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문제 정의
- 결국 비점도 분석을 통해 UPy로 기능화 된 3가지 올리고머들 모두 초분자형 고분자로 형성한다는 것을 확인할 수 있었다. UPy 기능화에 의해 형성된 3가지 유형의 초분자형 고분자들 중에서 특히 UPC가 농도 변화에 따른 비점도의 증가율이 약 2.6으로 가장 컸으며, 이것은 UPTMG와 UPCL보다 UPC의 수소 결합 형성 능력이 뛰어나다는 것을 의미하는 것으로 이런 결과가 나타난 이유에 대해서는 이후의 열적 특성 분석에서 자세한 고찰을 하도록 하겠다.
가설 설정
- (b) tan δ curves of UPy functionalized oligomers as a function of temperature.
제안 방법
- 1H Nuclear Magnetic Resonance(1H NMR): PCL 올리고머의 합성여부 및 분자량과 형성된 초분자형 고분자의 화학구조 및 UPy 기능화 여부를 분석하기 위해 Bruker사(Germany)의 Avance 400 MHz 핵자기 공명 분광분석기(1H NMR)를 이용하여 분석하였다. 용매는 chloroform-d(CDCl3)를 사용하여 측정하였다.
- 2-amino-4-hydroxy-6-methylpyrimidine(10 g, 79.9 mmol)가 들어있는 3구 플라스크에 hexamethylene diisocyanate(HMDI로 명명, 100 ml, 623 mmol)와 pyridine(7 ml)을 투입한 후, 질소 기류 하에서 100ºC에서 16시간 동안 교반시켜 합성을 하였다.
- 3구 플라스크에 약 3,000 g/mol 수준의 분자량을 가지는 올리고머와 올리고머의 수산기(hydroxyl group) 당 1.5배의 몰 당량비에 해당하는 양의 UPy-NCO를 투입한 뒤 chloroform을 넣고 질소 분위기에서 60℃에서 30분 동안 교반시켜주었다. 투명하게 녹은 것을 확인한 뒤 DBTDL 촉매를 주사기를 이용해 2방울 투입하였다.
- Dynamic Mechanical Analysis(DMA): 형성된 초분자형 고분자들의 동역학적 거동을 확인하기 위해 Perkin-Elmer사의 DMA 8000을 이용해 동적 점탄성을 분석하였다. 측정용 시료는 가로 22 mm, 세로 6 mm, 두께 0.
- PCL 올리고머의 합성: 분자량 3,000 g/mol 수준의 PCL을합성하기 위해 단량체인 ε-caprolactone(20 g, 175 mmol)과 촉매인 stannous octoate(0.0675 g, 0.166 mmol)가 들어있는 3구 플라스크에 코어 물질인 diethylene glycol(0.71 g, 6.73 mmol)을 첨가하여 질소 기류 하에서 110ºC에서 16시간 동안 교반시켜 개환중합을 하였다.
- Specific viscosity: UPy 기능화 전과 후 올리고머의 비점도 변화를 분석하기 위해 Mainz사의 capillary viscometer를 이용해 비점도를 측정하였다. 비점도를 측정하기 위한 시료는 chloroform에 녹여 제조하였으며, 25ºC로 고정된 water bath에서 측정하였다.
- UPy-NCO의 합성: 디올(diol) 구조 올리고머의 양 말단을 기능화 할 수 있으며 4중 수소 결합 능력을 부여할 수 있도록 UPy의 말단을 이소시아네이트로 치환한 UPy 분자 체인 UPy-NCO를 합성하였다. 2-amino-4-hydroxy-6-methylpyrimidine(10 g, 79.
- UPy로 기능화 된 올리고머들의 필름 제조: UPy로 기능화된 올리고머들의 필름 제조는 solvent casting법과 열 압착법의 순차적인 적용으로 진행하였다. 먼저 100 ml의 chloroform에 UPy로 기능화 된 올리고머(UPTMG, UPCL, UPC) 3 g을 각각 녹여 샬레에 부은 후, 24시간 동안 상온에서 건조하여 일차적인 형태의 필름을 제조하였다.
- 3가지 올리고머들 모두 UPy로 말단 기능화가 잘 되었다는 것을 1 H NMR 분석을 통해 확인하였다. UPy로 기능화를 했던 이유는 Figure 2의 모식도에서 설명된 것과 같이 올리고머의 말단에 도입된 UPy 간의 4중 수소 결합을 통해 초분자형 고분자로 형성하는 것이 목적이었으므로 기능화 된 UPy가 실제적으로 수소 결합을 통한 초분자형 고분자로 형성 유도를 잘 하는지에 대한 확인이 필요하였다. 이에 초분자형 고분자의 형성 여부 확인을 위해 모세관 점도계를 이용하여 UPy 기능화 전과 후 올리고머의 농도에 따른 비점도 변화를 측정하였으며, 그 결과를 Figure 3에 나타내었다.
