KR100511139B1 - 4-functionality hybrid epoxy resin composition - Google Patents
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Abstract
본 발명은 4관능성 하이브리드 에폭시 수지 조성물에 관한 것으로, 특히 4관능성 에폭시 수지 (TGDDM)와 에폭시화한 콩기름 (ESO)을 포함하여 종래의 TGDDM 에폭시 수지보다 우수한 기계적 물성을 갖는 하이브리드 에폭시 수지를 저가로 제공할 수 있는 에폭시 수지 조성물을 제공한다.The present invention relates to a tetrafunctional hybrid epoxy resin composition, in particular, including a tetrafunctional epoxy resin (TGDDM) and epoxidized soybean oil (ESO), low-cost hybrid epoxy resin having mechanical properties superior to conventional TGDDM epoxy resin It provides an epoxy resin composition that can be provided.
Description
본 발명은 기계적 물성이 우수한 4관능성 하이브리드 에폭시 수지 조성물에 관한 것으로, 특히 4관능성 에폭시 수지와 에폭시화한 콩기름 (Epoxidized soybean oil; 이하 "ESO")을 하이브리드시켜 종래의 열경화성 수지 중 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 TGDDM (4,4'-테트라디글리시딜디아미노디페놀메탄) 에폭시 수지보다 우수한 기계적 물성을 갖는 4관능성 하이브리드 에폭시 수지를 저가로 제조할 수 있는 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다.The present invention relates to a tetrafunctional hybrid epoxy resin composition having excellent mechanical properties, and in particular, a tetrafunctional epoxy resin and an epoxidized soybean oil (hereinafter, referred to as "ESO") are hybridized to each other. The present invention relates to an epoxy resin composition capable of low-cost production of a tetrafunctional hybrid epoxy resin having better mechanical properties than a widely used TGDDM (4,4'-tetradiglycidyldiaminodiphenolmethane) epoxy resin.
종래의 에폭시 수지 하이브리드는 단지 기계적 물성 또는 열적 물성을 향상시키기 위하여 에폭시 수지와 열경화성 수지 또는 열가소성 수지를 하이브리드시켜 제조하였다 (P. Musto et al., J. Appl. Polym. Sci., 1998, 69, 1029).Conventional epoxy resin hybrids were prepared by hybridizing an epoxy resin with a thermosetting resin or a thermoplastic resin only to improve mechanical or thermal properties (P. Musto et al., J. Appl. Polym. Sci., 1998, 69, 1029).
그러나, 이러한 종래의 에폭시 수지 하이브리드는 기계적 물성을 향상시키는 반면에 열적 물성을 크게 저하시키고 제조원가가 높은 문제점을 갖고 있었다.However, such a conventional epoxy resin hybrid has a problem in that the mechanical properties are greatly improved while the thermal properties are greatly reduced and manufacturing costs are high.
그러므로 우수한 기계적 물성을 가지면서도 제조원가가 낮은 에폭시 수지 하이브리드 조성물의 개발이 절실히 필요하다.Therefore, there is an urgent need to develop an epoxy resin hybrid composition having excellent mechanical properties and low manufacturing cost.
따라서 본 발명의 목적은 4관능성 에폭시 수지와 ESO를 하이브리드시켜 종래의 TGDDM 에폭시 수지보다 우수한 기계적 물성을 갖는 하이브리드 에폭시 수지를 저가로 제조할 수 있는 4관능성 하이브리드 에폭시 수지 조성물을 제공하는 것이다. Accordingly, an object of the present invention is to provide a tetrafunctional hybrid epoxy resin composition that can hybridize a tetrafunctional epoxy resin and an ESO to produce a hybrid epoxy resin having superior mechanical properties than a conventional TGDDM epoxy resin at low cost.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 TGDDM 에폭시 수지와 ESO를 하이브리드시킨 4관능성 하이브리드 에폭시 수지 조성물을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a tetrafunctional hybrid epoxy resin composition is a hybrid of the TGDDM epoxy resin and ESO.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명에 따른 4관능성 하이브리드 에폭시 수지 조성물에 포함되는 ESO는 하기 화학식 1과 같다.ESOs contained in the tetrafunctional hybrid epoxy resin composition according to the present invention are represented by the following Chemical Formula 1.
