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KR100819332B1 - 말단에 가교구조를 형성하는 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르)공중합체, 이의 제조방법 및 이를 이용한 고분자 전해질막 - Google Patents

말단에 가교구조를 형성하는 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르)공중합체, 이의 제조방법 및 이를 이용한 고분자 전해질막 Download PDF

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KR100819332B1
KR100819332B1 KR1020070022224A KR20070022224A KR100819332B1 KR 100819332 B1 KR100819332 B1 KR 100819332B1 KR 1020070022224 A KR1020070022224 A KR 1020070022224A KR 20070022224 A KR20070022224 A KR 20070022224A KR 100819332 B1 KR100819332 B1 KR 100819332B1
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KR
South Korea
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carbon
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arylene ether
copolymer
monomer
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KR1020070022224A
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English (en)
Inventor
이재석
이관수
정명환
Original Assignee
광주과학기술원
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Publication date
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Priority to JP2009538299A priority patent/JP2010510370A/ja
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Abstract

말단에 가교구조를 함유한 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체, 이의 제조방법 및 이를 이용한 고분자 전해질 막이 개시된다. 술폰네이트기를 갖는 디하이드록시 단량체와 디할라이드 단량체를 축중합 반응시키거나 술폰네이트기를 갖는 디할라이드 단량체와 디하이드록시 단량체를 축중합 반응하여 술폰산이 함유된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체를 합성한다. 또한, 획득된 술폰산이 함유된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체의 말단에 가교가 가능한 모노하이드록시 단량체 또는 가교가 가능한 모노 디할라이드 단량체를 축중합 반응함으로써 고분자 간의 가교가 가능하도록 한다. 가교구조를 함유한 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체로 형성된 연료전지용 고분자 전해질은 열적 안정성, 기계적 안정성, 화학적 안정성, 막 형성 능력 등에서 기존의 술폰네이션된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체나 현재 상용화된 고분자 전해질막으로 사용되는 나피온 막과 동등 또는 그 이상의 수준을 유지하면서도 양이온 전도도와 셀 성능 면에서는 월등히 향상된 효과를 나타낸다.
연료전지, 술폰네이트기 함유 고분자, 폴리(아릴렌 에테르)공중합체, 가교, 고분자 전해질막, 방향족친핵성치환

Description

말단에 가교구조를 형성하는 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체, 이의 제조방법 및 이를 이용한 고분자 전해질막{Sulfonated Poly(Arylene Ether) containing crosslinkable moity at end group, Method of manufacturing the same, and Polymer Electrolyte Membrane using the Sulfonated Poly(Arylene Ether) and the Method}
도 1은 본 발명의 말단에 가교구조를 함유한 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체(E-SPAE-HQ)의 1H-NMR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 2는 에틴닐페놀의 1H-NMR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 말단에 가교구조를 함유한 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체(E-SPAE-HQ)의 19F-NMR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 말단에 가교구조를 함유한 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체(E-SPAE-HQ)의 FT-IR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 말단에 가교구조를 함유한 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체(E-SPAE-HQ)의 유리전이온도(Tg)를 나타낸 그래프이다.
도 6은 가교된 고분자 전해질 막(CSPAE-HQ)의 유리전이온도(Tg)를 나타낸 그래프이다.
도 7은 Nafion 117과 가교된 고분자 전해질 막(CSPAE-HQ)의 온도와 시간에 따른 분극곡선(polarization curve)을 나타낸 그래프이다.
도 8은 Nafion 117과 가교된 고분자 전해질 막(CSPAE-HQ)의 온도와 시간에 따른 전력 밀도(power density)를 나타낸 그래프이다.
도 9은 가교된 고분자 전해질 막(CSPAE-HQ)의 사진를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 고분자 전해질막에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 말단에 가교구조를 가지는 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 고분자 전해질막에 관한 것이다.
연료전지는 19세기 Grove에 의해 발명된 전기화학반응에 의하여 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 전기에너지 변환시스템이다. 상기 연료전지는 1960년대에 Gemini 우주선과 같이 특수 목적으로 사용되었으나, 1980년대 말부터 무공해 차량의 동력원으로 활용될 것이 기대될 뿐 아니라, 현재의 폭발적인 인구 및 전기수요의 증가에 대응하는 대체 에너지로써 전세계적으로 이에 대한 연구개발이 활발히 진행되어 오고 있다. 특히 Green Round(기후변화협약)를 통한 이산화탄소의 총량 규제, 저공해 자동차 의무 판매를 통한 자동차 배기가스의 규제 등이 임박해 옴에 따라 각국의 자동차 회사들은 연료전지 자동차와 같은 무공해 자동차의 개발을 서 둘러 진행하고 있는 실정이다. 또한, 연료전지는 건물 및 일부 지역의 현지 설치형 소규모 발전, 잠수함 및 이동통신 등과 같은 군수용 발전에 곧바로 활용될 수 있다. 이러한 연료전지는 전기를 축적하는 기능은 없으나, 발전장치로 기존 내연기관에 비해 효율이 높고, 연료 사용량이 적으며, 황산화물(SOx), 질소산화물(NOx) 등 환경부화물질을 거의 배출하지 않는 청정 고효율 발전 장치로 최근 화석 연료 사용에 대두되는 환경 문제의 해결방안으로 기대된다.
연료전지 내에서 양이온 교환수지나 양이온 교환막으로써 사용되어지는 고분자 전해질은 수십년동안 사용되었을 뿐아니라 꾸준히 연구되고 있는 분야이다. 최근에 직접메탄올 연료전지(DMFC; direct methanol fuel cell)나 고분자전해질막 연료전지(PEMFC; polymer electrolyte membrane fuel cell, solid polymer electrolyte fuel cell, solid polymer fuel cell ,or proton exchange membrane fuel cell)에 사용되는 양이온을 전달하는 매개체로서 양이온교환막에 대한 수많은 연구가 진행되어지고 있다.
현재 연료전지 분야에서 널리 상용화되는 양이온교환막으로는 미국 듀퐁사의 과불소화 술폰산기 함유 고분자인 나피온(Nafion)™ 계열막이 있다. 이 막은 포화 수분 함량일 때, 0.1 S/㎝의 이온전도성과 우수한 기계적 강도 및 내화학성를 가지며, 자동차용 연료전지에 이용될 만큼 전해질막으로서 안정적인 성능을 가지고 있다. 또한 이와 유사한 형태의 상용막으로는 아사히 케미칼스(Asahi Chemicals)사의 아시플렉스-에스(Aciplex-S)막, 다우 케미칼스(Dow Chemicals)사의 다우(Dow)막, 아사히 글래스(Asahi Glass)사의 플레미온(Flemion)막, 고어 & 어쏘시에이트 (Gore & Associate)사의 고어셀렉트(GoreSelcet)막 등이 있으며, 캐나다의 발라드 파워 시스템(Ballard Power System)사에서 알파, 베타 형태로 과불소화된 고분자가 개발 연구 중에 있다.
그러나, 상기의 막들은 가격이 고가이며 합성방법들의 까다로움으로 인하여 대량생산의 어려움이 있을 뿐더러 직접메탄올 연료전지용과 같은 전기에너지 시스템에서 메탄올 크로스오버 현상, 높은 온도나 낮은 온도에서 낮은 양이온 전도도를 갖는 등의 양이온교환막으로서 효율성이 크게 떨어지는 특성을 가지고 있기 때문에 제한적인 형태로 사용되고 있다.
이러한 단점으로 때문에, 비불소계 및 부분적으로 불소가 치환되어있는 양이온교환막에 대하여 많은 연구가 진행되고 있으며, 그 대표적인 예로 술폰화된 폴리(페닐렌 옥사이드)계, 폴리(페닐렌 설파이드)계, 폴리설폰계, 폴리(파라-페닐렌)계, 폴리스티렌계, 폴리에테르에테르케톤계, 폴리이미드계 등이 있다.
그러나, 이들의 이온전도성은 술폰화 정도에 비례하기 때문에 임계농도 이상으로 술폰화하였을 경우, 분자량 저하를 피할 수 없고, 수화시 기계적 물성 감소로 인해 장시간 이용할 수 없는 단점을 가지고 있어, 이를 개선하기 위하여 술폰화되어있는 단량체를 이용하여 고분자를 제조하는 방법과 고분자를 선택적 술폰화하는 방법이 또한 연구 개발되고 있으나[미국특허 제5468574호, 제5679482호, 제6110616호], 고온 안정성과 장기 사용시에 발생할 수 있는 문제점들을 완전히 해결하지는 못한 실정이다.
한편, 미국특허 제6245881호에는 폴리이미드의 주사슬에 직접적으로 술폰화 반응을 유도한 형태와 술폰산기를 함유한 디아민 단량체를 사용하여 다양한 형태의 술폰화 폴리이미드 제조에 대하여 개시되어 있으며, 기존의 양성자 전도성 고분자소재와 비교하여 매우 높은 열적 안정성과 산화 및 환원 안정성을 나타낸바 있다.
그러나 고분자를 선택적으로 술폰화하는 경우, 술폰화에 따른 기계적 강도의 감소를 초래하는 단점이 있고, 술폰산 디아민 단량체를 이용할 경우는 용매에 대해 용해도가 좋지 않아 반응성과 필름형성이 원활하지 않는 문제점을 갖고 있다.
