고바이오매스 함량 에폭시 비트리머 합성 및 열경화성 고분자의 재활용 거동 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, a high-biomass-content epoxy vitrimer was synthesized using bio-derived monomers and a fully bio-based cross-linking agent, and its structural characteristics and recycling behavior were systematically investigated. Di-epoxy, tri-epoxy, and soybean oil (SO)-epoxy monomers were synthesized from 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA), protocatechuic acid (PCA), and soybean oil, respectively. In addition, a fully bio-based tetra-thiol cross-linker was prepared from α-lipoic acid through disulfide bond reduction. The resulting epoxy vitrimers exhibited high biomass contents of 77.10% (di-epoxy), 74.30% (tri-epoxy), and 74.00% (SO-epoxy), demonstrating their potential as sustainable materials. These bio-based epoxy resins were curable at relatively low temperatures and showed excellent mechanical properties, achieving a tensile strength of 55.76 MPa. Through the combination of thiol–epoxy reactions and transesterification-based network rearrangement, the vitrimers exhibited remarkable stress-relaxation and reprocessability, confirming their dynamic covalent nature. This work presents a new approach to overcoming the non-recyclable limitations of conventional petroleum-based thermosets by introducing a fully bio-based and reprocessable vitrimer system.
Overall, this study provides fundamental insights into the design of sustainable polymer networks and contributes to the development of environmentally friendly thermoset materials with recyclability and high performance.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 천연 유래 모노머와 완전한 바이오 기반 가교제를 이용하여 고바이오매스 함량의 에폭시 비트리머(epoxy vitrimer) 를 합성하고, 그 구조적 특성과 재활용 거동을 연구하였다. 2,5-푸란디카르복실산(FDCA), 프로토카테쿠산(PCA), 및 대두유(soybean oil)로부터 각각 이관능성(di-epoxy), 삼관능성(tri-epoxy), 및 다관능성(SO-epoxy) 모노머를 합성하였으며, α-리포산(α-lipoic acid)으로부터 완전한 바이오 기반의 4관능성 티올(tetra-thiol) 가교제를 제조하였다. 합성된 에폭시 비트리머는 높은 바이오매스 함량(Di-epoxy 77.10%, Tri-epoxy 74.30%, SO-epoxy 74.00%)을 나타내어 지속가능한 소재로서의 잠재력을 확인하였다. 또한, 비교적 낮은 온도에서 경화가 가능하였으며, 인장강도 55.76 MPa에 달하는 우수한 기계적 물성을 보였다. 티올–에폭시 반응과 트랜스에스테르화(transesterification)가 결합된 네트워크 구조를 통해 스트레스 이완(stress-relaxation) 및 재가공성(reprocessability) 이 구현되었으며, 이를 통해 비트리머 고분자의 가역적 네트워크 재배열이 가능함을 입증하였다.
이러한 결과는 기존 석유계 열경화성 수지의 비재활용성 한계를 극복할 수 있는 새로운 접근법으로서, 바이오 기반·재활용 가능한 고성능 열경화성 소재의 개발 가능성을 제시한다. 따라서 본 연구는 지속가능한 고분자 네트워크의 설계 및 환경부하 저감형 소재 개발에 기여할 수 있는 중요한 기반 연구로 평가된다.