KR101912459B1 - Polyimide nanocomposite, preparing method thereof, and composite membrane including the composite - Google Patents

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KR101912459B1 KR1020170108139A KR20170108139A KR101912459B1 KR 101912459 B1 KR101912459 B1 KR 101912459B1 KR 1020170108139 A KR1020170108139 A KR 1020170108139A KR 20170108139 A KR20170108139 A KR 20170108139A KR 101912459 B1 KR101912459 B1 KR 101912459B1
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구본철
고문주
유재상
김영관
여현욱
유남호
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한국과학기술연구원
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Abstract

Disclosed are a polyimide nanocomposite having a polyimide and a product wherein a defect of a reduced graphene oxide functionalized with at least one selected from a ring compound containing a hetero ring and a hetero atom is healed, a manufacturing method thereof, and a composite membrane having the polyimide nanocomposite. The polyimide nanocomposite of the present invention and a composite film having the same may contain a polyimide and a healed product of the surface of the functionalized reduced graphene oxide to improve dispersibility and improve thermal stability and mechanical properties.

Description

폴리이미드 나노복합체, 그 제조방법 및 이를 포함하는 복합막 {Polyimide nanocomposite, preparing method thereof, and composite membrane including the composite}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a polyimide nanocomposite, a method for producing the same, and a composite membrane comprising the same.

본 발명은 폴리이미드 나노복합체, 그 제조방법 및 이를 포함하는 복합막에 대한 것으로서, 보다 상세하기로는 기능화된 그래핀의 결함을 치유하여 얻은 생성물과 폴리이미드를 함유한 폴리이미드 나노복합체, 그 제조방법 및 이를 포함하는 복합막에 대한 것이다.The present invention relates to a polyimide nanocomposite, a process for producing the same, and a composite membrane comprising the same, more particularly, to a polyimide nanocomposite containing a polyimide and a product obtained by healing defects of functionalized graphene, And a composite membrane comprising the same.

과학기술 및 산업이 빠르게 발달하는 오늘날에 이르러 보다 나은 고품질, 고성능의 제품, 소재 및 복합체가 요구되고 있다. 특히 우수한 특성을 가진 재료들의 본래의 성질을 충진제의 특성과 상호작용을 통해 극대화시켜 더 향상된 특성을 개발하는 복합재료의 연구분야 활발하게 진행되고 있다. 이에 따라 대량생산이 용이하며 다양한 방면에 사용될 수 있는 복합체 개발이 필요한 시점이다. 특히 폴리이미드는 주쇄에 이미드 결합을 가지는 고분자로서 이미드의 화학적 안정성에서 유래하는 내열성, 내약품성을 가진다. 방향족 폴리이미드는 그 강직한 주쇄 구조에 의해 뛰어난 기계적 물성과 전기 절연성 등에 우수한 특성으로 인해 일상 생활 용품뿐만 아니라, 자동차 소재, 우주항공 소재 등 고강도 고내열 용도로 사용되고 있으며, 각종 전자 소재 분야에서 널리 적용 되고 있다. 그러나 폴리이미드 자체만으로는 낮은 전기전도도 및 기계적 특성이 한정적이기 때문에 일부 산업분야에서만 사용이 가능하여, 반도체와 같은 산업분야에서는 응용성에 제한이 있다. With the rapid development of science and technology and industry, there is a demand for better quality, higher performance products, materials and composites. Particularly, the field of research on composite materials is being actively developed, in which the original properties of materials having excellent properties are maximized through interaction with the properties of the filler to develop more improved properties. Accordingly, it is necessary to develop a composite material which can be easily mass-produced and used in various fields. In particular, polyimide is a polymer having an imide bond in its main chain and has heat resistance and chemical resistance derived from the chemical stability of the imide. Aromatic polyimides are used in high strength and high temperature applications such as automobile materials and aerospace materials as well as daily necessities due to their excellent mechanical properties and electrical insulating properties due to their rigid backbone structure and widely applied in various electronic materials fields . However, since polyimide itself is limited in its low electrical conductivity and mechanical properties, it can be used only in some industrial fields, and its application is limited in industrial fields such as semiconductors.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 기능화된 환원 그래핀 옥사이드의 결함을 치유하여 기계적 강도와 전기 전도도를 개선한 폴리이미드 나노복합체 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a polyimide nanocomposite having improved mechanical strength and electric conductivity by healing defects of functionalized reduced graphene oxide, and a method for producing the same.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 상술한 폴리이미드 나노복합체를 함유한 복합막을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a composite membrane containing the above-mentioned polyimide nanocomposite.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 헤테로고리 및 헤테로 원자를 포함하는 고리 화합물 중에서 선택된 하나 이상으로 기능화된 환원 그래핀 옥사이드의 결함이 치유된 생성물 및 폴리이미드를 포함하는 폴리이미드 나노복합체를 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention provides a polyimide nanocomposite comprising a product wherein a defect of reduced graphene oxide functionalized with at least one selected from a ring compound containing a hetero ring and a hetero atom is healed, and a polyimide.

본 발명의 다른 기술적 과제는 그래핀 옥사이드를 헤테로고리 및 헤테로 원자를 포함하는 고리 화합물 중에서 선택된 하나 이상과 반응하여 헤테로고리 및 헤테로 원자를 포함하는 고리 화합물중에서 선택된 하나 이상으로 기능화된 환원 그래핀 옥사이드를 얻는 제1단계;Another object of the present invention is to provide a process for producing graphene oxide by reacting graphene oxide with at least one member selected from ring compounds including heterocyclic and heteroatoms to form reduced graphene oxide functionalized with at least one ring compound selected from ring compounds containing hetero ring and hetero atom A first step of obtaining;

상기 헤테로고리 및 헤테로 원자를 포함하는 고리 화합물중에서 선택된 하나 이상으로 기능화된 환원 그래핀 옥사이드의 분자간 교차 탈수소 커플링 반응(intramolecular cross-dehydrogenative coupling: ICDC)을 실시하여 헤테로고리 및 헤테로 원자를 포함하는 고리 화합물 중에서 선택된 하나 이상으로 기능화된 환원 그래핀 옥사이드의 결함 치유 생성물을 얻는 제2단계; 및An intramolecular cross-dehydrogenative coupling (ICDC) of reduced graphene oxide functionalized with at least one selected from the group consisting of the heterocyclic ring and the heteroatom-containing ring compound is performed to form a ring containing a hetero ring and a hetero atom A second step of obtaining a defect healing product of reduced graphene oxide functionalized with at least one selected from the compounds; And

상기 헤테로고리 및 헤테로 원자를 포함하는 고리 화합물중에서 선택된 하나 이상으로 기능화된 환원 그래핀 옥사이드의 결함 치유 생성물과, 폴리아믹산 전구체의 중합 반응을 실시한 다음, 이미드화 반응을 실시하는 제3단계를 포함하여 상술한 폴리이미드 나노복합체를 얻는 폴리이미드 나노복합체의 제조방법이 제공된다.And a third step of performing a polymerization reaction of a defect healing product of reduced graphene oxide functionalized with at least one selected from the group consisting of the heterocyclic ring and the heteroatom and a polyamic acid precursor and then conducting an imidation reaction, There is provided a process for producing a polyimide nanocomposite which obtains the above-mentioned polyimide nanocomposite.

본 발명의 또 다른 기술적 과제를 이루기 위하여 상술한 폴리이미드 나노복합체를 포함하는 복합막이 제공된다.Another aspect of the present invention provides a composite membrane comprising the polyimide nanocomposite.

본 발명의 폴리이미드 나노복합체 및 이를 포함한 복합막은 기능화된 환원 그래핀 옥사이드의 표면의 결함이 치유된 생성물과 폴리이미드를 함유하여 분산성이 개선됨과 동시에 열적 안정성과 기계적 특성이 향상될 수 있다. The polyimide nanocomposite of the present invention and the composite film containing the same may contain a polyimide and a healed product of the surface of the functionalized reduced graphene oxide to improve the dispersibility and improve the thermal stability and the mechanical properties.

도 1은 실시예 1에 따른 폴리이미드 나노복합체의 제조과정을 설명하기 위한 모식도이다.
도 2은 제조예 1에 따라 얻은 그래핀 옥사이드(GO), 제조예 2에 따라 얻은 피리딘 그룹으로 기능화된 환원 그래핀 옥사이드(Pyridine functionalized reduced grapheme oxide: Py-RGO) 및 피리딘 그룹으로 기능화된 환원 그래핀 옥사이드의 결함 치유 생성물(chemical defect-healing of Pyridine functionalized reduced grapheme oxide: H-Py-RGO)에 대한 라만 분광 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 제조예 1에 따라 얻은 GO, 제조예 2에 따라 얻은 Py-RGO 및 H-Py-RGO에 대한 열중량 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 4은 제조예 1에 따라 얻은 GO, 제조예 2에 따라 얻은 Py-RGO 및 H-Py-RGO에 대한 분체 저항 측정 결과를 도 나타낸 것이다.
도 5a와 도 5b는 각각 제조예 2에 따라 제조된 Py-RGO 및 H-Py-RGO에 대한 투과 전자 현미경 촬영 이미지를 나타낸 것이다.
도 6은 실시예 1에 따라 제조된 폴리이미드 나노복합체를 함유한 복합막, 비교예 1의 폴리이미드 복합체를 함유한 복합막 및 비교예 2에서 제조된 폴리이미드막의 인장강도 테스트 결과를 나타낸 것이다.
도 7a는 비교예 2의 폴리이미드막의 SEM 사진이다.
도 7b은 실시예 1에 따라 제조된 폴리이미드 나노복합체를 함유한 복합막의 SEM 사진이다.
도 8은 실시예 1에 따라 얻은 폴리이미드 나노복합체의 열팽창계수 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
FIG. 1 is a schematic view for explaining a process for producing a polyimide nanocomposite according to Example 1. FIG.
Fig. 2 is a graph showing the results of the measurement of graphene oxide (GO) obtained according to Preparation Example 1, pyridine functionalized reduced grapheme oxide (Py-RGO) functionalized with pyridine group obtained according to Production Example 2, The results of Raman spectroscopic analysis of the chemical defect-healing of pyridine functionalized reduced grapheme oxide (H-Py-RGO) of pin oxide are shown.
3 shows the thermogravimetric analysis results of GO obtained according to Preparation Example 1 and Py-RGO and H-Py-RGO obtained according to Production Example 2. FIG.
4 shows the results of measurement of powder resistance against GO obtained according to Preparation Example 1 and Py-RGO and H-Py-RGO obtained according to Production Example 2. Fig.
5A and 5B are transmission electron microscope images of Py-RGO and H-Py-RGO prepared according to Production Example 2, respectively.
Fig. 6 shows the tensile strength test results of the composite membrane containing the polyimide nanocomposite prepared in Example 1, the composite membrane containing the polyimide composite of Comparative Example 1, and the polyimide membrane prepared in Comparative Example 2. Fig.
7A is an SEM photograph of the polyimide film of Comparative Example 2. Fig.
7B is an SEM photograph of a composite membrane containing the polyimide nanocomposite prepared according to Example 1. FIG.
8 is a graph showing the results of measurement of the thermal expansion coefficient of the polyimide nanocomposite obtained according to Example 1. FIG.

이하, 본 발명의 폴리이미드 나노복합체, 그 제조방법 및 상기 폴리이미드 나노복합체를 함유한 복합막에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the polyimide nanocomposite of the present invention, the production method thereof, and the composite membrane containing the polyimide nanocomposite will be described in more detail.

