폴리카보네이트계 및 폴리에테르계 폴리올을 병용한 자가치유 기능 수분산 폴리우레탄 합성과 특성 연구 = Synthesis and Characterization of Self-healing Waterborne Polyurethane Using Polycarbonate and Polyether Polyol

국문 초록 (Abstract)

최근 들어 외부 환경에 의해 손상을 입은 고분자가 스스로 치유하는 자가치유 소재 개발에 대한 관심이 많아지고 있다. 특히 제품 겉 표면에 생긴 생활 스크래치나 손상은 내구성 뿐만 아니라 사용 지속성에 영향을 끼친다. 이는 자가치유를 통해 복원할 수 있으며 생활 쓰레기 배출이 줄어들어 환경적인 이점 및 유지보수 비용의 절감을 기대할 수 있지만 자가치유 기능을 도입함으로써 물성저하 문제가 생긴다.
본 연구에서는 폴리우레탄의 주가 되는 폴리올의 혼합으로 물성 저하를 보완하고자 하였다. 신발 및 소재 코팅용으로서 자가치유 기능 수분산 폴리우레탄 수지(self healing – waterborne polyurethane, SH-WPU)를 합성하기 위해 내구성 및 내열성이 우수한 polyether type 폴리올과 기계적 물성이 뛰어난 polycarbonate type 폴리올을 병용하여 합성하였으며, 자가치유 기능을 부여하기 위해 disulfide기를 도입하였다.합성된 자가치유 기능 수분산 폴리우레탄(SH-WPU)의 기본적인 물성은 fourier transform-infrared spectroscopy (FT-IR)을 통해 SH-WPU의 합성 여부를 확인하였으며, universal testing machine (UTM)과 scanning electron microscope (SEM)측정을 통해 물리적 특성 및 자가치유 특성을 확인하였다.
polycarbonate polyol (PCD)을 병용함으로써 인장강도 및 경도가 증가하였으며 신장율은 감소하였다. 또한 열적 특성을 비교했을 때, PCD함량이 증가함에 따라 열 안정성이 증가하였다. 치유효율을 비교한 결과, poly(tetramethylene ether)glycol (PTMG): polycarbonate polyol (PCD)= 0.75 : 0.25 (SH-WPU-2)일 때 가장 높은 효율을 보였으며 현미경 및 SEM을 통한 표면 관찰 결과 손상 부분이 치유된 것을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, interest in developing self-healing materials for macromolecules damaged by external environments has been increased. In particular, scratches and damages to the surface of the product not only affect durability but also continuity of use. This can be restored by self-healing and the emission of household waste can be reduced, so environmental benefits and maintenance costs can be reduced, but the introduction of self-healing functions can lead to physical degradation.
In this study, two types of polyols, polyether polyol (PTMG) and polycarbonate polyol (PCD), were mixed to synthesize polyurethane in order to compensate for the deterioration of physical properties. In order to synthesize self healing - waterborne polyurethane (SH-WPU) for shoes and materials coatings, ether type polyols with excellent durability and heat resistance and carbonate polyols with excellent mechanical properties were introduced. The basic physical properties of SH-WPU, a synthetic self-healing function, were confirmed by fourier transform-infrared spectroscopy (FTIR), and physical properties and self-healing were confirmed by universal testing machine (UTM) and scanning electron microscope (SEM).
The combined use of polycarbonate polyol increased tensile strength and hardness, and decreased elongation. In addition, when comparing thermal properties, thermal stability increases with increasing PCD content. Comparison of healing efficiency showed the highest efficiency at poly(tetramethylene ether)glycol (PTMG): polycarbonate polyol (PCD)= 0.75 : 0.25 (SH-WPU-2) and surface observation by microscope and SEM confirmed that the damaged part was cured.

목차 (Table of Contents)

• 제1장. 서론 1
• 제2장. 이론적 배경 2
• 2.1. 자가치유 고분자 2
• 2.1.1. 자가치유 결합 3
• 2.1.1.1. 외부 자가치유 4
• 2.1.1.1.1. 마이크로 캡슐을 이용한 자가치유 4
• 2.1.1.2. 고유 자가치유 6
• 2.1.1.2.1. 초분자 네트워크형 자가치유 6
• 2.1.1.2.2. Disulfide 결합 – 복분해 반응을 이용한 자가치유 7
• 2.2. 폴리우레탄 9
• 2.2.1. 폴리올 10
• 2.2.1.1. 폴리에테르계 폴리올 11
• 2.2.1.2. 폴리카보네이트계 폴리올 12
• 2.2.1.3. 수분산 폴리우레탄(waterborne polyurethane, WPU) 13
• 제3장. 실험 15
• 3.1. SH-WPU 합성 15
• 3.1.1. 시약 및 재료 15
• 3.1.2. 실험장치 및 실험방법 17
• 3.1.3. NCO 함량 측정 21
• 3.2. SH-WPU 분석 21
• 3.2.1. 기본 물성 및 구조 분석 21
• 3.2.1.1. 고형분&점도 21
• 3.2.1.2. FT-IR spectroscopy 22
• 3.2.2. 열적 특성 22
• 3.2.2.1. TGA (thermogravimetric analysis) 22
• 3.2.2.2. DSC (differntial scanning calorimetry) 22
• 3.2.3. 기계적 특성 23
• 3.2.4. 치유효율 23
• 3.2.5. 현미경 및 SEM 23
• 3.2.6. 접촉각 24
• 제4장. 결과 및 고찰 25
• 4.1. SH-WPU의 기본 물성 및 구조 분석 25
• 4.1.1. 고형분&점도 25
• 4.1.2. FT-IR spectroscopy 27
• 4.2. 열적 특성 30
• 4.2.1. TGA (thermogravimetric analysis) 30
• 4.2.2. DSC (differntial scanning calorimetry) 33
• 4.3. 기계적 특성 36
• 4.4. 치유효율 40
• 4.5. 현미경 및 SEM 44
• 4.6. 접촉각 47
• 제5장. 결론 49
• 참고문헌 51
• Abstract