과학자와 공학자들은 끊임없이 금속, 합금, 고분자, 세라믹 등의 공학재료의 성질을 계속해서 변화하는 사회의 요구에 부응하는 방향으로 개선하여 왔다. 인조 공학재료는 일반적으로 기계적 성질이 우수하여, 자연 재료의 기계적 성질보다 우수한 경우가 많다. 그러나, 이와 같은 공학 재료는 자연계에서 흔히 볼 수 있는 자기 치유능력, 즉 고의적인 인간의 접촉을 거치지 않고도 미세균열을 제거하는 능력이 부족하다. 자연에서 관측할 수 있는 손상관리 패러다임은 여러 가지 종류의 공학재료의 고유성질을 잘 고려하면 인조공학 재료에서도 성공적으로 재현할 수 있다. 특히 적절한 화학반응과 분자간력을 응용하면 고분자, 아이오노머, 복합체와 같은 유기재료에 적용할 수 있는 다양한 자기치유 방법을 개발할 수 있다.
과학자와 공학자들은 끊임없이 금속, 합금, 고분자, 세라믹 등의 공학재료의 성질을 계속해서 변화하는 사회의 요구에 부응하는 방향으로 개선하여 왔다. 인조 공학재료는 일반적으로 기계적 성질이 우수하여, 자연 재료의 기계적 성질보다 우수한 경우가 많다. 그러나, 이와 같은 공학 재료는 자연계에서 흔히 볼 수 있는 자기 치유능력, 즉 고의적인 인간의 접촉을 거치지 않고도 미세균열을 제거하는 능력이 부족하다. 자연에서 관측할 수 있는 손상관리 패러다임은 여러 가지 종류의 공학재료의 고유성질을 잘 고려하면 인조공학 재료에서도 성공적으로 재현할 수 있다. 특히 적절한 화학반응과 분자간력을 응용하면 고분자, 아이오노머, 복합체와 같은 유기재료에 적용할 수 있는 다양한 자기치유 방법을 개발할 수 있다.
Scientists and engineers have altered the properties of materials such as metals, alloys, polymers, ceramics, and so on, to suit the ever changing needs of our society. Man-made engineering materials generally demonstrate excellent mechanical properties, which often tar exceed those of natural mater...
Scientists and engineers have altered the properties of materials such as metals, alloys, polymers, ceramics, and so on, to suit the ever changing needs of our society. Man-made engineering materials generally demonstrate excellent mechanical properties, which often tar exceed those of natural materials. However, all such engineering materials lack the ability of self-healing, i.e. the ability to remove or neutralize microcracks without intentional human interaction. The damage management paradigm observed in nature can be reproduced successfully in man-made engineering materials, provided the intrinsic character of the various types of engineering materials is taken into account. Various self-healing ptotocols that can be applied for the organic materials such as polymers, ionomers and composites can be developed by utilizing suitable chemical reactions and physical intermolecular interactions.
Scientists and engineers have altered the properties of materials such as metals, alloys, polymers, ceramics, and so on, to suit the ever changing needs of our society. Man-made engineering materials generally demonstrate excellent mechanical properties, which often tar exceed those of natural materials. However, all such engineering materials lack the ability of self-healing, i.e. the ability to remove or neutralize microcracks without intentional human interaction. The damage management paradigm observed in nature can be reproduced successfully in man-made engineering materials, provided the intrinsic character of the various types of engineering materials is taken into account. Various self-healing ptotocols that can be applied for the organic materials such as polymers, ionomers and composites can be developed by utilizing suitable chemical reactions and physical intermolecular interactions.
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문제 정의
구조재료로 사용되는 고분자, 세라믹, 복합재료, 금속 등의 공학재료를 생각하여 보자. 공학재료의 종류에 상관없이 그 재 료를 생산하는 과정에서 막대한 양의 에너지를 사용하며 이산화탄소를 배출하였을 것이다.
구조재료로 사용되는 고분자, 세라믹, 복합재료, 금속 등의 공학재료를 생각하여 보자. 공학재료의 종류에 상관없이 그 재 료를 생산하는 과정에서 막대한 양의 에너지를 사용하며 이산화탄소를 배출하였을 것이다.