따라서, 우수한 전기화학적 특성을 가지면서 고온 안정성이 우수하고, 박막으로의 제조가 용이한, 새로운 형태의 소재 개발에 대한 연구가 절실히 요구되고 있는 실정이다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 제1 목적은, 말단에 가교구조를 가지는 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 제2 목적은 상기 제1 목적을 달성하기 위한 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체의 합성 방법을 제공하는데 있다.
상기 제1 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 하기의 화학식으로 표시되는 말단에 가교구조를 가지는 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체를 제공한다.
Figure 112007018557658-pat00001
상기 화학식에서, SAr1은 술폰화된 방향족(sulfonated aromatic)을 나타내 며, Ar은 술폰화되지 않은 방향족(none sulfonated aromatic)을 나타내고, CM은 가교할 수 있는 부분(Crosslinkable moiety)을 나타낸다.
또한 상기 화학식 1에서 k는 0.001 - 1.000 의 범위를 지니며, s = 1 - k 값을 가지며, n은 고분자 중합체의 반복단위(repeating unit)를 나타내며, n은 정수로서 10 내지 500을 나타낸다.
또한, 본 발명의 상기 제1 목적은 하기의 다른 화학식으로 표시되는 말단에 가교구조를 가지는 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체의 제공을 통해서도 달성될 수 있다.
Figure 112007018557658-pat00002
상기 화학식에서, SAr2은 술폰화된 방향족(sulfonated aromatic)을 나타내며, Ar은 술폰화되지 않은 방향족(none sulfonated aromatic)을 나타내고, CM은 가교할 수 있는 부분(Crosslinkable moiety)을 나타낸다.
또한 상기 화학식 4에서 k는 0.001 - 1.000 의 범위를 지니며, s = 1 - k 값을 가지며, n은 고분자 중합체의 반복단위(repeating unit)를 나타내며, n은 정수로서 10 내지 500을 나타낸다.
상기 제2 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 디하이드록시 단량체 및 디할라이드 단량체를 이용하여 고분자 중합체를 형성하고, 형성된 고분자 중합체의 말단에 축중합에 의한 치환반응을 이용하여 말단에 가교구조를 가지는 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체를 형성하는 방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
제1 실시예
본 발명의 제1 실시예에 따른 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체는 말단에 가교구조를 가진다. 상기 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체는 하기의 화학식 1에 따른다.
[화학식 1]
Figure 112007018557658-pat00003
상기 화학식 1에서, SAr1은 술폰화된 방향족(sulfonated aromatic)을 나타낸다. 상기 화학식 1에서 SAr1은
Figure 112007018557658-pat00004
Figure 112007018557658-pat00005
또는
Figure 112007018557658-pat00006
이다.
또한, Ar은 술폰화되지 않은 방향족(none sulfonated aromatic)을 나타내 며,
Figure 112007018557658-pat00007
또는
Figure 112007018557658-pat00008
이다.
Y는 탄소와 탄소가 직접 연결되어 있는 단일결합,
Figure 112007018557658-pat00009
,
Figure 112007018557658-pat00010
,
Figure 112007018557658-pat00011
또는
Figure 112007018557658-pat00012
이며, A는 탄소와 탄소가 직접 연결되어 있는 단일결합,
Figure 112007018557658-pat00013
또는
Figure 112007018557658-pat00014
이며, E는 H, F, C1 ~ C5 또는
Figure 112007018557658-pat00015
이다. 또한, Y에서
Figure 112007018557658-pat00016
는 연결부분이 오르소, 메타, 파라 위치에 올 수 있는 벤젠구조를 나타내며,
Figure 112007018557658-pat00017
는 불소(F)가 완전히 치환되어 있으며 연결부분이 오르소, 메타, 파라 위치에 올수 있는 벤젠구조를 의미한다. 즉
Figure 112007018557658-pat00018
라 함은 연결부분이 오르소 (
Figure 112007018557658-pat00019
), 메타 (
Figure 112007018557658-pat00020
), 파라 (
Figure 112007018557658-pat00021
) 위치에 올 수 있는 불소가 완전히 치환된 벤젠구조들을 의미한다. 또한 E에서 H는 수소를, F는 불소를, C1 ~ C5는 탄소수가 1에서 5를 의미하는 수소 또는 플루오린이 치환되어 있는 알킬구조를
Figure 112007018557658-pat00022
는 L이 벤젠에 치환되어 있는 벤젠구조를 의미한다. 상기 구조식에서 L은 H, F, C1 ~ C5 를 나타내며, H는 수소를, F는 불소를, C1 ~ C5는 탄소수가 1에서 5를 의미하는 수소 또는 플루오린이 치환되어 있는 알킬구조를 의미한다.
또한, Z는 벤젠의 탄소와 -SO3 -M+ 가 직접 연결되어 있는 결합,
Figure 112007018557658-pat00023
,
Figure 112007018557658-pat00024
또는
Figure 112007018557658-pat00025
이며 오르소, 메타, 파라 구조의 위치에 올 수 있다. Z에서 Y는 앞서 설명한 Y와 의미가 같다.
M+는 양이온 전하를 가진 짝이온(counterion)이며 칼륨 이온(K+), 나트륨 이온(Na+), 알킬 아민(+NR4) 등을 나타내며, 바람직하게는 칼륨 이온이나 나트륨 이온이다.
CM은 가교할 수 있는 부분(Crosslinkable moiety)을 나타내며,
Figure 112007018557658-pat00026
또는
Figure 112007018557658-pat00027
이다. CM에서 R은 R1이 치환되어있는 삼중결합(ethynyl part)(R=
Figure 112007018557658-pat00028
), 이중결합(vinyl part)(R=
Figure 112007018557658-pat00029
) 또는
Figure 112007018557658-pat00030
이며 오르소, 메타, 파라 구조의 위치에 올 수 있다. 상기 R에서 G는 탄소와 탄소가 직접 연결되어 있는 단 일 결합,
Figure 112007018557658-pat00031
또는
Figure 112007018557658-pat00032
를 의미한다. 또한 R1은 H, F, C1 ~ C5 또는
Figure 112007018557658-pat00033
이다. 상기 R1에서 H는 수소를, F는 불소를, C1 ~ C5는 탄소수가 1에서 5를 의미하는 수소 또는 플루오린이 치환되어 있는 알킬구조, R2가 오르소, 메타, 파라 위치에 치환되어 있을 수 있는 벤젠구조(
Figure 112007018557658-pat00034
)들을 갖는 치환체임을 나타낸다. R2는 H, X 또는 C1~C5이다. 상기 R2에서 H는 수소, C1 ~ C5는 탄소수가 1에서 5를 의미하는 수소 또는 플루오린이 치환되어 있는 알킬구조, X는 할로겐 원자(F, Cl, Br)에 해당되며, X의 경우는 다른 고분자 사슬의 하이드록시 그룹과의 중합을 이룰 수 있는 기능성 그룹이기도 하다. 또한 상기 화학식 1에서 k는 0.001 - 1.000 의 범위를 지니며, s = 1 - k 값을 가지며, n은 고분자 중합체의 반복단위(repeating unit)를 나타내며, n은 정수로서 10~500을 나타낸다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 화학식 1의 말단에 가교구조를 함유한 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체를 다음 반응식 1의 제조방법에 따르며 더욱 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
[반응식 1]
Figure 112007018557658-pat00035
[화학식 2]
Figure 112007018557658-pat00036
[화학식 3]
Figure 112007018557658-pat00037
[화학식 1]
Figure 112007018557658-pat00038
상기 반응식 1은 화학식 1을 제조하기 위한 반응 과정이며, 화학식 1에 해당하는 고분자 중합체를 제조하는 방법은 축중합 방법이며, 반응에 참여하는 단량체가 다를 수 있다. 더욱 상세하게는, 상기 반응식 1에 사용된 술폰화된 단량체(HO-SAr1-OH)는 디하이드록시 단량체를 사용한다.
상기 반응식 1을 통해 말단에 가교구조를 함유한 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체를 제조할 수 있다.
또한 상기 반응식 1에서 k는 0.001 - 1.000 의 범위를 지니며 s = 1 - k 값을 가지며, (k+s)/m은 0.800 - 1.200 의 범위 값을 나타낸다. 또한 k, s, m 은 반응에 참여하는 단량체의 몰비율에 해당된다.
여기서 화학식 3은 하이드록시가 치환된 단량체(
Figure 112007018557658-pat00039
)와 할라이드가 치환된 단량체(
Figure 112007018557658-pat00040
)로 나뉠 수 있는데, 반응식 1에서의 (k+s)/m이 1.000 이하의 값을 가질 경우는 하이드록시가 치환된 단량체를 사용하고, (k+s)/m이 1.000 이상의 값을 가질 경우는 할라이드가 치환된 단량체를 사용한다. 화학식 3의 R2가 X일 경우에는 화학식 3에서 (k+s)/m의 값에 상관없이 하이드록시가 치환된 단량체(
Figure 112007018557658-pat00041
) 를 사용할 수 있다.
상기 반응식 1의 제조 과정을 살펴보면, 술폰화된 디하이드록시 단량체 및 술폰화되지 않은 디하이드록시 단량체를 활성화시킨다. 상기 활성화 과정은 디하이드록시 단량체가 디할라이드 단량체와의 축중합 반응이 용이하도록 활성화시키는 과정이다. 또한, 상기 술폰화되지 않은 디할라이드 단량체는 디하이드록시 단량체와 동일 단계에서 제조 공정에 투입될 수도 있다.