헤테로고리 및 헤테로 원자를 포함하는 고리 화합물중에서 선택된 하나 이상으로 기능화된 환원 그래핀 옥사이드의 결함이 치유된 생성물과 폴리이미드를 포함하는 폴리이미드 나노복합체가 제공된다. There is provided a polyimide nanocomposite comprising a polyimide and a product wherein a defect of reduced graphene oxide functionalized with at least one selected from a ring compound containing a hetero ring and a hetero atom is healed.

"헤테로고리" 및 "헤테로 원자를 포함하는 고리 화합물"중에서 선택된 하나 이상에서 용어 "헤테로고리"는 질소(N), 산소(O), 인(P) 및 황(S)과 같은 헤테로원자 함유 고리를 의미하며, 예를 들어 피리딘 등이 있다.The term " heterocycle " in at least one selected from the group consisting of " heterocyclic " and " cyclic compound containing heteroatom " means a heteroatom containing ring such as nitrogen (N), oxygen (O), phosphorus (P) For example, pyridine.

본 명세서에서 용어 "기능화"는 재료의 표면에 물리, 화학적 처리를 실시하여 새로운 작용기가 형성되어 재료가 갖고 있는 본래의 특성이 변형되는 것을 의미한다. 그리고 환원 그래핀 옥사이드의 결함은 sp3 탄소 및 탄소 빈격자 자리(carbon vacancy)중에서 선택된 하나 이상을 말한다. 환원 그래핀 옥사이드에서 결함이 치유된 것은 X선 광전자 분광분석법(XPS) C1s 스펙트럼을 통하여 sp2C 와 sp3C의 혼합비로부터 확인할 수 있다.As used herein, the term " functionalization " means that physical and chemical treatments are applied to the surface of a material to form a new functional group, thereby deforming the inherent characteristics of the material. And the defect of reduced graphene oxide refers to at least one selected from sp 3 carbon and carbon vacancy. The defect healing in reduced graphene oxide can be confirmed from the mixing ratio of sp 2 C and sp 3 C through X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) C1s spectrum.

상술한 헤테로고리 및 헤테로 원자를 포함하는 고리 화합물중에서 선택된 하나 이상으로 기능화된 환원 그래핀 옥사이드의 결함이 치유된 생성물의 XPS C1s 스펙트럼에서 sp2C /sp3C 비는 헤테로고리 및 헤테로 원자를 포함하는 고리 화합물중에서 선택된 하나 이상으로 기능화된 환원 그래핀 옥사이드의 XPS C1s 스펙트럼에서 sp2C /sp3C 비에 비하여 증가된다.The sp 2 C / sp 3 C ratio in the XPS C 1 s spectrum of the product wherein the defects of the reduced graphene oxide functionalized with at least one selected from the above-mentioned heterocyclic ring and the heteroatom-containing ring compound is healed includes a hetero ring and a hetero atom It is increased as compared to the sp 2 C / C sp 3 ratio in the XPS C1s spectra of the reduced graphene oxide functionalized with at least one selected from a cyclic compound.

헤테로고리 및 헤테로 원자를 포함하는 고리 화합물중에서 선택된 하나 이상으로 기능화된 환원 그래핀 옥사이드의 결함이 치유된 생성물에 대한 XPS 분석을 통하여 C/O비는 11.1 내지 15.6%일 수 있다. 여기에서 %는 원자%를 나타낸다.The C / O ratio can be 11.1 to 15.6% through XPS analysis of the product wherein the defect of the reduced graphene oxide functionalized with at least one selected from the group consisting of heterocyclic and heteroatom-containing rings is healed. Where% represents atomic%.

용어 "헤테로원자를 포함하는 고리 화합물"은 질소(N), 산소(O), 인(P) 및 황(S)과 같은 헤테로원자를 함유한 그룹이 치환된 탄소 고리 화합물을 의미하며, 예를 들어 아민 화합물, 예를 들어 피리딘이 있다.The term "ring compound containing a hetero atom" means a carbon ring compound substituted with a group containing a hetero atom such as nitrogen (N), oxygen (O), phosphorus (P) and sulfur (S) For example, pyridine.

상기 헤테로고리 및 헤테로 원자를 포함하는 고리 화합물중에서 선택된 하나 이상으로 기능화된 환원 그래핀 옥사이드는 하기 화학식 1로 표시되는 아민 화합물 중에서 선택된 하나 이상과, 그래핀 옥사이드의 반응 생성물이다. The reduced graphene oxide functionalized with at least one selected from the group consisting of the heterocyclic ring and the heteroatom is a reaction product of graphene oxide and at least one selected from the amine compounds represented by the following general formula (1).

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Figure 112017082648213-pat00001
Figure 112017082648213-pat00001

헤테로고리 및 헤테로 원자를 포함하는 고리 화합물중에서 선택된 하나 이상으로 기능화된 그래핀은, 그래핀의 말단이 헤테로고리 및 헤테로 원자를 포함하는 고리 화합물 중에서 선택된 하나 이상으로부터 파생된 그룹이 공유결합을 통하여 결합된 것을 말한다. 헤테로고리 및 헤테로 원자를 포함하는 고리 화합물 중에서 선택된 하나 이상으로 기능화된 환원 그래핀 옥사이드의 결함이 치유된 생성물은 헤테로고리 및 헤테로 원자를 포함하는 고리 화합물 중에서 선택된 하나 이상으로 기능화된 환원 그래핀 옥사이드로부터 결함이 치유된 결과물을 나타내며, 예를 들어 염화철을 사용하여 분자간 교차 탈수소커플링 반응을 통해 결함이 치유된 생성물이다. 그리고 폴리이미드 나노복합체에서 기능화된 환원 그래핀 옥사이드로부터 결함이 치유된 생성물은 충진제 역할을 수행할 수 있다.Grafting functionalized with at least one selected from among a ring compound containing a hetero ring and a hetero atom is a compound in which a group derived from at least one selected from ring compounds having a hetero ring and a hetero atom at the terminal of graphene is bonded via a covalent bond . The product wherein the defect of the reduced graphene oxide functionalized with at least one selected from the group consisting of a heterocyclic ring and a cyclic compound containing a heteroatom is healed can be obtained from reduced graphene oxide functionalized with at least one selected from ring compounds including a heterocyclic ring and a hetero atom Defects indicate healed products, for example, products in which defects have healed through intermolecular cross-link dehydrogenation coupling reactions using iron chloride. And the products healed from the reduced graphene oxide functionalized in the polyimide nanocomposite can serve as fillers.

본 명세서의 전반에 사용되는 용어 "Py-RGO"는 상술한 아민 화합물로부터 파생된 아민 그룹(예를 들어 피리딘 그룹)으로 기능화된 환원 그래핀 옥사이드를 의미하는 것으로 이해되어야 하며, 용어"H-Py-RGO"는 상술한 아민 그룹(예를 들어 피리딘 그룹)으로 기능화된 환원 그래핀 옥사이드의 결함이 치유된 생성물로 이해되어야 한다. The term " Py-RGO " as used throughout this specification should be understood to mean reduced graphene oxide functionalized with an amine group (e.g., pyridine group) derived from the amine compound described above, -RGO " should be understood as a product in which defects of the reduced graphene oxide functionalized with the above-mentioned amine groups (e.g., pyridine groups) are cured.

본 발명의 폴리이미드 나노복합체에서 환원 그래핀 옥사이드 표면에 존재하는 피리딘 그룹은 촉매로서 작용하여 폴리이미드 나노복합체의 기계적 특성과 산소 가스 배리어 특성을 개선시킨다. 이와 같이 기계적 특성과 산소 가스 배리어 특성이 개선되는 것은 폴리이미드 나노복합체에서 상기 기능화된 환원 그래핀 옥사이드의 결함 치유 생성물과 폴리이미드가 수소결합 등을 통하여 결합됨으로써 환원 그래핀 옥사이드가 효율적으로 분산 및 분포되기 때문이다. 환원 그래핀 옥사이드는 예를 들어 쉬트 형태를 가질 수 있다.In the polyimide nanocomposite of the present invention, the pyridine group present on the surface of the reduced graphene oxide acts as a catalyst to improve the mechanical properties and oxygen gas barrier properties of the polyimide nanocomposite. The mechanical properties and the oxygen gas barrier properties are improved as described above because the functionalized reduced graphene oxide defective products and polyimide are bonded to each other through hydrogen bonding or the like in the polyimide nanocomposite so that the reduced graphene oxide is efficiently dispersed and distributed . Reduced graphene oxide can have, for example, a sheet form.

본 발명의 폴리이미드 나노복합체를 구성하는 환원 그래핀 옥사이드에 존재하는 결함이 치유되어 환원 그래핀 옥사이드의 기계적 특성과 전도도 등의 특성이 개선된다. 상기 화학식 1로 표시되는 그룹 중에서 선택된 하나 이상과 그래핀 옥사이드의 반응은 그래핀 옥사이드를 용매에 분산한 다음 여기에 상기 화학식 1로 표시되는 화합물 중에서 선택된 하나를 혼합하고 이를 35 내지 100℃에서 열처리하는 공정을 포함한다. 이러한 반응이 완결되면 워크업 과정을 거쳐 화학식 1로 표시되는 화합물로 기능화된 환원 그래핀 옥사이드를 얻을 수 있다.The defects existing in the reduced graphene oxide constituting the polyimide nanocomposite of the present invention are healed, thereby improving the mechanical properties and the properties such as conductivity of the reduced graphene oxide. The reaction of graphene oxide with at least one selected from the group represented by the formula (1) is carried out by dispersing graphene oxide in a solvent, mixing a selected one of the compounds represented by the formula (1) and heat- Process. When this reaction is completed, a reduced graphene oxide functionalized with a compound represented by the formula (1) can be obtained through a work-up process.

본 명세서에서 용어 "그래핀 옥사이드"는 복수개의 탄소 원자들이 서로 공유결합으로 연결되어 일평면상으로 배열되는 폴리시클릭 방향족 분자를 형성하는 그래핀 옥사이드가 단일 원자층의 시트 구조를 형성하거나 작은 필름 조각인 플레이트 형태의 그래핀 옥사이드가 복수개 상호연결되어 일평면상으로 배열된 네크워크구조를 형성한 것으로서 이들의 조합도 가능하다. 상기 공유결합으로 연결된 탄소 원자들은 기본 반복단위로서 6원자환을 형성하지만 5원환 및/또는 7원환을 더 포함하는 것도 가능하다. 상기 그래핀 옥사이드는 시트구조가 여러 개 서로 적층된 복수층으로 이루어질 수 있고 평균 두께가 약 100nm 이하, 예를 들어 약 10nm 이하이고, 구체적으로 0.01 내지 10nm이다.As used herein, the term " graphene oxide " refers to a material in which graphene oxide forming a polycyclic aromatic molecule in which a plurality of carbon atoms are covalently linked to one another and arranged in one plane forms a sheet structure of a single atomic layer, A plurality of in-plate graphene oxides are interconnected to form a network structure arranged in one plane, and combinations thereof are also possible. The carbon atoms linked by the covalent bond may form a 6-membered ring as a basic repeating unit, but may further include a 5-membered ring and / or a 7-membered ring. The graphene oxide may have a plurality of layers in which a plurality of sheet structures are stacked and have an average thickness of about 100 nm or less, for example, about 10 nm or less, specifically 0.01 to 10 nm.