대개 치유단계는 손상단계에 가해 진 것보다 훨씬 온화한 조건에서 일어난다. 그렇다면 자기 치 유재료로 가능성을 갖기 위해서 원자수준에서 갖추어야 할 조 건을 생각해보자. 우선, 다른 구조재료와 마찬가지로 합리적 인 기계적 성질을 지녀야 한다.
대개 치유단계는 손상단계에 가해 진 것보다 훨씬 온화한 조건에서 일어난다. 그렇다면 자기 치 유재료로 가능성을 갖기 위해서 원자수준에서 갖추어야 할 조 건을 생각해보자. 우선, 다른 구조재료와 마찬가지로 합리적 인 기계적 성질을 지녀야 한다.
본 총설에서는 인공의 공학재료가 자기치유 능력을 갖도록 할 수 있는 위와 같은 방법을 살펴보고자 한다. 각 예에서 기 초 재료의 자연적 특징이 바람직한 자기치유 능력을 갖도록 하는 메커니즘을 결정함을 알게 될 것이다.
제안 방법
수산기로 말단 치환된 폴리디메틸실록산(HOPDMS)과 폴 리디에톡시실록산(PDES)을 주석 촉매 하에서 중축합하여 제 조한 고분자에 기초한 새로운 자기치유 고분자도 최근 발표 되었다［12］. 고분자 복합체의 치유효율을 알아보기 위해 신 고 분자와 자기치유 고분자의 파괴인성치를 조성과 치유온도에 따라 조사하였다. 폴리디메틸실록산 미세캡슐과 촉매로 구성된 미세캡슐 치유제를 함침시킴으로써 낮은 온도에서도 우수 한 치유 효율을 보였다.
수산기로 말단 치환된 폴리디메틸실록산(HOPDMS)과 폴 리디에톡시실록산(PDES)을 주석 촉매 하에서 중축합하여 제 조한 고분자에 기초한 새로운 자기치유 고분자도 최근 발표 되었다［12］. 고분자 복합체의 치유효율을 알아보기 위해 신 고 분자와 자기치유 고분자의 파괴인성치를 조성과 치유온도에 따라 조사하였다. 폴리디메틸실록산 미세캡슐과 촉매로 구성된 미세캡슐 치유제를 함침시킴으로써 낮은 온도에서도 우수 한 치유 효율을 보였다.
[17,18]은 DA-RDA 전략을 이용 처음으로 열적 자기치유능력을 갖는 고분자를 설계하였다. 다가 퓨런과 말 레이미드 기초 단량체를 이용, 가교도가 큰 고분자 네트워크 를 만들었다. 이 고분자에 가열/냉각을 반복하여 구조적 변화 를 고상 l3C NMR 분광분석기를 이용하여 파악한 결과 RDA 반응이 약 120 °C에서 일어남을 알아냈다(Figure 16).
[17,18]은 DA-RDA 전략을 이용 처음으로 열적 자기치유능력을 갖는 고분자를 설계하였다. 다가 퓨런과 말 레이미드 기초 단량체를 이용, 가교도가 큰 고분자 네트워크 를 만들었다. 이 고분자에 가열/냉각을 반복하여 구조적 변화 를 고상 l3C NMR 분광분석기를 이용하여 파악한 결과 RDA 반응이 약 120 °C에서 일어남을 알아냈다(Figure 16).
탄소섬유로만 이루어 진 프리프레그 와 탄소섬유유리섬유 프리프레그를 잘 조합하여 458개 내부 격자로 이루어진 유리섬유가 있는 유사등방성 라미네이트를 제조하여, 내충격성을 시험하기 위해 볼 자국을 내는 방법을 이용, 측면 부하를 가하는 시험을 행하였다. 볼 자국이 가해지기 전후의 굴곡강도를 측정하고, 치유가 된 후의 값과 비교 하였다(Table 1). 탄소섬유로만 이루어진 복합체의 결과를 대 조군으로 하여 비교하면 Table 2에 나타낸 값은 자기치유 공 학재료가 보이는 전형적인 몇가지 특징을 보임을 알 수 있다.