상기 화학식 1의 ESO는 하기 반응식 1과 같이 콩기름을 앰버라이트 (Amberlite)의 존재 하에 용매 중에서 예를 들면, 산 및 과산화수소수로 산화 반응시켜 제조할 수 있다. ESO of Formula 1 may be prepared by oxidizing soybean oil with an acid and hydrogen peroxide solution, for example, in a solvent in the presence of Amberlite (Amberlite) as shown in Scheme 1 below.
상기 반응식 1에서, 상기 용매, 산, 과산화수소수(30%) 및 앰버라이트는 콩기름에 대해 각각 1 : 0.2 내지 0.6, 1 : 0.2 내지 0.5, 1 : 0.6 내지 1.1 및 1 : 0.15 내지 0.35 범위의 중량비로 사용할 수 있다. 상기 용매의 예로는 톨루엔, 테트라하이드로푸란(THF)이 있다.In Reaction Scheme 1, the solvent, acid, hydrogen peroxide (30%) and amberlite are each weight ratio in the range of 1: 0.2 to 0.6, 1: 0.2 to 0.5, 1: 0.6 to 1.1, and 1: 0.15 to 0.35 with respect to soybean oil. Can be used as Examples of the solvent include toluene and tetrahydrofuran (THF).
상기 반응은 45 내지 60℃의 온도 범위에서 6 내지 9시간 동안 진행하는 것이 최대반응속도 및 수지 점도의 면에서 적합하다. 반응온도가 45℃ 이하이거나 반응시간이 6시간 이하인 경우 반응이 느려져 에폭시화 정도가 낮은 수지가 얻어지고, 반응온도가 60℃ 이상이거나 반응시간이 9시간 이상인 경우 가교도의 증가로 인하여 겔 형태에 가까운 수지가 제조된다.The reaction is preferably carried out for 6 to 9 hours in the temperature range of 45 to 60 ℃ in terms of the maximum reaction rate and the resin viscosity. When the reaction temperature is 45 ℃ or less or the reaction time is 6 hours or less, the reaction is slowed to obtain a resin having a low epoxidation degree. Resin is prepared.
본 발명의 4관능성 하이브리드 에폭시 수지 조성물은 TGDDM 에폭시 수지 80 내지 99 중량%와 ESO 1 내지 20 중량%를 포함한다.The tetrafunctional hybrid epoxy resin composition of the present invention comprises 80 to 99% by weight of TGDDM epoxy resin and 1 to 20% by weight of ESO.
도 3 및 4에 나타난 결과에서 알 수 있듯이, ESO의 함량이 1 중량% 미만인 경우에는 상기 하이브리드 에폭시 수지 조성물을 경화시킨 경화물의 기계적 물성이 종래의 TGDDM 에폭시 수지 조성물을 경화시킨 경화물의 물성치에 비하여 큰 증가를 보이지 않고, ESO의 함량이 20 중량%를 초과하면 물성치의 급격한 감소 현상이 나타난다. 따라서, 본 발명에 따른 4관능성 하이브리드 에폭시 수지 조성물의 ESO의 함량은 전체 조성물의 중량을 기준으로 1 내지 20 중량%, 특히 5 내지 10 중량%인 것이 바람직하다.As can be seen from the results shown in Figures 3 and 4, when the content of ESO is less than 1% by weight, the mechanical properties of the cured product of the cured hybrid epoxy resin composition are larger than those of the cured product of the conventional TGDDM epoxy resin composition. There is no increase, and when the content of ESO exceeds 20% by weight, a sharp decrease in physical properties occurs. Therefore, the content of ESO of the tetrafunctional hybrid epoxy resin composition according to the present invention is preferably 1 to 20% by weight, in particular 5 to 10% by weight, based on the total weight of the composition.
본 발명에 따른 4관능성 하이브리드 에폭시 수지 조성물은 디아미노디페닐메탄 (DDM)을 경화제로 사용하여 1:1의 당량비로 반응시켜 경화물을 제조할 수 있다. 경화 후, 4관능성 하이브리드 에폭시 수지 조성물의 경화물은 종래의 TGDDM 에폭시 수지보다 우수한 기계적 물성 (임계응력 세기인자 및 굴곡강도)을 나타낸다.The tetrafunctional hybrid epoxy resin composition according to the present invention may be prepared by reacting diaminodiphenylmethane (DDM) as a curing agent in an equivalent ratio of 1: 1. After curing, the cured product of the tetrafunctional hybrid epoxy resin composition exhibits better mechanical properties (critical stress intensity factor and flexural strength) than the conventional TGDDM epoxy resin.