본 명세서에서 "그래핀 옥사이드"는 히드록실기, 카르복실기, 카르보닐기, 또는 에폭시기가 에스테르기, 에테르기, 아미드기, 아미노기와 같은 작용기가 도입되어 기능화된 그래핀 옥사이드를 포함하는 용어로 해석된다. In the present specification, "graphen oxide" is interpreted as a term including graphene oxide in which a functional group such as a hydroxyl group, a carboxyl group, a carbonyl group, or an epoxy group is introduced with functional groups such as an ester group, an ether group, an amide group and an amino group.

본 명세서에서 그래핀 옥사이드에서 산소의 함량은 예를 들어0.1 내지 40 원자%일 수 있다.In the present specification, the content of oxygen in graphene oxide may be, for example, 0.1 to 40 atomic%.

상기 그래핀 옥사이드를 분산하는 용매로는 예를 들어 물, 에탄올, 메탄올, 메탄올, 이소프로판올, N, N-디메틸포름아미드, N-메틸-2-피롤리돈, 디클로로에탄, 디클로로벤젠, 디메틸술폭사이드, 아닐린, 프로필렌 글리콜, 프로필렌 글리콜 디아세테이트, 메톡시 프로판디올, 디에틸렌글리콜, 아세틸아세톤, 사이클로헥사논, 프로필렌글리콜 모노메틸에테르 아세테이트, γ-부티로락톤, 니트로메탄, 테트라하이드로퓨란, 니트로벤젠, 부틸 니트라이트(butyl nitrite), 메틸셀로솔브, 에틸셀로솔브, 디에틸 에테르, 디에틸렌글리콜메틸에테르, 디에틸렌글리콜에틸에테르, 디프로필렌글리콜메틸에테르, 톨루엔, 자이렌, 헥산, 메틸에틸케톤, 메틸이소케톤, 하이드록시메틸셀룰로오즈, 프로필렌 글리콜 메틸에테르 아세테이트 및 헵탄 중에서 선택된 하나 이상을 들 수 있다. 용매의 함량은 그래핀 옥사이드 100 중량부를 기준으로 하여 1000 내지 9000 중량부 범위이다. Examples of the solvent for dispersing the graphene oxide include water, ethanol, methanol, methanol, isopropanol, N, N-dimethylformamide, N-methyl-2-pyrrolidone, dichloroethane, dichlorobenzene, dimethylsulfoxide , Aniline, propylene glycol, propylene glycol diacetate, methoxypropanediol, diethylene glycol, acetylacetone, cyclohexanone, propylene glycol monomethyl ether acetate,? -Butyrolactone, nitromethane, tetrahydrofuran, Butyl nitrite, methyl cellosolve, ethyl cellosolve, diethyl ether, diethylene glycol methyl ether, diethylene glycol ethyl ether, dipropylene glycol methyl ether, toluene, xylene, hexane, methyl ethyl ketone , Methyl iso ketone, hydroxymethyl cellulose, propylene glycol methyl ether acetate, and heptane. . The content of the solvent is in the range of 1000 to 9000 parts by weight based on 100 parts by weight of the graphene oxide.

본 발명의 폴리이미드 나노복합체에서 기능화된 환원 그래핀 옥사이드의 결함 치유 생성물의 함량은 0.1 내지 30 중량%, 예를 들어 0.5 내지 20 중량%, 예를 들어 0.5 내지 5 중량%이다. The content of the healing product of the reduced graphene oxide functionalized in the polyimide nanocomposite of the present invention is 0.1 to 30 wt%, for example, 0.5 to 20 wt%, for example, 0.5 to 5 wt%.

그래핀 옥사이드를 화학적 방법을 통해 결함을 치유하고 표면에 아민 그룹을 도입하여 공유결합시킨 기능화된 환원 그래핀 옥사이드를 폴리이미드(Polyimide: PI) 중합 단계의 전구체인 폴리아믹산(Polyamic acid:PAA) 전구체에 첨가하여 폴리아믹산 전구체와 상기 기능화된 환원 그래핀 옥사이드의 화학적 결합을 통하여 분산성 및 상호 결합을 향상시키고, 결함이 치유되어 향상된 그래핀의 특성을 통하여 고분자 복합체료로서 전기전도성과 기계적 강도를 향상하는 방법을 제공한다.The functionalized reduced graphene oxide covalently bonded to graphene oxide by chemical method and introducing an amine group to the surface of the graphene oxide by a chemical method is used as a precursor of polyamic acid (PAA) precursor of polyimide (PI) To improve the dispersibility and mutual bonding through the chemical bonding between the polyamic acid precursor and the functionalized reduced graphene oxide and to improve the electrical conductivity and mechanical strength as a polymer composite material by improving the defects and improving the properties of graphene . ≪ / RTI >

화학식 1로 표시되는 화합물로 기능화된 환원 그래핀 옥사이드의 분자간 교차 탈수소 커플링 반응(intramolecular cross-dehydrogenative coupling: ICDC) 반응을 실시하여 화학적 결함-힐링(chemical defect healing) 과정을 거쳐 아민 그룹 기능화 및 결함이 치유된 환원 그래핀 옥사이드를 얻는다.An intramolecular cross-dehydrogenative coupling (ICDC) reaction of the reduced graphene oxide functionalized with the compound represented by the formula (1) is carried out to carry out a chemical defect healing process to perform amine group functionalization and defect This healed reduced graphene oxide is obtained.

상기 분자간 교차 탈수소 커플링 반응은 염화철을 부가하고 25 내지 60℃에서 열처리하는 반응을 통하여 실시할 수 있다.The intermolecular cross-linked dehydrogenation coupling reaction can be carried out by adding iron chloride and heat-treating at 25 to 60 ° C.

화학식 1로 표시되는 그룹은 예를 들어 하기 화학식 1a로 표시되는 4-히드라지노피리딘이다.The group represented by the formula (1) is, for example, 4-hydrazinopyridine represented by the following formula (1a).

[화학식1a][Formula 1a]

Figure 112017082648213-pat00002
Figure 112017082648213-pat00002

상기 헤테로고리 및 헤테로 원자를 포함하는 고리 화합물 중에서 선택된 하나 이상으로 기능화된 그래핀의 결함이 치유된 생성물은 하기 화학식 2 내지 5로 표시되는 화합물중에서 선택된 하나일 수 있다. The product wherein the defect of graphene functionalized with at least one selected from the heterocyclic ring and the heteroatom-containing ring compound is healed can be selected from the compounds represented by the following formulas (2) to (5).

[화학식 2] (2)

Figure 112017082648213-pat00003
Figure 112017082648213-pat00003

[화학식 3] (3)

Figure 112017082648213-pat00004
Figure 112017082648213-pat00004

[화학식 4] [Chemical Formula 4]

Figure 112017082648213-pat00005
Figure 112017082648213-pat00005

[화학식 5] [Chemical Formula 5]

Figure 112017082648213-pat00006
Figure 112017082648213-pat00006

상술한 화학식의 그래핀 옥사이드에 존재하는 하이드록시기, 카르복실기 이외에, 카르보닐기, 에폭시기, 에스테르기, 에테르기 및 아미드기 중에서 선택된 하나 이상이 더 존재할 수 있다.In addition to the hydroxyl group and the carboxyl group present in the graphene oxide of the above-mentioned formula, at least one selected from a carbonyl group, an epoxy group, an ester group, an ether group and an amide group may be further present.

상기 화학식에서 그래핀 옥사이드에 결합된 카르복실기, 하이드록시기, 헤테로고리 및 헤테로 원자를 포함하는 고리 화합물중에서 선택된 하나 이상에서 파생된 그룹들은 편의상 간략하게 나타낸 것이고 화학식에 표시된 것 이상의 개수 및 위치에 결합 가능하다.Groups derived from at least one selected from carboxyl groups, hydroxyl groups, heterocyclic rings and heteroatoms bonded to graphene oxide in the above formula are shown briefly for convenience and can be combined with numbers and positions other than those shown in the formula Do.

상기 화학식 2에서 빨간색 선이 나타낸 영역이 결함이 치유된 영역을 나타내며, 이 영역에서의 sp2 탄소는 sp3 탄소로 전환된 것이다.In the above formula (2), the red line represents the area where the defect is healed, and the sp 2 Carbon has been converted to sp 3 carbon.

이하, 본 발명의 폴리이미드 나노복합체 및 이를 포함한 복합막의 제조방법을 살펴 보기로 한다.Hereinafter, the polyimide nanocomposite of the present invention and the method for producing the composite membrane including the same will be described.

먼저, 그래핀 옥사이드를 헤테로고리 및 헤테로 원자를 포함하는 고리 화합물 중에서 선택된 하나 이상과 반응하여, 헤테로고리 및 헤테로 원자를 포함하는 고리 화합물중에서 선택된 하나 이상으로 기능화된 환원 그래핀 옥사이드를 얻는 제1단계를 실시한다. 이와 같이 제1단계를 통하여 그래핀 옥사이드의 환원 및 기능화 과정을 거쳐 기능화된 환원 그래핀 옥사이드를 얻는다. First, a first step of reacting graphene oxide with at least one member selected from a heterocyclic ring and a ring compound containing a hetero atom to obtain a reduced graphene oxide functionalized with at least one selected from ring compounds including a heterocyclic ring and a hetero atom . Thus, the reduced graphene oxide is obtained through the reduction and functionalization of graphene oxide through the first step.

상기 그래핀 옥사이드는 상기 화학식 1로 표시되는 화합물로부터 파생된 아민 그룹으로 기능화되어, 폴리아믹산 및 폴리이미드 중합시 폴리아믹산 전구체와 상기 기능기가 반응하여 폴리이미드 나노복합체를 제조할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. The graphene oxide is not particularly limited as long as it is functionalized with an amine group derived from the compound represented by the formula (1) to produce a polyimide nanocomposite by reacting the polyamic acid precursor with the functional group upon polyamic acid and polyimide polymerization Do not.

하나의 구현예에서, 상기 그래핀 옥사이드를 환원 및 기능화되기 위하여 화학식 1로 표시되는 화합물중에서 선택된 하나 이상과 반응하여 그래핀 옥사이드에 기능기를 도입하는 동시에 환원시킬 수도 있다.
상기 헤테로고리 및 헤테로 원자를 포함하는 고리 화합물중에서 선택된 하나 이상으로 기능화된 환원 그래핀 옥사이드의 분자간 교차 탈수소 커플링 반응(intramolecular cross-dehydrogenative coupling)을 실시하여 헤테로고리 및 헤테로 원자를 포함하는 고리 화합물 중에서 선택된 하나 이상으로 기능화된 환원 그래핀 옥사이드의 결함 치유 생성물을 얻는 제2단계를 실시한다. 상기 제2단계에서는 기능화된 환원 그래핀 옥사이드에 염화철을 부가하고 25 내지 60℃에서 반응을 실시하여 분자간 교차 탈수소 커플링 반응을 통해 환원 그래핀 옥사이드의 결함이 치유 될 수 있다.
In one embodiment, the graphene oxide may be reacted with at least one compound selected from the group consisting of compounds represented by formula (1) to reduce and functionalize the graphene oxide, thereby reducing the functionality of the graphene oxide.
An intramolecular cross-dehydrogenative coupling of a reduced graphene oxide functionalized with at least one selected from the group consisting of the heterocyclic ring and the heteroatom-containing ring compound is performed to form a heterocyclic ring and a heteroatom-containing ring compound A second step of obtaining a defect healing product of reduced graphene oxide functionalized with at least one selected. In the second step, the reduced graphene oxide may be cured by intermolecular cross-linking dehydrogenation reaction by adding iron chloride to the functionalized reduced graphene oxide and conducting the reaction at 25 to 60 ° C.

