Polydimethylsiloxane (PDMS) 기반의 수분산 폴리우레탄 코팅제 합성 및 특성 연구 = Preparation and Characteristics of Polydimethylsiloxane (PDMS) Based Waterborne Polyurethane Coatings

국문 초록 (Abstract)

여름철 북극항로의 개방으로 신규 극지 운항 선박 또는 극지 해양플랜트의 수요가 증가하고 있다. 그렇기에 기존의 케이블은 -40℃ 정도의 저온 특성을 필요로 하였으나 더 극한 환경에서 운항하는 선박이 늘어남에 따라 극지 운항 선박에 사용되는 케이블은 최대 -60℃ 수준에서 유연성을 유지하는 저온 특성이 요구되고 있다.
본 연구에서는 polyol로 polyether polyol type인 poly(tetramethylene ether glycol) (PTMG)와 기능성 polyol로 저온특성과 유연성, 내수성이 우수한 polydimethylsiloxane (PDMS)를 혼합하여 사용하였으며 isocyanate로 isophorone diisocyanate를 사용하여 수분산 폴리우레탄 코팅 수지 (SWPU)를 합성하였다. 그리고 필름을 제조하여 그 특성을 분석하였다. FT-IR과 XRD, PSA를 통해 SWPU의 기본적인 화학구조와 결정 구조, 그리고 입자 크기를 분석하였고 그 결과 합성이 잘 이루어졌음을 확인하였다. 또한 TGA, DSC, DMA 분석을 통해 PDMS의 함량이 증가함에 따라 열적 특성이 향상되었음을 확인하였고 SWPU-2에서 제일 낮은 Tg를 갖는 것을 알 수 있었다. UTM을 이용하여 기계적 특성을 평가하였고 SWPU-2에서 제일 높은 강도와 연신율을 갖는 것을 확인하였다. 접촉각을 통해 표면 특성을 분석하였고 증류수와 해수에서의 팽윤비를 분석하여 PDMS의 함량이 증가함에 따라 접촉각이 증가하고, 팽윤비는 감소하였음을 확인하였다.
수분산 폴리우레탄 (SWPU)의 특성 분석을 통해 PDMS가 우수한 저온특성, 유연성, 내수성을 부여할 수 있음을 나타내었다. 또한 인장강도와 신장율, DMA, DSC 분석을 고려하였을 때 PTMG와 PDMS의 몰비가 1.495 : 0.005인 SWPU-2에서 최적의 특성을 가진다고 할 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

