스티렌설폰산을 포함한 폴리설폰계 그라프트 공중합체의 합성 및 이의 연료전지용 분리막에의 응용

Abstract

Living radical Polymerization의 하나인 RAFT (reversible addition-fragmentation chain transfer) 중합법을 이용하여 분자 구조가 조절된 ionomer를 함유한 polysulfone-g-poly(styrenesulfonic acid)를 합성하고 연료전지용 수소 이온 교환막으로서의 적용 가능성을 확인하기 위해 solution casting방법으로 고분자 전해질 막을 제조하여, 막의 성질에 대해서 연구하였다. 열적 특성을 측정해 본 결과 200 oC 이상에서 유리전이온도를 보였으며 190 oC까지 안정성을 가지는 것을 확인하였다. 전해질 막의 함수율과 이온 교환 용량, 수소이온 전도도는 공중합체의 함량의 증가에 따라서 증가하는 값을 보였다. 그리고 수소 이온 전도도와 메탄올 투과도의 변화는 서로 비슷한 경향성을 보였다. 가장 높은 수소이온 전도도의 값은 상대습도 100%, 25 oC 에서 1.36 x 10^(-1) S/cm였다. 메탄올 투과도는 25 oC 3.3 x 10^(-6) - 1.97 x 10^(-8) ㎠/s (25 oC)의 범위를 가졌으며 이는 Nafion 117에 비해서 80배 좋은 값을 나타내었다. 또한 selectivity ratio는 Nafion과 비교하여 1.5 - 15배 좋은 값을 나타내었다. 결과적으로, 제조된 PSF-g-PSSA 이온 교환막은 메탄올연료전지(DMFC)용으로 적합한 비불소계 양이온 교환막으로의 가능성을 보여주었다.; Well defined amphiphilic polysulfone-g-poly(styrenesulfonic acid) (PSF-b-PSSA) graft copolymers were prepared by controlled radical polymerization of styrenesulfonic acid sodium salt. PSF-g-PSSA was fabricated using solution casting method. The graft membranes showed Tg higher than 200 oC, and thermal stability up to 500 oC. The graft membranes showed increases of the water uptake, ion exchange capacity (IEC), proton conductivity, and methanol permeability with increasing the graft copolymer content. The trend of changes of proton conductivity and methanol permeability were very similar. Highest proton conductivity was up to 21.36 x 10^(-1) S/cm (25 oC, RH=100%) and obeyed Arrhenius' equation. Methanol permeability was in the range of 3.3 x 10^(-6) - 1.97 x 10^(-8) ㎠/s (25 oC), which proved to be 80times better than that of Nafion 117.