아민-CO₂ 첨가제를 이용한 폴리우레탄 폼의 합성과 물성 연구

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 기존 폴리우레탄 폼(PUF) 산업에서 사용되는 물리적 발포제가 높은 지구온난화지수(GWP)와 오존층 파괴지수(ODP)를 가져 전 세계적으로 사용이 규제되고 있다는 문제에서 출발한다. 이러한 환경적 제약을 극복하기 위한 대안으로 본 연구는 amine-CO₂ adducts 기반 친환경 발포제의 합성과 이를 폴리우레탄 폼 발포에 적용하였을 때의 영향을 고찰하는 것을 목표로 하였으며, 실제 산업 배출가스를 적용한 CCUS 기술에 적용 가능성을 확인하고자 하였다.

연구에서는 TETA-CO₂ 의 함량에 따른 영향과 세 종류의 사슬형 아민(EDA, EDTA, TEAT)을 선택하여 CO₂ 가스 버블링을 통해 amine-CO₂ 고체 분말을 합성하였으며, CO₂ 농도에 따른 구조적/열적 안정성 변화를 분석하기 위해 98% CO₂ 와 15%CO₂ /N₂ 혼합가스 조건을 비교하였다. Amine-CO₂ 의 합성과 PUF에 발포제로 적용에서 합성된 amine-CO₂ 는 NMR 분석으로 카바메이트 결합 형성 여부를 확인하였으며, DSC 분석을 통해 열분해 특성을 평가하였다. SEM을 통해 amine-CO₂ 의 표면 분석을 진행한 결과 아민기의 수가 많아질수록 수소결합에 의한 wrapping 효과로 인해 bar 형태에서 sphere 형태로 변화하는 것을 확인할 수 있었으며, 이온결합에 의해 입자 크기가 증가하는 것을 확인하였다. PUF 발포 실험에서는 TETA-CO₂ 의 함량 변화(5-20wt%)가 발포 시간(GT, TFT), PUF의 밀도, cell morphology에 미치는 영향을 분석하였다. 그 결과 TETA-CO₂ 첨가 시 우레탄 반응열에 의해 CO₂ 가 방출되면서 10wt%까지 밀도가 감소하였으며, 특히 10wt% 조건에서 가장 균형 잡힌 기계적/발포 특성이 나타났다. 또한 아민 종류에 따른 발포 거동을 비교한 결과 EDA-CO₂ 는 높은 CO₂ 부착량을 가져 가장 큰 발포 효과를 보였고, 반면 DETA-CO₂ 는 분자량 증가와 구조적 제약으로 인해 상대적으로 낮은 발포력을 나타냈다.

CO₂ 농도에 따른 발포제의 구조적 차이는 SEM을 통해 표면 분석을 한 결과 CO₂ 농도가 낮은 15% CO₂ /N₂에서 입자 성장 속도보다 핵 형성 속도가 지배적으로 나타나 98% CO₂ 보다 작고 미세한 입자가 형성되었다. 그 결과 15% CO₂ /N₂에서 합성된 발포제는 낮은 열적 안정성으로 인해 폴리올 시스템 내에서 더 빠르게 CO₂ 를 방출하여 발포 효율이 소폭 감소하였으나 기계적 성능은 유사한 PUF를 합성할 수 있었다.

종합적으로 본 연구는 사슬형 amine-CO₂ 를 이용해 ODP가 0이고 GWP가 1인 친환경 발포제의 적용 가능성을 제시한다. 또한 산업 배출가스 수준(15% CO₂ /N₂)의 낮은 농도에서도 발포제 합성 및 성능 구현이 가능함을 입증함으로써 CCUS 기술과 PUF 발포 공정의 융합 가능성을 제안하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study originates from the issue that physical blowing agents conventionally used in the polyurethane foam (PUF) industry process high global warming potential (GWP) and ozone depletion potential (ODP), leading to increasing global warming regulations on their use. To overcome these environmental constraints, this research aims to synthesize eco-friendly blowing agents based on amine-CO₂ adducts and to investigate their effects when applied to PUF foaming. Furthermore, the applicability of this approach to carbon capture, utilization, and storage (CCUS) technology using actual industrial exhaust gases was evaluated.

In this study, the effect of TETA-CO₂ content was examined, and three types of chain-type amines (EDA, DETA, and TETA) were selected to synthesize solid amine-CO₂ powders via a CO₂ gas bubbling process. To analyze structural and thermal stability variations depending on CO₂ concentration, synthesis under 98% CO₂ and a 15% CO₂/N₂ mixed gas condition was compared. The formation of carbamate bonds in the synthesized amine-CO₂ was confirmed by NMR analysis, and their thermal decomposition behavior was evaluated using DSC. Surface morphology analysis by SEM revealed that, as the number of amine groups increased, a hydrogen-bonding-induced wrapping effect caused the particle morphology to transition from bar-like to spherical shapes, accompanied by an increase in particle size due to ionic interactions.

In the PUF foaming experiments, the effects of varying TETA-CO₂ content (5–20 wt%) on foaming time (GT and TFT), foam density, and cell morphology were investigated. The results showed that the addition of TETA-CO₂ led to CO₂ release driven by the exothermic urethane reaction, resulting in a density decrease up to 10 wt%. Notably, the 10 wt% condition exhibited the most balanced mechanical and foaming properties. Additionally, comparison of foaming behavior according to amine type indicated that EDA-CO₂ exhibited the greatest foaming effect due to its high CO₂ loading capacity, whereas DETA-CO₂ showed relatively lower foaming efficiency owing to increased molecular weight and structural constraints.

Structural differences in blowing agents synthesized under different CO₂ concentrations were further analyzed by SEM. Under the 15% CO₂/N₂ condition, nucleation kinetics dominated over particle growth, resulting in smaller and finer particles compared to those synthesized under 98% CO₂. Consequently, the blowing agent synthesized under 15% CO₂/N₂ exhibited slightly reduced foaming efficiency due to lower thermal stability and faster CO₂ release within the polyol system; however, PUFs with comparable mechanical performance were successfully obtained.

Overall, this study demonstrates the feasibility of chain-type amine-CO₂ adducts as eco-friendly blowing agents with zero ODP and a GWP of 1. Moreover, by verifying successful blowing agent synthesis and performance even at industrial exhaust gas-level CO₂ concentrations (15% CO₂/N₂), this work proposes the potential integration of CCUS technology with PUF foaming processes.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 제 1 절 이론적 배경 1
• 제 1 항 폴리우레탄 1
• 제 2 항 아민 기반의 친환경 대체 발포제 : amine-CO₂ 5
• 제 2 절 연구의 목적 10
• 제 2 장 실험 11
• 제 1 절 실험 재료 11
• 제 2 절 실험 방법 13
• 제 1 항 아민 기반 친환경 발포제 합성 13
• 제 2 항 아민 기반 친환경 발포제 적용 PUF 합성 15
• 제 3 절 특성 분석 17
• 제 3 장 결과 및 고찰 19
• 제 1 절 Amine-CO₂의 합성과 PUF에 발포제로 적용 19
• 제 1 항 TETA-CO₂ 함량에 따른 PUF의 영향 19
• 제 2 항 아민 종류에 따른 Amine-CO₂/PUF의 영향 31
• 제 2 절 CO₂ 농도에 따른 EDA-CO₂ 합성 및 PUF 46
• 제 1 항 CO₂ 농도에 따른 EDA-CO₂ 합성 46
• 제 2 항 CO₂ 농도에 따른 EDA-CO₂/PUF 합성 51
• 제 4 장 결론 55
• 참고문헌 56
• Abstract 60