탄소섬유로만 이루어 진 프리프레그 와 탄소섬유유리섬유 프리프레그를 잘 조합하여 458개 내부 격자로 이루어진 유리섬유가 있는 유사등방성 라미네이트를 제조하여, 내충격성을 시험하기 위해 볼 자국을 내는 방법을 이용, 측면 부하를 가하는 시험을 행하였다. 볼 자국이 가해지기 전후의 굴곡강도를 측정하고, 치유가 된 후의 값과 비교 하였다(Table 1). 탄소섬유로만 이루어진 복합체의 결과를 대 조군으로 하여 비교하면 Table 2에 나타낸 값은 자기치유 공 학재료가 보이는 전형적인 몇가지 특징을 보임을 알 수 있다.
[4-8]은 이 분야에서 가장 활발히 연구한 일리노이대의 연구팀이며, 일회 파손이 일어난 경우 치유 효율이 90%에 이르도록 개선하였고, 치유 후 피로 부하 가 가해졌을 때 수명이 크게 개선되었다. 요소수지(urea-formaldehyde) 미세캡슐에 다이사이클로펜타디엔(dicyclopentadiene; DCPD)과 Grubbs의 루테늄 촉매(Figure 4)를 함침시 킨 후 기지 에폭시에 도입, 자기 치유 고분자 복합체를 제조하였다. 이 복합체의 파괴 인성치와 치유 효과를 조사한 결과 에 폭시에 함유된 미세 캡슐의 크기와 농도에 따라 크게 달라짐 을 밝혀냈다｛Figure 5).
[4-8]은 이 분야에서 가장 활발히 연구한 일리노이대의 연구팀이며, 일회 파손이 일어난 경우 치유 효율이 90%에 이르도록 개선하였고, 치유 후 피로 부하 가 가해졌을 때 수명이 크게 개선되었다. 요소수지(urea-formaldehyde) 미세캡슐에 다이사이클로펜타디엔(dicyclopentadiene; DCPD)과 Grubbs의 루테늄 촉매(Figure 4)를 함침시 킨 후 기지 에폭시에 도입, 자기 치유 고분자 복합체를 제조하였다. 이 복합체의 파괴 인성치와 치유 효과를 조사한 결과 에 폭시에 함유된 미세 캡슐의 크기와 농도에 따라 크게 달라짐 을 밝혀냈다｛Figure 5).
[19]은 네자리 수소결합 단위의 방향성과 협력효 과를 잘 조합시켜 기계적 강도를 유지하면서도 자기치유성을 가미한 초분자 고분자를 소개했다. 즉, 2-ureido-4-pyrimidone (UPy) 말단기를 사용하여 고분자를 제조하였다(Figure 17). UPy는 자기보완 DDAA(공여 체-공여체-수용체-수용체) 수소 결합에 의해 함께 붙들어 메는 이량체를 형성한다.
프리프레그(수지침투 가공재) 제조과정에서 유리섬유를 탄소섬유와 혼합하였다. 탄소섬유로만 이루어 진 프리프레그 와 탄소섬유유리섬유 프리프레그를 잘 조합하여 458개 내부 격자로 이루어진 유리섬유가 있는 유사등방성 라미네이트를 제조하여, 내충격성을 시험하기 위해 볼 자국을 내는 방법을 이용, 측면 부하를 가하는 시험을 행하였다. 볼 자국이 가해지기 전후의 굴곡강도를 측정하고, 치유가 된 후의 값과 비교 하였다(Table 1).
프리프레그(수지침투 가공재) 제조과정에서 유리섬유를 탄소섬유와 혼합하였다. 탄소섬유로만 이루어 진 프리프레그 와 탄소섬유유리섬유 프리프레그를 잘 조합하여 458개 내부 격자로 이루어진 유리섬유가 있는 유사등방성 라미네이트를 제조하여, 내충격성을 시험하기 위해 볼 자국을 내는 방법을 이용, 측면 부하를 가하는 시험을 행하였다. 볼 자국이 가해지기 전후의 굴곡강도를 측정하고, 치유가 된 후의 값과 비교 하였다(Table 1).
