Poly(ether-block-amide)(PEBA, $PEBAX^{TM}$)는 열가소성 탄성체(thermoplastic elastomer, TCU)로서 hard-rigid amide block과 soft-flexible ether block으로 구성되어 있으며, 분자량과 두 block간의 구성비에 따라 여러 종류가 있다. $PEBAX^{TM}$는 분리막소재로 이용할 경우, $PEBAX^{TM}$의 hard amide block은 우수한 기계적 특성과 선택도를, 그리고 soft ether block은 높은 투과도를 제공할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 2종류의 $PEBAX^{TM}$를 사용하여 기체분리막을 제조하고, 종류에 따른 이산화탄소와 메탄의 투과특성 변화를 연구하였다. 또한 순수 $PEBAX^{TM}$ 분리막의 투과특성을 향상시키기 위해 무기전구체로서 TEOS(tetraethoxysilane)를 사용하여 $PEBAX^{TM}$/TEOS 하이브리드막을 제조하고, 그 투과특성을 순수 $PEBAX^{TM}$ 분리막의 결과와 비교하였다. 순수 $PEBAX^{TM}$-1657과 $PEBAX^{TM}$-2533 분리막의 투과도 측정 결과, ether block의 비율이 상대적으로 높은 $PEBAX^{TM}$-2533 분리막의 투과도 계수가 보다 높은 투과도 계수값을 가졌다. 이는 $PEBAX^{TM}$-2533의 경우, 상대적으로 높은 ether block 함량 때문에 고분자 사슬의 유연성이 보다 크기 때문으로 볼 수 있다. $PEBAX^{TM}$/TEOS 하이브리드 분리막의 투과특성을 순수 $PEBAX^{TM}$ 분리막의 결과와 비교할 때, 하이브리드 분리막의 기체 투과도 계수가 보다 높음을 알 수 있다. 이는 TEOS의 축합반응으로 생성된 silica domain에 의해 결정성이 감소하고 또한 이산화탄소와 silanol group과의 친화도(affinity) 증가에 따른 용해도가 증가하기 때문으로 볼 수 있다. 하이브리드 분리막의 투과도 계수 증가에도 불구하고 이상분리인자는 거의 비슷하거나 약간 감소하였음을 알 수 있다. 이는 이산화탄소와 silanol group의 친화도 증가로 인한 용해선택도의 증가에 기인한 것으로 볼 수 있다.
Poly(ether-block-amide)(PEBA, $PEBAX^{TM}$)는 열가소성 탄성체(thermoplastic elastomer, TCU)로서 hard-rigid amide block과 soft-flexible ether block으로 구성되어 있으며, 분자량과 두 block간의 구성비에 따라 여러 종류가 있다. $PEBAX^{TM}$는 분리막소재로 이용할 경우, $PEBAX^{TM}$의 hard amide block은 우수한 기계적 특성과 선택도를, 그리고 soft ether block은 높은 투과도를 제공할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 2종류의 $PEBAX^{TM}$를 사용하여 기체분리막을 제조하고, 종류에 따른 이산화탄소와 메탄의 투과특성 변화를 연구하였다. 또한 순수 $PEBAX^{TM}$ 분리막의 투과특성을 향상시키기 위해 무기전구체로서 TEOS(tetraethoxysilane)를 사용하여 $PEBAX^{TM}$/TEOS 하이브리드막을 제조하고, 그 투과특성을 순수 $PEBAX^{TM}$ 분리막의 결과와 비교하였다. 순수 $PEBAX^{TM}$-1657과 $PEBAX^{TM}$-2533 분리막의 투과도 측정 결과, ether block의 비율이 상대적으로 높은 $PEBAX^{TM}$-2533 분리막의 투과도 계수가 보다 높은 투과도 계수값을 가졌다. 이는 $PEBAX^{TM}$-2533의 경우, 상대적으로 높은 ether block 함량 때문에 고분자 사슬의 유연성이 보다 크기 때문으로 볼 수 있다. $PEBAX^{TM}$/TEOS 하이브리드 분리막의 투과특성을 순수 $PEBAX^{TM}$ 분리막의 결과와 비교할 때, 하이브리드 분리막의 기체 투과도 계수가 보다 높음을 알 수 있다. 이는 TEOS의 축합반응으로 생성된 silica domain에 의해 결정성이 감소하고 또한 이산화탄소와 silanol group과의 친화도(affinity) 증가에 따른 용해도가 증가하기 때문으로 볼 수 있다. 하이브리드 분리막의 투과도 계수 증가에도 불구하고 이상분리인자는 거의 비슷하거나 약간 감소하였음을 알 수 있다. 이는 이산화탄소와 silanol group의 친화도 증가로 인한 용해선택도의 증가에 기인한 것으로 볼 수 있다.
