높은 술폰화도를 가진 sPPO를 이용한 Semi-IPN 형 sPPO/acrylate 블렌드 이온 교환 막의 제조

Abstract

본 연구에서는 높은 술폰화도를 가진 poly(2,6-dimethyl-1,4-phenylene oxide) (PPO)와 acrylate 단량체를 블렌드하고 UV polymerization을 통해 semi-interpenetrating polymer network (Semi-IPN) 형 수소 이온교환막을 제조하였다. sPPO는 trimethylsilyl chlorosulfonate를 sulfonation agent로 사용하여 합성되었다. Ethoxylate group을 포함한 1,6-hexanediol ethoxylate diacrylate(DA), trimethylolpropane ethoxylate triacrylate(TA)를 crosslinkable monomer로 사용하였다. UV polymerization의 initiator는 Irgacure 184 (1-hydroxycyclohexyl phenyl ketone)와 azobisisobutyronitrile (AIBN)을 사용하였다. sPPO와 acrylate, initiator를 homogeneous solution으로 만들고 solvent casting method로 필름을 건조하고 겔 필름을 만들어 UV polymerization을 하였다. 실험 결과 sPPO와 TA를 사용한 가교필름은 물에 녹지 않고 필름상태가 잘 유지되었다. sPPO/TA 블렌드 가교필름은 volume ratio를 달리하여 water-uptake와 수소 이온 전도도, ion exchange capacity (IEC), 메탄올 투과도를 확인하고 Nafion 117과 비교하였다. 상온에서 sPPO의 함량이 증가할수록 water-uptake와 IEC는 증가하였고 proton conductivity는 sPPO가 30 volume %일 때 약간 낮은 수소 이온 전도도를 보였다. 상온에서 가장 높은 수소 이온 전도도를 나타낸 sPPO40/TA60 (2 mol %) 블렌드 필름은 Nafion 117보다 약간 높은 성능을 보였다. 그리고 메탄올 투과도는 6.30 x 10-7 ~ 9.07 x 10-7 cm2/s (25℃) 의 범위를 가졌으며, 이 수치는 Nafion 117에 비해 3.75배 더 낮았다. 그리고 본 연구에서 가장 높은 선택도를 보인 sPPO20/TA80 (1 mol %) 블렌드 양이온 교환막은 수소 이온 전도도가 0.063 S/cm, 메탄올 투과도는 6.30 x 10-7 cm2/s, 선택도는 1.00 x 105 를 가졌다. 그 결과 본 연구에서 제조된 이온 교환막은 높은 수소 이온 전도도, 낮은 메탄올 투과도를 나타내어 DMFC용 전해질 막으로 적용할 수 있는 가능성을 보여주었다.