선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- VBTAC와 HEMA을 사용하여 이온교환막 제조하는 것은 발암성 물질과 아민류를 사용하지 않는 친환경적인 제조 방법이다. 본 연구에서는 PVA 고분자 매트릭스 상에 VBTAC와 HEMA를 공중합하였으며 물에 대한 안정성을 높이기 위해 글루타르산과 글루타르알데히드를 이용하여 가교 결합하였다. 그리고 제조된 음이온 교환막의 전기화학적인 물성을 조사하였다.
가설 설정
- 이 반응에 사용된 글루타르산의 함량은 PVA와 HEMA 중량 합의 30 wt% 이다. 그리고 (c)이온교환막은 (b)이온교환막에 글루타르알데히드로 한단계 더 가교반응 한 것이다. 즉, 에스테르화와 가교의 두 반응이 모두 이루어진 것이다.
제안 방법
- Chronopotentiometry 측정은 0.1 M NaCl 전해질을 이용하여 측정하였다. 일정한 전류밀도를 공급할 때 이온의 이동으로 인하여 막과 전해질의 계면에서 발생하는 전위차를 시간에 따라 측정한 결과를 Figure 7에 나타낸다.
- PVA 수용액 상에서 VBTAC와 HEMA의 중합체를 형성하고 글루타르산의 에스테르화 반응과 글루타르알데히드의 가교반응에 의해 음이온 교환막을 제조하였다. 수용성 고분자 매트릭스 상에서 4급 암모늄염을 포함하는 VBTAC 중합체 형성이 잘 이루어졌으며 디카르복실산인 글루타르산과 가교제인 글루타르알데히드의 반응조건에 따라 이온교환막의 전기화학적 물성을 효과적으로 조절할 수 있었다.
- PVA 수용액 상의 중합반응 단계와 에스테르화 반응 단계에서 VBTAC/ HEMA 단량체 몰 비율은 0.78로, 글루타르산은 PVA와 HEMA 중량 합의 25 wt%로 각각 일정하게 유지하여 필름을 제조하였다. 제조된 필름의 2차 가교 정도에 따른 물성을 조사하기 위하여 아세톤 대비 10 (v/v)% 글루타르알데히드 혼합용액에 60 ℃ 온도에서 1∼6 h 시간을 유지하는 가교 반응을 하였다.
- VBTAC/HEMA 단량체 몰 비율을 0.78로 고정하여 중합반응 실험을 하고 글루타르산의 함량을 변화하여 에스테르반응 정도를 조절하였다. 글루타르산 함량의 변화는 PVA와 HEMA 중량 합에 대한 글루타르산 비율로 하였다.
- 이 반응에서는 산 촉매로 황산을 글루타르산의 10 wt%로 넣어 24 h동안 교반한 후 이 용액을 일정한 두께로 캐스팅하여 60 ℃ 오븐에서 16 h동안 유지하며 건조하였다. 가교반응의 영향 조건을 제외하고 성형된 필름을 아세톤 대비 10 (v/v)% 글루타르알데히드 혼합한 용액에 30 min 침지시킨 후에 100 ℃ 예열된 오븐에서 30 min 유지하여 가교 결합된 음이온 교환막을 제조하였다. 제조된 음이온 교환막은 증류수로 수차례 세척하여 pH를 중성으로 유지한 후 0.
- 함수율을 측정하기 위해서 이온교환막을 증류수에 24 h 정도 침적시켜 평형상태에 이르도록 하였다. 그 다음 물에 젖은 이온교환막 표면의 수분을 티슈로 제거한 후 그 무게를 측정(Wwet)하였다. 침적 전후의 무게 차를 측정하고 건조 이온교환막(Wdry)의 무게 대비로 다음 식 (4)와 같이 이온교환막의 함수율을 계산하였다.
