KR101786108B1

KR101786108B1 - 마이크로 캡슐을 포함하는 자기치유소재 및 이를 이용한 자기치유방법

Info

Publication number: KR101786108B1
Application number: KR1020110116295A
Authority: KR
Inventors: 권명재
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2011-11-09
Filing date: 2011-11-09
Publication date: 2017-10-16
Also published as: KR20130051127A

Abstract

본 발명은 고분자 매트릭스의 내부에 접착물질을 함유하는 하나 이상의 마이크로 캡슐 및 촉매를 포함하고, 상기 마이크로 캡슐은 둘 이상의 나노 캡슐을 둘러싸고 있는 것을 특징으로 하는 자기치유소재 및 이를 이용한 자기치유방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 마이크로 캡슐을 포함하는 자기치유소재는 둘 이상의 나노 캡슐을 둘러싸고 있음으로써, 반복적인 미세 균열에 의한 자기치유 효과를 유지할 수 있어, 가옥용, 자동차용, 비행기용, 선박용, 전자기기용, 군사용 등의 코팅 또는 페인팅에 적용 가능하다.

Description

마이크로 캡슐을 포함하는 자기치유소재 및 이를 이용한 자기치유방법{SELF-HEALING MATERIAL COMPRISING MICROCAPSULE, METHOD FOR SELF-HEALING USING THE SAME}

본 발명은 마이크로 캡슐을 포함하는 자기치유소재 및 이를 이용한 자기치유방법에 관한 것이다.

미 일리노이대 베크만(Beckman)연구소는 2001년 '네이처'지에 인체의 자기치유 능력을 모방한 플라스틱을 개발했다는 논문을 발표했다. 플라스틱 내부에는 디사이클로펜타디엔(DCPD)이라는 액체 상태의 접착물질이 들어있는 마이크로 캡슐(micro capsule)이 백설기의 건포도처럼 박혀 있고, 그 주변에는 접착물질을 굳게 하는 촉매제가 점점이 있다. 만약 플라스틱에 균열이 생기면 그 부분에 있는 캡슐이 터지게 된다. 캡슐 안에 있던 접착물질은 균열 부위를 따라 이동한다. 식물의 뿌리에서 잎까지 물이 전달되거나 실을 따라 물이 올라가는 모세관현상 때문이다. 접착물질은 곧 균열부분에 있는 촉매와 만나 굳게 되고 결국 틈을 메우게 된다. 실험 결과 자기치유가 된 플라스틱은 균열 전과 비교해 강도(剛度)가 90%까지 회복되는 것으로 나타났다.

플라스틱은 탄소로 이뤄진 작은 분자들이 사슬처럼 연결돼 있는 고분자 물질이다. 선박이나 자동차에 사용되는 플라스틱에 작은 균열이라도 생기면 강도가 급격히 떨어져 큰 사고를 불러올 수 있다. 또한 미세전자기기를 구성하는 플라스틱에 균열이 생기면 전자제품이 제대로 작동되지 않는다. 접착물질 역시 고분자물질인 일종의 플라스틱이어서 작은 금이라도 생기면 접착력을 유지하지 못하게 되는데, 자기치유 플라스틱은 이런 문제를 해결할 수 있다.

그러나, 종래 마이크로 캡슐을 이용한 자기치유 플라스틱은 같은 곳에 다시 균열이 발생하면 속수무책이다. 이미 그곳에 있는 마이크로 캡슐이 터진 상태라 접착물질이 남아있지 않기 때문이다. 베크만연구소의 낸시 소토스(Sottos) 교수는 캡슐 대신 모세혈관과 같은 작은 통로(micro channel)들로 이 문제를 해결한 바 있으나, 현재까지 마이크로 캡슐 자체의 구조를 개선한 예는 없었다.

본 발명은 고분자 매트릭스의 내부에 접착물질을 함유하는 하나 이상의 마이크로 캡슐 및 촉매를 포함하고, 상기 마이크로 캡슐은 둘 이상의 나노 캡슐을 둘러싸고 있는 것을 특징으로 하는 자기치유소재 등을 제공하고자 한다.

그러나, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명은 고분자 매트릭스의 내부에 접착물질을 함유하는 하나 이상의 마이크로 캡슐 및 촉매를 포함하고, 상기 마이크로 캡슐은 둘 이상의 나노 캡슐을 둘러싸고 있는 것을 특징으로 하는 자기치유소재를 제공한다.

