KR101720563B1

KR101720563B1 - 폴리술폰계 고분자 강인화제를 함유하는 폴리술폰계 고분자 강인화 에폭시 수지 조성물 및 이의 제조 방법

Info

Publication number: KR101720563B1
Application number: KR1020150155218A
Authority: KR
Inventors: 이민경; 영우빈; 박샛별; 정의경; 박종규; 이형익; 장지욱; 이범재; 설진용
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2015-11-05
Filing date: 2015-11-05
Publication date: 2017-03-29

Abstract

본 발명은 에폭시 수지 조성물 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 폴리술폰계 고분자 강인화제로 사용될 수 있는 아지드계 단량체와 알킨계 단량체를 합성하고, 이를 에폭시 수지와 혼합하여 에폭시 수지 조성물을 형성하며, 이 에폭시 수지 조성물이 경화 반응 할 때, 아지드계 단량체와 알킨계 단량체의 인-시추 아지드-알킨 클릭 반응(In-situ azide-aklyne click reaction)으로 중합된 폴리술폰계 고분자 강인화제를 형성하게 된다. 이렇게 인-시추 반응에 의한 에폭시 수지 조성물은 점도가 낮아 공정성이 우수하고 소량의 강인화제 첨가에도 우수한 강인화 효과를 가지는 폴리술폰계 고분자 강인화 에폭시 수지 조성물 및 이의 제조 방법을 제공한다.

Description

폴리술폰계 고분자 강인화제를 함유하는 폴리술폰계 고분자 강인화 에폭시 수지 조성물 및 이의 제조 방법{CONTAINING POLYSULFONE POLYMER TOUGHENER WITH POLYSULFONE POLYMER TOUGHENED EPOXY RESIN COMPOSITION AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME}

본 발명은 에폭시 수지 조성물 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 폴리술폰계 고분자 강인화제로 사용될 수 있는 강인화 단량체를 합성하고, 이를 에폭시 수지와 혼합하여 에폭시 수지 조성물을 형성하며, 에폭시 수지 조성물의 경화 반응과 동시에 중합반응으로 강인화제를 합성하는 공정으로 기존 열가소성 강인화제 첨가 시 발생하는 점도 상승으로 인한 공정성 저하 문제를 해결하고 동시에 소량의 강인화제로 강인화도를 효과적으로 높일 수 있는 폴리술폰계 고분자 강인화제를 함유하는 폴리술폰계 고분자 강인화 에폭시 수지 조성물 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

에폭시 수지는 대표적인 열경화성 수지로 1940년대에 상품화가 된 이후 저렴한 가격, 우수한 기계적 성능, 열적 특성 및 우수한 접착 특성을 지니고 있어 전자 및 항공우주 산업 전반에 걸쳐 다양한 용도로 널리 사용되고 있으며, 경화제를 사용하여 경화시켜 3차원 망상 구조의 열경화성 경화물로서 사용되게 된다. 그러나 에폭시 수지는 광범위한 용도에도 불구하고 높은 가교밀도에 기인한 취성(brittleness)을 지니기 때문에 순간적인 충격에 약하다는 결점을 가진다.

이러한 에폭시 수지의 취약성을 개선하는 방법으로는 에폭시 수지 시스템의 변화만으로는 해결되지 않으므로, 에폭시 수지에 고무상(예를 들어, CTBN, ATBN 등), 열가소성 수지(예를 들어, PES, PSF, PEI, PT 등) 또는 나노입자를 제2의 상을 가지는 강인화제(toughening agent)로서 첨가하고 미세 상 크기로 분산하여 경화시키는 강인화 방법이 널리 사용되고 있다.

이와 같은 강인화 방법에 대해 구체적으로 살펴보면 먼저 1980년대에 들어 고무상에 의한 강인화 개선방법의 시도로서 CTBN(carboxyl terminated butadiene acrylonitrile)이나 ATBN(amine terminated butadiene acrylronitrile)과 같은 액상 고무에 의한 개질이 이루어졌다. 그러나 낮은 유리전이온도를 갖는 액상고무의 첨가로 인하여 에폭시수지의 고유특성인 고내열성을 떨어뜨리는 결과를 초래하였다. 특히, 항공용 소재로 널리 사용되는 에폭시 복합재료는 내충격성과 동시에 고내열성이 필요함으로써, 이에 대한 개선이 요구되었다.

이에 따라 1980년 후반에 들어서면서 열가소성 수지에 의한 강인화 방법이 활발히 연구되어 왔다. 이 방법은 PES(polyethersulfone), PSF(poly sulfon), PEI(poly ethylene imine), PI(poly imide) 등과 같은 열가소성 수지의 혼합(blending)에서 새롭게 제기된 보강방법으로, 즉 에폭시 고분자 메트릭스에 강인화 고분자 입자들을 분산시켜 얻는 상분리 현상에 의한 강인화 방법으로서 열경화성수지가 갖는 기계적 특성을 유지하면서 강인성을 향상시키는 방법으로 각광을 받았다.

최근에는 에폭시 메트릭스와 열가소성수지 계면간의 접착력을 향상시킬 목적으로 열가소성 수지의 양말단 또는 주쇄에 반응성기를 도입시켜 열경화성수지와의 화학 반응을 유도하여 생성된 인-시추 블록 그리고/또는 그라프트 공중합체(in-situ block and/or graft copolymers)에 의한 강인화 방법이 활발하게 전개되고 있다.

인-시추 블록 그리고/또는 그라프트 공중합체 방법은, 전처리 반응을 통하여 PES(poly ester) 말단에 에폭시 수지와의 반응기(-NH₂ ,-OH 등)를 도입하여 인-시추 에폭시 수지-PES 블록 그리고/또는 그라프트 공중합체(block and/or graft copolymers)를 유도하는 방법으로, 두 상간의 계면장력을 감소시킴으로서 상분리 현상을 조절하는 방법이다. 이와 같은 인-시추(in-situ) 방법은 Mcgrath에 의해 처음 제시된 방법으로 열경화성수지 또는 열가소성 수지의 혼합에 확장시킨 새로운 강인화 방법으로 부각되고 있다.

에폭시수지의 강인화 기구(thoughening mechanism)는 파괴인성(fracture toughness)이라는 학문에서 따로 다루고 있을 만큼 상당히 중요한 위치를 점유하고 있으며 열가소성 수지에 의한 개질인 경우, 에폭시 메트릭스의 변형에 의하여도 에너지가 흡수되는 것으로 알려져 있다. 이러한 것들은 외부 충격 시 집중되는 응력을 상분리 현상의 분산상에 의한 응력 분산과 메트릭스의 변형에 의하여 강인화가 이루어진다고 보고되어져 있다. 즉, 에폭시 메트릭스 수지의 연성, 분산상의 입자크기, 부피분율, 계면접착력 등이다. 여기서 상분리 구조의 입자크기는 에폭시수지의 경화반응 중에 일어나는 물리적 및 화학적 변화와 상분리 속도에 의하여 결정되는데, 주로 성분 고분자의 조성비 및 경화반응조건 등에 영향을 받는다.