- 본 연구에서는 PVA 고분자 매트릭스 상에 VBTAC와 HEMA를 공중합하였으며 물에 대한 안정성을 높이기 위해 글루타르산과 글루타르알데히드를 이용하여 가교 결합하였다. 그리고 제조된 음이온 교환막의 전기화학적인 물성을 조사하였다.
- 78로 고정하여 중합반응 실험을 하고 글루타르산의 함량을 변화하여 에스테르반응 정도를 조절하였다. 글루타르산 함량의 변화는 PVA와 HEMA 중량 합에 대한 글루타르산 비율로 하였다. 에스테르화 반응이 이루어진 필름은 글루타르알데히드/아세톤 혼합용액으로 가교하여 음이온 교환막을 제조하였다.
- 1 M AgNO3 수용액 몇 방울을 떨어뜨려 확인하였다. 다시 증류수로 충분히 세척한 후에 2 M NaNO3 수용액 100 mL에 이온교환막을 6 h동안 침적하여 막 내의 염화이온과 수용액중의 질산이온이 서로 치환되어 염화이온이 용액 내에 유리 되도록 하였다. 염화이온이 유리되어 포함된 용액 50 mL에 지시약인 중크롬산칼륨수용액 0.
- 둥근 플라스크에 미리 준비해 둔 15 wt% PVA수용액과 VBTAC, HEMA 단량체와 개시제인 AIBN을 투입하고 혼합하여 40 ℃ 온도에서 2∼3 h 유지하며 교반하였다.
- 이 중합체는 물에 대한 팽윤성이 높은 물질로 구성된 관계로 이온교환막의 함수율을 조절할 필요가 있다. 따라서 양 끝단에 카르복실기를 지닌 글루타르산과 양말단에 알데히드기를 가진 글루타르알데히드를 이용하여 고분자들간에 에스테르 반응 및 가교결합 반응을 수행하였다. 이들 반응을 통해서 고분자 내의 OH 그룹이 상대적으로 줄어듦에 따라 제조된 이온교환막의 팽윤성을 적절한 수준으로 조절하고 물에 대한 안정성을 높일 수 있었다.
- 785 cm2이었다. 막 양면에 가깝게 luggin capillary을 이용한 Ag/AgCl 기준전극을 설치하여 이온교환막을 경계로 하는 양쪽의 전위차 또는 전류를 측정하였다. 이온교환막의 전기화학적 특성은 potentiostate/galvanostate (WEIS510, Wonatech)을 사용하여 측정하였다.
- 글루타르산 함량의 변화는 PVA와 HEMA 중량 합에 대한 글루타르산 비율로 하였다. 에스테르화 반응이 이루어진 필름은 글루타르알데히드/아세톤 혼합용액으로 가교하여 음이온 교환막을 제조하였다. Figure 4에 글루타르산 함량에 따른 이온교환막의 함수율과 전도도를 나타낸다.
- 우선 PVA 수용액 상에서 암모늄 클로라이드기를 함유한 VBTAC와 하이드록시기를 지닌 HEMA을 중합하였다. 이 중합체는 물에 대한 팽윤성이 높은 물질로 구성된 관계로 이온교환막의 함수율을 조절할 필요가 있다.
- 이온교환막은 1 M NaCl 수용액에 12 h 침적시켜 4급 염화암모늄 관능기 그룹과 염화이온과의 접촉이 충분하도록 하였다. 이 막을 증류수로 여러 번 세척하고 이온교환막 표면에 NaCl이 얼마나 남아있는지 점검하기 위해 세척 잔류 액에 0.1 M AgNO3 수용액 몇 방울을 떨어뜨려 확인하였다. 다시 증류수로 충분히 세척한 후에 2 M NaNO3 수용액 100 mL에 이온교환막을 6 h동안 침적하여 막 내의 염화이온과 수용액중의 질산이온이 서로 치환되어 염화이온이 용액 내에 유리 되도록 하였다.
- 이동수가 0.95 이상이 되는 막(글루타르알데히드 가교시간이 5 h)을 대상으로 전기화학적 특성 조사를 하였다. 전류밀도 변화에 따른 chronopotentiometry 측정과 전류-전압(I-V) 곡선을 통하여 제조한 이온교환막의 한계전류밀도를 확인하였다.
