Synthesis and Structural Characterization of Microporous Polymers with Tunable Building Blocks for Gas Separation Membranes = 기체 분리막용 조절 가능한 구성 요소를 갖는 미세다공성 고분자의 합성 및 구조적 특성 분석

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this work, microporous polymer membranes were synthesized through super-acid-catalyzed Friedel–Crafts polycondensation, employing electrophilic isatin and nucleophilic aromatic building blocks, to examine how polymer chain packing structures influence gas transport behavior and plasticization resistance. By varying the aromatic building blocks while keeping isatin unchanged, we tailored critical structural features such as repeating unit chain length, molecular planarity, rotational flexibility, and inter-segmental interactions. The resulting polymers were comprehensively characterized in terms of their thermal and mechanical stability, fractional free volume, and chain packing arrangements, enabling a detailed evaluation of how structural differences affect gas separation performance. Differences in gas transport properties arising from the choice of building blocks were further clarified through structural analyses. Notably, the polymer membrane containing planar building blocks showed the highest H₂/CO₂selectivity, attributed to its reduced symmetry and relatively polar nature. In contrast, the microporous polymer with restricted rotational mobility exhibited superior dimensional stability and strong resistance to plasticization, thereby maintaining robustness under gas separation conditions. Collectively, these findings provide fundamental insights into the structure–property relationships of isatin-based microporous polymers and establish design principles for developing efficient and stable membrane materials for gas separation.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 친전자성 이사틴과 친핵성 방향족 구성 요소를 사용하는 초산 촉매 Friedel-Crafts 중축합 반응을 통해 미세다공성 고분자 막을 합성하여 고분자 사슬의 패킹 구조가 기체 수송 거동과 가소화 저항성에 미치는 영향을 조사했습니다. 이사틴은 그대로 두고 방향족 구성 요소를 변화시킴으로써 반복 단위 사슬 길이, 분자 평면성, 회전 유연성, 그리고 분절 간 상호작용과 같은 중요한 구조적 특성을 최적화했습니다. 생성된 고분자는 열적 및 기계적 안정성, 자유 부피 분율, 그리고 사슬 패킹 배열 측면에서 종합적으로 분석되었으며, 이를 통해 구조적 차이가 기체 분리 성능에 미치는 영향을 상세히 평가할 수 있었습니다. 구성 요소의 선택에 따른 기체 수송 특성의 차이는 구조 분석을 통해 더욱 명확하게 규명되었습니다. 특히, 평면 구성 요소를 포함하는 고분자 막은 대칭성이 낮고 상대적으로 극성이 강하기 때문에 가장 높은 H₂/CO₂선택도를 보였습니다. 이와 대조적으로, 회전 운동성이 제한된 미세다공성 고분자는 우수한 치수 안정성과 가소화 저항성을 나타내어 기체 분리 조건에서도 견고성을 유지했습니다. 이러한 연구 결과는 이사틴 기반 미세다공성 고분자의 구조-물성 관계에 대한 근본적인 통찰력을 제공하고, 기체 분리를 위한 효율적이고 안정적인 막 소재 개발을 위한 설계 원리를 제시합니다.

목차 (Table of Contents)

• ABSTRACT ⅱ
• LIST OF TABLES AND FIGURES ⅲ
• 1. INTRODUCTION 1
• 2. EXPERIMENTAL DETAILS 4
• 2.1 Materials 4
• 2.2 Synthesis of PBI 5
• 2.3 Synthesis of PTI 6
• 2.4 Syntehsis of PFI 7
• 2.5 Synthesis of PBDI 8
• 2.6 Fabrication of microporous membranes 9
• 2.7 Gas separation performance test 10
• 2.8 Characterization 13
• 3. RESULTS AND DISCUSSION 15
• 3.1 Chemical Structure of Microporous Membranes 15
• 3.2 Thermal properties of Microporous Membranes 21
• 3.3 Mechanical properties and Surface hydrophilicity 24
• 3.4 Polymer Chain Packing structures and Molecular structures of the polymers 28
• 3.5 Gas Permeation Properties of Microporous Membranes 34
• 4. CONCLUSIONS 43
• 5. REFERENCES 44
• 국문초록 54