먼저, 염기, 공비 용매 및 비양성자성 극성용매 (aprotic polar solvent)로 구성된 용매 존재 하에서 0 oC~300 oC 온도 범위로 1 내지 100 시간 축중합 반응하여 상기 화학식 2에 해당하는 고분자 중합체를 제조한다. 또한, 제조의 형태에 따라 상기 비양자성 극성용매 대신에 양성자성 극성용매 (protic polar solvent)가 사용될 수도 있다.
계속해서, 상기 화학식 2의 고분자 중합체와 상기 화학식 3의 하이드록시가 치환된 단량체 또는 할라이드가 치환된 단량체를 이용하여 상기 화학식 1의 말단에 가교구조가 치환된 고분자 중합체를 형성한다.
상기 화학식 1의 형성 반응은 상기 화학식 2의 고분자 중합체를 만드는 방식과 동일한 방식을 사용한다. 즉, 활성화 단계 및 축중합 단계를 이용하여 상기 화학식 1의 말단에 가교구조가 치환된 고분자 중합체를 제조한다. 또한, 활성화 단계후의 축중합 단계 이전에 공비 용매를 제거하는 단계가 더 개재될 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 상기 화학식 2로 표시되는 고분자의 열적 안정성, 전 기화학적 특성, 필름형성 능력, 치수 안정성, 기계적 안정성, 화학적 특성, 물리적 특성, 셀 성능 등의 향상을 위해, 고분자 사슬의 말단에 열적 가교가 가능한 가교결합성기를 포함하는 CM(Crosslinkable Moiety)을 축중합 반응에 의하여 치환시켜 본 발명에서 목표로 하는 화학식 1의 말단에 가교구조를 함유한 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체를 제조한다.
본 발명이 목적하는 말단에 가교구조를 함유한 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체 합성을 위한 축중합 반응 및 가교결합성기 도입 반응에는 염기로서 알칼리 금속, 알칼리토금속의 수산화물, 탄산염, 황산염 중에서 선택된 무기염기를 사용하거나, 또는 암모니아를 비롯한 통상의 아민류 중에서 선택된 유기염기를 사용할 수도 있다.
또한, 상기 반응 용매로는 비양자성 극성용매 또는 양성자성 극성용매가 사용될 수 있다. 상기 비양자성 극성용매로는 N-메틸피롤리돈(NMP), 디메틸포름아마이드(DMF), N,N-디메틸아세트아마이드(DMAc), 디메틸설폭사이드 (DMSO) 등이 사용되며, 상기 양성자성 극성용매로는 메틸렌클로라이드(CH2Cl2), 클로로포름(CH3Cl), 테트라하이드로퓨란(THF) 등이 사용될 수 있으며, 공비용매로서 벤젠, 톨루엔 또는 자일렌 등이 사용될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 방법으로 제조된 본 발명의 말단에 가교구조를 함유한 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체는 열적 안정성, 필름형성 능력, 기계적 안정성, 화학적 특성, 물리적 특성, 셀 성능 등에서는 기존의 술폰네이션된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체나 현재 상용화된 고분자 전해질막으로 사용되는 나피온 막과 동등 또는 그 이상의 수준을 유지하면서도 전기 화학적 특성, 특히 양이온 전도도와 셀 성능 면에서는 월등히 향상된 효과를 나타낼 뿐 아니라 수분에 장시간 노출되어도 전해질막 특성의 변화가 없어 높은 치수안정성의 결과를 보였다.
이와 같은 본 발명은 다음의 제조예들에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는 바, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
제조예 1: 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체(SPAE-HQ)의 제조
[반응식 2]
Figure 112007018557658-pat00042
교반장치, 질소도입관, 마그네틱 스터바, 딘-스탁(Dean-Stark; azeotropic distillation) 장치가 장착된 100 ml의 2구 둥근 플라스크에 하이드로퀴논술폰닉 에시드 포타슘 쏠트 (hydroquinonesulfonic acid potassium salt) (3 g, 13.1423 mmol)와 K2CO3 (2.15 g), 및 N,N-디메틸아세트아마이드(DMAc)(50 ml)와 벤젠 (25 ml)을 첨가하였다.
활성화 단계(activation step)는 온도를 135oC ~ 140oC 범위에서 6시간까지 올린 후 6 ~ 8 시간 진행되었고, 반응 중 부산물로 생산된 물은 반응용매 중 하나인 벤젠과의 azeotropic distillation 방법에 의하여 제거되었고, 활성화 단계 종료 후 벤젠은 반응기로부터 제거되었다.
이후에, 데카플루오로바이페닐 (decafluorobiphenyl) (4.4 g, 13.1693 mmol)을 반응기에 첨가한 후, 반응온도를 140 oC로 유지시켜 12 시간 이상 반응시켰다. 반응이 끝난 후, 500 mL의 에탄올에 침전시키고, 물과 에탄올로 여러번 세척한 후, 60 ℃에서 3일간 진공 건조시켰다. 최종 생성물은 옅은 갈색의 고체로 얻어졌으며, 90 % 이상의 수율을 얻었다.
이상의 방법으로 합성된 SPAE-HQ 고분자의 구조는 1H-NMR, 19F-NMR에 의해서 분석하였다.
도 1의 1H-NMR 분석 결과, 단량체의 하이드록시 그룹 피크가 없음을 확인할 수 있다. 또한, 고분자의 피크에 해당하는 7.51, 7.32, 7.28 ppm로 나타났으며, 도 2의 19F-NMR 분석 결과, 피크가 2개만 나타나 데카플루오로바이페닐 그룹의 파라 위치에 F가 중합 반응에 참여하여 떨어져 나갔음을 확인할 수 있었다.
제조예 2: SPAE-HQ를 이용한 고분자 전해질 막의 제조
상기 제조예 1에서 제조된 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) (SPAE-HQ)를 용매에 녹인 후, 0.45 ㎛의 PTFE 멤브레인 필터를 이용하여 여과한 뒤, 깨끗한 유리판 지지체에 고분자 용매를 주물(casting) 방법으로 유리판 위에 부은 후, 40 oC 오븐에 24 시간동안 방치 후, 다시 70 oC 진공 오븐에 24시간 이상 동안 방치시켜 용매 를 완전히 제거해준다. 이 때, 사용 가능한 용매로는 이중극성 용매(dipolar solvent)로 구체적으로는 N, N'-디메틸포름아마이드(DMF), 디메틸아세트아마이드(DMAc), 디메틸술폭사이드(DMSO) 또는 N-메틸피롤리돈(NMP)을 사용할 수 있다.
열처리가 끝난 후, 상온으로 식혀준 뒤 산 처리를 통하여 상기 반응식 3에서 제조한 고분자의 술폰부분의 염이온(Na+, K+, alkyl amonium ion)을 수소로 치환시킨다. 산 처리 하는 방법은 2 노르말 농도의 황산(H2SO4) 수용액, 1 노르말 농도의 질산(HNO3) 수용액, 또는 1 노르말 농도의 염산(HCl) 수용액에 24 시간 동안 담군 후 증류수에 24 시간 동안 담궈두거나 0.5 몰농도의 황산(H2SO4) 수용액에 넣어 2 시간 동안 끓이는 방법을 이용하는데 산 처리하는 방법이 이에 한정되는 것은 아니다. 산 처리한 고분자 전해질 막을 24 시간 동안 증류수에 담궈 놓은 뒤 양이온 전도도를 측정한다.
상기 제조예 2에서 제조된 고분자 막(SPAE-HQ)의 용해도 측정을 다음 표 1에 나타내었다.
고분자 NMPb DMAcc DMSOd DMFe THFf Acetone CHCl3 MeOHg Water
SPAE-HQa S S S S P P Sw S I
a: 실시예 2에서 제조한 고분자 전해질 막 b: NMP (N-methylpyrrolidone) c: DMAc(N,N-dimethylacetamide) d: DMSO(dimethylsulfoxide) e: DMF(dimethylformamide) f: THF(tetrahydrofurane) g: MeOH(methanol) S = soluble at room temperature P = partially soluble at room temperature I = insoluble at room temperature Sw = swelling at room temperature.
위의 표 1에서 보여주듯이 고분자 전해질 막은 다른 용매에는 어느 정도 영향을 받지만, 물에는 녹지 않음을 알 수 있다. 이는 물에 대한 치수안정성이 있으며, 연료전지 중 수소를 연료로 사용하는 PEMFC(polymer electrolyte membrane fuel cell)에 적합하다.
또한, 제조예 2에서 제조한 고분자 전해질 막의 유리전이온도 (Tg)를 시차주사열량법(DSC)에 의해서 10 oC/min로 질소 분위기 하에서 측정하였으며, 215 oC로 도 7에서 보여주는 E-SPAE-HQ의 가교되기 전의 고분자의 유리전이 온도와 같아 현재 상용화 되어 있는 나피온에 비해 열적 안정성이 높았다.
상기 제조예 2에서 제조된 고분자 막의 물흡수율(water uptake) 및 양이온 전도도(proton conductivity)를 현재 상용화 되어있는 나피온과 비교하여 다음 표 2에 나타내었다.