- UPy로 기능화한 올리고머와 기능화 하지 않은 올리고머를 구분하기 위해 UPy로 기능화 된 3가지 유형의 올리고머들을 각각 UPy functionalized PTMG(UPTMG), UPy functionalized PCL(UPCL)와 UPy functionalized PC(UPC)로 표시하였다. 3가지 올리고머들에 대한 UPy 기능화 과정과 UPy가 도입된 올리고머의 화학구조는 Scheme 3에 나타내었다.
- 고순도 질소기류 하에서 상온에서부터 150ºC까지 10ºC/min의 속도로 온도를 높여 1분간 체류하여 열 이력을 제거한 후 −90ºC까지 5ºC/min의 속도로 냉각시켰다.
- UPy로 기능화 된 올리고머들의 필름 제조: UPy로 기능화된 올리고머들의 필름 제조는 solvent casting법과 열 압착법의 순차적인 적용으로 진행하였다. 먼저 100 ml의 chloroform에 UPy로 기능화 된 올리고머(UPTMG, UPCL, UPC) 3 g을 각각 녹여 샬레에 부은 후, 24시간 동안 상온에서 건조하여 일차적인 형태의 필름을 제조하였다. 그 후 균일한 두께의 필름을 얻기 위해 이렇게 제조한 필름을 온도 110ºC에서 7−10 psi의 압력 조건으로 3분 동안 핫 프레스기로 열 압착하여 필름 제조를 완성하였다.
- 비점도를 측정하기 위한 시료는 chloroform에 녹여 제조하였으며, 25ºC로 고정된 water bath에서 측정하였다.
- 양 말단에 UPy가 도입된 올리고머를 기반으로 형성이 된초분자형 고분자에서 주쇄의 화학구조에 따른 열적 특성을 알아보기 위해 DSC를 이용하여 열분석을 하였다. Figure 7은 UPy 도입 전과 후 올리고머의 시차주사열량계 곡선 변화를 나타낸 그래프이다.
- 양 말단을 UPy로 기능화한 올리고머의 합성: 상기의 방법으로 합성된 PCL 올리고머를 포함하여 PTMG, PC 올리고머의 양 말단을 UPy로 기능화하기 위해 올리고머의 종류에 상관없이 동일하게 아래의 기술 방법으로 합성하였다.
- 올리고머 양 말단을 UPy로 기능화 하는 방식으로 형성된 초분자형 고분자에서 주쇄의 화학구조에 따른 고체 상태에서의 동적 거동을 알아보기 위해 DMA를 이용하여 동적 점탄성을 분석하였다. 형성된 3가지 유형의 초분자형 고분자들에 대해서 온도 증가에 따른 저장 탄성률(E') 변화를 측정하였으며, 그 결과를 Figure 10의(a)에 나타내었다.
- 양 말단에 UPy가 도입된 올리고머를 기반으로 형성이 된초분자형 고분자에서 주쇄의 화학구조에 따른 유변 특성을 알아보기 위해 전단 속도에 따른 용융 점도 변화를 분석하 였으며, 그 결과를 Figure 9에 나타내었다. 이때 수소 결합으로 연결된 초분자형 고분자와 공유 결합으로 연결된 일반 고분자와의 유변 특성을 비교하기 위해 분자량 80,000 g/mol의 PCL을 포함하여 분석하였다.
- 약 3,000 g/mol의 분자량을 가지는 디올 구조 올리고머의 양 말단에 4중 수소결합 능력을 가지는 UPy 기능화를 통해 의도 했던 초분자형 고분자가 성공적으로 형성하였다는 것을 확인하였다. 이때 주쇄의 화학구조에 따른 특성을 분석하기 위해 올리고머를 PTMG, PCL, PC로 달리 적용하여 주쇄의 화학구조가 다른 3가지 유형의 초분자형 고분자를 형성하였다. 형성된 3가지 유형의 초분자형 고분자의 인장 특성, 열적 특성, 유변 특성 등을 분석한 결과 UPy를기반으로 형성된 초분자형 고분자의 특성은 주쇄의 운동성과 UPy 이합체 간의 적층에 의한 결정 구조의 형성 정도에 의존한다는 것을 알 수 있었다.