- 지시약으로 5 (wt/v)% 중크롬산칼륨수용액을 사용하였다. 이온교환막은 1 M NaCl 수용액에 12 h 침적시켜 4급 염화암모늄 관능기 그룹과 염화이온과의 접촉이 충분하도록 하였다. 이 막을 증류수로 여러 번 세척하고 이온교환막 표면에 NaCl이 얼마나 남아있는지 점검하기 위해 세척 잔류 액에 0.
- 막 양면에 가깝게 luggin capillary을 이용한 Ag/AgCl 기준전극을 설치하여 이온교환막을 경계로 하는 양쪽의 전위차 또는 전류를 측정하였다. 이온교환막의 전기화학적 특성은 potentiostate/galvanostate (WEIS510, Wonatech)을 사용하여 측정하였다.
- 1 M NaCl 수용액을 넣어 실험하였다. 전기화학 셀 2실 구조의 중앙에 음이온 교환막을 장착하였고, 설치된 막의 유효면적은 0.785 cm2이었다. 막 양면에 가깝게 luggin capillary을 이용한 Ag/AgCl 기준전극을 설치하여 이온교환막을 경계로 하는 양쪽의 전위차 또는 전류를 측정하였다.
- 95 이상이 되는 막(글루타르알데히드 가교시간이 5 h)을 대상으로 전기화학적 특성 조사를 하였다. 전류밀도 변화에 따른 chronopotentiometry 측정과 전류-전압(I-V) 곡선을 통하여 제조한 이온교환막의 한계전류밀도를 확인하였다.
- 95 이상, 즉 선택도가 높은 음이온 교환막을 제조할 수 있 었다. 제조된 이온교환막의 chronopotentiometry 측정과 전해질 농도에 따른 한계전류밀도를 조사하였다.
- 제조된 필름의 2차 가교 정도에 따른 물성을 조사하기 위하여 아세톤 대비 10 (v/v)% 글루타르알데히드 혼합용액에 60 ℃ 온도에서 1∼6 h 시간을 유지하는 가교 반응을 하였다.
- 제조한 음이온 교환막의 chronopotentiometry와 전류-전압곡선은 2실 구조의 전기화학 셀을 이용하여 측정하였다. 사용한 전극은 5 × 10 cm2의 Ag/AgCl 전극이고 전해조에 0.
- 5 M NaCl 용액에 24 h 이상 충분히 담가 두어 전해질과 막이 평형이 되도록 유지하였다. 주파수 1 kHz, 전압 1 V의 조건의 LCR meter (Hioki Model 3522)를 이용하여 전해질이 포함되고 이온교환막이 장착된 셀에서 전기저항(R2)을 측정하고, 이어서 이온교환막이 없는 전해질만의 전기저항(R1)을 각각 측정하였다. 이 두 저항의 차이로부터 다음 식 (2)와 같이 음이온 교환막의 전기저항을 계산하였다.
- 이 때 AIBN은 두 단량체 중량 합의 1 wt%로 넣었다. 중합반응 후에 글루타르산으로 PVA와 HEMA의 OH 그룹과 글루타르산의 COOH 그룹 간에 에스테르화 반응이 이루어지도록 하였다. 이 반응에서는 산 촉매로 황산을 글루타르산의 10 wt%로 넣어 24 h동안 교반한 후 이 용액을 일정한 두께로 캐스팅하여 60 ℃ 오븐에서 16 h동안 유지하며 건조하였다.
- 함수율을 측정하기 위해서 이온교환막을 증류수에 24 h 정도 침적시켜 평형상태에 이르도록 하였다. 그 다음 물에 젖은 이온교환막 표면의 수분을 티슈로 제거한 후 그 무게를 측정(Wwet)하였다.