한국공개특허 제 2009-0074736 호

K. Mimura, H. Ito, and H. Fujioka, Polymer, 41, 4451 (2000) M. A. Andres, J. Garmendia, A. Valea, A. Eceiza, and I. Mondragon, J. Appl. Polym. Sci., 69, 183 (1998)

그러나 앞서 설명한 에폭시 수지의 강인화 방법으로 열가소성 수지와 혼합(blending)하는 강인화 방법은 점도 증가로 인한 공정상에 어려움으로 열가소성 수지의 분자량에 제약이 많은 단점을 갖는다. 또한, 일반적인 에폭시 수지의 점도는 상온에서 높은 점성을 갖기 때문에 에폭시 수지를 단독으로 사용할 경우 작업성이 좋지 않아 문제시되기도 하며, 특히 고인성이 요구되는 에폭시 수지의 제조시, 강인화 향상을 위한 강인화제 및 경화제의 첨가로 인해 발생하는 에폭시 수지의 고점화도로 인해 적절한 분산 혼합을 위하여 추가 첨가제의 부가 및 성형공정성 저하 문제를 갖는다.

이에 상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 인-시추 아지드-알킨 클릭 반응(In-situ azide-aklyne click reaction)을 통하여 강인화제를 합성하는 방법으로, 기존의 폴리에스테르술폰(polyethersulfone, PES) 강인화제 첨가로 인한 점도 향상에 따른 공정성 저하 문제를 해결하는 동시에 소량의 강인화제 첨가로 강인화도를 효과적으로 높일 수 있는 에폭시 수지 조성물을 제공에 목적이 있다.

또한 본 발명은 인-시추 아지드-알킨 클릭 반응을 위한 아지드계 단량체 및 설포닐기(sulfonyl)를 지닌 알킨계 단량체를 강인화제 단량체로 합성하고 이를 에폭시 수지의 경화 반응에서 동시에 강인화제 고분자로 중합하는 새로운 에폭시 수지 강인화 방법으로 제조된 폴리술폰계 고분자 강인화제를 이용하여 강인화된 폴리술폰계 고분자 강인화 에폭시 수지 조성물의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 폴리술폰계 고분자 강인화 에폭시 수지 조성물은 에폭시 수지, 아민계 경화제 및 강인화제 단량체를 포함하고, 상기 강인화제 단량체는 중합 성분으로서 1,4-비스(클로로메틸)벤젠(1,4-bis(chloromethyl)benzene)으로 부터 아지드화 반응으로 1,4-비스(클로로메틸)벤젠(1,4-bis(chloromethyl)benzene)의 양말단에 클로로기(-Cl)를 아지드기(-N₃)로 치환하여 합성된 아지드계 단량체(azide monomer) 및 4,4'-설포닐디페놀(4,4'-sulfonyldiphenol)로부터 에테르화(etherification) 반응으로 합성된 알킨계 단량체(alkyne monomer)를 함유한다.

이때, 상기 아지드계 단량체와 상기 알킨계 단량체가 인-시추 아지드-알킨 클릭 반응으로 중합되어 폴리술폰계 고분자 강인화제를 형성하며, 이렇게 형성된 폴리술폰계 고분자 강인화제는 하기 화학식 1로 표기된 것이다.

또한, 아지드계 단량체는 1,4-비스(아지도메틸)벤젠(1,4-bis(azidomethyl)benzene, p-BAB)일 수 있으며, 상기 알킨계 단량체는 4,4'-sulfonylbis((prop-2-yn-1-yloxy)benzene(SPB)일 수도 있다.

본 발명에 따른 폴리술폰계 고분자 강인화 에폭시 수지 조성물 제조 방법은 1,4-비스(클로로메틸)벤젠(1,4-bis(chloromethyl)benzene)로 부터 아지드화 반응으로 아지드계 단량체(azide monomer)를 합성하는 제 1 단계(S110), 4,4'-설포닐디페놀(4,4'-sulfonyldiphenol)로부터 에테르화 반응으로 알킨계 단량체(alkyne monomer)를 합성하는 제 2 단계, 및 에폭시 수지에 아민계 경화제, 상기 아지드계 단량체 및 상기 알킨계 단량체를 넣고 반응으로, 폴리술폰계 고분자 강인화 에폭시 수지를 제조하는 제 3 단계(S130)를 포함하며, 상기 제 3 단계(S130)에서는 상기 에폭시 수지와 상기 아민계 경화제의 경화 반응을 할 때, 상기 아지드계 단량체와 상기 알킨계 단량체가 인-시추 아지드-알킨 클릭 반응으로 폴리술폰계 고분자 강인화제를 중합하는 것을 특징으로 한다.

여기서 상기 아지드계 단량체는 1,4-비스(아지도메틸)벤젠(1,4-bis(azidomethyl)benzene, p-BAB)일 수 있으며, 상기 알킨계 단량체는 4,4'-sulfonylbis((prop-2-yn-1-yloxy)benzene(SPB)일 수 있다.

또한, 본 발명의 폴리술폰계 고분자 강인화 에폭시 수지 조성물 제조 방법에서 상기 제 3 단계(S130)는 90 내지 180℃ 온도에서 반응하는 것이 바람직하다.

상기 전술된 바와 같은 폴리술폰계 고분자 강인화제를 갖는 것에 의해 본 발병의 폴리술폰계 고분자 강인화 에폭시 수지 조성물을 경화시켜 경화물로 제조할 수 있다.

본 발명은 일반적인 고분자 형태의 강인화제가 아닌 강인화제 단량체를 에폭시 수지 경화 과정에서 경화 반응과 동시에 인-시추 아지드-알킨 클릭 반응으로 중합하여 강인화제를 합성하는 새로운 에폭시 수지의 강인화 방법이다.

따라서, 본 발명의 제조 방법은 기존 고인성이 요구되는 에폭시 수지 제조 시 파괴인성(K_IC)의 향상을 위하여 20 내지 30 wt% 정도 다량의 강인화제 첨가로 인하여 발생하는 에폭시 수지의 고점도화에 따른 공정성 저하 문제 해결이 가능하고 소량의 강인화제로 에폭시 수지의 파괴 인성을 효과적으로 향상시킬 수 있으며, 저점도 에폭시 수지 시스템의 장점을 활용하여 다양한 특성의 강인화제 및 보강재 등의 첨가제의 부가가 용이한 효과가 있다.