- 단, 이때 단량체의 분자량에 대한 영향은 배제하기 위해 선택된 단량체들은 모두 약 3,000 g/mol 수준의 분자량을 가지는 올리고머로 동일하게 설정하였다. 이렇게 선택된 3가지 올리고머들을 4중 수소 결합(quadruple hydrogen bonding) 능력을 가지는 UPy 분자체로 말단 기능화 하였고, 이를 통해 형성된 3가지 유형의 초분자형 고분자들의 인장 특성, 열적 특성, 유변 특성 등을 비교 분석하였다.
- 앞에서 이루어진 비점도 분석을 통해 3가지 올리고머들 모두 양 말단에 도입된 UPy 간의 수소 결합에 의해 초분 자형 고분자로 형성을 잘 하였으며, 형성된 초분자형 고분 자들은 필름으로 제조가 가능하다는 것을 확인하였다. 이렇게 형성된 초분자형 고분자에서 주쇄의 화학구조에 따른 인장 특성을 알아보기 위해 3가지 유형의 초분자형 고분자로 제조된 필름들의 기계적 물성을 비교하였으며, 그 결과를 Figure 5와 Figure 6에 나타내었다.
- 이를 자세히 분석하기 위해 UPy 기능화 전과 후 올리고머의 유리전이 온도(Tg), 용융 온도(Tm,Olig.), 용융 엔탈피(ΔHm,Olig.)의 변화와 UPy 이합체에 의한 용융 온도(Tm,UPy)의 자세한 값을 Table 1에 정리하였다.
- 이에 본 연구에서는 초분자형 고분자로 형성하게 될 단량체들의 화학구조를 주쇄가 ether기로 연결된 polytetramethylene glycol(PTMG), 주쇄가 ester기로 연결된 polycaprolactone diol(PCL), 주쇄가 carbonate기로 연결된 polycarbonate diol(PC)과 같이 3가지 유형으로 달리하였다. 단, 이때 단량체의 분자량에 대한 영향은 배제하기 위해 선택된 단량체들은 모두 약 3,000 g/mol 수준의 분자량을 가지는 올리고머로 동일하게 설정하였다.
- UPy로 기능화를 했던 이유는 Figure 2의 모식도에서 설명된 것과 같이 올리고머의 말단에 도입된 UPy 간의 4중 수소 결합을 통해 초분자형 고분자로 형성하는 것이 목적이었으므로 기능화 된 UPy가 실제적으로 수소 결합을 통한 초분자형 고분자로 형성 유도를 잘 하는지에 대한 확인이 필요하였다. 이에 초분자형 고분자의 형성 여부 확인을 위해 모세관 점도계를 이용하여 UPy 기능화 전과 후 올리고머의 농도에 따른 비점도 변화를 측정하였으며, 그 결과를 Figure 3에 나타내었다.
- UPy 기능화는 올리고머의 양 말단에 존재하는 수산기와 UPy 분자체의 말단에 존재하는 이소시아네이트기 간의 우레탄 결합의 형성으로 이루어진다. 초분자형 고분자 형성을 위해 의도했던 올리고머 양 말단의 UPy 기능화가 성공했는지를 1H NMR 분석을 통해 확인하였다.
- 5배의 몰 당량비에 해당하는 양의 UPy-NCO를 투입한 뒤 chloroform을 넣고 질소 분위기에서 60℃에서 30분 동안 교반시켜주었다. 투명하게 녹은 것을 확인한 뒤 DBTDL 촉매를 주사기를 이용해 2방울 투입하였다. 그 후 60ºC에서 16시간 동안 교반시킨 뒤, 미 반응한 UPy-NCO를 제거하기 위해 3 g의 silica와 2 방울의 DBTDL 촉매를 넣고 4시간동안 더 교반시키고 rotary evaporator를 이용한 여과 과정을 통해 미 반응 UPy-NCO가 흡착된 silica를 걸러내었다.
대상 데이터
- PCL 올리고머의 합성 시단량체로 사용된 ε-caprolactone(114.14 g/mol, TCI)과 코어(core) 물질로 사용된 diethylene glycol(106.12 g/mol, SigmaAldrich)은 정제없이 사용하였다.
- 12 g/mol, SigmaAldrich)은 정제없이 사용하였다. PCL 올리고머의 합성을 위해 사용된 촉매인 stannous octoate(Tin(II))와 준비된 3가지 올리고머들의 양 말단을 UPy로 기능화하기 위해 사용된 촉매인 dibutyltin dilaurate(DBTDL)는 Sigma-Aldrich사의 제품으로 정제없이 사용하였다. 미반응 UPy-NCO를 제거하기 위해 사용된 silica는 Acros사의 제품으로 입자 크기 0.