전해질막 이온교환능(meq/g) 이온전도도(S/cm)c 물흡수율(wt%)d
계산치a 실험치b
SPAE-HQ 2.065 2.279 0.164 78
Nafion 117 0.91 0.91 0.083 20
a: 단량체 몰비율로 계산 {IEC = (1000 / 반복단위 분자량) x 술폰화된 비율 x 술폰산기의 개수} b: 24시간동안 0.01N NaCl 용액에 담근후, 0.01 N NaOH로 적정하여 측정한다 (지시약으로는 페놀프탈레인을 사용한다) c: 술폰산 그룹당 당량 d: 인피던스 분석기로 측정 (AutoLab, PGSTAT 30, Netherlands) { σ (S cm-1) = L / (R x S), L (cm)은 두 전극사이의 거리, R (Ω)은 막저항. S (cm2)은 막을 통과하는 이온의 표면적 } e: 막의 무게 계산치 {물 흡수율(%) = (Wwet - Wdry)x100 / Wdry, Wwet는 젖은상태의 막의 무게, Wdry은 마른상태의 막의 무게 }
위의 표 2에서 보여주듯이, 고분자 전해질 막으로서 가장 중요한 양이온 전도도가 나피온에 비하여 거의 2배 정도로 매우 높은 값을 나타내었다.
제조예 3: 말단에 가교구조를 함유한 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체(E-SPAE-HQ)의 제조
[반응식 3]
Figure 112007018557658-pat00043
상기 제조예 1에서 합성된 고분자 SPAE-HQ의 말단에 3-에티닐페놀 그룹을 도입하여 E-SPAE-HQ를 제조하였다.
즉, 상기 제조예 1에서 합성한 고분자 용액에 데카플루오로바이페닐 단량체의 0.2 - 0.5 배 몰비에 해당하는 양의 3-에티닐페놀과 벤젠 (20 ml), K2CO3 (0.7 g)를 첨가하여 6 시간 이상 140 oC에서 추가 반응시킨 후, 벤젠을 완전히 제거하였다. 또한, 반응 중 부산물인 물을 제거해주기 위해, 벤젠과의 azeotropic distillation 방법에 의하여 물이 제거되었다.
반응이 끝난 후, 500 mL의 에탄올에 침전시키고, 물과 에탄올로 여러번 세척한 후, 60 ℃에서 3일간 진공 건조시켰다. 최종 생성물은 옅은 갈색의 고체로 얻어졌으며, 90 % 이상의 수율을 얻었다.
이상의 방법으로 합성된 E-SPAE-HQ 고분자의 구조는 1H-NMR, 19F-NMR, IR에 의해서 분석하였다.
도 3의 1H-NMR 분석 결과, 단량체의 하이드록시 그룹 피크가 없음을 확인할 수 있다. 또한, 고분자의 피크에 해당하는 7.51, 7.32, 7.28 ppm로 나타났으며, 말단에 에틴닐의 수소 피크가 3.16에 나타남으로써 도 4의 에틴닐페놀 단량체의 1H-NMR에서 확인할 수 있듯이 에틴닐 그룹이 치환되었음을 알 수 있다.
도 5의 19F-NMR 분석 결과, 피크가 2개만 나타나 데카플루오로바이페닐 그룹의 파라 위치에 F가 중합 반응에 참여하여 떨어져 나갔음을 확인할 수 있었다.
도 6의 IR의 분석 결과, 고분자 말단에 에틴닐 그룹이 치환되어있음을 2900 cm-1 근처의 피크로 확인할 수 있었다.
또한, 도 7의 시차주사열량법(DSC)에 의해서 10 oC/min로 질소 분위기 하에서 측정하였으며, 고분자의 양 말단의 가교 반응이 일어나기 전 고분자의 유리전이온도 (Tg) 가 215 oC로 현재 상용화 되어 있는 나피온에 비해 월등히 높았다.
상기 제조한 고분자의 용매에 대한 용해도를 다음 표 3과 같다. 다음 용해도 측정은 고분자 상온에서 24시간 동안 용매에 넣은 후 고분자의 용해도에 대해서 측정하였다.
고분자 NMPb DMAcc DMSOd DMFe THFf Acetone CHCl3 MeOHg Water
E-SPAE-HQa S S S S I I I P Sw
a: 실시예 1에서 실시한 고분자 중합 후 진공 건조 시킨 후 고분자 b: NMP (N-methylpyrrolidone) c: DMAc(N,N-dimethylacetamide) d: DMSO(dimethylsulfoxide) e: DMF(dimethylformamide) f: THF(tetrahydrofurane) g: MeOH(methanol) S = soluble at room temperature P = partially soluble at room temperature I = insoluble at room temperature Sw = swelling at room temperature.
제조예 4: 고분자 전해질 막의 제조
상기 제조예 3에서 제조된 말단에 가교구조를 함유한 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) (E-SPAE-HQ)를 용매에 녹인 후, 0.45 ㎛의 PTFE 멤브레인 필터를 이용하여 여과한 뒤, 깨끗한 유리판 지지체에 고분자 용매를 주물(casting) 방법으로 유리판 위에 부은 후, 40 oC 오븐에 24 시간동안 방치 후, 다시 70 oC 진공 오븐에 24시간동안 방치시켜 막이 깔려있는 유리판 지지체를 200 oC 근처에서 열 처리를 20 분 이상 실시한 후, 고분자 말단의 고분자를 가교시키기 위하여 250 oC ~ 260 oC 에서 2 시간 이상 열처리를 하였다. 이때, 사용 가능한 용매로는 이중극성 용매(dipolar solvent)로, 구체적으로는 N, N'-디메틸포름아마이드(DMF), 디메틸아세트아마이드(DMAc), 디메틸술폭사이드(DMSO) 또는 N-메틸피롤리돈(NMP)을 사용할 수 있다.
열처리가 끝난 후, 상온으로 식혀준 뒤 산 처리를 통하여 상기 반응식에서 제조한 고분자의 술폰부분의 염이온(Na+, K+, alkyl amonium ion)을 수소로 치환시킨다. 산 처리 하는 방법은 2 노르말 농도의 황산(H2SO4) 수용액, 1 노르말 농도의 질산(HNO3) 수용액, 또는 1 노르말 농도의 염산(HCl) 수용액에 24 시간 동안 담근 후 증류수에 24 시간 동안 담궈두거나 0.5 몰농도의 황산(H2SO4) 수용액에 넣어 2 시간 동안 끓이는 방법을 이용하는데 산 처리하는 방법이 이에 한정되는 것은 아니다.
산 처리한 고분자 전해질 막을 24 시간 동안 증류수에 담궈놓은 뒤 양이온 전도도를 측정한다.
상기 제조예 4에서 제조된 고분자 막(CSPAE-HQ)의 용해도 측정을 다음 표 4에 나타내었다.
고분자 NMPb DMAcc DMSOd DMFe THFf Acetone CHCl3 MeOHg Water
CSPAE-HQa I I I I I I I I I
a: 실시예 2에서 제조한 고분자 전해질 막 b: NMP (N-methylpyrrolidone) c: DMAc(N,N-dimethylacetamide) d: DMSO(dimethylsulfoxide) e: DMF(dimethylformamide) f: THF(tetrahydrofurane) g: MeOH(methanol) S = soluble at room temperature P = partially soluble at room temperature I = insoluble at room temperature Sw = swelling at room temperature.
상기 표 4에서 보여주듯이 고분자 전해질 막은 어느 용매에도 녹지않아 고분자 전해질 막이 가교가 되었음을 나타내주고 있으며, 화학적으로 매우 안정할 뿐 아니라 치수 안정성이 뛰어남을 알 수 있다. 또한, 제조예 4에서 제조한 고분자 전해질막의 유리전이온도(Tg)를 시차주사열량법(DSC)에 의해서 10 oC/min로 질소 분위기 하에서 측정하였으며, 도 8에서 보듯이 224 oC로 가교되기 전의 고분자의 열적 안정성보다 향상되었으며, 현재 상용화되어 있는 나피온에 비해 월등히 높았다.
상기 제조예 4에서 제조된 고분자 막의 물흡수율(water uptake) 및 양이온 전도도(proton conductivity)를 현재 상용화 되어있는 나피온과 비교하여 다음 표 5에 나타내었다.
전해질막 이온교환능(meq/g) 이온전도도(S/cm)c 물흡수율(wt%)d
계산치a 실험치b
CSPAE-HQ 2.065 2.123 0.141 52
Nafion 117 0.91 0.91 0.083 20
a: 단량체 몰비율로 계산 {IEC = (1000 / 반복단위 분자량) x 술폰화된 비율 x 술폰산기의 개수} b: 24시간동안 0.01N NaCl 용액에 담근후, 0.01 N NaOH로 적정하여 측정한다 (지시약으로는 페놀프탈레인을 사용한다) c: 술폰산 그룹당 당량 d: 인피던스 분석기로 측정 (AutoLab, PGSTAT 30, Netherlands) { σ (S cm-1) = L / (R x S), L (cm)은 두 전극사이의 거리, R (Ω)은 막저항. S (cm2)은 막을 통과하는 이온의 표면적 } e: 막의 무게 계산치 {물 흡수율(%) = (Wwet - Wdry)x100 / Wdry, Wwet는 젖은상태의 막의 무게, Wdry은 마른상태의 막의 무게 }
상기 표 5에서 보여주듯이, 고분자 전해질 막으로서 가장 중요한 양이온 전도도가 나피온에 비하여 거의 2배 정도로 향상되었음을 알 수 있다.
