 다양한 형태로 성형될 수 있는 겹연속적으로 나노구조화된 PEO 및 P(mVSZ-co-DVB) 도메인을 갖는 가교 및 블록 중합 전구체 구조물을 직접적으로 제조하였다. 전구체의 열분해는 PEO 및 P(mVSZ-co-DVB)를 무질서한 메조다공성 세공 및 SiC x O y Nz 세라믹 골격구조로 변형 시켰으며, 1000 ℃까지 높은 온도에서 열 안정성을 갖는 형태를 유지하였다. PEO의 중량 및 열분해 온도를 제어함으로써 메조기공 크기를 3 내지 11 nm 으로 조절가능하고, 표면적을 107 내지 410 cm2g-1로 변화시켰다. 이러한 접근법의 간단한 합성과 우수한 가공성은 고온 및 화학적 안정성을 필요로하는 다양한 응용 분야에서 메조다공성 SiC 기반 세라믹(mesoporous SiC-based ceramics)의 적용을 증대 시킬 것으로 예상된다.In summary, the present inventors have developed an organic-inorganic hybrid polymerization induced microphase separation (H-PIMS) method as an easy synthetic route to fabricate three-dimensionally interconnected mesoporous SiC-based ceramic structures. Real-time microphase separation during polymerization directly prepared cross-linked and block polymerization precursor structures with double-continuous nanostructured PEO and P(mVSZ-co-DVB) domains that can be shaped into various shapes. The thermal decomposition of the precursor transformed PEO and P(mVSZ-co-DVB) into disordered mesoporous pores and SiC x O y N z ceramic framework, and maintained the form with thermal stability at high temperatures up to 1000 °C. By controlling the weight and pyrolysis temperature of PEO, the mesopore size was adjustable from 3 to 11 nm, and the surface area was changed to 107 to 410 cm 2 g −1 . The simple synthesis and excellent processability of this approach are expected to increase the application of mesoporous SiC-based ceramics in various applications requiring high temperature and chemical stability.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 본 발명의 목적, 특징, 장점은 이하의 실시예를 통하여 쉽게 이해될 것이다. 본 발명은 여기서 설명하는 실시예에 한정되지 않고, 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 여기서 소개되는 실시예는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 따라서 이하의 실시예에 의해 본 발명이 제한되어서는 안 된다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. Objects, features, and advantages of the present invention will be easily understood through the following examples. The present invention is not limited to the embodiments described herein, and may be embodied in other forms. The embodiments introduced herein are provided so that the spirit of the present invention can be sufficiently conveyed to those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains. Therefore, the present invention should not be limited by the following examples.

재료material

달리 언급되지 않는 한, 폴리(에틸렌 옥시드)(poly(ethylene oxide), PEO, Mn= 10 and 20kg mol-1), 2-아이소시아네이토에틸 메타크릴레이트 (2-isocyanatoethyl methacrylate, IEM) 및 디비닐 벤젠 (divinylbenzene, DVB) (80 %, tech.)은 시그마-알드리치 (St. Louis, MO)에서 구입하였다. DVB는 중합 전에 염기성 알루미나 컬럼을 통과시켜 정제하였다. 아조비스이소부티로니트릴 (Azobisisobutyronitrile, AIBN, 98 %) 및 메탄올 (≥99.8 %)은 준세이 (Tokyo, Japan)에서 구입하였다. AIBN을 메탄올 중의 재결정화에 의해 정제하고, 비닐실라잔 (vinylsilazane, VL20, PVSZ, KION Corp., Mw ~ 300)을 제공받은 대로 사용하였다. 보고된 절차를 사용하여 S-1-도데실-S'-(R,R'-디메틸-R'-아세트산)트리티오카보네이트 (S-1-Dodecyl-S'-(R,R'-dimethyl-R''-acetic acid) trithiocarbonate) (CTA) (DDMAT)를 제조하였다Unless otherwise noted, poly(ethylene oxide), PEO, Mn= 10 and 20 kg mol -1 ), 2-isocyanatoethyl methacrylate (IEM) and Divinylbenzene (DVB) (80 %, tech.) was purchased from Sigma-Aldrich (St. Louis, MO). DVB was purified by passing through a basic alumina column prior to polymerization. Azobisisobutyronitrile (AIBN, 98%) and methanol (≥99.8%) were purchased from Junsei (Tokyo, Japan). AIBN was purified by recrystallization in methanol and vinylsilazane (vinylsilazane, VL20, PVSZ, KION Corp., Mw-300) was used as received. S-1-Dodecyl-S′-(R,R′-dimethyl-R′-acetic acid)trithiocarbonate (S-1-Dodecyl-S′-(R,R′-dimethyl- R''-acetic acid) trithiocarbonate) (CTA) (DDMAT) was prepared