본 발명은 하기 실시예에서 더욱 상세히 설명되지만, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.The invention is described in more detail in the following examples, although the scope of the invention is not limited thereto.
실시예 1Example 1
콩기름 100g (0.14몰, 순도 98%, 일본 와코화학)와 빙초산 25.2g (0.42몰, 일본 와코화학), 앰버라이트 25g 및 톨루엔 40g을 교반기, 온도계 및 콘덴서가 부착된 반응기에 넣고 온도를 55℃로 유지한 후, 30% 과산화수소수 79.4g (0.7몰, 일본 와코화학)을 첨가하여 7시간 동안 반응시켜, 상기 화학식 1의 ESO를 제조하였다.100 g of soybean oil (0.14 mole, purity 98%, Wako Chemical, Japan), 25.2 g of glacial acetic acid (0.42 mole, Wako Chemical, Japan), 25 g of amber light and 40 g of toluene were placed in a reactor equipped with a stirrer, a thermometer and a condenser, and the temperature was increased to 55 ° C. After holding, 79.4 g (0.7 mol, Wako Chemical Co., Ltd.) of 30% hydrogen peroxide solution was added thereto and reacted for 7 hours to prepare ESO of Chemical Formula 1.
반응 후, 제조된 수지를 여과한 후, 증류수로 pH가 7이 될 때까지 세척하였다. 유기상을 무수 황산나트륨으로 건조시킨 후, 여과하였다. 여과된 ESO를 80℃에서 진공증류하여 톨루엔을 제거하여, 중량평균분자량 1527의 ESO를 89% 이상의 수율로 얻었다.After the reaction, the prepared resin was filtered and washed with distilled water until the pH reaches 7. The organic phase was dried over anhydrous sodium sulfate and then filtered. Toluene was removed by vacuum distillation of the filtered ESO at 80 ° C. to obtain an ESO having a weight average molecular weight of 1527 in a yield of 89% or more.
실시예 2Example 2
반응 온도를 50℃로 유지한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 8시간 동안 반응시켜, 중량평균분자량 1491의 ESO 에폭시 수지를 88% 이상의 수율로 얻었다.The reaction was carried out for 8 hours in the same manner as in Example 1 except that the reaction temperature was maintained at 50 ° C. to obtain an ESO epoxy resin having a weight average molecular weight of 1491 in a yield of 88% or more.
실시예 3Example 3
4관능성 에폭시 수지 TGDDM (LG 화학(주), 밀도 1.17g/㎤, 점도 14000cps) 98 중량%와 실시예 1에서 얻은 ESO 에폭시 수지 2 중량%를 혼합시킨 하이브리드 에폭시 수지 조성물에 경화제로 디아미노디페닐메탄 (DDM; 알드리치사)을 1:1 당량비로 가하여 시편을 제작하였다. 이 때, 경화조건은 110℃에서 1시간, 140℃에서 2시간, 170℃에서 1시간으로 하였다.Diaminodi as a curing agent in a hybrid epoxy resin composition obtained by mixing 98 wt% of a tetrafunctional epoxy resin TGDDM (LG Chemical Co., Ltd., density 1.17 g / cm 3, viscosity 14000 cps) with 2 wt% of the ESO epoxy resin obtained in Example 1 Phenylmethane (DDM; Aldrich) was added in a 1: 1 equivalent ratio to prepare a specimen. At this time, curing conditions were 1 hour at 110 degreeC, 2 hours at 140 degreeC, and 1 hour at 170 degreeC.
실시예 4Example 4
4관능성 에폭시 수지 TGDDM (LG 화학(주), 밀도 1.17g/㎤, 점도 14000cps) 90 중량%와 실시예 1에서 얻은 ESO 10 중량%를 사용한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 방법으로 하이브리드 에폭시 수지 조성물의 경화 시편을 제작하였다.Hybrid epoxy in the same manner as in Example 3, except that 90 wt% of the tetrafunctional epoxy resin TGDDM (LG Chemical Co., Ltd., density 1.17 g / cm 3, viscosity 14000 cps) and 10 wt% of ESO obtained in Example 1 were used. A cured specimen of the resin composition was prepared.
실시예 5Example 5
4관능성 에폭시 수지 TGDDM (LG 화학(주), 밀도 1.17g/㎤, 점도 14000cps) 85 중량%와 실시예 1에서 얻은 ESO 15 중량%를 사용한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 방법으로 하이브리드 에폭시 수지 조성물의 경화 시편을 제작하였다.Hybrid epoxy in the same manner as in Example 3, except that 85 wt% of the tetrafunctional epoxy resin TGDDM (LG Chemical Co., Ltd., density 1.17 g / cm 3, viscosity 14000 cps) and 15 wt% of ESO obtained in Example 1 were used. A cured specimen of the resin composition was prepared.