또한, 산화안정성 측정을 펜톤스 리에이전트(Fenton's reagent)를 사용하여 80oC에서 측정해보았다. 펜톤스 리에이전트는 2 ppm의 아이론설페이트(FeSO4)가 함유되어있는 3% 과산화수소 수용액을 사용한다. 펜톤스 리에이전트를 사용하여 측정한 결과 4시간동안 전혀 막의 변화가 없었으며, 4시간이 지나서부터 어느 정도 녹기 시작하여 7시간이 지나자 완전히 녹게 되는 등, 가교가 되지 않은 같은 계열의 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르)나 술폰화된 폴리이미드(sulfonated polyimide)보다 훨씬 더 오랜 시간동안 녹지 않고 있었다.
또한, 직접메탄올 연료전지(DMFC; direct methanol fuel cell)에 적용하기 위해서는 연료인 메탄올이 얼마나 고분자 전해질 막을 투과하는지를 알기 위해 메탄올 투과도를 측정하였다. 측정치는 현재 상용화되고 있는 나피온이 1.410-6 cm2s- 1 로 측정값이 나왔으며, 상기 제조예에서 제조한 고분자 전해질 막은 0.610-6 cm2s- 1 로 측정값이 나와 연료로 쓰이는 메탄올의 투과가 적게 나와 연료의 손실이 훨씬 줄어들었음은 알 수 있었다.
또한, 상기 제조예 4에 의하여 제조된 고분자 전해질 막을 도 9과 도 10에서 보듯이 직접메탄올 연료전지(DMFC; direct methanol fuel cell) 단위 셀에 적용하여 나피온과 같은 환경에서 셀-성능을 측정해 보았다.
직접메탄올 연료전지 성능 측정은 10일 동안 온도를 일정하게 변화 시켜주면서 측정을 하였으며, 더욱 자세하게는 처음 이틀 동안은 온도의 변화 없이 상온에서 계속해서 작동시켰으며, 3일째부터 30 oC에서 3 시간, 60 oC에서 3 시간, 90 oC에서 3 시간 그리고 나머지 15 시간은 상온에서 작동을 시켰으며, 이와 같은 방식으로 3일째부터 8일 동안 같은 방법으로 작동을 시켰다. 7일째부터 10일째까지는 성능의 변화가 없었다. 이때 연료극(anode; 산화전극) 조건은 PtRu 촉매가 3 mg/cm2로 카콘 페이퍼(carbon paper)위에 코팅되어 있으며 2 몰의 메탄올이 1 mL/min 유속으로 연료극으로 공급되며, 공기극(cathode; 환원전극) 조건은 Pt 촉매가 4 mg/cm2로 카콘 페이퍼(carbon paper)위에 코팅되어 있으며 수분이 없는 마른 산소(dry oxygen)가 500 mL/min 유속으로 공기극으로 공급되었다.
도 9과 도 10에서 보듯이 나피온보다 같은 온도에서의 분극곡선(polarization curve)이나 전력 밀도(power density)성능 측면에서도 월등히 높은 단위 셀-성능을 보였다. 또한 도 11에서 보듯이 매우 투명하며, 필름이 매우 유연하는 등의 셀 형성 능력도 매우 뛰어났다.
제조예 5: 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르)-NP 공중합체(SPAE-NP)의 제조
Figure 112007018557658-pat00044
상기 제조예 1과 동일한 방법으로 SPAE-NP를 합성하였으며, 다만 술폰화된 단량체로 2,3-디하이드록시나프탈렌-6-술폰닉 어시드 모노소디엄 솔트 (2,3-dihydroxynaphthalene-6-sulfonic acid moonosodium salt)를 사용한 것이 다르다. 최종 생성물의 수율은 90% 이상이었다.
제조예 6: 말단에 가교구조를 함유한 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르)-NP 공중합체(E-SPAE-NP)의 제조
Figure 112007018557658-pat00045
상기 제조예 3과 동일한 방법으로 E-SPAE-NP를 합성하였으며, 다만 술폰화된 고분자로 SPAE-NP를 사용한 것이 다르다.
제조예 7: 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르)-mNP 공중합체(SPAE-mNP)의 제조
Figure 112007018557658-pat00046
상기 제조예 1과 동일한 방법으로 SPAE-mNP를 합성하였으며, 다만 술폰화된 단량체로 1,7-디하이드록시나프탈렌-3-술폰닉 어시드 모노소디엄 솔트 (1,7-dihydroxynaphthalene-3-sulfonic acid moonosodium salt)를 사용한 것이 다르다. 최종 생성물의 수율은 90% 이상이었다.
제조예 8: 말단에 가교구조를 함유한 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르)-mNP 공중합체(E-SPAE-mNP)의 제조
Figure 112007018557658-pat00047
상기 제조예 3과 동일한 방법으로 E-SPAE-mNP를 합성하였으며, 다만 술폰화된 고분자로 SPAE-mNP를 사용한 것이 다르다.
제조예 9: 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르)-dNP 공중합체(SPAE-dNP)의 제조
Figure 112007018557658-pat00048
상기 제조예 1과 동일한 방법으로 SPAE-dNP를 합성하였으며, 다만 술폰화된 단량체로 2,7-디하이드록시나프탈렌-3,6-디술폰닉 어시드 디소디엄 솔트 (2,7-dihydroxynaphthalene-3,6-disulfonic acid disodium salt)를 사용한 것이 다르며, 용매로서 N,N-디메틸아세트아마이드(DMAc) 대신 디메틸설폭사이드 (DMSO)를 사용한 것이 다르다. 최종 생성물의 수율은 80% 이상이었다.
제조예 10: 말단에 가교구조를 함유한 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르)-dNP 공중합체(E-SPAE-dNP)의 제조
Figure 112007018557658-pat00049
상기 제조예 3과 동일한 방법으로 E-SPAE-dNP를 합성하였으며, 다만 술폰화된 고분자로 SPAE-dNP를 사용한 것이 다르며, 용매로서 N,N-디메틸아세트아마이드(DMAc) 대신 디메틸설폭사이드 (DMSO)를 사용한 것이 다르다.
제조예 11: 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르)-설파이드-NP 공중합체(SPAESI-NP)의 제조
Figure 112007018557658-pat00050
상기 제조예 1과 동일한 방법으로 SPAE-SI-NP를 합성하였으며, 다만 술폰화된 단량체로 2,3-디하이드록시나프탈렌-6-술폰닉 어시드 모노소디엄 솔트 (2,3-dihydroxynaphthalene-6-sulfonic acid moonosodium salt)를 사용, 디할라이드 단량체로 펜타플루오로페닐설파이드 (pentafluorophenylsulfide)를 사용한 것이 다르다. 최종 생성물의 수율은 90% 이상이었다.
제조예 12: 말단에 가교구조를 함유한 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르)-설파이드-NP 공중합체(E-SPAE-SI-NP)의 제조
Figure 112007018557658-pat00051
상기 제조예 3과 동일한 방법으로 E-SPAE-SI-NP를 합성하였으며, 다만 술폰화된 고분자로 SPAESI-NP를 사용한 것이 다르다.
제2 실시예
본 발명의 제2 실시예에 따른 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체는 말단에 가교구조를 가지며 하기의 화학식 4에 따른다.
[화학식 4]
Figure 112007018557658-pat00052
상기 화학식 4에서, SAr2는 술폰화된 방향족(sulfonated aromatic)을 나타낸다.
또한, 상기 화학식 4에서 SAr2는
Figure 112007018557658-pat00053
,
Figure 112007018557658-pat00054
또는
Figure 112007018557658-pat00055
이다.
또한, 화학식 4에서 Ar은 술폰화되지 않은 방향족(none sulfonated aromatic)을 나타내며,
Figure 112007018557658-pat00056
또는
Figure 112007018557658-pat00057
이다.
SAr2 및 Ar의 예로 개시된 분자식에서 Y는 탄소와 탄소가 직접 연결되어 있는 단일결합
Figure 112007018557658-pat00058
,
Figure 112007018557658-pat00059
또는
Figure 112007018557658-pat00060
이며, A는 탄소와 탄소가 직접 연결되어 있는 단일결합
Figure 112007018557658-pat00061
,
Figure 112007018557658-pat00062
또는
Figure 112007018557658-pat00063
이며, E는 H, F, C1 ~ C5 또는
Figure 112007018557658-pat00064
이다. 또한, Y에서
Figure 112007018557658-pat00065
는 연결부분이 오르소, 메타, 파라 위치에 올 수 있는 벤젠구조를 나타내며,
Figure 112007018557658-pat00066
는 불소(F)가 완전히 치환되어 있으며 연결부분이 오르소, 메타, 파라 위치에 올수 있는 벤젠구조를 의미한다. 즉
Figure 112007018557658-pat00067
라 함은 연결부분이 오르소 (
Figure 112007018557658-pat00068
), 메타 (
Figure 112007018557658-pat00069
), 파라 (
Figure 112007018557658-pat00070
) 위치에 올수 있는 불소가 완전히 치환된 벤젠구조들을 의미한다. 또한 E에서 H는 수소를, F는 불소를, C1 ~ C5는 탄소수가 1에서 5를 의미하는 수소 또는 플루오린이 치환되어 있는 알킬구조를
Figure 112007018557658-pat00071
는 L이 벤젠에 치환되어 있는 벤젠구조를 의미한다. 상기 구조식에서 L은 H, F, C1 ~ C5 를 나타내며, H는 수소를, F는 불소를, C1 ~ C5는 탄소수가 1에서 5를 의미하는 수소 또는 플루오린이 치환되어 있는 알킬구조를 의미한다.