방법method

잔류 NMR 용매 시그널을 내부 기준으로 사용하는 Bruker Avance 400 MHz 분광계 (Billerica, MA)를 사용하여 1H (NMR) 분광법을 수행하였다. 크기 배제 크로마토그래피 (SEC)는 굴절률 검출기와 500 - 10,000,000 g mol-1의 몰 질량 범위의 PLgel 10 μm Mixed-B 컬럼 3 개가 직렬로 장착된 Agilent 1260 Infinity 시스템 (Santa Clara, CA)상에서 35 ℃에서 클로로포름으로 수행되었다. 중합체의 몰 질량은 애질런트 테크놀로지스 (Agilent Technologies)로부터 구입한 선형 폴리스티렌 표준 (EasiCal)에 대해 계산되었다. 푸리에 변환 적외선 스펙트럼은 범용 ZnSe ATR 부속장치가 장착된 JASCO FT/IR-4600을 사용하여 650-4000 cm-1 범위로 기록되었다. SAXS (Synchrotron Small-angle X-ray scattering) 실험은 PAL(Pohang Accelerator Laboratory)의 9A 빔 라인에서 수행되었다. 6.47m의 샘플-검출기 거리를 갖는 19.96 keV (0.0621 nm)의 단색화된 X-선 방사선 소스(monochromatized X-ray radiation source)를 사용하였다. 산란 강도는 2048 × 2048 픽셀의 Mar 165 mm 직경 CCD 검출기로 모니터링되었다. 2 차원 산란 패턴은 산란 벡터 (q) 대 산란강도로 제시된 1 차원 프로파일을 제공하기 위해 방위각으로(azimuthally) 통합되었으며, 산란 벡터의 크기는 q = (4π/λ) sinθ에 의해 주어진다. 열처리된 세라믹 구조체 분석을 위해 작은 파쇄된 조각으로 분쇄하였다. 투과 전자 현미경 (TEM, JEOL JEM-1011, 일본)을 사용하여 다공성 형태를 관찰하기 위해, 열분해 모놀리스 샘플을 200-mech 탄소 코팅 구리 그리드 (FCF-200-Cu, Electron Microscopy Sciences, UK)에 위치시켰다. PEO-b-P(mVSZ-co-DVB)의 가교 및 열분해 샘플의 열적 특성은 열 중량 분석 (TGA, SDT Q600, TA 기기)에 의해 질소 및 공기 하에서, 10 ℃ min-1의 속도로 분석하였다. Autosorb-Iq & Quadrasorb SI (Quantachrome)에서 N2 흡착/탈착을 수행하였다. 250 ℃에서 6 시간 동안 진공에서 시료를 탈기한 후, 77 K에서 N2 흡착/탈착 등온선을 측정하였다. 1 H (NMR) spectroscopy was performed using a Bruker Avance 400 MHz spectrometer (Billerica, Mass.) using the residual NMR solvent signal as an internal reference. Size exclusion chromatography (SEC) was performed at 35 °C on an Agilent 1260 Infinity system (Santa Clara, CA) equipped with a refractive index detector and three PLgel 10 μm Mixed-B columns in series with a molar mass range of 500 - 10,000,000 g mol −1 . was carried out with chloroform. The molar mass of the polymer was calculated against a linear polystyrene standard (EasiCal) purchased from Agilent Technologies. Fourier transform infrared spectra were recorded in the range of 650–4000 cm −1 using a JASCO FT/IR-4600 equipped with a universal ZnSe ATR accessory. Synchrotron Small-angle X-ray scattering (SAXS) experiments were performed at the 9A beamline of Pohang Accelerator Laboratory (PAL). A monochromatized X-ray radiation source of 19.96 keV (0.0621 nm) with a sample-detector distance of 6.47 m was used. The scattering intensity was monitored with a Mar 165 mm diameter CCD detector with 2048 × 2048 pixels. The two-dimensional scattering pattern was azimuthally integrated to give a one-dimensional profile presented as the scattering vector (q) versus the scattering intensity, and the magnitude of the scattering vector is given by q = (4π/λ) sinθ. The heat-treated ceramic structure was crushed into small crushed pieces for analysis. To observe the porous morphology using a transmission electron microscope (TEM, JEOL JEM-1011, Japan), a pyrolytic monolith sample was placed on a 200-mech carbon-coated copper grid (FCF-200-Cu, Electron Microscopy Sciences, UK). made it The thermal properties of cross-linked and pyrolysis samples of PEO-bP (mVSZ-co-DVB) were analyzed by thermogravimetric analysis (TGA, SDT Q600, TA instrument) under nitrogen and air, at a rate of 10° C. min −1 . N 2 adsorption/desorption was performed in Autosorb-Iq & Quadrasorb SI (Quantachrome). After degassing the sample in vacuum at 250 °C for 6 hours, the N 2 adsorption/desorption isotherm at 77 K was measured.