Poly(ether-block-amide)(PEBA, $PEBAX^{TM}$) resin is a thermoplastic elastomer combining linear chains of hard-rigid polyamide block interspaced soft-flexible polyether block. It was believed that the hard polyamide block provides the mechanical strength and permeation selectivity, wherea...
Poly(ether-block-amide)(PEBA, $PEBAX^{TM}$) resin is a thermoplastic elastomer combining linear chains of hard-rigid polyamide block interspaced soft-flexible polyether block. It was believed that the hard polyamide block provides the mechanical strength and permeation selectivity, whereas gas transport occurs primarily through the soft polyether block. The objective of this work was to investigate the gas permeation properties of carbon dioxide and methane for $PEBAX^{TM}$-1657 membrane and compare with those obtained for other grade of $PEBAX^{TM}$, $PEBAX^{TM}$-2533. And the organic/inorganic hybrid membranes were prepared using $PEBAX^{TM}$ and TEOS(tetraethoxysilane) by sol-gel process, and gas permeation properties were studied. $PEBAX^{TM}$-2533 membrane exhibited higher gas permeability coefficients than $PEBAX^{TM}$-1657 membrane. This was explained by the increase of chain mobility. The permeability coefficients for $PEBAX^{TM}$/TEOS hybrid membranes were higher than pure $PEBAX^{TM}$ membranes. This results were explained by the reduction of crystallinity of polyamide block by the introduction of TEOS. Ideal separation factor of hybrid membranes does not change much. This might be due to the increase of solubility selectivity.
Poly(ether-block-amide)(PEBA, $PEBAX^{TM}$) resin is a thermoplastic elastomer combining linear chains of hard-rigid polyamide block interspaced soft-flexible polyether block. It was believed that the hard polyamide block provides the mechanical strength and permeation selectivity, whereas gas transport occurs primarily through the soft polyether block. The objective of this work was to investigate the gas permeation properties of carbon dioxide and methane for $PEBAX^{TM}$-1657 membrane and compare with those obtained for other grade of $PEBAX^{TM}$, $PEBAX^{TM}$-2533. And the organic/inorganic hybrid membranes were prepared using $PEBAX^{TM}$ and TEOS(tetraethoxysilane) by sol-gel process, and gas permeation properties were studied. $PEBAX^{TM}$-2533 membrane exhibited higher gas permeability coefficients than $PEBAX^{TM}$-1657 membrane. This was explained by the increase of chain mobility. The permeability coefficients for $PEBAX^{TM}$/TEOS hybrid membranes were higher than pure $PEBAX^{TM}$ membranes. This results were explained by the reduction of crystallinity of polyamide block by the introduction of TEOS. Ideal separation factor of hybrid membranes does not change much. This might be due to the increase of solubility selectivity.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 2가지 종류의 PEBAXTM를 사용하여 기체 분리막을 제조하고 기체투과특성을 측정하여 고분자의 구조와 투과 특성과의 상관관계를 조사하고자 한다. 또한 Class II 타입의 PEBAXtm/TEOS 하이브리드 소재의 분리막을 제조하고 무기전 구체인 TEOS 의 첨가량에 따른 하이브리드 분리막의 기체투과특성을 측정한 후, 그 결과를 순수 PEBAX& 분리막의 결과와 비교하여 무기전 구체 도입이 기체투과특성에 미치는 영향을 조사하고자 한다.
상관관계를 조사하고자 한다. 또한 Class II 타입의 PEBAXtm/TEOS 하이브리드 소재의 분리막을 제조하고 무기전 구체인 TEOS 의 첨가량에 따른 하이브리드 분리막의 기체투과특성을 측정한 후, 그 결과를 순수 PEBAX& 분리막의 결과와 비교하여 무기전 구체 도입이 기체투과특성에 미치는 영향을 조사하고자 한다.