또한 본 발명은 설계하는 단량체에 따라 넓은 범위의 강인화제 조성 및 분자량이 조절이 가능한 고분자 합성이 가능하며, 원 포트(one-pot)반응으로 에폭시-아민 경화반응과 아지드-알킨(azide-alkyne) 클릭 반응을 통하여 균일하게 분산된 상분리 현상을 도출해 낼 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리술폰계 고분자 에폭시 수지 조성물 제조 방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 1,4-비스(아지도메틸)벤젠(1,4-bis(azidomethyl)benzene, p-BAB) 단량체의 수소 원자 핵자기 공명(¹H-NMR) 스펙트럼 분석결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 1,4-비스(아지도메틸)벤젠(1,4-bis(azidomethyl)benzene, p-BAB) 단량체의 적외선분광광도(FT-IR) 스펙트럼 분석결과를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 SPB(4,4'-sulfonylbis((prop-2-yn-1-yloxy)benzene))의 수소 원자 핵자기 공명(¹H-NMR) 스펙트럼 분석결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 SPB(4,4-sulfonylbis((prop-2-yn-1-yloxy)benzene))의 적외선분광광도(FT-IR) 스펙트럼 분석결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 poly(p-BAB/SPB)의 GPC(gel permeation chromatography) 분석결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 poly(p-BAB/SPB)의 적외선분광광도(FT-IR) 스펙트럼 분석결과를 나타내는 그래프이다.
도 8은 중합 온도 및 용매의 변화에 따른 인-시추 아지드-알킨 클릭 반응의 전환율(%)을 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 poly(p-BAB/SPB)의수소 원자 핵자기 공명(¹H-NMR) 스펙트럼 분석결과를 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 poly(p-BAB/SPB)의 시차주사열량(Differential Scanning Calorimeter, DSC) 분석결과를 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 In-situ poly(p-BAB/SPB)-강인화 에폭시 수지 경화시편의 적외선분광광도(FT-IR)스펙트럼 분석결과를 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 In-situ poly(p-BAB/SPB)-강인화 에폭시 수지 조성물과 PES-강인화 에폭시 수지 조성물의 90℃ 온도에서의 점도 비교 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 In-situ poly(p-BAB/SPB)-강인화 에폭시 수지 조성물과 PES-강인화 에폭시 수지 조성물의 125℃ 온도에서의 점도 비교 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 In-situ poly(p-BAB/SPB)-강인화 에폭시 수지 경화 시편의 주사전자현미경(SEM) 분석 사진이다.
도 15는 PES-강인화 에폭시 수지 경화 시편의 주사전자현미경(SEM) 분석 사진이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 In-situ poly(p-BAB/SPB)-강인화 에폭시 수지 경화 시편의 동역학분석(dynamic mechanical analyzer, DMA) 결과를 나타내는 그래프이다.
도 17은 PES-강인화 에폭시 수지 경화 시편의 동역학분석(dynamic mechanical analyzer, DMA) 결과를 나타내는 그래프이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 In-situ poly(p-BAB/SPB)-강인화 에폭시 수지 경화시편 및 PES-강인화 에폭시 수지 경화 시편의 파괴인성(K_IC) 분석결과를 나타내는 그래프이다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명의 폴리술폰계 고분자 강인화 에폭시 수지 조성물의 제조 방법은 도 1에 도시된 바와 같이, 아지드계 단량체(azide monomer)를 합성하는 제 1 단계(S110), 알킨계 단량체(alkyne monomer)를 합성하는 제 2 단계(S120), 및 에폭시 수지에 아민계 경화제, 상기 아지드계 단량체 및 상기 알킨계 단량체를 넣고 반응하여, 폴리술폰계 고분자 강인화 에폭시 수지 조성물을 제조하는 제 3 단계(S130)를 포함한다.

상기 제 1 단계(S110)는 하기 반응식 1과 같이 인-시추 아지드-알킨 클릭 반응을 통하여 강인화제로 도입될 아지드계 단량체로서 디아지드(diazide) 단량체를 1,4-비스(클로로메틸)벤젠(1,4-bis(chloromethyl)benzene)을 아지드화나트륨(NaN₃)과의 아지드화 반응으로 클로로기(-Cl)를 아지드기(-N₃)로 치환하여 제조하는 것이다.

[반응식 1]

보다 상세하게 살펴보면, 2구 플라스크에 700ml의 아세토나이트릴(acetonitrile, CH₃CN), 1,4-비스(클로로메틸)벤젠(1,4-bis(chloromethyl)benzene)을 20g(0.114mol) 및 아지드화나트륨(sodium azide)을 29.64g(0.456mol) 첨가한 후 78℃에서 48시간 동안 반응시킨다. 반응 후 반응물은 상온까지 냉각시킨 후에 여과하고, 증류수와 디클로로메탄(dichloromethane)을 사용하여 분별 깔대기를 이용한 추출을 5회 이상 실시한다.

이 처럼 추출된 용액은 황산마그네슘(MgSO₄)을 사용하여 건조한 후, 용매를 감압 하에서 제거하였고 컬럼 크로마토그래피(column chromatography) 공정에서 컬럼(column)을 통해 용리되는 용리제(eluent : dichloromethane/n-hexane=8/2, v/v)를 이용하여 정제하고, 60℃ 진공오븐에서 하루 동안 건조하여 디아지드(diazide) 단량체인 1,4-비스(아지도메틸)벤젠(1,4-bis(azidomethyl)benzene, p-BAB)를 수득한다.

도 2는 본 발명의 일례로 합성된 1,4-비스(아지도메틸)벤젠(1,4-bis(azidomethyl)benzene, p-BAB)를 핵자기 공명분광기(nuclear magnetic resonance spectroscopy, NMR)를 이용하여 구조적 특성 분석한 결과 그래프를 나타낸 것으로, 여기서 상기 핵자기 공명분광기(NMR)로는 수소 원자 핵자기공명(¹H-NMR) 분광기를 이용하여 분석하며, 상기 수소 원자 핵자기공명(¹H-NMR) 분석은 합성된 단량체를 NMR 용매인 DMSO-d3에 용해시킨 후 화학적 이동을 ppm 단위로 기록하고 분석하여 구조를 분석할 수 있다.

도시된 바와 같이 수소 원자 핵자기 공명(¹H-NMR) 스펙트럼을 확인한 결과, ¹H-NMR (DMSO-d3, d, ppm) : 4.33 (-CH₂-N₃), 7.3 (Aromatic, -CH)으로 1,4-비스(아지도메틸)벤젠(1,4-bis(azidomethyl)benzene, p-BAB)구조가 확인됨을 알 수 있다.

그리고 도 3은 적외선 분광광도계(Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FT-IR spectroscopy)를 이용하여, 합성된 단량체의 적외선분광 스펙트라(FT-IR spectra)를 나타낸 그래프로, 도시된 바와 같이 단량체 합성결과 2100cm^- ¹부근에서 아지드기(-N₃) 피크를, 1250cm^-1에서 C-N 피크가 나타나는 것을 확인함으로써 p-BAB(1,4-bis(azidomethyl)benzene) 합성을 확인할 수 있었다.

또한, 합성하여 정제한 디아지드(diazide) 단량체는 가스크로마토그래피(gas chromatography, GC) 분석 결과를 통하여 100%의 순도임을 확인할 수 있다.

제 2 단계(S120)는 또 다른 강인화제 단량체인 알킨계 단량체를 합성하는 단계로, 하기 반응식 2에 나타난 바와 같이 술포닐디페놀(sulfonyldiphenol)과 프로파르길 브로마이드(propagyl bromide)의 에테르화(etherification)를 통하여 합성할 수 있다.