PEO-CTA의 합성Synthesis of PEO-CTA

Mn = 10 kg mol-1 및 20 kg mol-1을 갖는 폴리(에틸렌 옥시드) 마크로-사슬 전달제(poly(ethylene oxide) macro-chain transfer agents)를 산 클로라이드의 에스테르화를 이용하여 DDMAT와 결합시켜 합성하였다. 1H NMR 스펙트럼 및 PEO-CTAs의 SEC 트레이스의 특성 분석 데이터를 각각 도 4 에 나타내었다. Combining poly(ethylene oxide) macro-chain transfer agents with Mn = 10 kg mol -1 and 20 kg mol -1 with DDMAT using acid chloride esterification was synthesized. Characterization data of 1 H NMR spectra and SEC traces of PEO-CTAs are shown in FIG. 4 , respectively.

mVSZ(methacrylate functionalized preceramic polymer)의 합성Synthesis of methacrylate functionalized preceramic polymer (mVSZ)

비닐실라잔 (vinylsilazane, VSZ)을 2-아소시아네이토에틸메타크릴 레이트 (2-isocyanatoethyl methacrylate, IEM)로 치환하여 중합 반응 속도를 향상시켰으며, 이전에 보고된 방법 (참조:T. A. Pham, D.-P. Kim, T.-W. Lim, S.-H. Park, D.-Y. Yang, K.-S. Lee, Adv. Funct. Mater. 2006, 16, 1235-1241)을 따랐다. 전형적인 그래프팅 반응으로 VSZ를 무수 톨루엔에서 1 : 0.75 몰비로 IEM과 혼합하고, 아르곤 분위기 하에서 45 ℃에서 12 시간 동안 오일 배스(oil bath)에서 반응시켜 주었다. 용매를 2 시간 동안 회전 증발기로 제거하였다. 1H NMR 스펙트럼 및 FT-IR 확인 결과를 각각 도 2 및 3에 나타내었다.The polymerization reaction rate was improved by replacing vinylsilazane (VSZ) with 2-isocyanatoethyl methacrylate (IEM), and a previously reported method (refer to: TA Pham, D .-P. Kim, T.-W. Lim, S.-H. Park, D.-Y. Yang, K.-S. Lee, Adv. Funct. Mater. 2006, 16 , 1235-1241) were followed. . In a typical grafting reaction, VSZ was mixed with IEM in anhydrous toluene in a molar ratio of 1:0.75, and reacted in an oil bath at 45° C. for 12 hours under an argon atmosphere. The solvent was removed by rotary evaporator for 2 h. 1 H NMR spectrum and FT-IR confirmation results are shown in FIGS. 2 and 3, respectively.