- UPy-NCO 합성을 위해 사용된 2-amino-4-hydroxy-6-methylpyrimidine(125.13 g/mol, TCI), hexamethylene diisocyanate(168.2 g/mol, Sigma-Aldrich), pyridine(79.1 g/mol, 대정화학) 은 구매 후 정제없이 그대로 사용하였다.
- 합성 용매인 chloroform은 Fisher chemical에서 구매한 HPLC grade 제품을 사용하였다. 기타 시약인 acetone(99%)과 heptane(99%)은 대정화학으로부터 구매하여 사용하였다.
- 미반응 UPy-NCO를 제거하기 위해 사용된 silica는 Acros사의 제품으로 입자 크기 0.035−0.07 mm인 것을 사용하였다.
- H NMR)를 이용하여 분석하였다. 용매는 chloroform-d(CDCl3)를 사용하여 측정하였다.
- 초분자형 고분자 형성을 위해 필요한 올리고머들 중에서 PTMG(2,900 g/mol, Sigma-Aldrich)와 PC(3,000 g/mol, UBE)는 별다른 합성과정 없이 구매하여 사용하였다. 하지만 분자량 3,000 g/mol 수준을 가지는 PCL은 상용화된 시약이 없어 직접 합성하여 사용하였다.
- Universal Testing Machine(UTM): 형성된 초분자형 고분자들의 기계적 물성을 확인하기 위해 Dr-Tech DR UTM 100(한국)을 이용하여 인장성질을 측정하였다. 측정용 시료는 0.6 mm 두께의 필름을 ASTM D 638-V에 의거하여 제작하였다. 이때 시편의 폭은 3.
- 측정용 시료는 가로 22 mm, 세로 6 mm, 두께 0.8 mm 크기의 필름으로 제작되었으며, 진동수 1 Hz, 승온 속도 3ºC/ min의 조건으로 −80−100ºC의 온도 범위에서 tension mode 로 측정을 하였다.
- Rheometer: 형성된 초분자형 고분자들의 유변학적 거동을 확인하기 위해 TA Instruments사의 Discovery HR-2 rheometer를 이용하여 측정하였다. 측정용 시료는 원형 모양의 지름 25 mm, 두께 2 mm 크기로 제작되었으며, 측정 간에는 25 mm의 parallel plate를 사용하여 trim gap을 1.05 mm로 설정하여 불필요한 샘플을 제거한 후 geometry gap을 1 mm로 맞춘 후 대기 하에서 측정하였다. 측정 온도는 각 시료의 용융 온도보다 20ºC가 높은 온도로 설정하였다.
- 07 mm인 것을 사용하였다. 합성 용매인 chloroform은 Fisher chemical에서 구매한 HPLC grade 제품을 사용하였다. 기타 시약인 acetone(99%)과 heptane(99%)은 대정화학으로부터 구매하여 사용하였다.
- 형성된 초분자형 고분자의 유변 특성 분석에 있어 비교를 위해 사용한 분자량 80,000 g/mol의 PCL은 Sigma-Aldrich사 제품을 사용하였다.
이론/모형
- Differential Scanning Calorimetry(DSC): 초분자형 고분자 형성에 따른 올리고머들의 유리전이 온도와 용융 온도 및 그에 따른 엔탈피 변화와 같은 열적 특성을 분석하기 위해 RCS 90 냉각 시스템을 이용한 TA Instruments사의 Discovery DSC 25를 이용하였다. 고순도 질소기류 하에서 상온에서부터 150ºC까지 10ºC/min의 속도로 온도를 높여 1분간 체류하여 열 이력을 제거한 후 −90ºC까지 5ºC/min의 속도로 냉각시켰다.
- Rheometer: 형성된 초분자형 고분자들의 유변학적 거동을 확인하기 위해 TA Instruments사의 Discovery HR-2 rheometer를 이용하여 측정하였다. 측정용 시료는 원형 모양의 지름 25 mm, 두께 2 mm 크기로 제작되었으며, 측정 간에는 25 mm의 parallel plate를 사용하여 trim gap을 1.
- Universal Testing Machine(UTM): 형성된 초분자형 고분자들의 기계적 물성을 확인하기 위해 Dr-Tech DR UTM 100(한국)을 이용하여 인장성질을 측정하였다. 측정용 시료는 0.