PEBAXtm-2533 분리막은 PEBAXtm-2533(10 wt%)을 70 wt% propan이과 30 wt% butan이의 혼합용매에 녹인 후, PEBAXtm-1657 분리막의 제조조건과 동일하게 건조하여 제조하였다. PEBAXtm/TEOS 하이브리드 분리막은 PEBAXtm 고분자 용액에 TEOS를 섞은 후 가수분해용 증류수와 축합촉매로 0.1 M HCl 수용액을 첨가하고 빠르게 교반 시켜 제조한 하이브리드 솔(hybrid sol)을 PVDF 지지체 위에 캐스팅하여 제조하였다. 하이브리드 솔 제조시 PEBAXtm: TEOS의 함량비는 9:1과 8:2로 하였으며, 증류수의 몰비는 화학양론비인 4로 하였다.
순수 PEBAX™-1657과 PEBAX™-2533 분리막, 그리고, sol-gel 반응을 통해 제조한 PEBAX™/teoS 하이브리드 분리막의 이산화탄소와 메탄의 투과특성을 측정하였다. 순수 PEBAX™-1657과 PEBAX™-2533 분리막의 투과도 측정 결과, polyether block의 비율이 상대적으로 높은 PEBAX™-2533 분리막의 투과도 계수가 보다 높은 값을 가졌다.
순수한 PEBAXtm-1657 분리막은 PEBAX™-1657 고분자를 70 wt% ethan이과 30 wt% 물의 혼합용매에 녹인 10 wt%의 고분자 용액을 PVDF 지지체에 캐스팅한 후, 40 oC 진공오븐에서 24시간, 그리고 대기 중에서 48시간 건조하여 제조하였다. PEBAXtm-2533 분리막은 PEBAXtm-2533(10 wt%)을 70 wt% propan이과 30 wt% butan이의 혼합용매에 녹인 후, PEBAXtm-1657 분리막의 제조조건과 동일하게 건조하여 제조하였다.
제조된 분리막의 기체 투과특성을 조사하기 위해 본 연구실에서 제작한 Fig. 2의 투과도 측정장치를 이용하여 기체투과도를 측정하였다. 먼저 분리막을 투과 셀에 설치하고 기체공급부와 투과부를 진공 상태로 만들어 준다.
1 M HCl 수용액을 첨가하고 빠르게 교반 시켜 제조한 하이브리드 솔(hybrid sol)을 PVDF 지지체 위에 캐스팅하여 제조하였다. 하이브리드 솔 제조시 PEBAXtm: TEOS의 함량비는 9:1과 8:2로 하였으며, 증류수의 몰비는 화학양론비인 4로 하였다. Sol-gel 반응 조건 및 막건조 조건은 Kim과 Lee[1기의 연구 결과를 참고하였다.
대상 데이터
Poly(ether-block-amide)(PEBA, PEB AX™) [Atochem Inc.] 는 ether block과 amide block의 비에 따라 여러가지 종류가 있으며, 본 연구에서는 PEBAX™-1657(ether block 60%)과 PEBAX™- 2533 (ether block 80%)를 사용하였다. 다음의 구조식은 PEBAX™의 일반적인 화학적 구조를 나타낸다.
PEBAX™는 hard amide block과 soft ether block으로 이루어진 공중합체로서 두 block의 상대적 비율에 따라 여러가지 종류가 있다. 본 연구에 사용된 PEBAX™는 PEBAX™-1657과 PEBAX™ -2533으로서 polyether block의 함량이 각각 60%와 80%이다. Table 1의 투과도 결과에서 볼 수 있듯이 polyether block의 비율이 상대적으로 높은 PEBAX™-2533 분리막이 보다 높은 투과도 계수 값을 가졌다.
앞에서 언급한 바와 마찬가지로 ether group이 이산화탄소의 투과도를 촉진시킨다고 알려져 있으므로본 연구에서 PEBAX™-2533 분리막을 통한 이산화탄소의 투과도 계수와 이상분리인자를 동시에 향상시킬 수 있을 것이라 기대하였으나, polyether block의 함량의 차이가 크지 않고, 사슬 운동성 증가에 의한 확산선택도의 감소 효과가 보다 크기 때문으로 볼 수 있다. 본 연구에서 제조한 복합막의 경우, 실험한 PEBAX™: TEOS 함량비에서 투명하고 결함이 없는 코팅층을 얻었다. 이는 TEOS 의 가수분해로 얻어진 silanol group과 PEBAX™ 의 amide group간의 수소결합 때문으로 볼 수 있다.
, 98%], 그리고 분리막 제조시 용매로 사용된 ethanol, n-propanol, n-butanole 정제과정 없이 그대로 사용하였다. 분리막의 지지체로는 다공성 poly(vinylidene fluoride)(PVDF) 필름 [Millipore Co.] 을 사용하였다.