PEO-b-P(mVSZ-co-DVB)의 합성Synthesis of PEO-b-P (mVSZ-co-DVB)

PEO-CTA의 존재 하에 VSZ 및 DVB의 벌크 공중합으로 단일 가교된 (monolithic crosslinked) PEO-b-P(mVSZ-co-DVB) 전구체를 생성하였다. 가교된 PEO-b-P (mVSZ-co-DVB) 전구체는 [mVSZ] : [DVB] = 4 : 1, [PEO-CTA] : [AIBN] = 1 : 0.3의 동일한 몰비로 다음과 같은 프로토콜에 따라 제조되었다. PEO-CTA의 양은 총 혼합물 중량의 30 %로 조정되었다. mVSZ (1.3 g, 3.10 mmol) 및 DVB (0.1 g, 0.77 mmol)의 혼합물 중 PEO(10K)-CTA (0.6 g, 58.3 μmol) 및 AIBN (0.0029 g, 17.5 μmol)의 용액을 제조하여 앰플에 넣었다. 동결-펌프-해동의 3 회 사이클 후, 혼합물을 80 ℃의 오일 배스에서 반응 시켰다. 24 시간 동안 반응 후, 중합 혼합물을 R.T.로 냉각시켰다. 용매를 증발시키고 N2 분위기에서 어닐링하기 위하여, 생성된 황색 투명 고체를 140 ℃ 튜브 퍼니스에 두었다.Bulk copolymerization of VSZ and DVB in the presence of PEO-CTA yielded a monolithic crosslinked PEO-bP (mVSZ-co-DVB) precursor. The cross-linked PEO-bP (mVSZ-co-DVB) precursor was prepared according to the following protocol with the same molar ratio of [mVSZ] : [DVB] = 4 : 1, [PEO-CTA] : [AIBN] = 1 : 0.3 became The amount of PEO-CTA was adjusted to 30% of the total mixture weight. A solution of PEO(10K)-CTA (0.6 g, 58.3 μmol) and AIBN (0.0029 g, 17.5 μmol) in a mixture of mVSZ (1.3 g, 3.10 mmol) and DVB (0.1 g, 0.77 mmol) was prepared and placed in an ampoule. . After three cycles of freeze-pump-thaw, the mixture was reacted in an oil bath at 80 °C. After reaction for 24 hours, the polymerization mixture was cooled to RT. The resulting yellow transparent solid was placed in a 140° C. tube furnace in order to evaporate the solvent and anneal in a N 2 atmosphere.

메조다공성 SiCN으로의 열분해 전환Pyrolytic conversion to mesoporous SiCN

제조된 PEO-b-P(mVSZ-co-DVB) 구조물을 300 ℃에서 3 시간 동안 세라믹 전구체의 열 가교를 위해 1 ℃ min-1 의 속도로 천천히 가열하였다. 다양한 목표 온도(550 ~ 1000 ℃)에서의 세라믹 전구체 구조물의 열분해를 위해, 온도를 1 ℃ min-1 의 속도로 서서히 상승시킨 후, 1 ℃ min-1 의 속도로 실온으로 냉각하였다. TEM, SAXS 및 N2 흡착/탈착으로 열분해된 시료를 분석하였다. SAXS 및 N2 흡착/탈착에 의해, 가교된 PEO-b-P (mVSZ-co-DVB) 전구체 및 상응하는 메조다공성 SiC의 특성을 분석하고 그 결과를 표 2에 요약하였다. The prepared PEO-bP (mVSZ-co-DVB) structure was slowly heated at 300 °C for thermal crosslinking of the ceramic precursor at a rate of 1 °C min -1 for 3 hours. For thermal decomposition of the ceramic precursor structure at various target temperatures (550 ~ 1000 °C), the temperature was gradually increased at a rate of 1 °C min -1 , and then cooled to room temperature at a rate of 1 °C min -1 . Thermally decomposed samples were analyzed by TEM, SAXS, and N 2 adsorption/desorption. The cross-linked PEO-bP (mVSZ-co-DVB) precursor and the corresponding mesoporous SiC were characterized by SAXS and N 2 adsorption/desorption and the results are summarized in Table 2.

