그라프트율과 막두께의 영향

Applied Chemistry,

Vol. 13, No. 1, April 2ro.:J, 37-40

스타이핸술폰산 고분자가 그라프트된 PFA ^{댐브레인의 톡성에 미쳐는}

그라프트율과 막두께의 영향

강성아1.2 고범석 1 • Geng Feil • 신준화 강필현 김종일 노영창1.↑

l 한국원자력연구원 정읍방사선과학연구소‘ 2전북대학교 방사선과학기술학과

The influence of the Degree of Grafting and Thickness on the Properties of Poly(Styrenesu !f onic Acid)-grafted PFA Membranes

Sumz-A Kam{2 • Beom-Seok KOI • Geng Feil • Junhwa Shinl • Phil-Hyun Kangl • Chong-Yeal Kim2

• Young-Chang Nhol •

1 Advanced Radiation Technology Institute, Korea Atomic Energy Research Institute, 2 Department of Radiation Science & Technology, Chonbuk National UniveπIty，

Abstract

PFA fluoropolymer-based cationic exchange membranes with various the degrees of grafting and thicknesses were prepared by a y-ray radiation grafting of styrene and a subsequent sullonation.

The inlluence of the degree 이‘ grafting and thickness on the physio-chemical properties of the membranes, such as ion exchange capacity, degree of sultonation, water uptake, and proton conductivity were investigated in this study.

1. 서 론

방사선에 의한 그라프트 중합은 조사선량융， 조사선량， 단량체의 농도， 용매의 종류， 펼름의 두께 별에 대한 영향이 있다. 동일한 단량체의 농도 및 조사선량융에서는 조사선량의 증가에 따라 그라 프트율이 증가하게 되기 때문에 조사선량올 조절하여 원하는 그라프트율올 가진 스타이렌 고분자 가 그라프트된 막올 제조할 수 있게 된다[1.2]. 디클로로떼탄 용매는 동시조사 조건하에서 호모폴 리머를 적게 형성시키고 같은 선량율 및 선량에서 상대적으로 높은 그라프트율올 주는 것으로 알 려져 있어 이번 실험에서 그라프탱 용매로 사용하였다 [3]. 본 연구에서는 25, 50, 100 μm 두께의 PFA 펼름을 스타이렌 단량체가 있는 디클로로떼탄 용액에 침지한 후 Co-60 동위원소에서 발생 되는 감마선에 노출시켜 스타이렌숨폰산 고분자릎 PFA 불소훨름에 그라프트하고 추가적인 술폰 화 반웅으로 PFA 이온교환막올 제조한 후 그라프트융과 두께가 미치는 양이온교환막의 특성 변 화를 관찰하였다.

2.

질 험

2.1

막의 특생 분석

막의 이온교환용량 (ion exchange capacity) 은 그라프트된 막올

2

^!\1 NaCl 수용액에 24 시간 침지시 킨 후 용액에 생성된 HCl올 NaOH 포 적정하여 이온교환용량(실험값 IECEXP) 올 계산하였다.N 은 적정한 NaOH 의 볼 농도이고 Y 는 적정 된 NaOH 의 양 (mJ)을 나타낸다.

IECEXP (meq/g)

=

N(meq/m L) xY(mL)/wei힘lt of sample(g)

37

강성야 • 고벙석 .

Ge

ng

Fei'

신준화 • 강펼현 • 김종일 • 노영창

38

DOG 는 그라프트 이론값 (IECTheory )은 다음과 같은 식에 의해 구하였고， 이식에서

스티렌 단량체의 볼 칠량， \t1

PSSA

숨폰화 스타이렌의 볼 칠량이다. 이온교환용량

융이며， MS는

IECTheory (meq/g)

=

l000DOG/OooMS(eq)+DOG)(MPSSA(eq))

술폰화도 (degree

of

sulfonation) 는

IECEXP

와 IECTheory 값올 비 교하여 얻었다

막올 두께별， 그라프트별로 상온 팽윤펀 무게찰 측정하였다.

Wd

건조된

DOS(

%

) ==

(l

ECEXP/lECTheory)

xlOO

맹윤도 (water uptake) 콸 측정하기 위하여 제조펀

PFA - g

-

PSSA

에서 24 시간 담가둔 후 막의 표변에 수분올 닦아내고 막의 펼름의 무게이고，

Ws

는 수분올 휴수한 휠룹의 무게이다.

증류수에 24 시

R

은 저항， L은

PFA-g- PSSA

막올 상온에 서 Nafion 과 비교하여 분석하였다.

Water

uptake(%)== (Ws - Wd)

)(loo

!W d

수소이온전도도(proton

conductivity)

측정은 제조된 간 침지시킨 후 꺼내어 두께별， 그라프트융별로 길이이고， A 는 두께이다.

Proton conductivity (Slcm)

1

/R( 잉 ) )(L(cm)/

A(cm2)

3.

결과 및

Figure

1 는

25

,

50

,

100 llm

두께의

PFA

펼름으로 제조한

PFA- g

-

PSSA

막의 두께 및 그라프트 율과 이온교환용량과의 상관관계활 보여준다.