성능/효과
- ε-caprolactone을 단량체로 하면서 diethylene glycol을 코어로 합성된 PCL은 Figure 1의 (C)에서 PCL의 1H NMR 분석결과를 통해 코어로 사용된 diethylene glycol에서의 수소 피크인 a(4.22 ppm) 와 ε-caprolactone에서의 수소 피크인 e(1.37 ppm) 간의 적분비가 1:12.9인 분석 결과를 바탕으로 Choi 등[22]의 논문에서 기술된 방법에 따라 계산한 결과 합성된 PCL의 수 평균분자량(Mn)이 약 3,064 g/mol인 것을 확인하여 목표 분자량인 3,000 g/mol 수준으로 합성되었다는 것을 확인할 수 있었다.
- 그 결과, Figure 1과 같이 각 피크들의 위치, 갈라짐 특성, 적분 비를 검토한 결과 3가지 올리고머들에서 모두 의도했던 UPy 기능화가 성공적으로 이루어졌다는 것을 확인할 수 있었다. Figure 1의 (a)와 (b)에서 UPTMG와 UPC 의 1H NMR 분석결과를 살펴보면 PTMG와 PC의 말단 수산기 옆의 수소 피크인 d(3.6 ppm)가 나타나지 않는 것으로 보아 PTMG와 PC의 양 말단의 수산기가 모두 UPy로 기능화되었다는 것을 알 수 있었다. ε-caprolactone을 단량체로 하면서 diethylene glycol을 코어로 합성된 PCL은 Figure 1의 (C)에서 PCL의 1H NMR 분석결과를 통해 코어로 사용된 diethylene glycol에서의 수소 피크인 a(4.
- 3가지 올리고머들 모두 UPy로 말단 기능화가 잘 되었다는 것을 1 H NMR 분석을 통해 확인하였다. UPy로 기능화를 했던 이유는 Figure 2의 모식도에서 설명된 것과 같이 올리고머의 말단에 도입된 UPy 간의 4중 수소 결합을 통해 초분자형 고분자로 형성하는 것이 목적이었으므로 기능화 된 UPy가 실제적으로 수소 결합을 통한 초분자형 고분자로 형성 유도를 잘 하는지에 대한 확인이 필요하였다.
- 3가지 유형의 초분자형 고분자들 모두 전단 속도의 증가에 따라 용융 점도가 감소를 하는 shear thinning 거동을 보였으며, 이러한 유변학적 거동은 분자량 80,000 g/mol의 PCL의 경우에도 마찬가지였다. 자세히 살펴보면 3가지 유형의 초분자형 고분자들과 분자량 80,000 g/mol을 가지는 PCL의 초기 용융점도는 모두 104 수준이었으며, 3가지 유형의 초분자형 고분자들은 전단 속도 증가에 따른 용융 점도 감소율이 분자량 80,000 g/mol의 PCL 보다 훨씬 커서최종적으로 2 order 이상의 용융점도 차이를 나타내었다.
- Figure 5는 3가지 유형의 초분자형 고분자들로 제조된 필름들의 인장응력-변형률(%)을 비교한 그래프이다. 3가지 유형의 초분자형 고분자들로 제조된 필름들 모두 인장에 따라 응력과 변형률이 증가하다가 최대 인장응력 값에서 절단이 되는 인장 거동을 나타내었으나, 각각의 인장강도와 절단신도 값은 상당한 차이를 보였다. 3가지 유형의 초분 자형 고분자들로 제조된 필름들의 인장강도와 절단신도를 비교한 Figure 6을 보면, UPTMG로 제조된 필름은 2.
- 형성된 3가지 유형의 초분자형 고분자들에 대해서 온도 증가에 따른 저장 탄성률(E') 변화를 측정하였으며, 그 결과를 Figure 10의(a)에 나타내었다. 3가지 유형의 초분자형 고분자들은 공통적으로 초분자형 고분자의 유리전이 온도를 중심에서 첫 번째 저장 탄성률의 감소와 올리고머의 결정 구조에 의한 용융 온도에서 두 번째 저장 탄성률의 감소가 발생된 후 UPy 이합체의 적층형 결정 구조에 의한 용융 온도에서 동적 점탄성의 완전 감소를 가지는 거동을 보였다. 하지만 3가지 유형의 초분자형 고분자들은 상이한 유리전이 온도와 올리고머의 결정 구조및 UPy 이합체의 적층형 결정 구조에 의한 용융 온도를 가지기 때문에 세부적으로는 다소 다른 저장 탄성률의 감소 거동을 나타내었다.
- )의 변화와 UPy 이합체에 의한 용융 온도(Tm,UPy)의 자세한 값을 Table 1에 정리하였다. PTMG의 경우 UPy 도입에 따라 올리고머에 의한 용융 엔탈피 값이 97 J/g에서 37 J/g으로 크게 감소하였으며, PCL의 경우 역시 83 J/g에서 30 J/g으로 크게감소하여 올리고머이었을 때 대비 약 36% 수준으로 감소하였다는 것을 확인하였다. 이것은 UPy 이합체의 적층에의한 결정 구조들이 올리고머의 결정 형성을 방해하였기 때문으로 생각할 수 있다.