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상기 기능화된 환원 그래핀 옥사이드의 결함 치유 생성물을 폴리아믹산 전구체를 이용한 폴리아믹산의 중합 과정에 첨가되어 중합반응을 실시하는 제3단계를 실시하여 기능화된 환원 그래핀 옥사이드의 결함 치유 생성물과 폴리아믹산을 함유한 나노복합체가 얻어진다. 상기 기능화된 환원 그래핀 옥사이드의 결함 치유 생성물은 폴리아믹산내에서 균일하게 분산될 수 있다. The defective healing product of the functionalized reduced graphene oxide is added to the polymerization process of the polyamic acid using the polyamic acid precursor to carry out the polymerization reaction to perform the third step to obtain the defective healing product of functionalized reduced graphene oxide and the polyamic acid To obtain a nanocomposite. The defect healing product of the functionalized reduced graphene oxide can be uniformly dispersed in the polyamic acid.

상술한 기능화된 환원 그래핀 옥사이드의 결함 치유 생성물의 함량은 상기 기능화된 환원 그래핀 옥사이드의 결함 치유 생성물과 폴리아믹산 전구체의 총중량을 기준으로 하여 0.1 내지 30 중량%, 예를 들어 0.5 내지 20 중량%, 예를 들어 0.5 내지 5 중량%이다. The content of the defect healing product of the functionalized reduced graphene oxide is 0.1 to 30% by weight, for example 0.5 to 20% by weight, based on the total weight of the defect healing product of the functionalized reduced graphene oxide and the polyamic acid precursor, , For example 0.5 to 5% by weight.

폴리아믹산 전구체 중합 과정시 상술한 디아민, 산 이무수물 및 용매의 혼합물이 이용된다. 그리고 불활성가스 분위기하에서 중합반응이 실시된다. 용매는 예를 들어 N-메틸-2-피롤리돈, 테트라하이드로퓨란 등을 사용한다. 불활성 가스 분위기는 아르곤, 질소 등을 이용하여 형성한다.A mixture of diamine, acid dianhydride and solvent described above is used during the polymerization of the polyamic acid precursor. The polymerization reaction is carried out in an inert gas atmosphere. As the solvent, for example, N-methyl-2-pyrrolidone, tetrahydrofuran and the like are used. The inert gas atmosphere is formed using argon, nitrogen, or the like.

상술한 중합 반응은 사용하는 디아민 화합물 및 산 이수물의 종류, 환원 그래핀 옥사이드에 결합된 작용기의 종류 등에 따라 온도 등의 반응 조건이 달라질 수 있다. 예를 들어 상기 중합 반응은 예를 들어 25 내지 150℃의 범위에서 실시할 수 있다. 본 발명에서는 기능화된 환원 그래핀 옥사이드의 결함 치유 생성물이 폴리아믹산의 중합반응 촉매로서 사용되어 종래의 폴리아믹산의 경우에 비하여 낮은 온도에서 중합될 수 있다.The above-mentioned polymerization reaction may vary depending on the type of the diamine compound and acid dihydrate to be used, the kind of the functional group bonded to the reduced graphene oxide, and the like. For example, the polymerization reaction may be carried out at a temperature in the range of, for example, 25 to 150 ° C. In the present invention, defective healing products of functionalized reduced graphene oxide are used as catalysts for the polymerization of polyamic acid, so that they can be polymerized at lower temperatures than those of conventional polyamic acids.

기능화된 환원 그래핀 옥사이드의 결함 치유 생성물은 폴리아믹산 전구체와 직접적으로 화학결합을 형성하거나 용매내의 폴리아믹산 및 환원 그래핀 옥사이드의 분산성을 높일 수 있다.Defect healing products of functionalized reduced graphene oxide can either form chemical bonds directly with the polyamic acid precursor or increase the dispersibility of the polyamic acid and reduced graphene oxide in the solvent.

이어서, 기능화된 환원 그래핀 옥사이드의 결함 치유 생성물과 폴리아믹산을 함유한 나노복합체의 이미드화 반응을 거쳐 목적하는 폴리이미드 나노복합체를 얻을 수 있다.Then, a desired polyimide nanocomposite can be obtained through an imidization reaction of a nanocomposite containing a defective healing product of functionalized reduced graphene oxide and a polyamic acid.

상기 이미드화 반응은 가열에 의하여 탈수고리화를 실시하는 방법과 탈수제를 사용하여 탈수고리화를 실시하는 방법 등이 있다. 가열에 의하여 탈수고리화를 실시하는 방법은 예를 들어 300 내지 400℃의 고온에서 실시하여 이미드화를 실시한다. 탈수제를 사용하여 탈수고리화를 실시하는 방법은 200℃ 이하의 온도에서 실시하여 이미드화를 실시한다. 탈수제와 함께 산, 염기 등의 촉매를 사용하여 실시하는 것도 가능하다. 예를 들어 상기 산 촉매로는 p-하이드록시페닐아세트산 등의 유기산을 사용하고 염기 촉매로는 이소퀴놀린, 트리에틸아민, 피리딘, 1,4-디아자바이사이클로[2.2.2]옥탄 등을 사용한다. The imidization reaction includes a method of dehydrating cyclization by heating and a method of dehydrating cyclization by using a dehydrating agent. The dehydrating cyclization by heating is carried out, for example, at a high temperature of 300 to 400 캜 to carry out imidization. The method of dehydrating cyclization using a dehydrating agent is carried out at a temperature of 200 ° C or lower to carry out imidation. It is also possible to use a catalyst such as an acid or base together with a dehydrating agent. For example, an organic acid such as p-hydroxyphenylacetic acid is used as the acid catalyst and isoquinoline, triethylamine, pyridine, 1,4-diazabicyclo [2.2.2] octane or the like is used as the base catalyst .

일구현예에 따르면, 상기 이미드화 반응은 열처리를 통하여 실시한다.According to one embodiment, the imidization reaction is carried out through heat treatment.

폴리아믹산 전구체는 폴리아믹산을 제조하기 위한 디아민과 산 이무수물(acid dianhydride)을 말한다. 디아민과 산 이 무수물은 폴리이미드 제조시 통상적으로 사용 가능한 것이라면 모두 다 사용 가능하다.Polyamic acid precursors are diamines and acid dianhydrides for the production of polyamic acids. The diamine and the acid dianhydride can be used as long as they are commonly usable in the production of polyimide.

디아민 화합물은 예를 들어 방향족 디아민, 지환식 디아민 및 지방족 디아민 중에서 선택된 하나 이상일 수 있다.The diamine compound may be at least one selected from, for example, aromatic diamines, alicyclic diamines and aliphatic diamines.

방향족 디아민은 예를 들어 3,3'-디하이드록시벤지딘, p-페닐렌디아민, m-페닐렌디아민, 2,5-디아미노톨루엔, 2,6-디아미노톨루엔, 1,3-비스(4,4'-아미노페녹시)벤젠, 4,4'-디아미노-1,5-페녹시펜탄, 4,4'-디아미노비페닐, 3,3'-디메틸-4,4'-디아미노비페닐, 3,3'-디메톡시-4,4'-디아미노비페닐, 4,4'-디아미노디페닐에테르, 4,4'-디아미노디페닐메탄, 2,2'-디아미노디페닐프로판, 비스(3,5-디에틸-4-아미노페닐)메탄, 디아미노디페닐술폰, 디아미노벤조페논, 디아미노나프탈렌, 1,4-비스(4-아미노페녹시)벤젠, 1,4-비스(4-아미노페닐)벤젠, 9,10-비스(4-아미노페닐)안트라센, 1,3-비스(4-아미노페녹시)벤젠, 4,4'-비스(4-아미노페녹시)디페닐술폰, 2,2-비스[4-(4-아미노페녹시)페닐]프로판, 2,2'-트리플루오로메틸-4,4'-디아미노비페닐 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택될 수 있다.The aromatic diamines include, for example, 3,3'-dihydroxybenzidine, p-phenylenediamine, m-phenylenediamine, 2,5-diaminotoluene, 2,6-diaminotoluene, 1,3-bis 4,4'-diaminophenoxy) benzene, 4,4'-diamino-1,5-phenoxypentane, 4,4'-diaminobiphenyl, 3,3'-dimethyl- Aminobiphenyl, 3,3'-dimethoxy-4,4'-diaminobiphenyl, 4,4'-diaminodiphenyl ether, 4,4'-diaminodiphenylmethane, 2,2'- (4-aminophenoxy) benzene, diaminodiphenylsulfone, diaminobenzophenone, diaminonaphthalene, 1,4-bis (4-aminophenoxy) Bis (4-aminophenyl) benzene, 4,4'-bis (4-aminophenyl) benzene, Phenoxy) diphenylsulfone, 2,2-bis [4- (4-aminophenoxy) phenyl] propane, 2,2'-trifluoromethyl-4,4'-diaminobiphenyl and mixtures thereof Can be selected from the group consisting of.

지환식 디아민은 예를 들어 1,4-디아미노시클로헥산, 1,4-시클로헥산비스(메틸아민), 4,4'-디아미노디시클로헥실메탄(MCA), 4,4'-메틸렌 비스(2-메틸 사이클로헥실아민)(MMCA) 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택될 수 있다.The alicyclic diamine is, for example, 1,4-diaminocyclohexane, 1,4-cyclohexanebis (methylamine), 4,4'-diaminodicycohexylmethane (MCA), 4,4'-methylenebis (2-methylcyclohexylamine) (MMCA), and mixtures thereof.

지방족 디아민은 예를 들어 에틸렌디아민(EN), 1,3-디아미노프로판(13DAP), 테트라메틸렌디아민, 1,6-헥사메틸렌디아민(16DAH)), 1,12-디아미노도데칸(112DAD) 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 지방족 디아민으로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.The aliphatic diamines include, for example, ethylenediamine (EN), 1,3-diaminopropane (13DAP), tetramethylenediamine, 1,6-hexamethylenediamine (16DAH), 1,12-diaminododecane (112DAD) And an aliphatic diamine selected from the group consisting of mixtures thereof.

산 이수물은 예를 들어 하기 화학식 6으로 표시되는 화합물일 수 있다. The acid dihydrate may be, for example, a compound represented by the following formula (6).

[화학식 6][Chemical Formula 6]

Figure 112017082648213-pat00007
Figure 112017082648213-pat00007

화학식 6중, R5는 화학식 7로 표시되는 그룹 중에서 선택된 하나이다.In the formula (6), R 5 is a group selected from the group represented by the formula (7).

[화학식 7](7)

Figure 112017082648213-pat00008
Figure 112017082648213-pat00008

화학식 7중, *는 결합위치를 나타낸다.In the formula (7), * represents a bonding position.