대상 데이터
- 이온교환막으로 분리되는 2실 구조 전기화학 셀로부터 막 포텐셜 차이를 측정하여 다음 식 (5)와 같이 이동수를 구하였다[9]. Ag/AgCl 기준 전극을 사용하였으며, 전해질로는 0.1 M KCl과 0.01 M KCl을 사용하였다.
- )이 89000∼98000, 가수분해도가 99% (Aldrich)이며 음이온 교환막 제조의 고분자 매트릭스(matrix)로 사용하였다. VBTAC (Aldrich, 99%)와 HEMA (Junsei, 96%)는 고분자 중합의 단량체로 사용되었으며, 글루타르산(glutaric acid) (Across, 99%)은 에스테르화 반응의 카르복실 산, 그리고 글루타르알데히드(glutaraldehyde) (일본 TCI, 50% 수용액)는 가교결합제로 각각 사용하였다. 그리고 AIBN (2,2'-Azobis(2-methyl propionitrile)) (Across, 98%)는 중합반응의 개시제로서 정제 없이 사용하였다.
- 그리고 AIBN (2,2'-Azobis(2-methyl propionitrile)) (Across, 98%)는 중합반응의 개시제로서 정제 없이 사용하였다.
- 본 실험에서 PVA는 분자량(Mw)이 89000∼98000, 가수분해도가 99% (Aldrich)이며 음이온 교환막 제조의 고분자 매트릭스(matrix)로 사용하였다.
- 사용한 전극은 5 × 10 cm2의 Ag/AgCl 전극이고 전해조에 0.1 M NaCl 수용액을 넣어 실험하였다.
- 그리고 AIBN (2,2'-Azobis(2-methyl propionitrile)) (Across, 98%)는 중합반응의 개시제로서 정제 없이 사용하였다. 에스테르 반응을 위한 산 촉매로 황산(삼전순약(주), 95%)을 사용하였다. 이온교환 용량(I.
- 에스테르 반응을 위한 산 촉매로 황산(삼전순약(주), 95%)을 사용하였다. 이온교환 용량(I.E.C.) 측정을 위하여 질산나트륨(5 N NaNO3, 삼전순약(주))과 중크롬산칼륨(K2Cr2O7, Aldrich, 99%), 그리고 질산은 용액(0.1 N AgNO3, 삼전순약(주))과 염화나트륨(NaCl, 99%, 삼전순약(주))을 각각 사용하였다.
- 이 등[10]은 다공성 지지체(폴리에틸렌) 내에 VBC (vinylbenzyl chloride), DVB (divinylbenzene) 단량체로 공중합한 후에 TMA (trimethylamine)으로 아민화하여 음이온 교환막을 제조하였다. 이와 같이 기존에 상용화 되어 있는 다공성의 폴리에틸렌(PE) 필름 또는 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 필름을 이용하며 필름 기공내외에 비교적 적은 양의 이온교환 물질을 도입하여 음이온 교환막을 제조한다. 또 김 등[11]은 지지체(폴리프로필렌) 내에 UV와 방사선 그라프트 중합법에 의해 VBTAC((vinylbenzyl)trimethylammonium chloride)와 HEMA (2-hydroxyethyl methacrylate)의 중합체를 제조하였다.
- 음이온 교환 막의 이온교환용량 측정법은 Mohr 법을 이용하였다. 지시약으로 5 (wt/v)% 중크롬산칼륨수용액을 사용하였다. 이온교환막은 1 M NaCl 수용액에 12 h 침적시켜 4급 염화암모늄 관능기 그룹과 염화이온과의 접촉이 충분하도록 하였다.
이론/모형
- 음이온 교환 막의 이온교환용량 측정법은 Mohr 법을 이용하였다. 지시약으로 5 (wt/v)% 중크롬산칼륨수용액을 사용하였다.