또한, Z는 벤젠의 탄소와 -SO3 -M+ 가 직접 연결되어 있는 결합,
Figure 112007018557658-pat00072
,
Figure 112007018557658-pat00073
또는
Figure 112007018557658-pat00074
이며 오르소, 메타, 파라 구조의 위치에 올 수 있다. Z에서 Y는 앞서 설명한 Y와 의미가 같다.
M+는 양이온 전하를 가진 짝이온(counterion)이며 칼륨 이온(K+), 나트륨 이온(Na+), 알킬 아민(+NR4) 등을 나타내며, 바람직하게는 칼륨 이온이나 나트륨 이온이다.
CM은 가교할 수 있는 부분(Crosslinkable moiety)을 나타내며,
Figure 112007018557658-pat00075
또는
Figure 112007018557658-pat00076
이다. CM에서 R은 R1이 치환되어있는 삼중결합(ethynyl part)(R=
Figure 112007018557658-pat00077
), 이중결합(vinyl part)(R=
Figure 112007018557658-pat00078
) 또는
Figure 112007018557658-pat00079
이며 오르소, 메타, 파라 구조의 위치에 올 수 있다. 상기 R에서 G는 탄소와 탄소가 직접 연결되어 있는 단일 결합,
Figure 112007018557658-pat00080
또는
Figure 112007018557658-pat00081
를 의미한다. 또한 R1은 H, F, C1 ~ C5 또는
Figure 112007018557658-pat00082
이다. 상기 R1에서 H는 수소를, F는 불소를, C1 ~ C5는 탄소수가 1에서 5를 의미하는 수소 또는 플루오린이 치환되어 있는 알킬구조, R2가 오르소, 메타, 파라 위치에 치환되어 있을 수 있는 벤젠구조(
Figure 112007018557658-pat00083
)들을 갖는 치환체임을 나타낸다. R2는 H, X 또는 C1~C5이다. 상기 R2에서 H는 수소, C1 ~ C5는 탄소수가 1에서 5를 의미하는 수소 또는 플루오린이 치환되어 있는 알킬구조, X는 할로겐 원자(F, Cl, Br)에 해당되며, X의 경우는 다른 고분자 사슬의 하이드록시 그룹과의 중합을 이룰 수 있는 기능성 그룹이기도 하다. 또한 상기 화학식 1에서 k는 0.001 - 1.000 의 범위를 지니며, s = 1 - k 값을 가지며, n은 고분자 중합체의 반복단위(repeating unit)를 나타내며, n은 정수로서 10~500을 나타낸다.
본 발명에 따른 화학식 5의 말단에 가교구조를 함유한 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체를 다음 반응식 4의 제조방법에 따르며 더욱 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
[반응식 4]
Figure 112007018557658-pat00084
[화학식 5]
Figure 112007018557658-pat00085
[화학식 6]
Figure 112007018557658-pat00086
[화학식 4]
Figure 112007018557658-pat00087
상기 반응식 4는 화학식 4를 제조하기 위한 반응 과정에 해당한다. 또한, 화학식 5에 해당하는 고분자 중합체를 제조하는 방법은 축중합 방법이며, 반응에 참여하는 단량체가 다를 수 있다.
더욱 상세하게는, 상기 반응식 4에 사용된 술폰화된 단량체(X-SAr2-X)는 디할라이드 단량체를 사용한다.
상기 반응식 4를 통해 말단에 가교구조를 함유한 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체를 제조할 수 있다.
또한 상기 반응식 4에서 k는 0.001 - 1.000 의 범위를 지니며 s = 1 - k 값을 가지며, (k+s)/m은 0.800 - 1.200 의 범위 값을 나타낸다. 또한 k, s, m 은 반응에 참여하는 단량체의 몰비율에 해당된다.
여기서 화학식 6은 하이드록시가 치환된 단량체(
Figure 112007018557658-pat00088
)와 할라이드가 치환된 단량체(
Figure 112007018557658-pat00089
)로 나뉠 수 있는데, 반응식 4에서의 (k+s)/m이 1.000 이하의 값을 가질 경우는 할라이드가 치환된 단량체(
Figure 112007018557658-pat00090
)를 사용하고, (k+s)/m이 1.000 이상의 값을 가질 경우는 하이드록시가 치환된 단량체(
Figure 112007018557658-pat00091
)를 사용할 수 있으며, 화학식 6의 R2가 X일 경우에는 반응식 4에서 (k+s)/m의 값에 상관없이 하이드록시가 치환된 단량체(
Figure 112007018557658-pat00092
)를 사용할 수 있다.
상기 반응식 4의 제조과정을 보면, 술폰화되지 않은 디하이드록시 단량체를 활성화시킨다. 상기 활성화 과정은 디하이드록시 단량체가 디할라이드 단량체와의 축중합 반응이 용이하도록 활성화시키는 과정이다. 또한, 상기 술폰화된 디할라이드 단량체 및 술폰화되지 않은 디할라이드 단량체는 디하이드록시 단량체와 동일 단계에서 제조공정에 투입될 수 있다.
먼저, 염기, 공비 용매 및 비양성자성 극성용매 (aprotic polar solvent)로 구성된 용매 존재 하에서 0 oC ~ 300 oC 온도 범위로 1 내지 100 시간 축중합 반응하여 상기 화학식 5에 해당하는 고분자 중합체를 제조한다. 또한, 제조의 형태에 따라 상기 비양자성 극성용매 대신에 양성자성 극성용매 (protic polar solvent)가 사용될 수도 있다.
계속해서, 상기 화학식 5의 고분자 중합체와 상기 화학식 6의 하이드록시가 치환된 단량체 또는 할라이드가 치환된 단량체를 이용하여 상기 화학식 4의 말단에 가교구조가 치환된 고분자 중합체를 형성한다. 상기 화학식 4의 형성 반응은 상기 화학식 5의 고분자 중합체를 만드는 방식과 동일한 방식을 사용한다. 즉, 활성화 단계 및 축중합 단계를 이용하여 상기 화학식 4의 말단에 가교구조가 치환된 고분자 중합체를 제조한다. 또한, 활성화 단계후의 축중합 단계 이전에 공비 용매를 제거하는 단계가 더 개재될 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 상기 화학식 5로 표시되는 고분자의 열적 안정성, 전기화학적 특성, 필름형성 능력, 치수 안정성, 기계적 안정성, 화학적 특성, 물리적 특성, 셀 성능 등의 향상을 위해, 고분자 사슬의 말단에 열적 가교가 가능한 가교결합성기를 포함하는 CM(Crosslinkable Moiety)을 축중합 반응에 의하여 치환시켜 본 발명에서 목표로 하는 화학식 4의 말단에 가교구조를 함유한 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체를 제조한다.
본 발명이 목적하는 말단에 가교구조를 함유한 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체 합성을 위한 축중합 반응 및 가교결합성기 도입 반응에는 염기로서 알칼리 금속 또는 알칼리토금속의 수산화물, 탄산염, 황산염 중에서 선택된 무기염기를 사용하거나, 또는 암모니아를 비롯한 통상의 아민류 중에서 선택된 유기염기를 사용할 수도 있다.
또한, 상기 반응 용매로는 N-메틸피롤리돈(NMP), 디메틸포름아마이드(DMF), N,N-디메틸아세트아마이드(DMAc), 디메틸설폭사이드 (DMSO) 등의 비양자성 극성용매 또는 메틸렌클로라이드(CH2Cl2), 클로로포름(CH3Cl), 테트라하이드로퓨란(THF) 등의 양성자성 극성용매가 사용될 수 있으며, 공비용매로서 벤젠, 톨루엔, 자일렌 등이 사용될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 방법으로 제조된 본 발명의 말단에 가교구조를 함유한 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체는 열적 안정성, 필름형성 능력, 기계적 안정성, 화학적 특성, 물리적 특성, 셀 성능 등에서는 기존의 술폰네이션된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체나 현재 상용화된 고분자 전해질막으로 사용되는 나피온 막과 동등 또는 그 이상의 수준을 유지하면서도 전기 화학적 특성, 특히 양이온 전도도와 셀 성능 면에서는 월등히 향상된 효과를 나타낼 뿐 아니라 수분에 장시간 노출되어도 전해질막 특성의 변화가 없어 높은 치수안정성의 결과를 보였다.
이와 같은 본 발명은 다음의 제조예들에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는 바, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
제조예 13: 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르 설폰)-FBA50 공중합체(SPAESO-FBA50)의 제조
Figure 112007018557658-pat00093
상기 제조예 1과 동일한 방법으로 SPAESO-FBA50를 합성하였으며, 다만 술폰화된 단량체로 3,3’-디술폰네이티드-4,4’-디클로로디페닐 설폰 (3,3’-disulfonated-4,4’-dichlorodiphenyl sulfone)의 0.5몰 비율의 디할라이드 단량체와 술폰화되지 않은 단량체로서 4,4’-디클로로디페닐 설폰 (4,4’-dichlorodiphenyl sulfone)의 0.5몰 비율의 디할라이드 단량체와 4,4’-(헥사플루오로이소프로필리덴)디페놀 ((4,4’-hexafluoroisopropylidene)diphenol) 1몰 비율의 디하이드록시 단량체를 사용하였다. 또한, 상기 제조예 1에서 보다 온도를 150 - 180 oC 로 변화 시켜주어 중합을 실시하였다. 최종 생성물의 수율은 87 % 이상이었다.