[반응식 2]

일례로 알킨계 단량체의 합성은 교반기, 온도계 및 질소 유입구가 장치된 3구 플라스크에 용매로 600ml의 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran,THF)에 비스페놀-S(4,4-sulfonyldiphenol)을 20g(0.079mol) 및 탄산칼슘(potassium carbonate, K₂CO₃) 54.59g(0.395mol)을 정량 투입한 혼합물을 투입하여 질소 분위기 하에서 상온(21℃)으로 10분간 교반한 후, 프로파르길 브로마이드(propagyl bromide) 35.20ml(0.395mol)를 서서히 적하하여 40시간 동안 교반시키며 반응시킨다.

이렇게 반응시킨 혼합물은 여과한 후, 용매로 사용한 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran, THF)을 감압하여 제거하고, 메탄올로 석출하여 아세틸렌 단량체(acetylene monomer)로 4,4-sulfonylbis((prop-2-yn-1-yloxy)benzene)(SPB)를 수득한다.

이와 같이 합성된 알킨계 단량체로 디아세틸렌(diacetylene) 단량체는 도 4에 도시된 바와 같이 수소 원자 핵자기 공명(¹H-NMR) 스펙트럼을 확인한 결과, ¹H-NMR (DMSO-d6, d, ppm) : 3.3 (C=CH) , 4.8(-O-CH2-), 7.2~7.9(Aromatic, CH)으로 SPB(4,4-sulfonylbis((prop-2-yn-1-yloxy)benzene))의 구조가 확인되며, 또한 도 5에 나타낸 적외선분광광도(fourier transform infrared spectrometer, FT-IR) 스펙트럼을 보면 합성결과 아세틸렌기(acetylene)에 기인한 피크가 3300cm^-1 및 2300cm^-1에서 나타나는 것을 확인함으로써, 알킨계 단량체로 SPB(4,4-sulfonylbis((prop-2-yn-1-yloxy)benzene))가 합성됨을 확인할 수 있다.

그리고, 합성하여 정제한 알킨계 단량체인 SPB(4,4-sulfonylbis((prop-2-yn-1-yloxy)benzene))는 가스 크로마토그래피(gas chromatography, GC) 분석 결과를 통하여 100%의 순도임을 확인할 수 있다.

본 발명의 폴리술폰계 고분자 강인화제는 상기 제 1 단계(S110)와 상기 제 2 단계(S120)에서 생성된 강인화제 단량체인 아지드계 단량체와 알킨계 단량체를 인-시추 아지드-알킨 클릭 반응(In-situ azide-aklyne click reaction)의 중합에 의해서 제조할 수 있다.

예를 들어, 본 발명의 에폭시 수지를 경화하는 에폭시 수지 시스템에 적용되는 강인화제는 하기 반응식 3에 나타낸 바와 같이, 인-시추 아지드-알킨 클릭 반응(In-situ azide-aklyne click reaction)을 이용하여, 파라(Para) 구조의 새로운 폴리술폰계(polysulfone) 강인화제(toughening agent)인 poly(p-BAB/SPB)를 합성하였으며, 이와 같은 과정은 에폭시 수지 시스템 내에서 합성되도록 설계한다.

한편, 본 발명의 폴리술폰계 고분자 강인화 에폭시 수지 조성물의 제조 방법에서 나타나는 아지드-알킨(azide-alkyne) 클릭 반응은 에폭시 수지와 아민 경화제의 경화 반응 조건과 클릭 반응 조건이 서로 상충되지 않고 동일한 조건에서 동시에 진행되는 반응으로 이하, 본 발명에서는 '인-시추 아지드-알킨 클릭 반응(In-situ azide-aklyne click reaction)'이라 명칭한다.

[반응식 3]

본 발명에서 사용되는 폴리술폰계 고분자 강인화제의 구조 및 열적 특성을 다음과 같은 방법으로 폴리술폰계 고분자 강인화제를 합성하여 분석한다.

구체적으로 2구 플라스크에 42.84ml의 디메틸설폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO)에 SPB(4,4-sulfonylbis((prop-2-yn-1-yloxy)benzene))(1.74g, 9.31×10^-3mol)를 충분히 교반하여 용해시킨 후 p-BAB(1,4-bis(azidomethyl)benzene)을 3.04g (9.2×10^-3mol)정도 첨가한 후 90 내지 180℃ 온도에서 반응시킬 수 있으며, 바람직하게 90℃ 온도에서 1 내지 24시간 동안 반응한다.

일정 시간이 지난 후 적외선분광 스펙트라(FT-IR spectra)의 확인을 통하여 아지드기(-N₃)의 감소에 따른 전환율 99% 이상이 되었을 때 반응을 종료 시키며, 이때 점도가 증가한 고분자 용액에 소량의 디메틸설폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO)를 더 첨가하여 점도를 감소시킬 수 있다. 그 다음 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran, THF)을 이용하여 석출하여 고분자를 얻어내었으며, 이렇게 얻은 고분자는 다시 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran, THF)으로 여러 번 세척하여 용매 및 미반응 단량체를 제거하고, 60℃ 진공오븐에서 12시간 동안 건조한 뒤, 하얀색을 띄는 고체 형태의 폴리술폰계 고분자 강인화제인 poly(p-BAB/SPB)를 얻는다.

하기 표 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 합성된 폴리술폰계 고분자 강인화제인 poly(p-BAB/SPB)의 중합 온도(polymerization temperature)에 따른 분자량과 분자량 분포(polydispersity index, PDI)의 변화를 겔 투과 크로마토그래피(gel permeation chromatography, GPC) 분석한 결과를 나타낸 것으로, 여기서 겔 투과 크로마토그래피(GPC)은 DMF-GPC으로 GMHx1 컬럼(column)을 사용하고, 표준물질로 폴리스티렌(polystyrene)을 사용하여 측정된 결과이다.

시료	반응 조건					결과
	SPB (×10³ mol)	p-BAB (×10³ mol)	단량체 농도 (%)	시간 (h)	온도 (℃)	Poly(p-BAB/SPB)의 분자량		전환율 (%)
						분자량(Mw) (×10⁴g/mol)	PDI (Mw/Mn)
1	9.31	9.24	10	18	90	0.68	3.74	99
2	9.31	9.24	10	18	180	1.31	4.31	99

도 6과 상기 표 1에 나타낸 바와 같이 본 발명의 poly(p-BAB/SPB)는 중합 온도에 따라 6,800 g/mol와 13,100 g/mol의 평균분자량(Mw)을 갖고, 또한 중합 온도의 변화에 따라 분자량 분포(PDI)는 90℃, 180℃ 온도에서 각각 3.74 Mw/Mn와 4.31 Mw/Mn으로 서로 다름을 확인할 수 있었다.

도 7은 적외선분광 스펙트라(FT-IR spectra)를 나타낸 것으로, 도시된 바와 같이 반응 시간이 증가함에 따라 2100cm^-1에 나타나는 아지드기(-N₃) 피크의 감소를 확인하였으며, 이를 통해 인-시추 아지드-알킨 클릭 반응(In-situ azide-aklyne click reaction)의 전환율을 확인할 수 있었다.