하이브리드 분리막의 무기전구체로 사용된 TEOS(tetraethoxy- silane)[Sigma Co., 98%], 그리고 분리막 제조시 용매로 사용된 ethanol, n-propanol, n-butanole 정제과정 없이 그대로 사용하였다. 분리막의 지지체로는 다공성 poly(vinylidene fluoride)(PVDF) 필름 [Millipore Co.
이론/모형
하이브리드 솔 제조시 PEBAXtm: TEOS의 함량비는 9:1과 8:2로 하였으며, 증류수의 몰비는 화학양론비인 4로 하였다. Sol-gel 반응 조건 및 막건조 조건은 Kim과 Lee[1기의 연구 결과를 참고하였다.
성능/효과
이상분리인자는 PEBAX™-1657 분리막이 보다 높은 값을 가졌다. PEBAX™/TEOS 하이브리드 분리막의 투과특성을 순수 PEBAX™ 분리막의 결과와 비교할 때, 하이브리드 분리막의 기체 투과도 계수가 보다 높음을 알 수 있다. 이는 TEOS 의 축합반응으로 생성된 silica domain에 의해 결정성이 감소하고 또한 이산화탄소와 silanol group과의 친화도증가에 따른 용해도 계수가 증가하기 때문으로 볼 수 있다.
이상분리인자는 확산선택도와 용해선택도의 곱으로 나타낼 수 있으며, 본 PEBAX™/TEOS 하이브리드 분리막의 경우, 결정성 영역의 감소로 인해 확산선택도는 감소하지만 용해선택도가 그만큼 증가하였기 때문으로 해석할 수 있다. TEOS 함량에 따른 투과도 계수 변화는 TEOS 함량이 큰 PEBAX™/ TEOS 분리막의 투과도 계수가 약간 높은 값을 가졌다. 이러한 결과 또한 앞에서 서술한 바와 같이 결정성 감소와 이산화탄소와의 친화도 영향으로 볼 수 있으나, TEOS 함량 변화의 영향을 보다 명확하게 하기 위해서는 TEOS 의 양을 보다 다양하게 변화시켜 연구할 필요성이 있다고 판단된다.
메탄의 투과특성을 측정하였다. 순수 PEBAX™-1657과 PEBAX™-2533 분리막의 투과도 측정 결과, polyether block의 비율이 상대적으로 높은 PEBAX™-2533 분리막의 투과도 계수가 보다 높은 값을 가졌다. 이는 PEBAX™-2533의 경우, 상대적으로 높은 polyether block 함량 때문에 고분자 사슬의 유연성이 보다 크기 때문에 사슬의 운동성이 증가하고, 따라서 기체가 투과할 수 있는 자유 부피가 증가하였기 때문으로 볼 수 있다.
투과도 계수가 증가함을 알 수 있다. 일반적으로 무기전 구체도입 시, 축합반응에 의한 가교밀도 증가로 기체의 투과도는 감소하고, 이상분리 인자가 증가한다고 보고한 결과가 상당수이나, 본 연구에서는 오히려 기체 투과도 계수가 증가하였다. 이는 TEOS 의 축합반응으로 생성된 silica domain에 의해 amide block의 결정성이 감소하였기 때문으로 볼 수 있다.
후속연구
TEOS 함량에 따른 투과도 계수 변화는 TEOS 함량이 큰 PEBAX™/ TEOS 분리막의 투과도 계수가 약간 높은 값을 가졌다. 이러한 결과 또한 앞에서 서술한 바와 같이 결정성 감소와 이산화탄소와의 친화도 영향으로 볼 수 있으나, TEOS 함량 변화의 영향을 보다 명확하게 하기 위해서는 TEOS 의 양을 보다 다양하게 변화시켜 연구할 필요성이 있다고 판단된다. PEBAX™-1657과 PEBAX™-2533 하이브 리드 막의 투과특성을 서로 비교하면 순수 PEBAX™-1657과 PEBAX™-2533 분리막의 투과특성 경향과 같은 경향을 보였다.
중이다. 이러한 막분리 공정의 응용분야 중 본 연구는 바이오가스 (biogas) 농축장치에 사용되는 분리막 소재에 이용될 수 있다. 바이오가스는 유기성 폐기물의 혐기성소화에 의해 발생되는 가스로서 최근 국가의 신성장동력과 관련된 신재생에너지 부문에서 매우 큰 주목을 받고 있다.
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