대상 데이터
공학재료는 가장 오래된 인조 재료이다. 대개 강도, 경도 등의 기계적 성질을 향상시키는 목적으로 발전되어왔고, 지금도 같은 목적으로 발전이 거듭되고 있다.
[25-27|에 의해 더욱 개선되어 고성능 탄소섬유에폭시 복합체를 제조하였다. 직경 이 10 mm인 탄소 섬유의 일부를 외경이 60 mm인 중공 유리 섬유로 대체하였다(Figure 20). 유리섬유의 공극률은 약 50%이 다.
[25-27|에 의해 더욱 개선되어 고성능 탄소섬유에폭시 복합체를 제조하였다. 직경 이 10 mm인 탄소 섬유의 일부를 외경이 60 mm인 중공 유리 섬유로 대체하였다(Figure 20). 유리섬유의 공극률은 약 50%이 다.
이론/모형
첫 번째 방법은 Mookhoek et al.[13]이 개발한 방법으로 용매 캡슐화법이다. 이 방법은 앞서 설명한 일리노이대학에서 개발한 방법과 유사하게 파손이 일 어나면 비반응성 용매가 세어 나와 판단 표면에 흘러든다.
성능/효과
탄소섬유로만 이루어진 복합체의 결과를 대 조군으로 하여 비교하면 Table 2에 나타낸 값은 자기치유 공 학재료가 보이는 전형적인 몇가지 특징을 보임을 알 수 있다. (i) 자기치유재료의 초기 강도는 일반 그레이드에 비해 낮다. 이는 재료의 일부를 강도에 기 여를 할 수 없는 액상의 자기치 유재로 치환하였기 때문에 예상할 수 있는 결과라 할 수 있 다.
이와 같은 경향도 함침된 취약 상이 손상 부위를 메우거나 연결시키기 위해 이동된 결과이므로 놀랄 일이 아니다. (iii) 치유제 함유 그레이드와 일반 그레이 드를 비교하면 파손이 일어난 후 기계적 강도에서 큰 차이를 보인다. 물론 전자가 훨씬 높은 상대적 강도를 보인다.
이와 같은 경향도 함침된 취약 상이 손상 부위를 메우거나 연결시키기 위해 이동된 결과이므로 놀랄 일이 아니다. (iii) 치유제 함유 그레이드와 일반 그레이 드를 비교하면 파손이 일어난 후 기계적 강도에서 큰 차이를 보인다. 물론 전자가 훨씬 높은 상대적 강도를 보인다.
이 고분자에 가열/냉각을 반복하여 구조적 변화 를 고상 l3C NMR 분광분석기를 이용하여 파악한 결과 RDA 반응이 약 120 °C에서 일어남을 알아냈다(Figure 16). 고분자 시료에 스트레스를 주어 파단이 일어나게 한 후 90-120 °C로 가열한 후 냉각시키면 치유가 일어남을 알아냈다. 치유된 고분 자는 원래 고분자 강도의 57%를 유지하였으나, 후에 고분자 를 더욱 세련되게 변성시켜 치유 효율과 치유된 부분의 성질을 개선시킬 수 있었다.
이 고분자에 가열/냉각을 반복하여 구조적 변화 를 고상 l3C NMR 분광분석기를 이용하여 파악한 결과 RDA 반응이 약 120 °C에서 일어남을 알아냈다(Figure 16). 고분자 시료에 스트레스를 주어 파단이 일어나게 한 후 90-120 °C로 가열한 후 냉각시키면 치유가 일어남을 알아냈다. 치유된 고분 자는 원래 고분자 강도의 57%를 유지하였으나, 후에 고분자 를 더욱 세련되게 변성시켜 치유 효율과 치유된 부분의 성질을 개선시킬 수 있었다.
자연에서 흔히 볼 수 있는 것처 럼 공학재료에 손상이 발생하였을 때 스스로 치유되는 능력을 탑재할 수 있다면 구조 공학재료의 수명을 크게 늘릴 수 있게 될 것이다. 따라서 에너지 소비와 이산화탄소 양을 크게 줄일 수 있고, 구조물의 관리비용을 줄이며, 안전성도 크게 향상시킬 수 있을 것이다. 따라서, 자기치유재료는 미래형 청정소재부품기술의 중심으로 부각될 것으로 예상된다.