그리고 도 8은 용매의 종류 및 중합 온도의 변화에 따른 인-시추 아지드-알킨 클릭 반응(In-situ azide-aklyne click reaction)의 전환율을 나타낸 그래프로, 여기서 중합 온도 조건은 90℃와 180℃이고, 용매로는 디메틸설폭사이드(DMSO)와 TGAP(triglycidyl p-aminophenol)를 사용하였다. 인-시추 아지드-알킨 클릭 반응을 90℃ 온도, 디메틸설폭사이드(DMSO) 용매 내에서 반응 시간 18시간 만에 전환율이 99%에 이르렀으며, 중합온도가 180℃인 경우에는 디메틸설폭사이드(DMSO) 용매 내에서 반응시간 3시간 내에 전환율이 99% 이내에 도달하는 것을 확인할 수 있었다.

또한, 수소 원자 핵자기 공명(¹H-NMR) 분석을 통하여 합성된 폴리술폰계 고분자 강인화제인 poly(p-BAB/SPB)의 구조를 확인하면, 도 9에서처럼, 수소 원자 핵자기 공명(¹H-NMR) 스펙트럼을 확인한 결과, ¹H-NMR(DMSO-d6, d, ppm) : 5.6(-CH₂), 5.4(-O-CH₂), 7.0~7.9(CH, aromatic), 8.2(CH, triazole)으로 poly(p-BAB/SPB)의 구조를 확인할 수 있었다.

poly(p-BAB/SPB)의 열적 특성을 확인하기 위하여 시차주사열량(Differential Scanning Calorimeter, DSC)을 분석한 결과는 도 10에 나타난 바와 같이 고분자의 유리전이온도(glass transition temperature, Tg)가 194℃로 일반적으로 많이 사용하는 강인화제인 폴리에스테르술폰(polyethersulfone, PES)의 유리전이온도(Tg)인 190℃와 비견하였을 때 유사함을 알 수 있다.

본 발명의 폴리술폰계 고분자 강인화 에폭시 수지 조성물은 에폭시 수지, 아민경화제 더불어 상기 제 1 단계(S110)와 상기 제 2 단계(S120)에서 생성된 강인화제 단량체인 아지드계 단량체와 알킨계 단량체를 포함한다.

본 발명에서 사용 가능한 상기 에폭시 수지는 본 발명이 속하는 분야에서 통상적으로 사용되는 에폭시 수지를 사용할 수 있으며, 이러한 에폭시 수지는 포화되거나, 불포화되거나, 시클로지방족이거나, 방향족이거나, 비시클릭이거나, 헤테로시클릭일 수 있다.

구체적으로 예를 들면, 에폭시 수지는 비스페놀 F(bisphenol F)형 에폭시 수지나 비스페놀 A(bisphenol F) 형 에폭시 수지 등의 2관능성 에폭시 수지, 페놀 및 크레졸 에폭시 노볼락(novolac)의 디글리시딜 에테르, 페놀-알데하이드 부가물의 글리시딜 에테르, 지방족 디올의 글리시딜 에테르, 디글리시딜 에테르, 디에틸렌 글리콜 디글리시딜 에테르, 방향족 에폭시, 지방족 폴리글리시딜 에테르, 에폭시화된 올레핀, 브롬화된 수지, 방향족 글리시딜 아민, 헤테로시클릭 글리시딜 이미딘 및 아미드, 글리시딜 에테르, 불소화된 에폭시 또는 이들의 혼합물을 기초로 하는 수지를 포함하여 사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 에폭시 수지는 바람직하게 비스페놀 F의 디글리시딜 에테르, 비스페놀 A의 디글리시딜 에테르, 디글리시딜 디히드록시 나프탈렌, 또는 이들의 혼합물로부터 선택된 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.

둘 초과의 작용성을 지니는 에폭시 수지는 그 골격에 하나 이상의 메타-치환된 페닐 고리를 포함하는 화합물이다. 이러한 에폭시 수지는 어떠한 적합한 에폭시 수지일 수 있다. 그러므로 에폭시 수지는 둘 초과의 에폭시기 작용성을 지니는 에폭시 수지를 포함할 것임을 이해할 수 있을 것이다.

또 다른 에폭시 수지 성분으로 3관능성 및 4관능성 에폭시 수지를 사용할 수 있으며, 여기서 상기 3관능성 에폭시 수지는 화합물의 골격중의 페닐 고리상의 메타 위치에서 직접적으로 또는 간접적으로 치환된 3개의 에폭시기를 지니는 것 일 수 있고, 상기 4관능성 에폭시 수지는 화합물의 골격중의 페닐 고리상의 메타 위치에서 직접적으로 또는 간접적으로 치환된 4개의 에폭시기를 지니는 것 일 수 있다.

상기 페닐 고리는 다른 적합한 비-에폭시 치환기에 의해서 치환될 수 있음이 밝혀졌다. 예를 들어, 적합한 치환기는 수소, 히드록실, 알킬, 알케닐, 알키닐, 알콕실, 아릴, 아릴옥실, 아르알킬옥실, 아르알킬, 할로, 니트로, 또는 시아노 라디칼을 포함한다. 비-에폭시 치환기는 직쇄, 측쇄, 시클릭, 또는 폴리시클릭 치환기일 수 있다.

적합한 비-에폭시 치환기는 파라 또는 오르토 위치에서 페닐 고리에 결합되거나 에폭시기에 의해서 점유되지 않은 메타 위치에서 결합될 수 있다.

상기 3관능성 에폭시 수지로는 페놀 및 크레졸 에폭시 노볼락, 페놀-알데하이드 부가물의 글리시딜 에테르, 방향족 에폭시, 디지방족 트리글리시딜 에테르, 지방족 폴리글리시딜 에테르, 에폭시화된 올레핀, 브롬화된 수지, 트리글리시딜 아미노페닐, 방향족 글리시딜 아민, 헤테로시클릭 글리시딜 이미딘 및 아미드, 글리시딜 에테르, 플루오르화된 에폭시, 또는 이들의 혼합물을 기초로 하는 수지를 포함하여 사용할 수 있다.

또 예를 들어, 4관능성 에폭시 수지로는 페놀 및 크레졸 에폭시 노볼락, 페놀-알데하이드 부가물의 글리시딜 에테르, 방향족 에폭시 수지, 지방족 트리글리시딜 에테르, 디지방족 트리글리시딜 에테르(dialiphatictriglycidyl ether), 지방족 폴리글리시딜 에테르, 에폭시화된 올레핀, 브롬화된 수지, 트리글리시딜 아미노페닐, 방향족 글리시딜 아민, 헤테로시클릭 글리시딜 이미딘 및 아미드, 글리시딜 에테르, 플루오르화된 에폭시수지, 또는 이들의 어떠한 조합물을 기초로 하는 수지를 포함할 수 있으며, 바람직하게 4관능성 에폭시 수지로 N,N,N',N'-테트라글리시딜-m-자일렌디아민을 사용할 수 있다.

이와 같이 본 발명의 에폭시 수지는 상기와 같이 제시된 2관능성 에폭시 수지, 3관능성 에폭시 수지 및 4관능성 에폭시 수지는 단독으로 또는 이들의 어떠한 적합한 조합으로 사용될 수 있으며, 이에 한정하지 않는다.