산 이무수물은 예를 들어 파이로멜리트산 이무수물(Pyromellitic dianhydride), 2,2-비스(3,4-디카르복시페닐)헥사플루오로프로판 디안하이드라이드(6FDA), 4-(2,5-디옥소테트라하이드로푸란-3-일)-1,2,3,4-테트라하이드로나프탈렌-1,2-디카르복실릭 디안하이드라이드(TDA), 피로멜리틱산 디안하이드라이드(1,2,4,5-벤젠 테트라카르복실릭 디안하이드라이드, PMDA), 벤조페논 테트라카르복실릭 디안하이드라이드(BTDA), 비페닐 테트라카르복실릭 디안하이드라이드(BPDA), 옥시디프탈릭 디안하이드라이드(ODPA), 비스카르복시페닐 디메틸 실란 디안하이드라이드(SiDA), 비스 디카르복시페녹시 디페닐 설파이드 디안하이드라이드(BDSDA), 술포닐 디프탈릭안하이드라이드(SO2DPA), 사이클로부탄 테트라카르복실릭 디안하이드라이드(CBDA), 이소프로필리덴이페녹시 비스 프탈릭안하이드라이드(6HBDA), 비사이클로[2.2.2]-7-옥텐-2,3,5,6-테트라카르복실산 디안하이드라이드(BTA)로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상을 들 수 있다.The acid dianhydride may be, for example, pyromellitic dianhydride, 2,2-bis (3,4-dicarboxyphenyl) hexafluoropropanediamine hydride (6FDA), 4- (2,5- Dioxotetrahydrofuran-3-yl) -1,2,3,4-tetrahydronaphthalene-1,2-dicarboxylic dianhydride (TDA), pyromellitic acid dianhydride , 5-benzenetetracarboxylic dianhydride, PMDA), benzophenone tetracarboxylic dianhydride (BTDA), biphenyltetracarboxylic dianhydride (BPDA), oxydiphthalic dianhydride (ODPA) , Biscarboxyphenyldimethylsilanediamine hydride (SiDA), bisdicarboxyphenoxy diphenylsulfide dianhydride (BDSDA), sulfonyldiphthalic anhydride (SO 2 DPA), cyclobutane tetracarboxylic dianhydride (CBDA), isopropylidene is phenoxybisphthalic anhydride (6HBDA), bicyclo [2.2.2] -7-octene-2,3,5,6-tetracarboxylic acid dianhydride (BTA).

일구현예에 따른 폴리이미드 나노복합체의 폴리이미드는 수평균분자량이 10,000 내지 500,000 g/mol이다.The polyimide of the polyimide nanocomposite according to one embodiment has a number average molecular weight of 10,000 to 500,000 g / mol.

본 발명에 따라 제조되는 폴리이미드 나노복합체와 이를 포함하는 복합막은 종래의 폴리이미드 또는 폴리이미드 복합체에 비하여 기계적 강도와 전기적 특성이 향상된다. 또한, 상기와 같이 제조된 복합체는 반도체, 도전성 필름, 섬유, 자동차용 소재, 우주항공용 소재 등 다방면에서 활용 될 수 있다. The polyimide nanocomposite and the composite membrane comprising the polyimide nanocomposite prepared according to the present invention have improved mechanical strength and electrical characteristics as compared with the conventional polyimide or polyimide composite. In addition, the composite thus produced can be used in various fields such as semiconductor, conductive film, fiber, automobile material, aerospace material, and the like.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It is to be understood by those skilled in the art that these embodiments are only for illustrating the present invention and that the scope of the present invention is not construed as being limited by these embodiments.

제조예Manufacturing example 1:  One: 그래핀Grapina 옥사이드(graphene oxide)의Of graphene oxide 제조 Produce

후술하는 브로디(Brodie's) 방법으로 산화시켜 그래핀 옥사이드(GO)를 얻었다. And oxidized by the Brodie's method described later to obtain graphene oxide (GO).

천연 그래파이트 1g, NaClO3 8.5g 을 혼합하고 상온에서 교반하였다. 상기 혼합물을 얼음배쓰안에서 발연질산(fuming nitric acid) 9ml를 적하깔대기(dropping funnel)을 통하여 적가한 다음, 상온에서 24시간 동안 교반하였다. 이어서 반응 혼합물에 발연ㄴ황산 5ml를 더 부가한 다음, 반응 혼합물을 60℃로 가열하고 이를 24시간 동안 교반하였다. 그 후 상기 반응이 완결되면 반응 혼합물에 탈이온수 200ml를 부가하고 3M HCl 100ml로 세척하였다. 상기 결과물을 여과하고 중화된 혼합물을 50℃로 조절된 진공 오븐에서 24시간 건조하여 목적하는 그래핀 옥사이드를 얻었다. 1 g of natural graphite and 8.5 g of NaClO 3 were mixed and stirred at room temperature. The mixture was added dropwise through a dropping funnel to 9 ml of fuming nitric acid in an ice bath and then stirred at room temperature for 24 hours. Then, 5 ml of fuming sulfuric acid was further added to the reaction mixture, and then the reaction mixture was heated to 60 ° C and stirred for 24 hours. Then, when the reaction was completed, 200 ml of deionized water was added to the reaction mixture and washed with 100 ml of 3M HCl. The resultant was filtered and the neutralized mixture was dried in a vacuum oven controlled at 50 DEG C for 24 hours to obtain the desired graphene oxide.

제조예Manufacturing example 2:  2: 아민Amine 기능화된  Functionalized 그래핀Grapina 옥사이드의Oxide 결함 치유 생성물(H- The defect healing product (H- PyPy -- RGORGO )의 제조)

4-클로로피리딘 하이드로클로라이드 25g을 하이드라진 모노하이드레이트 용액 30.3 g에 첨가시켰다. 이후 반응조의 온도를 80 ℃로 세팅, 24시간 자석 교반을 하였다. 반응이 끝난 후 50%의 수산화나트륨 용액과 에틸아세테이트 용액으로 추출을하였다. 추출 후 황산마그네슘으로 남아있는 증류수를 제거한 후 여과를 실시하였다. 이후 40℃의 진공오븐에서 2시간동안 건조를 시켜 16.8 g의 화학식 1a의 4-하이드라지노피리딘을 얻었다. 25 g of 4-chloropyridine hydrochloride was added to 30.3 g of the hydrazine monohydrate solution. Thereafter, the temperature of the reaction tank was set at 80 DEG C and the magnet was stirred for 24 hours. After the reaction was completed, the reaction mixture was extracted with 50% sodium hydroxide solution and ethyl acetate solution. After the extraction, distilled water remaining as magnesium sulfate was removed and filtration was performed. And then dried in a vacuum oven at 40 DEG C for 2 hours to obtain 16.8 g of 4-hydrazinopyridine of formula (I).

[화학식 1a][Formula 1a]

Figure 112017082648213-pat00009
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제조예 1에 따라 얻은 그래핀 옥사이드(GO) 3.0 g을 100 ml의 에탄올에 넣고 한시간 동안 초음파 처리를 통해 분산을 시켰다.그래핀 옥사이드의 분산액(dispersin)에 16.8 g의 화학식 1a의 4-하이드라지노피리딘을 첨가한 후 반응조의 온도를 80 ℃로 세팅하고, 약 48시간동안 교반시켰다.3.0 g of graphene oxide (GO) obtained according to Preparation Example 1 was dispersed in 100 ml of ethanol by sonication for 1 hour. To a dispersin of graphene oxide, 16.8 g of 4-hydra After the addition of the ginopyridine, the temperature of the reactor was set to 80 DEG C and the mixture was stirred for about 48 hours.

반응 혼합물을 교반하고 반응이 완결되면 반응 혼합물의 여과를 실시하였고, 증류수로 세척하였다. 이어서 증류수로 세척된 결과물을 약 60℃의 진공 오븐에서 24시간 건조시켜 4-하이드라지노피리딘으로부터 파생된 피리딘 그룹으로 기능화된 환원 그래핀 옥사이드(Py-RGO)를 얻어내었다. When the reaction mixture was stirred and the reaction was complete, the reaction mixture was filtered and washed with distilled water. The resultant washed with distilled water was dried in a vacuum oven at about 60 ° C. for 24 hours to obtain reduced graphene oxide (Py-RGO) functionalized with pyridine group derived from 4-hydrazinopyridine.

Py-RGO 0.2g을 100ml 디클로로메테인(CH2Cl2)에 넣고 초음파 분산시켰다. 그 후 질소 분위기 하에 5당량의 니트로메테인(nitromethane) 중의 염화철(Ⅲ)을 2시간에 걸쳐 반응 혼합물에 천천히 넣어주었다. 이 후 상온(25℃)에서 24시간 동안 교반을 시켜준 후 100 ml의 메탄올을 넣어줌으로써 반응을 종결시켰다. 0.2 g of Py-RGO was added to 100 ml of dichloromethane (CH 2 Cl 2 ) and dispersed by ultrasonication. Then, 5 equivalents of iron (III) chloride in nitromethane was slowly added to the reaction mixture over 2 hours under a nitrogen atmosphere. After that, the mixture was stirred at room temperature (25 ° C) for 24 hours, and 100 ml of methanol was added to terminate the reaction.

반응이 끝난 후 여과를 실시하고 메탄올로 세척을 실시하였다. 이어서 세척된 결과물을 약 60℃의 진공오븐에서 건조하여 피리딘 그룹으로 기능화된 환원 그래핀 옥사이드의 결함 치유 생성물(H-Py-RGO)를 제조하였다. After the reaction was completed, the reaction mixture was filtered and washed with methanol. The washed product was then dried in a vacuum oven at about 60 DEG C to produce a healing product (H-Py-RGO) of reduced graphene oxide functionalized with pyridine groups.

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

Figure 112017082648213-pat00010
Figure 112017082648213-pat00010

실시예Example 1: 폴리이미드 복합체를 함유한  1: polyimide composite containing 복합막의Composite membrane 제조 Produce

제조예 2에 따라 얻은 피리딘 그룹으로 기능화된 환원 그래핀 옥사이드의 결함 치유 생성물(H-Py-RGO)를 N-메틸 2-피롤리돈(NMP)에 첨가시켜준 후, 각각 균질기와 초음파 처리를 통하여 분산시켰다. 피리딘 그룹으로 기능화된 환원 그래핀 옥사이드의 결함 치유 생성물(H-Py-RGO)과 NMP의 혼합중량비는 13:87이었다. (H-Py-RGO) of reduced graphene oxide functionalized with the pyridine group obtained according to Production Example 2 was added to N-methyl 2-pyrrolidone (NMP), and the resultant was subjected to homogenization and ultrasonic treatment Lt; / RTI > The weight ratio of the healing product (H-Py-RGO) of reduced graphene oxide functionalized with pyridine group to NMP was 13:87.

상기 분산물에 폴리아믹산 전구체인 화학식 8의 3,3'-디하이드록시벤지딘(3,3'-Dihydroxybenzidine: DHB) 0.8650g을 첨가하여 상온(25℃)에서 1시간 교반시킨 후, 폴리아믹산 전구체인 화학식 9의 파이로멜리트산 이무수물(Pyromellitic dianhydride: PMDA) 0.8725g을 첨가시킨 후 이를 상온에서 24시간 자석 교반시켜 피리딘 그룹으로 기능화된 환원 그래핀 옥사이드의 결함 치유 생성물이 충진된 폴리아믹산을 제조하였다. 여기에서 폴리아믹산(Polyamic acid: PAA)과 아민 기능화된 그래핀 옥사이드의 결함 치유 생성물의 중량비가 99.5:0.5이 되도록 폴리아믹산 전구체와 아민 기능화된 그래핀 옥사이드의 결함 치유 생성물의 함량을 조절하였다.0.8650 g of 3,3'-dihydroxybenzidine (DHB) as a polyamic acid precursor of Formula 8 was added to the dispersion, and the mixture was stirred at room temperature (25 ° C) for 1 hour. Then, a polyamic acid precursor And 0.8725 g of pyromellitic dianhydride (PMDA) represented by the following general formula (9) was added thereto, followed by magnetic stirring at room temperature for 24 hours to prepare a polyamic acid filled with a healing product of reduced graphene oxide functionalized with a pyridine group Respectively. Here, the content of the defect repair product of the polyamic acid precursor and the amine-functionalized graphene oxide was adjusted so that the weight ratio of the polyamic acid (PAA) and the defect-healing product of the amine-functionalized graphene oxide was 99.5: 0.5.