제조예 14: 말단에 가교구조를 함유한 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르 설폰)-FBA50 공중합체(E-SPAESO-FBA50)의 제조
Figure 112007018557658-pat00094
상기 제조예 3과 동일한 방법으로 E-SPAESO-FBA50를 합성하였으며, 다만 술폰화된 고분자로 SPAESO-FBA50를 사용했으며, 반응 온도를 150 - 180 oC 범위에서 실시한 것이 다르다.
제조예 15: 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르 케톤)-FBA50 공중합체(SPAEK-FBA50)의 제조
Figure 112007018557658-pat00095
상기 제조예 1과 동일한 방법으로 SPAEK-FBA50를 합성하였으며, 다만 술폰화된 단량체로 3,3’-디술폰네이티드-4,4’-디플루오로벤조페논 (3,3’-disulfonated-4,4’-difluorobenzophenone)의 0.5몰 비율의 디할라이드 단량체와 술폰화되지 않은 단량체로서 4,4’-디플루오로벤조페논 (4,4’-difluorobenzophenone)의 0.5몰 비율의 디할라이드 단량체와 4,4’-(헥사플루오로이소프로필리덴)디페놀 ((4,4’-hexafluoroisopropylidene)diphenol) 1몰 비율의 디하이드록시 단량체를 사용하였다. 또한, 상기 제조예 1에서 보다 온도를 150 - 180 oC 로 변화시켜주어 중합을 실시하였다. 최종 생성물의 수율은 93 % 이상이었다.
제조예 16: 말단에 가교구조를 함유한 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르 케톤)-FBA50 공중합체(E-SPAEK-FBA50)의 제조
Figure 112007018557658-pat00096
상기 제조예 3과 동일한 방법으로 E-SPAEK-FBA50를 합성하였으며, 다만 술폰화된 고분자로 SPAEK-FBA50를 사용했으며, 반응 온도를 150 - 180 oC 범위에서 실시한 것이 다르다.
상술한 바대로 본 발명의 실시예들에 따라 고분자 전해질 막을 제조하는 경우, 높은 화학적 안정성 및 열적 안정성을 가짐을 알 수 있다. 또한, 고분자 전해질 막으로서 가장 중요한 특성인 양이온 전도도 또한, 상용화된 나피온보다 2배 정도로 높음을 알 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 말단에 가교구조를 함유한 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체를 이용한 고분자 전해질 막은 열적 안정성, 기계적 안정성, 화학적 안정성, 막 형성 능력 등에서 기존의 상용화된 고분자 전해질 막과 동등 또는 그 이상의 수준을 유지한다. 또한, 양이온 전도도와 셀 성능 면에서는 기존의 고분자 전해질 막에 비해 월등히 향상된 효과를 나타내며, 수분에 장시간 노출되어도 전해질 막 특성의 변화가 없어 높은 치수안정성을 나타내며 연료 전지 또는 2차 전지 등에 사용될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (18)

  1. 하기의 화학식 1로 표시되는 말단에 가교구조를 가지는 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체.
    [화학식 1]
    Figure 112007018557658-pat00097
    상기 화학식 1에서, SAr1은 술폰화된 방향족(sulfonated aromatic)을 나타내며, Ar은 술폰화되지 않은 방향족(none sulfonated aromatic)을 나타내고, CM은 가교할 수 있는 부분(Crosslinkable moiety)을 나타낸다.
    또한 상기 화학식 1에서 k는 0.001 - 1.000 의 범위를 지니며, s = 1 - k 값을 가지며, n은 고분자 중합체의 반복단위(repeating unit)를 나타내며, n은 정수로서 10 내지 500을 나타낸다.
  2. 제1항에 있어서, 상기 SAr1은
    Figure 112007018557658-pat00098
    ,
    Figure 112007018557658-pat00099
    또는
    Figure 112007018557658-pat00100
    이고, Z는 벤젠의 탄소와 -SO3 -M+ 가 직접 연결 되어 있는 결합,
    Figure 112007018557658-pat00101
    ,
    Figure 112007018557658-pat00102
    또는
    Figure 112007018557658-pat00103
    을 나타내며, Y는 탄소와 탄소가 직접 연결되어 있는 단일결합
    Figure 112007018557658-pat00104
    ,
    Figure 112007018557658-pat00105
    ,
    Figure 112007018557658-pat00106
    ,
    Figure 112007018557658-pat00107
    ,
    Figure 112007018557658-pat00108
    또는
    Figure 112007018557658-pat00109
    이며, A는 탄소와 탄소가 직접 연결되어 있는 단일결합
    Figure 112007018557658-pat00110
    또는
    Figure 112007018557658-pat00111
    이며, E는 H, F, C1 ~ C5 또는
    Figure 112007018557658-pat00112
    이고, L은 H, F, C1 ~ C5이며, 상기 M+는 양이온 전하를 가진 짝이온인 것을 특징으로 하는 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체.
  3. 제2항에 있어서, 상기 양이온 전하를 가진 짝이온은 칼륨 이온, 나트륨 이온 또는 알킬 아민인 것을 특징으로 하는 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 Ar은
    Figure 112007018557658-pat00113
    또는
    Figure 112007018557658-pat00114
    이고, Y는 탄소와 탄소가 직접 연결되어 있는 단일결합
    Figure 112007018557658-pat00115
    ,
    Figure 112007018557658-pat00116
    ,
    Figure 112007018557658-pat00117
    ,
    Figure 112007018557658-pat00118
    또는
    Figure 112007018557658-pat00119
    이며, A는 탄소와 탄소가 직접 연결되어 있는 단일결합
    Figure 112007018557658-pat00120
    ,
    Figure 112007018557658-pat00121
    또는
    Figure 112007018557658-pat00122
    이며, E는 H, F, C1 ~ C5 또는
    Figure 112007018557658-pat00123
    이며, L은 H, F, C1 ~ C5 것을 특징으로 하는 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체.
  5. 제1항에 있어서, 상기 CM은
    Figure 112007018557658-pat00124
    또는
    Figure 112007018557658-pat00125
    이고, R은 R1이 치환되어있는 삼중결합(ethynyl part)(R=
    Figure 112007018557658-pat00126
    ), 이중결합(vinyl part)(R=
    Figure 112007018557658-pat00127
    ) 또는
    Figure 112007018557658-pat00128
    이며, 상기 G는 탄소와 탄소가 직접 연결되어 있는 단일 결합,
    Figure 112007018557658-pat00129
    또는
    Figure 112007018557658-pat00130
    이고, R1은 H, F, C1 ~ C5 또는
    Figure 112007018557658-pat00131
    이다. 상기 R2는 H, X 또는 C1~C5 것을 특징으로 하는 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체.
  6. 술폰화된 디하이드록시 단량체, 술폰화되지 않은 디하이드록시 단량체 및 술폰화되지 않은 디할라이드 단량체를 이용하여 하기의 화학식 2의 고분자 중합체를 형성하는 단계; 및
    상기 고분자 중합체의 말단에 축중합에 의한 치환 반응을 이용하여 하기의 화학식 3의 말단에 가교구조를 가지는 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체를 형성하는 방법.
    [화학식 2]
    Figure 112007018557658-pat00132
    [화학식 3]
    Figure 112007018557658-pat00133
    상기 화학식 2 및 화학식 3에서, SAr1은 술폰화된 방향족(sulfonated aromatic)을 나타내며,
    Figure 112007018557658-pat00134
    ,
    Figure 112007018557658-pat00135
    또는
    Figure 112007018557658-pat00136
    이다.
    또한, Ar은 술폰화되지 않은 방향족(none sulfonated aromatic)을 나타내며,
    Figure 112007018557658-pat00137
    또는
    Figure 112007018557658-pat00138
    이다.
    Y는 탄소와 탄소가 직접 연결되어 있는 단일결합
    Figure 112007018557658-pat00139
    ,
    Figure 112007018557658-pat00140
    ,
    Figure 112007018557658-pat00141
    또는
    Figure 112007018557658-pat00142
    이며, A는 탄소와 탄소가 직접 연결되어 있는 단일결합
    Figure 112007018557658-pat00143
    또는
    Figure 112007018557658-pat00144
    이며, E는 H, F, C1 ~ C5 또는
    Figure 112007018557658-pat00145
    이다. 또한, L은 H, F, C1 ~ C5을 나타낸다.
    Z는 벤젠의 탄소와 -SO3 -M+ 가 직접 연결되어 있는 결합,
    Figure 112007018557658-pat00146
    ,
    Figure 112007018557658-pat00147
    또는
    Figure 112007018557658-pat00148
    를 나타낸다.