- 8%의 절단신도 값을 가져, 인장강도 대비 절단신도가 매우 낮은 강직한 특성을 나타내었다. UPC 로 제조된 필름은 3가지 유형의 초분자형 고분자들로 제조된 필름들 중에서 인장강도와 절단신도 모두 가장 큰 값인 8.3 MPa의 인장강도와 204.8%의 절단신도를 가졌다. 특히 UPCL로 제조된 필름과 비교하면 인장강도 값의 차이는 약 1.
- 5%의 절단신도의 값을 가졌으며, 3가지 유형의 초분자형 고분자들로 제조된 필름들 중에서 가장 낮은 인장강도를 나타내었다. UPCL로 제조된 필름은 6.3 MPa의 인장강도와 9.8%의 절단신도 값을 가져, 인장강도 대비 절단신도가 매우 낮은 강직한 특성을 나타내었다. UPC 로 제조된 필름은 3가지 유형의 초분자형 고분자들로 제조된 필름들 중에서 인장강도와 절단신도 모두 가장 큰 값인 8.
- UPy 기능화 전의 PTMG, PCL, PC 올리고머들은 모두 농도 증가에 따라 비점도가 증가하였으나, 농도 변화에 따른 비점도의 증가율은 평균적으로 약 1.2 수준으로 증가율이 크지는 않았다. 하지만 UPy로 기능화된 이후에는 3가지 올리고머들 모두 농도 변화에 따른 비점도의 증가율이 약 2.
- Figure 7의 (b)와 (c)를 보면 초분 자형 고분자 형성의 모체가 되는 PCL과 PC에서 하나 이상의 흡열 피크를 나타내는데 이것은 첫 번째 감온 과정에서 형성된 결정의 용융과 두 번째 승온 과정에서 재 결정화된 결정의 용융에 의한 특성으로 판단된다. UPy로 말단 기능화 된 3가지 올리고머들 모두에서 올리고머의 결정구조 형성에 의한 흡열 피크 이외에 UPy에 의한 것으로 추정되는 흡열 피크가 나타났다. 이 피크는 수소 결합 형성 능력을 가지는 UPy 기능화 방식의 초분자형 고분자에서 공통적으로 나타나는 열적 특성으로 E.
- 이러한 UPy 기능화에 의한 올리고머의 비점도 증가 현상은 올리고머의 양 말단에 존재하는 UPy 간의 강한 수소 결합의 형성으로 사슬 연장효과에 기인한 가상의 분자량 증가로 설명되어 질 수 있다[23]. 결국 비점도 분석을 통해 UPy로 기능화 된 3가지 올리고머들 모두 초분자형 고분자로 형성한다는 것을 확인할 수 있었다. UPy 기능화에 의해 형성된 3가지 유형의 초분자형 고분자들 중에서 특히 UPC가 농도 변화에 따른 비점도의 증가율이 약 2.
- 이에 반해 DSC를 통한 열 분석 에서 올리고머의 결정 구조에 의한 용용 온도가 나타나지 않았던 UPC의 경우에는 유리전이 온도인 −40ºC에서 한 차례의 저장 탄성률의 감소가 나타난 후 55ºC까지 rubbery plateau 구간이 나타났으며, 3가지 유형의 초분자형 고분자 중에서 가장 높은 온도인 75ºC 부근에서 저장탄성률의 완전 감소가 있었다. 공유 결합 기반의 일반 고분자의 경우 분자간의 얽힘이 풀어지거나 가교가 끊어지는 것에 의존하여 rubbery plateau 구간이 나타나는 것과 달리 수소 결합 기반의 초분자형 고분자에서는 주쇄의 유연 정도와 UPy 이합체의 적층형 결정 구조의 형성 정도에 의존한다는 것을 알 수 있었다. Figure 10의 (b)는 형성된 3가지 유형의 초분자형 고분자들의 온도 증가에 따른 tan δ 변화를 나타내고 있다.
- 그 결과, Figure 1과 같이 각 피크들의 위치, 갈라짐 특성, 적분 비를 검토한 결과 3가지 올리고머들에서 모두 의도했던 UPy 기능화가 성공적으로 이루어졌다는 것을 확인할 수 있었다. Figure 1의 (a)와 (b)에서 UPTMG와 UPC 의 1H NMR 분석결과를 살펴보면 PTMG와 PC의 말단 수산기 옆의 수소 피크인 d(3.