본 발명의 일 구현예로, 1) 고분자 매트릭스에 1차 균열이 발생하는 단계; 2) 마이크로 캡슐이 터져 접착물질이 흘러나오고, 상기 고분자 매트릭스의 내부에 포함된 촉매와 접촉한 후, 중합이 진행되어 1차 자기치유가 일어나는 단계; 3) 고분자 매트릭스에 2차 미세 균열이 발생하는 단계; 및 4) 방출되어 있는 나노 캡슐이 터져 접착물질이 흘러나오고, 상기 고분자 매트릭스의 내부에 포함된 촉매와 접촉한 후, 중합이 진행되어 2차 자기치유가 일어나는 단계를 포함하는 것으로, 상기 3) 내지 4) 단계가 1회 이상 반복되는 것을 특징으로 하는 상기 자기치유소재를 이용한 자기치유방법을 제공한다.

본 발명에 따른 마이크로 캡슐을 포함하는 자기치유소재는 둘 이상의 나노 캡슐을 둘러싸고 있음으로써, 반복적인 미세 균열에 의한 자기치유 효과를 유지할 수 있어, 가옥용, 자동차용, 비행기용, 선박용, 전자기기용, 군사용 등의 코팅 또는 페인팅에 적용 가능하다.

도 1은 종래 자기치유소재에 적용된 마이크로 캡슐의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기치유소재에 적용된 마이크로 캡슐의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 매트릭스의 반복적인 균열에 의한 자기치유방법을 나타낸 모식도이다.

종래 마이크로 캡슐을 이용한 자기치유 플라스틱에 있어서, 같은 곳에 반복적인 균열이 일어나는 경우 접착물질이 남아있지 않아 자기치유 효과가 미미하였는바, 본 발명자들은 마이크로 캡슐 자체의 구조에 대해 연구하던 중, 둘 이상의 나노 캡슐을 둘러싸고 있는 마이크로 캡슐을 개발함으로써 본 발명을 완성하였다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

구체적으로, 본 발명은 고분자 매트릭스의 내부에 접착물질을 함유하는 하나 이상의 마이크로 캡슐 및 촉매를 포함하고, 상기 마이크로 캡슐은 둘 이상의 나노 캡슐을 둘러싸고 있는 것을 특징으로 하는 자기치유소재를 제공한다.

또한, 상기 나노 캡슐도 접착물질을 함유하는 것을 특징으로 한다.

상기 고분자 매트릭스는 내부에 접착물질을 함유하는 하나 이상의 마이크로 캡슐 및 촉매를 포함하고 있는 것으로, 가옥용, 자동차용, 비행기용, 선박용, 전자기기용, 군사용 등의 코팅제 또는 페인팅제로 사용될 수 있다. 이때, 상기 고분자 매트릭스의 종류는 특별히 한정하지 않으나, 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리카보네이트, 폴리에테르, 에폭시 수지, 에폭시 비닐 에스테르 수지, 폴리이미드, 페놀-포름알데히드 수지, 아민-포름알데히드 수지, 폴리술폰, 폴리(아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌), 폴리우레탄, 폴리올레핀, 폴리아크릴레이트, 폴리(알킬아크릴레이트) 및 폴리실란으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상인 것이 바람직하다.

상기 고분자 매트릭스는 전체 자기치유소재 대비 99.0 중량% 내지 99.8 중량%인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이때, 전체 자기치유소재는 고분자 매트릭스, 촉매, 및 마이크로 캡슐을 모두 포함하는 것으로, 상기 고분자 매트릭스가 전체 자기치유소재 대비 99.0 중량% 내지 99.8 중량%인 경우, 레벨링(leveling)성이 양호하고, 촉매와의 반응성이 좋을 뿐만 아니라, 마이크로 캡슐의 분산에 효과적이다.

본 발명에서 “마이크로 캡슐” 또는 “나노 캡슐”은 마이크로 크기 또는 나노 크기를 갖는 캡슐을 의미하는 것으로, 본 발명에서 “마이크로”는 10^-6을 가리키는 단위이고, 본 발명에서 “나노”는 10^-9를 가리키는 단위로서, 본 발명에서 “캡슐”은 고체, 액체, 기체 또는 그들의 조합을 함유할 수 있는 1:1∼1:10의 애스펙트비(aspect ratio)를 갖는 폐쇄된 물체(closed object)이다. 물체의 애스펙트비는 단축 대 장축의 비이며, 이들 축은 수직일 필요는 없으며, 구, 환상체(toroid) 또는 불규칙한 아메바 모양과 같은 애스펙트비의 범위 내에 있는 임의의 형상을 가질 수 있다.

