본 연구에서는 polycaprolactone diol, castor oil과 4,4'-methylene dicyclohexyl diisocyanate 를 소프트 도메인으로, dimethylol butanoic acid를 내부 유화제로, trimethylamine을 중화제로 사용하여 다른 분자량을 가지는 prepolymer를 기초로 castor oil 기반의 수분산 폴리우레탄을 성공적으로 합성하였다. 분자량 변화에 따른 기계적인 물성 변화(UTM), 표면의 친수성 확인(contact angle), castor oil 유무에 따른 표면개질 변화(FE-SEM) 등을 평가 분석하였다. Castor oil 기반의 수분산 폴리우레탄의 경우 표면 친수성 향상 및 개질 변화를 기대할 수 있으며, 다양한 접착제 분야에 적용될 유망한 후보 물질로 여겨질 수 있을 것으로 예상된다.
본 연구에서는 polycaprolactone diol, castor oil과 4,4'-methylene dicyclohexyl diisocyanate 를 소프트 도메인으로, dimethylol butanoic acid를 내부 유화제로, trimethylamine을 중화제로 사용하여 다른 분자량을 가지는 prepolymer를 기초로 castor oil 기반의 수분산 폴리우레탄을 성공적으로 합성하였다. 분자량 변화에 따른 기계적인 물성 변화(UTM), 표면의 친수성 확인(contact angle), castor oil 유무에 따른 표면개질 변화(FE-SEM) 등을 평가 분석하였다. Castor oil 기반의 수분산 폴리우레탄의 경우 표면 친수성 향상 및 개질 변화를 기대할 수 있으며, 다양한 접착제 분야에 적용될 유망한 후보 물질로 여겨질 수 있을 것으로 예상된다.
Waterborne polyurethanes(WPU) based on castor oil were successfully prepared using polycaprolactone diol(PCL), castor oil(CO) and 4,4'-methylene dicyclohexyl diisocyanate($H_{12}MDI$) as soft segment part, dimethylolbutanoic acid (DMBA) as emulsifier, and trimethylamine(TEA) as neutralize...
Waterborne polyurethanes(WPU) based on castor oil were successfully prepared using polycaprolactone diol(PCL), castor oil(CO) and 4,4'-methylene dicyclohexyl diisocyanate($H_{12}MDI$) as soft segment part, dimethylolbutanoic acid (DMBA) as emulsifier, and trimethylamine(TEA) as neutralizer based on different molecular weight of prepolymer. The various properties such as mechanical strength and surface reforming were evaluated using UTM, contact angle, FE-SEM based on the different molecular weight of polyol. Waterborne polyurethanes based on castor oil could be considered as a promising candidate to be applied the various adhesion fields.
Waterborne polyurethanes(WPU) based on castor oil were successfully prepared using polycaprolactone diol(PCL), castor oil(CO) and 4,4'-methylene dicyclohexyl diisocyanate($H_{12}MDI$) as soft segment part, dimethylolbutanoic acid (DMBA) as emulsifier, and trimethylamine(TEA) as neutralizer based on different molecular weight of prepolymer. The various properties such as mechanical strength and surface reforming were evaluated using UTM, contact angle, FE-SEM based on the different molecular weight of polyol. Waterborne polyurethanes based on castor oil could be considered as a promising candidate to be applied the various adhesion fields.
본 연구에서는 castor oil, polycaprolactone diol, 4,4’-methylene dicyclohexyl diisocyanate를 기반으로 수 분산 폴리우레탄을 합성하였으며, 그 기계적인 물성 및 표면 특성, 특히 접착 특성에 관여하는 친수성 개선에 대한 효과를 살피고 개질 변화에 대한 연구를 진행하였다.
제안 방법
또한 본 연구에서는 일반적으로 사용되는 수분산 폴리우레탄 합성(Scheme 1.(a))에 기초하여 NCO 말단을 가지는 prepolymer를 기초로 하여 castor oil을 중합(Scheme 1.(b)) 하였다.
대상 데이터
본 연구는 수분산 폴리우레탄 합성법을 기초로 하고 있으며, 폴리에스테르계 폴리올로 polycaprolactonediol(PCL; Mn = 530 and 2000, Sigma-Aldrich)과 이소시아네이트는 4,4’-methylene dicyclohexyl diisocyanate(H12MDI, TCI)를 사용하여 soft domain을 형성하였다. 친수성 도입을 위한 내부 유화제(emulsifier)로 dimethylolbutanoic acid(DMBA, Sigma-Aldrich)를 전체의 5 wt%가 되도록 ionic group을 구성하고, 생분해성 향상을 위해 castor oil(CO, Mn = 3000, KPX Chemical)을 사용하여 prepolymer를 합성하였다.
데이터처리
Castor oil에 의한 표면 개질 변화에 대한 확인을 하고자 주사전자현미경(FE-SEM, SUPRA40VP, ZEISS)를 이용해서 거친 필름의 표면을 분석해보았다.
이론/모형
수분산 폴리우레탄의 접착력과 필름의 기계적 특성을 확인하기 위해 만능 시험기(UTM, LRX PLUS, LLOYD INSTRUMENT)를 이용하여 관찰하였고, ASTM D638 규격에 따라 실험하였다. 시편은 5 mm, 두께가 500 ± 50㎛이고 길이가 80 mm로 제작하여 500N의 load cell, 500 mm/min의 crosshead speed, 20 mm의 gauge length 조건으로 3회 측정하여 평균값을 구하였다.