성능/효과
- 즉, 에스테르화와 가교의 두 반응이 모두 이루어진 것이다. Figure 2에서 (a)이온교환막은 PVA와 HEMA에 존재하는 하이드록시 작용기로 인해 3400 cm-1 부근의 OH 피크가 상대적으로 크게 나타났다. 이것은 에스테르화와 가교 반응이 이루어지지 않아서 고분자 내의 OH 그룹이 그대로 남아 있는 결과이며, Table 1에서도 C-H 그룹(2900 cm-1)에 대한 O-H 그룹의 IR 흡수비율이 다른 이온교환막과 비교하여 상대적으로 높은 것으로부터 확인 된다.
- Figure 5에 가교 반응 시간에 따른 이온교환막의 함수율과 전기저항의 변화를 나타낸다. 가교반응 시간이 증가함에 따라 이온교환막의 함수율이 감소하였고 전기저항은 높아졌다. 중합과 에스테르화 반응에 의해서 제조된 필름이 가교 반응 용액 내에서 접촉 시간이 길어짐에 따라 친수성 OH기가 줄어들고 고분자 필름의 가교도가 높아진 것으로 사료된다.
- PVA 수용액 상에서 VBTAC와 HEMA의 중합체를 형성하고 글루타르산의 에스테르화 반응과 글루타르알데히드의 가교반응에 의해 음이온 교환막을 제조하였다. 수용성 고분자 매트릭스 상에서 4급 암모늄염을 포함하는 VBTAC 중합체 형성이 잘 이루어졌으며 디카르복실산인 글루타르산과 가교제인 글루타르알데히드의 반응조건에 따라 이온교환막의 전기화학적 물성을 효과적으로 조절할 수 있었다. 에스테르화 반응단계에서 글루타르산의 함량이 증가함에 따라 함수율이 줄어들고 전도도도 감소하였다.
- 따라서 양 끝단에 카르복실기를 지닌 글루타르산과 양말단에 알데히드기를 가진 글루타르알데히드를 이용하여 고분자들간에 에스테르 반응 및 가교결합 반응을 수행하였다. 이들 반응을 통해서 고분자 내의 OH 그룹이 상대적으로 줄어듦에 따라 제조된 이온교환막의 팽윤성을 적절한 수준으로 조절하고 물에 대한 안정성을 높일 수 있었다. 친수성 고분자 매트릭스 내에서 단량체들의 중합, 글루타르산과의 에스테르화 반응, 그리고 글루타르알데히드와의 가교결합이 이루어지는 화학 구조식은 Figure 1과 같이 나타낼 수 있다.
- 에스테르화 반응단계에서 글루타르산의 함량이 증가함에 따라 함수율이 줄어들고 전도도도 감소하였다. 적합한 가교반응 조건의 조절에 의해 이동수가 0.95 이상, 즉 선택도가 높은 음이온 교환막을 제조할 수 있 었다. 제조된 이온교환막의 chronopotentiometry 측정과 전해질 농도에 따른 한계전류밀도를 조사하였다.
- 전류-전압 곡선의 측정은 1 µA/s scan rate에서 5 mA까지 전류를 공급하여 이루어졌으며, 그 결과를 Figure 8에 나타낸다. 전해질 농도의 변화에 따라 확보된 I-V 곡선의 결과를 통해서 각각의 한계전류밀도(limiting current density, LCD)를 얻을 수 있었다[18]. 전류-전압곡선은 전형적으로 세 영역으로 구분되어 나타낼 수 있다.
- 글루타르산의 증가에 따라 이온교환막의 함수율과 전도도가 감소하는 것을 알 수 있다. 하이드록시기를 지닌 고분자와 글루타르산과의 에스테르 반응 정도에 따라 PVA 고분자 매트릭스와 이온교환성 중합체의 친수성기가 줄어들어 이온교환막의 함수율을 효과적으로 조절할 수 있었다. 에스테르화 반응단계에 있어서 글루타르산 함량을 25∼30 wt% 범위 내에서 조절한 경우 함수율 50∼60 wt%와 전기저항 4∼5 Ω ⋅ cm2의 이온교환막 물성을 얻을 수 있었다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.