한편, 본 발명에서는 상기 아민 경화제로 상기한 아민 작용기를 갖는 모노머와 동일한 화합물들, 즉 지방족 아민, 방향족 아민 또는 2개 이상의 일차 아민기를 포함하는 아민 화합물을 사용할 수 있다.

상기 지방족 아민 화합물의 구체적인 예로는, 이로써 한정되는 것은 아니지만, 디에틸렌트리아민(diethylenetriamine, DETA), 디에틸렌테트라아민(diethylene tetraamine), 트리에틸렌테트라아민(triethylenetetramine, TETA), 메탄 디아민(methane diamine, MDA), N-아미노에틸 피레리진(N-aminoethyl piperazine, AEP), m-크실렌 디아민(m-xylene diamine), 아이소포론 디아민(isophorone diamine, IPDI), 비스(4-아미노3-메틸시클로헥실)메탄(bis(4-amino 3-methylcyclohexyl)methane, Larominc 260), N,N'-디에틸에틸렌디아민(N,N-diethylenediamine, N,N-DEDA), 테트라에틸렌펜타아민(tetraethylenepentaamine, TEPA), 헥사메틸렌디아민(hexamethylenediamine) 등을 들 수 있으며, 이들은 단독 또는 혼합하여 사용될 수 있다.

상기 방향족 아민의 구체적인 예로는, 이로써 한정되는 것은 아니지만, m-[0075] 페닐렌 디아민(m-phenylenediamine), 4,4'-디메틸아닐린(디아미노 디페닐 메톤)(4,4'-dimethylanilnine(diamino diphenyl methone), DAM 또는 DDM이라고도 함), 디 아미노 디페닐설폰(diamino diphenyl sulfone, DDS), 9-디페닐-1,4-페닐렌디아민(9-phenyl-1,4-phenylenediamine), 1,3-페닐렌디아민(1,3-phenylenediamine), 디아미노디페닐 메탄(diaminoeiphenylemthane) 등을 들 수 있고, 이들은 단독 또는 혼합하여 사용될 수 있다.

이상에서 언급한 에폭시 수지와 방향족 아민들로 제한되지 않으며, 본 발명의 폴리술폰계 고분자 강인화 에폭시 수지는 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예는 다음과 같다. 제 3 단계(S130)의 에폭시 수지는 3관능성 에폭시 수지인 트리글리시딜 파라-아미노페놀(triglycidyl p-aminophenol, TGAP) 48g(0.17mol)를 반응기에 투입한 후, 상온에서 1시간 동안 기포가 사라질 때까지 혼화하여 탈기(degassing) 과정을 진행한다.

이후, 상기 반응기에 아민 경화제로 디아미노 디페닐설폰(diamino diphenyl sulfone, DDS) 32.23g(0.13mol)와 상기 제 1 단계(S110)와 같은 방법으로 합성된 아지드계 단량체인 p-BAB(1,4-bis(azidomethyl)benzene)을 9.25 내지 8.64g(9.24×10^-3 내지 45.9×10^-3mol)과 상기 제 2 단계(S120)와 같은 방법으로 합성된 디아세틸렌 단량체인 SPB(4,4-sulfonylbis((prop-2-yn-1-yloxy)benzene))을 3.04 내지 14.52g(9.31×10^-3 내지 44.8×10^-3mol) 정도를 투입하고, 90℃에서 30분간 혼합하여 기포를 제거한 후, 기포가 제거된 폴리술폰계 고분자 강인화 에폭시 수지 조성물을 금속 몰드나 실리콘 몰드 등의 금형(mold)에 충진한다. 이 때, 상기 금속 몰드 및 실리콘 몰드는 135℃정도로 예열하여 사용할 수 있다.

그리고 다시 135℃의 진공 오븐 내에서 30분 동안 기포를 제거한 뒤, 180℃의 오븐에서 3시간 동안 폴리술폰계 고분자 강인화 에폭시 수지 조성물을 경화한다. 이 과정은 에폭시 수지와 아민계 경화제의 경화 반응과 동시에 강인화제 단량체의 아지드-알킨 클릭 반응으로 폴리술폰계 고분자 강인화 에폭시 수지 경화물(이하, 'In-situ poly(p-BAB/SPB)-강인화 에폭시 경화 시편'이라고도 명명함)을 제조하며, 이러한 본 발명의 에폭시 수지의 경화 반응과 인-시추 아지드-알킨 클릭 반응 과정은 하기 반응식 4에 나타난 바와 같다.

[반응식 4]

한편, 전술된 바와 같은 본 발명의 일례에 따라 제조된 In-situ poly(p-BAB/SPB)-강인화 에폭시 경화 시편에 대한 비교예로 강인화제로 폴리에스테르술폰(polyethersulfone, PES)을 첨가하여 제조된 에폭시 수지 경화물(이하, 'PES-강인화 에폭시 수지 경화 시편'이라고도 명명함)은 다음과 같은 방법으로 제조한다.

본 발명의 비교예에서 에폭시 수지는 3관능성 에폭시 수지인 트리글리시딜 파라-아미노페놀(triglycidyl p-aminophenol, TGAP) 48g(0.17mol)를 반응기에 투입한 후 상온에서 1시간 동안 기포가 사라질 때까지 가스 제거(degassing) 과정을 진행한다. 이후, 아민 경화제인 디아미노 디페닐설폰(diaminodiphenyl sulfone, DDS) 32.23g(0.13mol), 5 내지 20wt% 폴리에스테르술폰(polyethersulfone, PES)(solvay, Mw=15,000g/mol)를 90℃에서 30분간 혼화하며 기포를 제거한 후 이 혼합물을 금속 몰드 및 실리콘 몰드 등의 금형(mold)에 충진한다. 이 때, 금형은 135℃로 예열해두어 사용한다. 135℃의 진공 오븐 내에서 30분 동안 기포를 제거한 뒤 180℃ 오븐에서 3시간 동안 경화하여 폴리에스터(PES)가 강인화제로 도입된 비교 경화 시편을 제작한다.

본 발명에서는 에폭시 수지와 아민 경화제의 경화 반응 조건과 강인화제 단량체들의 인-시추 아지드-알킨 클릭 반응 조건이 서로 상충되지 않고 동일한 조건에서 동시에 반응이 진행되므로, 이는 기존에 고분자 단위로 적용된 강인화제에 비해 단량체 단위로 에폭시 시스템 내에 적용되기에 점도에 따른 공정성 문제를 해결할 수 있는 이점을 지니며 강인화도를 더욱 향상시킬 수 있는 유리한 상분리 도출이 가능하다.