- 또한 PTMG의 경우에는 UPy 기능화를 하지 않은 올리고머 상태의 유리전이 온도를 측정할 수 없었지만, 유리전이 온도를 측정할 수 있었던 PCL 과 PC 올리고머의 경우 UPy 도입 전과 후를 비교하면 유리전이 온도가 약 4ºC 이상이 높아졌다.
- 미 반응 hexamethylene diisocyanate를 제거하기 위해 수득한 고형물을 acetone으로 수세 및 여과를 3회 반복한 후 60ºC에서 24시간 동안 진공 건조시켜 합성된 UPy-NCO를 얻을 수 있었다.
- 앞에서 이루어진 비점도 분석을 통해 3가지 올리고머들 모두 양 말단에 도입된 UPy 간의 수소 결합에 의해 초분 자형 고분자로 형성을 잘 하였으며, 형성된 초분자형 고분 자들은 필름으로 제조가 가능하다는 것을 확인하였다. 이렇게 형성된 초분자형 고분자에서 주쇄의 화학구조에 따른 인장 특성을 알아보기 위해 3가지 유형의 초분자형 고분자로 제조된 필름들의 기계적 물성을 비교하였으며, 그 결과를 Figure 5와 Figure 6에 나타내었다.
- 약 3,000 g/mol의 분자량을 가지는 디올 구조 올리고머의 양 말단에 4중 수소결합 능력을 가지는 UPy 기능화를 통해 의도 했던 초분자형 고분자가 성공적으로 형성하였다는 것을 확인하였다. 이때 주쇄의 화학구조에 따른 특성을 분석하기 위해 올리고머를 PTMG, PCL, PC로 달리 적용하여 주쇄의 화학구조가 다른 3가지 유형의 초분자형 고분자를 형성하였다.
- 3배인 반면에 절단신도는 약 21배의 차이를 나타내었다. 이를 통해 UPy 기능화에 의해 수소 결합을 기반으로 형성된 초분자형 고분자에서 주쇄의 화학구조에 따라 상이한 인장 특성을 가진다는 것을 알 수 있었다.
- 여기에는 PC 올리고머 사슬의 강직성으로 인한 느린 속도의 결정 형성도 복합적으로 작용했을 것으로도 판단된다. 이를 통해 UPy를 기반으로 형성된 초분자형 고분자의 열적 특성은 주쇄의 운동성과 UPy 이합체 간의 적층형 결정구조의 형성 정도에 의존한다는 것을 알 수 있었다.
- 초분자형 고분자 주쇄의 운동성은 유변 특성에도 영향을 주어 유연한 PTMG를 기반으로 형성된 초분자형 고분자가 전단 속도에 따른 사슬 풀림 효과가 상대 적으로 크기 때문에 가장 낮은 수준의 용융 점도로 감소하 였다. 이를 통해 공유 결합 기반의 일반 고분자 대비 초분자형 고분자는 전단 속도에 따른 용융점도 감소 효과가 크다는 것을 알 수 있었으며, 상대적으로 낮은 온도와 적은 스크류(screw)의 속도로 용융 가공이 가능할 것으로 예상된다.
- 이에 반해 DSC를 통한 열 분석 에서 올리고머의 결정 구조에 의한 용용 온도가 나타나지 않았던 UPC의 경우에는 유리전이 온도인 −40ºC에서 한 차례의 저장 탄성률의 감소가 나타난 후 55ºC까지 rubbery plateau 구간이 나타났으며, 3가지 유형의 초분자형 고분자 중에서 가장 높은 온도인 75ºC 부근에서 저장탄성률의 완전 감소가 있었다.
- 3가지 유형의 초분자형 고분자들 모두 전단 속도의 증가에 따라 용융 점도가 감소를 하는 shear thinning 거동을 보였으며, 이러한 유변학적 거동은 분자량 80,000 g/mol의 PCL의 경우에도 마찬가지였다. 자세히 살펴보면 3가지 유형의 초분자형 고분자들과 분자량 80,000 g/mol을 가지는 PCL의 초기 용융점도는 모두 104 수준이었으며, 3가지 유형의 초분자형 고분자들은 전단 속도 증가에 따른 용융 점도 감소율이 분자량 80,000 g/mol의 PCL 보다 훨씬 커서최종적으로 2 order 이상의 용융점도 차이를 나타내었다. 이렇게 공유결합형 고분자 대비 초분자형 고분자에서 전단 속도에 따른 용융 점도의 감소효과 컸던 이유는 주쇄의 사슬 풀림에 기인한 용융 점도의 감소 뿐만 아니라 UPy 이합체 간의 적층형 결정 구조의 분리 효과가 더해졌기 때문 으로 생각된다.