실시예 6Example 6
4관능성 에폭시 수지 TGDDM (LG 화학(주), 밀도 1.17g/㎤, 점도 14000cps) 80 중량%와 실시예 1에서 얻은 ESO 20 중량%를 사용한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 방법으로 하이브리드 에폭시 수지 조성물의 경화 시편을 제작하였다.Hybrid epoxy in the same manner as in Example 3, except that 80 wt% of the tetrafunctional epoxy resin TGDDM (LG Chemical Co., Ltd., density 1.17 g / cm 3, viscosity 14000 cps) and 20 wt% of ESO obtained in Example 1 were used. A cured specimen of the resin composition was prepared.
실시예 7Example 7
실시예 2에서 얻은 ESO를 사용한 것을 제외하고는 실시예 4와 동일한 방법으로 하이브리드 에폭시 수지 조성물의 경화 시편을 제작하였다.A cured specimen of the hybrid epoxy resin composition was prepared in the same manner as in Example 4 except that the ESO obtained in Example 2 was used.
비교예Comparative example
경화된 범용 TGDDM 에폭시 수지 (LG 화학(주))를 사용하여 시편을 준비하였다.Specimens were prepared using a cured general purpose TGDDM epoxy resin (LG Chem).
물성의 측정Measurement of physical properties
상기 실시예 3 내지 7에서 제작한 하이브리드 에폭시 수지 조성물의 경화 시편 및 비교예 시편의 각각의 물성값들을 다음의 방법에 의해 측정하였다.The physical properties of the cured specimens and the comparative example specimens of the hybrid epoxy resin compositions prepared in Examples 3 to 7 were measured by the following method.
(1) 경화활성화에너지 (Ea)(1) Curing Activation Energy (E a )
경화 속도는 온도의 함수로서 속도상수가 아르헤니우스 (Arrhenius) 식에 따른다고 가정하면 플린-월-오자와 (Flynn-Wall-Ozawa) 식을 사용하여 경화활성화에너지 (E a )를 구할 수 있다.The cure rate is a function of temperature, and assuming that the rate constant is based on the Arhenius equation, the cure activation energy ( E a ) can be obtained using the Flynn-Wall-Ozawa equation.
여기서 q는 승온 속도, A는 지수 앞 인자, T P 는 최대 발열 피크시의 온도, g(α)는 전환율에 의존하는 항, 및 R은 기체상수를 각각 나타낸다.Where q is the temperature increase rate, A is the exponential factor, T P is the temperature at the maximum exothermic peak, g (α) is a term depending on the conversion rate, and R is a gas constant.
위 식에 기초하여 각각의 승온 속도에 따른 최대발열온도를 구한 후 lnq 1/T p 의 관계에 의한 그래프의 기울기 (1.052Ea/R)로부터 경화활성화에너지 (E a )를 계산할 수 있다.Based on the above equation, after calculating the maximum heating temperature for each heating rate, ln q The hardening activation energy ( E a ) can be calculated from the slope (1.052 Ea / R ) of the graph by the relationship of 1 / T p .
(2) 기계적 물성(2) mechanical properties
가. 임계응력 세기인자 (KIC)end. Critical Stress Intensity Factor (K IC )
경화된 시편의 크랙성장 저항을 나타내는 임계응력 세기인자 (KIC)는 다음 식을 사용하여 구할 수 있다.The critical stress intensity factor (K IC ) representing the crack growth resistance of the cured specimen can be obtained using the following equation.
여기서 P는 하중, L은 지지대 간의 거리, b는 시편의 너비, d는 시편의 두께, 및 Y는 크랙의 길이, 크랙의 위치, 및 하중 방법에 의존하는 기하학적 인자 (geometric factor)를 각각 나타낸다.Where P is the load, L is the distance between the supports, b is the width of the specimen, d is the thickness of the specimen, and Y is the geometric factor depending on the length of the crack, the location of the crack, and the loading method.
경화된 시편의 임계응력 세기인자는 만능재료시험기 (Universal Test Machine #1125)를 사용하여 변형속도를 2㎜/분으로, 지지대 간의 거리와 시편의 두께의 비를 4:1로 고정하여 측정하였다.The critical stress intensity factor of the cured specimens was measured by using a universal test machine (Universal Test Machine # 1125) with a strain rate of 2 mm / min and a ratio of the distance between the supports and the thickness of the specimen at 4: 1.