따라서 본 발명의 합성된 폴리술폰계 고분자 강인화제는 기존의 에폭시 수지 제조공정의 변경 없이 에폭시 수지와 아민 경화제의 반응과 동시에 클릭 반응 공정을 적용할 수 있는 이점을 지닌다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리술폰계 고분자 강인화 에폭시 수지에서 인-시추 아지드-알킨 클릭 반응과 동시에 에폭시 수지와 아민계 경화제의 경화 반응의 전환율에 대해 적외선분광광도(FT-IR)로 분석한 결과로, 도시된 바와 같이 반응 시간이 지남에 따라 아지드기(-N₃)의 피크인 2100cm^-1가 감소하는 동시에 에폭시 수지와 아민계 경화제의 경화 반응이 진행됨에 따라 -NH(3200~3300cm^-1)에 기인한 피크가 -OH(3300cm^-1)에 기인한 피크로 변화하면서 비교적 넓은 피크를 관찰된다. 또한, 에폭시 수지(990cm^-1)에 기인한 피크가 점차 감소하는 것으로 에폭시 수지와 아민계 경화제의 경화 반응과 인-시추 아지드-알킨 클릭 반응은 3시간에 걸쳐 높은 전환율(99%)로 이루어진다.

본 발명의 In-situ poly(p-BAB/SPB)-강인화 에폭시 수지 조성물과 PES-강인화 에폭시 수지 조성물의 점도 특성을 도 12와 도 13에 각각 90℃, 135℃ 온도별로 확인한 결과를 나타내었으며, 여기서 점도의 비교는 경화제인 DDS(diaminodiphenyl sulfone)를 제외한 에폭시 수지 조성물로서 In-situ poly(p-BAB/SPB)-TGAP 에폭시 수지 조성물과 PES-TGAP 에폭시 수지 조성물을 분석한다.

도 12와 도 13에 도시된 바와 같이 강인화제로 20wt%의 폴리에스테르술폰(polyethersulfone, PES)를 첨가한 PES-TGAP 에폭시 수지 조성물은 90℃, 135℃ 온도에서 각각 3.96×10⁵cP, 2.97×10⁵cP로 매우 고점도이다. 반면, 20wt%의 p-BAB/SPB를 첨가한 In-situ poly(p-BAB/SPB) 에폭시 수지 조성물에서는 90℃와 135℃ 온도에서 점도는 각각 43cP, 31cP로 현저히 점도가 낮음을 알 수 있다.

또한, In-situ poly(p-BAB/SPB)-강인화 에폭시 수지 조성물은 바람직하게는 겔화될 때까지, 즉, 점도가 무한대에 이르기까지의 가사 시간(pot life)동안 점도의 변화가 크게 없음을 확인할 수 있었다.

강인화제로 폴리에스테르술폰(polyethersulfone, PES)을 첨가하였을 때에 비하여 본 발명의 강인화제 단량체인 p-BAB(1,4-bis(azidomethyl)benzene)와 SPB(4,4-sulfonylbis((prop-2-yn-1-yloxy)benzene))를 첨가할 경우, 점도의 온도 의존성이 낮음을 확인할 수 있었다. 이러한 낮은 온도 의존성은 에폭시 시편을 다양한 온도에서 주조 가능하게 할 수 있으며, 낮은 점도는 에폭시 시스템의 주조시 문제되고 있는 고점도에 의한 가공성 문제를 해결할 수 있다.

도 14 및 도 15는 강인화제의 함량 변화에 따라 경화시편의 상분리 현상을 관찰하기 위하여 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)을 나타낸 것으로, 도 14는 In-situ poly(p-BAB/SPB)-강인화 에폭시 수지 경화 시편의 주사전자현미경(SEM) 이미지이고, 도 15에는 PES-강인화 에폭시 수지 경화 시편의 주사전자현미경(SEM) 이미지이다.

도 14 및 도 15에 나타난 바와 같이, 에폭시 수지인 TGAP(triglycidyl p-aminophenol)과 경화제인 디아미노 디페닐설폰(diaminodiphenyl sulfone, DDS)만으로 경화시킨 경화시편에서는 상분리가 전혀 나타나지 않음을 알 수 있다.

또한 도 15에서 비교시편인 PES-강인화 에폭시 시편 중 5wt%의 폴리에스테르술폰(poly(ethersulfone), PES)을 도입한 경화시편에서는 구형 구조(spherical structure)를 가지며, 분산상의 크기는 200 내지 800nm이다. 또한, 10wt% 및 20wt%의 폴리에스테르술폰(poly(ethersulfone), PES)을 도입한 경화시편에서는 공동 연속적 형태(co-continuous morphology)를 갖는 것을 확인할 수 있었다.

그러나 본 발명의 In-situ poly(p-BAB/SPB)-강인화 에폭시 경화 시편은 PES-강인화 에폭시 경화 시편과 다른 상분리 형태(morphology)를 갖으며, 특징적으로 강인화 단량체의 함량에 증가에도 In-situ poly(p-BAB/SPB)-강인화 에폭시 경화 시편은 모두 구형 구조 형태(spherical structure morphology)를 가지며, 분산상의 크기는 50 내지 200nm로 작은 분산상을 갖고, PES-강인화 에폭시 경화 시편에 비해 비교적 균일한 상분리가 관찰된다.

본 발명에서 제조된 강인화 에폭시 수지 경화 시편의 유리전이온도를 측정하는 방법 중의 하나로 동역학분석법(dynamic mechanical analysis, DMA)을 이용하여, 경화 반응 분석을 위해 적용한 경화조건에서 제조된 시료에 대한 경화 후의 열적 및 기계적 성질을 알아본 결과를 도 16과 도 17에 나타낸다. 도 16은 In-situ poly(p-BAB/SPB)-강인화 에폭시 수지 경화 시편을, 도 17은 PES-강인화 에폭시 경화 시편에 대해 나타낸 것이다.

도 16 및 도 17에서 'E′' 및 'E″'는 각각 동역학분석법(DMA)를 통해 온도변화에 따른 측정된 저장탄성율(storage modulus, E′) 및 손실탄성율(loss modulus, E″)이며, '탄젠트 델타(tand, tan delta)'는 저장탄성율(E′)에 대한 손실탄성율(E″)의 비를 의미하는 것으로, 본 발명에서 제조된 시편의 유리전이온도를 측정하기 위해 사용한다.

도 16의 (a)에 도시된 바와 같이, 강인화제를 도입하지 않은 조건(이하, 'neat조건'이라 명명하기도 함)의 TGAP/DDS 경화시편은 233.48℃의 유리전이온도(Tg)를 관찰하였으며, 나머지, 도 16의 (b) 내지 도 16의 (d)에서처럼 In-situ poly(p-BAB/SPB)-강인화 에폭시 수지 경화시편의 경우에서 유리전이온도(Tg)를 살펴보면, 도 16의 (b)에서처럼 5wt% poly(p-BAB/SPB)-강인화 에폭시 경화시편의 경우는 유리전이온도(Tg)가 23.68℃, 도 16의 (c)에서 10wt% poly(p-BAB/SPB)-강인화 에폭시 경화시편의 경우는 232.87℃, 도 16의 (d)에서와 같이 20wt% PES-강인화 에폭시 경화시편의 경우에도 유리전이온도가 231.75℃로 약 230 및 232℃에서 유리전이온도(Tg)를 나타냄을 알 수 있다.