PFA

펼름에 대한 이온교환용량은 그라프트융의 증 가와 함께 증가하는 것올 왈 수 있다. 이는 그라프트율의 증가와 함께 술폰산기가 도입윌 수 있는 스타이렌 고분차 사슬의 양이 증가되기 때문이다. 이 실험에서 주어진 그라프트율에서는 막의 두 께에 따른 이온교환용량의 차이촬 발견 할 수 없었다.

토론

_ PFA25-g-PSSA

_PFA 50-g-F객SSA _PFA10ι앙 PSSA - - - Theory EC - - Nafionl12 - - • Nafionl17 4

3 (@융@E) 응-닙ag g드@=Euxα

s-

2

- - - -

. - ^- - ^- - ^- -- ^- - ^- -

100

40 60 80

Degree of graftlng (%) 20

o o

vanous with

membranes PF A

-

g-PSSA

-

grafted

of capacltles Figure

1.

T

he

ion exchange

degrees of

grafting

and thicknesses.

응용화학， 제 13 권 제 1 호， 2α)9

스타이렌술폰산 고분자가 그라프트된

PFA

멤브레인의 특성에 미치는 그라프트율과 막두께의 영향

39

Figure

2은 이 론 적 이온교환용량과 실험 적 이온교환용량의 결과에 의해서 얻어지는 술폰화도

그림에서 보이듯이 제조된 막의 술폰화 반용은 막의 두께와 그라프트융에 모든 막이 100% 에 가까운 술폰화도룹 가진 것을 확인하였다.

mOS) 를 나타내었다.

크게 상관없이 진행되며

120

효

100

f- - - - - . - - - -

를 ^{• • •}

‘

칩 80

-

。

노

= _”

。

웅

CD

a @

60 40 20 0

Figure 2. The degrees

10

of

‘

PFA25용PSSA ePFA밍용PSSA .PFA1 00-앙PSSA

30 50 70 90

Degree of grafting (%)

sulfonation of PFA

-g-PSSA

-grafted degrees of grafting and thicknesses

membranes with vanous

Figure

3는

25, 50,

100μm 두께의

PFA

펼름으로 제조한 PFA-g-PSSA 막의 그라프트융에 따른 팽윤도를 보여준다.

PFA

휠름은 친유성 (hydrophobic)올 갖고 있어 물올 홉수하기 어렵다. 그러나 친수성 (hydrophilic) 올 갖는 불칠올 그라프트 시켜주변 물올 홉수할 수 있게 된다. ~l 렴에서 보듯 이 그라프트율에 증가에 따라 제조된 막의 팽윤도가 증가됨올 확인 할 수 있다. 이는 친수성올 가 진 그라프트된 스타이렌술폰산 고분자양의 증가에 따라 많은 양의 물올 홉수할 수 있기 때문이다.

또한 같은 그라프트융에서는 막의 두께가 증가할수록 높은 팽윤도룹 보이는 것으로 관참 되었다.

0.4

o

20

_PFA2 5-앙 PSSA _PFA50-앙 PSSA _PFA10ι앙 PSSA

- - Nafion 212

40 60

Degree of grafting (0,4)

Figure 3. The water uptakes of PFA

-

g

-

PSSA- grafted grafting and thicknesses.

80

membranes with various degrees of

Figure

4는 그라프트융 및 두께가 다른 PFA-g-PSSA 막들과 ~afion

212

막의 수소이온전도도할

Applied

Che때Sσy ，

Vo

l.

13

,

No.1

,

2009

40

^{강성아 • 고범석 . Geng}

^Fei'

^{신준화 • 강필현 · 김종일 • 노영창}

비교하여 보여준다. 본 연구에서 제조된 모든 막의 수소이온 전도도는

Nafion

212 와 비교하여 모 두 높은 전도도촬 보여주고 그라프트율이 증가할수록 또한 막의 두께가 증가할수록 수소이온전도 도가 증가되었다. 이는

Figure

3에서의 막의 팽윤도와 수소이온전도도가 밀점한 연과성이 있음올 보여준다.

80

~60

@‘

@ .>tt.

몽 4。그

‘@ 매 ⁱ

톨 20

o

10

-+-PFA25-g-PSSA _ PFA50-g-PSSA

~ PFA10G-g-PSSA

30 50 70

Degree of grafting

(%)

90

Figure

4.

The

proton

conductivities of PFA

-

g

-

PSSA

-grafted membranes

with various degrees of grafting and thicknesses.

4.

결 론

본 연구에서는 방사선으로 제조된 연료천지막의 특성에 미치는 그라프트올파 막의 두께의 영향에 대하여 관찰하였다. 제조된 막의 그라프트율이 중가함에 따라 이용전도도， 뺑윤도， 수소이온전도 도가 중가되는 것이 관찰 되었으며 이는 그라프트율의 중가에 따른 술폰산 작용기의 중가 때문이 다. 술폰화도는 모두 100%에 인접한 값올 보이며 이는 방향족 고리마다 한 개의 술폰기가 도입 됨을 의미한다. 막의 두께가 증가함에 따라 수소이온천도도가 중가하는데 이는 두꺼운 막이 큰 팽 윤도를 가지기 때문으로 여겨진다

감사의 글

본 연구는 교육파학기술부 지원 원자력연구개발사업에 의해 수행되었으며 이에 감사드립니다.

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