    M+는 양이온 전하를 가진 짝이온(counterion)이며, CM은 가교할 수 있는 부분(Crosslinkable moiety)을 나타내며,
    Figure 112007018557658-pat00149
    또는
    Figure 112007018557658-pat00150
    이다. 상기 CM에서 R은 R1이 치환되어있는 삼중결합(ethynyl part)(R=
    Figure 112007018557658-pat00151
    ), 이중결합(vinyl part)(R=
    Figure 112007018557658-pat00152
    ) 또는
    Figure 112007018557658-pat00153
    이며, G는 탄소와 탄소가 직접 연결되어 있는 단일 결합,
    Figure 112007018557658-pat00154
    , 또는
    Figure 112007018557658-pat00155
    를 의미한다. 또한, R1은 H, F, C1 ~ C5 또는
    Figure 112007018557658-pat00156
    이다. 상기 R2는 H, X 또는 C1~C5이고, X는 할로겐 원자이다.
    또한, 상기 k는 0.001 - 1.000 의 범위를 지니며, s = 1 - k 값을 가지며, n은 정수로서 10~500 을 나타낸다.
  7. 제6항에 있어서, 상기 고분자 중합체를 형성하는 단계는, 염기, 공비용매 및 비양성자성 극성용매 또는 양성자성 극성용매를 사용하고, 10oC 내지 300oC 온도 범위로 축중합 반응하는 것을 특징으로 하는 말단에 가교구조를 가지는 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체를 형성하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 비양자성 극성용매는, N-메틸피롤리돈(NMP), 디메틸포름아마이드(DMF), N,N-디메틸아세트아마이드(DMAc) 및 디메틸설폭사이드 (DMSO) 중에서 선택되고, 상기 양성자성 극성용매는 메틸렌클로라이드(CH2Cl2), 클로로포름(CH3Cl) 또는 테트라하이드로퓨란(THF)이고, 상기 공비용매는 벤젠, 톨루엔 또는 자일렌인 것을 특징으로 하는 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체를 형성하는 방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 치환 반응은 할라이드가 치환된 단량체(
    Figure 112007018557658-pat00157
    ) 또는 하이드록시가 치환된 단량체(
    Figure 112007018557658-pat00158
    )를 이용하는 것을 특징으로 하는 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체를 형성하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 할라이드가 치환된 단량체는 (k+s)/m이 1 이상인 경우에 사용되고, 상기 하이드록시가 치환된 단량체는 (k+s)/m이 1 이하인 경우에 사용되며, 상기 R2가 X인 경우에는, 상기 하이드록시가 치환된 단량체가 사용되는 것을 특징으로 하는 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체를 형성하는 방법.
  11. 하기의 화학식 4로 표시되는 말단에 가교구조를 가지는 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체.
    [화학식 4]
    Figure 112007018557658-pat00159
    상기 화학식 4에서, SAr2은 술폰화된 방향족(sulfonated aromatic)을 나타내며, Ar은 술폰화되지 않은 방향족(none sulfonated aromatic)을 나타내고, CM은 가교할 수 있는 부분(Crosslinkable moiety)을 나타낸다.
    또한 상기 화학식 4에서 k는 0.001 - 1.000 의 범위를 지니며, s = 1 - k 값을 가지며, n은 고분자 중합체의 반복단위(repeating unit)를 나타내며, n은 정수로서 10 내지 500을 나타낸다.
  12. 제11항에 있어서, 상기 SAr2는
    Figure 112007018557658-pat00160
    ,
    Figure 112007018557658-pat00161
    또는
    Figure 112007018557658-pat00162
    이고, 상기 Ar은
    Figure 112007018557658-pat00163
    또는
    Figure 112007018557658-pat00164
    이며, Y는 탄소와 탄소가 직접 연결되어 있는 단일결합
    Figure 112007018557658-pat00165
    ,
    Figure 112007018557658-pat00166
    또는
    Figure 112007018557658-pat00167
    이며, A는 탄소와 탄소가 직접 연결되어 있는 단일결합
    Figure 112007018557658-pat00168
    또는
    Figure 112007018557658-pat00169
    이며, E는 H, F, C1 ~ C5 또는
    Figure 112007018557658-pat00170
    이고, L은 H, F, C1 ~ C5 를 나타내며, Z는 벤젠의 탄소와 -SO3 -M+ 가 직접 연결되어 있는 결합,
    Figure 112007018557658-pat00171
    ,
    Figure 112007018557658-pat00172
    또는
    Figure 112007018557658-pat00173
    이며, 상기 M+는 양이온 전하를 가진 짝이온으로 칼륨 이온, 나트륨 이온 또는 알킬 아민인 것을 특징으로 하는 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체.
  13. 제11항에 있어서, 상기 CM은
    Figure 112007018557658-pat00174
    또는
    Figure 112007018557658-pat00175
    이고, CM에서 R은 R1이 치환되어있는 삼중결합(ethynyl part)(R=
    Figure 112007018557658-pat00176
    ), 이중결합(vinyl part)(R=
    Figure 112007018557658-pat00177
    ) 또는
    Figure 112007018557658-pat00178
    이며, 상기 R에서 G는 탄소와 탄소가 직접 연결되어 있는 단일 결합,
    Figure 112007018557658-pat00179
    또는
    Figure 112007018557658-pat00180
    이고, R1은 H, F, C1 ~ C5 또는
    Figure 112007018557658-pat00181
    이고, R2는 H, X 또는 C1~C5이며, X는 할로겐 원자인 것을 특징으로 하는 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체.
  14. 술폰화된 디할라이드 단량체, 술폰화되지 않은 디할라이드 단량체 및 술폰화되지 않은 디하이드록시 단량체를 이용하여 하기의 화학식 5의 고분자 중합체를 형성하는 단계; 및
    [화학식 5]
    Figure 112007018557658-pat00182
    상기 고분자 중합체의 말단에 축중합에 의한 치환 반응을 이용하여 하기의 화학식 6의 말단에 가교구조를 가지는 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체를 형성하는 방법.
    [화학식 6]
    Figure 112007018557658-pat00183
    상기 화학식 5 및 화학식 6에서, SAr2는 술폰화된 방향족으로서
    Figure 112007018557658-pat00184
    ,
    Figure 112007018557658-pat00185
    또는
    Figure 112007018557658-pat00186
    이고, 상기 Ar은
    Figure 112007018557658-pat00187
    또는
    Figure 112007018557658-pat00188
    이다.
    상기 Y는 탄소와 탄소가 직접 연결되어 있는 단일결합
    Figure 112007018557658-pat00189
    ,
    Figure 112007018557658-pat00190
    ,
    Figure 112007018557658-pat00191
    또는
    Figure 112007018557658-pat00192
    이며, A는 탄소와 탄소가 직접 연결되어 있는 단일결합
    Figure 112007018557658-pat00193
    또는
    Figure 112007018557658-pat00194
    이며, E는 H, F, C1 ~ C5 또는
    Figure 112007018557658-pat00195
    이고, L은 H, F, C1 ~ C5 를 나타낸다. 또한, Z는 벤젠의 탄소와 -SO3 - M+ 가 직접 연결되어 있는 결합,
    Figure 112007018557658-pat00196
    ,
    Figure 112007018557658-pat00197
    또는
    Figure 112007018557658-pat00198
    이다.
    또한, 상기 M+는 양이온 전하를 가진 짝이온으로 칼륨 이온, 나트륨 이온 또는 알킬 아민이고, 상기 CM은 가교할 수 있는 부분으로
    Figure 112007018557658-pat00199
    또는
    Figure 112007018557658-pat00200
    이고, 상기 CM에서 R은 R1이 치환되어있는 삼중결합(ethynyl part)(R=
    Figure 112007018557658-pat00201
    ), 이중결합(vinyl part)(R=
    Figure 112007018557658-pat00202
    ) 또는
    Figure 112007018557658-pat00203
    이며, 상기 R에서 G는 탄소와 탄소가 직접 연결되어 있는 단일 결합,
    Figure 112007018557658-pat00204
    또는
    Figure 112007018557658-pat00205
    이고, R1은 H, F, C1 ~ C5 또는
    Figure 112007018557658-pat00206
    이고, R2는 H, X 또는 C1~C5이며, X는 할로겐 원자이다.
  15. 제14항에 있어서, 상기 고분자 중합체를 형성하는 단계는, 염기, 공비용매 및 비양성자성 극성용매 또는 양성자성 극성용매를 사용하고, 10oC 내지 300oC 온도 범위로 축중합 반응하는 것을 특징으로 하는 말단에 가교구조를 가지는 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체를 형성하는 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 비양자성 극성용매는 N-메틸피롤리돈(NMP), 디메틸포름아마이드(DMF), N,N-디메틸아세트아마이드(DMAc) 또는 디메틸설폭사이드(DMSO)이 며, 양성자성 극성용매는 메틸렌클로라이드(CH2Cl2), 클로로포름(CH3Cl) 또는 테트라하이드로퓨란(THF)이고, 상기 공비용매는 벤젠, 톨루엔 또는 자일렌인 것을 특징으로 하는 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체를 형성하는 방법.
  17. 제14항에 있어서, 상기 치환 반응은 할라이드가 치환된 단량체(
    Figure 112007018557658-pat00207
    ) 또는 하이드록시가 치환된 단량체(
    Figure 112007018557658-pat00208
    )를 이용하는 것을 특징으로 하는 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체를 형성하는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 할라이드가 치환된 단량체는 (k+s)/m이 1 이하인 경우에 사용되고, 상기 하이드록시가 치환된 단량체는 (k+s)/m이 1 이상인 경우에 사용되며, 상기 R2가 X 일때는 (k+s)/m의 값에 상관없이 상기 하이드록시가 치환된 단량체가 사용되는 것을 특징으로 하는 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체를 형성하는 방법.
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