[화학식 8] [화학식 9][Chemical Formula 8]

Figure 112017082648213-pat00011
Figure 112017082648213-pat00012
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이후 상기 결과물을 상온(25℃)의 진공오븐에서 2시간동안 기포를 제거한 후 유리기판 위에 스핀코팅하였다. 상기 과정을 통해 제조된 폴리아믹산이 코팅된 유리기판을 90℃의 진공오븐에서 1시간 건조 후 질소 분위기 하에 5단계에 걸쳐 온도를 증가시키는 열처리(90℃에서 약 1시간, 150℃에서 약 1시간, 200℃에서 약 1시간, 250℃에서 약 30분 및 300℃에서 약 30분)를 실시하여 폴리이미드 나노복합체를 함유한 복합막을 제조하였다. Thereafter, the resultant was bubbled in a vacuum oven at room temperature (25 ° C) for 2 hours, and then spin-coated on a glass substrate. The glass substrate coated with the polyamic acid prepared through the above process was dried in a vacuum oven at 90 ° C. for 1 hour and then heat-treated at 90 ° C. for about 1 hour at 150 ° C. for about 1 hour , About 200 ° C for about 1 hour, 250 ° C for about 30 minutes, and 300 ° C for about 30 minutes) to prepare a composite membrane containing the polyimide nanocomposite.

상술한 폴리이미드 나노복합체를 함유한 복합막의 제조 과정은 도 1에 나타난 바와 같다.The process for producing the composite membrane containing the polyimide nanocomposite as described above is as shown in FIG.

실시예 1에 따라 제조된 폴리이미드 나노복합체에서 폴리이미드와 피리딘 그룹으로 기능화된 환원 그래핀 옥사이드의 결함 치유 생성물의 중량비는 99.5:0.5이다. In the polyimide nanocomposite prepared according to Example 1, the weight ratio of the healing product of the reduced graphene oxide functionalized with the polyimide to the pyridine group is 99.5: 0.5.

실시예Example 2-4: 폴리이미드 나노복합체를 함유한  2-4: polyimide nanocomposite containing 복합막의Composite membrane 제조 Produce

폴리아믹산(Polyamic acid: PAA)과 피리딘 그룹으로 기능화된 환원 그래핀 옥사이드의 결함 치유 생성물의 중량비가 각각 99:1, 97:3, 95:5가 되도록 폴리아믹산 전구체와 피리딘 그룹으로 기능화된 그래핀 옥사이드의 결함 치유 생성물의 함량을 조절한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 폴리이미드 나노복합체를 함유한 복합막을 각각 제조하였다.The polyamic acid precursor and graphene functionalized with a pyridine group, such that the weight ratio of the healing product of the reduced graphene oxide functionalized with polyamic acid (PAA) to the pyridine group is 99: 1, 97: 3, 95: A composite membrane containing the polyimide nanocomposite was prepared in the same manner as in Example 1, except that the content of the defect repair product of the oxide was controlled.

비교예Comparative Example 1: 피리딘 그룹으로 기능화된 환원  1: Reduction functionalized with pyridine group 그래핀Grapina 옥사이드가Oxide 충진된Filled 폴리이미드 복합체를 함유한  Containing polyimide composite 복합막의Composite membrane 제조 Produce

폴리아믹산과, 제조예 2에 따라 얻은 4-하이드라지노피리딘으로부터 파생된 피리딘 그룹으로 기능화된 환원 그래핀 옥사이드(Py-RGO)를 99.5:0.5 중량비로 혼합하고 이 혼합물에 NMP를 부가한 후, 각각 균질기와 초음파 처리를 통하여 분산 시켰다. 폴리아믹산과 제조예 2에 따라 얻은 4-하이드라지노피리딘으로부터 파생된 피리딘 그룹으로 기능화된 환원 그래핀 옥사이드(Py-RGO)의 혼합물과, NMP의 혼합중량비는 13:87이었다.(Py-RGO) functionalized with a pyridine group derived from 4-hydrazinopyridine obtained in Production Example 2 were mixed at a weight ratio of 99.5: 0.5, NMP was added to the mixture, Each was dispersed by homogenizer and ultrasonic treatment. The blend weight ratio of the mixture of polyamic acid and reduced graphene oxide (Py-RGO) functionalized with pyridine group derived from 4-hydrazinopyridine obtained in Preparation Example 2 and NMP was 13:87.

상기 분산물에 폴리아믹산 전구체인 화학식 8의 3,3'-디하이드록시벤지딘 0.8650g을 첨가하여 상온에서 1시간 교반시킨 후, 폴리아믹산 전구체인 화학식 9의 파이로멜리트산 이무수물(PMDA) 0.8725g을 첨가시킨 후 상온(25℃)에서 24시간 자석 교반시켜 아민 그룹 기능화된 환원 그래핀 옥사이드가 충진된 폴리아믹산을 제조하였다. 0.8650 g of 3,3'-dihydroxybenzidine represented by the formula (8), which is a polyamic acid precursor, was added to the dispersion and stirred at room temperature for 1 hour. Then, pyromellitic acid dianhydride (PMDA) of formula (9) as a polyamic acid precursor g, and the mixture was magnetically stirred at room temperature (25 ° C) for 24 hours to prepare polyamic acid having amine group-functionalized reduced graphene oxide.

이후 상기 결과물을 상온의 진공 오븐에서 2시간동안 기포를 제거한 후 유리기판 위에 스핀코팅을 실시하였다. 상기 과정을 통해 제조된 폴리아믹산이 코팅된 유리기판을 90℃의 진공오븐에서 1시간 건조 후 질소 분위기 하에서 5단계적으로 온도를 증가시키는 열처리(90℃에서 1시간, 150℃에서 1시간, 200℃에서 1시간, 250℃에서 30분, 300℃에서 30분)를 통하여 폴리이미드 복합체를 제조하였다.Thereafter, the resultant was bubbled in a vacuum oven at room temperature for 2 hours, and then spin-coated on the glass substrate. The glass substrate coated with the polyamic acid prepared above was dried in a vacuum oven at 90 ° C for 1 hour and then heat-treated at 90 ° C for 1 hour, 150 ° C for 1 hour, 200 ° C 30 minutes at 250 < 0 > C, 30 minutes at 300 < 0 > C).

비교예Comparative Example 2:  2: 폴리이미드막의Polyimide film 제조 Produce

NMP에 3,3'-디하이드록시벤지딘(Dihydroxybenzidine: DHB) 0.8650g을 첨가하여 상온에서 1시간 교반시킨 후, 파이로멜리트산 이무수물(PMDA) 0.8725g을 첨가시켰다. NMP와 DHB의 중량비는 87:13이었다. 0.8650 g of 3,3'-dihydroxybenzidine (DHB) was added to NMP, stirred at room temperature for 1 hour, and 0.8725 g of pyromellitic dianhydride (PMDA) was added. The weight ratio of NMP and DHB was 87:13.

이어서 상기 결과물을 상온(25℃)에서 24시간 자석 교반시켜 폴리아믹산을 제조하였다. 이후 상기 결과물을 상온의 진공오븐에서 2시간 동안 기포를 제거한 후 유리기판 위에 스핀코팅하였다. 상기 과정을 통해 제조된 폴리아믹산이 코팅된 유리기판을 90℃의 진공오븐에서 1시간 건조 후 질소 분위기 하에 5단계에 걸쳐 온도를 증가시키는 열처리(90℃에서 1시간, 150℃에서 1시간, 200℃에서 1시간, 250℃에서 30분 및 300℃에서 30분)를 실시하여 폴리이미드 복합체를 함유한 복합막을 제조하였다.The resultant was then magnetically stirred at room temperature (25 DEG C) for 24 hours to prepare a polyamic acid. Thereafter, the resultant was bubbled in a vacuum oven at room temperature for 2 hours, and then spin-coated on a glass substrate. The glass substrate coated with the polyamic acid prepared through the above process was dried in a vacuum oven at 90 ° C. for 1 hour and then subjected to heat treatment (90 ° C. for 1 hour, 150 ° C. for 1 hour, 200 Lt; 0 > C for 1 hour, 250 < 0 > C for 30 minutes and 300 < 0 > C for 30 minutes) to prepare a composite membrane containing the polyimide composite.

비교예Comparative Example 3: 피리딘 그룹으로 기능화된 환원  3: Reduction functionalized with pyridine group 그래핀Grapina 옥사이드가Oxide 충진된Filled 폴리이미드 복합체를 함유한  Containing polyimide composite 복합막의Composite membrane 제조 Produce

폴리아믹산과, 제조예 2에 따라 얻은 4-하이드라지노피리딘으로부터 파생된 피리딘 그룹으로 기능화된 환원 그래핀 옥사이드(Py-RGO)의 혼합중량비가 99:1로 변화된 것을 제외하고는, 비교예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 피리딘 그룹으로 기능화된 환원 그래핀 옥사이드가 충진된 폴리이미드 복합체를 함유한 복합막을 제조하였다.Except that the mixed weight ratio of polyamic acid and reduced graphene oxide (Py-RGO) functionalized with a pyridine group derived from 4-hydrazinopyridine obtained in Production Example 2 was changed to 99: 1. To prepare a composite membrane containing a polyimide composite filled with reduced graphene oxide functionalized with a pyridine group.

평가예Evaluation example 1: 라만 분광법 (Raman spectroscopy) 1: Raman spectroscopy

제조예 1에 따라 얻은 GO, 제조예 2에 따라 얻은 Py-RGO 및 H-Py-RGO에 대한 The GO obtained according to Preparation Example 1 and the Py-RGO and H-Py-RGO obtained according to Production Example 2

라만 분석을 실시하였다. 라만 분석은 라만 분광 분석기(LabRAM HR, Horiba, Japan)를 사용하여 실시하였고, 라만 분석 결과는 도 2에 나타난 바와 같다. Raman analysis was performed. Raman analysis was performed using a Raman spectroscopic analyzer (LabRAM HR, Horiba, Japan), and the results of the Raman analysis are shown in Fig.

도 2를 참조하여, 그래핀 옥사이드들의 D, G 피크를 확인 할 수 있다. Referring to FIG. 2, the D and G peaks of graphene oxides can be identified.

도 2에서 각 그래핀 옥사이드의 IG/ID 비율이 GO는 1.26, Py-RGO는 1.17로 아민 그룹이 기능화 되면서 D피크가 증가하였다. 이는 그래핀 표면에 아민 그룹의 기능화 함과 동시에 하이드록시기, 카르복실기 등이 환원됨을 확인 할 수 있었다.In FIG. 2, the I G / I D ratio of each graphene oxide was 1.26 for GO and 1.17 for Py-RGO, and the D peak was increased while the amine group was functionalized. It was confirmed that functionalization of amine group on the surface of graphene and reduction of hydroxyl group, carboxyl group and the like.

H-Py-RGO에서 IG/ID 비율이 1.56으로 크게 증가하였다. 이는 그래핀 표면의 SP2 결합이 증가하는 것으로 결함이 줄어든 것을 의미한다.I G / I D ratio in the H-Py-RGO is increased significantly to 1.56. This means that the defects are reduced by increasing the SP 2 bond on the graphene surface.

평가예Evaluation example 2:열중량2: Thermal weight 분석 ( analysis ( ThermogravimetricThermogravimetric analysis:  analysis: TGATGA )])]

제조예 1에 따라 얻은 GO, 제조예 2에 따라 얻은 Py-RGO 및 H-Py-RGO에 대한 열중량 분석을 열중량분석기(TA 50, TA Instruments, USA)를 이용하여 실시하였고, 그 분석 결과를 도 3에 나타내었다.The thermogravimetric analysis of Py-RGO and H-Py-RGO obtained according to Preparation Example 1 and GO according to Preparation Example 2 was carried out using a thermogravimetric analyzer (TA 50, TA Instruments, USA) Is shown in Fig.