따라서, 상기 마이크로 캡슐은 단축 또는 장축의 길이가 0.1㎛ 내지 10㎛인 것이 바람직하고, 0.1㎛ 내지 3㎛인 것이 더욱 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 또한, 상기 나노 캡슐은 단축 또는 장축의 길이가 100nm 내지 500nm인 것이 바람직하고, 100nm 내지 300nm인 것이 더욱 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.

상기 마이크로 캡슐은 고분자 매트릭스의 내부에 백설기의 건포도처럼 하나 이상 박혀 있는 형태로 분포하고 있다. 이때, 마이크로 캡슐은 접착물질을 함유하고 있어, 외부 자극에 의해 고분자 매트릭스에 균열이 발생하는 경우, 접착물질을 이용하여 자기치유 효과를 발생시킨다.

상기 마이크로 캡슐은 전체 자기치유소재 대비 0.1 중량% 내지 0.5 중량%인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이때, 전체 자기치유소재는 고분자 매트릭스, 촉매, 및 마이크로 캡슐을 모두 포함하는 것이다.

특히, 상기 마이크로 캡슐은 둘 이상의 나노 캡슐을 둘러싸고 있는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 접착물질은 상기 마이크로 캡슐에도 봉입되어 있고, 상기 나노 캡슐에도 추가적으로 봉입되어 있는 것을 특징으로 하는바, 1차 균열 및 1차 자기치유 이후 같은 곳에 반복적인 미세 균열에 의한 자기치유 효과를 유지시킬 수 있다.

아울러, 상기 마이크로 캡슐 또는 나노 캡슐은 다중 캡슐을 갖는 단일 코어 마이크로 또는 나노 캡슐인 것으로, 단일 코어 주위로 다중 캡슐을 겹겹이 형성하여 이루어질 수 있다. 이때, 상기 접착물질은 상기 다중 캡슐의 내부마다 봉입되는 것을 특징으로 하는바, 마이크로 캡슐 또는 나노 캡슐은 같은 곳에 반복적인 균열에 의한 자기치유 효과를 보다 상승시킬 수 있고, 자극 강도에 따라 최외각 다중 캡슐만 터지는 등 다중 캡슐의 일부만 터지도록 함으로써, 접착물질의 낭비를 최소화시킬 수 있는 이점이 있다.

상기 접착물질의 종류는 특별히 한정하지 않으나, 디사이클로펜타디엔(Dicyclopentadiene; DCPD) 수지인 것이 바람직하다.

상기 캡슐의 종류는 특별히 한정하지 않으나, 우레아-포름알데히드(Urea-formaldehyde) 수지인 것이 바람직하다.

상기 촉매의 종류는 특별히 한정하지 않으나, 캡슐과는 반응하지 않으면서도 고분자 매트릭스와의 반응성은 뛰어나 균열이 발생하는 경우 자기치유 능력이 우수한 것으로, 루테늄 촉매인 것이 바람직하고, 새로운 형태의 루테늄 촉매인 그럽스(Grubbs) 촉매인 것이 더욱 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 본 발명에서 사용되는 “그럽스(Grubbs) 촉매”는 1992년 그럽스(Grubbs) 교수에 의해 개발된 것으로, 이는 외부 환경 변화에도 매우 안정하며 반응도 획기적으로 잘 일으키는 새로운 형태의 루테늄 촉매이다.

상기 촉매는 전체 자기치유소재 대비 0.1 중량% 내지 0.5 중량%인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이때, 전체 자기치유소재는 고분자 매트릭스, 촉매, 및 마이크로 캡슐을 모두 포함하는 것이다.

또한, 본 발명은 1) 고분자 매트릭스에 1차 균열이 발생하는 단계; 2) 마이크로 캡슐이 터져 접착물질이 흘러나오고, 상기 고분자 매트릭스의 내부에 포함된 촉매와 접촉한 후, 중합이 진행되어 1차 자기치유가 일어나는 단계; 3) 고분자 매트릭스에 2차 미세 균열이 발생하는 단계; 및 4) 방출되어 있는 나노 캡슐이 터져 접착물질이 흘러나오고, 상기 고분자 매트릭스의 내부에 포함된 촉매와 접촉한 후, 중합이 진행되어 2차 자기치유가 일어나는 단계를 포함하는 것으로, 상기 3) 내지 4) 단계가 1회 이상 반복되는 것을 특징으로 하는 제 1항에 따른 자기치유소재를 이용한 자기치유방법을 제공한다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하고자 한다. 본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.