Claims (16)

하기 화학식 1로 표시되는 유기 고분자, 하기 화학식 2로 표시되는 무기 고분자, 하기 화학식 3으로 표시되는 공단량체 및 열 라디칼 개시제를 포함하는 혼합액을 제조하는 단계(단계 a); 상기 혼합액에 공중합 반응을 수행하는 단계(단계 b); 및 이후 열처리하는 단계(단계 c)를 포함하는 메조다공성 세라믹 구조체의 제조방법:

[화학식 1]
Figure 112021120360997-pat00005

[화학식 2]
Figure 112021120360997-pat00006

[화학식 3]
Figure 112021120360997-pat00026

상기 화학식 1에서 n은 분자량에 따른 225 ≤ n ≤452 이며, 상기 화학식 2에서 R은 H 또는 CH=CH2이고, m은 3 ≤ m ≤4 이다.
Preparing a mixed solution including an organic polymer represented by the following formula (1), an inorganic polymer represented by the following formula (2), a comonomer represented by the following formula (3), and a thermal radical initiator (step a); performing a copolymerization reaction on the mixed solution (step b); And a method of manufacturing a mesoporous ceramic structure comprising the step (step c) of the subsequent heat treatment:

[Formula 1]
Figure 112021120360997-pat00005

[Formula 2]
Figure 112021120360997-pat00006

[Formula 3]
Figure 112021120360997-pat00026

In Chemical Formula 1, n is 225 ≤ n ≤ 452 according to molecular weight, R in Chemical Formula 2 is H or CH=CH 2 , and m is 3 ≤ m ≤4.
청구항 1에 있어서,
상기 공중합 반응에 의해 겹연속(bicontinuous) 구조가 형성된 유-무기 블록 공중합체가 제조되는 것을 특징으로 하는 메조다공성 세라믹 구조체의 제조방법.
The method according to claim 1,
A method for producing a mesoporous ceramic structure, characterized in that the organic-inorganic block copolymer having a bicontinuous structure formed by the copolymerization reaction is prepared.
청구항 1에 있어서,
상기 방법은 상기 공중합 반응에 의해 유-무기 블록 공중합체가 합성되는 동안 미세상 분리를 유도하여 겹연속 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 메조다공성 세라믹 구조체의 제조방법.
The method according to claim 1,
The method is a method for producing a mesoporous ceramic structure, characterized in that by inducing microphase separation during synthesis of the organic-inorganic block copolymer by the copolymerization reaction to form a double-continuous structure.
청구항 1에 있어서,
상기 공단량체는 열처리에 의해 탄소로 전환될 수 있는 방향족 고리를 포함하는 것을 특징으로 하는 메조다공성 세라믹 구조체의 제조방법.
The method according to claim 1,
The comonomer is a method of manufacturing a mesoporous ceramic structure, characterized in that it comprises an aromatic ring that can be converted to carbon by heat treatment.
삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 공단량체는 미세상 분리에 의한 무질서한 겹연속 구조를 고정하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 메조다공성 세라믹 구조체의 제조방법.
The method according to claim 1,
The comonomer is a method of manufacturing a mesoporous ceramic structure, characterized in that used to fix the disordered double-continuous structure by microphase separation.
청구항 1에 있어서,
상기 열 라디칼 개시제는 아조비스이소부티로니트릴인 것을 특징으로 하는 메조다공성 세라믹 구조체의 제조방법.
The method according to claim 1,
The method of manufacturing a mesoporous ceramic structure, characterized in that the thermal radical initiator is azobisisobutyronitrile.
청구항 1에 있어서,
상기 방법은, 단계 b에서의 공중합 반응에 의해 하기 화학식 4로 표시되는 고분자 화합물을 제조하는 것을 특징으로 하는 메조다공성 세라믹 구조체의 제조방법.
[화학식 4]
Figure 112020015555973-pat00008

상기 화학식 4에서, R은 H 또는 CH=CH2이고, n은 225 ≤ n ≤452 이고, m은 3 ≤ m ≤4 이고, X는 0.75≤ X ≤ 0.85 이다.
The method according to claim 1,
The method is a method for producing a mesoporous ceramic structure, characterized in that for preparing a polymer compound represented by the following formula (4) by the copolymerization reaction in step b.
[Formula 4]
Figure 112020015555973-pat00008