도 3을 참조하여, GO는 150℃에서 산소를 포함한 기능기들이 제거되면서 많은 중량 감소를 보인 반면, Py-RGO는 아민 그룹 기능화를 시키면서 환원이 동시에 이루어져 중량 감소가 GO 대비 적을 것을 확인 할 수 있다. 또한 H-Py-RGO는 그래핀 표면의 결함이 줄어들어 열적 안정성이 높아졌음을 확인 할 수 있다.Referring to FIG. 3, it can be seen that GO has a large weight reduction at 150 ° C. as a function of oxygen is removed, while Py-RGO is reduced at the same time by performing amine group functionalization and reduction of GO . In addition, H-Py-RGO can be confirmed that the thermal stability is improved by reducing defects on the graphene surface.

평가예Evaluation example 3:  3: 분체저항Powder resistance 측정(Powder resistivity measurement)] Powder resistivity measurement]

제조예 1에 따라 얻은 GO, 제조예 2에 따라 얻은 Py-RGO 및 H-Py-RGO에 대한 분체 저항을 분체 저항 측정장비(4-point probe method (FPP-RS8, Dasol Eng, Korea)로 전기전도도를 측정한 결과를 도 4에 나타내었다. Powder resistance of the GO obtained according to Preparation Example 1 and the Py-RGO and H-Py-RGO obtained according to Preparation Example 2 was measured using a powder resistance measuring device (FPP-RS8, Dasol Eng, Korea) The measurement results of the conductivity are shown in Fig.

도 4를 참조하여, GO는 산소 기능기 때문에 전기전도도가 매우 낮음을 확인 할 수 있다. Py-RGO는 환원이 되어 97 Scm- 1 로 측정이 되었다. H-Py-RGO는 Py-RGO에 비해 전기전도도가 3배 정도 증가한 313Scm-1 값이 측정 되었다. 이는 결함이 줄어들어 sp3 결합 구조를 가지고 있던 그래핀 표면의 탄소원자들이 sp2 공유 결합을 이루었음을 확인 할 수 있었다.Referring to FIG. 4, it can be confirmed that the GO has a very low electrical conductivity due to the oxygen function. Py-RGO has been reduced 97 Scm - 1 was determined by. H-Py-RGO was measured to have 313Scm -1 , which is three times higher than that of Py-RGO. It was confirmed that the carbon atoms on the surface of the graphene having the sp 3 bond structure formed the sp 2 covalent bond by reducing the defects.

평가예Evaluation example 3: 투과 전자 현미경(Transmission electron microscopy:  3: Transmission electron microscopy: TEMTEM )])]

제조예 2에 따라 제조된 Py-RGO 및 H-Py-RGO에 대한 투과 전자 현미경 촬영 이미지를 각각 도 5a와 도 5b에 나타내었다. 전자 회절 (Selected area electron diffraction: SAED) 패턴 분석 결과 Py-RGO에 비해 H-Py-RGO의 SAED 패턴이 육각형의 뚜렷한 점을 보임에 따라 결정성이 좋아졌음을 확인 할 수 있었고 이는 염화철(Ⅲ)를 통해 그래핀 표면의 탄소원자들끼리의 네트워킹을 형성하게 하여 결함이 치유되었음을 확인 할 수 있다. Transmission electron micrographs of Py-RGO and H-Py-RGO prepared according to Preparation Example 2 are shown in FIGS. 5A and 5B, respectively. As a result of the SAED pattern analysis, the SAED pattern of H-Py-RGO compared to Py-RGO shows a clearer hexagonal shape, It is possible to confirm that the defects are healed by forming networking between the carbon atoms on the surface of the graphene.

평가예Evaluation example 4: 인장강도 테스트 4: Tensile strength test

실시예 1-2에 따라 폴리이미드 나노복합체를 함유한 복합막과 비교예 1의 폴리이미드 복합체를 함유한 복합막과, 비교예 2에서 제조된 폴리이미드막의 인장강도를 인장강도 시험기(Universal testing machine: UTM)(5567A, Instron, USA)를 이용하여 측정하였고 인장강도 시험 결과를 표 1과 도 6에 각각 나타내었다.The tensile strength of the composite membrane containing the polyimide nanocomposite according to Example 1-2, the composite membrane containing the polyimide composite of Comparative Example 1 and the polyimide membrane prepared in Comparative Example 2 was measured using a universal testing machine (UTM) (5567A, Instron, USA) and the tensile strength test results are shown in Table 1 and FIG. 6, respectively.

구분division 샘플명Sample name 혼합중량비Mixing weight ratio 인장강도(MPa)Tensile Strength (MPa) 탄성률(GPa)Modulus of elasticity (GPa) 실시예1Example 1 PI/H-Py-RGOPI / H-Py-RGO 99.5:0.599.5: 0.5 661.0 ± 75.9661.0 ± 75.9 25.21 ± 1.325.21 ± 1.3 실시예2Example 2 PI/H-Py-RGOPI / H-Py-RGO 99:199: 1 883.5 ± 77.7883.5 ± 77.7 39.4 ± 3.739.4 ± 3.7 비교예 1Comparative Example 1 PI/Py-RGOPI / Py-RGO 99.5:0.599.5: 0.5 527.2 ± 11.62527.2 ± 11.62 58.6 ± 1.258.6 ± 1.2 비교예 3Comparative Example 3 PI/Py-RGOPI / Py-RGO 99:199: 1 488.0 ± 11.81488.0 + - 11.81 62.8 ± 2.462.8 ± 2.4 비교예 2Comparative Example 2 Pristine PIPristine PI -- 126.5 ± 7.1126.5 ± 7.1 6.2 ± 0.76.2 ± 0.7

표 1과 도 6을 참조하여, 피리딘 그룹으로 기능화된 환원 그래핀 옥사이드의 치유 생성물이 폴리이미드 나노복합체 제조시 충진제로 첨가된 경우, 폴리이미드 나노복합체를 함유한 복합막의 물성이 크게 향상된 것을 확인 할 수 있다.Referring to Table 1 and FIG. 6, it was confirmed that the physical properties of the composite membrane containing the polyimide nanocomposite were greatly improved when the healing product of the reduced graphene oxide functionalized with the pyridine group was added as a filler in the preparation of the polyimide nanocomposite .

비교예 1 및 3의 피리딘 그룹으로 기능화된 그래핀 옥사이드를 충진제로 사용했을 경우 복합막의 인장강도가 비교예 2의 폴리이미드막의 경우와 비교하여 4배 정도되는 증가되는 결과를 보였다. 이는 폴리이미드 내에서 피리딘 그룹으로 기능화된 환원 그래핀 옥사이드가 균일하게 분산되고, 폴리이미드와 상호작용 및 화학적 결합이 형성되었기 때문에서 기인된다.When the graphene oxide functionalized with the pyridine groups of Comparative Examples 1 and 3 was used as the filler, the tensile strength of the composite film was increased to about 4 times as compared with that of the polyimide film of Comparative Example 2. [ This is because the reduced graphene oxide functionalized with the pyridine group in the polyimide is uniformly dispersed and interaction and chemical bonding with the polyimide are formed.

실시예 1의 폴리이미드 나노복합체를 함유한 복합막의 인장강도는 비교예 2의 폴리이미드막의 경우와 비교하여 7배 이상으로 증가하였으며, 비교예 1의 복합막의 경우와 비교하여 약 1.8배 향상됨을 확인 할 수 있었다. 이는 환원 그래핀 옥사이드의 표면의 결함이 치유됨에 따라 폴리이미드와 상호작용할 넓은 표면적을 갖게 되고 이로 인해 기계적 강도가 향상되어 얻어진 결과이다.The tensile strength of the composite membrane containing the polyimide nanocomposite of Example 1 was increased to 7 times or more as compared with that of the polyimide membrane of Comparative Example 2 and was found to be about 1.8 times higher than that of the composite membrane of Comparative Example 1 Could. This is a result obtained by improving the mechanical strength of the reduced graphene oxide having a large surface area that can interact with the polyimide as the defect of the surface is healed.

평가예Evaluation example 5: 주사 전자 현미경 분석(Scanning electron microscope:  5: Scanning electron microscope: SEMSEM ))

실시예 1의 폴리이미드 나노복합체를 함유한 복합막 및 비교예 2의 폴리이미드막에 대한 주사전자현미경 분석을 실시하였다 SEM 분석은 SEM 분석기(Nova Nano SEM, FEI, USA)를 이용하였다.The composite membrane containing the polyimide nanocomposite of Example 1 and the polyimide membrane of Comparative Example 2 were subjected to scanning electron microscopic analysis. SEM analysis was performed using a SEM analyzer (Nova Nano SEM, FEI, USA).

상기 SEM 분석 결과를 이미지를 각각 도 7a, 도 7b에 각각 나타내었다. 도 7a는 비교예 2의 폴리이미드막에 대한 SEM 이미지이고, 도 7b는 실시예 1의 폴리이미드 나노복합체에 대한 SEM 이미지이다.Images of the SEM analysis results are shown in FIGS. 7A and 7B, respectively. FIG. 7A is an SEM image of the polyimide film of Comparative Example 2, and FIG. 7B is an SEM image of the polyimide nanocomposite of Example 1. FIG.

도 7a를 참조하여, 비교예 2의 폴리이미드막은 불순물이 없이 표면이 깨끗한 상태를 보여주었다. 도 7b를 참조하여 고분자 매트리스와 충진제가 서로 상호 작용을 통해 복합체 속의 그래핀 옥사이드로 인해 강도가 강해짐을 나타낸다. Referring to Fig. 7A, the polyimide film of Comparative Example 2 showed a clean surface without impurities. Referring to FIG. 7B, the polymer mattress and the filler interact with each other to show that the strength of the composite is enhanced due to graphene oxide.

평가예Evaluation example 6: 열팽창계수측정( 6: Measurement of thermal expansion coefficient ( ThermomechanicalThermomechanical analyzer:  analyzer: TMATMA ))

실시예 1-4의 폴리이미드 나노복합체 및 비교예 2의 폴리이미드의 열안정성을 확인하기 위해 열팽창계수를 측정하였고 그 결과를 도 8에 나타내었다. 열팽창계수는 열기계분석기(thermomechanical analyzer: TMA 402 F3, Netzsch, USA)를 이용하여 ASTM E931 Standard에 따라 측정하였다.The thermal expansion coefficients of the polyimide nanocomposite of Example 1-4 and the polyimide of Comparative Example 2 were measured to determine the thermal stability, and the results are shown in FIG. The thermal expansion coefficient was measured according to ASTM E931 Standard using a thermomechanical analyzer (TMA 402 F3, Netzsch, USA).

도 8을 참조하여, 충진제의 함량이 0wt%, 0.5wt%, 1.0wt%, 3wt% 순으로 증가할 때 열팽창계수(Coefficient of thermal expansion: CTE)가 줄어드는 결과를 나타냈다. 이러한 결과로부터 피리딘 그룹으로 기능화된 그래핀 옥사이드의 결함 치유 생성물이 폴리이미드 내에서 사슬 배향을 증가시켜 열팽창을 억제하는 역할을 하는 것으로 이해된다. Referring to FIG. 8, when the content of the filler was increased in the order of 0 wt%, 0.5 wt%, 1.0 wt% and 3 wt%, the coefficient of thermal expansion (CTE) decreased. From these results, it is understood that the defective healing product of graphene oxide functionalized with pyridine group increases the chain orientation in the polyimide and plays a role in suppressing thermal expansion.