도 1은 종래 자기치유소재에 적용된 마이크로 캡슐의 단면도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 종래 자기치유소재(1)에 적용된 마이크로 캡슐(10)은 단일 캡슐을 갖는 단일 코어인 것으로, 접착물질(200)은 마이크로 캡슐(10)의 내부에 봉입되어 있다. 따라서, 종래 마이크로 캡슐(10)을 이용한 자기치유소재(1)는 같은 곳에 반복적인 균열이 일어나는 경우 접착물질(200)이 남아있지 않아 자기치유 효과가 미미한 문제가 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기치유소재에 적용된 마이크로 캡슐의 단면도이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 자기치유소재(1)에 적용된 마이크로 캡슐(10)은 둘 이상의 나노 캡슐(100)을 둘러싸고 있는 것으로, 접착물질(200)은 마이크로 캡슐(10)에도 봉입되어 있고, 나노 캡슐(200)에도 추가적으로 봉입되어 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 자기치유소재(1)에 적용된 마이크로 캡슐(10)은 1차 균열 및 1차 자기치유 이후 같은 곳에 반복적인 미세 균열에 의한 자기치유 효과를 상승시킬 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 매트릭스의 반복적인 균열에 의한 자기치유방법을 나타낸 모식도이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 매트릭스(30)의 반복적인 균열에 의한 자기치유방법은 고분자 매트릭스(30)에 1차 균열이 발생하고, 마이크로 캡슐(10)이 터져 접착물질(20)이 흘러나오며, 상기 고분자 매트릭스(30)의 내부에 포함된 촉매(20)와 접촉한 후, 중합이 진행되어 1차 자기치유가 일어난다. 이후, 고분자 매트릭스(30)에 2차 미세 균열이 발생하고, 방출되어 있는 나노 캡슐(100)이 터져 접착물질(20)이 흘러나오며, 상기 고분자 매트릭스(30)의 내부에 포함된 촉매(20)와 접촉한 후, 중합이 진행되어 2차 자기치유가 일어난다. 이후, 같은 곳에 반복적인 균열이 일어나는 경우 2차 자기치유와 같은 단계가 여러 차례 반복될 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

1: 자기치유소재
10: 마이크로 캡슐
100: 나노 캡슐
200: 접착물질
20: 촉매
30: 고분자 매트릭스

Claims

고분자 매트릭스의 내부에 접착물질을 함유하는 하나 이상의 마이크로 캡슐 및 상기 마이크로 캡슐과 이격되고 상기 접착물질과 반응하는 촉매를 포함하고,
상기 마이크로 캡슐은 둘 이상의 나노 캡슐들을 둘러싸고 있고,
상기 나노 캡슐들은, 내부에 상기 촉매와 반응하는 상기 접착물질을 함유하며 나노 미터 크기로 형성되고,
상기 나노 캡슐들의 각각의 단축 또는 장축의 길이는 100nm 내지 500nm인 것을 특징으로 하는 자기치유소재.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 고분자 매트릭스는 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리카보네이트, 폴리에테르, 에폭시 수지, 에폭시 비닐 에스테르 수지, 폴리이미드, 페놀-포름알데히드 수지, 아민-포름알데히드 수지, 폴리술폰, 폴리(아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌), 폴리우레탄, 폴리올레핀, 폴리아크릴레이트, 폴리(알킬아크릴레이트) 및 폴리실란으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 자기치유소재.
제 1항에 있어서,
상기 접착물질은 디사이클로펜타디엔(Dicyclopentadiene; DCPD) 수지인 것을 특징으로 하는 자기치유소재.
제 1항에 있어서,
상기 캡슐은 우레아-포름알데히드(Urea-formaldehyde) 수지인 것을 특징으로 하는 자기치유소재.
제 1항에 있어서,
상기 촉매는 루테늄 촉매인 것을 특징으로 하는 자기치유소재.
1) 고분자 매트릭스에 1차 균열이 발생하는 단계;
2) 마이크로 캡슐이 터져 접착물질이 흘러나오고, 상기 고분자 매트릭스의 내부에 포함된 촉매와 접촉한 후, 중합이 진행되어 1차 자기치유가 일어나는 단계;
3) 고분자 매트릭스에 2차 미세 균열이 발생하는 단계; 및
4) 방출되어 있는 나노 캡슐이 터져 접착물질이 흘러나오고, 상기 고분자 매트릭스의 내부에 포함된 촉매와 접촉한 후, 중합이 진행되어 2차 자기치유가 일어나는 단계를 포함하는 것으로,
상기 3) 내지 4) 단계가 1회 이상 반복되는 것을 특징으로 하는 제 1항에 따른 자기치유소재를 이용한 자기치유방법.