자연에서 흔히 볼 수 있는 것처 럼 공학재료에 손상이 발생하였을 때 스스로 치유되는 능력을 탑재할 수 있다면 구조 공학재료의 수명을 크게 늘릴 수 있게 될 것이다. 따라서 에너지 소비와 이산화탄소 양을 크게 줄일 수 있고, 구조물의 관리비용을 줄이며, 안전성도 크게 향상시킬 수 있을 것이다. 따라서, 자기치유재료는 미래형 청정소재부품기술의 중심으로 부각될 것으로 예상된다.
치유된 고분 자는 원래 고분자 강도의 57%를 유지하였으나, 후에 고분자 를 더욱 세련되게 변성시켜 치유 효율과 치유된 부분의 성질을 개선시킬 수 있었다. 따라서, DA-RDA 원리는 자기치유고분자를 제조하기 위한 간단하면서도 효율적인 방법임이 입증되 었다. 이 방법의 단점은 많은 용도에서 너무 낮은(120 "C 이 호]') 재료의 작업 온도이며, 단량체의 합성을 위해 비용과 시 간이 많이 소요되어 대량생산에는 문제가 있다는 점이다.
비슷한 물성을 갖는 일 반 고분자에도 유사 실험을 행한 결과 같은 크기의 구멍을 만들 수 있었다. 연속된 수차례의 quasi-static pull-through 연구 를 여러 온도에서 행한 결과 아이오노머 고분자에서 일어나 는 자기치유과정을 확인할 수 있었다[15,16].
비슷한 물성을 갖는 일 반 고분자에도 유사 실험을 행한 결과 같은 크기의 구멍을 만들 수 있었다. 연속된 수차례의 quasi-static pull-through 연구 를 여러 온도에서 행한 결과 아이오노머 고분자에서 일어나 는 자기치유과정을 확인할 수 있었다[15,16].
고분자 시료에 스트레스를 주어 파단이 일어나게 한 후 90-120 °C로 가열한 후 냉각시키면 치유가 일어남을 알아냈다. 치유된 고분 자는 원래 고분자 강도의 57%를 유지하였으나, 후에 고분자 를 더욱 세련되게 변성시켜 치유 효율과 치유된 부분의 성질을 개선시킬 수 있었다. 따라서, DA-RDA 원리는 자기치유고분자를 제조하기 위한 간단하면서도 효율적인 방법임이 입증되 었다.
고분자 시료에 스트레스를 주어 파단이 일어나게 한 후 90-120 °C로 가열한 후 냉각시키면 치유가 일어남을 알아냈다. 치유된 고분 자는 원래 고분자 강도의 57%를 유지하였으나, 후에 고분자 를 더욱 세련되게 변성시켜 치유 효율과 치유된 부분의 성질을 개선시킬 수 있었다. 따라서, DA-RDA 원리는 자기치유고분자를 제조하기 위한 간단하면서도 효율적인 방법임이 입증되 었다.
고분자 복합체의 치유효율을 알아보기 위해 신 고 분자와 자기치유 고분자의 파괴인성치를 조성과 치유온도에 따라 조사하였다. 폴리디메틸실록산 미세캡슐과 촉매로 구성된 미세캡슐 치유제를 함침시킴으로써 낮은 온도에서도 우수 한 치유 효율을 보였다. 이 계는 종래의 치유법에 비해 여러 가지 장점을 보였다(Figure 8).
고분자 복합체의 치유효율을 알아보기 위해 신 고 분자와 자기치유 고분자의 파괴인성치를 조성과 치유온도에 따라 조사하였다. 폴리디메틸실록산 미세캡슐과 촉매로 구성된 미세캡슐 치유제를 함침시킴으로써 낮은 온도에서도 우수 한 치유 효율을 보였다. 이 계는 종래의 치유법에 비해 여러 가지 장점을 보였다(Figure 8).
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