- 최대 tan δ 값에 해당하는 온도는 초분자형 고분자의 유리전이 온도를 의미하는 것으로 UPTMG, UPCL, UPC의 순서로 각각 −63, −40, −32ºC에서 나타났다.
- 23 ppm)의 적분비 비율이 1:2인 것으로 보아 PCL 양 말단의 수산기가 모두 UPy로 기능화 되었다는 것을 알 수 있었다. 추가적으로 3가지 유형의 초분자형 고분자에서 공통적으로 확인되는 10.14, 11.85, 13.12 ppm에서의 3개의 피크들로 부터 기능화된 UPy 분자체가 4중 수소결합 형성이 가능한 화학구조로 도입되었다는 것을 알 수 있었다.
- 특히 3가지 유형의 초분자형 고분자들 중에서 가장 낮은 유리전이 온도를 가지는 UPTMG는 유리전이 온도인 −75ºC에서부터 올리고머 결정 구조에 의한 용융 온도인 27ºC까지 저장 탄성률의 완만한 감소가 진행된 후 짧은 rubbery plateau 구간이 나타난 후 UPy stack형 결정 구조에 의한 용융 온도인 54ºC에서 급격한 저장 탄성률의 감소가 나타났다.
- 8%의 절단신도를 가졌다. 특히 UPCL로 제조된 필름과 비교하면 인장강도 값의 차이는 약 1.3배인 반면에 절단신도는 약 21배의 차이를 나타내었다. 이를 통해 UPy 기능화에 의해 수소 결합을 기반으로 형성된 초분자형 고분자에서 주쇄의 화학구조에 따라 상이한 인장 특성을 가진다는 것을 알 수 있었다.
- 2 수준으로 증가율이 크지는 않았다. 하지만 UPy로 기능화된 이후에는 3가지 올리고머들 모두 농도 변화에 따른 비점도의 증가율이 약 2.3 이상으로 UPy 기능화를 통해 동일 농도 기준에서 올리 고머이었을 때 대비 비점도가 약 2배 이상으로 크게 증가하였다. 이러한 UPy 기능화에 의한 올리고머의 비점도 증가 현상은 올리고머의 양 말단에 존재하는 UPy 간의 강한 수소 결합의 형성으로 사슬 연장효과에 기인한 가상의 분자량 증가로 설명되어 질 수 있다[23].
- 형성된 3가지 유형의 초분자형 고분자간의 유리전이 온도 비교를 통해 − 75ºC에서 유리전이 온도를 가지는 UPTMG의 사슬이 가장 유연하며, −40ºC에서 유리전이 온도를 가지는 UPC의 사슬이 상대적으로 강직한 것을 알 수 있었다.
- 이때 주쇄의 화학구조에 따른 특성을 분석하기 위해 올리고머를 PTMG, PCL, PC로 달리 적용하여 주쇄의 화학구조가 다른 3가지 유형의 초분자형 고분자를 형성하였다. 형성된 3가지 유형의 초분자형 고분자의 인장 특성, 열적 특성, 유변 특성 등을 분석한 결과 UPy를기반으로 형성된 초분자형 고분자의 특성은 주쇄의 운동성과 UPy 이합체 간의 적층에 의한 결정 구조의 형성 정도에 의존한다는 것을 알 수 있었다.
후속연구
- 올리고머 자체로는 부족하거나 불가능 했던 필름 제조가 UPy 기능화를 통해 초분자형 고분자로 형성된 올리고머들 에서는 Figure 4와 같이 solvent casting법과 열 압착법의 순차적인 적용으로 투명한 필름 제조가 가능하였다. 이것은 향후 섬유 라미네이팅용 재료 또는 성형 재료로서 초분자형 고분자의 응용 가능성을 기대하게 하였다.
- 공유 결합을 기반으로 형성된 고분자의 경우 주쇄의 화학구조와 물성 간에는 매우 밀접한 관계가 있어 축합 중합의 단량체로 사용할 수 있는 원료가 매우 다양한 폴리우레탄과 폴리이미드에서는 단량체의 다양한 조합을 통해 각기 다른 기계적 물성과 열적 물성이 발현되는 고분자들을 제조할 수 있었다[20,21]. 이러한 밀접한 상관관계는 초분자형 고분자의 경우에도 마찬가지일 것으로 예상되지만, 수소결합 유도능력에 의해 형성된 초분자형 고분자에서 주쇄의 화학구조에 따른 특성들이 실질적으로 어떠할지는 연구를 통해서 살펴보아야만 한다.
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