나. 굴곡강도 (σ f)I. Flexural strength ( σ f )
경화된 시편의 굴곡강도 (σ f)는 다음 식을 사용하여 구할 수 있다.The flexural strength ( σ f ) of the cured specimen can be obtained using the following equation.
여기서 P는 하중, L은 지지대 간의 거리, b는 시편의 넓이, 및 d는 시편의 두께를 각각 나타낸다.Where P is the load, L is the distance between the supports, b is the width of the specimen, and d is the thickness of the specimen.
경화된 시편의 굴곡강도는 만능재료시험기 (Universal Test Machine #1125)를 사용하여 변형속도를 2.1㎜/분으로, 지지대 간의 거리와 시편의 두께의 비를 16:1로 고정하여 측정하였다.The flexural strength of the cured specimens was measured by using a universal test machine (Universal Test Machine # 1125) with a strain rate of 2.1 mm / min and a ratio of the distance between the supports and the thickness of the specimen at 16: 1.
이렇게 측정한 실시예 3 내지 7에서 제작한 하이브리드 에폭시 수지의 경화 시편 및 비교예 시편의 각각의 물성값들을 하기 표 1 및 도 2 내지 4에 나타내었다.The physical property values of the cured specimens and the comparative example specimens of the hybrid epoxy resins prepared in Examples 3 to 7 thus measured are shown in Table 1 and FIGS. 2 to 4.
상기 표 1 및 도 2 내지 4에서 알 수 있듯이, 본 발명의 4관능성 하이브리드 에폭시 수지 조성물은 종래의 범용 TGDDM 에폭시 수지에 비하여 임계응력 세기인자 및 굴곡강도가 높은 특징을 갖는다. 따라서 본 발명의 4관능성 하이브리드 에폭시 수지 조성물은 종래의 에폭시 수지에 비하여 기계적 물성이 우수하다. As can be seen in Table 1 and Figures 2 to 4, the tetrafunctional hybrid epoxy resin composition of the present invention has a higher critical stress intensity factor and flexural strength than conventional general-purpose TGDDM epoxy resin. Therefore, the tetrafunctional hybrid epoxy resin composition of the present invention is excellent in mechanical properties compared to the conventional epoxy resin.
본 발명의 방법에 따라 제조된 4관능성 하이브리드 에폭시 수지 조성물은 우수한 기계적 물성 및 낮은 제조원가를 가지므로 이를 종래의 TGDDM 에폭시 수지에 대체하여 복합재료를 제조하는데 유리하게 사용할 수 있다.Since the tetrafunctional hybrid epoxy resin composition prepared according to the method of the present invention has excellent mechanical properties and low manufacturing cost, it can be advantageously used to prepare a composite material by replacing it with a conventional TGDDM epoxy resin.
도 1은 단량체 콩기름 및 실시예 1에서 합성한 ESO의 적외선분광분석 (FT-IR) 결과를 도시한 것이다.FIG. 1 shows the results of infrared spectroscopy (FT-IR) of monomer soybean oil and ESO synthesized in Example 1. FIG.
도 2는 실시예 3 내지 6에서 제작한 하이브리드 에폭시 수지 조성물의 경화 시편 및 비교예 시편의 ESO 함량에 따른 발열곡선을 도시한 것이다.Figure 2 shows the heating curve according to the ESO content of the cured specimen and the comparative example specimen of the hybrid epoxy resin composition prepared in Examples 3 to 6.
도 3은 실시예 3 내지 6에서 제작한 하이브리드 에폭시 수지 조성물의 경화 시편 및 비교예 시편의 ESO 함량에 따른 임계응력 세기인자 (KIC)를 도시한 것이다.Figure 3 shows the critical stress intensity factor (K IC ) according to the ESO content of the cured specimen and the comparative example specimen of the hybrid epoxy resin composition prepared in Examples 3 to 6.
도 4는 실시예 3 내지 6에서 제작한 하이브리드 에폭시 수지 조성물의 경화 시편 및 비교예 시편의 ESO 함량에 따른 굴곡강도 (σf)를 도시한 것이다.Figure 4 shows the flexural strength (σ f ) according to the ESO content of the cured specimen and the comparative example specimen of the hybrid epoxy resin composition prepared in Examples 3 to 6.
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