In Formula 4, R is H or CH=CH 2 , n is 225 ≤ n ≤ 452, m is 3 ≤ m ≤ 4, and X is 0.75 ≤ X ≤ 0.85.
청구항 1에 있어서,
상기 화학식 1로 표시되는 유기고분자, 화학식 2로 표시되는 무기 고분자, 공단량체 및 열 라디칼 개시제는 중량비 0.3 : 0.65 : 0.05 : 0.0015-0.0030 비율로 혼합되는 것을 특징으로 하는 메조다공성 세라믹 구조체의 제조방법.
The method according to claim 1,
The organic polymer represented by Formula 1, the inorganic polymer represented by Formula 2, the comonomer, and the thermal radical initiator are mixed in a weight ratio of 0.3: 0.65: 0.05: 0.0015-0.0030. Method for producing a mesoporous ceramic structure.
청구항 1에 있어서,
상기 단계 b에서 공중합 반응은 70-90 ℃에서 12-24 시간 동안 수행 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 실시간 미세상 분리 유도 유기-무기 블락공중합체 제조방법.
The method according to claim 1,
The copolymerization reaction in step b is a real-time microphase separation-induced organic-inorganic block copolymer preparation method, characterized in that it is carried out at 70-90° C. for 12-24 hours.
청구항 1에 있어서,
상기 단계 c에서 열처리는 550 ~ 1000 ℃에서 1 ℃ min-1 수행되는 것을 특징으로 하는 메조다공성 세라믹 구조체의 제조방법
The method according to claim 1,
The heat treatment in step c is a method of manufacturing a mesoporous ceramic structure, characterized in that 1 ℃ min -1 is performed at 550 ~ 1000 ℃
청구항 1에 있어서,
상기 방법에서, 단계 c의 열처리에 의해, 공중합 반응으로 제조된 유-무기 블락공중합체는 열처리를 통해 유기 블락은 분해되고 무기 블락은 세라믹으로 전환되는 것을 특징으로 하는 메조다공성 세라믹 구조체 제조방법.
The method according to claim 1,
In the above method, by the heat treatment of step c, the organic-inorganic block copolymer prepared by the copolymerization reaction is decomposed through heat treatment and the inorganic block is converted into a ceramic.
청구항 1에 있어서,
상기 방법은 상기 화학식 1로 표시되는 유기 고분자의 몰 질량 제어에 의해 세라믹 구조체의 기공 크기를 조절하는 것을 특징으로 하는 메조다공성 세라믹 구조체의 제조방법.
The method according to claim 1,
The method is a method of manufacturing a mesoporous ceramic structure, characterized in that the pore size of the ceramic structure is controlled by controlling the molar mass of the organic polymer represented by Formula 1 above.
청구항 1에 있어서,
상기 화학식 1로 표시되는 유기 고분자의 몰 질량은 10.278 ~ 20.266 kgmol-1 인 것을 특징으로 하는 메조다공성 세라믹 구조체의 제조방법.
The method according to claim 1,
The method for producing a mesoporous ceramic structure, characterized in that the molar mass of the organic polymer represented by Formula 1 is 10.278 ~ 20.266 kgmol -1 .
청구항 1의 방법으로 제조되고, 3 내지 11 nm의 직경의 메조기공을 갖는 것을 특징으로 하는 메조다공성 세라믹 구조체.
A mesoporous ceramic structure manufactured by the method of claim 1 and having mesopores having a diameter of 3 to 11 nm.
청구항 15에 있어서,
상기 세라믹 구조체의 비표면적은 107 ~ 410 m2/g인 것을 특징으로 하는 메조다공성 세라믹 구조체.
16. The method of claim 15,
The specific surface area of the ceramic structure is 107 ~ 410 m 2 /g, characterized in that the mesoporous ceramic structure.
KR1020200017873A 2020-02-13 2020-02-13 METHOD FOR PREPARING MESOPOROUS SiC-BASED CERAMIC MONOLITHS DERIVED FROM MOLDABLE IN-SITU MICROPHASE SEPARATED ORGANIC-INORGANIC BLOCK POLYMERS Active KR102375540B1 (en)

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