성능/효과
수분산 폴리우레탄의 경우, 유기용매의 악취와 독성으로부터 인체 및 환경적 측면의 개선이 가능하며, 점도 조절과 필름 성질에 있어서 유기 희석제의 영향으로부터 자유롭고, 세척이 용이하다. Castor oil을 이용하여 crosslinked waterborne polyurethane을 prepolymer 및 polyol의 분자량을 split하여 제조하였으며, 동일한 분자량에서 castor oil이 추가되는 경우 soft segment가 그만큼 길어지게 되어 stress 값이 낮아지는 결과를 보였으며, 이것은 castor oil 3개의 functional기에 의해 곁가지가 steric hindrance를 유발하여 분자간의 interaction이 감소하여 stress나 modulus값이 떨어지는 것으로 볼 수 있다. Castor oil 을 포함하고 있는 경우 필름 형성 시 morphology branch depth & width가 커지고, 접촉각이 65도 이하로 표면 친수성 크게 개선되는 동시에 분자간 intermolecular force 및 chain 길이를 제어하여 flexibility, mobility가 향상되어 그 기계적 물성(stress, strain)이 개선될 수 있다는 것을 확인하였다.
Castor oil을 이용하여 crosslinked waterborne polyurethane을 prepolymer 및 polyol의 분자량을 split하여 제조하였으며, 동일한 분자량에서 castor oil이 추가되는 경우 soft segment가 그만큼 길어지게 되어 stress 값이 낮아지는 결과를 보였으며, 이것은 castor oil 3개의 functional기에 의해 곁가지가 steric hindrance를 유발하여 분자간의 interaction이 감소하여 stress나 modulus값이 떨어지는 것으로 볼 수 있다. Castor oil 을 포함하고 있는 경우 필름 형성 시 morphology branch depth & width가 커지고, 접촉각이 65도 이하로 표면 친수성 크게 개선되는 동시에 분자간 intermolecular force 및 chain 길이를 제어하여 flexibility, mobility가 향상되어 그 기계적 물성(stress, strain)이 개선될 수 있다는 것을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
폴리우레탄은 무엇인가?
폴리우레탄은 우레탄 그룹을 반복적으로 가지는 고분자로서 분자 사슬간의 불친화성으로 인하여 하드 세그먼트로 이루어진 하드 도메인과 소프트 세그먼트로 이루어진 소프트 도메인으로 구성되는 블록 공중합체로 상 분리된 구조를 가지고 있다. 하드 도메인은 상온보다 높은 녹는점을 갖고, 세그먼트간의 결정 형성이나 우레탄 그룹과 폴리올 또는 우레탄 그룹과 이소시아네이트 또는 우레탄 그룹과 우레탄 그룹 간의 수소결합, 반데르 발스 힘 등의 2차 결합력으로 물리적 가교점을 형성하여 폴리우레탄에 인장강도 등의 물리적 변화의 성질을 부여하는 중요한 역할을 한다.
폴리우레탄의 어느 부분이 탄성체가 나타내야 할 중요한 기초적 성질을 부여하는가?
하드 도메인은 상온보다 높은 녹는점을 갖고, 세그먼트간의 결정 형성이나 우레탄 그룹과 폴리올 또는 우레탄 그룹과 이소시아네이트 또는 우레탄 그룹과 우레탄 그룹 간의 수소결합, 반데르 발스 힘 등의 2차 결합력으로 물리적 가교점을 형성하여 폴리우레탄에 인장강도 등의 물리적 변화의 성질을 부여하는 중요한 역할을 한다. 반면 소프트 세그먼트는 상온보다 낮은 유리전이온도를 가져 고무와 같은 유연 성질을 보유하여 탄성체가 나타내야 할 중요한 기초적 성질을 부여한다. 폴리우레탄은 형상회복 능력과 함께 우수한 가공성, 생체적합성 등의 독특한 성질뿐만 아니라 rigid부터 flexible한 폭넓은 물리적 특성을 발현할 수 있어 탄성체, 섬유, 접착제, 코팅 재료, 그리고 생물 의학 재료로서 다양한 응용 분야에서 널리 적용되고 있다[1-3].
하드 도메인의 역할은?
폴리우레탄은 우레탄 그룹을 반복적으로 가지는 고분자로서 분자 사슬간의 불친화성으로 인하여 하드 세그먼트로 이루어진 하드 도메인과 소프트 세그먼트로 이루어진 소프트 도메인으로 구성되는 블록 공중합체로 상 분리된 구조를 가지고 있다. 하드 도메인은 상온보다 높은 녹는점을 갖고, 세그먼트간의 결정 형성이나 우레탄 그룹과 폴리올 또는 우레탄 그룹과 이소시아네이트 또는 우레탄 그룹과 우레탄 그룹 간의 수소결합, 반데르 발스 힘 등의 2차 결합력으로 물리적 가교점을 형성하여 폴리우레탄에 인장강도 등의 물리적 변화의 성질을 부여하는 중요한 역할을 한다. 반면 소프트 세그먼트는 상온보다 낮은 유리전이온도를 가져 고무와 같은 유연 성질을 보유하여 탄성체가 나타내야 할 중요한 기초적 성질을 부여한다.
참고문헌 (12)
B. S. Lee, B. C. Chun, Y. C. Chung, K. I. Sul, and J. H. Cho, J. Appl. Polym. Sci., 83: 27-37, (2002).
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