Abstract
Sulfonic acid of the sulfonated 6FDA-based polyimides were exchanged with the monovalent ($Li^+$, $Na^+$, $K^+$) and divalent ($Mg^{2+}$, $Ca^{2+}$, $Ba^{2+}$) ions. The effect of metal cations exchanged sulfonated polyimides was investigated in terms of gas permeability and selectivity for $CO_2$, $O_2$ and $N_2$ gases. Thermogravimetric analysis showed that thermal stability of sulfonated polyimide was improved by exchanged metal cations. The permeabilities of monovalent cation-exchanged, sulfonated polyimide were reduced as the ion radius reduced [$Li^+$(0.059 nm)>$Na^+$(0.102 nm)>$K^+$(0.138 nm)], and those of divalent cations exchanged were determined by the ionic radii and electrostatic crosslinking between the polymer and metal cations, whereas the selectivities of all the metal cation-exchanged, sulfonated polyimides for $CO_2/N_2$ and $O_2/N_2$, were higher than those of sulfonated polyimide membranes. The sulfonated polyimide exchanged with the potassium cation showed the $O_2$ permeability of 89.98 Barrer [$1\times10^{-10}\;cm^3$(STP) $cm/cm^2{\cdot}s{\cdot}cmHg$] and the sulfonated polyimide exchanged with the lithium cation showed the $O_2/N_2$ selectivity of 12.9.
설폰화된 6FDA 계열의 폴리이미드의 설폰간기에 1가 이온($Li^+$, $Na^+$, $K^+$)과 2가 이온($Mg^{2+}$, $Ca^{2+}$, $Ba^{2+}$)이 치환되어졌으며, 이러한 금속이온의 치환효과가 $CO_2$, $O_2$ 및 $N_2$등의 기체 투과도와 선택도에 미치는 영향에 대하여 조사하였다. 설폰화된 폴리이미드의 열적 안정성이 금속이온을 치환함으로써 향상된 것을 열중량기 분석을 통하여 확인되었다. 1가 이온으로 치환된 막의 투과도는 이온반경 [$Li^+$(0.059 nm)>$Na^+$(0.102 nm)>$K^+$(0.138 nm)]의 순서로 감소하며, 2가 이온의 경우 이온반경과 고분자와 금속이온 간의 전기적 가교로 인하여 결정되어짐을 알 수 있었다. 반면에, 금속이온으로 치환된 설폰화된 폴리이미드 막의 선택도는 치환되지 않은 막에 비하여 향상된 것을 알 수 있었다. $K^+$이온으로 치환된 설폰화된 폴리이미드 막의 산소 투과도는 89.98 Barred[$1\times10^{-10}\;cm^3$(STP) $cm/cm^2{\cdot}s{\cdot}cmHg$]을 나타내어 원래의 폴리이미드 막의 산소 투과도인 126.5 Barrer 보다 현저히 줄었으며, $Li^+$으로 치환된 막의 $O_2/N_2$선택도는 12.9를 나타내어 원래의 4.2보다 크게 향상되어졌다.