반면, PES-강인화 에폭시 경화시편의 경우에는 도 17에 도시된 바와 같이 상기 도 16과 마찬가지로 PES-강인화 에폭시 경화시편도 230 내지 232℃에서 유리전이온도(Tg)가 관찰되었으며, 특히 도 17의 (d)에 도시된 바와 같이 20wt% PES-강인화 에폭시 경화시편의 경우에는 198.78℃, 232.22℃에서 2개의 유리전이온도를 확인할 수 있었다.

따라서 인-시추 아지드-알킨 클릭 반응을 진행하여 강인화제를 첨가하였을 때 에폭시 메트릭스의 유리전이온도(Tg) 감소 없이 에폭시 수지 경화시편의 제조가 가능함을 확인할 수 있었다.

도 18은 본 발명의 일례에 따라 제조된 In-situ poly(p-BAB/SPB)-강인화 에폭시 수지 경화시편 및 PES-강인화 에폭시 수지 경화 시편의 파괴인성(fracture toughness, K_Ic)을 비교 분석한 것으로, 도시된 바와 같이 In-situ poly(p-BAB/SPB)-강인화 에폭시 수지 경화시편의 경우, neat 조건에 비하여 약 2배가량의 높은 파괴인성(K_Ic) 값을 나타냄으로써 강인화 효과가 향상된다.

또한 5wt%의 poly(p-BAB/SPB)를 포함하는 In-situ poly(p-BAB/SPB)-강인화 에폭시 수지 경화시편은 1.78 내지 2.19MN/m^3/2의 파괴인성 값을 보이며, 이는 경화제로 5wt%의 폴리에스테르술폰(poly(ethersulfone), PES)을 첨가한 PES-강인화 에폭시 경화시편에 비해 약 2배 높은 값으로 우수한 파괴인성(K_Ic)값을 나타낸다.

기존에 H. Fujioka가 2000년 발표한 연구결과에 따르면 형태학적으로 semi-IPN(interoenetrating polymer network)구조일 때, DGEBF(diglycidyl ether of bisphenol F)/phenol계 아민경화제를 이용한 5wt%의 PES-강인화 에폭시 경화시편의 파괴인성(K_Ic) 값은 1.3MN/m^3/2이며, M.A.Andres가 발표한 연구결과에서는 Bisphenol A diglycidyl ether(DGEBA)의 에폭시 수지와 DDM의 아민계 경화제를 이용하여 인-시추 반응(In-situ reaction)으로 변경된(modified) PSF-강인화 에폭시로 1.9MN/m^3/ ²값을 갖는 경화시편을 제조한 결과가 있으나, 일반적으로 TGAP/DDS 에폭시 시스템에서 강인화제를 폴리에테르술폰(PES)의 파괴인성(K_Ic) 값은 1.0 내지 1.7MN/m^3/2가 가장 일반적이다.

그러나 본 발명에서는 5wt%의 poly(p-BAB/SPB)를 포함하는 In-situ poly(p-BAB/SPB)-강인화 에폭시 수지 경화시편과 20wt%의 폴리에스테르술폰(poly(ethersulfone), PES)을 첨가한 PES-강인화 에폭시 수지 시편은 이와 유사한 파괴인성(K_Ic) 값을 갖는 것을 확인하였다. 따라서 In-situ poly(p-BAB/SPB)-강인화 에폭시 수지 경화시편의 경우 소량의 강인화제 첨가만으로 20wt%의 폴리에스테르술폰(poly(ethersulfone), PES)을 첨가한 PES-강인화 에폭시 경화시편보다 우수한 강인화 향상을 보여 효율적인 강인화가 가능한 것을 알 수 있다.

Claims

에폭시 수지, 아민계 경화제 및 강인화제 단량체를 포함하고,
상기 강인화제 단량체는 중합 성분으로서 1,4-비스(클로로메틸)벤젠(1,4-bis(chloromethyl)benzene)으로 부터 아지드화 반응으로 합성된 아지드계 단량체(azide monomer) 및 4,4'-설포닐디페놀(4,4'-sulfonyldiphenol)로부터 에테르화 반응으로 합성된 알킨계 단량체(alkyne monomer)를 함유하는 것을 특징으로 하는 폴리술폰계 고분자 강인화 에폭시 수지 조성물.
제 1 항에 있어서, 상기 아지드계 단량체와 상기 알킨계 단량체가 인-시추 아지드-알킨 클릭 반응(In-situ azide-aklyne click reaction)으로 중합되어 폴리술폰계 고분자 강인화제를 형성하는 것을 특징으로 하는 폴리술폰계 고분자 강인화 에폭시 수지 조성물.
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제 1 항에 있어서, 상기 아지드계 단량체는 1,4-비스(아지도메틸)벤젠(1,4-bis(azidomethyl)benzene, p-BAB)인 것을 특징으로 하는 폴리술폰계 고분자 강인화 에폭시 수지 조성물.
제 1 항에 있어서, 상기 알킨계 단량체는 4,4'-sulfonylbis((prop-2-yn-1-yloxy)benzene(SPB) 인 것을 특징으로 하는 폴리술폰계 고분자 강인화 에폭시 수지 조성물.
1,4-비스(클로로메틸)벤젠(1,4-bis(chloromethyl)benzene)로 부터 아지드화 반응으로 아지드계 단량체(azide monomer)를 합성하는 제 1 단계; 및
4,4'-설포닐디페놀(4,4'-sulfonyldiphenol)로부터 에테르화 반응으로 알킨계 단량체(alkyne monomer)를 합성하는 제 2 단계; 및
에폭시 수지에 아민계 경화제, 상기 아지드계 단량체 및 상기 알킨계 단량체를 넣고 반응으로, 폴리술폰계 고분자 강인화 에폭시 수지를 제조하는 제 3 단계;를 포함하며,
상기 제 3 단계는 상기 에폭시 수지와 상기 아민계 경화제의 경화 반응을 할 때, 상기 아지드계 단량체와 상기 알킨계 단량체가 인-시추 아지드-알킨 클릭 반응(In-situ azide-aklyne click reaction)으로 폴리술폰계 고분자 강인화제를 중합하는 것을 특징으로 하는 폴리술폰계 고분자 강인화 에폭시 수지 조성물의 제조 방법.
제 6 항에 있어서, 상기 아지드계 단량체는 1,4-비스(아지도메틸)벤젠(1,4-bis(azidomethyl)benzene, p-BAB)인 것을 특징으로 하는 폴리술폰계 고분자 강인화 에폭시 수지 조성물의 제조 방법.
제 6 항에 있어서, 상기 알킨계 단량체는 4,4'-sulfonylbis((prop-2-yn-1-yloxy)benzene(SPB) 인 것을 특징으로 하는 폴리술폰계 고분자 강인화 에폭시 수지 조성물의 제조 방법.
제 6 항에 있어서, 상기 제 3 단계는 90 내지 180℃ 온도에서 반응하는 것을 특징으로 하는 폴리술폰계 고분자 강인화 에폭시 수지 조성물의 제조 방법.
제 1 항, 제 2 항, 제 4 항 및 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 폴리술폰계 고분자 강인화 에폭시 수지 조성물을 경화하여 얻어지는 폴리술폰계 고분자 강인화 에폭시 수지 경화물.