평가예Evaluation example 7:  7: XPSXPS 분석 analysis

제조예 2에 따라 얻은 Py-RGO 및 실시예 1에 따라 얻은 H-Py-RGO에 대한 XPS 분석을 실시하였다. XPS 분석은 XPS 분석기(AXIS-NOVA, Kratos Inc., USA)를 이용하여 실시하였고 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.Py-RGO obtained according to Preparation Example 2 and H-Py-RGO obtained according to Example 1 were subjected to XPS analysis. XPS analysis was performed using an XPS analyzer (AXIS-NOVA, Kratos Inc., USA) and the results are shown in Table 2 below.

Figure 112017082648213-pat00013
Figure 112017082648213-pat00013

표 2를 참조하여, 실시예 1에 따라 얻은 H-Py-RGO는 제조예 2에 따라 얻은 Py-RGO에 비하여 sp2C/sp3C가 증가하였다. 이로부터 피리딘 그룹으로 기능화된 환원 그래핀 옥사이드의 결함이 치유되었다는 것을 알 수 있다.또한 제조예 1에 따라 얻은 GO, 제조예 2에 따라 얻은 Py-RGO 및 실시예 1에 따라 얻은 H-Py-RGO에 대하여 XPS 분석기를 이용하여 원소 조성 분석을 실시하였다. 그 분석 결과는 하기 표 3과 같다.Referring to Table 2, the H-Py-RGO obtained according to Example 1 showed an increase in sp2C / sp3C as compared with Py-RGO obtained according to Production Example 2. [ From this, it can be seen that defects of the reduced graphene oxide functionalized with the pyridine group were healed. The GO obtained according to Production Example 1, the Py-RGO obtained according to Production Example 2, and the H-Py- RGO was analyzed by elemental composition using XPS analyzer. The analysis results are shown in Table 3 below.

Figure 112017082648213-pat00014
Figure 112017082648213-pat00014

표 3을 참조하여, Py-RGO에서 C/O비가 GO의 C/O비에 비하여 증가된 것으로 볼 때 GO의 환원을 알 수 있었고 H-Py-RGO 및 Py-RGO의 질소의 함량이 GO의 경우에 비하여 높아진 것으로부터 H-Py-RGO 및 Py-RGO에 피리딘 그룹을 갖는 화합물이 도입된 것을 확인할 수 있었다. As shown in Table 3, when the C / O ratio of Py-RGO was increased as compared with the C / O ratio of GO, the reduction of GO was observed, and the nitrogen content of H-Py-RGO and Py- , It was confirmed that a compound having a pyridine group in H-Py-RGO and Py-RGO was introduced.

앞에서 설명된 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서, 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.The embodiments of the present invention described above should not be construed as limiting the technical idea of the present invention. The scope of protection of the present invention is limited only by the matters described in the claims, and those skilled in the art will be able to modify the technical idea of the present invention in various forms. Accordingly, such improvements and modifications will fall within the scope of protection of the present invention as long as it is obvious to those skilled in the art.

Claims (10)

헤테로고리 및 헤테로 원자를 포함하는 고리 화합물 중에서 선택된 하나 이상으로 기능화된 환원 그래핀 옥사이드의 결함이 치유된 생성물; 및
폴리이미드를 포함하는 폴리이미드 나노복합체.
A product in which defects of reduced graphene oxide functionalized with at least one selected from ring compounds including a hetero ring and a hetero atom are healed; And
A polyimide nanocomposite comprising polyimide.
제1항에 있어서,
상기 헤테로고리 및 헤테로 원자를 포함하는 고리 화합물 중에서 선택된 하나 이상으로 기능화된 환원 그래핀 옥사이드가,
하기 화학식 1로 표시되는 아민 화합물 중에서 선택된 하나 이상과 그래핀 옥사이드의 반응 생성물인 폴리이미드 나노복합체:
[화학식 1]
Figure 112017082648213-pat00015
.
The method according to claim 1,
Wherein the reduced graphene oxide functionalized with at least one selected from the group consisting of the heterocyclic ring and the heteroatom-
A polyimide nanocomposite which is a reaction product of graphene oxide and at least one selected from amine compounds represented by the following formula (1)
[Chemical Formula 1]
Figure 112017082648213-pat00015
.
제1항에 있어서,
상기 헤테로고리 및 헤테로 원자를 포함하는 고리 화합물 중에서 선택된 하나 이상으로 기능화된 환원 그래핀 옥사이드의 결함이 치유된 생성물이,
상기 헤테로고리 및 헤테로 원자를 포함하는 고리 화합물중에서 선택된 하나 이상으로 기능화된 환원 그래핀 옥사이드의 분자간 교차 탈수소 커플링 반응을 실시하여 얻은 생성물(product)인 폴리이미드 나노복합체.
The method according to claim 1,
A product obtained by healing a defect of reduced graphene oxide functionalized with at least one selected from the group consisting of the heterocyclic ring and the heteroatom,
Wherein the polyimide nanocomposite is a product obtained by an intermolecular cross-linking dehydrogenation reaction of reduced graphene oxide functionalized with at least one selected from the group consisting of the heterocyclic ring and the heteroatom-containing ring compound.
제1항에 있어서,
상기 헤테로고리 및 헤테로 원자를 포함하는 고리 화합물 중에서 선택된 하나 이상으로 기능화된 환원 그래핀 옥사이드의 결함이 치유된 생성물이,
하기 화학식 2 내지 5로 표시되는 화합물 중에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 폴리이미드 나노복합체:
[화학식 2]
Figure 112017082648213-pat00016

[화학식 3]

[화학식 4]
Figure 112017082648213-pat00018

[화학식 5]
Figure 112017082648213-pat00019
The method according to claim 1,
A product obtained by healing a defect of reduced graphene oxide functionalized with at least one selected from the group consisting of the heterocyclic ring and the heteroatom,
A polyimide nanocomposite comprising at least one compound selected from compounds represented by the following formulas (2) to (5):
(2)
Figure 112017082648213-pat00016

(3)

[Chemical Formula 4]
Figure 112017082648213-pat00018

[Chemical Formula 5]
Figure 112017082648213-pat00019
제1항에 있어서,
상기 헤테로고리 및 헤테로 원자를 포함하는 고리 화합물중에서 선택된 하나 이상으로 기능화된 환원 그래핀 옥사이드의 결함이 치유된 생성물의 함량은 폴리이미드 나노복합체 총중량을 기준으로 하여 0.1 내지 30 중량%인 폴리이미드 나노복합체.
The method according to claim 1,
The content of the healed product of the reduced graphene oxide functionalized with at least one selected from the heterocyclic ring and the cyclic compound containing a hetero atom is 0.1 to 30% by weight based on the total weight of the polyimide nanocomposite, .
그래핀 옥사이드를 헤테로고리 및 헤테로 원자를 포함하는 고리 화합물 중에서 선택된 하나 이상과 반응하여, 헤테로고리 및 헤테로 원자를 포함하는 고리 화합물중에서 선택된 하나 이상으로 기능화된 환원 그래핀 옥사이드를 얻는 제1단계;
상기 헤테로고리 및 헤테로 원자를 포함하는 고리 화합물중에서 선택된 하나 이상으로 기능화된 환원 그래핀 옥사이드의 분자간 교차 탈수소 커플링 반응(intramolecular cross-dehydrogenative coupling)을 실시하여 헤테로고리 및 헤테로 원자를 포함하는 고리 화합물 중에서 선택된 하나 이상으로 기능화된 환원 그래핀 옥사이드의 결함 치유 생성물을 얻는 제2단계; 및
상기 헤테로고리 및 헤테로 원자를 포함하는 고리 화합물중에서 선택된 하나 이상으로 기능화된 그래핀의 결함 치유 생성물과, 폴리아믹산 전구체의 중합 반응을 실시한 다음, 이미드화 반응을 실시하는 제3단계를 포함하여 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 폴리이미드 나노복합체를 얻는 폴리이미드 나노복합체의 제조방법.
A first step of reacting graphene oxide with at least one member selected from the group consisting of a heterocyclic ring and a ring compound containing a hetero atom to obtain a reduced graphene oxide functionalized with at least one selected from ring compounds including a hetero ring and a hetero atom;
An intramolecular cross-dehydrogenative coupling of a reduced graphene oxide functionalized with at least one selected from the group consisting of the heterocyclic ring and the heteroatom-containing ring compound is performed to form a heterocyclic ring and a heteroatom-containing ring compound A second step of obtaining a defect healing product of reduced graphene oxide functionalized with at least one selected; And
And a third step of performing a polymerization reaction of a defect healing product of graphene functionalized with at least one selected from the group consisting of the heterocyclic ring and the heteroatom and a polyamic acid precursor and then carrying out an imidation reaction, To obtain a polyimide nanocomposite according to any one of claims 1 to 5.
제6항에 있어서,
상기 헤테로고리 및 헤테로 원자를 포함하는 고리 화합물중에서 선택된 하나 이상으로 기능화된 환원 그래핀 옥사이드의 분자간 교차 탈수소 커플링 반응은 상기 기능화된 환원 그래핀 옥사이드에 염화철을 부가하고 이를 25 내지 60℃에서 실시하는 폴리이미드 나노복합체의 제조방법.
The method according to claim 6,
The intermolecular cross-linking dehydrogenation coupling of the reduced graphene oxide functionalized with at least one selected from among the ring compounds containing the heterocyclic ring and the hetero atom is carried out by adding iron chloride to the functionalized reduced graphene oxide and carrying out the reaction at 25 to 60 ° C A method for producing a polyimide nanocomposite.
제6항에 있어서,
상기 헤테로고리 및 헤테로 원자를 포함하는 고리 화합물중에서 선택된 하나 이상으로 기능화된 그래핀이 하기 화학식 1로 표시되는 아민 화합물 중에서 선택된 하나와 그래핀 옥사이드의 반응 생성물인 폴리이미드 나노복합체의 제조방법:
[화학식 1]
Figure 112017082648213-pat00020
.
The method according to claim 6,
And a cyclic compound containing at least one ring selected from the group consisting of a heterocyclic ring and a heterocyclic ring containing heteroatom is a reaction product of graphene oxide and one selected from amine compounds represented by the following formula 1:
[Chemical Formula 1]
Figure 112017082648213-pat00020
.
제6항에 있어서,
상기 제1단계가 하기 화학식 1로 표시되는 화합물 중에서 선택된 하나 이상과, 그래핀 옥사이드의 반응이며,
상기 반응은 그래핀 옥사이드를 용매에 분산한 다음, 여기에 하기 화학식 1로 표시되는 화합물 중에서 선택된 하나 이상을 혼합하고 이를 35 내지 100℃에서 열처리하는 공정에 따라 실시되는 폴리이미드 나노복합체의 제조방법.
[화학식 1]
Figure 112018057273197-pat00031
.
The method according to claim 6,
Wherein said first step is a reaction of graphene oxide with at least one compound selected from the group consisting of compounds represented by the following general formula (1)
Wherein the reaction is carried out according to a process of dispersing graphene oxide in a solvent and then mixing at least one selected from compounds represented by the following general formula (1) and heat-treating the mixture at 35 to 100 캜.
[Chemical Formula 1]
Figure 112018057273197-pat00031
.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 폴리이미드 나노복합체를 포함하는 복합막.
A composite membrane comprising the polyimide nanocomposite of any one of claims 1 to 5.
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