With the opening of the Northern Sea Route in summer, the demand for new polar vessels or polar offshore plants is increasing. Therefore, the existing cables required low-temperature characteristics of about -40°C, but as the number of ships operating in more extreme environments increases, cables used for polar-operated ships are required to have low-temperature characteristics that maintain flexibility at a maximum level of –60°C.
In this study, poly(tetramethylene ether glycol) (PTMG), a polyether polyol type, and polydimethylsiloxane (PDMS), which have excellent low-temperature characteristics, flexibility, and water resistance, were used as a functional polyol. Then, waterborne polyurethane coating resin (SWPU) was synthesized using isophorone diisocyanate as isocyanate. Then, a film was prepared and its properties were analyzed. The basic chemical structure, crystal structure, and particle size of SWPU were analyzed through FT-IR, XRD, and PSA, and as a result, it was confirmed that the synthesis was successful. In addition, through TGA, DSC, and DMA analysis, it was confirmed that the thermal properties were improved as the content of PDMS increased, and it was found that SWPU-2 had the lowest Tg. The mechanical properties were evaluated using UTM, and it was confirmed that SWPU-2 had the highest strength and elongation. The surface properties were analyzed through the contact angle, and the swelling ratio in distilled water and seawater was analyzed to confirm that the contact angle increased and the swelling ratio decreased as the content of PDMS increased.
Through characterization of waterborne polyurethane (SWPU), it was shown that PDMS can impart excellent low-temperature properties, flexibility, and water resistance. In addition, considering the tensile strength, elongation, DMA, and DSC analysis, SWPU-2 with a molar ratio of PTMG and PDMS of 1.495 : 0.005 shows the best characteristics.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• Ⅱ. 이론적 배경 2
• 2.1 특수 케이블의 시장 동향 2
• 2.1.1. 극지 운항 선박의 특수 케이블 구성 및 기능 3
• 2.2. 폴리우레탄 (Polyurethane, PU) 5
• 2.2.1. 폴리우레탄 코팅제 7
• 2.2.2. 폴리우레탄의 구조 8
• 2.2.3. 폴리우레탄의 합성 방법 10
• 2.3. 수분산 폴리우레탄 (Waterborne polyurethane, WPU) 12
• 2.3.1. 수분산 폴리우레탄의 구성 성분 14
• 2.3.1.1. 폴리올 (Polyol) 14
• 2.3.1.1.1. 폴리에테르 폴리올 (Polyether polyol) 15
• 2.3.1.1.2. 폴리에스터 폴리올 (Polyester polyol) 16
• 2.3.1.1.3. 폴리디메틸실록산 (Polydimethylsiloxane, PDMS) 17
• 2.3.1.2. 이소시아네이트 (Isocyanate) 20
• 2.3.1.2.1. 이소시아네이트 반응 (Isocyanate reaction) 22
• 2.3.1.3. 사슬 연장제 (Chain extender) 25
• 2.3.1.4. 이온기 (Ionic group) 27
• Ⅲ. 실험 28
• 3.1. SWPU 합성 28
• 3.1.1. 시약 및 재료 28
• 3.1.2. 실험 방법 30
• 3.1.3. 실험 기기 33
• 3.2. SWPU 분석 34
• 3.2.1. 구조 분석 34
• 3.2.1.1. 고형분 측정 34
• 3.2.1.2. 점도 측정 34
• 3.2.1.3. FT-IR spectroscopy 34
• 3.2.1.4. PSA (Particle size analysis) 34
• 3.2.1.5. XRD (X-ray diffraction) 35
• 3.2.2. 열적 특성 분석 35
• 3.2.2.1. TGA (Thermogravimetric analysis) 35
• 3.2.2.2. DSC (Differential scanning calorimetry) 35
• 3.2.3. 동적 기계적 특성 분석 36
• 3.2.3.1. DMA (Dynamic mechanical analysis) 36
• 3.2.4. 기계적 특성 36
• 3.2.4.1. 인장강도 및 신장률 36
• 3.2.5. 표면 특성 36
• 3.2.5.1. 접촉각 측정 36
• 3.2.6. 팽윤 거동 37
• 3.2.6.1. 팽윤비 (Swelling ratio) 37
• Ⅳ. 결과 및 고찰 38
• 4.1. SWPU 분석 38
• 4.1.1. 구조 분석 38
• 4.1.1.1. 고형분과 점도 분석 38
• 4.1.1.2. FT-IR spectroscopy 40
• 4.1.1.3. PSA (Particle size analysis) 44
• 4.1.1.4. XRD (X-ray diffraction) 47
• 4.1.2. 열적 특성 분석 49
• 4.1.2.1. TGA (Thermogravimetric analysis) 49
• 4.1.2.2. DSC (Differential scanning calorimetry) 52
• 4.1.3. 동적 기계적 특성 분석 55
• 4.1.3.1. DMA (Dynamic mechanical analysis) 55
• 4.1.4. 기계적 특성 60
• 4.1.4.1. 인장강도 및 신장률 60
• 4.1.5. 표면 특성 64
• 4.1.5.1. 접촉각 측정 64
• 4.1.6. 팽윤 거동 67
• 4.1.6.1. 팽윤비 (Swelling ratio) 67
• Ⅴ. 결론 70
• 참고문헌 72
• 영문초록 81